Ученые обнаружили удивительную эффективность «хаотичных» суперконденсаторов

Плотность энергии суперконденсаторов, устройств, подобных батареям, которые могут быстро перезаряжаться всего за секунды или минуты, можно улучшить, увеличив «беспорядок» в их внутренней структуре.

Исследователи под руководством Кембриджского университета использовали методы экспериментального и компьютерного моделирования для изучения пористых углеродных электродов, используемых в суперконденсаторах. Они обнаружили, что электроды с более неупорядоченной химической структурой сохраняют гораздо больше энергии, чем электроды с высокоорганизованной структурой.

Ультраконденсаторы являются ключевой технологией передачи энергии и могут быть полезны для некоторых видов общественного транспорта, а также для управления прерывистой солнечной и ветровой генерацией, но их внедрение ограничено низкой удельной мощностью.

Исследователи говорят, что их результаты опубликованы в журнале Наукипредставляет собой прорыв в этой области и может оживить развитие этой важной технологии с нулевым результатом.

Сравните суперконденсаторы и батареи

Как и батареи, суперконденсаторы хранят энергию, но суперконденсаторы можно заряжать за секунды или несколько минут, тогда как батареям требуется гораздо больше времени. Суперконденсаторы более долговечны, чем батареи, и могут выдерживать миллионы циклов зарядки. Однако низкая плотность энергии суперконденсаторов делает их непригодными для долговременного хранения энергии или непрерывного энергоснабжения.

«Ультраконденсаторы — это дополнительная технология, а не замена батареям», — сказал доктор Алекс Форс из химического факультета Юсефа Хамида Кембриджского университета, который руководил исследованием. «Его долговечность и возможность чрезвычайно быстрой зарядки делают его полезным для широкого спектра применений».

Слева направо: профессор Дам Клер Грей, Синьюй Лю, доктор Алекс Форс. Кредит: Натан Питт

Например, автобус, поезд или метро, ​​работающие на суперконденсаторах, могут полностью зарядиться за время, необходимое для того, чтобы пассажиры могли выйти и войти, снабжая его достаточным количеством энергии, чтобы добраться до следующей остановки. Это устранит необходимость установки какой-либо зарядной инфраструктуры вдоль линии. Однако, прежде чем суперконденсаторы смогут широко использоваться, необходимо улучшить их способность хранить энергию.

В то время как батарея использует химические реакции для хранения и высвобождения заряда, суперконденсатор основан на движении заряженных молекул между пористыми углеродными электродами, которые имеют сильно неупорядоченную структуру. «Представьте себе лист ГрафенУ него очень упорядоченная химическая структура», — сказал Форс. «Если вы разрежете этот лист графена на сферу, вы получите беспорядочный беспорядок, немного похожий на электрод в суперконденсаторе».

Прорыв в понимании структуры электродов

Из-за присущего электродам хаоса ученым было трудно изучить их и определить, какие параметры являются наиболее важными при попытке улучшить производительность. Отсутствие четкого консенсуса привело к некоторому застою в этой области.

Многие ученые считают, что размер крошечных отверстий или нанопор, обнаруженных в углеродных электродах, является ключом к повышению энергетической емкости. Однако команда из Кембриджа проанализировала серию коммерчески доступных углеродных наноэлектродов и обнаружила, что нет никакой связи между размером пор и емкостью хранения.

Синьюй Лю с моделью графена (слева) и неупорядоченным угольным электродом (справа). Кредит: Натан Питт

Форс и его коллеги применили новый подход и использовали спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — разновидность «магнитно-резонансной томографии» для батарей — для изучения материалов электродов. Они обнаружили, что беспорядок материалов, который долгое время считался помехой, на самом деле был ключом к их успеху.

«Используя спектроскопию ядерного магнитного резонанса, мы обнаружили, что емкость хранения энергии связана с тем, насколько неупорядочен материал – чем более неупорядочен материал, он способен хранить больше энергии», – сказал первый автор Синьюй Лю, кандидат наук, под руководством Форса и Профессор Дам Клэр Грей. . «Хаос сложно измерить – это возможно только благодаря ядерному магнитному резонансу и новым методам моделирования, поэтому хаос – это упускаемая из виду особенность в этой области».

Когда материалы электродов анализируются с помощью ЯМР-спектроскопии, получается спектр с различными пиками и впадинами. Положение пика указывает на то, насколько упорядочен или неупорядочен углерод. «В наши планы не входило это искать, это было большим сюрпризом», — сказал Форс. «Когда мы сопоставили расположение пика с энергетической емкостью, возникла поразительная корреляция: наиболее неупорядоченные материалы имели почти вдвое большую емкость, чем наиболее упорядоченные материалы».

Так чем же хаос хорош? Форс говорит, что это следующее, над чем работает команда. Более неупорядоченные атомы углерода более эффективно хранят ионы в нанопорах, и команда надеется использовать эти результаты для разработки более эффективных суперконденсаторов. Хаос материала определяется в момент его изготовления.

«Мы хотим изучить новые способы изготовления этих материалов, чтобы увидеть, как далеко хаос может завести вас с точки зрения улучшения хранения энергии», — сказал Форс. «Это может стать поворотным моментом в области, которая застряла на некоторое время. Мы с Клэр начали работать над этой темой более десяти лет назад, и приятно видеть, что многие наши предыдущие плодотворные работы теперь имеют четкое применение. »

Ссылка: «Структурный беспорядок определяет емкость наноуглеродов», Синьюй Лю, Дунсюнь Лю, Селин Мерле, Мэтью Дж. Лисмит, Сяо Хуа, Чжэнь Сюй, Клэр П. Грей и Александр К. Форс, 18 апреля 2024 г., Науки.
doi: 10.1126/science.adn6242

Исследование частично поддерживалось Cambridge Trusts, Европейским исследовательским советом и Британским институтом исследований и инноваций (UKRI).