Благодаря беспорядочной химической структуре электродов суперконденсаторы могут накапливать в два раза больше энергии. Такое исследование может приблизить использование этих устройств для общественного транспорта: например, в метро, где поезд будет заряжаться за несколько секунд, когда останавливается на станциях. Работа опубликована в журнале Science.
Суперконденсаторы — это устройства, аналогичные аккумуляторам. Они могут заряжаться очень быстро: за секунды или несколько минут. При этом они гораздо долговечнее, так как выдерживают миллионы циклов зарядки. Однако у них есть серьезный недостаток — низкая плотность энергии. Это означает, что для получения достаточного количества электричества нужно очень много таких устройств. Поэтому для долговременного хранения больших запасов энергии или непрерывного энергоснабжения они не подходят.
Исследователи обнаружили способ, который поможет увеличить плотность энергии суперконденсаторов в два раза. Обычная батарея использует химические реакции для хранения и высвобождения заряда. Принцип работы суперконденсатора основан на движении заряженных молекул между пористыми углеродными электродами. «Представьте себе лист графена, который имеет высокоупорядоченную химическую структуру. Если сжать его в шарик, получится беспорядок, прямо как в электроде в суперконденсаторе», — прокомментировал Алекс Форс из Кембриджского университета.
Из-за такой беспорядочной структуры электродов в суперконденсаторе ученым было трудно их исследовать и понять, что больше всего влияет на производительность устройства. Многие специалисты заявляли, что размер крошечных отверстий в углеродных электродах — ключ к повышению энергоемкости. Исследователи из Кембриджского университета опровергли это, используя спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это своего рода МРТ для батарей, которая помогает исследовать электроды. Оказалось, что беспорядок в них — это важный критерий повышения плотности энергии.
Когда ученые анализировали электроды с помощью ЯМР-спектроскопии, они получали спектр с разными пиками и падениями. Эти пики и падения исследователи потом сопоставили с энергетической емкостью конкретных электродов. Оказалось, что энергоемкость у самых неупорядоченных из них была почти вдвое выше, чем у более упорядоченных.
«Используя ЯМР-спектроскопию, мы обнаружили, что плотность энергии коррелирует с тем, насколько неупорядочена структура электродов. Чем более неупорядочена химическая структура, тем больше энергии они способны сохранить. Беспорядок — это то, что трудно измерить. Это возможно только благодаря новым методам ЯМР и моделирования, поэтому беспорядок — это характеристика, которую ученые упускают из виду в этой области», — сказал Синьюй Лю из Кембриджского университета.
Ученые считают, что это происходит от того, что более упорядоченный углерод более эффективно удерживает ионы в своих нанопорах. Команда исследователей надеется найти новые способы изготовления материалов с беспорядочной химической структурой для того, чтобы такие устройства лучше сохраняли энергию.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
