Плотность энергии суперконденсаторов, устройств, похожих на аккумуляторы, которые могут быстро заряжаться всего за секунды или минуты, может быть улучшена за счет увеличения ‘беспорядка’ их внутренней структуры.
Исследователи под руководством Кембриджского университета использовали методы эксперимента и компьютерного моделирования для изучения пористых углеродных электродов, используемых в суперконденсаторах. Они обнаружили, что электроды с более неупорядоченной химической структурой накапливают гораздо больше энергии, чем электроды с высокоупорядоченной структурой.
Суперконденсаторы являются ключевой технологией для перехода к потреблению энергии и могут быть полезны для определенных видов общественного транспорта, а также для управления периодическим производством солнечной и ветровой энергии, но их внедрение ограничено низкой плотностью энергии.
Исследователи говорят, что их результаты, опубликованные в журнале Science, представляют собой прорыв в этой области и могут придать новый импульс развитию этой важной технологии с нулевым результатом.
Сравнение суперконденсаторов и батарей
Подобно батареям, суперконденсаторы накапливают энергию, но суперконденсаторы могут заряжаться за секунды или несколько минут, в то время как аккумуляторам требуется гораздо больше времени. Суперконденсаторы намного долговечнее аккумуляторов и могут работать миллионы циклов зарядки. Однако низкая плотность энергии суперконденсаторов делает их непригодными для обеспечения длительного хранения энергии или непрерывного питания.
“Суперконденсаторы - это дополнительная технология к батареям, а не замена”, - сказал доктор Алекс Форс из химического факультета Юсуфа Хамида в Кембридже, который руководил исследованием. “Их долговечность и чрезвычайно быстрая зарядка делают их полезными для широкого спектра применений”.
Например, автобус, поезд или метро, работающие на суперконденсаторах, могут полностью зарядиться за то время, которое требуется, чтобы высадить и посадить пассажиров, обеспечивая их энергией, достаточной для того, чтобы доехать до следующей остановки. Это избавило бы от необходимости устанавливать какую-либо инфраструктуру зарядки вдоль линии. Однако, прежде чем суперконденсаторы получат широкое применение, необходимо повысить их емкость для хранения энергии.
В то время как аккумулятор использует химические реакции для накопления и высвобождения заряда, суперконденсатор основан на движении заряженных молекул между пористыми углеродными электродами, которые имеют сильно неупорядоченную структуру. “Представьте себе лист графена, который имеет высокоупорядоченную химическую структуру”, - сказал Форс. “Если вы скомкаете этот лист графена в шарик, у вас получится беспорядочная масса, которая похожа на электрод в суперконденсаторе”.
Прорыв в понимании структуры электрода
Из-за присущего электродам беспорядка ученым было трудно изучить их и определить, какие параметры являются наиболее важными при попытке улучшить производительность. Отсутствие четкого консенсуса привело к тому, что эта область немного застопорилась.
Многие ученые считали, что размер крошечных отверстий, или нанопор, в углеродных электродах был ключом к повышению энергоемкости. Однако кембриджская команда проанализировала серию коммерчески доступных нанопористых углеродных электродов и обнаружила отсутствие связи между размером пор и емкостью аккумулятора.
Форс и его коллеги применили новый подход и использовали спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) – своего рода "магнитно-резонансную томографию’ 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 ЯМР-спектроскопию, мы обнаружили, что способность накапливать энергию коррелирует с тем, насколько неупорядоченными являются материалы – чем более неупорядоченные материалы способны накапливать больше энергии”, - сказал первый автор Синью Лю, кандидат наук, совместно руководимый Forse и профессором Дамой Клэр Грей. “Беспорядок - это то, что трудно измерить – это возможно только благодаря новым методам ЯМР и моделирования, вот почему беспорядок - это характеристика, на которую в этой области не обращали внимания”.
При анализе материалов электродов с помощью ЯМР-спектроскопии получается спектр с различными пиками и впадинами. Положение пика показывает, насколько упорядочен или неупорядочен углерод. “В наши планы не входило искать это, это было большим сюрпризом”, - сказал Форс. “Когда мы нанесли положение пика на график зависимости энергетической емкости, обнаружилась поразительная корреляция – у наиболее неупорядоченных материалов емкость была почти вдвое больше, чем у наиболее упорядоченных материалов”.
Так почему беспорядок полезен? Форс говорит, что это следующая вещь, над которой работает команда. Более неупорядоченные атомы углерода более эффективно накапливают ионы в своих нанопорах, и команда надеется использовать эти результаты для разработки более совершенных суперконденсаторов. Грязность материалов определяется на этапе их синтеза.
“Мы хотим изучить новые способы изготовления этих материалов, чтобы увидеть, как далеко беспорядок может завести вас с точки зрения улучшения накопления энергии”, - сказал Форс. “Это может стать поворотным моментом для отрасли, которая на некоторое время застопорилась. Мы с Клэр начали работать над этой темой более десяти лет назад, и очень интересно видеть, что многие наши предыдущие фундаментальные работы теперь имеют четкое применение ”.