Исследователи из Сколтеха и Института нанотехнологий микроэлектроники РАН изучили возможность улучшить характеристики суперконденсаторов, используемых в электромобилях и системах бесперебойного питания дата центров. В экспериментах ученые проанализировали, как модицификации электродов влияют на энергоемкость устройств. Чем больше энергии смогут накапливать эти устройства, тем больше возможностей для практического использования.
Ученые протестировали воздействие плазмы шести различных составов на углеродные наностенки — материала, из которого изготавливают электроды суперконденсаторов. Поверхность образцов обрабатывали методом реактивного травления в атмосферах из чистого аргона и его смесей с азотом, хлором, бромистым водородом и фторидом серы.
Свойства модифицированных материалов проанализировали с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии и циклической вольтамперометрии. Наиболее заметный эффект — удвоение поверхностной емкости — достигли при обработке материалов смесью из одной части аргона и двух частей азота.
Хотя этот результат не является рекордным среди всех существующих способов модификации углеродных электродов, исследование раскрыло детали происходящих процессов. Исследователи установили, что сначала происходит удаление аморфного углерода с поверхности наностенок, а затем — образование дефектов и встраивание атомов азота в структуру материала.
По большому счету, есть два способа повысить количество запасаемой в суперконденсаторе энергии. Можно увеличить эффективную площадь поверхности электродов за счет структурирования поверхности. Или внедрить атомы другого элемента в углеродный материал электродов. В этой работе мы продвинулись в понимании эффекта от включения посторонних атомов в кристаллическую решетку.
Станислав Евлашин, руководитель исследования, старший преподаватель Центра технологий материалов Сколтеха
Суперконденсаторы играют важную роль в современных энергетических системах, работая в паре с литий-ионными аккумуляторами. Их главное преимущество — способность почти мгновенно высвобождать или запасать электроэнергию, что делает их незаменимыми при пиковых нагрузках: на старте транспортного средства, при резком торможении или подъеме груза.
В отличие от традиционных аккумуляторов, суперконденсаторы стабильно работают в широком диапазоне температур, меньше подвержены деградации и не склонны к воспламенению. Кроме того, они могут существенно продлить срок службы литий-ионных батарей, принимая на себя кратковременные высокие нагрузки.
Увеличение емкости суперконденсаторов позволит электромобилям эффективнее рекуперировать энергию при торможении, тем самым увеличив запас хода. В медицине и IT-инфраструктуре усовершенствованные накопители обеспечат более стабильную защиту от перебоев питания, а в носимой электронике и портативных медицинских устройствах — снизят требования к размеру и весу аккумуляторов.
Читать далее:
Ученые в тупике: «Уэбб» засек невозможный свет в галактике
Живые клетки обрабатывают информацию в миллиарды раз быстрее, чем считалось ранее
Вселенная внутри черной дыры: наблюдения «Уэбба» подтверждают странную гипотезу
На обложке: окрашенный снимок углеродных наностенок, полученный на сканирующем электронном микроскопе. Изображение: Станислав Евлашин, предоставлено пресс-службой Сколтеха