Специалисты Московского института электроники и математики НИУ ВШЭ и Института неклассической химии в Лейпциге предложили новую теоретическую модель суперконденсаторов, учитывающую свойства катиона, которые существенно влияют на электрическую емкость суперконденсатора. Это первая подобная работа в области электрохимии. В будущем модель позволит инженерам создавать более мощные источники энергии.
Суперконденсаторы — это устройства, накапливающие энергию в двойном электрическом слое на поверхности электрода. Их используют в качестве источников питания в разных отраслях промышленности — от жилищного хозяйства до альтернативных источников энергии, а также в электронных и мобильных устройствах, в цифровой аппаратуре. Там они выполняют роль автономного или резервного источника питания для микроконтроллеров, микросхем памяти и электронных часов.
Суперконденсатор или ионистор — это некий гибрид конденсатора и аккумулятора, и по сравнению с ними у него есть ряд преимуществ. Он отличается, во-первых, высокой скоростью накопления электроэнергии и, во-вторых, большей электрической емкостью. По величине удельной емкости на единицу массы суперконденсаторы значительно превосходят обычные при гораздо меньших электрических напряжениях.
Емкость — главная характеристика, которая показывает, как много двойной электрический слой может накопить электрической энергии. Эффективное расстояние между обкладками суперконденсатора, которыми служат металлический электрод и слой ионов, в двойном электрическом слое составляет всего несколько нанометров. Поэтому даже при малых приложенных напряжениях суперконденсатор может накопить огромную электрическую энергию.
Исследователи проанализировали, как свойства катиона ионной жидкости влияют на величину электрической емкости суперконденсатора.
Существующие теоретические модели описывают ионы в суперконденсаторах как бесструктурные заряженные частицы, не конкретизируя, чем один ион отличается от другого. Но для ионных жидкостей важны не только электрический заряд и размер каждого иона, но и такие характеристики, как дипольный момент катиона и электронная поляризуемость.
Дипольный момент — это произведение величины зарядов диполя на расстояние между ними. Электронная поляризуемость — величина, определяющая способность частицы приобретать наведенный дипольный момент во внешнем электрическом поле.
Ученые выяснили, как ведет себя дифференциальная емкость в зависимости от напряжения при увеличении постоянного дипольного момента и статической поляризуемости катионов для ионных жидкостей и их разбавленных растворов.
В обоих случаях увеличение поляризуемости или постоянного дипольного момента катионов приводит к значительному увеличению дифференциальной емкости при отрицательных напряжениях. Такое поведение дифференциальной емкости авторы объяснили дополнительным притяжением катиона, обладающего постоянным или наведенным дипольным моментом, к электроду в неоднородном электрическом поле.
«Мы показали очень важную вещь. Емкость — а это главная характеристика, которая показывает, как много двойной электрический слой может накопить энергии, — чувствительна к изменению дипольного момента и поляризуемости органического катиона. Это дает возможность экспериментатору — инженеру-электрохимику, если он хочет достичь больших емкостей, заранее выбрать такую ионную жидкость, катион которой обладает большим дипольным моментом или поляризуемостью», — объяснил профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков.
Ученые отмечают, что в будущем их работа позволит инженерам-экспериментаторам делать более точные расчеты при проектировании суперконденсаторов.
«Мы планируем разрабатывать программное обеспечение, которое позволит спрогнозировать емкостные свойства различных ионных жидкостей и растворов электролитов на конкретных электродах — углерод, золото, платина. Также программное обеспечение будет учитывать эффект, связанный с диэлектрическими свойствами ионов», — подчеркнул профессор Будков.
Исследование выполнено в рамках гранта РНФ. Результаты работы опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry C.