Учёные НИУ ВШЭ смоделировали работу суперконденсатора на уровне отдельных молекул и ионов с помощью суперкомпьютера. Исследователи изучили, что происходит с ионами и молекулами растворителя с водой внутри нанопор. Как отметили в НИУ ВШЭ, по результатам исследований даже малое количество воды меняет распределение заряда и влияет на то, сколько энергии может накопить устройство. Исследование опубликовано в журнале Electrochimica Acta.
На схеме, созданной исследователями, видно устройство щелевидной поры с электролитом. Ионы [EMIM]+ отмечены красным, [NTf₂]⁻ — синим, молекулы растворителя DMSO — зелёным, вода — жёлтым. Чёрные слои показывают заряженные стенки поры, серые — незаряженные. Цветами также обозначены атомы: сера — жёлтым, кислород — красным, фтор — розовым, водород — серым, углерод — голубым, азот — синим.
Суперконденсаторы быстро накапливают и отдают электрическую энергию. Их используют в электронике, гибридных автомобилях, системах рекуперации энергии, солнечных и ветровых электростанциях. В отличие от аккумуляторов, которые заряжаются от десятков минут до нескольких часов и выдерживают до тысячи циклов, суперконденсаторы заряжаются за секунды и выдерживают сотни тысяч циклов без потери ёмкости. Главная проблема суперконденсаторов в том, что они хранят меньше энергии, чем аккумулятор такого же размера. Поэтому учёные продолжают искать способы увеличить их ёмкость.
Ранее команда НИУ ВШЭ изучила поведение ионов и молекул электролита в углеродных нанопорах и создала модель двойного электрического слоя. В новой работе учёные НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН впервые смоделировали поведение электролита на уровне отдельных ионов и молекул. Они исследовали смесь ионной жидкости, органического растворителя и следов воды в углеродных порах шириной 0,7–1,9 нанометра. На основе траекторий движения молекул и ионов они рассчитали дифференциальную электрическую ёмкость и сравнили данные с экспериментом.
По словам профессора МИЭМ НИУ ВШЭ Юрия Будкова, моделирование показало, как ионы и молекулы растворителя распределяются в порах, формируют послойные структуры и как эти слои меняются при изменении заряда электрода. Учёные впервые получили дифференциальную ёмкость суперконденсатора напрямую из полноатомной молекулярной динамики, а не из упрощённых моделей. Такой метод помогает точнее предсказывать работу суперконденсаторов без сложных и дорогих экспериментов.
Моделирование показало, что даже следовые примеси воды меняют поведение электролита в нанопорах. При слабом отрицательном заряде электрода вода нарушала порядок ионов и уменьшала дифференциальную ёмкость. При сильном положительном заряде вода помогала увеличить ёмкость: её молекулы выстраивались в электрическом поле и частично компенсировали действие заряда электрода. Это меняло распределение ионов в нанопорах.
Учёные также выяснили, что изменения ёмкости связаны с колебаниями расклинивающего давления. Это избыточное давление в тонкой плёнке жидкости внутри нанопор. Впервые удалось показать, что колебания давления совпадают с изменениями ёмкости и отражают смещение и уплотнение внутренних слоёв электролита при зарядке электрода. Такой анализ объясняет, почему в реальных суперконденсаторах влажность и состав электролита влияют на эффективность.
Научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ Дарья Гурина отмечает, что даже небольшие примеси воды перестраивают внутреннюю структуру электролита и влияют на накопление заряда. Это важно для создания новых электролитов и материалов электродов.
Исследователи считают, что такие модели помогут точнее прогнозировать работу суперконденсаторов и разрабатывать более эффективные и долговечные устройства для транспорта, электроники и систем хранения энергии.
Источник: habr.com