Исследователи Университета МИСИС улучшили способность суперконденсаторов хранить энергию, добавив в структуру углеродного электродного материала электропроводящий полимер. Это позволило увеличить емкость и долговечность устройств.
Новые суперконденсаторы показали высокую стабильность при многократном заряде и разряде и могут быть использованы, например, в железнодорожном транспорте, автономных системах электроснабжения и других областях, где требуется высокая мощность, сообщили представители МИСИС.
Суперконденсаторы — это класс современных накопителей энергии, превосходящий обычные конденсаторы по количеству запасаемой энергии. В некоторых задачах они могут заменить аккумуляторные батареи: для запуска двигателей, возвращения части энергии при торможении транспорта и другой техники. Однако количество запасаемой суперконденсаторами энергии все еще ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов, широко используемых в сфере электронных устройств. Тем не менее, с использованием специальных материалов, способных к быстрым химическим реакциям, можно увеличить способность суперконденсаторов хранить энергию в несколько раз.
Ученые НИТУ МИСИС выяснили, как улучшить работу суперконденсаторов и расширить возможности их практического применения. Суперконденсатор состоит из нескольких основных частей, одной из которых является электрод на основе углеродного материала. На его поверхности устройства накапливают заряд. В качестве этого материала исследователи использовали углеродную ткань, в которую добавили электропроводящий полимер полианилин. Он был сформирован не на внешней поверхности волокон, а в их порах, что позволило значительно увеличить емкость и долговечность устройства.
«Наша методика, основанная на химической окислительной полимеризации анилина непосредственно в порах углеродной ткани, не только способствует значительному повышению электрохимических свойств получаемого композита, но и открывает перспективы для внедрения в производство и использования технологии в широком спектре энергетических систем», — сказала лаборант-исследователь кафедры физической химии НИТУ МИСИС Кристина Шафигуллина.
Новые суперконденсаторы на основе композитных электродов из углеродной ткани и полианилина продемонстрировали высокую эффективность за счет создания специальных структур в углеродной ткани, которые помогают материалу лучше накапливать и сохранять заряд. Подробности исследования описаны в научном журнале Crystals (Q2).
«Важной составляющей нашей работы является глубокое изучение процессов и особенностей формирования структурных характеристик получаемых композитов вплоть до нанометрового масштаба. Такая работа стала возможной благодаря созданию лаборатории “Луч” НИТУ МИСИС, в которой реализуются наиболее передовые методы нанотомографии. В настоящей работе были использованы уникальные возможности двухлучевого микроскопа «Амбер» (ФИП-СЭМ) для визуализации объемной нанопористости углеродной ткани “Бусофит”», — сказал инженер первой категории научного проекта лаборатории ускоренных частиц (ЛУЧ) НИТУ МИСИС Евгений Статник.
Доступность материалов и технологии изготовления позволяют успешно коммерциализировать разработку в сферах, где требуется долговременное и надежное хранение энергии.
Исследование выполнено в рамках стратегического проекта НИТУ МИСИС «Материалы будущего» по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030» (проект № К1-2022-032).