Учёные из Сколтеха, Института нанотехнологий микроэлектроники РАН и других научных центров получили более глубокое представление о том, как обработка углеродных электродов плазмой влияет на ключевые характеристики суперконденсаторов. Так называются вспомогательные энергонакопители, используемые в тандеме с обычными аккумуляторами электромобилей, поездов, портовых кранов и др. По мере исследования эффекта от разного рода модификаций электродов появляются новые возможности для улучшения характеристик суперконденсаторов. Чем больше энергии смогут запасать эти устройства, тем шире будет круг их применений. Результаты исследования, поддержанного РНФ, опубликованы в журнале Electrochimica Acta.

«Наш коллектив изучает возможности улучшить характеристики устройств, которые называются суперконденсаторами, за счёт внесения изменений в углеродный материал, из которого делают их электроды, — рассказывает руководитель исследования, старший преподаватель Центра технологий материалов Станислав Евлашин. — По большому счёту, есть два способа повысить количество запасаемой в суперконденсаторе энергии. Можно увеличить эффективную площадь поверхности электродов за счёт 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 решётку».

Суперконденсаторы часто используются в качестве энергонакопителей в паре с литий-ионными аккумуляторами. В отличие от последних они могут высвобождать или запасать электроэнергию почти мгновенно, поэтому суперконденсатор хорош на старте, при торможении, подъёме груза и подобных пиковых нагрузках. Кроме того, эта технология стабильно работает в более широком температурном диапазоне, чем электрохимические накопители, меньше подвержена износу и может существенно продлять срок службы тех же литий-ионных аккумуляторов. Вдобавок к тому суперконденсаторы не пожароопасны, и их сравнительно просто утилизировать без вреда окружающей среде.

Суперконденсаторы также применяются в больницах, центрах обработки данных и в телекоммуникациях для непрерывного питания критически важного и уязвимого к перебоям в энергообеспечении оборудования. Кроме того, технология помогает справляться с резкими всплесками потребления энергии в сети. Технология найдёт применения в сфере интернета вещей (датчики и проч.), телекоммуникаций и носимой электроники, в том числе медицинских устройств.

В гибридных автомобилях и электрокарах суперконденсаторы могут подключаться на старте, при торможении и в работе гидроусилителя руля. Работая в тандеме с бензиновым двигателем, суперконденсатор повысит скорость зарядки аккумулятора. Электротранспорт вообще и электропоезда в частности могут «возвращать» в суперконденсатор энергию, высвобождаемую при торможении, что повышает общую эффективность.

Чем выше ёмкость суперконденсатора, там больше энергии он может запасти. Учёные из Сколтеха исследуют, как меняется ёмкость при включении посторонних атомов в углеродный материал электродов суперконденсатора.

В опубликованном в журнале Electrochimica Acta исследовании описано, как воздействие плазмы шести разных составов влияет на ёмкость углеродных наностенок — материала, из которого изготавливают электроды суперконденсаторов. Из шести исследованных составов только обработка смесью азота и аргона имела желаемый эффект: поверхностная ёмкость удвоилась. Хотя это не самая результативная модификация подобных углеродных электродов, исследование проливает свет на электрохимию процесса.

«Мы обнаружили, что сначала происходит удаление аморфного углерода, который остаётся после роста структур, с поверхности углеродных наностенок, после чего происходит создание новых дефектов и встраивание гетероатомов в структуру углеродного материала. Аморфный углерод, также как и гетероатомы азота, вносит свой вклад в формирование псевдоёмкости», — добавил Евлашин.