Суперконденсаторы — это устройства, которые могут быстро накапливать и отдавать большое количество электроэнергии. Они состоят из двух металлических электродов, погруженных в специальную жидкость — электролит. Суперконденсаторы используются в различных областях техники: от смартфонов и видеорегистраторов до электромобилей и космических аппаратов. Однако у них есть и недостатки: они имеют меньшую емкость, чем аккумуляторы, и требуют частой замены.
Полимерные электролиты обладают рядом преимуществ: они более стабильны, безопасны и дешевы, чем низкомолекулярные электролиты. Кроме того, они способны увеличить емкость суперконденсаторов за счет того, что полимерная цепь лучше притягивается к электроду и образует более плотный двойной электрический слой (ДЭС). ДЭС — это область на границе между электродом и электролитом, где накапливается заряд. Чем больше заряда в ДЭС, тем больше емкость суперконденсатора.
Однако полимерные электролиты также имеют свои особенности: они не могут проникать в очень узкие поры электрода (менее 1 нанометра), потому что сталкиваются с сильным отталкиванием от стенок поры. Это приводит к тому, что емкость суперконденсатора падает при уменьшении размера поры. Этот физический эффект был впервые обнаружен и описан математически в работе ученых МИЭМ НИУ ВШЭ. Работа опубликована в журнале «Физика».
Исследование позволяет лучше понять процессы, происходящие в суперконденсаторах с полимерными электролитами, и подобрать оптимальные условия для их работы. Таким образом, можно создавать более мощные и долговечные устройства для хранения и передачи энергии.
Мы развиваем методологию численного моделирования двойных электрических слоев на границе металл — электролит. Сейчас мы подготовили теоретическую базу, а в будущем планируем создать программу, которая позволит моделировать поведение ионов и проводить инженерные оценки дифференциальной электрической емкости. Это поможет инженерам, которые разрабатывают суперконденсаторы, глубже понять физико-химические процессы в двойных электрических слоях суперконденсаторов и создавать более мощные и эффективные устройства
— Юрий Будков, один из авторов статьи, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ.
Таким образом применение полимерного электролита может привести к улучшению свойств суперконденсаторов, если учитывать особенности его взаимодействия с пористой структурой электрода. Понимание этой проблемы — первый шаг к созданию устройств нового поколения.
Суперконденсаторы имеют широкий спектр применения в различных областях техники и энергетики. Они могут выполнять разные функции: от резервного источника питания до регулирования частоты на энергетическом рынке.
Одним из наиболее распространенных применений суперконденсаторов является рекуперация энергии торможения. Это процесс, при котором часть кинетической энергии транспортного средства преобразуется в электрическую и накапливается в суперконденсаторе. Затем эта энергия может быть использована для ускорения или поддержания скорости транспортного средства.
Суперконденсаторы могут поддерживать стабильность частоты в электрической сети, поглощая или отдавая энергию. Это особенно актуально для возобновляемых источников энергии, таких как солнечные панели или ветряные генераторы, которые имеют переменный характер выработки энергии. Суперконденсаторы могут компенсировать колебания выходной мощности таких источников и повысить их эффективность.
