«Сырьё» для суперконденсаторов. Омские учёные работают над материалами для современных энергонакопителей

Любой, даже максимально далёкий от физики человек знает, что такое накопитель энергии и где он применяется: каждому хотя бы однажды доводилось менять батарейки, например, в пульте от телевизора, а автомобилистам — заряжать аккумулятор. Принцип работы таких устройств обычно основан на протекании обратимых или необратимых электрохимических реакциях.

 Первый в мире гальванический элемент (прообраз современной батарейки) был изобретён Алессандро Вольта 226 лет назад. С тех пор прогресс шагнул далеко вперёд, и на смену одноразовым накопителям пришли перезаряжаемые батареи и высокомощные суперконденсаторы (ионисторы). Последние выгодно отличаются от батареек и аккумуляторов тем, что имеют чрезвычайно большой срок службы (могут заряжаться и разряжаться сотни тысяч раз), выдерживая экстремальные условия окружающей среды и позволяя выдавать большую энергию за короткий промежуток времени. Однако их существенным недостатком является малая (по сравнению с аккумуляторами) величина запасаемой энергии. Несмотря на это, ионисторы можно встретить практически в любых электронных устройствах, где требуется долговечный накопитель, не требующий обслуживания.

В основе принципа работы подавляющего большинства суперконденсаторов лежит физический процесс накопления зарядов (ионов) в слое, находящемся в контакте между электролитом и электродом (двойной электрический слой). Чем больше площадь поверхности электрода, тем больше зарядов накопится на поверхности и тем выше будет электрическая ёмкость. Типичными электродными материалами в таких накопителях являются активированные угли, для которых уже достигнут предел максимальной ёмкости, поэтому единственный путь дальнейшего совершенствования — применение в составе электродов электрохимически активных материалов на основе соединений, способных запасать энергию не только в двойном электрическом слое, но и за счёт обратимых химических реакций.

Младший научный сотрудник, аспирант ОмГТУ Сергей Матюшенко под руководством доцента кафедры «Физика» Сергея Несова занимается созданием подобных электродных материалов в рамках темы оксидов переходных металлов для гибких асимметричных суперконденсаторов. Мы попросили Сергея рассказать об этом исследовании и перспективах его работы.

 — Сергей, как давно вы занимаетесь исследованиями в создании электродных материалов с новыми свойствами? Чем вас заинтересовала эта тема?

— Исследованиями электродных материалов для суперконденсаторов (ионисторов) я занимаюсь последние несколько лет, с тех пор как поступил в аспирантуру и начал работать в Омском научном центре. Это направление является одним из основных в нашей лаборатории, поэтому над проблемами синтеза материалов с новыми свойствами трудится целый научный коллектив. Эта тема меня привлекает своей сложностью и многогранностью: для достижения поставленных целей часто приходится решать комплекс задач на стыке фундаментальных и прикладных наук. Поэтому моя деятельность в этой области скорее носит творческий характер, где каждый шаг приводит к определённому результату, который затем становится отправной точкой для следующего этапа.

 — Что значит понятие «асимметричные», какой принцип лежит в основе эффективности и производительности таких устройств?

— Асимметричными суперконденсаторами называют такие конденсаторы, у которых электроды отличаются по составу и по принципу накопления энергии. Если в стандартных промышленно выпускаемых ионисторах оба электрода абсолютно одинаковые (как правило, активированный уголь, смешанный с проводящими добавками и связующим веществом), то в асимметричном накопителе один из двух электродов содержит дополнительные электрохимически активные материалы, обеспечивающие прирост ёмкости. Главное преимущество асимметричного суперконденсатора заключается в том, что максимальное рабочее напряжение такого устройства может значительно превышать напряжение обычного симметричного ионистора, поэтому объём запасаемой энергии вырастает в разы.

— Суперконденсаторные системы накопления энергии уже производят, в том числе и у нас в России. В чём отличие вашей разработки от существующих?

— Действительно, суперконденсаторные системы накопления энергии уже давно производят во всём мире, однако подавляющее большинство таких накопителей используют один и тот же принцип хранения энергии – накопление заряда в двойном электрическом слое на двух одинаковых электродах, погруженных в электролит. В таком симметричном ионисторе конечная ёмкость ограничена удельной ёмкостью углеродного материала, которая в самом лучшем случае может доходить до значений ~300 Ф/г, в то время как для материалов, исследуемых в моей работе (композиты на основе диоксида марганца и углеродных матриц), предел ёмкости превосходит данную величину в несколько раз, что даёт возможность для создания накопителей со значительно более высокими показателями удельной энергии по сравнению с традиционными ионисторами.

 — Благодаря чему достигается возможность запасать в суперконденсаторе много энергии?

— В основе работы любого суперконденсатора лежит принцип запасания энергии в очень тонком слое электролита на поверхности электрода в виде ионной оболочки. И чем больше площадь этой поверхности, тем больше ионов накапливается и тем выше электрическая ёмкость устройства. Чисто углеродные материалы, применяемые в стандартных ионисторах, не могут преодолеть физические ограничения ёмкости двойного электрического слоя, поэтому единственный вариант увеличения ёмкости – использовать иной механизм накопления заряда, например, обратимые окислительно-восстановительные реакции. Комбинируя оба механизма в одном устройстве (асимметричном суперконденсаторе), можно добиться существенного прироста энергоёмкости. При этом материалы, входящие в состав таких накопителей, являются экологически безопасными, а сама ячейка даже в случае короткого замыкания или механического повреждения не переходит в режим теплового разгона, как это обычно бывает с литий-ионными аккумуляторами.

 — Я читала, что корейцы предложили вариант суперконденсатора из бумаги с золотом, оксидами железа и марганца. Почему вы работаете с углеродными материалами? Это экономичнее, или они обладают какими-то особыми физическими свойствами?

— Я видел эту статью. Авторы, действительно, получили отличный материал для электродов суперконденсаторов на основе бумажной подложки, однако технология многостадийного синтеза таких структур настолько сложна и затратна, что её вряд ли когда-либо получится масштабировать на массовое производство. Вообще, это целая проблема подобных исследований. Многие научные коллективы получают многообещающие результаты по характеристикам электродов, но очень часто методы, описываемые в научных статьях, плохо подходят для широкого внедрения. В моём исследовании используются классические углеродные материалы, потому что они, во-первых, доступны в любых объёмах; во-вторых, те же углеродные нанотрубки, которые являются основой для осаждения слоя диоксида марганца в моей работе, обладают особыми свойствами: они прочные, имеют высокую электрическую проводимость и обладают механической гибкостью, что делает их идеальным кандидатом на роль каркаса и проводящей добавки в электродах суперконденсаторов различного типа. Надеюсь, что результат моей работы найдёт применение в производстве не только благодаря более высоким показателям ёмкости получаемых композитных материалов, но и за счёт простоты внедрения технологии на уже существующих промышленных линиях. В отличие от классических методов синтеза подобных материалов, в моём исследовании будет применена технология, которая, как ожидается, даст на выходе совершенно иной результат, представляющий интерес как с точки зрения науки, так и с точки зрения практической значимости.

 — После того как закончите этот проект, над чем ещё вам интересно было бы поработать? Есть у вас «мечта учёного»?

— Проект, над которым я сейчас работаю – это не просто временная задача, которую можно решить за относительно короткий промежуток времени, это комплексная проблема, где достижение поставленной цели не закрывает вопрос полностью, поэтому после завершения этого проекта в рамках темы диссертационной работы я планирую дальше заниматься вопросами конденсаторных накопителей энергии. Что касается «мечты учёного», то здесь я бы ответил так: мне бы, конечно, хотелось сделать что-то действительно полезное и значимое для науки, но это не является моим главным приоритетом по жизни. Я просто занимаюсь тем, что мне интересно. И если моя деятельность принесёт пользу, я буду очень рад.

Текст: Алина Иванова

Фото: пресс-служба ОмГТУ