Специалисты НИУ ВШЭ провели комплексное моделирование на суперкомпьютере, чтобы глубоко исследовать динамику ионов и молекул электролитного раствора с примесью воды внутри ультратонких нанопор суперконденсаторов. Их открытия демонстрируют, что даже незначительное присутствие воды способно кардинально модифицировать механизм распределения электрического заряда в нанопорах, что напрямую сказывается на общей энергоемкости устройства. Этот инновационный метод позволяет с высокой точностью прогнозировать эксплуатационные характеристики суперконденсаторов в зависимости от состава электролита и уровня влажности окружающей среды. Результаты этой фундаментальной работы были опубликованы в престижном научном издании Electrochimica Acta и реализованы при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ).
Суперконденсаторы представляют собой компактные и высокоэффективные накопители энергии, отличающиеся способностью молниеносно запасать и высвобождать электричество. Они находят широкое применение в современной электронике, гибридных транспортных средствах, системах восстановления энергии, а также на солнечных и ветровых электростанциях. Ключевое преимущество суперконденсаторов перед традиционными аккумуляторами заключается в скорости зарядки (секунды против десятков минут или часов) и значительном сроке службы (сотни тысяч циклов против 500–1000), при этом не демонстрируя существенного снижения емкости. Однако основной вызов, стоящий перед этой технологией, заключается в сравнительно меньшей плотности хранения энергии по сравнению с аккумуляторами аналогичного размера. Именно поэтому научное сообщество активно работает над углубленным изучением и оптимизацией характеристик суперконденсаторов с целью повышения их электрической емкости.
Накопленный опыт команды НИУ ВШЭ включает детальное исследование взаимодействия ионов и молекул электролита в углеродных нанопорах, что привело к разработке усовершенствованной модели двойного электрического слоя. В рамках текущего проекта, реализованного совместно учеными НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН, впервые удалось осуществить полноатомное моделирование поведения электролита. С использованием вычислительных мощностей суперкомпьютера НИУ ВШЭ была изучена комплексная система, состоящая из ионной жидкости, органического растворителя и минимальных включений воды, заключенная в углеродных порах диаметром от 0,7 до 1,9 нанометра. Анализ траекторий движения молекул и ионов позволил точно определить дифференциальную электрическую емкость, а полученные результаты были успешно сопоставлены с существующими экспериментальными данными.
Профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков подчеркивает: «Метод моделирования предоставил уникальную возможность наблюдать за процессом распределения ионов и молекул растворителя внутри пор, их способность формировать упорядоченные слои, а также динамику этих слоев в ответ на изменение заряда электрода. Важно отметить, что мы впервые успешно вывели значение дифференциальной емкости суперконденсатора непосредственно из данных полноатомной молекулярной динамики, отказавшись от применения упрощенных теоретических моделей. Этот прогрессивный подход открывает путь к значительно более точному прогнозированию эксплуатационных характеристик суперконденсаторов, при этом минимизируя потребность в дорогостоящих и трудоемких лабораторных экспериментах».
Полученные данные моделирования убедительно демонстрируют, что даже минимальные концентрации воды оказывают существенное влияние на динамику электролита в нанопорах. При слабом отрицательном заряде электрода присутствие воды дезорганизует упорядоченную структуру ионов, что приводит к снижению дифференциальной емкости. Однако в условиях сильного положительного заряда воды наблюдается противоположный эффект: молекулы воды ориентируются в направлении электрического поля, частично нейтрализуя воздействие заряда электрода на ионы и тем самым способствуя увеличению емкости за счет перераспределения ионов в нанопорах.
Исследователи установили прямую корреляцию между колебаниями электрической емкости и изменениями расклинивающего давления — избыточного давления, возникающего в тонкой пленке жидкости внутри нанопор, по мере изменения их толщины. Впервые было эмпирически подтверждено, что эти осцилляции давления синхронны с изменениями емкости суперконденсатора, четко отражая процессы смещения и уплотнения внутренних слоев электролита в момент зарядки электрода. Подобный глубокий анализ критически важен для понимания того, как в практических условиях функционирования суперконденсаторов вариации влажности или состава электролита могут вызывать как увеличение, так и уменьшение их рабочей эффективности.
Как отмечает Дарья Гурина, научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ, «Даже минимальные объемы воды способны кардинально изменить внутреннюю организацию электролита в порах, оказывая тем самым влияние на весь процесс накопления электрического заряда. Глубокое осмысление этих микроскопических эффектов является краеугольным камнем для последующей разработки инновационных электролитов и усовершенствованных электродных материалов».
Ученые убеждены, что разработанные ими модели станут ключевым инструментом для более точного прогнозирования функционирования суперконденсаторов. Это, в свою очередь, значительно ускорит создание принципиально новых, более производительных и надежных накопителей энергии, которые найдут применение в транспортной отрасли, электронике и масштабных системах хранения.
