 Исследователи из Кембриджского университета вместе с французскими коллегами из Тулузы разработали новый метод, чтобы увидеть на атомном уровне внутренности устройств, известных как суперконденсаторы. Новый метод может быть использован для того, чтобы оптимизировать и улучшить устройства для реальных приложений, в том числе электрических автомобилей, где они могут быть использованы вместе с батареями для повышения производительности автомобиля.
Используя комбинацию спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и крошечных чешуек, достаточно чувствительных, чтобы обнаружить изменения в массе одной миллионной грамма, исследователи смогли визуализировать, как ионы перемещаются в суперконденсаторах. Они обнаружили, что при зарядке возникают различные процессы в двух идентичных частях углерода, которые функционируют в качестве электродов в этих устройствах.
Суперконденсаторы используются в приложениях, где важна быстрая зарядка и доставка энергии – например в системах торможения поездов и автобусов в лифтах и кранах. Они также используются при мигании в мобильных телефонах и качестве дополнительной технологии батарей для того, чтобы повысить производительность. Например, при размещении рядом с батареей в электрическом автомобиле, суперконденсаторы могут обеспечить короткий всплеск энергии, например, при обгоне другого автомобиля, с батареей, обеспечивающей стабильное питание для вождения по шоссе.
Суперконденсаторы выполняют аналогичную функцию для батарей, но на гораздо более высокой мощности - они заряжаются и разряжаются очень быстро. Они гораздо лучше поглощают заряд, чем батареи, но так как они имеют значительно более низкую плотность, они держат гораздо меньшее количество этого заряда, так что они еще не являются жизнеспособной альтернативой для многих применений. Наглядный вид того, что происходит внутри этих устройств поможет ученым контролировать их свойства, что может сделать их меньше и дешевле, и предоставит альтернативу высокой мощности для батарей.
На самом базовом уровне, батарея состоит из двух металлических электродов (анода и катода) с некоторым раствором между ними (электролитом). Когда батарея заряжается, ионы электролита хранятся в аноде. При разрядке аккумулятора ионы электролита покидают анод и двигают батарею к химической реакции с катодом. Электроны, необходимые для этой реакции проходят через внешнюю цепь, создавая электрический ток.
Суперконденсаторы похожи на батарею в том, что они могут генерировать и хранить электрический ток, но в отличие от батареи, хранение и высвобождение энергии не предполагает химических реакций: вместо этого положительные и отрицательные ионы электролита просто «удерживаются» на поверхностях электродов при зарядке суперконденсатора. Когда суперконденсаторы разряжает энергию на устройство, ионы могут легко «выскакивать» с поверхности и вернуться к электролиту.
Причина, по которой суперконденсаторы заряжаются и разряжаются намного быстрее, заключается в том, что «торчащие» и «прыжковые» процессы происходят гораздо быстрее, чем химические реакции при работе в батарее.
Чтобы увеличить площадь для прилипания ионов ученые заполняют угольный электрод с крошечными отверстиями, как губка углерода. Но трудно понять, что ионы делают внутри отверстий внутри электрода – ученые еще не знает точно, что происходит, когда ионы взаимодействуют с поверхностью.
В новом исследовании ученые использовали ЯМР, чтобы заглянуть внутри функционирующих суперконденсаторов и увидеть, как они берут и сохраняют энергию. Они также использовали крошечные нановесы для измерения изменений в массе миллионных грамма.
Путем отбора двух частей информации и складывания их вместе, ученые смогли построить точную картину того, что происходит внутри суперконденсатора при его зарядке.
В батарее два электрода являются различными материалами, имеющими разные процессы в работе. В суперконденсаторах два электрода изготовлены из того же пористого углеродного материла - но оказалось, что процесс накопления заряда в реальных устройствах является более сложным, чем ученые считали раньше. Предыдущие теории были сделаны с помощью компьютерной симуляции – никто ранее не наблюдал подобные реакции в реальности.
Эксперименты показали, что два электрода себя по-разному. В отрицательном электроде наблюдался ожидаемый процесс «прилипания», и положительные ионы притягивались к поверхности по мере зарядки суперконденсатора. Но в положительном электроде происходит ионный «обмен», так как отрицательные ионы притягиваются к поверхности, и в то же время, положительные ионы отталкиваются от поверхности.
Теперь ученые могут точно подсчитать число ионов, участвующих в процессе хранения заряда и увидеть в деталях, как именно хранится энергия. Ожидается, что в будущем они могут взглянуть на то, как меняется размер отверстия в электроде и ионные свойства изменяют механизм зарядки. Таким образом, исследователи могут адаптировать свойства обоих компонентов, чтобы максимизировать количество хранимой энергии. Следующим шагом станет использование этого нового подхода, чтобы понять, почему разные ионы ведут себя по-разному при зарядке, и в конечном счете позволит разработать системы с более высокими емкостями.
|
