Исследователи из Сколтеха (Сколковский институт науки и технологий) и Института нанотехнологии микроэлектроники РАН, совместно с коллегами из других центров, продвинулись в понимании влияния плазменной обработки на углеродные электроды для улучшения характеристик суперконденсаторов. Результаты опубликованы в журнале Electrochimica Acta.
Суперконденсаторы являются устройствами хранения энергии, часто дополняющими аккумуляторы, например, литий-ионные (Lithium-ion tech). Их ключевая особенность — способность почти мгновенно отдавать или накапливать энергию, что отличает их от традиционных батарей благодаря высокой удельной мощности.
Преимущества суперконденсаторов включают обеспечение быстрых всплесков мощности, необходимых для подъема грузов или ускорения/торможения транспортных средств. Они работают в более широком диапазоне температур, меньше изнашиваются, имеют длительный срок службы и могут продлить жизнь литий-ионных батарей. Их выход из строя не несет значительных рисков возгорания, в отличие от металл-ионных технологий (metal-ion technology), а материалы относительно легко утилизировать экологически безопасным способом.
Области применения суперконденсаторов обширны: электромобили, гибридные автомобили, поезда (для запуска, остановки, рулевого управления с усилителем, рекуперативного торможения, потенциально для более быстрой зарядки батарей от бензиновых двигателей). Они используются в портовых кранах, источниках бесперебойного питания (ИБП) для больниц, центров обработки данных, телекоммуникационного оборудования, обеспечивая непрерывность работы и предотвращая потерю данных, а также сглаживая пиковые нагрузки в энергосистеме. Потенциальные применения включают датчики Интернета вещей (IoT), устройства связи, носимые медицинские приборы и портативную электронику.
Целью исследования, возглавляемого Станиславом Евлашиным, доцентом (Assistant Professor) и главным исследователем (Principal Investigator) из Skoltech Materials, было улучшение характеристик суперконденсаторов путем модификации электродов. Как пояснил Евлашин, существуют две основные стратегии: увеличение эффективной площади поверхности за счет сложной структуры и внедрение инородных атомов в углеродный материал (легирование). Данное исследование сфокусировалось на втором подходе.
В ходе эксперимента ученые обрабатывали плазмой электроды из углеродных наностенок (carbon nanowalls). Было протестировано шесть различных химических составов плазмы с целью изучения их влияния на емкость материала – ключевой показатель способности накапливать энергию.
Только плазменная смесь азота и аргона (N₂/Ar) показала значительное улучшение характеристик. Эта обработка позволила удвоить удельную поверхностную емкость (areal capacitance) материала из углеродных наностенок. Хотя достигнутый результат удвоения емкости не является рекордным для подобных модификаций, исследование предоставляет ценные сведения о механизмах процесса.
Станислав Евлашин объясняет механизм улучшения: плазменная обработка сначала удаляет аморфный углерод, оставшийся после синтеза структур углеродных наностенок. И аморфный углерод, и гетероатомы азота вносят вклад в возникновение псевдоемкости (pseudocapacitance). Таким образом, процесс удаления и модификации изменяет этот вклад, повышая общую емкость.
Данная работа уточняет понимание электрохимических процессов, происходящих при плазменной обработке углеродных электродов. Расширение набора инструментов для улучшения характеристик суперконденсаторов открывает путь к созданию устройств, способных хранить больше энергии и находить более широкое применение.
Суперконденсаторы являются устройствами хранения энергии, часто дополняющими аккумуляторы, например, литий-ионные (Lithium-ion tech). Их ключевая особенность — способность почти мгновенно отдавать или накапливать энергию, что отличает их от традиционных батарей благодаря высокой удельной мощности.
Преимущества суперконденсаторов включают обеспечение быстрых всплесков мощности, необходимых для подъема грузов или ускорения/торможения транспортных средств. Они работают в более широком диапазоне температур, меньше изнашиваются, имеют длительный срок службы и могут продлить жизнь литий-ионных батарей. Их выход из строя не несет значительных рисков возгорания, в отличие от металл-ионных технологий (metal-ion technology), а материалы относительно легко утилизировать экологически безопасным способом.
Области применения суперконденсаторов обширны: электромобили, гибридные автомобили, поезда (для запуска, остановки, рулевого управления с усилителем, рекуперативного торможения, потенциально для более быстрой зарядки батарей от бензиновых двигателей). Они используются в портовых кранах, источниках бесперебойного питания (ИБП) для больниц, центров обработки данных, телекоммуникационного оборудования, обеспечивая непрерывность работы и предотвращая потерю данных, а также сглаживая пиковые нагрузки в энергосистеме. Потенциальные применения включают датчики Интернета вещей (IoT), устройства связи, носимые медицинские приборы и портативную электронику.
Целью исследования, возглавляемого Станиславом Евлашиным, доцентом (Assistant Professor) и главным исследователем (Principal Investigator) из Skoltech Materials, было улучшение характеристик суперконденсаторов путем модификации электродов. Как пояснил Евлашин, существуют две основные стратегии: увеличение эффективной площади поверхности за счет сложной структуры и внедрение инородных атомов в углеродный материал (легирование). Данное исследование сфокусировалось на втором подходе.
В ходе эксперимента ученые обрабатывали плазмой электроды из углеродных наностенок (carbon nanowalls). Было протестировано шесть различных химических составов плазмы с целью изучения их влияния на емкость материала – ключевой показатель способности накапливать энергию.
Только плазменная смесь азота и аргона (N₂/Ar) показала значительное улучшение характеристик. Эта обработка позволила удвоить удельную поверхностную емкость (areal capacitance) материала из углеродных наностенок. Хотя достигнутый результат удвоения емкости не является рекордным для подобных модификаций, исследование предоставляет ценные сведения о механизмах процесса.
Станислав Евлашин объясняет механизм улучшения: плазменная обработка сначала удаляет аморфный углерод, оставшийся после синтеза структур углеродных наностенок. И аморфный углерод, и гетероатомы азота вносят вклад в возникновение псевдоемкости (pseudocapacitance). Таким образом, процесс удаления и модификации изменяет этот вклад, повышая общую емкость.
Данная работа уточняет понимание электрохимических процессов, происходящих при плазменной обработке углеродных электродов. Расширение набора инструментов для улучшения характеристик суперконденсаторов открывает путь к созданию устройств, способных хранить больше энергии и находить более широкое применение.