Созданы стратегии ограничения саморазряда суперконденсаторов на основе углерода

Эффективное хранение чистой энергии — важнейший компонент достижения углеродной нейтральности. Конденсаторы — это устройства, которые накапливают энергию путем разделения положительного и отрицательного электрического заряда, а суперконденсаторы, SC, — это конденсаторы, которые могут накапливать и высвобождать большие объемы энергии.

В специализированных суперконденсаторах, называемых SC с усиленным окислительно-восстановительным электролитом (RE-SC), жидкие окислительно-восстановительные электролиты, являющиеся источником ионов, которые могут быть электрически заряжены, размещаются рядом с углеродным проводником, или электродом, для достижения высокой плотности хранения энергии и выходной мощности. Несмотря на такое увеличение производительности, RE-SC страдают от саморазряда накопленной энергии, что ограничивает их практичность. В настоящее время ведутся исследования по разработке стратегий подавления саморазряда, которые позволят повысить производительность RE-SC и эффективность хранения чистой энергии.

Современные технологии хранения энергии страдают от множества недостатков: например, аккумуляторы с высокой плотностью энергии не обеспечивают достаточно высокую мощность для удовлетворения спроса, а SC обеспечивают достаточную мощность для удовлетворения спроса, но страдают от низкой плотности энергии. Аналогичным образом, RE-SC повышают плотность энергии по сравнению с традиционными SC, но быстро саморазряжаются. Несмотря на недостатки, связанные с саморазрядом, RE-SC имеют множество преимуществ, включая простоту приготовления окислительно-восстановительного электролита и электродов, масштабирования и сборки, длительный срок службы и простую настройку характеристик. Исследователи изучают новые способы преодоления саморазряда в RE-SC, включая модификацию сепаратора, изменение состава электролита, дизайн электродов и общую оптимизацию устройства.

Группа материаловедов из Китайской академии наук и Северного университета Китая в Тайюане и Университета Китайской академии наук в Пекине опубликовала в журнале Energy Materials and Devices обзор, посвященный текущему состоянию исследований RE-SC и проблемам, которые предстоит решить в этой области.

Заряженный SC испытывает самопроизвольное падение напряжения при разомкнутой цепи, что, подобно «ахиллесовой пяте», ограничивает широкое применение конденсатора. Потеря энергии зависит от скорости саморазряда, которая варьируется для различных типов окислительно-восстановительных электролитов, используемых в устройстве. Чтобы значительно уменьшить вредное влияние саморазряда, необходимо понять механизм саморазряда….. Омическая утечка, реакция Фарадея и перераспределение заряда считаются тремя общепринятыми механизмами саморазряда в RE-SC, — говорит Сяодун Тянь, автор обзора и научный сотрудник Ключевой лаборатории углеродных материалов CAS при Китайской академии наук и Центра материаловедения и оптоэлектронной инженерии при Университете Китайской академии наук.

В частности, под перераспределением заряда понимается перемещение заряда вниз по градиенту концентрации, от более высокой концентрации к более низкой, после отключения внешнего источника питания. Этот аспект саморазряда приводит к снижению напряжения и накоплению меньшего количества энергии в RE-SC. Важно отметить, что оптимизация распределения пор по размерам (PSD) электрода может изменить диффузию ионов в RE-SC, улучшив саморазряд из-за этого явления.

В отличие от этого, омическая утечка обычно возникает из-за внутреннего короткого замыкания или паразитных окислительно-восстановительных реакций вблизи границы раздела электрод/электролит. Реакция Фарадея возникает из-за реактантов, таких как кислородно-функциональные группы на поверхности углеродного электрода, окислительно-восстановительный медиатор и растворенный в электролите кислород, которые могут принимать или терять электроны, — говорит Тян.

Чтобы преодолеть эти факторы, материаловеды исследуют несколько перспективных стратегий. Одна из них заключается в модификации сепаратора в RE-SC. В SC сепаратор изолирует или экранирует отрицательный электрод от положительного электрода и обеспечивает каналы, которые служат отверстиями для движения ионов туда и обратно для накопления и разряда энергии. Исследователи утверждают, что оптимизация размера пор, ионной селективности и полярности сепаратора может стать одним из способов ограничения саморазряда RE-SC. Например, ионообменные мембраны уже позволили снизить саморазряд в RE-SC, но в настоящее время их стоимость слишком высока для широкого применения.

Оптимизация окислительно-восстановительного электролита также может снизить саморазряд. Некоторые электролиты могут образовывать обратимо твердые комплексы во время зарядки и перезарядки, обеспечивая высокую плотность энергии, выходную мощность, длительный срок службы и медленную скорость саморазряда. Кроме того, ионные жидкости могут быть разработаны с более быстрой окислительно-восстановительной кинетикой, что позволяет повысить выходную мощность и срок службы циклов по сравнению с иммобилизованными окислительно-восстановительными элементами.

Структура пор и полярность поверхности электродов RE-SC — еще один критический компонент для ограничения саморазряда. Предыдущие исследования по оптимизации сепаратора и электролита показывают, что усиление взаимодействия между ионами и поверхностью электрода приведет к ограничению саморазряда всей системы RE-SC. Например, электроды на основе углерода с размером пор менее 1 нм (10-9 м) демонстрируют более медленный саморазряд. Добавление функционального барьерного слоя и асимметричные конструкции, в которых используется более одного электрода или электролита, также могут снизить саморазряд.

Исследовательская группа воодушевлена потенциалом RE-SCs, но признает, что необходимо преодолеть значительные препятствия, прежде чем RE-SCs станут практическим средством хранения энергии.

По сравнению с обычными электрическими двухслойными конденсаторами, исследования систем RE-SC все еще находятся на начальной стадии. Для их применения необходимы обширные и тщательные исследования. Поэтому необходимо уделять больше внимания снижению серьезной проблемы саморазряда в RE-SC, — заключает Тян.

15.12.2023


Подписаться в Telegram



Энергия

JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа

Фотокаталитическое выделение водорода из ...

Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов

Учёные Института физики Казанского федеральног...

IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей
IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей

Исследователи из Национальной лаборатории...

Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%

Группа исследователей впервые продемонстрирова...

JRSNZ: Ветряные электростанции могут компенсировать выбросы за 2 года
JRSNZ: Ветряные электростанции могут компенсировать выбросы за 2 года

Ветряная электростанция, проработав менее двух...

EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент

Не зря авиакомпании не разрешают сда...

Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы
Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы

Согласно результатам нового исследования, пров...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

В России предложили новую классификацию камней в почках по структуре и составу
В России предложили новую классификацию камней в почках по структуре и составу
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
Исследование МГПУ объясняет, как справиться с одиночеством в мегаполисе
Исследование МГПУ объясняет, как справиться с одиночеством в мегаполисе
Как музыка влияет на эмоции дошкольников: открытие психологов МГУ
Как музыка влияет на эмоции дошкольников: открытие психологов МГУ
Студент из Владивостока придумал товарные ценники на основе электронных чернил
Студент из Владивостока придумал товарные ценники на основе электронных чернил
Microgravity: Полет на Марс может не состояться из-за просроченных лекарств
Microgravity: Полет на Марс может не состояться из-за просроченных лекарств
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Ученые из СПбГУТ отправились в научную экспедицию в Арктику
Ученые из СПбГУТ отправились в научную экспедицию в Арктику
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита

Новости компаний, релизы

Конференция по актуальным проблемам водоподготовки
Ученые ТПУ в составе международной коллаборации выяснили, что смертность от болезней сердца в мире снизилась на 35% за после...
ПМЭФ-2024: СПбГУ представил систему контроля на основе искусственного интеллекта
ИТ: тренды индустрии и рынка труда
Медики СПбГУ создали линию мышей для разработки новых методов лечения слепоты у человека