Исследователи выдвинули единую теорию электрохимического накопления энергии с мостовыми батареями и суперконденсаторами

На протяжении десятков лет учёные рассматривали аккумуляторы и конденсаторы в качестве двух разных устройств хранения энергии. Аккумуляторы отличаются тем, что хранят больший запас энергии, но медленно её отдают. Конденсаторы больше подходят для быстрой разрядки маленькими дозами. Каждое новое устройство накопления энергии классифицируются либо по одному типу, либо по-другому в зависимости от электрохимического механизма, который его обеспечивает.

Статья по результатам работы была опубликована в журнале Nature Energy. В исследовании приняли участие специалисты из Университета Дрекселя, Университета штата Северная Каролина, Калифорнийского университета, Университета Вандербильта, Саарского университета в Германии и Университета Поля Сабатье во Франции. Они предположили, что все электрохимические механизмы накопления энергии существуют примерно посередине между теми, которая работают в аккумуляторах и конденсаторах.

Статья учёные написали, что предлагают единый подход, который включает в себя переход от «бинарного» взгляда на электрохимическое хранение заряда в наноограниченных пространствах на чисто электростатическое явление или чисто фарадиевское явление. Скорее всего, следует рассматривать непрерывный переход между этими состояниями, определяемый степенью сольватации ионов и взаимодействием ион-хозяин, пишут они в статье.

Как говорят исследователи, один конец спектра представляет собой химическую связь. Это основной вид связи, физическая связь на атомном уровне. На другом конце стоит электростатическое притяжение, которое временно захватывает ионы внутри материала и на поверхности. Первое явление называют реакцией Фарадея. Оно придаёт аккумуляторам прекрасную ёмкость для хранения энергии и позволяет постепенно отдавать заряд. Но в этом же причина долгой зарядки аккумуляторных батарей.

Второй конец спектра – это мимолетное притяжение, а не настоящая связь. Оно обеспечивает быстрые всплески энергии, которые питают вспышки камер и обеспечивают кратковременное поглощение энергии от торможения гибридных и электрических автомобилей.

С каждой новой разработкой исследователи стремятся наблюдать и точно охарактеризовать электрохимические механизм сохранения энергии. Это касается новой комбинации электродных материалов и растворов электролитов, а также физических и химических добавок для ограничения или обеспечения переноса ионов. Авторы говорят, что во многих случаях эти узкие определения не помогают и не точны. Особенно, когда дело доходит до адаптации устройств к очень специфическим потребностям в хранении энергии новой технологии.

Один из авторов исследования, Юрий Гогоци, отметил, что происходящее между классическими аккумуляторами и суперконденсаторами длительное время было спорной темой. «Псевдоконденсаторы» и гибридные накопители энергии изучается не менее 30 лет. Некоторые ученые пытались полностью отказаться от понятия «псевдоемкости». Они утверждали, что есть только два крайних случая, а всё остальное является суперпозицией от двух действующих механизмов.

Авторы в своём исследовании отмечают, что во многих гибридных устройствах ионы практически полностью поглощаются между слоями материалов электродов. В других устройствах, где пористые наноматериалы в электродах были разработаны для максимизации полного химического поглощения или адсорбции ионов, исследователи наблюдали значительно более быстрые энергетические заряды. Как предполагают они, это связано со стойкостью вещества электролита, препятствующего полной интеркаляции ионов. Оба экземпляра пока далеки от идеала, но их свойства весьма ценные, если речь идёт о разработке новых технологий.

Понимание десольватации ионов (отщепление ионов от молекул растворителя) и её роли в механизме накопление энергии позволит объединить большую мощность и высокую энергию в одном устройстве для накопления электричества, говорит Гогоци. В качестве примера возможностей новой технологии он приводит зарядку аккумулятора телефона за несколько минут. С использованием 2D-материалов (MXene или графен) они могут делать гибкие аккумуляторы для носимой электроники.

Исследователи признают важность таких разработок для сферы электрохимического накопления энергии. Объединение аккумуляторов и суперконденсаторов, по их мнению, следует изучать на грани этих технологий. Правильное подобранное устройство для хранения энергии может быть более эффективным, чем суперконденсатор или лучший на сегодняшний день аккумулятор.

Существует две идеальные ситуации, говорит Фолькер Прессер, один из соавторов статьи. Это суперконденсаторы и аккумуляторы. А также есть коммерческие устройства, которые выпускают огромные отрасли промышленности. Прессер говорит, что в результате проведённого исследования они научились проектировать, предсказывать и производить устройства, которые имеют свойства между этими двумя крайними случаями.

Наибольшую выгоду и пользу от нового гибкого накопителя энергии получат отрасли, занимающиеся носимыми накопителями энергии. Постепенно они двигаются к экономике, основанной на «интернете вещей», возобновляемой энергии, а также передовых технологиях для устойчивого развития. Поэтому важно признать новые устройства и работать над тем, чтобы их охарактеризовать, считает Прессер. Статью по результатам исследования можно посмотреть здесь.