Ионная обработка в пять раз повысила ёмкость электродов суперконденсаторов
Учёные из Сколтеха, МФТИ и Института нанотехнологий микроэлектроники РАН в пять раз повысили удельную ёмкость углеродного материала для электродов суперконденсаторов.
Учёные из Сколтеха, МФТИ и Института нанотехнологий микроэлектроники РАН в пять раз повысили удельную ёмкость углеродного материала для электродов суперконденсаторов с помощью облучения ионами аргона из ускорителя. Технология, основанная на отработанных методах ионной имплантации, может быть использована для создания более эффективных накопителей энергии для электротранспорта и промышленности. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports при поддержке Российского научного фонда.
«Чем больше энергии смогут запасать суперконденсаторы, тем активнее они будут внедряться. Мы исследуем возможности улучшить их характеристики за счёт обработки углеродного материала электродов. В этот раз мы добились ещё большего прироста ёмкости, облучив тот же углеродный материал аргоном из ионного ускорителя. Подобранная доза излучения оптимальна, потому что вызывает максимум полезных дефектов, но всё ещё не разрушает структуру материала», — рассказал руководитель исследования, старший преподаватель Центра технологий материалов Сколтеха Станислав Евлашин.
Суперконденсаторы, в отличие от традиционных литий-ионных аккумуляторов, могут почти мгновенно заряжаться и отдавать энергию. Они используются как вспомогательные накопители в электромобилях, электропоездах, портовых кранах и других системах, где возникают пиковые нагрузки и возможна рекуперация энергии при торможении. Такие устройства работают в более широком диапазоне температур, менее подвержены износу, повышают скорость зарядки и срок службы аккумуляторов, обладают меньшей пожароопасностью и сравнительно просто утилизируются.
Углеродные наностенки, свойства которых улучшали учёные, представляют собой вертикально ориентированные графеновые слои общей толщиной до 10–15 слоёв. Разветвлённая структура такого материала обеспечивает большую удельную поверхность, что изначально делает его привлекательным для применения в электродах суперконденсаторов. Для дополнительного увеличения ёмкости исследователи выполнили обработку наностенок ионами аргона. Эта процедура создала в углеродной структуре дополнительные дефекты, которые затем частично пассивировались функциональными группами при контакте с воздухом, что привело к улучшению электрохимических характеристик материала.
«С помощью атомистического моделирования на суперкомпьютере мы установили, какие именно структурные изменения происходят в углеродных наностенках при различных дозах ионного облучения. Выяснилось, что при оптимальных дозах, порядка 10¹⁴ ионов на квадратный сантиметр, в материале формируются особые дефекты — наноразмерные полости. Во время работы конденсатора молекулы электролита, размеры которых сопоставимы с нанометром, способны встраиваться в эти полости. В результате получается материал, характеризующийся не только разветвлённой поверхностью, но и её специфическим наноструктурированием, которое дополнительно повышает ёмкость», — отметил соавтор работы, заместитель заведующего лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ Никита Орехов.
По словам авторов исследования, технология ионной имплантации хорошо отработана и широко применяется в микроэлектронике, в частности для модификации свойств кремния. Теперь аналогичный подход может быть использован для активации углеродных материалов, применяемых в источниках тока. Благодаря глубокому проникновению ионов такой способ обработки позволяет улучшать свойства материала не только в тонком поверхностном слое, но и в объёме.
«Дефекты вносить легче, чем встраивать в структуру наностенок гетероатомы, как мы это делали ранее, поэтому можно сразу получить целое „ведро“ такого активированного угля, а не тонкий слой», — добавил Евлашин.
«Чем больше энергии смогут запасать суперконденсаторы, тем активнее они будут внедряться. Мы исследуем возможности улучшить их характеристики за счёт обработки углеродного материала электродов. В этот раз мы добились ещё большего прироста ёмкости, облучив тот же углеродный материал аргоном из ионного ускорителя. Подобранная доза излучения оптимальна, потому что вызывает максимум полезных дефектов, но всё ещё не разрушает структуру материала», — рассказал руководитель исследования, старший преподаватель Центра технологий материалов Сколтеха Станислав Евлашин.
Суперконденсаторы, в отличие от традиционных литий-ионных аккумуляторов, могут почти мгновенно заряжаться и отдавать энергию. Они используются как вспомогательные накопители в электромобилях, электропоездах, портовых кранах и других системах, где возникают пиковые нагрузки и возможна рекуперация энергии при торможении. Такие устройства работают в более широком диапазоне температур, менее подвержены износу, повышают скорость зарядки и срок службы аккумуляторов, обладают меньшей пожароопасностью и сравнительно просто утилизируются.
Углеродные наностенки, свойства которых улучшали учёные, представляют собой вертикально ориентированные графеновые слои общей толщиной до 10–15 слоёв. Разветвлённая структура такого материала обеспечивает большую удельную поверхность, что изначально делает его привлекательным для применения в электродах суперконденсаторов. Для дополнительного увеличения ёмкости исследователи выполнили обработку наностенок ионами аргона. Эта процедура создала в углеродной структуре дополнительные дефекты, которые затем частично пассивировались функциональными группами при контакте с воздухом, что привело к улучшению электрохимических характеристик материала.
«С помощью атомистического моделирования на суперкомпьютере мы установили, какие именно структурные изменения происходят в углеродных наностенках при различных дозах ионного облучения. Выяснилось, что при оптимальных дозах, порядка 10¹⁴ ионов на квадратный сантиметр, в материале формируются особые дефекты — наноразмерные полости. Во время работы конденсатора молекулы электролита, размеры которых сопоставимы с нанометром, способны встраиваться в эти полости. В результате получается материал, характеризующийся не только разветвлённой поверхностью, но и её специфическим наноструктурированием, которое дополнительно повышает ёмкость», — отметил соавтор работы, заместитель заведующего лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ Никита Орехов.
По словам авторов исследования, технология ионной имплантации хорошо отработана и широко применяется в микроэлектронике, в частности для модификации свойств кремния. Теперь аналогичный подход может быть использован для активации углеродных материалов, применяемых в источниках тока. Благодаря глубокому проникновению ионов такой способ обработки позволяет улучшать свойства материала не только в тонком поверхностном слое, но и в объёме.
«Дефекты вносить легче, чем встраивать в структуру наностенок гетероатомы, как мы это делали ранее, поэтому можно сразу получить целое „ведро“ такого активированного угля, а не тонкий слой», — добавил Евлашин.
