Университет «Дубна» на пути создания уникального источника питания

В университете «Дубна» ведутся разработки технологии получения суперконденсаторов с высоким рабочим напряжением. Суперконденсаторы — это уникальные источники питания, которые применяются в различных устройствах, где требуются импульсное питание и высокая мощность.

Большим недостатком данных систем является низкая энергоемкость. По этой причине все ведущие компании в России и за рубежом пытаются решить эту проблему за счет повышения рабочего напряжения суперконденсатора, ведь, как известно, при увеличении напряжения в два раза энергоемкость повышается в четыре раза. На сегодняшний день стандартные электролиты для суперконденсаторов не способны решить эту проблему и повысить напряжение больше 3 вольт, но есть выход — использовать неклассические электролиты, а именно ионные жидкости.

Эти жидкости представляют собой необычную субстанцию в виде свободных заряженных ионов без молекул растворителя. По своей сути, это расплавленные соли. Представьте себе, что будет, если поваренную соль, которая есть у каждого из нас на кухне, сильно нагреть. Из школьного курса химии мы помним, что соль состоит из натрия и хлора, и при нагревании связи между атомами натрия и хлора разрываются, и соль переходит в жидкое состояние. Это не то же самое, что растворение соли в воде, так как в расплавленной соли нет растворителя — там присутствуют только ионы натрия и хлора. Так вот ионные жидкости — это такая же расплавленная соль, только она является жидкой при комнатной температуре. И что самое удивительное, некоторые из таких соединений способны выдерживать напряжение до 5,5 вольта.

В 2023 году Фондом содействия инновациям в рамках программы «Умник-2023» поддержан проект студента четвертого курса кафедры нанотехнологий и новых материалов университета «Дубна» Ильи Лебедева по разработке технологии изготовления суперконденсатора с высоким напряжением. Работа проводится под руководством доцента кафедры Александра Воропая. Проект направлен на решение одной из проблем ионных жидкостей — высокой вязкости. Данная проблема ограничивает их применение из-за того, что электролит не проникает в поры электродов суперконденсатора, и потому устройство не работает в полную силу. Однако, применяя технологии вакуумной пропитки, которые сегодня уже используются повсеместно в области получения углеродных композитов, пропитанных эпоксидной смолой, можно решить эту проблему. Для этого наша команда занимается исследованием влияния вакуумной пропитки на характеристики суперконденсатора. В рамках программы гранта ученые планируют разработать методику вакуумной пропитки и создать прототип суперконденсатора с напряжением 5,5 вольта.

На сегодняшний день команда под руководством Александра Воропая уже провела исследования, которые показали, что вакуумная обработка электрода перед пропиткой электролитом повышает емкость за счет вдавливания электролита в поры, однако не все поры электрода оказались заполненными. Самые мелкие поры, которые и дают самый большой вклад в емкость, остались в нерабочем состоянии. Дальнейшая работа коллектива сосредоточена на том, чтобы подобрать необходимые условия, то есть величину избыточного давления для пропитки всех пор электрода.

Если удастся это сделать, это будет большой шаг для России в производстве суперконденсаторов сверхвысокой энергоемкости, аналогов которым в мире на сегодняшний день нет.

Александр Воропай, доцент кафедры нанотехнологий и новых материалов, кандидат химических наук, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:

— Где применяются суперконденсаторы?

— Суперконденсаторы применяются во многих отраслях, где требуются импульсное питание и длительный срок службы. Например, в альтернативной энергетике, где нужно сглаживать пики и провалы от резкого изменения генерации (из-за порывов ветра или облачной погоды): батареи в этом случае не справляются, так как резкие перепады быстро выводят их из строя. Еще суперконденсаторы применяются в транспортных системах, например, для запуска двигателей, где суперконденсатор берет на себя начальные пусковые токи. Еще одна сфера применения — конструирование рентгеновских аппаратов, а именно настройка их импульсного питания.

— На каком принципе основана их работа?

— Принцип работы суперконденсаторов основан на эффекте образования двойного электрического слоя. Он возникает на поверхности любого нерастворяемого проводящего материала — электрода, погруженного в какой-либо электролит, например раствор серной кислоты или хлорида натрия. Если на электрод подать напряжение, то состав двойного электрического слоя, а именно концентрация ионов электролита на поверхности, изменяется, что приводит к накоплению энергии. При разряде состав возвращается в исходное состояние. И так как при работе суперконденсатора не происходит внедрение ионов в материал электрода, то не происходит и его разрушения, поэтому ресурс суперконденсаторов намного больше, чем у аккумуляторов.

— Что такое технология вакуумной пропитки?

— Это технология для насыщения пористых материалов веществами с высокой вязкостью. Например, она используется для пропитки статоров электродвигателей или пропитки графита эпоксидной смолой. Вакуум необходим для удаления воздушных пузырьков из пористого тела, так как если этого не сделать, то вязкая жидкость не сможет войти в поры и пропитка не получится. Поэтому воздух удаляется из пор перед пропиткой, затем электрод погружается в электролит, воздух накачивается обратно, и из-за того, что в порах вакуум, а над электролитом атмосферное давление, электролит вдавливается в поры электрода.

— Как проходило исследование?

— Все исследования проводились в специальном сухом боксе в лаборатории государственного университета «Дубна». Электроды для корпуса CR2032 погружали в электролит и помещали в специальную камеру. Из камеры откачивали воздух и выдерживали электроды под вакуумом в течение различных отрезков времени — от 15 до 60 минут. После в камеру закачивали газ аргон до достижения значений атмосферного давления. После электроды собирались в тестовую ячейку для испытаний. Этот эксперимент показал, что вакуумная обработка, превышающая 30 минут, не приводит к дальнейшему улучшению характеристик. Однако теперь перед исследователями стоит задача, можно ли улучшить результат при давлении, превышающим атмосферное.

— Где еще, кроме суперконденсаторов, может применяться ваша разработка?

— Данная технология может применяться при изготовлении не только суперконденсаторов, но и современных литий-ионных аккумуляторов с полимерными электролитами, где требуется дополнительное давление для вдавливания полимера в поры электрода.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки