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