Физики научились следить за отдельными ионами в суперконденсаторах

Международному коллективу ученых впервые удалось точно измерить содержание ионов в порах суперконденсатора во время его зарядки и разрядки. Для этого авторы использовали спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и взвешивание на кварцевых микровесах. Новые данные позволили уточнить механизм зарядки-разрядки микроконденсатора при разных потенциалах. Работа опубликована в Nature Materials.

При помощи спектроскопии ЯМР авторы измеряли концентрацию ионов в порах углеродного суперконденсатора. В качестве электролита ученые использовали тетрафторборат тетраэтилфосфония, по меткам в котором (³¹P и ¹⁹F) и проводилось измерение. Для уточнения этих результатов использовали микровзешивание на кварцевых весах. Этот метод основан на измерении частоты колебаний кристалла кварца, которая меняется, если на кристалл помещают груз разной массы.

Оказалось, что в зависимости от потенциала углеродного электрода и концентрации электролита в системе лидирует один из двух механизмов зарядки. В области отрицательных потенциалов (от 0 до −1,5 вольт) преобладала адсорбция противоионов на поверхности конденсатора, тогда как в области положительных потенциалов (до +1.5 вольт) наблюдались реакции ионного обмена. В экспериментах на микровесах оказывалось, что в случае ионной адсорбции масса конденсатора увеличивалась, а во время ионного обмена — уменьшалась, так как катионы и анионы обладали разной молекулярной массой.

Ученые отмечают, что в большинстве случаев в порах находились как катионы, так и анионы, что существенно сказывается на емкости конденсатора. Авторам также удалось найти режим, в котором емкость меняется больше всего: когда во время зарядки все ионы одного знака с электродом уже покинули пору, но противоионы не достигли в ней максимальной концентрации. Существование этого режима было показано так же при помощи компьютерного моделирования.

Суперконденсаторы — или «ионисторы» — являются промежуточным звеном между обычными микроэлектронными конденсаторами и химическими источниками тока. В отличии от обычных конденсаторов, где заряды разделяются прослойкой диэлектрика, в суперконденсаторах роль обкладок играет слой Гельмгольца — «пленка» из ионов, адсорбировавшихся на поверхности электрода. Суперконденсаторы обладают рядом преимуществ, например, высокой скоростью зарядки и большей надежностью. К их недостаткам относится малое выходное напряжение и сравнительно низкая удельная энергия. Исследования молекулярных механизмов в суперконденсаторах направлены на повышение их эффективности и создание батарей нового поколения.