МОСКВА, 14 августа. /ТАСС/. Исследователи из России разработали подход, позволяющий при помощи суперкомпьютера моделировать поведение различных ионов и молекул внутри нанопор суперконденсаторов в процессе работы этих устройств. Подобные расчеты позволяют точно предсказывать поведение суперконденсаторов при разных составах электролита и условиях влажности, сообщила пресс-служба НИУ ВШЭ.
"Моделирование позволило увидеть, как ионы и молекулы растворителя распределяются в порах, формируют послойные структуры и как эти слои меняются при изменении заряда электрода. Мы впервые рассчитали дифференциальную емкость суперконденсатора напрямую из полноатомной молекулярной динамики, а не из упрощенных теоретических моделей. Такой подход помогает точнее предсказывать работу суперконденсаторов без сложных и дорогих экспериментов", - пояснил профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков.
Ученые уже много лет работают над разработкой новых типов и оптимизацией свойств уже существующих форм суперконденсаторов - электрических устройств, способных запасать в себе большие количества энергии и почти мгновенно выделять ее назад почти неограниченное число раз. Их использование в электромобилях и электроавтобусах позволяет экономить ресурс литий-ионных аккумуляторов, а также снижает вероятность перегрева и взрыва этих батарей.
Как отмечают физики, массовому применению суперконденсаторов пока мешает то, что при всей их скорости работы и долговечности они хранят меньше энергии, чем аккумулятор такого же размера. Поэтому исследователи продолжают изучать характеристики суперконденсаторов, чтобы увеличить их электрическую емкость. В частности, недавно исследователи из НИУ ВШЭ выяснили, как ведут себя ионы и молекулы электролита в углеродных нанопорах, и создали модель двойного электрического слоя в этих устройствах.
Опираясь на эти наработки, ученые НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН разработали первую детальную компьютерную модель электролита на уровне отдельных ионов и молекул и адаптировали ее для проведения расчетов на суперкомпьютере НИУ ВШЭ. Используя этот алгоритм, исследователи изучили то, как ведет себя смесь ионной жидкости, органического растворителя и сверхмалых количеств воды внутри пор шириной в несколько нанометров и рассчитали очень точным образом емкость суперконденсатора.
Эти расчеты показали, что даже следовые примеси воды заметно меняют поведение электролита в нанопорах, причем ее влияние на свойства суперконденсатора сильно зависит от отрицательности или положительности заряда электрода. Также исследователям удалось раскрыть механизм перемен в емкости этих устройств при изменениях влажности или состава электролита. Все это позволит ученым точнее прогнозировать работу суперконденсаторов и поможет создать более эффективные и долговечные устройства для транспорта, электроники и систем хранения энергии, подытожили физики.
