Наноуровневое моделирование работы суперконденсаторов для новых открытий
Специалисты НИУ ВШЭ провели суперкомпьютерное моделирование, раскрывающее поведение ионов и молекул воды внутри нанопор энергоустройств. Результаты демонстрируют: даже микроскопические частицы воды значительно влияют на распределение заряда и общую энергоемкость. Новый метод позволяет прогнозировать характеристики суперконденсаторов при вариациях электролита и влажности.
Суперконденсаторы — это перспективные компактные решения для быстрого накопления и отдачи электричества. Они находят применение в электронных гаджетах, гибридном транспорте, системах рекуперации и возобновляемой энергетике. В отличие от аккумуляторов с длительной зарядкой и ограниченными циклами работы, эти устройства заряжаются моментально и служат сотни тысяч циклов без потери емкости. Ключевая задача исследователей — увеличение энергоемкости при сохранении всех преимуществ.
Команда НИУ ВШЭ, развивая предыдущие наработки по моделированию электролитов, совместно с Институтом химии растворов РАН впервые осуществила детальное компьютерное моделирование на уровне отдельных молекул. Ученые исследовали смесь ионной жидкости, органического растворителя и микропримесей воды в углеродных порах (0,7–1,9 нм). Анализ траекторий частиц позволил рассчитать ключевой параметр — дифференциальную электрическую емкость.
«Наша симуляция визуализировала формирование послойных структур электролита и их трансформацию под напряжением. Впервые дифференциальная емкость получена напрямую из реалистичной молекулярной динамики, открывая путь к точному прогнозированию без дорогостоящих тестов», — делится прогрессом профессор НИУ ВШЭ Юрий Будков.
Моделирование выявило двойную роль воды: при отрицательном заряде электрода примеси снижали упорядоченность и уменьшали емкость, однако при положительном — молекулы воды выстраивались в поле, оптимизируя распределение ионов и повышая эффективность устройства. Это открывает перспективы управления свойствами систем.
Ученые также связали колебания емкости с изменениями расклинивающего давления — ключевого параметра жидкостных пленок в порах. Впервые показано, как смещение и уплотнение слоев при зарядке отражается на общей производительности, объясняя влияние влажности и состава электролита в реальных условиях.
«Минимальные примеси воды реструктурируют электролит в порах, существенно влияя на накопление энергии. Учет этих тонких эффектов критически важен для создания инновационных материалов», — подчеркивает научный сотрудник НИУ ВШЭ Дарья Гурина.
Разработанные модели открывают возможность для проектирования высокоэффективных и долговечных суперконденсаторов нового поколения для транспортных систем, электроники и стационарных хранилищ энергии.
Источник: www.kommersant.ru
