Ученые придумали, как повысить емкость источников энергии для портативной электроники

Группа ученых из Сколтеха, МГУ и МФТИ предложила новый подход для замещения атомов углерода на атомы азота в кристаллической решетке суперконденсаторов. Разработанный учеными метод на основе модификации углеродной решетки с использованием плазмы позволил повысить емкость источников энергии.

skoltech ruПолученные результаты могут помочь в создании следующего поколения источников энергии для портативной электроники. Исследование было опубликовано в престижном журнале группы Nature – Scientific Reports.

В условиях стремительного развития портативной электроники растет и потребность в новых источниках энергии. Ученые находятся в непрерывном поиске способа повысить эффективность электрохимических источников энергии. Суперконденсатор ‒ один из химических источников тока, характеризующийся бо́льшими скоростями разрядки и зарядки по сравнению с батареями, а также большей запасенной энергией на единицу массы или объема. Обычно в качестве материалов для суперконденсаторов используются пористые материалы, такие как углерод или пористые металлы. Использование металлов приводит к значительному увеличению массы источников. Существует несколько возможных путей увеличения емкости таких электрохимических источников без увеличения их массы – использование других более легких элементов или замена атомов в углеродной кристаллической решетке на атомы другого элемента. Перспективным считается второй метод, так как он позволяет легко осуществить подмену еще на этапе синтеза углеродных структур. Один из элементов, которым хотят заменить углерод в кристаллической решетке ‒ азот. Азот участвует в окислительно-восстановительных реакциях, что приводит к дополнительному увеличению ёмкости. Несмотря на то, что ученым относительно давно известен данный метод, вопрос о влиянии азота на электрохимические характеристики до сих пор остается открытым.
Группа ученых под руководством старшего научного сотрудника Сколтеха к.ф.м.н. Станислава Евлашина продемонстрировала простой способ увеличения электрохимических характеристик суперконденсаторов. Предложенный ими подход позволил понять процессы, происходящие на атомарном уровне во время встраивания азота в углеродные материалы. Для экспериментов ученые взяли углеродные наностенки ‒ структуры из вертикально ориентированных листов графена, и заменили в них часть углерода на азот с помощью модификации в плазме. Полученные результаты являются важным шагом на пути к созданию новых источников энергии.
«В этом исследовании мы применили метод обработки структур в плазме для повышения емкости электродов», ‒ рассказывает старший научный сотрудник Сколтеха Станислав Евлашин. «Мы использовали углеродные структуры с большой удельной поверхностью в качестве исходного материала и заменяли часть атомов углерода на азот, который приводит к увеличению электрохимической емкости. Данный подход может быть применен для модификации любых углеродных материалов. Полученные структуры тестировались различными методами. Экспериментальные результаты показали увеличение емкости в 6 раз и отличную стабильность в циклах зарядки-разрядки. Также нами проведено DFT моделирование процесса встраивания азота в углеродные структуры, что проливает свет на сложные механизмы встраивания атомов азота в углеродную решётку».

 

*****
Сколковский институт науки и технологий (Сколтех) – негосударственное научно-образовательное учреждение. Созданный в 2011 году при участии Массачусетского технологического института (МТИ), институт готовит новые поколения исследователей и предпринимателей, развивает научные знания и содействует технологическим инновациям с целью решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром в новом тысячелетии. Сколтех строит свою работу, опираясь на опыт лучших российских и международных образовательных и исследовательских институтов. При этом особый акцент делается на преподавание навыков предпринимательской и инновационной деятельности. Сайт: http://www.skoltech.ru/

Категория: Эко энергетика
Опубликовано 28.05.2019 11:52
Просмотров: 149