Ученые смоделировали работу суперконденсатора на уровне отдельных молекул и ионов
Ученые НИУ ВШЭ с помощью моделирования на суперкомпьютере изучили, что происходит с ионами и молекулами растворителя с водой внутри нанопор суперконденсатора. Результаты показали, что даже очень малое количество воды меняет распределение заряда внутри нанопор и влияет на то, сколько энергии может накопить устройство. Такой подход позволяет предсказывать поведение суперконденсаторов при разных составах электролита и условиях влажности. Исследование опубликовано в журнале Electrochimica Acta. Работа выполнена в рамках гранта РНФ.
Суперконденсаторы — компактные устройства, которые быстро накапливают и отдают электрическую энергию. Их применяют в электронике, гибридных автомобилях, системах рекуперации энергии, солнечных и ветровых электростанциях. В отличие от аккумуляторов, которые могут заряжаться от десятков минут до нескольких часов и выдерживают примерно 500–1000 циклов, суперконденсаторы заряжаются за секунды и могут выдержать сотни тысяч циклов без заметной потери емкости — количества энергии, которое устройство способно накопить и отдать. Проблема суперконденсаторов в том, что при всей их скорости они хранят меньше энергии, чем аккумулятор такого же размера. Поэтому исследователи продолжают изучать характеристики суперконденсаторов, чтобы увеличить их электрическую емкость.
Ранее команда НИУ ВШЭ уже изучила, как ионы и молекулы электролита ведут себя в углеродных нанопорах, и создала модель двойного электрического слоя. В новой работе ученые НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН впервые смоделировали поведение электролита на уровне отдельных ионов и молекул с помощью суперкомпьютера НИУ ВШЭ. Они исследовали смесь ионной жидкости, органического растворителя и следов воды в углеродных порах шириной 0,7–1,9 нанометра. На основе полученных траекторий движения молекул и ионов исследователи рассчитали дифференциальную электрическую емкость, сравнив результаты с экспериментальными данными.
Юрий Будков
«Моделирование позволило увидеть, как ионы и молекулы растворителя распределяются в порах, формируют послойные структуры и как эти слои меняются при изменении заряда электрода, — поясняет профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков. — Мы впервые получили 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».
Результаты моделирования показали, что даже следовые примеси воды заметно меняют поведение электролита в нанопорах. При слабом отрицательном заряде электрода вода нарушала упорядочение ионов и этим уменьшала дифференциальную емкость. А при сильном положительном заряде вода, напротив, помогала увеличить емкость: ее молекулы выстраивались в электрическом поле и частично компенсировали действие заряда электрода на ионы, меняя их распределение в нанопорах.
Ученые также выяснили, что изменения емкости с изменением толщины поры напрямую связаны с колебаниями расклинивающего давления — избыточного давления в тонкой пленке жидкости внутри нанопор. Впервые удалось показать, что эти колебания совпадают с изменениями емкости устройства и отражают то, как внутренние слои электролита смещаются и уплотняются при зарядке электрода. Такой анализ помогает объяснить, почему в реальных суперконденсаторах изменение влажности или состава электролита может приводить к росту или падению эффективности устройства.
Дарья Гурина
«Даже небольшие примеси воды перестраивают внутреннюю структуру электролита в поре и влияют на накопление заряда. Понимание таких тонких эффектов важно для разработки новых электролитов и материалов электродов», — отмечает научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ Дарья Гурина.
Исследователи считают, что такие модели позволят точнее прогнозировать работу суперконденсаторов и помогут разрабатывать более эффективные и долговечные устройства для транспорта, электроники и систем хранения энергии.
Вам также может быть интересно:
НИУ ВШЭ представил новый инструмент для оценки потенциальных рисков для территорий
В Высшей школе экономики прошла презентация доклада по финансовым решениям для климатической адаптации в России. Учитывая, что, по оценкам, каждый градус повышения среднегодовой температуры может привести к негативному эффекту в размере до 3 трлн рублей ежегодно, меры по адаптации сейчас необходимы, считают эксперты. На презентации ученые НИУ ВШЭ представили цифровой инструмент, который позволяет построить климатический риск-профиль территорий.
НИУ ВШЭ представил рейтинг регионов России по необходимости адаптации к изменению климата
В докладе Высшей школы экономики оценены шесть ключевых климатических рисков для страны: деградация вечной мерзлоты, лесные пожары, засухи, волны тепла, экстремальные осадки и водный стресс. Рейтинг позволяет оценить риски для каждого конкретного региона и скорректировать планы адаптации.
Ошибки, которые всё объясняют: ученые обсудили будущее психолингвистики
Мировая лингвистика сегодня переживает «многоязычную революцию»: эпоха англоязычного доминирования в когнитивных науках подходит к концу, все чаще исследователи изучают многообразие языков мира. Более того, мультилингвизм из экзотики становится нормой, что кардинально меняет представления о когнитивных возможностях человека. В Вышке обсудили будущее развитие экспериментальной лингвистики.
Ученые НИУ ВШЭ создали среду для моделирования подключенного и беспилотного транспорта
Разработка группы исследователей и студентов во главе с преподавателем департамента компьютерной инженерии МИЭМ ВШЭ Виталием Степанянцем, реализуемая в Учебной лаборатории систем автоматизированного проектирования МИЭМ ВШЭ под руководством Александра Романова и Александра Американова, впервые в мире позволяет одновременно учитывать детальное моделирование восприятия окружающей среды беспилотным транспортом и распространения сигналов подключенного транспорта. На сегодняшний день среда не имеет аналогов среди программ такого рода с открытым кодом.
«Развернуть обсуждение политики в области высшего образования в доказательное русло»
29 октября в НИУ ВШЭ открылась XVI Международная конференция исследователей высшего образования (ИВО) на тему «Высшее образование: между частным и общественным благом». Для участия в конференции зарегистрировались более 600 человек из 32 регионов России и семи зарубежных стран, поступило рекордное число заявок на выступления с докладами — 242, из которых было принято 88.
Облака ближе, чем кажется: итоги форсайт-сессии iFORA
Интеллектуализация управления, синергия с ИИ и переход к микрооблакам — такими будут главные тренды цифровой экономики в ближайшее десятилетие. На форсайт-сессии в НИУ ВШЭ ведущие эксперты в сфере облачных технологий обсудили их эволюцию до 2040 года — от интеллектуализации процессов до идей о переносе хранилищ в космос, чтобы минимизировать экологический ущерб планете.
Исчезнувший сигнал: как солнечная активность заглушила радиоголос Земли
Исследователи из НИУ ВШЭ и ИКИ РАН проанализировали данные спутника ERG (Arase) за семь лет и впервые подробно описали новое радиоизлучение Земли — гектометровый континуум, открытый в 2017 году. Выяснилось, что это излучение возникает спустя несколько часов после заката и исчезает через 1–3 часа после восхода Солнца. Чаще всего его фиксировали в летние месяцы, реже — весной и осенью. Однако к середине 2022 года, когда Солнце вошло в фазу повышенной активности, излучение полностью исчезло, но ученые предполагают, что сигнал может вернуться. Исследованиео публиковано в журнале Journal of Geophysical Research: Space Physics.
«Практика и опыт взаимодействия с профессионалами помогут подготовить будущего продюсера»
У магистерской программы двух дипломов «Продюсер в музыкальной индустрии», реализуемой Высшей школой экономики совместно с Российской академией музыки имени Гнесиных, появился индустриальный партнер — музыкальный лейбл KOALA MUSIC. Компания примет участие в разработке учебных дисциплин и привлечении экспертов из индустрии к подготовке студентов.
Физики из ВШЭ рассказали, как управлять вихрями в двумерной турбулентности
Как поведение турбулентных потоков меняется под действием внешнего воздействия, выяснили исследователи Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН и факультета физики НИУ ВШЭ. Они показали, что даже небольшое подкручивание извне может стабилизировать систему, продлевая жизнь крупных вихрей. Такие результаты помогут точнее моделировать атмосферные и океанические потоки. Работа опубликована в журнале Physics of Fluids.
Персонализированная терапия поможет более эффективному лечению раковых заболеваний
Исследователи Международной лаборатории микрофизиологических систем факультета биологии и биотехнологии НИУ ВШЭ занимаются разработкой методов, снижающих сопротивляемость опухолевых клеток к воздействию лекарств, созданием более эффективных методов лечения рака с учетом индивидуальных особенностей пациентов. О работе лаборатории «Вышке.Главное» рассказала ее руководитель Диана Мальцева.