Nieuporządkowane struktury zwiększają wydajność urządzeń przypominających baterie

Naukowcy pod kierunkiem Uniwersytetu w Cambridge wykorzystali techniki modelowania eksperymentalnego i obliczeniowego do badania porowatych elektrod węglowych stosowanych w superkondensatorach. Odkryli, że elektrody o bardziej nieuporządkowanej strukturze chemicznej magazynowały znacznie więcej energii niż elektrody o wysoce zorganizowanej strukturze.

Ultrakondensatory są kluczową technologią przesyłu energii i mogą być przydatne w niektórych formach transportu publicznego, a także w zarządzaniu nieciągłym wytwarzaniem energii słonecznej i wiatrowej, ale ich zastosowanie ogranicza niska gęstość mocy.

Naukowcy twierdzą, że ich wyniki opublikowane w czasopiśmie Science stanowią przełom w tej dziedzinie i mogą ożywić rozwój tej ważnej technologii przy zerowym koszcie netto.

Podobnie jak baterie, superkondensatory przechowują energię, ale superkondensatory można naładować w ciągu kilku sekund lub kilku minut, podczas gdy baterie trwają znacznie dłużej. Superkondensatory są trwalsze niż akumulatory i wytrzymują miliony cykli ładowania. Jednak niska gęstość energii superkondensatorów sprawia, że ​​nie nadają się one do zapewnienia długoterminowego magazynowania energii lub ciągłego zasilania.

„Ultrakondensatory stanowią technologię uzupełniającą akumulatory, a nie zamiennik” – powiedział. Doktor Alex Force Z Cambridge Youssef Hamid, Wydział Chemii, który kierował badaniami. „Jego trwałość i niezwykle szybkie możliwości ładowania sprawiają, że jest on przydatny w szerokim zakresie zastosowań.”

Na przykład autobus, pociąg lub metro zasilane superkondensatorami można naładować do pełna w czasie potrzebnym pasażerom na wysiadanie i wsiadanie, zapewniając im energię wystarczającą na dotarcie do następnego przystanku. Wyeliminowałoby to potrzebę instalowania infrastruktury ładowania wzdłuż linii. Zanim jednak superkondensatory będą mogły być powszechnie stosowane, należy poprawić ich zdolność do magazynowania energii.

Podczas gdy akumulator wykorzystuje reakcje chemiczne do przechowywania i uwalniania ładunku, superkondensator opiera się na ruchu naładowanych cząsteczek pomiędzy porowatymi elektrodami węglowymi, które mają wysoce nieuporządkowaną strukturę. „Pomyśl o arkuszu grafenu, który ma bardzo zorganizowaną strukturę chemiczną” – powiedział Force. „Jeśli potniesz ten arkusz grafenu w kulę, otrzymasz nieregularny bałagan, trochę jak elektroda w superkondensatorze”.

Ze względu na nieodłączny chaos elektrod naukowcom trudno było je zbadać i określić, które parametry są najważniejsze przy próbach poprawy wydajności. Ten brak jasnego konsensusu spowodował, że pole nieco się załamało.

Wielu naukowców uważa, że ​​rozmiar maleńkich dziurek, czyli nanoporów, znajdujących się w elektrodach węglowych jest kluczem do poprawy pojemności energetycznej. Jednakże zespół z Cambridge przeanalizował serię dostępnych na rynku nanoelektrod węglowych i odkrył, że nie ma związku między wielkością porów a zdolnością magazynowania.

Fors i jego współpracownicy przyjęli nowatorskie podejście i wykorzystali spektroskopię magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) – rodzaj „obrazowania rezonansu magnetycznego” akumulatorów – do badania materiałów elektrod. Odkryli, że bałagan materiałów – od dawna uważany za problem – był kluczem do ich sukcesu.

„Dzięki spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego odkryliśmy, że zdolność magazynowania energii zależy od stopnia nieuporządkowania materiału — im bardziej nieuporządkowany jest materiał, tym więcej energii” powiedział pierwszy autor Xinyu Liu, doktorant, którego promotorem byli Fors i Profesor Dama Clare Gray. „Chaos jest trudny do zmierzenia i jest możliwy jedynie dzięki nuklearnemu rezonansowi magnetycznemu i nowym technikom symulacyjnym, dlatego też chaos jest cechą przeoczaną w tej dziedzinie”.

Kiedy materiały elektrod są analizowane za pomocą spektroskopii NMR, powstaje widmo o różnych szczytach i dolinach. Położenie piku wskazuje, jak uporządkowany lub nieuporządkowany jest węgiel. „Nie planowaliśmy tego szukać, to była wielka niespodzianka” – powiedział Force. „Kiedy wykreśliliśmy położenie piku w funkcji amplitudy energii, pojawiła się uderzająca korelacja – najbardziej nieuporządkowane materiały miały energię prawie dwukrotnie większą niż materiały najbardziej uporządkowane”.

Dlaczego więc chaos jest dobry? Force twierdzi, że to kolejna rzecz, nad którą pracuje zespół. Bardziej nieuporządkowane atomy węgla skuteczniej magazynują jony w nanoporach, a zespół ma nadzieję wykorzystać te wyniki do zaprojektowania lepszych superkondensatorów. Chaos materiału określa się na etapie jego wytwarzania.

„Chcemy przyjrzeć się nowym sposobom wytwarzania tych materiałów, aby zobaczyć, jak daleko może zaprowadzić chaos w zakresie poprawy magazynowania energii” – powiedział Force. „To może być punkt zwrotny w dziedzinie, która od jakiegoś czasu utknęła w martwym punkcie. Claire i ja zaczęliśmy pracować nad tym tematem ponad dziesięć lat temu i ekscytujące jest to, że wiele naszych wcześniejszych podstawowych prac ma teraz jasne zastosowanie. „

Badania były częściowo wspierane przez Cambridge Trusts, Europejską Radę ds. Badań Naukowych oraz brytyjską instytucję ds. badań i innowacji (UKRI).

odniesienie:

Xinyu Liu i in. „Zaburzenie strukturalne determinuje pojemność nanocząstek węgla”. Nauka (2024). doi: 10.1126/science.adn6242