Разработан способ увеличить эффективность источников питания портативной электроники

Учёными из Сколтеха, МГУ и МФТИ предложен новый способ замещения атомов углерода атомами азота в кристаллической решётке суперконденсатора. Они разработали новый метод увеличения ёмкости, основанный на модификации углеродной решётки при помощи плазмы. Это открытие может помочь при создании источников питания следующего поколения для портативной электроники. Результаты их научной работы были опубликованы в Scientific Reports.

По мере развития портативных устройств растёт спрос на новые виды источников энергии. Учёные продолжают искать эффективные пути улучшения возможностей электрохимических батарей.

Химические источники тока, суперконденсаторы, отличаются высокими показателями заряда и разряда и более высокой энергоёмкостью на единицу массы или объёма в сравнении с батареей.

Как правило, в суперконденсаторах применяются пористые материалы, такие как углерод или пористые металлы, однако использование металлов значительно утяжеляет источник питания.

Существует ряд способов увеличения ёмкости электрохимических источников питания без изменения их массы, например, использование более лёгких элементов или внедрение атомов других элементов в кристаллическую решётку (легирование).

Считается, что при использовании второго метода открываются более благоприятные перспективы, так как он позволяет легко внедрять атомы на стадии синтеза углеродной структуры. В качестве одного из легирующих элементов рассматривается азот. Он участвует в окислительно-восстановительных реакциях, что ведёт к дополнительному увеличению ёмкости. Хотя учёные уже давно осведомлены о методе легирования, влияние азота на электрохимические характеристики остаётся малоизученным.

Группа учёных под руководством старшего научного сотрудника Сколтеха Станислава Евлашина продемонстрировала простой вариант повышения электрохимических показателей суперконденсаторов. Их подход предоставляет более глубокое понимание процесса внедрения азота. Исследователи проводили эксперименты с применением углеродных наностенок, выполненных из вертикально ориентированных графеновых пластин, часть углерода в которых замещена азотом путем воздействия плазмы на углеродную структуру. Результаты исследования представляют собой важный шаг на пути создания новых источников энергии.

«В данном исследовании нами применена плазменная постобработка с целью улучшения работоспособности электродов, — объясняет доктор Евлашин. – Нами использовались углеродные структуры с высокоспецифичными областями поверхности в качестве материала для легирования в азотной плазме и замещения части атомов углерода атомами азота для того, чтобы увеличить электрохимическую ёмкость источника энергии. Такой подход может применяться для модифицирования любых углеродных структур. Полученные образцы прошли различные тесты. Экспериментальные результаты показали шестикратное увеличение электрохимической ёмкости и отличную циклическую стабильность. Нами также проведено DFT-моделирование процесса внедрения азота, которое даёт некоторое понимание сложных механизмов внедрения».