Работа, опубликованная в последнем выпуске журнала Nature Communications, посвящена двухслойным электрическим конденсаторам (EDLC), типу так называемых суперконденсаторов. Это отличные варианты для систем питания, где быстрая зарядка и подача энергии имеют решающее значение, например, при рекуперативном торможении (для использования в поездах и автобусах), вспышках камеры и резервной памяти компьютера.
«Метод МРТ действительно позволяет нам заглянуть внутрь функционирующего электрического накопителя и определить местонахождение молекулярных событий, ответственных за его функционирование», — объясняет Алексей Джершоу, профессор химического факультета Нью-Йоркского университета и один из старших авторов статьи.
«Такой подход позволяет нам исследовать градиенты концентрации электролита и движение ионов внутри электрода и электролита, что в конечном итоге является причиной плохой производительности аккумуляторов и суперконденсаторов», — добавляет соавтор Клэр Грей, профессор кафедры химии в Кембриджский университет.
Среди других авторов — Эндрю Илотт, научный сотрудник химического факультета Нью-Йоркского университета, и Николь Триз, научный сотрудник Университета Стоуни-Брук.
Конденсаторы предназначены для хранения электрического заряда, но их возможности хранения ограничены.
В последние годы были достигнуты успехи в устранении этого недостатка. Среди них было создание суперконденсаторов, которые могут хранить больше электрического заряда, чем их предшественники.
Это происходит из-за двойного электрического слоя, образованного на границе раздела электролит-электрод — процесса накопления энергии — который служит для более эффективного улавливания энергии, чем стандартные конденсаторы.
Однако точная природа этого процесса заряда в суперконденсаторах остается предметом споров. Предыдущие исследования пытались понять этот процесс путем синтеза новых электродных материалов, моделирования процесса зарядки и с помощью спектроскопии, а не путем прямого отображения всего функционирующего устройства.
В работе Nature Communications Джершоу, Грей и их соавторы исследовали новый подход к пониманию того, как работают эти устройства: использование технологии МРТ, которая служит зеркалом в деятельности суперконденсаторов по хранению энергии.
Этот метод имеет прецедент, созданный той же исследовательской группой. В работе, опубликованной Nature Materials в 2012 году, команда Нью-Йоркского университета в Кембридже разработала метод, основанный на МРТ, чтобы заглянуть внутрь батареи, не повредив ее.
Их методика предоставила метод, помогающий улучшить производительность и безопасность батареи, служа диагностикой ее внутренней работы.
В работе над суперконденсаторами исследователи обнаружили, что МРТ может точно определить местоположение и оценить количество как положительно, так и отрицательно заряженных ионов электролита — данные, которые имеют решающее значение для понимания механизма накопления энергии.
Этот метод может анализировать функционирующие устройства в различных состояниях заряда и, таким образом, предоставлять информацию о микроскопических процессах, которые в конечном итоге ответственны за хранение и мощность устройства.
Исследователи говорят, что с помощью этого неинвазивного метода можно быстро протестировать свойства различных материалов конденсаторов и, таким образом, выяснить их эффективность в повышении производительности устройства.
Они добавляют, что методы также могут быть полезны при оценке факторов, которые влияют на долговечность устройств, или на кондиционирование или «обкатку» устройств во время первого использования.
Затем команда планирует изучить, как различные ионы взаимодействуют с другими молекулами в смеси электролитов, что может быть ключом к повышению производительности.
Работа поддержана Северо-Восточным центром хранения химической энергии, U.S. Министерство энергетики (DESC0001294) и NYSTAR.