На протяжении десятилетий исследователи и технологи рассматривали батареи и конденсаторы как два разных устройства хранения энергии: батареи, известные тем, что хранят больше энергии, но медленно ее отдают; конденсаторы для быстрой разрядки небольшими рывками. Поэтому каждое новое устройство накопления энергии классифицируется как одно или другое, или как некоторое отношение к одному из двух, в зависимости от электрохимического механизма, обеспечивающего его. Но международная группа исследователей, занимающих лидирующие позиции в разработке и изучении технологий накопления энергии, теперь предположила, что эти механизмы на самом деле существуют в плавном спектре, и пытается классифицировать устройство как «больше, чем» или «меньше, чем» батарея или аккумулятор. конденсатор может мешать прогрессу в этой области.
В перспективной статье, недавно опубликованной в журнале Nature Energy , исследователи из Университета Дрекселя, Университета штата Северная Каролина, Калифорнийского университета, Университета Вандербильта, Саарского университета в Германии и Университета Поля Сабатье во Франции предполагают, что все электрохимические механизмы накопления энергии существуют. где-то на континууме между теми, которые работают в батареях, и теми, которые включают конденсаторы.
«Мы предлагаем единый подход, который включает в себя переход от «бинарного» взгляда на электрохимическое хранение заряда в наноограниченных пространствах либо как чисто электростатическое явление, либо как чисто фарадиевское явление», — пишут они. «Это скорее следует рассматривать как непрерывный переход между ними, определяемый степенью сольватации ионов и взаимодействием ион-хозяин».
Проще говоря, один конец спектра — это химическая связь — основной механизм связи, физическая связь на атомном уровне. Другой конец — это электростатическое притяжение, которое временно захватывает ионы внутри и на поверхности материала.
Первое явление, называемое реакцией Фарадея, придает батареям их превосходную емкость для хранения энергии и позволяет им постепенно высвобождать заряд. Но это также причина того, что они так долго заряжаются. Последнее, скорее мимолетное притяжение, чем настоящая связь, обеспечивает быстрые всплески энергии, приводящие в действие вспышки камер, и кратковременное поглощение энергии от торможения гибридных и электрических автомобилей.
С каждой новой разработкой в технологии накопления энергии, будь то новая комбинация электродных материалов и растворов электролитов или физические или химические добавки для ограничения или обеспечения переноса ионов, исследователи стремятся наблюдать и точно охарактеризовать имеющийся электрохимический механизм накопления.
Но авторы говорят, что во многих случаях эти узкие определения не являются ни точными, ни полезными, когда дело доходит до адаптации устройств к очень специфическим потребностям в хранении энергии новой технологии.
«То, что происходит между классическими батареями и суперконденсаторами, долгое время было спорной темой», — сказал Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный профессор Университета и профессор Баха в Инженерном колледже Дрекселя, который был соавтором статьи. . «Так называемые «псевдоконденсаторы» и гибридные накопители энергии изучаются не менее 30 лет, но некоторые ученые пытались полностью отказаться от псевдоемкостей, утверждая, что есть только эти два крайних случая, а все остальное — суперпозиция двух действующих механизмов. в параллели.»
Авторы отмечают, что во многих из этих гибридных устройств ионы почти полностью поглощаются между слоями материалов электродов. В других, где пористые наноматериалы в электродах были разработаны для максимизации полного химического поглощения или адсорбции ионов, исследователи наблюдали гораздо более быстрые энергетические разряды, вероятно, из-за стойкости вещества электролита, препятствующего полной интеркаляции ионов.
Оба экземпляра далеки от идеала, но их свойства оказываются ценным сочетанием, когда речь идет о новых технологиях.
«Мы ожидаем, что понимание десольватации ионов (отщепления ионов от молекул растворителя) и ее роли в определении механизма накопления энергии позволит нам достичь момента, когда мы объединим высокую энергию и большую мощность в одном устройстве накопления энергии», — сказал Гогоци. «Подумайте о зарядке аккумуляторов за несколько минут — вы подключаете свой мобильный телефон , отключаете его через несколько минут и можете использовать его по крайней мере в течение нескольких часов. В случае 2D-материалов, таких как MXene или графен, мы можем сделать гибкий аккумуляторы для гибкой и носимой электроники».
Исследователи признают важность знаменосцев для электрохимического накопления энергии как в качестве столпов нашего теоретического понимания этой области, так и в качестве движущих сил современных технологий. Но они утверждают, что двигаться вперед означает действовать где-то посередине, понимая, что правильно подобранное устройство хранения энергии может быть более эффективным, чем лучшая батарея или суперконденсатор.
«Мы признаем, что есть две «идеальные ситуации» — батареи и суперконденсаторы. Для этих случаев выведены уравнения. И есть коммерческие устройства, которые производят миллиардные отрасли. Но теперь мы также знаем, как предсказывать, проектировать и производить устройства. которые имеют свойства между обычными крайними случаями», — сказал Волкер Прессер, доктор философии. соавтор из Саарского университета в Германии и бывший научный сотрудник группы Гогоци в Drexel.
«Новые отрасли, которым требуются гибкие, прозрачные, конформные, носимые накопители энергии, устройства в сочетании со сбором энергии и другие нетрадиционные источники электроэнергии, получат большую выгоду от нового гибкого накопителя энергии . И мы движемся к экономике, основанной на электроэнергии, Интернету. вещей и других новых, передовых технологий для устойчивых приложений. Таким образом, будет очень важно признать и работать над тем, чтобы охарактеризовать эти новые устройства как существующие в пределах спектра, а не как находящиеся где-то за его пределами».
