Одноатомный электрод расширил окно напряжения суперконденсаторов

Суперконденсаторы — это не аккумуляторы. Они заряжаются и разряжаются за секунды, выдерживают сотни тысяч циклов и не теряют ёмкость. Но у них есть серьёзный недостаток: они хранят в 10–100 раз меньше энергии, чем литий-ионные батареи того же веса.

Именно поэтому суперконденсаторы сегодня используются в нишах — как буферы для рекуперации торможения в электромобилях и поездах, как аварийные источники питания для мощных приводов. Они не могут заменить батарею в смартфоне или электромобиле.

Новое исследование из Национального университета Сингапура предлагает материал электрода, который сокращает этот разрыв: одноатомные активные центры на графене. Результаты опубликованы в ACS Nano.

Чем одноатомные центры лучше обычных электродов

В стандартных суперконденсаторах ёмкость определяется площадью поверхности электрода. Чем больше площадь, тем больше ионов может быть там адсорбировано. Поэтому традиционно применяют активированный уголь с гигантской пористой поверхностью.

Проблема: бо́льшая часть атомов углерода внутри материала физически недоступна для ионов — вклад в ёмкость вносят только поверхностные слои.

Одноатомный подход переворачивает логику. Отдельные атомы кобальта и азота, встроенные в двумерный графен, — каждый доступен для электрохимической реакции. Нет «мёртвых» объёмов. Нет потерь на транспорт заряда вглубь материала.

При этом механизм накопления заряда меняется: помимо классической двойной электрической слойной ёмкости (чисто физической адсорбции), одноатомные центры обеспечивают псевдоёмкостный вклад через быстрые поверхностные редокс-реакции. Это промежуточное состояние между суперконденсатором и аккумулятором.

Результаты в сравнении с контрольным графеновым электродом:

• Удельная ёмкость выросла в 3,8 раза.
• Скорость заряда-разряда осталась сопоставимой с классическими суперконденсаторами.
• Удержание ёмкости после 50 000 циклов — более 92%.
• Плотность энергии приблизилась к нижней границе литий-ионных батарей.

Где это применимо

Если характеристики подтвердятся при переходе от лабораторных ячеек к промышленным форматам — а это всегда главная проверка — одноатомные суперконденсаторы открывают новые применения:

• Быстрые накопители для пиковых нагрузок в электросетях.
• Рекуперативное торможение для более широкого класса транспорта.
• Гибридные системы хранения, где суперконденсатор берёт на себя пиковые нагрузки, разгружая батарею и тем самым удлиняя её жизнь.

Масштабирование синтеза одноатомных катализаторов — ключевая инженерная задача, которая пока не решена на промышленном уровне. Стоимость и воспроизводимость при большом производстве остаются открытыми вопросами.

Исследование опубликовано в ACS Nano. Материал подготовлен по публикации Phys.org.

Ранее стало известно о быстрозаряжаемых батареях нового типа.