Разаботка, исследование и производство материалов для суперконденсаторов - электрохимических конденсаторов с двойным слоем, псевдоконденсаторов и гибридных конденсаторов

Центр Материаловедения занимается исследованиями, разработкой и производством материалов для суперконденсаторов.

Мы производим широкий спектр углеродных наноматериалов с регулируемой пористостью - производим мезопористый, макропористый, микропористый и нанопористый углеродный материал. Наши специалисты помогут подобрать вам материал для суперконденсаторов с необходимыми параметрами и свойствами.
Суперконденсаторы (или электрохимические конденсаторы) хранят энергию способом адсорбции ионов (благодаря электрохимическому двойному слою) или благодаря быстрой окислительно-восстановительной реакции на поверхности (псевдоконденсаторы). Суперконденсаторы могут быть дополнительным элементом или полностью заменять аккумуляторы в устройстве накопления электрической энергии, в случае, когда не требуется мощная подача и поглощение энергии. В последнее время произошел заметный рост производительности благодаря достижениям в понимании непосредственно механизмов и процессов хранения заряда, а также благодаря развитию новейших наноструктурных материалов, а именно различных углеродных наноматериалов.

Изменения климата и ограниченность ископаемых топливных ресурсов приводят общество к необходимости перехода на устойчивые возобновляемые источники энергии.  Как результат, мы наблюдаем увеличение производства возобновляемой энергии солнца и ветра, а также развитие электрических транспортных средств или гибридных электромобилей с низким уровнем выбросов CO2. Но солнце не светит ночью, а погода не всегда ветрена, и устройства хранения энергии начинают играть более значительную роль в нашей жизни.
В авангарде это электрические системы аккумулирования энергии, такие как аккумуляторные батареи и электрохимические конденсаторы (ECS), но они требуют значительного усовершенствования для удовлетворения возрастающих энергетических потребностей будущих устройств - от портативной электроники и гибридных автомобилей до большого промышленного оборудования- путем разработки новых материалов и продвижения на пути к пониманию электрохимических интерфейсов на наноуровне.
Литий-ионные батареи, хотя и имеют высокую стоимость и медленную подачу энергии, но и до сегодня остаются самыми мощными аккумуляторами ввиду большой плотности энергии. Но суперконденсаторы активно совершенствуются и в отличие от литий-ионных батарей, имеют большое преимущество – они обеспечивают мгновенную подачу энергии и большое количество циклов заряд-разряд.
Они играют важную роль в дополнении или замене батарей в области хранения энергии, например, в качестве источников бесперебойного питания (резервные запасы, используемые для защиты от сбоев питания) и выравнивания напряжения.
Можно выделить несколько типов электрохимических конденсаторов в зависимости от механизма накопления энергии и используемого в суперконденсаторе активного материала - электрохимические конденсаторы с двойным слоем, псевдоконденсаторы и гибридные конденсаторы.

Основным рынком сбыта электрохимических конденсаторов с двойным слоем считается транспортная отрасль, включая гибридный электроприводный транспорт, а также поезда метрополитена, трамваи. Но до сих пор в этой отрасли существуют разные мнения по поводу использования высокомощных литий-ионных батарей вместо электрохимических конденсаторов (и наоборот). Но не следует рассматривать литий-ионные батареи и электрохимические конденсаторы как конкурентные, поскольку они имеют разные характеристики и механизмы хранения энергии. Доступность и подача накопленного заряда всегда будет более быстрой для суперконденсаторов (благодаря большой поверхности для хранения энергии), чем для литий-ионных аккумуляторов (хранение в обьеме), хотя у последних -  больше запас хранимой энергии.

Уменьшение цены на углеродные материалы для электрохимических конденсаторов, включая CDC и активированные углероды, может обеспечить их широкое производство и использование.  Разработка и производство таких материалов для суперконденсаторов как нанопористый углерод с размером пор для захвата ионов электролита с точностью до ангстрем, углеродные нанотрубки для гибких и печатных устройств с коротким временем оклика, а также наночастицы оксидов переходных металлов и нитридов для псевдоконденсаторов являются последними достижениями в данной области суперконденсаторов.

Электрохимические конденсаторы с двойным слоем

Электрохимические конденсаторы с двойным электрическим слоемВ электрохимических конденсаторах с двойным электрическим слоем используется активный материал на основе углерода с высокой площадью поверхности. Электроды выполняют, как правило, путём использования пористых материалов, таких, как активированный уголь или вспененные металлы. Общая площадь поверхности, даже в тонком слое такого материала, во много раз больше, чем в традиционных материалах, таких как алюминий, что позволило хранить заряд в любом объёме. Для этого применения графитовый углерод соответствует всем требованиям -  он обладает высокой проводимостью, электрохимической стабильностью и открытой пористостью. Также в качестве активного материала для электрохимических конденсаторов с двойным электрическим слоем могут применяться активированный углерод, углерод, получаемый из карбидов (CDC), углеродные ткани, углеродные волокна, углеродные нанотрубки, углеродные нанолуковицы, нанорожки. Но наиболее распространен активированный углерод ввиду своей большой площади поверхности и невысокой стоимости.Активированные угли получают из богатых углеродом органических прекурсоров путем карбонизации (термообработки) в инертной атмосфере с последующим селективным окислением в CO2, водяным паром воды или раствором КОН, чтобы увеличить площадь поверхности и объем пор. В качестве прекурсоров обычно используются натуральные материалы, такие как скорлупа кокосовых орехов, дерево, смолы, угли, или синтетические материалы, такие как полимеры.  Пористая сеть в углеродном материале производится после активации; в зернах углерода могут быть созданы микропоры (<2 нм), мезопоры (2-50 нм) и макропоры (> 50 нм).
Углеродные структуры, используемые в качестве активных материалов для двухслойных конденсаторов.Углеродные материалы, используемые в конденсаторах с двойным электрическим слоем обычно предварительно обрабатываются для удаления влаги и большой части функциональных групп, присутствующих на поверхности углерода для повышения стабильности при циклировании, поскольку они могут вызвать увядание емкости и старение конденсатора. Высокая емкость наблюдалась у мезопористого углеродного материала содержащего маленькие микропоры.
Однако наиболее убедительные результаты увеличения емкости в порах размером меньше, чем ион, были получены во время экспериментов, когда в качестве активного материала использовались углероды, полученные из карбидов (CDCs). Это пористый углеродный материал, полученный путем экстракции металлов из карбидов (TiC, SiC и др.) путем травления в галогенов при повышенных температурах. TiC + 2Cl2 → TiCl4 + C
В этой реакции, Ti выщелачивают из TiC, а атомы углерода самообразуют аморфную или неупорядоченную структуру с размером пор, которые могут быть доработаны путем регулирования температуры хлорирования и других параметров процесса.

Поскольку образцы CDC были исключительно  микропористые, то увеличение емкости за счет субнанометрических пор четко показыавает роль микропор. Кроме того, гравиметрические и объемные емкости, достигнутые при использовании CDC составили соответственно показатель на 50% и 80% выше, чем у обычного активированного углерода. Данные материалы демонстрируют высокий энергетический потенциал для дальнейшего применения в суперконденсаторах.

Псевдоемкостные конденсаторы

В основе некоторых электрохимических конденсаторов лежит механизм быстрых обратимых окислительно-восстановительных реакций, которые происходят на поверхности активного материала – так называемые псевдоемкостные реакции. Они имеют высокую удельную емкость. Для псевдоконденсаторов в качестве активного материала используются оксиды переходных металлов (RuO2, Fe3O4, MnO2 или Mo20), а также испытывались электропроводящие полимеры – полианилин, полипиррол, политиофен и их производные. Недостатком проводящих полимеров при использовании в качестве активного материала, является ограниченная стабильности во время циклирования, что снижает начальную производительность. Исследования проводящих полимеров для суперконденсаторов в настоящее время направлены на их применение в гибридных системах.
Учитывая, что наноматериалы помогли улучшить литий-ионные батареи, то не удивительно, что наноструктуры имели такое же влияние на электрохимические конденсаторы ECS, поскольку псевдоконденсаторы хранят заряд в первых нескольких нанометров поверхности, тем самым уменьшая размер частиц используемого активного материала. Синтезированные тонкие слои MnO2 и RuO2 в нанометровом мастабе были нанесены на различные подложки – металлические коллекторы, углеродные нанотрубки или активированный углерод.
Возможные способы улучшения удельной мощности и плотности энергии для электрохимических конденсаторов. a, b, зернистый активированный углерод, покрытый слоем псевдоемкостных материалов; c и d - полученные отложения псевдоемкостных материалов (с) на хорошо упорядоченной большой площади углеродных нанотрубок(d)Синтез тонких пленок или емкостных материалов с большой площадью поверхности, покрытых наноразмерным псевдоемкостным активным веществом (как в примерах представленных на рисуске выше) позволяет увеличить удельную плотность энергии и конкурировать с электрохимическими конденсаторами с двойным слоем на основе углерода EDLC. Но, к сожалению, на данном этапе высокая стоимость производства таких сложных наноструктурных материалов пока ограничивает их широкое применение в компактных электронных устройствах.

Гибридные суперконденсаторы

Гибридные конденсаторы объединяют емкостный или псевдо-емкостный электрод с электродом аккумуляторной батареи, и таким образом сочетают свойства и конденсатора, и  батареи.
Гибридные системы могут выступить заманчивой альтернативой традиционным псевдоконденсаторам (pseudocapacitors) или электрохимическим конденсаторам двойного слоя (EDLCs) путем объединения в одной ячейке электрода как источника энергии и электрода – источника питания.
Соответствующая комбинация электродов может даже увеличить напряжение элемента, тем самым увеличив удельную мощность и плотность энергии. В настоящее время существует два разных подхода к гибридным системам: (I) комбинация псевдо-емкостных оксидов металлов с емкостным углеродным электродом, и (II)сочетание электрода из вставок лития с емкостным углеродным электродом. Эти системы могут представлять особый интерес в приложениях, где требуется высокая мощность и средняя длительность жизненного цикла.

Токоприемники

 Поскольку электрохимические конденсаторы явлются силовыми устройствами, их внутреннее сопротивление должно соблюдаться на низком уровне. Следует обратить особое внимание на контактный импеданс (сопротивление) между активной пленкой и токоприемником. В электрохимических конденсаторах, разработанных для органических электролитов используется обработанная алюминиевая фольга или сетевые токоприемники. Привлекательным материалом для токоприемников является углерод в виде  высокопроводящих нанотрубок или листы графена. Эти материалы не поддаются коррозии в водных электролитах и являются очень гибкими.

В статье использованы материалы и иллюстрации из статьи Materials for electrochemical capacitors,P Simon, Y Gogotsi, Nature materials 7 (11), 2008, р.845-854

 

НОВОСТИ НАУКИ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

Рецепт безопасных батарей - добавка из наноалмаза

Исследователи из Дрекселя сообщили, что добавление наноалмазов к раствору электролита в литиевых батареях может предотвратить образование дендритов, тензор-подобных отложений ионов, которые со временем могут расти внутри батареи и вызывать опасные сбои. (Фото предоставлено Университетом Дрекселя и Университетом Цинхуа).С целью предотвратить опасные неисправности лептопов исследователи из Университета Дрекселя разработали рецепт, который может превратить раствор электролита - ключевой компонент большинства батарей - в защиту от химического процесса, который приводит к поломкам, связанным с батареями.

 
20 июня 2017 года по решению академического совета директору Института Наноматериалов им. А. Дж. Дрекселя, профессору Юрию Гогоци было присвоено звание Почетного доктора Института проблем материаловедения им. Францевича Национальной академии наук Украины

На фото слева направо: замдиректора Рагуля А.В., Баглюк Г. А., Заворотный М.Г., профессор Юрий Гогоци, ученый секретарь Картузов В.В. и академик Фирстов С.А. 20 июня 2017 года по решению академического совета директору Института Наноматериалов им. А. Дж. Дрекселя, профессору Юрию Гогоци было присвоено звание Почетного доктора Института проблем материаловедения им. Францевича Национальной академии наук Украины..

 
Юрий Гогоци. Профессор наноматериалов и научный Эверест. Интервью для "Українська Правда. Життя"

altСейчас значительная часть жизни ученого Юрия Гогоци - это международные полеты из США по всему миру, лекции, открытие лабораторий, редактирование научного журнала ACS Nano (18-того в рейтинге Google Scolar среди тысяч). И как минимум две статьи каждый год для самых влиятельных научных журналов мира Nature и Science.

 
Юрий Гогоци – самый влиятельный ученый современной Украины - Канал 24

alt

Жизнь Юрия Гогоци – это постоянные перелеты между топовыми лабораториями мира, написание статей в лучших научных журналов мира и исследования материалов, которые могут изменить мир вокруг. Ученый из Киева ежегодно получает более миллиона долларов на лабораторные эксперименты, правда, только за границей. Прочитать лекции в Украине его приглашают крайне редко.

 
Интервью профессора Юрия Гогоци для Hromadske о науке, финансировании и перспективах

профессор Университета Дрекселя Юрий Гогоци Фото: Александр Попенко/ГромадськеЕго труды цитируют чаще, чем многих нобелевских лауреатов, он получает на исследования 2,2 миллиона долларов от родного университета, однако в Украине о Юрия Гогоци знают немногие: лишь несколько публикаций о нем в сети и 2-3 приглашение на выступления в год.

 
Лекция профессора Юрия Гогоци в НТУУ КПИ, 8 июня 13:00

Профессор Юрий  Гогоци, Университет Дрекселя, США

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»
Инженерно-физический факультет
Корпус №9, ауд. 101
Дата и время проведения: 8 июня в 13:00
Вход свободный

 
Научная лекция профессора Юрия Гогоци Открытие новых материалов и технологии будущего в ИПМ НАНУ, 7 июня 12:00

Профессор Юрий Гогоци

 Институт проблем материаловедения им.Францевича НАНУ

Главный корпус, Актовый зал (к. 208)

Дата и время проведения: 7 июня в 12:00

Вход свободный

 
Открытая лекция выдающегося ученого мирового уровня профессора Юрия Гогоци «Зарядиться на два миллиона» о последних достижениях в области наноматериалов и хранениия энергии, 7 июня, 19:00, Киев, фотостудия Lightfield Productions

профессор Юрий Гогоци, Университет Дрекселя Ученый расскажет, как сочетаются инновации и фундаментальные исследования, сколько будут работать традиционные батарейки и аккумуляторы в будущем и какими будут источники света.

 
Нанотехнологии и энергия будущего: профессор Юрий Гогоци о нанотехнологиях в области хранения энергии на Всемирной научной ярмарке 2017 года World Science Fair 2017

Professor Yury Gogotsi at World Science Festival 2017Среди экспертов в студии World Science Fair 2017 выдающийся ученый из Университета Дрекселя профессор Юрий Гогоци, лауреат премии имени Фреда Кавли. 

 
Семинары Виктора Корсуна и Дугласа Грехема 7, 8, 12 июня в Киеве, Львове и Харькове: Инновационный менеджмент, продвижение, лицензирование, передача технологий и коммерциализации

alt7 июня в 14:30 в Научном Парке "Киевская политехника" состоится семинар с участием Виктора Корсуна (Vic Korsun, USA) и Дугласа Грэхема (Douglas Graham, USA), которые представят новую платформу для Инновационного менеджмента, продвижения, лицензирования, передачи технологий и коммерциализации

 
Максен MXene, открытый группой ученых из Университета Дрекселя под руководством профессора Юрия Гогоци, - новое имя среди двумерных наноматериалов

Исследователи из Института Наноматериалов Университета Дрекселя изучали максины на протяжении боле половины десятилетия. Слева направо: Алексей Гогоци, директора Центра Материаловедения (Украина), Габриэл Скалл, Бабак Анасори, Мухаммед Альхабиб и профессор Юрий Гогоци.На данный момент синтезированы и изучены более двадцати максенов (MXenes) - двумерных карбидов, нитридов и карбонитридов переходных металлов, и еще ожидается, что десятки их будут синтезированы. Применение высоко электропроводящих максенов является очень перспективным для хранения энергии, экранирования и защиты от электромагнитных помех, электрокатализа, плазмоники и многих других приложений.

 
Вакансия: Постдокторант или научный сотрудник в Цзилиньском университете, г.Чанчунь, Китай, с возможностью стажировки в США.

alt

К вниманию молодых ученых - отличная возможность для начала успешной научной карьеры под руководством известного авторитетного профессора Юрия Гогоци.

- Позиция в одном из лучших университетов Китая с возможностью стажировки в США.

- Работа под руководством наиболее цитируемого украинского ученого, работающего зарубежом, профессора Юрия Гогоци;

- Научная работа в области новых двумерных  наноматериалов для энергетики;

- Цель работы: достижение прорыва в области возобновляемых источников энергии, публикация статей в ведущих международных журналах.

- Начальный срок - 1 год с возможностью продления до трех лет. Оплата в зависмости от квалификации.

 
Доктор Юрий Гогоци стал почетным профессором Цзилиньского университета, Чанчунь, провинция Цзилинь, Китай

профессор Юрий Гогоци и ректор Цзилиньского Университета Ли Юаньюань

20 октября 2016 года в торжественной обстановке прошла официальная церемония назначения доктора Юрия Гогоци почетным профессором Цзилиньского университета, Чанчунь, провинция Цзилинь, Китай.

 
Доклад Алексея Гогоци, директора Центра материаловедения в Цзилиньском Университете, Чанчунь, Китай, 19 октября 2016

Доклад директора MRC Алексея Гогоци в Колледже Физики Цзилиньского Университета, Чанчунь, 19 октября 2016Алексей Гогоци, директор Центра материаловедения, был приглашен профессором Хан Вей в Цзилиньский Университет для обсуждения совместного сотрудничества с научными подразделениями Университета в области разработки, синтеза материалов и технологии изготовления суперконденсаторов.

 
Защитное покрытие из наноматериала максена MXene для отражения и поглощения электромагнитных помех

Максен это тонкий и легкий наноматериал, который обладает уникальной способностью блокировать и поглощать электромагнитное излучение, что делает его идеальным для использования в качестве защитного механизма в электроникеГруппа исследователей из Университета Дрекселя и Корейского института науки и технологий работает над очисткой от таких электромагнитных помех с помощью нанесения на компоненты тонкой защитной пленки наноматериала под названием Максин.

 
Профессор Юрий Гогоци, директор Института Наноматериалов Университета Дрекселя, США, и директор Центра материаловедения Алексей Гогоци посетили Университет Цзилинь в Чанчуне, Китай.

Слева направо: директор Центра материаловедения Алексей Гогоци, проф. Юрий Гогоци, Университет Дрекселя, и проф Gao Yu, проф. Fei Du, и  директор Лаборатории физики и технологий для современных батарей Университета Цзилинь проф.Yingjin Wei, Чанчунь, Китай. Они встретились с китайскими партнерами по научным исследованиям из Лаборатории физики и технологий для современных батарей Университета Цзилинь

 
Профессор Юрий Гогоци был награжден престижной премией 2016 Nano Energy Award, 15 июля 2016 в Пекине.

директор Института Наноматериалов Университета Дрекселя профессор Юрий Гогоци был награжден  престижной премией 2016 Nano Energy Award. директор Института Наноматериалов Университета Дрекселя профессор Юрий Гогоци был награжден  престижной премией 2016 Nano Energy Award. Эту награду профессору Юрию Гогоци вручал главный редактор журнала Elsevier и Nano Energy Zhong Lin Wang Профессор Юрий Гогоци сделал огромный вклад в изучение и понимание механизмов емкостного наколения энергии.

 
Поздравляем профессора Юрия Гогоци с победой в премии 2016 Nano Energy Award!

prof. Yury Gogotsi, Drexel University

Победителем престижной международной научной премии 2016 Nano Energy Award стал профессор Юрий Гогоци, директор Института наноматериалов Университета Дрекселя

 
Юрий Гогоци и Патрис Симон стали лауреатами международной премии RUSNANOPRIZE 2015 за разработку углеродных наноматериалов для суперконденсаторов

Лауреаты премии RUSNANOPRIZE 2015 проф. Юрий Гогоци (Университет Дрекселя, США) и проф. Патрис Симон (Университет Тулузы им. Поля Сабатье, Франция), 28 октября 2015 г. На форуме «Открытые инновации»,  открывшемся 28 октября 2015 г. в Москве, состоялась церемония вручения премии RUSNANOPRIZE за достижения в области нанотехнологий Юрию Гогоци и Патрису Симону

 
Проф. Юрий Гогоци, Университт Дрекселя и проф. Патрис Симон, Университет Тулузы им. Поля Сабатье вошли в шорт-лист номинантов премии в области нанотехнологий RUSNANOPRIZE 2015

altОбъявлен шорт-лист претендентов на Международную премию в области нанотехнологий RUSNANOPRIZE 2015, в числе трех команд - претендентов проф. Юрий Гогоци, Университт Дрекселя (США) и проф. Патрис Симон, Университет Тулузы им. Поля Сабатье (Франция).