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

Покрытие из максена MXene может защищать носимые устройства от электромагнитных помех

mxene-emi-fabric

Группа ученых из Университета Дрекселя (Филадельфия, США) опубликовала многообещающие результаты исследования, которые показывают, что ткань, покрытая высокопроводящим двумерным материалом под названием MXene, очень эффективно блокирует электромагнитные волны и потенциально опасное излучение. Эта работа может существенно повлиять на промышленное производство электронного текстиля, становясь привлекательной альтернативой используемым в настоящее время металлическим проводящим красителям, и позволяя широко внедрять бесшовно интегрированные текстильные устройства со значительными улучшенные характеристики экранирования электромагнитных помех.

 
Интервью профессора Юрия Гогоци о его исследованиях, разработках, поисках вдохновения, финансирования и контактов в научном мире

Профессор Юрий Гогоци, директор Института наноматериалов имени А. Дж. Дрекселя, Университет ДрекселяПрофессор Юрий Гогоци - самый цитируемый ученый украинского происхождения и один из самых высоко цитируемых ученых в мире. Например, по данным Microsoft Academic за период последние 5 лет в области материаловедения (Materials science) он занимает второе место в мире по цитируемости его работ, по уровню h-index - четвертое. Также и другие наукометрические системы присваивают ему высочайшие рейтинги в мире (Web of Science, Scopus, Google Analytics). Он открыл новые материалы - Максены, которые, возможно, изменят мир. Юрий работал в Германии, Японии, Норвегии и, наконец, остановился в США, в Университете Дрекселя. Публикуем перевод интервью профессора Юрия Гогоци Журналу "Куншт" о его разработках, поисках вдохновения, финансирования и контактов в научном мире.

 
Масштабируемая система c реактором травления для производства перспективных 2D наноматериалов максенов MXenes

alt

Недавно группа исследователей опубликовала статью в журнале Advanced Engineering Materials о том, что лабораторная система с реактором травления, разработанная в Materials Research Centre в Киеве совместно с Университетом дрекселя, может превращать керамический материал-исходник в порошкообразный черный двумерный карбид титана MXene партиями в количестве до 50 граммов за синтез.

 
Участник проекта CANBIOSE из Центра материаловедения (MRC), Киев, Украина, посетил партнерскую организацию Вильнюсский университет, Вильнюс, Литва, 22.02-14.03.2020 г

altУчастник проекта CANBIOSE из Центра материаловедения (MRC), выполнил визит в партнерскую организацию Вильнюсский университет, для выполнения программы совместных исследований и тренингов.

 
Наука будущего и использование разумных наноматериалов в новых технологиях. Лекция профессора Юрия Гогоци для школьников, воспитанников Малой академии наук Украины в КПИ им. Сикорского, 27 февраля 2020 года

altВсемирно известный ученый-украинец профессор Юрий Георгиевич Гогоци рассказал о последних новинках нанотехнологий. Возможность для общения с ученым мирового уровня - редкость, но воспитанникам Малой Академии Наук Украины (МАН) везет. Именно такую ​​возможность они недавно получили.

 
Участник проекта H2020 NANO2DAY от MRC Иван Гришко посетил партнерскую организацию Латвийского Университета, Риги, в ноябре-декабре 2019 года

altИнженер-исследователь из MRC Иван Гришко находится в Латвийском университете, где провел семинар по MXenes

 
Участники проекта Horizon 2020 CANBIOSE из Центра материаловедения (MRC), Киев, Украина, посетили партнеров по проекту из Университета им. Адама Мицкевича в Познани, Польша, 27.10-26.11.2019019

altСовместно с польскими коллегами они  получали навыки работы с оборудованием, участвовали в работе по тестированию и характеризации наноматериалов.

 
Участники проекта Horizon 2020 NANO2DAY из Центра материаловедения (MRC), Киев, Украина, Зозуля Юлия и Виталий Балицкий посетили партнерскую организацию Каунасский технологический университет, Каунас, Литва, август 2019 г. - октябрь 2019 г.

altСовместно с коллегами из КТУ они занимались симуляциями и моделированием механических свойств наноматериалов и нанокомпозитов.

 
Поздравляем профессора Юрия Гогоци с избранием в члены Европейской академии наук (EURASC)!

профессор Юрий Гогоци, Университет Дрекселя, СШАВ январе 2019 года профессор Юрий Гогоци был избран членом Европейской академии наук (EURASC). Профессор Юрий Гогоци - ведущий украинский и американский ученый в области химии, с 2000 года профессор Университета Дрекселя, Филадельфия, США, в области материаловедения, инженерии и нанотехнологий.

 
Участники проекта Horizon 2020 NANO2DAY из Центра материаловедения (MRC), Киев, Украина, посетили партнерскую организацию Белорусский государственный университет, Минск, Беларусь, май 2019 года.

altMRC посетил партнерскую организацию Белорусский государственный университет. Вместе с нашими партнерами из БГУ был обсужден и изучен опыт в области диспергирования CNT и графена в полимерах. Проводились сравнения разных смол  и отвердителя для изготовления полимерной матрицы.

 
Визит по проекту NANO2DAY доктора Виталися Лейсиса из Каунасского технологического университета в Центр Материаловедения, Киев, Украина, в ноябре-декабре 2018 г.

altУченый исследователь Виталис Лейсис из Каунасского университета, Каунас, Литва, посетил Materials Research Centre, Киев, Украина,  в ноябре-декабре 2018 года для выполнения работ по проекту MSCA RISE NANO2DAY в рамках международной европейской научно-исследовательской программы Горизонт-2020.

Целью этого проекта является разработка новых многофункциональных композитов с выдающимися электронными и механическими свойствами путем включения новых наноматериалов MXene в полимерные матрицы. Во время своего визита доктор Виталис Лейсис ознакомился с разработками партнера проекта MRC, также обсуждались и прорабатывались компьютерные симуляции и моделирование структуры полимерных композитов допированных максенами (MXenes) для дальнейшего расчета их прочностных свойств.

 
ADVANCED SCIENCE NEWS: Профессор Юрий Гогоци считает, что величайшим последним шагом в области материаловедения стало открытие новых 2D материалов, так называемых «строительных блоков будущего».

yurigogotsi_drexel_university_2018.jpg - 466.16 Kb

Юрий Гогоци прирожденный  химик, его волнуют научные открытия и он даже не представляет, что мог бы заниматься чем- то иным.

Профессор Юрий Гогоци считает, что величайшим последним шагом в области материаловедения стало открытие новых 2D материалов, так называемых «строительных блоков будущего». Он с большим энтузиазмом относится к использованию нанотехнологий для создания «новых искусственных материалов, конструкций и устройств из наноразмерных строительных блоков» и к более широкому применению «симуляций, моделирования и компьютерных расчетов для решения проблем материаловедения», хотя и признает обеспокоенность по поводу неизвестных эффектов, которые искусственный интеллект окажет на нашу будущую жизнь. 

 
Участники проекта NANO2DAY из Materials Research Centre (MRC), Киев, Украина, в рамках международного научного сотрудничества по программе Горизонт 2020 посетили партнерскую организацию Университет Дрекселя, Филадельфия, США, сентябрь-октябрь 2018 г.

alt

Участники проекта от MRC работают в тесном сотрудничестве с исследователями из Университета Дрекселя, перенимают опыт в синтезе двумерных наноматериалов максенов (MXene), знакомятся и изучают последние разработки коллег из группы Института Наноматериалов Университета Дрекселя под руководством профессора Юрия Гогоци по синтезу максенов, их обработке и применениям для разных назначений. Участниками  от MRC совместно с  исследователями из Дрекселя в химической лаборатории Университета Дрекселя были синтезированы максены  для нужд проекта NANO2DAY. 

 
Директор Materials Research Centre Алексей Гогоци во время рабочей поездки в Университет Дрекселя по по проекту NANO2DAY выступил на семинаре с презентацией компании Materials Research Centre

altДиректор Materials Research Centre (Киев, Украина) Алексей Гогоци  во время рабочей поездки по по проекту  европейской программы HORIZON 2020 MSCA RISE Project №777810 NANO2DAY в Университет Дрекселя выступил на семинаре с презентацией компании Materials Research Centre, ее деятельности и участии в международных научно-исследовательских проектах, и в частности проекта NANO2DAY.

 
Директор Materials Research Centre, Киев, Украина, встретился с профессором Zdenek Sofer из University of Chemistry and Technology, Прага, Чехия, и посетил его семинар по 2d наноматериалам, Университет Дрекселя, США, 18 октября 2018 г.

altВо время рабочей поездки в Университет Дрекселя по международномунаучно-исследовательскому проекту NANO2DAY в рамках европейской научной программы HORIZONT 2020 директор Materials Research Centre, Киев, Украина, встретился с профессором Zdenek Sofer  из Высшей школы химической технологии,  Прага, Чехия, и посетил его семинар по наноматериалам. Професоор Zdenek Sofer выступил с интересным докладом посвященным разным двумерным материалам помимо графена. 

 

 
Визит по проекту NANO2DAY ученого-исследователя Максима Плахотнюка из Датского Технического Университета в Центр Материаловедения, Киев, Украина, в сентябре-ноябре 2018 г.

NANO2DAY project Maksym Plakhotnyuk, DTU visited MRC, November 2018Ученый-исследователь Максим Плахотнюк из исследовательской группы Technical University of Denmark (DTU), возглавляемой проф. Леоном Мишнаевским (prof. Leon Mishnaevsky, Technical University of Denmark), посетил Materials Research Centre, Киев, Украина, на протяжении сентября-ноября 2018 года по программе Горизонт-2020 в рамках проекта MSCA RISE NANO2DAY.

 
Поздравляем профессора Юрия Гогоци с вручением Ордена Дружбы от Китайского правительства, 29 сентября 2018

altНаграду профессору Юрию Гогоци вручал Вице-премьер министр Китая Лю Хе. Орден Дружбы - высшая государственная награда Китайской Народной Республики для иностранных граждан. Орден Дружбы - самая высокая награда Китая для иностранных экспертов, которые внесли выдающийся вклад в экономическое и социальное развитие страны.

 
15-я Ежегодная встреча Ялтинской Европейской Стратегии (YES) «Будущее поколение всего» состоялась в Киеве 13-15 сентября 2018

alt15-я Ежегодная встреча Ялтинской Европейской Стратегии (YES) «Будущее поколение всего» состоялась в Киеве 13-15 сентября 2018. В этой конференции, организованной международным форумом YES приняли участие ведущие политики, дипломаты, бизнесмены, общественные деятели и эксперты из 28 стран.

 
Поздравляем профессора Юрия Гогоци, который по версии Clarivate Analytics стал одним из самых влиятельных ученых в области физики в 2018 году!

Professor Yury GogotsiУченый украинского происхождения Юрий Гогоци, заслуженный профессор Университета Дрекселя, (Филадельфия, США) был назван известным рейтинговым агенством Clarivate Analytics одним из самых влиятельных ученых мирового класса по количеству цитирований его публикаций.

 
NAP 2018: Восьмая Международная конференция "Наноматериалы: применение и свойства", Затока, Украина, 9-14 сентября 2018,

2018 IEEE International Conference on “Nanomaterials Applications & Properties”

С 9 по 14 сентября на берегу Черного моря в пгт Затока (Одесская область) прошла уже традиционная 8-я Международная конференция «Наноматериалы: применение и свойства» (2018 IEEE International Conference on Nanomaterials: Applications & Properties)