Команда исследователей из Сколтеха, МФТИ и Института нанотехнологий микроэлектроники РАН обработала углеродный материал для электродов ионами аргона. Удельная емкость материала, известного как углеродные наностенки, увеличилась в пять раз после оптимальной дозы облучения на ускорителе. Эта работа, поддержанная Российским научным фондом, направлена на совершенствование суперконденсаторов — устройств, способных почти мгновенно отдавать и принимать большие мощности. Такие накопители важны для современных технологий: они работают в тандеме с обычными аккумуляторами в электромобилях, электропоездах и портовой технике, компенсируя пиковые нагрузки при разгоне или подъеме грузов и рекуперируя энергию при торможении. Суперконденсаторы отличаются долговечностью, широким температурным диапазоном, повышенной безопасностью и легкостью утилизации.
Руководитель исследования Станислав Евлашин из Сколтеха пояснил, что целью ученых было повышение энергоемкости суперконденсаторов через модификацию материала электродов. Если в предыдущей работе улучшения достигались за счет внедрения атомов других элементов, то новый метод ионной имплантации оказался еще эффективнее. Подобранная доза излучения создает в материале максимум полезных дефектов, не разрушая его структуру. Углеродные наностенки, напоминающие вертикально ориентированные графеновые слои, обладают огромной удельной поверхностью.
Ионная бомбардировка создает в этой структуре наноразмерные полости, как показало компьютерное моделирование, проведенное в МФТИ. Заместитель заведующего лабораторией Никита Орехов объяснил, что молекулы электролита, сопоставимые по размеру с этими полостями, могут в них встраиваться в процессе работы. Это приводит к специфическому наноструктурированию поверхности, которое и дает дополнительный прирост емкости.
Технология ионной имплантации, хорошо зарекомендовавшая себя в микроэлектронике для активации кремния, теперь открывает новые горизонты в создании источников тока. Ее ключевое преимущество — возможность объемной, а не поверхностной активации материала. Ионы глубоко проникают в структуру, улучшая свойства всего объема углеродных наностенок. Как отметил Евлашин, данный метод проще, чем предыдущие, и позволяет получать значительные количества усовершенствованного материала, что крайне важно для потенциального промышленного внедрения. Это достижение приближает эпоху более эффективных, компактных и мощных систем накопления энергии, необходимых для развития чистого транспорта и стабильности энергосетей.
Ранее на V Конгрессе молодых ученых обсудили будущее двумерных материалов.
