Разработан новый электродный материал для суперконденсаторов
Сотрудники Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН совместно с коллегами из Московского физико-технического института разработали новый электродный материал для суперконденсаторов. Его основу составляют медные нанопроволоки с никелевой оболочкой, которая защищает их от разрушения при многократных циклах зарядки и разрядки.
Разработка открывает новые возможности для создания компактных, долговечных и высокоэффективных устройств накопления энергии для портативной электроники. Результаты опубликованы в Journal of Energy Storage.
Рост рынка портативной электроники требует создания компактных и долговечных систем накопления энергии. Одним из перспективных решений являются суперконденсаторы: они быстро накапливают и отдают энергию, развивают высокую мощность и выдерживают сотни тысяч рабочих циклов. Их эффективность во многом зависит от структуры электродов и скорости перемещения электронов и ионов электролита
Медные нанопроволоки хорошо проводят электрический ток и значительно доступнее наноструктур из золота и серебра. Однако медь быстро окисляется и разрушается в щелочных электролитах, из-за чего электрод постепенно теряет ёмкость.
Микроструктура и карты распределения элементов по поверхности сформированных одномерных наноструктур (CuNWs — слева; CuNWs@Ni — справа), демонстрирующие равномерное нанесение сплошной никелевой оболочки на поверхность медных нанопроволок
Чтобы решить эту проблему, авторы работы синтезировали медные нанопроволоки, длина которых более чем в тысячу раз превышала их диаметр. Затем на поверхность проволок наносили слой металлического никеля толщиной около 6 нм.
«Медное ядро обеспечивает быстрый перенос электронов, а никелевая оболочка служит барьером, предотвращающим окисление и растворение меди в щелочном электролите. Кроме того, никель повышает ёмкость электродов благодаря собственной электрохимической активности. Без такой защиты медные нанопроволоки превращаются в отдельные частицы оксида меди, и проводящая сеть разрушается. Никелевый „щит“ позволяет сохранять структуру электродов в течение тысяч рабочих циклов», — рассказала старший научный сотрудник лаборатории физикохимии керамических материалов ИОНХ РАН кандидат химических наук Татьяна Симоненко.
Микроструктура (слева) композитных сетеподобных электродов на основе медных (CuNWs) и покрытых никелевой оболочкой (CuNWs@Ni) нанопроволок после электрохимических измерений в водном растворе гидроксида калия разной концентрации, подтверждающая сохранение микроструктурной стабильности трёхмерной проводящей сетки CuNWs@Ni по сравнению с незащищёнными электродами на основе CuNWs. Кривые гальваностатического заряда-разряда (справа) электродов на основе нанопроволок разного состава, демонстрирующие преимущества структур типа «ядро-оболочка»
На основе разработанного материала исследователи изготовили прототип асимметричного суперконденсатора с рабочим напряжением 1,5 В. Максимальная поверхностная плотность энергии устройства составила 35,9 мкВт·ч/см2. После 10 тысяч циклов зарядки и разрядки суперконденсатор сохранил около 84 % первоначальной ёмкости.
В дальнейшем авторы планируют повысить характеристики материала за счёт дальнейшей оптимизации его микроструктуры и состава электродов.
Исследование поддержано Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (FSMG-2025-0056).
Источник: пресс-служба Минобрнауки России.
