Китайский прорыв повышает напряжение и стабильность суперконденсаторов на водной основе

Суперконденсаторы накапливают энергию иначе, чем обычные батареи. Вместо того чтобы использовать химические реакции, они полагаются на разделение ионов. Это позволяет им заряжаться и разряжаться гораздо быстрее. Они уже используются в таких технологиях, как рекуперативное торможение и стабилизация сети. Но до сих пор они сталкивались с серьезными ограничениями.

В большинстве суперконденсаторов используются электролиты на водной основе. Они безопаснее и дешевле органических альтернатив, но разрушаются при низком напряжении, обычно менее 1 вольта. Кроме того, они плохо переносят экстремальные температуры: замерзают при температуре ниже 0°C и закипают при 100°C. Эти недостатки ограничивают их применение в электромобилях и других сложных условиях.

Китайская исследовательская группа решила эту проблему с помощью новой смеси электролитов. Их формула сочетает в себе воду, ионную жидкость под названием EMIMNTf₂ и трифторметансульфонат калия (KOTf). Обычно вода и ионные жидкости не смешиваются, но соль калия помогает реструктурировать водородные связи воды, позволяя жидкостям соединиться.

Это изменение предотвращает разрушение воды, позволяя суперконденсатору работать при напряжении 3,37 вольта, что почти в три раза больше обычного напряжения. Кроме того, он остается стабильным при температуре от 0 до 100°C, что делает его гораздо более полезным в реальных условиях.

Прототип также оказался долговечным: он сохранил 81,8% своей емкости после 10 000 циклов заряда-разряда при температуре 60°C. Для сравнения, коммерческие суперконденсаторы могут потерять до 30% своей емкости всего после 5 000 циклов.

Еще одним положительным моментом стала плотность энергии. Хотя она все еще не достигла уровня литий-ионных батарей, новое устройство приблизилось к ней; оно также сохранило преимущества быстрого заряда-разряда, которые делают суперконденсаторы уникальными.

Однако проблемы остаются. Новый электролит все еще находится на стадии лабораторных исследований. Масштабирование промышленного производства потребует новых методов, а существующие системы EV потребуют серьезной перестройки для работы с более высоким напряжением.

Эксперты говорят, что прорыв многообещающий, но указывают на необходимость экономически эффективного производства, прежде чем он сможет конкурировать с существующими технологиями батарей. Если эти препятствия будут преодолены, новая система сможет снизить зависимость от лития, предложив более экологичный и быстрый вариант зарядки.

Исследование является частью более широкой программы Китая по внедрению инноваций в области хранения энергии. С 2015 года страна подала более 75% глобальных патентов, связанных с суперконденсаторами. Это последнее достижение поддерживает глобальные усилия по улучшению системы хранения энергии и электрификации транспорта с помощью более чистых и эффективных технологий.

Хотя в ближайшее время литий-ионные батареи не заменят литий-ионные, эта гибридная система может проложить путь к новым комбинациям, сочетающим сильные стороны обоих типов батарей.