Ученые смоделировали работу суперконденсатора на уровне отдельных молекул и ионов
Ученые НИУ ВШЭ с помощью моделирования на суперкомпьютере изучили, что происходит с ионами и молекулами растворителя с водой внутри нанопор суперконденсатора. Результаты показали, что даже очень малое количество воды меняет распределение заряда внутри нанопор и влияет на то, сколько энергии может накопить устройство. Такой подход позволяет предсказывать поведение суперконденсаторов при разных составах электролита и условиях влажности. Исследование опубликовано в журнале Electrochimica Acta. Работа выполнена в рамках гранта РНФ.
Суперконденсаторы — компактные устройства, которые быстро накапливают и отдают электрическую энергию. Их применяют в электронике, гибридных автомобилях, системах рекуперации энергии, солнечных и ветровых электростанциях. В отличие от аккумуляторов, которые могут заряжаться от десятков минут до нескольких часов и выдерживают примерно 500–1000 циклов, суперконденсаторы заряжаются за секунды и могут выдержать сотни тысяч циклов без заметной потери емкости — количества энергии, которое устройство способно накопить и отдать. Проблема суперконденсаторов в том, что при всей их скорости они хранят меньше энергии, чем аккумулятор такого же размера. Поэтому исследователи продолжают изучать характеристики суперконденсаторов, чтобы увеличить их электрическую емкость.
Ранее команда НИУ ВШЭ уже изучила, как ионы и молекулы электролита ведут себя в углеродных нанопорах, и создала модель двойного электрического слоя. В новой работе ученые НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН впервые смоделировали поведение электролита на уровне отдельных ионов и молекул с помощью суперкомпьютера НИУ ВШЭ. Они исследовали смесь ионной жидкости, органического растворителя и следов воды в углеродных порах шириной 0,7–1,9 нанометра. На основе полученных траекторий движения молекул и ионов исследователи рассчитали дифференциальную электрическую емкость, сравнив результаты с экспериментальными данными.
Юрий Будков
«Моделирование позволило увидеть, как ионы и молекулы растворителя распределяются в порах, формируют послойные структуры и как эти слои меняются при изменении заряда электрода, — поясняет профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков. — Мы впервые получили дифференциальную емкость суперконденсатора напрямую из полноатомной молекулярной динамики, а не из упрощенных теоретических моделей. Такой подход помогает точнее предсказывать работу суперконденсаторов без сложных и дорогих экспериментов».
Результаты моделирования показали, что даже следовые примеси воды заметно меняют поведение электролита в нанопорах. При слабом отрицательном заряде электрода вода нарушала упорядочение ионов и этим уменьшала дифференциальную емкость. А при сильном положительном заряде вода, напротив, помогала увеличить емкость: ее молекулы выстраивались в электрическом поле и частично компенсировали действие заряда электрода на ионы, меняя их распределение в нанопорах.
Ученые также выяснили, что изменения емкости с изменением толщины поры напрямую связаны с колебаниями расклинивающего давления — избыточного давления в тонкой пленке жидкости внутри нанопор. Впервые удалось показать, что эти колебания совпадают с изменениями емкости устройства и отражают то, как внутренние слои электролита смещаются и уплотняются при зарядке электрода. Такой анализ помогает объяснить, почему в реальных суперконденсаторах изменение влажности или состава электролита может приводить к росту или падению эффективности устройства.
Дарья Гурина
«Даже небольшие примеси воды перестраивают внутреннюю структуру электролита в поре и влияют на накопление заряда. Понимание таких тонких эффектов важно для разработки новых электролитов и материалов электродов», — отмечает научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ Дарья Гурина.
Исследователи считают, что такие модели позволят точнее прогнозировать работу суперконденсаторов и помогут разрабатывать более эффективные и долговечные устройства для транспорта, электроники и систем хранения энергии.
Вам также может быть интересно:
НИУ ВШЭ начал разработку отечественных технологий связи 6G на базе субтерагерцовой микрорадиоэлектроники
В Высшей школе экономики стартовали масштабные научно-инженерные работы по созданию отечественных технологий для перспективных систем связи шестого поколения (6G). Работы ведутся командой стратегического технологического проекта «Комплекс технологий доверенных систем связи 6G», реализуемого в рамках программы «Приоритет-2030».
НИУ ВШЭ и компании-партнеры скоординировали подходы к подготовке специалистов топ-уровня в сфере ИИ
В НИУ ВШЭ прошла встреча с представителями Сбера, Яндекса и VK для согласования подходов к подготовке специалистов топ-уровня в сфере искусственного интеллекта. В частности, договорились о регулярном обновлении образовательных программ с учетом новейших решений и разработок компаний-партнеров. Участники встречи обсудили текущий статус проекта, содержание образовательных программ и механизмы взаимодействия для обеспечения достижения показателей эффективности созданного в университете Центра организации обучения студентов для топ-специалистов в сфере искусственного интеллекта НИУ ВШЭ.
В Высшей школе экономики открылась межфакультетская Музейная лаборатория
Вышка запустила межфакультетскую Музейную лабораторию, которая станет устойчивым центром экспертной поддержки в сфере музейного дела. Ее миссия связана с изменением современных моделей восприятия культуры и трансформацией институциональной среды. Лаборатория специализируется на модернизации музейных практик и повышении престижа музеев, формируя пространство для профессионального диалога и внедрения инноваций.
Физики предложили новый механизм усиления сверхпроводимости с помощью «квантового клея»
Команда исследователей с участием сотрудников МИЭМ ВШЭ показала, что дефекты в материале могут не снижать, а, наоборот, усиливать сверхпроводимость. Это возможно благодаря взаимодействию дефектных и более чистых областей, которое образует «квантовый клей» — однородную компоненту, связывающую разрозненные сверхпроводящие участки в единую сеть. Расчеты подтвердили, что такой механизм может помочь в создании сверхпроводников, работающих при более высоких температурах. Исследование опубликовано в журнале Communications Physics.
Большие группы студентов эффективнее используют ИИ в обучении
Исследователи Института образования и факультета экономических наук НИУ ВШЭ узнали, от каких факторов зависит качество групповой работы студентов, когда они выполняют ее в сотрудничестве с ИИ. Оказалось, что, помимо уровня знаний команды, важен размер группы: чем она больше, тем эффективнее работа. Статья ученых опубликована в журнале Innovations in Education and Teaching International.
Завершила работу Первая Кавказская школа по экспериментальным исследованиям и когнитивным наукам
С 17 по 21 сентября на базе «Горная легенда» Адыгейского государственного университета прошла Первая Кавказская школа по экспериментальным исследованиям и когнитивным наукам. Организаторами мероприятия выступили Лаборатория экспериментальной лингвистики АГУ, Центр языка и мозга и Центр социокультурных и этноязыковых исследований НИУ ВШЭ. Школа собрала более 50 участников — студентов, аспирантов и молодых исследователей из разных регионов России, а также слушателей и спикеров из Франции, Сербии, Китая, Турции, Казахстана и Узбекистана.
Data Day в Ингушетии: Вышка помогает открыть мир больших данных для нового поколения
Благодаря инициативе студентов и выпускников Высшей школы экономики в столице Ингушетии Магасе прошел Data Day. Масштабный интенсив был организован Вайнахским клубом НИУ ВШЭ и Академией цифрового развития (образовательный проект, реализуемый при поддержке Правительства Республики Ингушетия). Событие объединило студентов и молодых специалистов, желающих построить карьеру в одной из самых востребованных сфер — анализе и обработке данных.
Ученые выяснили, что мозг реагирует на чужие действия, как на свои
Когда мы наблюдаем, как кто-то двигает пальцем, наш мозг не остается в стороне. Работа ученых из НИУ ВШЭ и Лозаннского университетского госпиталя показала, что наблюдение за движением активирует моторную кору так, словно мы сами совершаем это действие, и при этом заглушает ненужные мышцы. Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.
«Будущее не предопределено — мы формируем его решениями сегодня»
Стратегический технологический проект «Национальный центр социально-экономического и научно-технологического прогнозирования» ВШЭ охватывает горизонты от 10 до 30 лет и включает работу над новыми методиками сценарного анализа. Он объединяет исследователей разных направлений и помогает выстраивать целостное видение будущего. Цель проекта — не только построить прогнозы, но и выработать практические рекомендации для государства и бизнеса. О том, зачем учиться ставить правильные вопросы о будущем, рассказала декан факультета мировой экономики и мировой политики ВШЭ Анастасия Лихачёва.
Новый способ описания графена упростит анализ наноматериалов
Международная команда с участием НИУ ВШЭ предложила новый математический способ анализа структуры графена. Ученые показали, что характеристики решетки графена можно связать с моделью трехшагового случайного блуждания частицы. Такой подход позволяет описывать графеновую решетку быстрее и без громоздких вычислений. Исследование опубликовано в журнале Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical.