Высокопроизводительные суперконденсаторы с функциональным интерфейсом для эффективного сочетания электродов на основе MnO2 и редокс-электролитов

Процесс накопления заряда большинства коммерческих суперконденсаторов (СК) основан на механизме образования двойного электрического слоя (ДЭС). Такие устройства обладают высокой удельной мощностью до 20 кВт/кг, но достаточно низкими значениями удельной энергии (5 ~ 8 Вт ч / кг (6 ~ 10 Вт ч/л)), которые существенно ограничивают широкое применение СК. Использование псевдоконденсаторов (или суперконденсаторов с псевдоемкостью), сочетающих в себе образование ДЭС наряду с протеканием фарадеевских процессов на электродах, позволяет минимизировать энергетический разрыв между СК и другими широко используемыми устройствами накопления энергии (перезаряжаемыми батареями, топливными элементами и т. д.). В отличие от традиционных СК, псевдоконденсаторы, в качестве электродных материалов которых, как правило, используют оксиды/гидроксиды переходных металлов, обладают высокими значениями энергии, мощности и длительным сроком службы. Эффективность переноса заряда между электролитом и поверхностью электрода из оксидов/гидроксидов переходных металлов определяет характеристики СК и особенности его функционирования. В настоящее время среди оксидов переходных металлов MnO2 рассматривается как перспективный электродный материал благодаря низкой стоимости и нетоксичности. Установлено, что модификация поверхности MnO2 улучшает не только перенос электронов и ионов, но также позволяет сохранять высокую концентрацию ионов редокс электролита вблизи поверхности электрода, обеспечивая высокие значения псевдоёмкости и низкую скорость саморазряда. Однако механизм взаимодействия между модифицированным MnO2 и редокс электролитом на молекулярном и атомном уровне, а также процессов, отвечающих за псевдоёмкостную составляющую, до сих пор изучен не достаточно хорошо. Таким образом, данный проект направлен разработку путей модификации межфазных границ электрод/электролит, которые позволят усилить связывание MnO2 с ионами редокс-электролита, а также обеспечат формирование активных центров на поверхности электрода, отвечающих за псевдоёмкостные взаимодействия, а также улучшат кинетические показатели переноса заряда в системе электрод/электролит. Для выполнения этого будут разработаны эффективные методы модификации поверхности электродов, способствующие связыванию с электролитом. В ходе выполнения данного проекта будут изучены механизмы взаимодействия, накопления энергии и саморазряда в системе электрод/электролит за счет изучения структуры и свойств поверхности модифицируемых электродных материалов на основе MnO2, в т.ч. при контакте с молекулами окислительно-восстановительного электролита, и в процессе заряда/разряда. На основе полученных результатов будет предложена оптимальная система для синтеза материалов и сборки СК ячеек, обеспечивающая оптимальное сочетание свойств модифицированного MnO2 и редокс-электролита, которая позволит значительно улучшить энергетические характеристики разрабатываемых систем хранения энергии. Одним из результатов проекта будет являться разработка ассиметричных суперконденсаторов, обладающих высокими значениями удельной энергии (>10 Вт ч/кг) и мощности.