Разработка нового подхода к исследованию пористых материалов для электролитических конденсаторов и суперконденсаторов, основанного на использовании спектроскопии электрохимического импеданса

Электролитические конденсаторы и суперконденсаторы широко используются в качестве устройств накопления и преобразования энергии. Поскольку энергия накапливается на межфазных границах, для повышения емкостных характеристик часто используют пористые материалы с высокой удельной поверхностью, предъявляют высокие требования к стабильности межфазных границ. Дальнейшее усовершенствование технологии таких устройств требует новых подходов к исследованию как геометрических параметров пористой структуры, так и состоянию межфазных границ и процессов внутри пористого тела. Для решения этих задач наиболее перспективно использование электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС), основанной на изучении в широком диапазоне частот отклика электрохимической системы на синусоидальное возбуждение малой амплитуды. ЭИС позволяет разделить суммарный процесс на стадии, которые проявляют себя на разных участках частотного диапазонах из-за различий характерных времен их релаксации. В настоящее время идут активные ЭИС исследования различных пористых материалов для конденсаторов, разрабатываются новые подходы к анализу полученных результатов для получения максимальной информации о процессах внутри пористого тела. В проекте предлагается усовершенствовать имеющиеся и разработать новые подходы к проведению исследований и анализу результатов методом ЭИС для ряда важных с практической точки зрения материалов электролитических конденсаторов и суперконденсаторов (спеченные порошки тантала, различныe пористые углеродные материалы). Планируется проведение работ по трем основным направлениям. Во-первых, будут предложены новые подходы к анализу релаксации пористой структуры для определения ее геометрических параметров (характерных размеров пор и распределения пор по размерам) и закономерностей потери энергии в ней, связанной с перераспределением заряда между порами разного размера. Полученные результаты будут анализироваться вместе с данными по пористости, полученными методами, основанными на адсорбции/десорбции газов. Во-вторых, планируется провести Мотт-Шоттки анализ состояния межфазных границ, что позволит определить тип и концентрацию носителей заряда. Проведение такого анализа при различных частотах переменного тока может дать информацию о состояния межфазных границ в порах разного размера, поскольку времена релаксации зависят от размера пор. Третьим направлением будет изучение закономерностей заполнения и смачивания электролитами различной вязкости порового пространства с разным характерным размером и распределением пор. Это важно, например, для процессов формирования фазы диоксида марганца или поли(3,4-этилендиокситиофен) полистирлолсульфаната из жидкой фазы в танталовых конденсаторах. По мере заполнения пор электролитом будет возрастать емкость, что легко отслеживается по временным зависимостям импеданса образца после погружения в электролит, при этом частотная зависимость позволит оценить скорость заполнения пор разного размера. Второе и третье направление предлагаемых в проекте исследований являются принципиально новыми для пористых материалов электролитических конденсаторов и суперконденсаторов. Предлагаемый проект полностью соответствует задачам региональной промышленности, одной из которых является разработка, совершенствование и производство электролитических конденсаторов, в том числе танталовых конденсаторов и суперконденсаторов (АО Элеконд). Выполнение проекта будет способствовать развитию науки и технологии как в Удмуртской Республике, так и в РФ.