Моделирование суперконденсаторов: прорыв от НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН

15-08-2025: UEFIMA.RU:  Российские исследователи из НИУ ВШЭ, в сотрудничестве с Институтом химии растворов РАН, совершили значительный прорыв в области моделирования суперконденсаторов.

Разработан инновационный подход, позволяющий с беспрецедентной точностью предсказывать поведение этих устройств при различных условиях эксплуатации.

Ключевым элементом стала разработка и адаптация полноатомной молекулярной динамической модели, реализованной на мощностях суперкомпьютера НИУ ВШЭ.

Модель позволяет симулировать поведение отдельных ионов и молекул электролита внутри нанопор суперконденсатора – микроскопических каналов, играющих критическую роль в накоплении и высвобождении энергии.

Достижение российских ученых принципиально отличается от существующих упрощенных теоретических моделей.

Вместо абстрактных представлений о поведении электролита, новая модель обеспечивает детальное, атомарно-точное описание процесса.

Это означает, что симуляция учитывает взаимодействие каждого атома и молекулы, что позволяет с высокой точностью отобразить сложные физико-химические процессы, происходящие внутри нанопор.

Например, модель точно воспроизводит формирование послойных структур, так называемого двойного электрического слоя, на границе между электродом и электролитом.

Распределение ионов и молекул растворителя в этих слоях, их динамика и взаимное влияние — все это учитывается с поразительной детализацией.

Более того, ученые впервые смогли напрямую рассчитать дифференциальную емкость суперконденсатора, используя данные полноатомной молекулярной динамики.

Ранее для таких расчетов применялись упрощенные модели, которые, хотя и давали приблизительные результаты, не могли обеспечить такую же степень точности и детализации.

Возможность прямого расчета дифференциальной емкости — это важнейший шаг к более точному прогнозированию работы суперконденсаторов.

Применение данной модели открывает новые перспективы в проектировании и оптимизации суперконденсаторов.

Например, симуляции показали, как даже незначительные примеси воды, вплоть до следовых количеств, существенно влияют на поведение электролита внутри нанопор.

Влияние воды оказалось нелинейным и зависит от полярности заряда электрода.

Открытие имеет ключевое значение для разработки более стабильных и предсказуемых суперконденсаторов, работающих в различных условиях окружающей среды.

Благодаря высокой точности модели, ученые получили ценные данные о влиянии изменений влажности и состава электролита на емкость суперконденсатора.

Это позволяет более точно предсказывать их рабочие характеристики и создавать устройства с улучшенными параметрами.

Понимание механизмов, лежащих в основе работы суперконденсаторов, на уровне отдельных ионов и молекул, открывает пути к созданию более эффективных и долговечных устройств для широкого спектра приложений, включая электромобили, портативную электронику и системы хранения энергии.

Важно отметить, что массовое применение суперконденсаторов сейчас сдерживается их относительно невысокой энергоемкостью по сравнению с литий-ионными аккумуляторами при том же размере.

Однако, разработанная модель открывает возможность целенаправленного поиска новых материалов и конструкций суперконденсаторов с увеличенной емкостью.