Учёные из Сколтеха, МФТИ и Института нанотехнологий микроэлектроники РАН в пять раз повысили удельную ёмкость, ключевую характеристику углеродного материала, используемого в электродах суперконденсаторов. Так называются вспомогательные энергонакопители, которые применяются в тандеме с обычными аккумуляторами в электромобилях, поездах, портовых кранах и др.
Улучшить свойства углеродных наностенок удалось путём облучения этого материала оптимальной дозой ионов аргона. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports и поддержано Российским научным фондом (№ 22-73-10198).
Окрашенный снимок углеродных наностенок, полученный на сканирующем электронном микроскопе. Источник: Станислав Евлашин
В отличие от традиционных аккумуляторов, например литий-ионных, суперконденсаторы могут заряжаться или отдавать энергию почти мгновенно. Поэтому они отлично дополняют электрохимические накопители в момент пикового расхода энергии: при всплеске потребления в энергосети, подъёме груза, начале движения электротранспорта. А при торможении оборудованный суперконденсаторами электропоезд может возвращать часть энергии.
Кроме того, суперконденсаторы работают в более широком диапазоне температур, меньше подвержены износу, способны повысить скорость зарядки и продлить срок службы литий-ионного аккумулятора, менее пожароопасны и сравнительно легко утилизируются.
«Чем больше энергии смогут запасать суперконденсаторы, тем активнее они будут внедряться. Мы исследуем возможности улучшить их характеристики за счёт обработки углеродного материала электродов, — рассказывает руководитель исследования, старший преподаватель Центра технологий материалов Сколтеха Станислав Евлашин. — Ранее в этом году мы уже показали, как добиться повышения ёмкости за счёт внедрения в углеродные наностенки атомов других элементов. А в этот раз мы добились ещё большего прироста ёмкости, облучив тот же углеродный материал аргоном из ионного ускорителя. Подобранная доза излучения оптимальна, потому что вызывает максимум полезных дефектов, но всё ещё не разрушает структуру материала».
Дефекты в углеродных наностенках при оптимальном (верхний ряд) и слишком интенсивном (нижний ряд) воздействии ионами. Источник: Юлия Бондарева и др./Scientific Reports
Углеродные наностенки можно себе представить как вертикально ориентированные графеновые слои общей толщиной до 10–15 слоёв.
Углеродные наностенки. Источник: Skoltech PR
Такая разветвлённая структура материала характеризуется большой удельной поверхностью, что повышает удельную ёмкость изготовленных из него источников тока. Для дополнительного увеличения характеристик была выполнена процедура ионной имплантации ионами аргона, которая привела к созданию дополнительных дефектов в структуре материала. Наличие таких дефектов и пассивация их на воздухе другими функциональными группами привела к улучшению электрохимических характеристик углеродных наностенок.
Никита Орехов, заместитель заведующего лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ, прокомментировал результаты:
«С помощью атомистического моделирования на суперкомпьютере мы установили, какие именно структурные изменения происходят в углеродных наностенках при различных дозах ионного облучения. Выяснилось, что при оптимальных дозах, порядка 10¹⁴ ионов/см², в материале формируются особые дефекты — наноразмерные полости.
Во время работы конденсатора молекулы электролита, размеры которых сопоставимы с нанометром, способны встраиваться в эти полости. В результате получается материал, характеризующийся не только разветвлённой поверхностью, но и её специфическим наноструктурированием, которое дополнительно повышает ёмкость».
По словам авторов исследования, технология ионной имплантации уже хорошо отработана и активно применяется в микроэлектронике для активации кремния, а теперь может быть использована и для создания перспективных источников тока. Ионной обработкой можно активировать даже очень качественный исходный углеродный материал. Что немаловажно, благодаря глубокому проникновению ионов, подобная обработка позволяет активировать (улучшать) углеродный материал в объёме, а не в тонком слое на поверхности.
«Дефекты вносить легче, чем встраивать в структуру наностенок гетероатомы, как мы это делали ранее, поэтому можно сразу получить целое ведро такого „активированного угля“, а не тонкий слой», — добавил Евлашин.
Научная статья: Bondareva, J.V., Smirnov, S.A., Potapov, D.O. et al.; High-energy argon implantation in carbon nanowalls as a way to produce electrodes for supercapacitor applications; Scientific Reports vol. 15, 20959 (2025); DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-03770-6
