Запущенный в 1965 году в США ядерный реактор HFIR (The High Flux Isotope Reactor) в Окриджской национальной лаборатории используется не только для производства изотопов, востребованных в медицине и промышленности, но также для проведения массы научных экспериментов. В частности, наблюдая за рассеянием нейтронов, испускаемых HFIR, учёные изучают новые пористые структуры суперконденсаторов, чтобы в будущем создать мощные аккумуляторы.
Процессы в пористых структурах MOF в представлении художника. Источник изображения: ORNL/Jill Hemman
Исторически суперконденсаторы занимают промежуточное положение между конденсаторами и аккумуляторами. Поиск новых пористых материалов для электродов суперконденсаторов (в советской и российской литературе — ионисторов) обещает приблизить суперконденсаторы к аккумуляторам. При этом суперконденсаторы могут отдавать большую мощность за более короткое время и иметь очень и очень большой ресурс. Необходимо только найти такие материалы, для чего учёным необходимы точные знания механизмов накопления заряда в суперконденсаторах.
Поскольку лучше один раз увидеть, чем раз за разом строить догадки о происходящих в обкладках суперконденсаторов процессах, группа учёных из Массачусетского технологического института воспользовалась реактором HFIR как источником нейтронов. Нейтроны не имеют заряда и глубоко проникают в пористый материал, где взаимодействуют с ионами и рисуют всю картину происходящих химических процессов в суперконденсаторе.
В конкретном опыте учёные из MIT изучали химические процессы в новой металл-органической каркасной структуре (MOF), которую они предложили для электродов перспективного суперконденсатора. Чрезвычайно пористая структура MOF позволяет накапливать мощный заряд (много ионов), что делает MOF-материалы перспективными для создания мощных тяговых аккумуляторов для электромобилей.
Перезагрузка топлива в реакторе HFIR. Источник изображения: ORNL
В качестве электролита для эксперимента был создан раствор на основе трифлата натрия. Облучение MOF с пропиткой электролитом потоком нейтронов из реактора HFIR показало интересную картину. До подачи питания на электроды молекулы растворителя из электролита свободно проникают в поры MOF, тогда как ионы натрия в электролите образуют тонкий слой на каркасе MOF (см. первое изображение). Приложение к электродам напряжения заставляло ионы проникать в поры каркасного материала, а от полярности зависело то, какие именно ионы проникают в поры: ионы натрия или ионы трифлата.
Эксперимент не только прояснил механизмы химических и физических процессов в суперконденсаторе, но также подтвердил высокие характеристики нового MOF-материала как перспективного для будущих суперконденсаторов: это хорошая электропроводность, потеря только 10 % ёмкости после 10 тыс. циклов заряда/разряда, а также низкое внутреннее сопротивление, что намекает на хорошую долговечность для будущих коммерческих применений.
Подпишись: