Учёные из Казахстана создали накопитель, способный выдержать более 750 тысяч циклов заряда-разряда

Учёные Satbayev University разработали наноматериалы для накопителей энергии и проверили их работу на прототипе гибридного суперконденсатора. В ходе испытаний устройство выдержало более 750 тысяч циклов заряда и разряда, сохранив стабильные характеристики.

Такие результаты могут быть востребованы в системах хранения энергии, электротранспорте и энергетике, использующей возобновляемые источники.

Исследования проводят специалисты лаборатории «Материаловедение и электрохимическая инженерия». Сейчас проект продолжается в рамках программно-целевого финансирования.

Сырьём стали рисовая шелуха и свекловичный жом

Одно из направлений работы — создание углеродных материалов из доступного казахстанского сырья. Для этого исследователи используют рисовую шелуху и свекловичный жом.

У получаемых материалов удельная поверхность достигает 3000 м²/г. Этот параметр имеет принципиальное значение для накопителей: чем больше площадь поверхности, тем больше площадь контакта материала с электролитом и, соответственно, его потенциал для накопления заряда.

Параллельно учёные исследуют электрохимически восстановленный оксид графена и композиты на его основе. Первые эксперименты показали, что разработанные материалы способны обеспечивать более высокую удельную ёмкость, чем традиционный активированный уголь.

Полученные образцы уже перешли от лабораторного исследования к испытаниям в реальных прототипах накопителей.

Суперконденсатор прошёл 750 тысяч циклов

Один из ключевых результатов команда получила при испытании гибридного суперконденсатора формата pouch-cell.

Конструкция использует два разных механизма накопления энергии. Положительный электрод работает за счёт окислительно-восстановительной реакции йодид/йод, тогда как отрицательный электрод накапливает заряд посредством формирования двойного электрического слоя.

Прототип продемонстрировал удельную энергию 51 Вт·ч/кг при мощности 1 кВт/кг. При этом устройство выдержало более 750 тысяч циклов заряда и разряда без потери стабильности работы.

«Полученные результаты открывают возможности для дальнейшего повышения эффективности накопителей энергии. Сейчас для нас важно перейти к более масштабным испытаниям и оценить работу материалов в условиях, приближенных к практическому применению», — отметила руководитель проекта, PhD Жазира Супиева.

Материалы испытывают на разных этапах

Для получения и обработки новых материалов исследователи применяют систему сверхбыстрого джоулевого нагрева. Оборудование позволяет за миллисекунды разогревать материал до температуры от 500 до 3600°C.

Технология используется для получения графена и сплавов, проведения быстрого пиролиза, а также контролируемого изменения структуры материалов в заданной атмосфере.

Электрохимические характеристики будущих электродов проверяют последовательно. На первом этапе применяются Swagelok-ячейки и потенциостат BioLogic. Площадь поверхности материалов измеряют с помощью сорбтометра Anton Paar.

Далее образцы будут испытывать в coin- и pouch-ячейках с использованием батарейного тестера Neware. Это позволит оценить их ёмкость, мощность и устойчивость при длительной эксплуатации.

Отдельно исследователи проверили разработанные композиты в качестве функциональных покрытий для нержавеющей стали. Эксперименты показали их устойчивость к коррозии, что потенциально расширяет сферу применения технологии за пределами накопителей энергии.

От лаборатории — к практическим технологиям

В проекте участвуют магистранты и докторанты Satbayev University. Исследования проводятся совместно с зарубежными партнёрами из Австрии и Польши.

Следующая задача команды — увеличить масштаб испытаний и приблизить технологию к практическому использованию. В перспективе разработанные наноматериалы могут применяться в суперконденсаторах и аккумуляторных системах, электротранспорте, накопителях для солнечных и ветровых электростанций.

Ещё одним возможным направлением остаются защитные покрытия для нержавеющей стали.

Таким образом, разработка казахстанских исследователей объединяет сразу несколько технологических решений — от переработки доступного сырья и получения высокопористых углеродных материалов до создания накопителей, рассчитанных на длительную циклическую работу.