Ученые смоделировали работу суперконденсатора на уровне отдельных молекул и ионов
Ученые НИУ ВШЭ с помощью моделирования на суперкомпьютере изучили, что происходит с ионами и молекулами растворителя с водой внутри нанопор суперконденсатора. Результаты показали, что даже очень малое количество воды меняет распределение заряда внутри нанопор и влияет на то, сколько энергии может накопить устройство. Такой подход позволяет предсказывать поведение суперконденсаторов при разных составах электролита и условиях влажности. Исследование опубликовано в журнале Electrochimica Acta. Работа выполнена в рамках гранта РНФ.
Суперконденсаторы — компактные устройства, которые быстро накапливают и отдают электрическую энергию. Их применяют в электронике, гибридных автомобилях, системах рекуперации энергии, солнечных и ветровых электростанциях. В отличие от аккумуляторов, которые могут заряжаться от десятков минут до нескольких часов и выдерживают примерно 500–1000 циклов, суперконденсаторы заряжаются за секунды и могут выдержать сотни тысяч циклов без заметной потери емкости — количества энергии, которое устройство способно накопить и отдать. Проблема суперконденсаторов в том, что при всей их скорости они хранят меньше энергии, чем аккумулятор такого же размера. Поэтому исследователи продолжают изучать характеристики суперконденсаторов, чтобы увеличить их электрическую емкость.
Ранее команда НИУ ВШЭ уже изучила, как ионы и молекулы электролита ведут себя в углеродных нанопорах, и создала модель двойного электрического слоя. В новой работе ученые НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН впервые смоделировали поведение электролита на уровне отдельных ионов и молекул с помощью суперкомпьютера НИУ ВШЭ. Они исследовали смесь ионной жидкости, органического растворителя и следов воды в углеродных порах шириной 0,7–1,9 нанометра. На основе полученных траекторий движения молекул и ионов исследователи рассчитали дифференциальную электрическую емкость, сравнив результаты с экспериментальными данными.
Юрий Будков
«Моделирование позволило увидеть, как ионы и молекулы растворителя распределяются в порах, формируют послойные структуры и как эти слои меняются при изменении заряда электрода, — поясняет профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков. — Мы впервые получили дифференциальную емкость суперконденсатора напрямую из полноатомной молекулярной динамики, а не из упрощенных теоретических моделей. Такой подход помогает точнее предсказывать работу суперконденсаторов без сложных и дорогих экспериментов».
Результаты моделирования показали, что даже следовые примеси воды заметно меняют поведение электролита в нанопорах. При слабом отрицательном заряде электрода вода нарушала упорядочение ионов и этим уменьшала дифференциальную емкость. А при сильном положительном заряде вода, напротив, помогала увеличить емкость: ее молекулы выстраивались в электрическом поле и частично компенсировали действие заряда электрода на ионы, меняя их распределение в нанопорах.
Ученые также выяснили, что изменения емкости с изменением толщины поры напрямую связаны с колебаниями расклинивающего давления — избыточного давления в тонкой пленке жидкости внутри нанопор. Впервые удалось показать, что эти колебания совпадают с изменениями емкости устройства и отражают то, как внутренние слои электролита смещаются и уплотняются при зарядке электрода. Такой анализ помогает объяснить, почему в реальных суперконденсаторах изменение влажности или состава электролита может приводить к росту или падению эффективности устройства.
Дарья Гурина
«Даже небольшие примеси воды перестраивают внутреннюю структуру электролита в поре и влияют на накопление заряда. Понимание таких тонких эффектов важно для разработки новых электролитов и материалов электродов», — отмечает научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ Дарья Гурина.
Исследователи считают, что такие модели позволят точнее прогнозировать работу суперконденсаторов и помогут разрабатывать более эффективные и долговечные устройства для транспорта, электроники и систем хранения энергии.
Вам также может быть интересно:
ВШЭ и БГУ запускают совместную ИТ-программу при поддержке Правительства Бурятии
Высшая школа экономики подписала соглашения о сотрудничестве в сфере подготовки кадров в области искусственного интеллекта и информационных технологий с Правительством республики Бурятия и Бурятским государственным университетом имени Доржи Банзарова. Оба документа закладывают основу для реализации совместной образовательной программы по направлению «Прикладная математика и информатика», а также для системного развития сквозных цифровых компетенций студентов и преподавателей вузов республики (программирование, анализ данных, методы искусственного интеллекта).
«Планируем работать в русле Программы развития университета»
25 марта на заседании Ученого совета НИУ ВШЭ был рассмотрен отчет о реализации программы развития университета в 2025 году, представлена стратегия Высшей школы бизнеса НИУ ВШЭ на 2026-2030 годы, обсуждены возможности участия пермского кампуса в создании регионального кластера креативных индустрий.
Как правильно монетизировать научные разработки
Грамотная коммерциализация научных исследований, предполагающая их трансформацию в реальные разработки и новые продукты и получение дохода от интеллектуальной собственности, способствует трансферу передовых технологий в экономику и государственное управление, стимулирует творческую энергию ученых и укрепляет материальную базу научных лабораторий и университетов. Коммерциализация не ограничивается инженерными и ИТ-направлениями, она может быть результативной для исследований в разных науках, в том числе социальных и гуманитарных. Важно, чтобы университет сохранил роль одного из лидеров в коммерческом использовании научных результатов.
В Выcшей школе экономики запускается проектный майнор по робототехническим системам
Институт робототехнических систем НИУ ВШЭ совместно со стратегическим партнером — компанией ЭФКО — открывает новый майнор «Проектная мастерская робототехнических систем». Программа рассчитана на студентов всех образовательных направлений НИУ ВШЭ в Москве и предлагает уникальный практико-ориентированный подход к изучению направления робототехники и киберфизических систем путем последовательного создания аппаратно-программных продуктов.
Четвертый фестиваль робототехники состоится в НИУ ВШЭ
С 1 по 3 апреля в кампусе НИУ ВШЭ на Покровке пройдет IV Фестиваль робототехники — одно из ключевых событий факультета компьютерных наук Вышки для всех, кто увлечен робототехникой, программированием и инженерным творчеством. Фестиваль объединит соревнования по робототехнике, дискуссии, образовательные форматы и демонстрацию разработок.
Новая разработка ученых ВШЭ поможет быстрее и дешевле спроектировать надежную электронику
Российские ученые из МИЭМ ВШЭ разработали новый подход к моделированию электротепловых процессов в мощных электронных схемах на печатных платах. Они научились быстро и точно рассчитывать, как нагреваются электронные компоненты во время работы, чтобы заранее предотвращать их перегрев и поломку. Результаты работы опубликованы в журнале Russian Microelectronics.
«Вышка — место, где формируются научные школы»
11 февраля в НИУ ВШЭ состоялась церемония награждения победителей конкурса на лучшую научно‑исследовательскую работу студентов (НИРС) 2025 года. Всего в нем участвовала 2061 работа. По итогам экспертной оценки звания победителей и лауреатов получили 366 студентов по таким секциям, как социальные науки, экономико‑менеджериальные дисциплины, точные и гуманитарные науки, а также креативные индустрии.
В Вышке прошел масштабный фестиваль игровой индустрии — ГеймДевФест-2026
В Вышке прошел третий ГеймДевФест ФКН — фестиваль компьютерных игр, организованный департаментом программной инженерии и проектной группой «Программная инженерия компьютерных игр — ПИКИ» при участии игровой студии «Винторог». Гости могли сыграть во множество видеоигр, в том числе демоверсии игр студентов ФКН и других начинающих гейм-дизайнеров.
В ВШЭ создан департамент кибербезопасности
В Московском институте электроники и математики им. А.Н. Тихонова ВШЭ открылось новое подразделение. Среди его задач — объединение образовательных, научных и экспертных ресурсов МИЭМ в области информационной и компьютерной безопасности, расширение портфеля образовательных программ, укрепление партнерства с лидерами индустрии и позиций ВШЭ как ведущего центра компетенций в области кибербезопасности.
Серьезный вызов: студенты Вышки исследуют глобальные технологические тренды и стартапы
В НИУ ВШЭ подвели промежуточные итоги совместного исследовательского проекта с компанией ЭФКО: студенты представили результаты исследований и рассказали о дальнейших планах. Проект ориентирован на вовлечение студентов в прикладные исследования по трем крупным направлениям: анализ глобальных технологических стартапов, изучение культурного кода и созидательного потенциала общества, а также прогнозирование социально-экономического развития России.