Группа ученых из МИЭМ ВШЭ совместно с коллегами из Института неклассической химии в Лейпциге разработала теоретическую модель полимеризованных ионных жидкостей на границе с заряженным металлическим электродом. Используя подходы физики полимеров и теоретической электрохимии, исследователи впервые показали, чем отличается поведение электрических емкостей полимерных и обыкновенных ионных жидкостей.

Исследование было выполнено в рамках проекта РНФ, а результаты работы опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

Полимеризованные ионные жидкости (ПИЖ) — относительно новый класс материалов, который находит все больше применений в различных прикладных областях — от разработки новых электролитов до создания солнечных панелей.

В отличие от обычных ионных жидкостей, представляющих собой жидкие органические соли, где катионы и анионы могут свободно перемещаться, в ПИЖ катионы, как правило, сшиты в длинные полимерные цепи, а анионы свободно перемещаются. С недавнего времени ПИЖ наравне с обыкновенными ионными жидкостями применяются при создании суперконденсаторов в качестве начинки.

Суперконденсаторы — это устройства, накапливающие энергию в двойном электрическом слое на поверхности электрода (так, например, работают электроды платины, золота, углерода). Суперконденсатор по сравнению, например, с аккумулятором накапливает больше энергии и делает это быстрее. Характеристика, которая показывает, как много электроэнергии может накопить суперконденсатор, называется «электрическая емкость».

Авторы работы впервые теоретически смоделировали поведение электрической емкости двойного электрического слоя, возникающего в ПИЖ и их растворах на границе с заряженным электродом в суперконденсаторах. Также ученые сравнили электрическую емкость ПИЖ с электрической емкостью в обычных ионных жидкостях. Результатом исследования стало новое аналитическое выражение для электрической емкости при малых напряжениях, которое можно использовать в инженерных расчетах.

Рассмотрев два модельных случая взаимодействий полимеризованных ионов с поверхностью электрода, авторы обнаружили как количественное, так и качественное отличие поведения электрической емкости от поведения обыкновенных ионных жидкостей. Ученые предсказывают огромное увеличение электрической емкости для ПИЖ по сравнению с обыкновенными ионными жидкостями с тем же химическим составом.

Исследование впервые проясняет, как присутствие связанных в цепочки катионов влияет на электрохимические свойства ионной жидкости вблизи заряженного электрода. Как отмечают авторы, несмотря на то что разработанная модель является достаточно грубым описанием ПИЖ на заряженных электродах, уже на данном этапе развития теории полученные результаты могут быть полезны при разработке новых суперконденсаторов, топливных ячеек, аккумуляторов и твердотельных электролитов.

«Мы предполагали, что заряженные полимерные цепочки в полимерной ионной жидкости будут гораздо легче притягивать ионы к заряженному электроду, чем в случае с обычными ионными жидкостями, где ионы не связаны. Это, в свою очередь, должно привести к появлению больших емкостей при тех же напряжениях. Проведя строгий расчет, основанный на сочетании подходов теоретической электрохимии и физики полимеров, мы убедились в правильности нашей гипотезы. Надеемся на ее скорую экспериментальную проверку», — комментирует один из авторов исследования, профессор МИЭМ ВШЭ Юрий Будков.