Обработка аргоном увеличила ёмкость углеродных наностенок в пять раз

Российские учёные из Сколтеха, МФТИ и Института нанотехнологий микроэлектроники РАН добились пятикратного увеличения ёмкости углеродных наностенок — материала для электродов суперконденсаторов. Прорыв стал возможен благодаря обработке материала оптимальной дозой высокоэнергетических ионов аргона.

Схема имплантации аргона и трёхэлектродная установка. Автор: Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-03770-6

В отличие от литий-ионных аккумуляторов, суперконденсаторы способны почти мгновенно накапливать или отдавать энергию, что делает их идеальными для мощных кратковременных нагрузок. Их используют в электромобилях, поездах, портовых кранах и энергосетях. «Мы исследуем способы улучшения характеристик суперконденсаторов путём обработки углеродного материала для электродов. На этот раз мы добились значительного увеличения ёмкости, обработав материал ионами аргона на ускорителе и определив оптимальную дозу», — пояснил руководитель исследования, доцент Сколтеха Станислав Евлашин. Углеродные наностенки представляют собой вертикально ориентированные стопки из 10–15 графеновых листов. Их большая удельная поверхность изначально обеспечивает высокую ёмкость. Ионная имплантация создаёт в материале дополнительные дефекты — наноразмерные полости, в которые могут внедряться молекулы электролита, что ещё больше увеличивает ёмкость.

СЭМ- и ПЭМ-изображения структур до и после ионной имплантации с разными дозами.

«Атомистическое моделирование на суперкомпьютере позволило выявить структурные изменения в наностенках после облучения. При оптимальных дозах (~10¹⁴ ионов на см²) в материале формируются полости, что приводит к наноструктурированию, повышающему ёмкость», — отметил соавтор работы, замзаведующего лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ Никита Орехов. Технология ионной имплантации, активно применяемая в микроэлектронике, позволяет улучшать углеродный материал не только в тонком поверхностном слое, но и в объёме, благодаря высокой проникающей способности ионов. Это открывает путь к масштабированию производства «активированного углерода» для эффективных систем хранения энергии.

Больше информации: J. V. Bondareva et al, High-energy argon implantation in carbon nanowalls as a way to produce electrodes for supercapacitor applications, Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-03770-6