ARMS publikācija žurnālā Journal of Power Sources: jauns solis nākamās paaudzes superkondensatoru izstrādē

ARMS projekta zinātniskais raksts publicēts vienā no enerģijas uzglabāšanas jomas vadošajiem žurnāliem – Journal of Power Sources (662 (2026); 238691). Raksts "Interfacial engineering of conformal titanium oxide nanofilms on porous carbon supercapacitor electrodes via atomic layer deposition" piedāvā būtisku ieguldījumu augstas veiktspējas enerģijas uzkrāšanas tehnoloģiju attīstībā.

Pētījumu īstenoja starpdisciplināra komanda no Somijas, Dānijas un Latvijas. Publikācijas autoru starpā ir arī Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūta Lignīna ķīmijas laboratorijas pētnieks Dr.sc.ing. Aleksandrs Volperts.

Par pētījumu

Raksts piedāvā jaunu pieeju superkondensatoru elektroķīmiskās veiktspējas uzlabošanai, pārklājot porainas aktivētās ogles (AC) elektrodus ar ultraplānām titāna dioksīda (TiO₂) nanoplēvēm, kas iegūtas ar atomu slāņa nogulsnēšanas (ALD) metodi. Autori izstrādāja zemas temperatūras ALD procesu (120 °C) ar TiCl₄ un H₂O prekursoru sistēmu, optimizētu materiāliem ar lielu specifisko virsmas platību, piemēram, aktivētajai oglei. Motivācija izriet no nepieciešamības palielināt superkondensatoru enerģijas blīvumu, kas tradicionāli atpaliek no litija–jonu baterijām. Integrējot materiālus ar pseidokapacitāti (piem., TiO₂) aktivētās ogles matricā, pētnieki tiecās apvienot elektriskā dubultslāņa kapacitātes (EDLC) ieguldījumu ar farada tipa redoksa procesiem, tādējādi nodrošinot augstāku kopējo elektroķīmisko veiktspēju.

Superkondensatoru enerģijas blīvums tradicionāli ir zemāks nekā litija–jonu baterijām. Integrējot materiālus ar pseido-kapacitāti (TiO₂) ar aktivēto ogli, pētījumā panākta elektriskā dubults­slāņa (EDLC) un farada procesu sinerģija, kas būtiski paaugstina elektrodiem raksturīgo kapacitāti.

Galvenie rezultāti

• TiO₂ nanoplēves bija amorfās, vienmērīgas un konformālas, ko apliecina SEM, TEM un XPS analīze.
• Optimālu veiktspēju nodrošināja 60 ALD cikli (~2,3 nm plēves biezums), kā rezultātā specifiskā kapacitāte palielinājās par 61% salīdzinājumā ar neapstrādātu AC.
• Enerģijas uzkrāšanas mehānismu galvenokārt noteica virsmas redoksa procesi, ar nelielu interkalācijas tipa pseidokapacitātes ieguldījumu.
• Pārāk biezas TiO₂ plēves izraisīja poru aizsprostošanos un veiktspējas samazinājumu, uzsverot precīzas slāņa biezuma kontroles nozīmi.

Pētījums apliecina, ka ALD balstīta interfeisa inženierija ir mērogojama un tehnoloģiski efektīva pieeja nākamās paaudzes augstas veiktspējas superkondensatoru izstrādei, īpaši piemērota elastīgajai un drukātajai elektronikai.

Publikācijas grafiskais kopsavilkums

Projekta un pētnieka loma Latvijā

Dr. Aleksandra Volperta līdzdalība ARMS projektā (projekta vadītājs: Dr.sc.ing. Aivars Žūriņš) ir dabisks turpinājums viņa ilgstošajai pētniecībai aktivētās ogles materiālu, nanostruktūru un elektroķīmisko procesu jomā. Viņa zinātniskā darbība aptver gan ogles materiālu sintēzi un porainās struktūras padziļinātu raksturošanu, gan to pielietošanu enerģētikā. Šo virzienu nostiprina arī plaša eksperimentālā pieredze polimēru un koksnes materiālu testēšanā, izmantojot DSK, TG/DTG, EPR spektroskopiju, pirolīzi, kalorimetriju u.c.

Par izciliem sasniegumiem nanoporainā oglekļa materiālu izstrādē Aleksandrs saņēma Latvijas Zinātņu akadēmijas balvu (2018) par darbu “Inovatīvs process multifunkcionāla nanoporaina oglekļa iegūšanai”, kas kļuva par pamatu turpmākajām pētniecības iniciatīvām (LZA nosauc 2018. gada nozīmīgākos sasniegumus Latvijas zinātnē).

Šī pieredze organiski pāraugusi vairākos pētniecības projektos, kuri veido Aleksandra ieguldījuma mugurkaulu Latvijas enerģētikas materiālu kompetencē. No 2023. līdz 2027. gadam viņš iesaistīts projektā ARMS, kurā tiek izstrādāti ar atomu slāni pārklāti grafēna elektrodu mikroelastīgi superkondensatori. Līdz projektam ARMS Aleksnadrs sniedza ieguldījumu projektos: SuNaMa, kurā attīstīti ilgtspējīgi iegūti nanomateriāli enerģētikas vajadzībām; ICatSE, kas fokusējās uz inovatīvas katalīzes risinājumiem atjaunīgās enerģijas tehnoloģijās; kā arī projekts par slāpekļa un fosfora dopētām aktivētās ogles struktūrām, kas piemērotas superkondensatoriem un kurināmā elementiem.

Avots: ARMS Project