Abstract: Современный этап развития электроэнергетики, электротранспорта и портативной электроники характеризуется стремительным ростом спроса на высокоэффективные системы накопления энергии. Особый интерес вызывают металл-ионные аккумуляторы, а также гибридные металл-ионные конденсаторы, способные сочетать высокую энергоемкость батарей с мощностью и долговечностью суперконденсаторов. Ключевым элементом всех перечисленных устройств являются электродные материалы, и среди них углеродные материалы занимают важное место и являются незаменимыми в развитии новых технологий благодаря совокупности уникальных свойств, таких как высокая электропроводность, химическая стабильность, малый удельный вес и доступная стоимость. Эти характеристики обеспечивают их широкое использование в качестве электродов как в аккумуляторных, так и в конденсаторных системах. В коммерческих литий-ионных аккумуляторах графитовый анод работает за счёт обратимой интеркаляции лития в межслоевое пространство, что сопровождается умеренным анизотропным расширением решётки. Однако, интеркаляция термодинамически затруднена для натрия и происходит деградация графитового электрода из-за критического объемного расширения при интеркаляции калия. Таким образом, создание натрий- и калий-ионных аккумуляторов требует либо модификации графита, либо разработки принципиально новых углеродных наноструктур с увеличенным межатомным расстоянием и развитой пористостью. В классических суперконденсаторах на основе углеродных материалов (активированный уголь, графен, мезопористый углерод) энергия запасается за счёт электростатического перераспределения зарядов при формировании двойного электрического слоя на межфазной границе «электрод–электролит», что обеспечивает высокую циклическую стабильность и скорость заряда-разряда. В гибридных металл-ионных конденсаторах указанный емкостный механизм успешно комбинируется с аккумуляторным: используется анод интеркаляционного типа, тогда как катод представляет собой высокопористый углерод, где накопление ионов происходит за счёт адсорбции на поверхности. Такая асимметричная конфигурация позволяет достичь высокой энергоёмкости по сравнению с обычными суперконденсаторами, сохраняя при этом высокую мощность. Для достижения высокой энергоемкости и мощности, и стабильной работы металл-ионных аккумуляторов и конденсаторов требуется разработка перспективных углеродных электродных материалов. В работе проведен всесторонний и систематический анализ основных типов углеродных электродных материалов: графита, твердого углерода, мягкого пористого углерода, графена и углеродных нанотрубок. Рассмотрены принципы устройства и функционирования металл-ионных аккумуляторов, суперконденсаторов и гибридных металл-ионных конденсаторов, а также сформулированы ключевые требования к углеродным электродам для каждого типа устройств. Особое внимание уделено взаимосвязи между микроструктурой углеродных материалов, механизмами накопления ионов и электрохимическими характеристиками. Проанализирован мировой опыт ученых, систематизированы существующие проблемы и предложены возможные пути их преодоления. Представлен сравнительный анализ улучшений электрохимических показателей, достигаемых за счёт различных способов химической модификации поверхности и объёма углеродных материалов – легирования гетероатомами, создания дефектов, химической модификации. Ключевую роль в понимании процессов накопления ионов играют современные экспериментальные методы: микроскопия, спектроскопия и дифракционные исследования, включая in situ и operando подходы, позволяющие наблюдать изменения структуры и химического состояния атомов. Дополнительным инструментом является квантово-химическое моделирование, которое дает теоретическую основу для прогнозирования свойств новых материалов и используется для интерпретации экспериментальных данных. Сформирована целостная картина современного состояния и направлений развития углеродных электродных материалов для накопителей энергии следующего поколения.

Cite: Федосеева Ю.В.
Углеродные электродные материалы для металл-ионных аккумуляторов и электрохимических конденсаторов: взаимосвязь структуры и свойств, современные методы модификации и перспективы
Вторая Балтийская школа по наноуглеродным материалам «Получение и применение мезо- и нано-структурированных функциональных углеродных материалов» 04-08 окт. 2026