Томский электролит: от синтеза соли до работы суперконденсатора

Соль для российского накопителя энергии

Томский государственный университет 23 мая 2025 года запустил установку для получения органического электролита суперконденсаторов. Производство разместили в Инжиниринговом химико-технологическом центре — ИХТЦ. Проект поддержал Фонд перспективных исследований. Алексей Князев связывал его с межрегиональной кооперацией: Томск выпускает электролит, Тамбов обеспечивает углеродное покрытие и мембраны, сборка предназначена для предприятия «Элеконд» в Удмуртии.

Руководитель проекта Илья Мазов оценивал длительность цикла примерно в сутки. Он называл производство первым отечественным. Расчёт мощности Мазов связывал с обеспечением потребностей страны до 2030 года. Твёрдую соль синтезируют в реакторах, очищают, фильтруют, сушат и упаковывают. Электролит получают добавлением соли в растворитель. При очистке соли химики заявили содержание примесей не выше 0,001%. Плановая пиковая производительность составляла около 1,5 тонны соли ежегодно. Кирилл Новолоков связал разработку сокращённой методики синтеза с работой десяти студентов химфака. РИА Томск.

Июльская партия и предстоящие испытания

Первые килограммы экспериментального электролита получили к 24 июля 2025 года. Алексей Князев тогда обозначил следующие этапы: химики-аналитики должны оценить чистоту, после чего материалу предстоят ключевые испытания в экспериментальных суперконденсаторах. Ожидание большей чистоты по сравнению с зарубежным продуктом оставалось предварительной оценкой. Параметры готовой ячейки ещё требовали проверки в её составе, а июльское сообщение относилось к пробной партии вещества.

ИХТЦ участвовал в проекте как разработчик производственной установки и технологии масштабирования. ТГУ называл его одним из пяти участников программы российских суперконденсаторов на базе «Элеконда». Центр специализируется на переводе научных разработок в производство и решении химико-технологических задач. На июльскую дату университет указывал три производственные площадки центра, свыше 600 выполненных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и более 30 организованных производств в разных городах России, включая Москву и Санкт-Петербург. Эти накопленные показатели характеризовали всю деятельность ИХТЦ; отдельного числа серийно изготовленных суперконденсаторов с новым электролитом в июльском сообщении не было.

Температура во время синтеза

Температурный режим относится непосредственно к получению соли. Поставщик оборудования «Процесс-термостаты.рф» 14 ноября 2025 года сообщил об использовании процесс-термостатов «Сайнц» (Scientz) в технологической схеме ИХТЦ. Компания связала поддержание температуры с чистотой и стабильностью продукта на протяжении цикла синтеза.

Регулирование осуществлялось на химической стадии, до применения электролита в накопителе. Поставщик характеризовал свои термостаты как средства поддержания стабильных температурных условий. Его сообщение не содержало численных результатов сравнительного анализа партий, расхода энергии или выхода реакции. Поэтому этой информации соответствует описание оборудования и его заявленной функции, без расчёта экономии и без приписывания установке измеренного превосходства над зарубежной технологией.

Где в суперконденсаторе находится электролит

Конденсатор с двойным электрическим слоем накапливает заряд на границе электрода и электролита. В конструкции, которую описывает «Элеконд», два электрода изготовлены из алюминиевой фольги с двусторонним углеродным покрытием. Между ними расположен сепаратор, препятствующий короткому замыканию. Электроды вместе с сепаратором сворачивают в рулон, пропитывают электролитом и помещают в цилиндрический алюминиевый корпус. Электродные пластины соединены с выводами, а корпус уплотнён резиновой крышкой. Электролит при этом обеспечивает ионную проводимость внутри секции, тогда как электроды проводят электроны.

Пористый углерод создаёт большую поверхность для размещения заряда. «Элеконд» указывает возможность достижения удельной поверхности до 2000 квадратных метров на грамм; расстояние между разделёнными зарядами описывается как менее десяти ангстрем. Под действием электрического поля отрицательные ионы электролита притягиваются к положительному электроду, положительные — к отрицательному. На границе образуются пространственно разделённые заряды: двойной электрический слой. При разрядке происходит обратное перераспределение. Большая поверхность пористого материала и малое расстояние между зарядами обеспечивают высокую ёмкость относительно обычной конструкции с плоскими обкладками. Этот механизм относится к конденсаторам двойного слоя. Химический состав жидкости, структура углеродного электрода и устройство сепаратора работают в одной ячейке, хотя их производство может быть распределено между несколькими участниками кооперации.

Напряжение, ёмкость и внутренние потери

Номинальное напряжение ограничивается устойчивостью рабочего электролита к разложению. Для описанных «Элекондом» органических систем указано рабочее напряжение 2,7 вольта. Превышение допустимого уровня способно ухудшить характеристики и сократить ресурс; последствия зависят также от длительности воздействия и температуры. Кратковременное перенапряжение и длительное рабочее напряжение представляют разные режимы. Для получения более высокого напряжения отдельные конденсаторы объединяют последовательно в модуль. Значение на маркировке относится к определённой конструкции и условиям применения, а электрическая ёмкость характеризует способность накапливать заряд.

Номинальная ёмкость может отличаться от фактически измеренной в пределах установленного допуска. Эквивалентное последовательное сопротивление, или ЭПС, объединяет потери в контактах, электродах, электролите и остальных резистивных элементах. Рост сопротивления увеличивает падение напряжения при разряде и нагрев. Ток утечки зависит от температуры, напряжения и наработки устройства. Его измерение требует заданной выдержки после зарядки: первоначальный зарядный ток постепенно уменьшается. Поэтому одинаковые названия параметров ещё предполагают одинаковые условия их определения. Для томского материала такие характеристики должны относиться к конкретной испытанной ячейке, а приведённые определения объясняют общие свойства накопителей.

Как получают измеренные параметры

Ёмкость определяют по изменению напряжения при контролируемом разряде. В методике «Элеконда» конденсатор предварительно заряжают выбранным током до номинального напряжения и выдерживают 300 секунд. Для измерения ёмкости ток заряда и разряда выбирают из расчёта 10 миллиампер на один фарад. Затем регистрируют моменты прохождения уровней 0,8 и 0,4 номинального напряжения. Известный ток, интервал времени между этими точками и соответствующее изменение напряжения позволяют вычислить ёмкость. Условия подготовки и выбранный участок разрядной характеристики входят в метод измерения: значение относится к определённому испытательному режиму, а не только к названию материала или маркировке изделия.

Сопротивление постоянному току оценивают по начальному падению напряжения на разрядной характеристике. Для тока утечки предусмотрена другая схема: отсчёт выполняют после подачи измерительного напряжения через 72 часа с допуском в полчаса, при температуре 25 ± 1 градус Цельсия. В набор характеристик входят также запасаемая энергия, полезная мощность и предельный ток. Удельные показатели соотносят энергию или мощность с массой либо объёмом. Эти процедуры задают разные измеряемые величины. Продолжительность выдержки, температура и режим разрядки позволяют сопоставлять результаты для устройств, испытанных при соответствующих условиях. Методика измерений «Элеконда».

Что меняют примеси внутри нанопоры

Отдельное исследование НИУ ВШЭ и Института химии растворов РАН посвящено взаимодействию электролита с углеродными порами. О результатах университет сообщил 14 августа 2025 года. Работа была выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда. Учёные моделировали смесь ионной жидкости, органического растворителя и следов воды в порах шириной 0,7–1,9 нанометра. По траекториям отдельных молекул и ионов они рассчитывали дифференциальную ёмкость, сопоставляя результаты с экспериментальными данными. Профессор Юрий Будков связывал такой подход с возможностью наблюдать послойное распределение вещества и его изменение при зарядке электрода. Это самостоятельная модель состава, исследованного данной научной группой.

Следы воды действовали по-разному при разных зарядах поверхности. При слабом отрицательном заряде нарушалось упорядочение ионов и уменьшалась дифференциальная ёмкость; при сильном положительном заряде ориентация молекул воды помогала её увеличить. Изменения с шириной поры также связывались с колебаниями расклинивающего давления. Дарья Гурина отмечала влияние малых примесей на внутреннюю структуру электролита. Состав томской пробной партии этим исследованием не испытывался. Результаты относятся к моделируемой системе и показывают зависимость поведения жидкости от её окружения и состояния поверхности, без универсального правила о том, что любое увеличение влажности всегда одинаково меняет ёмкость.

Импульсная работа и ограничения ячейки

Высокая ёмкость и относительно низкое внутреннее сопротивление позволяют суперконденсаторам отдавать значительный ток за короткое время. При этом запас энергии на единицу массы обычно меньше, чем у аккумуляторов. Для аппаратуры с длительным непрерывным питанием эти характеристики задают иной режим использования. Во время разрядки напряжение конденсатора снижается вместе с зарядом. Если потребителю необходимо поддерживать постоянное напряжение, в модуле предусматривают преобразователь. При зарядке от источника постоянного напряжения низкое сопротивление требует учитывать ограничения тока. Допустимые токи и температурные условия относятся к конкретным изделиям, выбранным для аппаратуры.

Последовательное соединение требует выравнивания напряжений между ячейками. Различия фактической ёмкости способны привести к тому, что на отдельных элементах напряжение станет выше допустимого. Длительное перенапряжение вызывает деградацию электролита. «Элеконд» описывает пассивную и активную балансировку; для собственных модулей предприятие указывает активную схему. Нагрев при работе большими токами также учитывают на уровне системы, включая охлаждение и снижение рабочего напряжения в соответствующих режимах. Эти особенности объединяют электрическую схему с температурной нагрузкой. Рабочий ресурс зависит от выбранного сочетания напряжения, тока и температуры, поэтому свойства отдельной жидкости ещё не определяют ресурс всего модуля в аппаратуре. Снижение рабочего напряжения или температуры производитель связывает с увеличением срока службы при заданном режиме эксплуатации.

Какие требования задают накопителю

Для предварительного выбора накопителя разработчик задаёт напряжение зарядки, разрядный ток или требуемую мощность, продолжительность резервного питания и допустимое остаточное напряжение. Эти величины определяют необходимый запас и число последовательно соединённых элементов. В опубликованном 15 августа 2024 года учебном примере «Элеконд» рассматривает накопитель на 20 вольт, ток 3 ампера, время разрядки 15 секунд и остаточное напряжение 16 вольт. Для отдельного элемента в расчёте принято 2,5 вольта при номинале 2,7 вольта, то есть предусмотрен запас по рабочему напряжению.

Расчётная схема примера включает восемь последовательных конденсаторов. Полученную требуемую ёмкость отдельного элемента сравнивают с доступными номиналами и выбирают ближайший больший. В рассматриваемом примере элемент на 100 фарад имеет сопротивление 15 миллиом, массу 17,6 грамма и размеры 20 × 40 миллиметров. Затем проверяют сопротивление цепочки, падение напряжения и оставшийся уровень питания. Сам производитель определяет этот подход как укрупнённую оценку: последующие этапы включают уточнённый расчёт, изготовление макета и испытания. В примере начальное соответствие заданному остаточному напряжению оставляет слишком малый запас для всего срока службы, поэтому рассматривается увеличение номинала. Это расчётная иллюстрация выбора накопителя, опубликованная до запуска томской установки; её значения не характеризуют изготовленные с новым электролитом образцы и не заменяют их экспериментальных измерений.

Почему одного запаса энергии недостаточно

Дополнительные требования связаны с допустимыми токами и нагревом. В октябрьских рекомендациях 2024 года «Элеконд» отдельно разбирает случай, когда расчёт по энергии выполняется, но разрядный ток превышает допустимое значение выбранного элемента. Повторяющийся перегрев способен ухудшать ёмкость и сопротивление. Ограничение времени зарядки создаёт самостоятельное требование к зарядному току. Таким образом, одинаковый запас энергии может сочетаться с разными ограничениями по скорости отдачи и получения заряда. При подборе учитывают оба направления работы, а также характеристики элемента в заданной температурной среде.

Компоновка добавляет ограничения по высоте, ширине и объёму доступной ниши. Параллельные цепочки меняют ёмкость и сопротивление накопителя, одновременно увеличивая его размеры. На протяжении эксплуатации характеристики также изменяются: длительная высокая температура, работа при номинальном напряжении и большие токи влияют на ресурс. При низких температурах возрастает сопротивление, а механические воздействия, включая вибрацию в транспорте, также учитываются при выборе запаса. Производитель рассматривает эти факторы вместе с возможным снижением ёмкости. Для срока службы в рекомендациях допускаются уменьшение ёмкости на 20–30% и рост сопротивления в два-три раза; расчётные запасы учитывают такое изменение. Первоначальный расчёт накопителя относится к исходным параметрам элементов; проектные требования охватывают весь предусмотренный срок работы аппаратуры и воздействующие на неё условия.

Задачи короткого резервирования

Суперконденсаторы применяют для подачи мощного кратковременного импульса, резервирования и временного питания при переключении между источниками. В сочетании с аккумулятором накопитель может принимать пиковые токи на себя, снижая кратковременную нагрузку на батарею. Выбор зависит от режима конкретного устройства: продолжительности питания, требуемого тока, температуры, размеров, массы, ресурса и стоимости эксплуатации. Для задач с длительным автономным питанием важен сравнительно ограниченный запас энергии. Эти особенности определяют области использования наряду с возможностью быстро подготовить устройство к следующему импульсу.

«Элеконд» выделяет несколько функций резервного накопителя в радиоэлектронной аппаратуре. Они связаны с выполнением ограниченной задачи после исчезновения основного питания либо во время переключения сети. В число таких задач входят сохранение информации, оповещение о событии и работа исполнительных механизмов. Предварительный подбор дополняют испытанием накопителя в аппаратуре. Возможные функции включают:

Питание на время перехода

• поддержание микроконтроллера и памяти;
• корректное завершение работы системы;
• сообщение об отключении основного источника;
• кратковременное питание до включения резерва.

Какие изделия представлял промышленный партнёр

К выставке «Иннопром-2025» предприятие «Элеконд» анонсировало четыре новые серии с номинальным напряжением 2,7 вольта. Серия К58-34 с самофиксирующимися выводами охватывала ёмкости 330, 470 и 680 фарад. Для К58-35 с винтовыми выводами перечислялись номиналы от 680 до 4700 фарад. Радиальные К58-36 предлагались в диапазоне от 1 до 50 фарад, а К58-37 с самофиксирующимися выводами — на 100 и 200 фарад. Различались одновременно электрические номиналы и способы подключения к аппаратуре.

На той же выставке планировался показ опытных модулей МИП на основе суперконденсаторов. Для МИП-1 были заявлены напряжения 5 и 7,5 вольта, для МИП-2 — варианты до 30 вольт, а перечень МИП-3 включал исполнения от 50 до 440 вольт. Для опытных МИП-4 перечислены исполнения от 15 до 120 вольт и ёмкости от 14 до 783 фарад. Предприятие предлагало обсуждать технические требования и заказывать образцы для подбора. Июльский анонс описывал характеристики серий и планы их представления. Конкретный состав электролита этих изделий в нём не указан; связь опубликованных номиналов с результатами испытаний томской партии требует отдельного подтверждения. Потенциальный поставщик компонента и производитель готовых устройств выполняют разные задачи в общей производственной кооперации.

Апрельское продолжение проекта

Химический факультет ТГУ 21 апреля 2026 года сообщил о серебряной медали разработки на XXXII Международной выставке инноваций «Хай-тек» (HI TECH) в Санкт-Петербурге. Электролит отметили в номинации, посвящённой импортозамещению, локализации, импортоопережению и продвижению на рынок. Разработкой и синтезом занимались коллективы трёх лабораторий химического факультета. Это последующее событие относится уже к 2026 году, тогда как запуск производственной установки состоялся в мае 2025-го.

В апрельском сообщении мощность установки характеризовалась выпуском до 6,5 килограмма продукта за один цикл и до 1,5 тонны ежегодно на пиковом режиме. Показатели описывали возможности установки, а фактический годовой объём выпуска не приводился. Алексей Князев по-прежнему обозначал ожидаемую сравнительную чистоту электролита как предварительную оценку. Награда относилась к разработке компонента. Производственная мощность, чистота вещества, характеристики экспериментальной ячейки и ресурс готового накопителя остаются разными показателями с собственными методами определения и отчётными периодами.