Курсовая работа (т): Системы хранения электрической энергии на основе нанотехнологий

Системы хранения электрической энергии на основе нанотехнологий

Курсовая работа

Системы хранения электрической энергии на основе нанотехнологий

Введение

суперконденсатор ионистор электрический

Суперконденсаторы, ультраконденсаторы, электрохимические конденсаторы, двухслойные конденсаторы - так называют электрохимические конденсаторы, которые отличаются от обычных большими значениями удельной мощности, более низкими токами потерь, практически неограниченной долговечностью, и все это при значительно меньших габаритах. Сегодня на рынке можно найти суперконденсаторы (СК) емкостью 150 Ф и напряжением 5 В, сопоставимые по размерам с монтируемыми на печатную плату традиционными Электролитическими конденсаторами, и «большие» СК емкостью 650-3000 Ф и напряжением 2,7 В. Даже больше: на рынке представлены СК емкостью до 5·103 Ф. А ведь совсем недавно наибольшее значение емкости традиционных конденсаторов не превышало нескольких миллифарад. В то же время по плотности запасаемой энергии, достигающей 30 кВт·ч/кг, СК близки аккумуляторам. Мировой рынок СК можно разделить на два основных сегмента: суперконденсаторы большой емкости для транспортных и промышленных систем и СК для электронной аппаратуры, в основном малогабаритной. В последнем сегменте с уменьшением габаритов и повышением мобильности техники все больше требуются автономные источники питания с высокой плотностью энергии и мощности. И по мере совершенствования СК, переходу к нанотехнологии при их изготовлении суперконденсаторы все активнее дополняют стандартные источники питания во множестве малогабаритных изделий широкого применения - от компьютеров до видеокамер, мобильных телефонов и т.п.

1. Что представляет собой суперконденсатор?

По сути суперконденсатор представляет собой очень «большой» поляризованный электрохимический конденсатор. Правда, прилагательное «большой» относится не к физическому размеру прибора, а к его основному параметру - емкости. Емкость СК, так же, как обычного конденсатора, пропорциональна площади обкладок и диэлектрической проницаемости диэлектрика и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками, т.е. рассчитывается по известной со школы формуле. Но на этом сходство двух конденсаторов кончается. В обычном конденсаторе заряд концентрируется на поверхностях обкладок, а энергия электрического поля - в объеме межэлектродного диэлектрика. В СК реализована предложенная в 1879 году Г. Гельмгольцем идея формирования с двух сторон границы раздела металл / жидкий электролит при подаче напряжения слоев с избыточными носителями различной полярности. Формирование двух разнополярных слоев обусловлено тем, что перенос зарядов через межфазную границу раздела в интервале потенциалов электродов с точки зрения термодинамики невозможен или кинетически затруднен. Таким образом, заряженные слои образуют «обкладки» конденсатора, а граница раздела металл / электролит толщиной в несколько нанометров или даже долей нанометра служит его диэлектриком. Отсюда и название - двухслойный конденсатор (Electrochemical Double-Layer Capacitor - EDLC).

При построении электрохимического двухслойного конденсатора в водный или органический электролит с высокой концентрацией подвижных ионов между электродами помещают проницаемый ионами разделитель. При подаче постоянного напряжения на электроды такой структуры на границах раздела электролит / электрод формируются разнополярно заряженные области, разделенные границей раздела, т.е. двойной электрический слой (ДЭС). На одном электроде этот слой формируется его отрицательно заряженной поверхностью и притянутыми к ней катионами электролита, на другом - положительно заряженной поверхностью и притянутыми к ней анионами. Оба ДЭС соединены последовательно через разделитель и электролит и концентрируют заряд, напряжение и энергию.

Большое значение емкости СК, которое на два-три порядка превосходит значение емкости традиционных электролитических конденсаторов, достигнуто за счет применения одного (или обоих) электрода из высокопористого материала и благодаря весьма малой толщине диэлектрика (граница раздела двойного слоя). Электролиты, используемые в СК, должны иметь высокую концентрацию подвижных ионов, низкое сопротивление, низкую концентрацию электрически активных примесей, быть химически стабильными. Они могут быть жидкостными (например, 30%-ный водный раствор КОН или 38%-ный водный раствор ). Но рабочее напряжение СК с такими электролитами невелико, поскольку с ростом напряжения разложение воды активизируется. А это значит, что накапливаемая конденсатором энергия уменьшается. Значительно лучшие результаты получают при использовании безводных электролитов, так называемых суперионных проводников, полимерных твердых электролитов (например, получаемых смешением солей полиэтилена или электролитов на основе биологических веществ.

Электроды СК выполняются из пористых материалов, внутренняя удельная площадь поверхности которых достигает 1000-3000 /г. Важен размер пор материала электродов: при больших размерах уменьшается площадь активной поверхности, при малых в поры не попадают относительно большие носители заряда (ионы электролита), которые к тому же зачастую окружены молекулами растворителя. В качестве материала электродов СК пока наиболее распространен дешевый и широкодоступный активированный древесный уголь (activated charcoal) - порошок, состоящий из чрезвычайно малых и «неровных» частиц. Однако сейчас активно изучается возможность применения новых пористых материалов для электродов. К ним относятся графен*, проводящие полимеры, такие как полипиррол, углерод-аэ-рогель (carbon aerogel), углеродные нанотрубки или даже импрегнированная нанотрубками бумага. У графена высокое значение площади поверхности, отнесенной к единица объема или массы, а также высокая электропроводимость. Ученые ряда мировых лабораторий

уже успешно получают графен*, и, возможно, вскоре будет налажено его массовое производство.

Весьма перспективен углерод-аэрогель, позволяющий получать удельную площадь электродов 400-1000 м²/г. Электроды на основе этого материала, как правило, изготавливаются из содержащей углеродные волокна бумаги, поверх которой наносится органический аэрогель, который затем подвергается пиролизу. Углеродные волокна обеспечивают структурную целостность электрода, а аэрогель - требуемую большую удельную площадь поверхности. Напряжение аэрогельных СК невелико (несколько вольт), энергетическая плотность составляет 90 Вт·ч/кг, плотность мощности - 20 Вт/г. Компания Reticle Carbon заявила о создании СК с электродами из аморфного твердотельного углерода (Consolidated Amorphous Carbon, CAC), удельная площадь поверхности которых составляет 2800 м²/г. При этом, по утверждению разработчиков, производство этого материала дешевле, чем ак-тивированного древесного угля. Компания Tartu Technologies (Эстония) в СК использует электроды из неактивированного угля, синтезируемого из карбидов металлов или металлоидов (SiC, TiC, Al4C3 и т.п.). Удельная площадь поверхности электродов из этого материала, названного «полученным из карбида углем» (Carbide Derived Carbon, CDC), составляет 400-2000 м²/г. Удельная емкость СК с такими электродами и органическим электролитом достигает 100 Ф/мл. Емкость СК массой 200 г. равна 1,6 кФ, энергетическая плотность - 45 Дж/л при напряжении 2,85 В, плотность мощности - более 20 Вт/г. Но наибольший интерес сегодня представляют электроды на основе углеродных нанотрубок (Carbon NanoTubes, CNT), которые можно механически компоновать в высокоупорядоченные структуры. Исследования, проведенные специалистами Лаборатории элетромагнитных и электронных систем (Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems, LEES) Массачусетского технологического института, показали, что применение вертикально располагаемых одностенных CNT диаметром в несколько атомных слоев позволяет существенно увеличить удельную площадь поверхности электрода. Правда, пока высокая стоимость получения CNT сдерживает их применение.

СК, несмотря на их большое разнообразие, можно разделить на два основных типа:

• СК с поляризуемыми электродами (симметричные СК).

В таких конденсаторах оба электрода (положительный и отрицательный) выполнены из одного и того же материала (Au, C, Pt,). Электролитом служит 30%-ный водный раствор KOH или 38%-ный водный раствор H2SO4. Возможно применение органического электролита. В рабочем интервале напряжений электрохимические реакции на электродах конденсатора не протекают, поэтому по значениям энергии, мощности, температурному диапазону и числу циклов заряд / разряд они ближе всего к оксидно-электролитическим конденсаторам;

• СК с поляризуемым электродом и неполяризуемым / слабополяризуемым вторым электродом (асимметричные СК). Один электрод СК, выполняемый, как правило, из металлокерамики, поддерживает высокую скорость заряда / разряда, второй, выполненный из углеродного материала

с высокой удельной площадью поверхности, обеспечивает чрезвычайно большую емкость. Емкость асимметричных СК в два раз больше, чем у симметричных. По своим характеристикам такие СК ближе к аккумуляторам, чем к симметричным СК.

.2 Суперконденсаторы и батареи

Большой интерес к суперконденсаторам обусловлен в первую очередь возможностью создания на их основе гибких источников питания большой мощности и замены ими батарей. Но при этом зачастую из вида упускаются такие важные различия между этими двумя устройствами, как:

• батареи накапливают энергию, измеряемую в киловаттчасах, тогда как конденсаторы концентрируют мощность, измеряемую в ваттах;

• работа батареи зависит от относительно длительно протекающих химических реакций. Батареи заряжаются достаточно долго, и время их заряда зависит от тока. Скорость зарядки конденсатора в основном зависит от сопротивления внешнего включенного последовательно с ним сопротивления;

• батареи обеспечивают подачу постоянного напряжения в течение довольно продолжительного времени, тогда как конденсаторы разряжаются очень быстро, и их напряжение резко уменьшается;

• число циклов заряда / разряда батарей невелико (200-1000) и зависит от глубины разряда. Суперконденсаторы допускают до сотен тысяч циклов заряда / разряда;

• размеры и масса батарей, особенно большой мощности, велики, тогда как габариты и масса суперконденсаторов аналогичной мощности значительно меньше.

Различие источников питания хорошо иллюстрирует диаграмма логарифмической зависимости их плотности энергии от плотности мощности. Из диаграммы видно, что по плотности энергии СК примерно в 10 раз уступают обычным аккумуляторам, тогда как по плотности мощности превосходят их в 10-100 раз.

Это связано с тем, что в обычных аккумуляторах время заряда и разряда, зависящее от скорости

перемещения заряженных частиц в жидком электролите, велико, тогда как у конденсаторов этот параметр зависит лишь от времени нагрева электродов. Таким образом, очевидно, что аккумуляторы и СК не являются конкурентами и могут дополнять друг друга. Совместное применение СК и аккумуляторов позволяет увеличить энергию систем питания. Между скоростью заряда / разряда батареи и ее энергией существует своеобразный компромисс. Для быстрого разряда батареи толщина слоев ее многослойных электродов должна быть мала, причем слои необходимо отделять друг от друга, что зависимость энергетической плотности от плотности мощности приводит к увеличению объема батареи и снижению ее энергии. Чем больше слоев, тем ниже энергия батареи. При объ-

единении с СК от батареи уже не требуется подача больших импульсов мощности. Появляется возможность уменьшить число слоев электрода и увеличить их толщину. В результате

емкость батареи может быть увеличена в два раза. И действительно, СК и батареи зачастую используются совместно. Вот почему несмотря на недостатки конденсаторов и совершенствование литий-ионных аккумуляторов, вследствие непрерывного роста потребности электронного оборудования в энергоемких источниках питания малых габаритов интерес к суперконденсаторам. усиливается.

.3 Суперконденсаторы: перспективы и реальность

Идея использования конденсаторов большой емкости вместо аккумуляторных батарей различного типа не нова, преимущества этого источника энергии хорошо известны: значительно меньшее время, требуемое на перезарядку и на порядки большее количество выдерживаемых циклов заряда-разряда. До сих пор непреодолимой проблемой на пути к реализации удобоваримых по габаритам и цене производства суперконденсаторов была невозможность изготовления пластин достаточной площади. Начиная с 60-х годов прошлого века, наилучшие результаты были достигнуты с применением кристаллических углеродных соединений в качестве покрытия пластин, позволяющих значительно увеличить эффективную площадь рабочей поверхности, но все же этого было недостаточно для практического применения.

Новые надежды на реализацию претендующих на массовое применение суперконденсаторов связаны с использованием для их построения углеродных нанотрубок - это является темой работ исследовательской группы из Массачусетского технологического института, возглавляемой профессором Джоэлом Шиндаллом (Joel Schindall). По прогнозам Шиндалла, в течение пяти лет могут появиться первые коммерческие образцы суперконденсаторов на базе углеродных нанотрубок, способные обеспечивать энергией электромобили, а спустя десять лет цены суперконденсаторов станут сопоставимыми с ценами на традиционные аккумуляторы. Впрочем, есть немало скептиков, которые ставят под сомнение если не идею практического применения суперконденсаторов в принципе, то, во всяком случае, названные сроки начала их практического применения.

Помимо сложностей с реализацией суперконденсаторов, против их коммерческого применения явно будут играть значительные средства, уже вложенные в индустрию традиционных аккумуляторов. Во всяком случае, более двух лет назад мы уже писали о заманчивых перспективах источников энергии нового типа, но с тех пор особых сдвигов в сторону практики пока что-то не видно.

В суперконденсаторах (СК) энергия накапливается в процессе зарядки за счет поляризации двойных электрических слоев (ДЭС) на границах раздела анод - электролит и катод - электролит.

Модельные представления о строении ДЭС развивались в течении длительного времени и совершенствуются до нашего времени.

Первая модель - модель Г. Гельмгольца - относится к 1853 г. В этой модели для описания границы между электродом и раствором электролита была предложена модель плоского конденсатора. Согласно этой модели к слою зарядов на электроде жестко притянуты ионы противоположного знака из раствора электролита так, что ДЭС представляет собой своеобразный плоский конденсатор с очень малым расстоянием между его обкладками (порядка диаметра молекулы воды). Эта модель позволила правильно предсказать порядок величины емкости ДЭС, выявила форму электрокапиллярных кривых, но не могла объяснить зависимость емкости и пограничного натяжения от температуры и концентрации электролита.