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

В теории Гуи - Чапмена была предложена теория диффузного слоя. В этой теории ионы рассматривались как математические точки, которые находятся под действием теплового движения и одновременно отталкиваются или притягиваются заряженной поверхностью электрода. Влияние электрического поля рассматривалось только вдоль одной координаты перпендикулярной поверхности электрода. Однако, количественный расчет емкости по этой теории на несколько порядков превышал опытные данные. Основная причина была в том, что не учитывались реальные размеры ионов.

В теории О. Штерна были учтены собственные размеры ионов. Одновременно в этой теории были учтены силы неэлектростатического взаимодействия с материалом электродов, что позволило объяснить явления, связанные со специфической адсорбцией ионов. Предполагалось, что ДЭС состоит из двух слоев: плотного и диффузного, разделенных плоскостью получившей название плоскости Гельмгольца. Толщина плотного слоя равна радиусу гидратированных ионов (0,3-0,4), нм его относительная диэлектрическая проницаемость значительно ниже чем в объеме раствора электролита. Это обусловлено довольно жесткой ориентацией диполей растворителя в плотном слое, как под действием электрического поля электрода, так и в результате их взаимодействия с материалом электродов. В диффузионном слое относительная диэлектрическая проницаемость принималась равной относительной диэлектрический проницаемости воды. Толщина диффузионного слоя теоретически бесконечна, но практически вводилась некоторая эффективная толщина. В теории Штерна не учитывалось различие, до которого могут приближаться к поверхности электрода электрические центры поверхностно - неактивных и специфически адсорбируемых ионов. В действительности, ионы, которые специфически адсорбированы частично дегидратированы со стороны электрода, а потому они входят внутрь плотного слоя и их электрические центры расположены ближе к поверхности электрода, чем такие же центры полностью гидратированных ионовповерхностно-неактивных ионов. В результате, вместо одной плоскости Гельмгольца необходимо было ввести две плоскости: внутреннюю и внешнюю. Детальная модель ДЭС с учетом двух плоскостей Гельмгольца была развита в теории Д. Грэма. Кроме разности потенциалов, создаваемой зарядами твердого электрода и ионами ДЭС, электрические свойства границы раздела электрод - электролит зависят также от находящихся на поверхности электрода диполей растворителя. Эти диполи взаимодействуют с зарядами электрода и друг с другом по законам классической электростатики. В результате, при изменении по величине заряда электродов изменялось долевое соотношение диполей с противоположными ориентациями. В последующем модели ДЭС уточнялись, и продолжают уточнится с учетом значительного числа эффектов как электрических так и неэлектрических.

К проблемным вопросам на сегодня можно отнести следующие. Остается открытым вопрос что следует понимать под внутренним сопротивлением СК, каковы временные характеристики электрокинетических процессов. Как следствие, открытым остается вопрос о параметрических границах режима быстрого заряда СК. В литературе посвященной разработкам СК практически отсутствует рассмотрение процессов в сепараторе. Принято считать, что электрокинетические процессы в сепараторах аккумуляторов с СК идентичны. Возможно ли применение принципиально новых материалов для сепараторов СК, которые будут более эффективны для энергообмена в условиях значительно более высоких величин удельной мощности СК по сравнению с аккумуляторами. К проблемным вопросам можно отнести также то, что подавляющее большинство работ по изучению свойств двойного электрического слоя акцентируют внимание на моделировании границы раздела электролита с металлическим электродом, в то время как граница раздела между электролитом и неметаллическим материалом электродов суперконденсатора изучена недостаточно и может иметь отличия от классической модели.

1.4 Рынок суперконденсаторов

Согласно данным компании Lux Research, совокупные темпы годового прироста мирового рынка суперконденсаторов за 2008-2014 годы составят 27%, и объем их продаж возрастет с 208 млн. до 877 млн. долл. По мнению аналитиков компании, рынок суперконденсаторов разделен на два сектора:

• сектор СК для электронных устройств (PCMCIA-карт, флеш-карт, сотовых телефонов, беспроводных сенсорных сетей, цифровых фотокамер, ноутбуков, плееров, игрушек, е-книг, пультов дистанционного управления), на котором действуют большие транснациональные компании;

• сектор больших СК для промышленного применения (в пультах дистанционного управления, ридерах средств радиоидентификации, медицинском оборудовании, промышленных лазерах, транспортных системах, выпрямителях, источниках бесперебойного питания, системах наблюдения и контроля и т.п.), на котором представлены компании, производящие в основном только СК.

Развитию первого сегмента рынка СК способствует потребность сотовых телефонов и цифровых фотокамер в источниках импульсной мощности, которую не могут обеспечить аккумуляторы и обычные конденсаторы. Этот прогноз согласуется с мнением компании, специализирующейся в области маркетинговых исследований рынка, Strategy Analytics. Согласно ее оценкам, использование СК в беспроводных системах зарядки коренным образом изменит способы питания и применения сотовых телефонов. В итоге продажи СК для бытовых систем за рассматриваемый период увеличатся со 122 млн. до более 550 млн. долл.

Развитие рынка СК больших напряжений и емкости стимулируют потребности транспортных средств и вспомогательных источников энергии электрических сетей (в первую очередь ветроводвигателей). Правда, относительно высокая стоимость СК для таких применений сдерживает темпы их освоения в этом секторе рынка.

Тем не менее, продажи больших СК за рассматриваемый период возрастут с 86 млн. до более 320 млн. долл. По оценкам компании Lux Research, на рынке постепенно будут усилваться позиции крупных поставщиков таких конденсаторов. Наибольших успехов на рынке суперконденсаторов, по данным аналитиков компании, достигнут такие крупные игроки, как Panasonic (семейство Gold Capacitor), NEC-Token, Maxwell Technologies. Другими крупными производителями СК являются компании AVX (семейство Best Cap), Nichicon (EVerCAP), Япония, Elna America (DYNACAP), CAP-XX, Австралия, NESS CAP (NESSCP), Южная Корея. Сегодня на рынке представлены суперконденсаторы самых различных габаритов, пригодные практически для любого применения и вполне доступные по цене.

.5 Суперконденсаторы промышленного назначения

Хотя кажется, что разработчики отчаянно борются за каждый лишний нанометр, существует множество приложений, где миниатюризация невозможна или нежелательна. К ним относятся автомобильные и транспортные системы, возобновляемые источники энергии, военные и аэрокосмические системы. Нормой для этих приложений являются суперконденсаторы больших размеров и соответственно большой удельной мощности. Основной игрок в этом секторе рынка - компания Maxwell Technology, которая с выпуском СК семейства Boostcap установила стандарты на СК большой емкости. Компания поставляет одно- и многоэлементные СК серий BCAP и BMOD на низкое напряжение, а также модули на их основе на напряжение до 125 В и емкость до 500 Ф (см. таблицу).

Число рабочих циклов СК серии BMOD превышает 500 тыс., серии BCAP - 106. Срок службы СК компании составляет 10 лет. Габариты высоковольтных модулей лежат в пределах от 178Ч52Ч32 мм до более 515Ч263Ч211 мм. Компания Evans Capacitor для мощных военных систем впустила конденсаторные батареи моделей 3STHQ3 и 3PTHQ3 на СК серии THQ3 (компания называет их гибридными конденсаторами). Емкость СК серии лежит в диапазоне 3,3-150 мФ при напряжении от 125 до 10 В. Диапазон рабочей температуры конденсаторов - -55…125°С. Кон денсаторы поставляются в анодированном алюминиевом корпусе, герметизированном эпоксидной смолой, размером 113,5Ч23,8Ч24,3 мм. Конденсаторные батареи 3STHQ3, содержащие три последовательно соединенных СК, поставляются в трех вариантах: 0,004 Ф/160 В; 0,0028 Ф/200 В; 0,0019 Ф/250 В и 0,0011 Ф/300 В.

1.6 Суперконденсаторы и нанотрубки

Нельзя не сказать о работах по использованию углеродных нанотрубок для создания СК с высокими характеристиками. Как указывалось ранее, CNT - наиболее перспективный материал для получения электродов большой эффективной площади. И сегодня активно изучаются возможности применения CNT в суперконденсаторах. Так, в продолжение работ по созданию гибких и прозрачных элект-ронных устройств на основе CNT и металлических нанопроводов из оксида индия, которые проводят ученые Инженерной школы Витерби при Университете Южной Калифорнии, созданы суперконденсаторы с значениями энергетической плотности и удельной емкости 1,29 Вт·ч/кг и 64 Ф/г соответственно. Конденсатор состоит из четырех слоев - центрального тонкого слоя электролита, двух тонких пластин из полиэтилентерефталата (PET), придающих гибкость и прозрачность, а также верхнего гетерогенного слоя пленки из нанопроводов оксида индия и углеродных нанотрубок. По утверждению разработчиков, им удалось получить достаточно впечатляющие результаты благодаря сочетанию металлических нанопроводов из оксида индия и углеродных трубок. Выбор оксида индия обусловлен его широкой запрещенной зоной и малой длиной диффузионного пробега.

Пленку CNT получали вакуумным методом фильтрации. С помощью плоского полимерного штампа пленка отделялась от фильтрационной мембраны и переносилась на PET-подложку. Нанопровода оксида индия диаметром ~20 нм и длиной ~5 нм формировали методом импульсного лазерного осаждения, после чего диспергировали с помощью ультразвука в раствор изопропанола и равномерно распределяли по пленке CNT. Та ким образом формировалась гетерогенная пленка In2O3/CNT. Испытания полученных суперконденсаторов показали, что с увеличением содержания In2O3 в нанопроводах удельная емкость конденсатора возрастает. Проведенные испытания также показали высокую стабильность СК на основе гетерогенных пленок In2O3/CNT и большое число рабочих циклов, что позволит создать конденсаторы с большим сроком службы.

Среди множества возможных применений СК на нанотрубках создатели указывают встроенные батареи мобильных электронных устройств, источники питания электронной бумаги. Конденсатор может стать и элементом питания сетчаточных дисплеев, возвращающих зрение ослепшим людям. Интересные результаты получены совместными усилиями ученых Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе и Стэнфордского университета. Ими созданы СК на основе одностенных углеродных нанотрубок с использованием материалов, допускающих применение обычных методов трафаретной печати. СК изготавливался путем суспендирования углеродных нанотрубок в воде с помощью ультразвука и последующего напыления на PET-подложку воздушным пульверизатором, подобным распылителю струйнного принтера. Вода испарялась, оставляя два CNT-слоя толщиной 0,6 мкм. В СК использовался гелиевый электролит, полученный путем смешивания порошкообразного поливинилового спирта и кислоты. Гель не растекается, что придает СК гибкость. Значения плотности энергии и мощности созданных таким образом СК составляли 6 Вт·ч/кг и 23 кВт/кг соответственно, сопротивление равно 40-50 Ом, оптическое пропускание - ~12%. Правда, пока емкость СК недостаточна для его применения в каких-либо устройствах. Но полученные результаты показывают возможность создания нового класса печатных, гибких и прозрачных источников тока, способных заменить в различных устройствах литиевые батареи.

Сейчас усилия разработчиков направлены на повышение энергетической плотности созданных СК.

.7 Суперконденсаторы и гибкая электроника

Появление современных гибких электронных устройств позволяет создавать новые системы, которые раньше нельзя было изготовить на основе несгибаемых компонентов. До сих пор реализовать такие системы не удавалось из-за отсутствия гибкого источника питания. Но, по-видимому, сегодня из всех современных энергетических систем в первую очередь суперконденсаторы, с их высокими значениями плотности энергии и мощности, позволят реализовать совершенно новые устройства. Основные исследования в области СК сейчас направлены на совершенствование материала электродов, и здесь большие надежды возлагаются на углеродные нанотрубки.

Несмотря на значительные средства, уже вложенные в индустрию традиционных аккумуляторов, сложность реализации суперконденсаторов и их достаточно высокую стоимость, широкое применение новых источников питания не за горами.

.8 Суперконденсаторы. Разработка и производство в России

В СССР производство и применение суперконденсаторов началась еще в 60-70 г. прошлого столетия в НПО «Квант».

Использование суперконденсаторов позволит избежать провалов напряжения в больницах и на заводах, поможет экономить энергию, потому что он заряжается при торможении, и энергия не уходит в тепло. Его использование поможет снизить вред, наносимый выхлопными газами, в несколько раз. Его можно заряжать от обычной розетки, и прослужит он не два-три года, как обычный аккумулятор, а пятнадцать лет. Ему не страшны низкие и высокие температуры, он практически не имеет ограничений по количеству зарядов и разрядов, а для полной зарядки достаточно 5-10 секунд. Благодаря суперконденсатору можно значительно уменьшить аккумулятор автомобиля: суперконденсатор будет реаккумулировать энергию, затрачиваемую при торможении и возвращать ее в аккумулятор.

В России промышленное производство суперконденсаторов для пуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) различных транспортных средств, включая тепловозы, гибридного транспорта и специального применения осуществляется на предприятиях:

ЗАО «ЭСМА», г. Троицк Московской обл.;

ЗАО «ЭЛИТ», г. Курск;

ООО «Технокор», г. Москва;

НПО «ЭКОНД», г. Москва;

АО «Плескава», г. Псков - по лицензии НПО «ЭКОНД».

Более 90% всей продукции идет на экспорт.

2. Общее описание конденсатора, его принципа действия и характеристик

Конденсатор (электрический) - прибор, служащий для скопления на поверхности небольшого объема вещества большого количества электричества без значительного повышения при этом напряжения электричества в теле. Одно и то же количество электричества, будучи придано различным телам, вызовет в них неодинаковое повышение напряжения, подобно тому, как одно и то же количество тепла повысит температуру различных тел на различное число градусов. Обратно, чтобы повысить напряжение (потенциал) различных тел на одну и ту же величину, нужны различные количества электричества, для одних тел весьма малые, для других весьма большие. О первых телах говорят, что они обладают малой электрической емкостью, о вторых, что их электрическая емкость весьма велика. Вообще же, электроемкость тела определяется тем количеством единиц электричества - кулонов, которые следует придать телу, чтобы повысить его потенциал на единицу электрического потенциала - на один вольт. Поэтому за единицу электрической емкости принята емкость тела, которому нужно придать один кулон, чтобы повысить потенциал его на один вольт. Эта единица емкости названа одной фарадой. Итак, если некоторому телу необходимо придать n кулонов для того, чтобы повысить его потенциал на 1 вольт, 2n - чтобы повысить на 2 вольта и т.д., то емкость этого тела будет n фарад. Емкость каждого отдельно взятого тела зависит от геометрической его формы и от его размеров, но нисколько не зависит ни от вещества, из которого оно приготовлено, ни от массы тела. Так, емкости свинцового и алюминиевого шара того же диаметра, массивных или полых, равны, но емкость свинцового шара изменится, когда мы его массу расплющим и придадим ей форму эллипсоида. Нет общего закона, который просто давал бы зависимость между формой и размерами тела и его емкостью. Наиболее простому закону следует шар, емкость которого пропорциональна его радиусу. В практике принята за единицу емкости одна миллионная доля фарады - одна микрофарада, которая, таким образом, в 900000 раз больше теоретической единицы.

Емкость тел зависит, кроме того:

) от природы непроводящей среды, окружающей тело. Все вышесказанное относится к случаю нахождения тела в пустоте (или приблиз. в воздухе). Если же тело окружено другим диэлектриком, то его емкость будет больше или меньше, чем в пустоте; число, дающее отношение емкости тела в данном диэлектрике к емкости того же тела в пустоте, называется диэлектрической постоянной этого вещества. У всех твердых и жидких изоляторов диэлектрическая постоянная больше, чем у воздуха, у которого она весьма мало разнится от единицы.

) От присутствия вблизи рассматриваемого тела других тел, имеющих другой электрический потенциал. Таким образом, все сказанное выше относится вполне точно лишь к случаю одного проводящего тела, окруженного безграничной изолирующей средой. Емкость тел значительно увеличивается, если к ним приблизить другие проводящие тела, в особенности тела, имеющие всегда потенциал ноль, т.е. соединенные с землей. Увеличение емкости будет тем больше, чем ближе эти тела к заряженному телу и чем полнее они его окружают. Итак, если мы желаем какому-либо телу придать весьма большую емкость, то мы должны поместить его в среду с большой диэлектрической постоянной и возможно близко к нему поместить другое тело, соединенное с землей. Такая комбинация проводников и называется конденсатором. В простейшем виде конденсатор представляет собой две металлические пластины A и B, весьма близкие друг к другу и разъединенные друг от друга каким-либо изолирующим слоем (обкладки): A заряжаема электричеством от постоянного источника (машины, батареи) и называется собирателем, а B соединена с землей и называется сгустителем. Если A заряжается положительным электричеством, то на B возбуждается отрицательное электричество; если затем разобщить соединение B с землей, параллельно соединить A и B проводником, то К. разряжается. Емкость конденсатора зависит от формы и размеров собирателя и сгустителя, от их расстояния и от диэлектрической постоянной среды, между ними находящейся.

Чтобы получить конденсатор весьма большой емкости соединяют иногда несколько конденсаторов в одну батарею параллельно, т.е. берут целый ряд одинаковых конденсаторов и соединяют одним проводником все собиратели вместе, другим - все сгустители. Такая батарея заряжается как один конденсатор и емкость ее равна сумме емкостей отдельных конденсаторов. Если же соединить батарею конденсатора последовательно или, как говорят, каскадом, то емкость батареи будет во столько раз меньше емкости одного конденсатора, сколько в батарее всего конденсаторов. Чтобы зарядить конденсатор, присоединяют собирательную обкладку конденсатора с источником электричества постоянного потенциала, например электрической машиной или гальванической батареей, а сгустительную обкладку с землей или с другим полюсом машины, или батареи. Приток электричества постепенно заряжает конденсатор.

Заряжение конденсатора сопровождается рядом явлений, происходящих внутри конденсатора между его обкладками, в диэлектрике. Обкладки конденсатора, будучи противоположно наэлектризованы, притягивают друг друга с силой прямо пропорциональной: