Курсовая работа (т): Системы хранения электрической энергии на основе нанотехнологий
Электролитические конденсаторы являются низкочастотными элементами электрической цепи, их редко применяют для работы на частотах выше 30 кГц. В основном они служат для сглаживания пульсирующего тока в цепях выпрямителей переменного тока. Кроме этого электролитические конденсаторы активно используются в звуковоспроизводящей технике. Электролитические конденсаторы разделяют пульсирующий ток (ток звуковой частоты + постоянная составляющая) на переменную составляющую тока звуковой частоты, которая подаётся на следующий каскад усиления и постоянную составляющую, которая не поступает на последующий каскад усиления. Такие конденсаторы называют разделительными.
В связи с тем, что электролиты имеют полярность, то при работе на их обкладках должно поддерживаться постоянное, не изменяющее знака, напряжение, что является недостатком электролитических конденсаторов. По этой причине, их можно применять только в цепях с пульсирующим или постоянным током.
Электролиты обладают заметным последовательным сопротивлением, которое может достигать значения порядка 1 Ом, а его значение возрастает с ростом рабочей частоты. Причина этого эффекта - сравнительно низкая проводимость и подвижность ионов электролита.
Широко распространённые алюминиевые конденсаторы по сравнению с другими конденсаторами имеют некоторые специфические свойства, которые следует учитывать при их использовании. За счёт того, что алюминиевые обкладки электролитических конденсаторов скручивают для помещения в цилиндрический корпус, образуется индуктивность, эта индуктивность во многих случаях нежелательна.
На верхней части цилиндрического корпуса радиальных электролитических конденсаторов нанесена защитная насечка - клапан. Дело в том, что если на электролит воздействует переменное напряжение, то конденсатор сильно разогревается и жидкий электролит расширяется. Корпус конденсатора может лопнуть. Поэтому на корпусе и наносится защитный клапан, чтобы под действием избыточного давления он предотвратил взрыв конденсатора, выпустив закипающий электролит наружу.
Из-за невозможности достичь достаточной герметизации корпуса, жидкий электролит со временем высыхает. При этом теряется ёмкость конденсатора. Также высыханию электролита способствует нагрев. Поэтому на корпусе практически любого электролитического конденсатора указывается допустимый диапазон рабочей температуры. Например, от −40 до +105°C.
3. Ионисторы (суперконденсаторы)
.1 Общее описание
Современная электронная техника широко использует в качестве перезаряжаемых источников тока энергонакопительные электрические конденсаторы (оксидно-электролитические, керамические, с органическими диэлектриками и т.д.) и электрохимические источники тока (аккумуляторы). При использовании в качестве источников тока энергонакопительные электрические конденсаторы имеют ряд преимуществ перед аккумуляторами:
• они могут эксплуатироваться в широком интервале температур (от -60 до +125°С и выше) без обслуживания и замены в течение всего срока службы (до 20 лет и более);
• имеют большое количество циклов в режиме «зарядка-разрядка» (> 10 6 циклов) без заметного ухудшения параметров;
• имеют высокую удельную мощность (десятки кВт/кг) и, благодаря небольшой постоянной времени RС, заряжаются и разряжаются очень быстро (практически мгновенно).
Однако накапливаемая конденсаторами в процессе зарядки удельная энергия невелика (около 1 кДж/кг), поэтому область их использования ограничивается применением в качестве мощных импульсных источников тока. Увеличение удельной энергии энергонакопительных конденсаторов - одна из актуальных проблем электронной техники. Аккумуляторы (никель-кадмиевые, никель-гидридные, литий-ионные и т.д.), в отличие от конденсаторов, накапливают на два-три порядка большее количество энергии
(10 кДж/кг) и широко используются в качестве автономных, периодически перезаряжаемых источников тока, однако их удельная мощность невелика (порядка 0,01-0,1 кВт/кг), равно как и количество циклов «зарядка-разрядка» (порядка 10 циклов).
По величине удельной энергии и удельной мощности между традиционными типами аккумуляторов и конденсаторов существует «пробел», можно даже сказать «пропасть», как минимум, в 2 порядка. Этот «пробел» постепенно заполняется как разработчиками новых аккумуляторов с повышенной удельной мощностью (> 0,1 кВт/кг), так и разработчиками новых конденсаторов с повышенной удельной энергией (> 1 кДж/кг). Однако для удовлетворения потребностей развивающейся техники этого явно недостаточно. Сегодня необходимы как конденсаторы с удельной энергией порядка десятков кДж/кг, так и аккумуляторы с удельной мощностью порядка 1-10 кВт/кг. Из-за отсутствия серийного производства таких накопителей энергии сдерживается развитие многих отраслей науки и техники, в том числе разработка и производство электромобилей с гибридными силовыми установками.
Существенный вклад в дело заполнения этого «пробела» сделан в последнее десятилетие благодаря созданию и развитию производства нового типа энергонакопительных электрических конденсаторов - конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов) - известных под названиями «суперконденсаторы», «гиперконденсаторы» (Япония), «ультраконденсаторы» (Германия, США), «электрохимические конденсаторы» (Франция, Канада) и т.п. Некоторые типы таких конденсаторов способны накапливать удельную энергию более 10 кДж/кг и разряжаться на нагрузку с удельной мощностью порядка 1-10 кВт/кг.
3.2 Принципы функционирования ионисторов
В ионисторах энергия накапливается в процессе зарядки за счет поляризации двойных электрических слоев (ДЭС) на границах раздела «анод-электролит» и «катод-электролит». Впервые модель двойного электрического слоя в системах «электрод-электролит» создал в 1879 году Гельмгольц и показал, что ДЭС по существу является конденсатором, одна из обкладок которого - заряженная поверхность электрода, а другая - слой ионов противоположного знака в электролите (ионного проводника). Впоследствии усилиями Гуи, Штерна и Фрумкина создана классическая теория строения и свойств ДЭС в водных электролитах, и, таким образом, был заложен фундамент для создания различных электрохимических преобразователей энергии и информации (в том числе и ионисторов). В частности, было установлено, что удельная емкость ДЭС весьма высока (около 0,2 Ф/м), а скачок потенциала в двойном электрическом слое может достигать величины 1 В и даже выше. Другими словами, система «электронный проводник - ионный проводник» в определенных условиях ведет себя как конденсатор, то есть при прохождении через такую систему тока изменяется межфазная разность потенциалов.
В концентрированных электролитах заряд на межфазной границе образован избыточным электронным (дырочным) зарядом поверхности металлического электрода и избыточным ионным зарядом со стороны электролита. Ионы электролита плотно прижаты к поверхности электрода как силами изображения, так и электростатическим притяжением электронного заряда поверхности, так что расстояние между зарядами в двойном слое по порядку величины близко к радиусу иона. В электролитах ионы, как правило, сольватированы (захвачены средой в результате поляризации им окружающих молекул), что несколько увеличивает их радиус. Молекулы воды на межфазной границе сильно поляризованы.
В качестве электродов в ионисторах чаще всего используют микропористые электронные проводники с высокой удельной поверхностью, например, различные активированные углеродные материалы. Такие материалы содержат большое количество пор с размерами порядка 10-9 Расчеты показывают, что углеродные элементы, разделяющие поры, имеют размеры такого же порядка. При таком развитии площади поверхности и удельной емкости ДЭС 0,2 Ф/м2 возможно получение удельной емкости Суд.= 0,2 Ф/м2 *106м2/кг = 200 кФ в 1 кг электрода.
Если рабочий интервал потенциалов электрода составляет, например, 1,0 В, то в электроде массой (m) в 1 кг возможно накопить Еуд.= Суд.*∆ц2/2 m = 200 * 12/ 2 * 1 = 100 кДж/кг энергии.
Благодаря сочетанию высокой электрической прочности ДЭС с высокой удельной емкостью электродов возможно создание ионисторов с удельной энергией в десятки кДж/кг. В отличие от аккумуляторов, заряд и разряд к оторых ограничен протекающими электрохимическими реакциями на электродах, ионисторы можно заряжать и разряжать «накоротко», так как ДЭС образно можно сравнить с пружиной, которая сжимается в процессе зарядки и отдает накопленную энергию в процессе разрядки. При заряде и разряде ионистор ведет себя как идеальный конденсатор, заряжаемый или разряжаемый через ограничительный резистор - внутреннее сопротивление. В случае использования электролитов с высоким напряжением разложения (1-3 В) и низким удельным сопротивлением возможно создание ионисторов с удельной мощностью порядка 10 кВт/кг. Сравнительные характеристики аккумуляторов, ионисторов и энергонакопительных конденсаторов
.3 Сравнительные характеристики аккумуляторов, ионисторов и энергонакопительных конденсаторов
Сравнительные характеристики накопителей электрической энергии в наглядном виде принято рассматривать в координатах «удельная энергия Е (кДж/кг или Вт·час/кг; при этом 3,6 кДж/кг = 1 Вт·час/кг) - удельная мощность Р (кВт/кг)». На рисунке изображены такие характеристики и области перспективного развития некоторых типов аккумуляторов, ионисторов и конденсаторов с оксидными диэлектриками в логарифмическом масштабе. Аккумуляторы на этом рисунке занимают верхний левый угол и охватывают область 1 по величине удельной энергии порядка 10 - 100 Вт·час/кг и по величине удельной мощности порядка 10 -2 - 10 -1 кВт/кг; оксидно-электролитические конденсаторы занимают нижний правый угол и охватывают область 2 по величине удельной энергии порядка 10 -2 - 19 -1 Вт·час/кг и по величине удельной мощности порядка 10 - 100 кВт/кг, а характеристики ионисторов (область 3) расположены между ними. По количеству циклов «зарядка-разрядка» (порядка 10 4 - 10 6), а также по величине диапазона рабочих температур (от -50 до +85°С) ионисторы также занимают промежуточное положение между аккумуляторами и оксидно-электролитическими конденсаторами.
3.4 Типы ионисторов
Существующие типы ионисторов, несмотря на большое их разнообразие, подразделяют на три типа:
а) Ионисторы с идеально поляризуемыми углеродными электродами («идеальные» ионисторы). Как электрохимические системы их можно записать, например, следующим образом:
С / 30% водный раствор КОН / С +;
С / 38% водный раствор Н2SO4/ С+
С / Органический электролит / С +
В этом типе ионисторов на электродах в рабочем интервале напряжений не протекают электрохимические реакции, накладывающие известные ограничения на скорость зарядки и разрядки, поэтому по величине энергии и мощности, температурному диапазону и количеству циклов они ближе остальных типов к области 2 оксидно-электролитических конденсаторов. Емкость ионисторов типа 1 представляет собой емкость двух последовательно включенных через эквивалентное последовательное сопротивление.
б) Ионисторы с идеально поляризуемым углеродным электродом и неполяризуемыми или слабо поляризуемыми катодом или анодом («гибридные» ионисторы). Как электрохимические системы их можно записать, например, следующим образом:
В этом типе ионисторов на одном из электродов (катоде или аноде) протекает электрохимическая реакция (как в аккумуляторах), поэтому их называют гибридными суперконденсаторами (гибрид конденсатора и аккумулятора). В конденсаторе с твердым электролитом RbAg
Ёмкость ионисторов типа 2 в два раза выше, чем ионисторов типа 1, так как емкость неполяризуемого электрода замкнута сопротивлением протекающей электрохимической реакции. Эта реакция накладывает диффузионные и кинетические ограничения на скорость зарядки и разрядки ионисторов типа 2, поэтому по величине удельной энергии и мощности, температурному диапазону и количеству циклов ионисторы типа 2 ближе ионисторов типа 1 к области аккумуляторов.
в) Псевдоконденсаторы - это ионисторы, на поверхности электродов которых при заряде и разряде протекают обратимые электрохимические процессы (хемосорбция или интеркаляция ионов, содержащихся в электролите). Как электрохимические системы их можно записать, например, следующим образом:
По принципу накопления энергии псевдоконденсаторы можно отнести как к ионисторам (если энергия накапливается только в поверхностном слое электродов), так и к аккумуляторам (если энергия накапливается не только в поверхностном слое, но и в объеме электродов). Удельная энергия псевдоконденсаторов благодаря протеканию электрохимических реакций на обоих электродах сравнима с энергией, накапливаемой в аккумуляторах, однако величина удельной мощности и количество циклов в режиме «зарядка-разрядка» могут быть на порядок выше того, что достигнуто в области аккумуляторов, так как диффузионные и кинетические ограничения удается минимизировать за счет увеличения площади поверхности электродов. По величине удельной энергии и мощности, температурному диапазону эксплуатации и количеству циклов псевдоконденсаторы ближе всех остальных типов конденсаторов к аккумуляторам. Деление ионисторов на три типа позволяет ориентироваться в большом многообразии этих изделий как по типу используемых электрохимических систем, так и по эксплуатационным характеристикам.
3.5 Разработка и практическое использование ионисторов
Потребность в ионисторах возникла во второй половине ХХ века благодаря развитию низковольтной полупроводниковой электроники и росту потребности в перезаряжаемых источниках тока с большим количеством циклов и с требуемым соотношением удельной энергии и удельной мощности.
До создания конденсаторов с двойным электрическим слоем разработчики аппаратуры были вынуждены использовать в качестве источников тока с требуемой энергией и мощностью батареи аккумуляторов с избыточной энергией или батареи конденсаторов с избыточной мощностью, а также мириться с неизбежным увеличением габаритов и массы разрабатываемой аппаратуры.
Исследованиями, разработками, производством и проблемами использования конденсаторов с двойным электрическим слоем в настоящее время заняты десятки фирм и университетов. Серийные и опытные образцы конденсаторов с двойным электрическим слоем различных фирм (Maxwell, EPCOS, Elna, NEC и т.д.) способны практически полностью перекрыть диапазон по удельной энергии и удельной мощности между аккумуляторами и электролитическими конденсаторами, а в некоторых случаях даже конкурировать с ними в приграничных областях.
Конкурентоспособность конденсаторов с двойным электрическим слоем в таких случаях определяется следующими факторами:
• большое количество циклов в режиме «зарядка-разрядка»;
• надежность и долговечность;
• широкий интервал рабочих температур;
• экологическая безопасность производства и использования.
Активное противодействие «экспансии» конденсаторов с двойным электрическим слоем в последнее время оказывают литий-ионные аккумуляторы. Исследования и разработки микропористых электродов для литий-ионных аккумуляторов позволяют увеличивать удельную мощность этих изделий до уровня удельной мощности конденсаторов с двойным электрическим слоем и, благодаря их высокой удельной энергоемкости, успешно конкурировать с последними, когда не требуется слишком большое количество циклов в режиме «зарядка-разрядка». Конкуренция между конденсаторами с двойным электрическим слоем и оксидно-электролитическими конденсаторами возможна в перспективе, при условии снижения рабочих напряжений в электронной технике до 1-1,5 В. Использование оксидно-электролитических конденсаторов при напряжениях до 1,5 В проблематично, так как оксидные диэлектрики формуются при напряжениях выше 1,5 В, а при низких напряжениях расформовываются при эксплуатации. Уникальное сочетание удельной энергии, удельной мощности и большого количества циклов в режиме «зарядка-разрядка» в конденсаторах с двойным электрическим слоем весьма эффективно используется в новых разработках электромобилей. Основной источник электроэнергии в этих изделиях, обеспечивающий требуемую величину пробега, - батарея топливных элементов или аккумуляторов - защищен от перегрузок модулем из последовательно соединенных конденсаторов с двойным электрическим слоем. Благодаря этому модулю удается решить сразу несколько проблем: