El camino de los condensadores electroquímicos: un fuerte complemento en el campo de energía

El concepto de capacitores existe desde hace mucho tiempo. Primero fue conocida como la botella de Leiden. Su prototipo es una botella de vidrio que contiene un ácido dieléctrico hidrolizado. El conductor sumergido en ácido y la lámina metálica recubierta en el exterior de la botella de vidrio sirven como dos electrodos. El vidrio en el medio se usa como material dieléctrico, como se muestra en la Figura 1. Berker presentó una patente en 1757, describiendo que la energía eléctrica en la celda primaria es almacenada por la carga almacenada en la celda dual inmersa en el carbón poroso dieléctrico acuoso. interfaz de materiales. ¿Qué es un condensador electroquímico (también conocido como supercondensador)? El primero en ser nombrado es un condensador de gran capacidad (por gramo de capacidad en faradios) desarrollado por un sistema de película de óxido de hafnio y una doble capa de carbono. ¿Cómo se consigue una capacidad de carga tan grande? A continuación, averiguaremos qué está pasando.

Figura 1 Principio y mapa físico de la botella de Leiden

I. Clasificación y principio

Se sabe que los capacitores electroquímicos tienen varias características notables: alta densidad de potencia (carga y descarga rápidas, segundo orden), ciclo de vida prolongado y densidad de energía relativamente grande (ligeramente menor que las baterías de iones de litio), todo lo cual depende del almacenamiento de energía. mecanismo. De acuerdo con el principio de almacenamiento de energía, los condensadores electroquímicos generalmente se dividen en condensadores eléctricos de doble capa y condensadores de tantalio de Faraday. Por supuesto, mezclar los dos también se llama condensador híbrido. ¿Cuáles son sus respectivos mecanismos de almacenamiento de energía y en qué se diferencian de las baterías de iones de litio? A continuación, comprendemos brevemente algunos de los principios básicos de almacenamiento de energía y la diferencia con las baterías de iones de litio, como se muestra en la Figura 2.

Fig. 2 Comparación de la composición básica y el mecanismo de almacenamiento de energía del condensador eléctrico de doble capa, el condensador de tantalio de Faraday y la batería de iones de litio

En un condensador eléctrico de doble capa, las cargas se concentran en una región cercana a la superficie, atrayendo iones positivos y negativos en el electrolito y, por lo tanto, se forma un campo electrostático entre el electrodo y el electrolito para el almacenamiento de energía. Ambos polos tienen cada uno un par de carga positiva y negativa, por lo que se denomina condensador eléctrico de doble capa. Esta reacción es de adsorción física altamente reversible, excelente estabilidad de ciclo (> 100 000 veces) y la tasa de carga y descarga es extremadamente rápida, pero la energía no es alta debido a la carga limitada. En un condensador de tantalio de Faraday, una carga pasa a través de la interfaz del electrolito del electrodo, y una superficie de la sustancia de valencia variable en el electrodo o incrustada en el mismo provoca una reacción redox que se combina con los iones en el electrolito para realizar el almacenamiento de la carga. El mecanismo de almacenamiento de energía es diferente del almacenamiento de energía de doble capa eléctrica tradicional. Debido a que algunas de estas reacciones redox son reacciones reversibles rápidas en la superficie del electrodo, y algunas son reacciones incrustadas con un cierto cambio de fase, la estabilidad del ciclo es peor que la del capacitor eléctrico de doble capa, pero se mejora la energía almacenada. Para una batería de iones de litio, depende principalmente de los iones de litio en el electrolito para ser incrustados y eliminados en la estructura en capas de los electrodos positivo y negativo durante la carga y descarga para realizar el almacenamiento y liberación de carga. Bajo este mecanismo, la energía almacenada es muy grande, pero debido al proceso de cambio de fase, la velocidad de transferencia de carga es lenta y la estructura se colapsa fácilmente, por lo que el rendimiento del ciclo no es alto.

2.estructura y desarrollo

La estructura básica del capacitor electroquímico se muestra en la FIG. 2, e incluye principalmente un electrodo, un electrolito y un separador aislado entre los dos electrodos. Los materiales de los electrodos y los electrolitos son los dos componentes más importantes, y la investigación obtenida es muy sistemática. La siguiente es una breve introducción al progreso de la investigación de los principales materiales de electrodos y electrolitos.

Material del electrodo

La investigación sobre materiales de electrodos ha sido muy madura. La mayoría de los condensadores eléctricos de doble capa originales utilizaban materiales de carbono como el carbono poroso, la fibra de carbono, los nanotubos de carbono y el grafeno. Aunque el material de carbono tiene una capacidad pequeña y una densidad de energía baja, su carga sobre el sustrato conductor puede ser muy alta, lo que hace que su aplicación sea amplia y profunda en el campo de la comercialización. Por supuesto, los investigadores han comenzado recientemente a activar materiales de carbono para lograr densidades de energía más altas, lo que se espera que aumente significativamente el nivel de rendimiento del carbono de grado comercial.

Debido a la capacitancia limitada de los materiales de carbono y al almacenamiento de energía insuficiente, los capacitores de tantalio se han convertido gradualmente en un foco de investigación. Los principales materiales explorados incluyen óxidos metálicos, polímeros conductores, nitruros metálicos y, más recientemente, el estudio de carburos metálicos calientes. El primero ampliamente estudiado es el óxido de itrio, que tiene un excelente rendimiento electroquímico, pero poco a poco está ganando atención debido a su bajo rendimiento y alto precio. Muchos óxidos metálicos tienen un rendimiento superior, pero tienen la desventaja de una conductividad eléctrica deficiente, lo que afecta en gran medida las características de carga y descarga rápidas de los capacitores electroquímicos. La conductividad del polímero conductor es superior a la de la mayoría de los óxidos metálicos y el rendimiento es similar, pero existe el problema de que la estabilidad del ciclo es deficiente. Los nitruros metálicos tienen una conductividad eléctrica superior y una buena capacidad de almacenamiento de energía, pero se oxidan fácilmente durante los ciclos electroquímicos para reducir la conductividad eléctrica y no se garantiza el rendimiento del ciclo. Los carburos o carbonitruros metálicos y los materiales en capas correspondientes (como Mxene, etc.) han recibido una gran atención por parte de los investigadores en los últimos años y tienen un gran potencial de desarrollo.

Electrólito

El sistema de electrolitos de los condensadores electroquímicos está madurando gradualmente con el desarrollo de los electrodos. Desde la perspectiva de una gran clasificación, el electrolito incluye principalmente un electrolito acuoso y un electrolito orgánico. El electrolito a base de agua incluye ácido, ácido y neutro, y tiene una alta conductividad iónica, pero está limitado por el límite de voltaje de descomposición del agua (1,23 V) y su voltaje de trabajo es bajo. Los electrolitos a base de agua se usan más en la investigación científica, pero hay pocos productos comerciales. El tipo de electrolito orgánico es relativamente grande y su mayor característica es que el voltaje límite es mucho más alto que el del electrolito acuoso (2.7-3.7 V). Por lo tanto, un alto voltaje operativo puede ayudar al supercondensador a aumentar considerablemente su densidad de energía. En los condensadores electroquímicos comerciales, se utilizan la gran mayoría de electrolitos orgánicos.

Desarrollo de la estructura del condensador electroquímico.

Con la profundización y la especificidad del trabajo de investigación, la forma del dispositivo del condensador electroquímico también se ha desarrollado mucho. Los primeros supercondensadores disponibles comercialmente eran principalmente del tipo bobinado y del tipo botón (misma estructura que la batería convencional), como se muestra en la Figura 3.

Figura 3 Supercondensadores de bobinado y tipo botón

Con el aumento gradual de la demanda, existen algunas deficiencias en la superficie de aplicación de los condensadores electroquímicos para sustratos duros. Los supercondensadores portátiles flexibles se han convertido en un foco de investigación. El principal avance es que el sustrato es un material conductor flexible, como tela de carbono, papel de carbono, espuma de níquel, láminas de metal flexibles y CNT autoportantes, etc., como se muestra en la figura 4.

Figura 4 Materiales de electrodos flexibles para varios supercondensadores flexibles

El supercapacitor flexible puede realizar el transporte conveniente de la unidad de almacenamiento de energía y el capacitor electroquímico flexible como se muestra en la FIG. 5 impulsa el reloj electrónico como correa de reloj al mismo tiempo.

Figura 5 Algunas aplicaciones de supercapacitores flexibles bidimensionales

Además, cuando se trata de dispositivos portátiles, el sustrato flexible bidimensional sigue siendo insuficiente para satisfacer cualquier necesidad de tejido. En este momento, también se han desarrollado supercondensadores lineales unidimensionales. El tejido efectivo de la prenda se puede lograr mediante el uso de estos supercondensadores lineales, como se muestra en parte de la Figura 6.

Figura 6 Pantalla de tejido de un supercondensador lineal unidimensional

3. el futuro y las perspectivas

¿Cómo se desarrollará el futuro de los supercondensadores? Es un dispositivo de almacenamiento de energía, pero debido a su limitación principal, la capacidad de almacenamiento es difícil de superar la batería (si es más que un supercondensador), no debería tener el mismo efecto que la batería, pero debería usarse como una batería. Una poderosa adición a la fuente de alimentación principal. En este caso, su desarrollo depende naturalmente de la demanda. Cuando se utiliza energía solar o eólica para almacenar energía, se aumenta su potencia; cuando se utiliza como fuente de energía de respaldo, se maximiza su almacenamiento de energía. En definitiva, es seguir las necesidades.

¡Creo que en un futuro cercano, los condensadores electroquímicos se convertirán en un elemento indispensable en la vida diaria, como las baterías, y se convertirán en nuestro buen ayudante!