Ścieżka kondensatorów elektrochemicznych - silne uzupełnienie w dziedzinie energii

Koncepcja kondensatorów istnieje od dawna. Po raz pierwszy była znana jako butelka Leiden. Jego prototypem jest szklana butelka zawierająca hydrolizowany kwasowy dielektryk. Jako dwie elektrody służą przewodnik zanurzony w kwasie i metalowa folia powlekana na zewnątrz szklanej butelki. Szkło pomiędzy nimi jest używane jako materiał dielektryczny, jak pokazano na rysunku 1. Firma Berker złożyła patent w 1757 roku, opisując, że energia elektryczna w pierwotnym ogniwie jest magazynowana przez ładunek przechowywany w podwójnym ogniwie zanurzonym w wodnym dielektrycznym porowatym węglu interfejs materiałowy. Co to jest kondensator elektrochemiczny (inaczej superkondensator)? Pierwszym, który należy wymienić, jest kondensator o dużej pojemności (na gram pojemności farada) opracowany przez system folii z tlenku hafnu i podwójną warstwę węgla. Jak osiąga się tak dużą pojemność ładowania? Następnie dowiemy się, co się dzieje.

Rysunek 1 Zasada działania i mapa fizyczna butelki Leiden

I. Klasyfikacja i zasada

Wiadomo, że kondensatory elektrochemiczne mają kilka godnych uwagi cech: wysoką gęstość mocy (szybkie ładowanie i rozładowywanie, drugi rząd), długi cykl życia i stosunkowo dużą gęstość energii (nieco mniej niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych), z których wszystkie zależą od magazynowania energii mechanizm. Zgodnie z zasadą magazynowania energii, kondensatory elektrochemiczne są generalnie podzielone na kondensatory elektryczne dwuwarstwowe i kondensatory tantalowe Faradaya. Oczywiście mieszanie tych dwóch razem jest również nazywane kondensatorem hybrydowym. Jakie są ich odpowiednie mechanizmy magazynowania energii i czym różnią się od akumulatorów litowo-jonowych? Poniżej pokrótce rozumiemy niektóre z podstawowych zasad przechowywania energii i różnicę w przypadku akumulatorów litowo-jonowych, jak pokazano na rysunku 2.

Rys. 2 Porównanie podstawowego składu i mechanizmu magazynowania energii elektrycznego kondensatora dwuwarstwowego, kondensatora tantalowego Faradaya i akumulatora litowo-jonowego

W elektrycznym kondensatorze dwuwarstwowym ładunki są skoncentrowane w obszarze w pobliżu powierzchni, przyciągając jony dodatnie i ujemne w elektrolicie, a zatem między elektrodą a elektrolitem powstaje pole elektrostatyczne w celu magazynowania energii. Oba bieguny mają parę ładunków dodatnich i ujemnych, dlatego nazywa się to elektrycznym kondensatorem dwuwarstwowym. Ta reakcja jest wysoce odwracalną adsorpcją fizyczną, doskonałą stabilnością cyklu (> 100 000 razy), a szybkość ładowania i rozładowania jest niezwykle szybka, ale energia nie jest wysoka ze względu na ograniczony ładunek. W kondensatorze tantalowym Faradaya ładunek przechodzi przez interfejs elektrolitu elektrody, a powierzchnia substancji o zmiennej wartościowości w elektrodzie lub w niej osadzonej powoduje łączenie się reakcji redoks z jonami w elektrolicie, aby zrealizować magazynowanie ładunku. Mechanizm magazynowania energii różni się od tradycyjnego elektrycznego dwuwarstwowego magazynowania energii. Ponieważ niektóre z tych reakcji redoks są szybkimi reakcjami odwracalnymi na powierzchni elektrody, a niektóre są reakcjami osadzonymi z pewną zmianą fazy, stabilność cyklu jest gorsza niż w przypadku elektrycznego kondensatora dwuwarstwowego, ale zmagazynowana energia jest lepsza. W przypadku akumulatora litowo-jonowego opiera się głównie na jonach litu w elektrolicie, które są osadzane i usuwane z warstwowej struktury elektrod dodatnich i ujemnych podczas ładowania i rozładowywania, aby zrealizować przechowywanie i uwalnianie ładunku. W tym mechanizmie zmagazynowana energia jest bardzo duża, ale ze względu na proces zmiany fazy prędkość transferu ładunku jest niska, a struktura łatwo się zapada, więc wydajność cyklu nie jest wysoka.

2.struktura i rozwój

Podstawową budowę kondensatora elektrochemicznego pokazano na FIG. 2 i zawiera głównie elektrodę, elektrolit i separator izolowany między dwiema elektrodami. Materiały elektrodowe i elektrolity to dwa najważniejsze składniki, a uzyskane badania są bardzo systematyczne. Poniżej znajduje się krótkie wprowadzenie do postępu badań głównych materiałów elektrodowych i elektrolitów.

Materiał elektrody

Badania nad materiałami elektrodowymi są bardzo dojrzałe. Większość oryginalnych elektrycznych kondensatorów dwuwarstwowych wykorzystywała materiały węglowe, takie jak porowaty węgiel, włókno węglowe, nanorurki węglowe i grafen. Chociaż materiał węglowy ma małą pojemność i niską gęstość energii, to jego obciążenie na przewodzące podłoże może być bardzo duże, co sprawia, że ma szerokie i głębokie zastosowanie w polu komercjalizacji. Oczywiście naukowcy niedawno rozpoczęli aktywację materiałów węglowych w celu uzyskania wyższych gęstości energii, co ma znacznie zwiększyć poziom wydajności węgla klasy komercyjnej.

Ze względu na ograniczoną pojemność materiałów węglowych i niewystarczającą akumulację energii kondensatory tantalowe stopniowo stały się obiektem badań. Do głównych zbadanych materiałów należą tlenki metali, polimery przewodzące, azotki metali, a ostatnio badania nad węglikami metali na gorąco. Najwcześniej szeroko badany jest tlenek itru, który ma doskonałe właściwości elektrochemiczne, ale stopniowo zyskuje na popularności ze względu na niską wydajność i wysoką cenę. Wiele tlenków metali ma lepszą wydajność, ale mają wadę słabej przewodności elektrycznej, co znacznie wpływa na charakterystykę szybkiego ładowania i rozładowywania kondensatorów elektrochemicznych. Przewodność polimeru przewodzącego jest lepsza niż większości tlenków metali, a wydajność jest podobna, ale istnieje problem związany ze słabą stabilnością cyklu. Azotki metali mają doskonałą przewodność elektryczną i dobrą zdolność magazynowania energii, ale łatwo utleniają się podczas cykli elektrochemicznych w celu zmniejszenia przewodności elektrycznej, a wydajność cyklu nie jest gwarantowana. Węgliki lub węglikoazotki metali oraz odpowiadające im materiały warstwowe (takie jak Mxene itp.) cieszą się w ostatnich latach dużą uwagą badaczy i mają ogromny potencjał rozwojowy.

Elektrolit

Układ elektrolityczny kondensatorów elektrochemicznych stopniowo dojrzewa wraz z rozwojem elektrod. Z perspektywy dużej klasyfikacji elektrolit obejmuje głównie elektrolit wodny i elektrolit organiczny. Elektrolit na bazie wody zawiera kwasy, kwasy i obojętne i ma wysoką przewodność jonową, ale jest ograniczony przez granicę napięcia rozkładu wody (1,23 V), a jego napięcie robocze jest niskie. Elektrolity na bazie wody są częściej wykorzystywane w badaniach naukowych, ale istnieje niewiele produktów komercyjnych. Rodzaj elektrolitu organicznego jest stosunkowo duży, a jego największą cechą jest to, że napięcie graniczne jest znacznie wyższe niż w przypadku elektrolitu wodnego (2,7-3,7 V). Dlatego wysokie napięcie robocze może pomóc superkondensatorowi znacznie zwiększyć jego gęstość energii. W komercyjnych kondensatorach elektrochemicznych stosuje się zdecydowaną większość elektrolitów organicznych.

Opracowanie struktury kondensatora elektrochemicznego

Wraz z pogłębieniem i specyfiką prac badawczych bardzo rozwinął się również kształt urządzenia kondensatora elektrochemicznego. Pierwsze dostępne na rynku superkondensatory były głównie typu uzwojonego i typu guzikowego (taka sama konstrukcja jak bateria konwencjonalna), jak pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3 Superkondensatory uzwojone i guzikowe

Wraz ze stopniowym wzrostem zapotrzebowania pojawiają się pewne niedociągnięcia w powierzchni aplikacyjnej kondensatorów elektrochemicznych do twardych podłoży. Elastyczne przenośne superkondensatory stały się gorącym punktem badań. Głównym ulepszeniem jest to, że podłoże jest elastycznym materiałem przewodzącym, takim jak tkanina węglowa, papier węglowy, pianka niklowa, elastyczne blachy metalowe i samonośne CNT itp., jak pokazano na RYS.4.

Rysunek 4 Elastyczne materiały elektrod dla kilku elastycznych superkondensatorów

Elastyczny superkondensator może zapewnić wygodne przenoszenie jednostki magazynowania energii i elastycznego kondensatora elektrochemicznego, jak pokazano na FIG. 5 napędza zegarek elektroniczny jako pasek do zegarka w tym samym czasie.

Rysunek 5 Niektóre zastosowania dwuwymiarowych elastycznych superkondensatorów

Ponadto, jeśli chodzi o urządzenia do noszenia, dwuwymiarowe elastyczne podłoże jest nadal niewystarczające, aby zaspokoić jakąkolwiek potrzebę tkania. W tym czasie opracowano również jednowymiarowe superkondensatory liniowe. Efektywne tkanie odzieży można osiągnąć za pomocą tych liniowych superkondensatorów, jak pokazano na niektórych rys. 6.

Rysunek 6 Wyświetlacz tkacki jednowymiarowego liniowego superkondensatora

3. przyszłość i perspektywy

Jak będzie się rozwijać przyszłość superkondensatorów? Jest to urządzenie do magazynowania energii, ale ze względu na swoje podstawowe ograniczenia pojemność akumulatora jest trudna do przekroczenia (jeśli jest to więcej niż superkondensator), nie powinna mieć takiego samego efektu jak akumulator, ale powinna być używana jako bateria. Potężny dodatek do głównego źródła zasilania. W tym przypadku jego rozwój w naturalny sposób zależy od popytu. Kiedy energia słoneczna lub wiatrowa jest wykorzystywana do przechowywania energii, jej moc wzrasta; gdy jest używany jako zapasowe źródło zasilania, jego magazynowanie energii jest zmaksymalizowane. Krótko mówiąc, ma podążać za potrzebami.

Wierzę, że w niedalekiej przyszłości kondensatory elektrochemiczne staną się nieodzownym elementem codziennego życia, takim jak baterie i staną się naszym dobrym pomocnikiem!