Koncepcja kondensatorów istnieje od dawna. Po raz pierwszy by?a znana jako butelka Leiden. Jego prototypem jest szklana butelka zawieraj?ca hydrolizowany kwasowy dielektryk. Jako dwie elektrody s?u?? przewodnik zanurzony w kwasie i metalowa folia powlekana na zewn?trz szklanej butelki. Szk?o pomi?dzy nimi jest u?ywane jako materia? dielektryczny, jak pokazano na rysunku 1. Firma Berker z?o?y?a patent w 1757 roku, opisuj?c, ?e energia elektryczna w pierwotnym ogniwie jest magazynowana przez ?adunek przechowywany w podwójnym ogniwie zanurzonym w wodnym dielektrycznym porowatym w?glu interfejs materia?owy. Co to jest kondensator elektrochemiczny (inaczej superkondensator)? Pierwszym, który nale?y wymieni?, jest kondensator o du?ej pojemno?ci (na gram pojemno?ci farada) opracowany przez system folii z tlenku hafnu i podwójn? warstw? w?gla. Jak osi?ga si? tak du?? pojemno?? ?adowania? Nast?pnie dowiemy si?, co si? dzieje.

Rysunek 1 Zasada dzia?ania i mapa fizyczna butelki Leiden

I. Klasyfikacja i zasada

Wiadomo, ?e kondensatory elektrochemiczne maj? kilka godnych uwagi cech: wysok? g?sto?? mocy (szybkie ?adowanie i roz?adowywanie, drugi rz?d), d?ugi cykl ?ycia i stosunkowo du?? g?sto?? energii (nieco mniej ni? w przypadku akumulatorów litowo-jonowych), z których wszystkie zale?? od magazynowania energii mechanizm. Zgodnie z zasad? magazynowania energii, kondensatory elektrochemiczne s? generalnie podzielone na kondensatory elektryczne dwuwarstwowe i kondensatory tantalowe Faradaya. Oczywi?cie mieszanie tych dwóch razem jest równie? nazywane kondensatorem hybrydowym. Jakie s? ich odpowiednie mechanizmy magazynowania energii i czym ró?ni? si? od akumulatorów litowo-jonowych? Poni?ej pokrótce rozumiemy niektóre z podstawowych zasad przechowywania energii i ró?nic? w przypadku akumulatorów litowo-jonowych, jak pokazano na rysunku 2.

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

W elektrycznym kondensatorze dwuwarstwowym ?adunki s? skoncentrowane w obszarze w pobli?u powierzchni, przyci?gaj?c jony dodatnie i ujemne w elektrolicie, a zatem mi?dzy elektrod? a elektrolitem powstaje pole elektrostatyczne w celu magazynowania energii. Oba bieguny maj? par? ?adunków dodatnich i ujemnych, dlatego nazywa si? to elektrycznym kondensatorem dwuwarstwowym. Ta reakcja jest wysoce odwracaln? adsorpcj? fizyczn?, doskona?? stabilno?ci? cyklu (> 100 000 razy), a szybko?? ?adowania i roz?adowania jest niezwykle szybka, ale energia nie jest wysoka ze wzgl?du na ograniczony ?adunek. W kondensatorze tantalowym Faradaya ?adunek przechodzi przez interfejs elektrolitu elektrody, a powierzchnia substancji o zmiennej warto?ciowo?ci w elektrodzie lub w niej osadzonej powoduje ??czenie si? reakcji redoks z jonami w elektrolicie, aby zrealizowa? magazynowanie ?adunku. Mechanizm magazynowania energii ró?ni si? od tradycyjnego elektrycznego dwuwarstwowego magazynowania energii. Poniewa? niektóre z tych reakcji redoks s? szybkimi reakcjami odwracalnymi na powierzchni elektrody, a niektóre s? reakcjami osadzonymi z pewn? zmian? fazy, stabilno?? cyklu jest gorsza ni? w przypadku elektrycznego kondensatora dwuwarstwowego, ale zmagazynowana energia jest lepsza. W przypadku akumulatora litowo-jonowego opiera si? g?ównie na jonach litu w elektrolicie, które s? osadzane i usuwane z warstwowej struktury elektrod dodatnich i ujemnych podczas ?adowania i roz?adowywania, aby zrealizowa? przechowywanie i uwalnianie ?adunku. W tym mechanizmie zmagazynowana energia jest bardzo du?a, ale ze wzgl?du na proces zmiany fazy pr?dko?? transferu ?adunku jest niska, a struktura ?atwo si? zapada, wi?c wydajno?? cyklu nie jest wysoka.

2.struktura i rozwój

Podstawow? budow? kondensatora elektrochemicznego pokazano na FIG. 2 i zawiera g?ównie elektrod?, elektrolit i separator izolowany mi?dzy dwiema elektrodami. Materia?y elektrodowe i elektrolity to dwa najwa?niejsze sk?adniki, a uzyskane badania s? bardzo systematyczne. Poni?ej znajduje si? krótkie wprowadzenie do post?pu badań g?ównych materia?ów elektrodowych i elektrolitów.

Materia? elektrody

Badania nad materia?ami elektrodowymi s? bardzo dojrza?e. Wi?kszo?? oryginalnych elektrycznych kondensatorów dwuwarstwowych wykorzystywa?a materia?y w?glowe, takie jak porowaty w?giel, w?ókno w?glowe, nanorurki w?glowe i grafen. Chocia? materia? w?glowy ma ma?? pojemno?? i nisk? g?sto?? energii, to jego obci??enie na przewodz?ce pod?o?e mo?e by? bardzo du?e, co sprawia, ?e ma szerokie i g??bokie zastosowanie w polu komercjalizacji. Oczywi?cie naukowcy niedawno rozpocz?li aktywacj? materia?ów w?glowych w celu uzyskania wy?szych g?sto?ci energii, co ma znacznie zwi?kszy? poziom wydajno?ci w?gla klasy komercyjnej.

Ze wzgl?du na ograniczon? pojemno?? materia?ów w?glowych i niewystarczaj?c? akumulacj? energii kondensatory tantalowe stopniowo sta?y si? obiektem badań. Do g?ównych zbadanych materia?ów nale?? tlenki metali, polimery przewodz?ce, azotki metali, a ostatnio badania nad w?glikami metali na gor?co. Najwcze?niej szeroko badany jest tlenek itru, który ma doskona?e w?a?ciwo?ci elektrochemiczne, ale stopniowo zyskuje na popularno?ci ze wzgl?du na nisk? wydajno?? i wysok? cen?. Wiele tlenków metali ma lepsz? wydajno??, ale maj? wad? s?abej przewodno?ci elektrycznej, co znacznie wp?ywa na charakterystyk? szybkiego ?adowania i roz?adowywania kondensatorów elektrochemicznych. Przewodno?? polimeru przewodz?cego jest lepsza ni? wi?kszo?ci tlenków metali, a wydajno?? jest podobna, ale istnieje problem zwi?zany ze s?ab? stabilno?ci? cyklu. Azotki metali maj? doskona?? przewodno?? elektryczn? i dobr? zdolno?? magazynowania energii, ale ?atwo utleniaj? si? podczas cykli elektrochemicznych w celu zmniejszenia przewodno?ci elektrycznej, a wydajno?? cyklu nie jest gwarantowana. W?gliki lub w?glikoazotki metali oraz odpowiadaj?ce im materia?y warstwowe (takie jak Mxene itp.) ciesz? si? w ostatnich latach du?? uwag? badaczy i maj? ogromny potencja? rozwojowy.

Elektrolit

Uk?ad elektrolityczny kondensatorów elektrochemicznych stopniowo dojrzewa wraz z rozwojem elektrod. Z perspektywy du?ej klasyfikacji elektrolit obejmuje g?ównie elektrolit wodny i elektrolit organiczny. Elektrolit na bazie wody zawiera kwasy, kwasy i oboj?tne i ma wysok? przewodno?? jonow?, ale jest ograniczony przez granic? napi?cia rozk?adu wody (1,23 V), a jego napi?cie robocze jest niskie. Elektrolity na bazie wody s? cz??ciej wykorzystywane w badaniach naukowych, ale istnieje niewiele produktów komercyjnych. Rodzaj elektrolitu organicznego jest stosunkowo du?y, a jego najwi?ksz? cech? jest to, ?e napi?cie graniczne jest znacznie wy?sze ni? w przypadku elektrolitu wodnego (2,7-3,7 V). Dlatego wysokie napi?cie robocze mo?e pomóc superkondensatorowi znacznie zwi?kszy? jego g?sto?? energii. W komercyjnych kondensatorach elektrochemicznych stosuje si? zdecydowan? wi?kszo?? elektrolitów organicznych.

Opracowanie struktury kondensatora elektrochemicznego

Wraz z pog??bieniem i specyfik? prac badawczych bardzo rozwin?? si? równie? kszta?t urz?dzenia kondensatora elektrochemicznego. Pierwsze dost?pne na rynku superkondensatory by?y g?ównie 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 pojawiaj? si? pewne niedoci?gni?cia w powierzchni aplikacyjnej kondensatorów elektrochemicznych do twardych pod?o?y. Elastyczne przeno?ne superkondensatory sta?y si? gor?cym punktem badań. G?ównym ulepszeniem jest to, ?e pod?o?e jest elastycznym materia?em przewodz?cym, takim jak tkanina w?glowa, papier w?glowy, pianka niklowa, elastyczne blachy metalowe i samono?ne CNT itp., jak pokazano na RYS.4.

Rysunek 4 Elastyczne materia?y elektrod dla kilku elastycznych superkondensatorów

Elastyczny superkondensator mo?e zapewni? wygodne przenoszenie jednostki magazynowania energii i elastycznego kondensatora elektrochemicznego, jak pokazano na FIG. 5 nap?dza zegarek elektroniczny jako pasek do zegarka w tym samym czasie.

Rysunek 5 Niektóre zastosowania dwuwymiarowych elastycznych superkondensatorów

Ponadto, je?li chodzi o urz?dzenia do noszenia, dwuwymiarowe elastyczne pod?o?e jest nadal niewystarczaj?ce, aby zaspokoi? jak?kolwiek potrzeb? tkania. W tym czasie opracowano równie? jednowymiarowe superkondensatory liniowe. Efektywne tkanie odzie?y mo?na osi?gn?? za pomoc? tych liniowych superkondensatorów, jak pokazano na niektórych rys. 6.

Rysunek 6 Wy?wietlacz tkacki jednowymiarowego liniowego superkondensatora

3. przysz?o?? i perspektywy

Jak b?dzie si? rozwija? przysz?o?? superkondensatorów? Jest to urz?dzenie do magazynowania energii, ale ze wzgl?du na swoje podstawowe ograniczenia pojemno?? akumulatora jest trudna do przekroczenia (je?li jest to wi?cej ni? superkondensator), nie powinna mie? takiego samego efektu jak akumulator, ale powinna by? u?ywana jako bateria. Pot??ny dodatek do g?ównego ?ród?a zasilania. W tym przypadku jego rozwój w naturalny sposób zale?y od popytu. Kiedy energia s?oneczna lub wiatrowa jest wykorzystywana do przechowywania energii, jej moc wzrasta; gdy jest u?ywany jako zapasowe ?ród?o zasilania, jego magazynowanie energii jest zmaksymalizowane. Krótko mówi?c, ma pod??a? za potrzebami.

Wierz?, ?e w niedalekiej przysz?o?ci kondensatory elektrochemiczne stan? si? nieodzownym elementem codziennego ?ycia, takim jak baterie i stan? si? naszym dobrym pomocnikiem!