В настоящее время суперконденсаторы привлекают все больше и больше внимания своими исключительными параметрами, такими как электрическая емкость, огромный разрядный ток и срок службы. Благодаря этим свойствам они находят широкое применение.
К сожалению, очень часто суперконденсаторы используют в случаях, где обычные аккумуляторные батареи были бы более подходящими.
Для правильного использования суперконденсаторов необходимо понимать не только принцип их работы и физические явления, происходящие внутри, но и ограничения и недостатки, ограничивающие суперконденсаторы.
В данной статье предпринята попытка обобщить наиболее важную информацию о суперконденсаторах и определить их место среди других накопителей электрической энергии - литий-ионных аккумуляторов.
Введение
И суперконденсаторы, и аккумуляторы служат для накопления (хранения) электрической энергии. На сегодняшний день литий-ионные аккумуляторы и суперконденсаторы представляют собой самые передовые технологии среди аккумуляторов и конденсаторов.
Разработка вторичных литий-ионных аккумуляторов началась в конце 1970-х годов с открытия обратимой интеркаляции лития в графит вместе с открытием материала положительного электрода LiCoO2 (оксид лития-кобальта).
За этим последовали в середине 1980-х первые экспериментальные вторичные элементы, где отрицательный электрод состоял из графита, а положительный электрод состоял из LiCoO2. В 1991 году SONY выпустила первую коммерческую вторичную литий-ионную батарею для питания портативной камеры.
Разработка суперконденсаторов происходила параллельно с разработкой литий-ионных аккумуляторов, но из-за успеха этих аккумуляторов разработка суперконденсаторов несколько задержалась.
Первые эксперименты были проведены в 1950-х и 1970-х годах компаниями General Electric и Standard Oil of Ohio (SOHIO), емкость этих суперконденсаторов составляла около 1Ф.
В 1970-х годах была запатентована технология с использованием аморфных углеродных электродов, положенная в основу современных суперконденсаторов. В то же время был запущен первый коммерческий суперконденсатор от Panasonic под названием «GoldCap», который имел большое внутреннее сопротивление.
В 1980-х годах появился первый суперконденсатор с низким внутренним сопротивлением, произведенный для военных целей. В начале 90-х лет Maxwell Laboratories выпускает первый коммерческий суперконденсатор «BoostCap» емкостью 1 кФ и низким внутренним сопротивлением. Сегодня общедоступны суперконденсаторы емкостью более 3 кФ.
Принципиальное различие между двумя устройствами заключается в физической природе, которую оба устройства используют для хранения энергии.
Батареи хранят энергию в виде химических связей в электрически нейтральных молекулах. Напротив, суперконденсаторы используют взаимодействие сил между электрически заряженными частицами, где энергия хранится в виде электрического заряда (электрически заряженных частиц). Это также приводит к физическим величинам, которые описывают количество накопленной энергии.
В случае батареи речь идет о так называемом электродвижущем напряжении, единицей измерения которого является Вольт (В). С другой стороны, в случае конденсатора мы говорим об электрическом потенциале, единицей измерения которого снова является Вольт (В). Затем мы определяем разность электрических потенциалов как электрическое напряжение, единицей измерения является вольт (В).
Хотя на первый взгляд это одни и те же единицы и сходные величины, это совершенно разные физические процессы. Это различие определяет физическую сущность функционирования обоих устройств и тесно связано не только с технологией каждого устройства, но прежде всего с его поведением как источника (аккумулятора) электрической энергии.
Литий-ионные аккумуляторы
Литий-ионные аккумуляторы используют для своей функции интеркаляцию ионов лития (интеркаляция — это процесс поступления ионов в материал) попеременно между положительным и отрицательным электродами, это так называемый принцип кресла-качалки.
Важным фактом является то, что ионы лития должны попасть внутрь (в объем) отдельных частиц (зерен) электродных материалов, чтобы произошла токогенерирующая реакция.
Этот процесс называется твердофазной диффузией и является относительно медленным (самый медленный процесс в литий-ионном аккумуляторе) по сравнению с диффузией ионов в электролите суперконденсатора, которая происходит значительно быстрее.
Параметр диффузии определяет способность батареи отдавать электрический ток и своего рода мнимую «жесткость» батареи как идеализированного источника напряжения.
Максимальная производительность аккумулятора и его внутреннее сопротивление также тесно связаны с этим параметром.
Ионы лития высвобождаются из положительного электрода во время зарядки аккумулятора и проходят через электролит к отрицательному графитовому электроду. Здесь они проникают и оседают в графит. Чем больше ионов лития проникает в графит, тем больше емкость батареи.
При разряде процесс аналогично обратный, ионы лития перемещаются из графита через электролит обратно к положительному электроду, где снова включаются в его структуру.
Интересные факты про литий-ионные аккумуляторы:
- Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее популярными аккумуляторами на рынке.
- Они обладают более высоким соотношением мощность/вес и мощность/объем, чем другие типы аккумуляторов.
- В литий-ионных аккумляторах используются полимерные или гелевые электролиты, что делает их более экологичными, нежели аккумуляторы с жидким электролитом.
- Литий-ионные аккумуляторы в сочетании с современной технологией быстрой зарядки имеют более высокую эффективность по сравнению с другими аккумуляторами.
- Литий-ионные аккумуляторы могут прослужить до 10 лет и могут быть перезаряжаемы до 2000 раз.
Суперконденсатор
Суперконденсаторы EDLC (Electrostatic Double-Layer Capacitor) являются основным и единственным коммерчески распространенным типом суперконденсаторов.
Принцип действия следующий: ионы, содержащиеся в электролите, при зарядке перемещаются к электродам, положительные ионы осаждаются на поверхности (а не в объеме, как в случае литий-ионного аккумулятора) отрицательного электрода, а отрицательные ионы осаждаются на поверхности положительного электрода.
Во время разряда эти осажденные ионы с обоих электродов высвобождаются обратно в электролит. По своей конструкции и принципу действия суперконденсатор больше похож на аккумуляторы, чем на электролитические конденсаторы.
Коммерческие суперконденсаторы также используют для работы жидкий электролит. Важным отличием от вышеупомянутых литий-ионных аккумуляторов является адсорбция ионов на границе раздела электрод-электролит.
В суперконденсаторах отсутствует медленная диффузия ионов в структуру электродного материала. В этой системе не происходит химических реакций и переноса заряда между электродами и электролитом.
Энергия хранится непосредственно в виде заряда, электростатически связанного с электродом. Благодаря этому принципу гарантируется длительный срок службы электродов и возможность очень быстрой зарядки и разрядки суперконденсаторов.
Все, что остается, как и в случае с литий-ионными аккумуляторами, — это диффузия ионов в электролите, называемая эквивалентным последовательным сопротивлением.
С точки зрения суперконденсаторов электролит является ключевым компонентом, от которого требуется высокая стабильность и, прежде всего, проводимость.
В отличие от литий-ионного аккумулятора, где самым медленным и, следовательно, определяющим процессом является диффузия ионов лития в твердую фазу, а сопротивление электролита в этом контексте практически ничтожно, в случае суперконденсаторов это именно электролит и его диффузия — самый медленный процесс в суперконденсаторе!
Благодаря этому суперконденсаторы способны обеспечивать на порядки более высокие разрядные токи по сравнению с литий-ионными батареями.
Эквивалентное последовательное сопротивление суперконденсатора многом определяется электропроводностью электролита.
Из-за высоких значений тока, которым заряжаются и разряжаются суперконденсаторы, значение последовательного сопротивления должно быть как можно меньше (на практике сотые доли мОм), в случае высокого внутреннего сопротивления емкость суперконденсатора снижается, а выделяемое тепло вызывает разрушение суперконденсатора и связанное с этим сокращение срока его службы.
В суперконденсаторах EDLC используются электроды большой площади, которые обычно изготавливаются из аморфного углерода или, чаще, из сажи.
Этот углерод является хорошим проводником и имеет значительную площадь поверхности (от 1000 до 10 000 м2/г), что является основной причиной огромной емкости суперконденсатора по сравнению с обычными электролитическими конденсаторами.
На границе раздела электродов образуется электрический слой, состоящий из ионов и молекул электролита и представляющий собой собственный диэлектрик суперконденсатора. Этот диэлектрический слой называется слоем Гельмгольца.
Он имеет низкую диэлектрическую проницаемость (диэлектрическая проницаемость - это свойство материала, которое говорит, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если этот материал поместить между электродами конденсатора, обычно требуется самое высокое значение диэлектрической проницаемости), что невыгодно для емкости, но его существенным свойством является ширина , который представляет собой всего несколько атомных слоев!
Благодаря этому соотношение площади и ширины слоя принимает значительные значения, что приводит к огромной емкости суперконденсатора.
Ширина слоя Гельмгоца колеблется от 0,1 до 10 нм. Следует отметить, что низкое максимальное напряжение суперконденсатора EDLC около 2,7 В означает при ширине диэлектрического слоя напряженность электрического поля E порядка ГВ/м!
Следует помнить, что этот слой состоит из ионов и молекул жидкого электролита.
Для сравнения электрическая прочность некоторых материалов, которые служат диэлектриками или изоляторами: щелочное стекло примерно 14 МВ/м, бумага 16 МВ/м, оксид алюминия Al2O 3800 МВ/м и диоксид кремния SiO 2500 МВ/м.
Интересные факты про суперконденсаторы:
- Суперконденсаторы используются для хранения больших объемов энергии на малом пространстве.
- Они могут быстро заряжаться и разряжаться, что делает их очень эффективными для питания высокоэнергитичных устройств.
- Суперкондденсаторы не имеют эффекта памяти и не имеют проблем с износом.
- Они имеют гораздо большую плотность энергии, чем литий-ионные аккумуляторы, и могут хранить до 10 больше энергии на один грамм веса.
- Суперконденсаторы используются во многих современных устройствах, таких как смартфоны, роботы и автомобили.
Сравнение литий-ионного аккумулятора и суперконденсатора
Основные электрические свойства литий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов включают кривую напряжения U или форму разрядной кривой.
Литий-ионный аккумулятор обеспечивает постоянное напряжение при рассматриваемом постоянном потребляемом токе, наоборот, напряжение суперконденсатора уменьшается линейно.
Из этого вытекает принципиальное отличие, при этом запасенная в суперконденсаторе энергия ничтожно мала в последней трети емкости (разрядка суперконденсатора здесь практически не важна), так что в случае с литий-ионным аккумулятором эта энергия почти постоянна до полной разрядки.
Сравнение выбранных параметров литий-ионного аккумулятора и суперконденсатора EDLC
| Параметр | Литий-ионный аккумулятор (Panasonic NCR 18650BF 3200 мАч) | Суперконденсатор EDLC (Maxwell K2 3400 F) |
| Напряжение ячейки [В] | 3,7 | 2,7 |
| Срок службы [циклов] | примерно 500 | примерно 1 000 000 |
| Плотность энергии [Втч/кг] | 248 | 3,9 |
| Плотность энергии [Втч/л] | 677 | 2,9 |
| Цена за кВтч [$USD] | 156 | 9000 |
| Время зарядки | примерно 60 минут | примерно 10 секунд |
| Саморазряд [% в месяц] | 4 | 80 |
Как видно из таблицы, разница в плотности энергии между двумя устройствами более чем бездонна. Принимая во внимание огромный саморазряд суперконденсаторов, совершенно очевидно, что суперконденсаторы не очень подходят для длительного хранения электрической энергии.
Напротив, теоретически неограниченный срок службы и чрезвычайно короткое время зарядки делают суперконденсаторы идеальными устройствами для покрытия пиков энергии зарядки и разрядки.
Помимо вышеперечисленных параметров, суперконденсаторы способны отдавать очень большие токи (большую удельную мощность), на порядки превышающие литий-ионные аккумуляторы, и гораздо менее требовательны к балансным электронным схемам.
Недозаряда практически не бывает, что связано с самим физическим принципом, который суперконденсатор использует для хранения электрической энергии.
Заключение
Суперконденсаторы не являются альтернативой аккумуляторным батареям, их правильнее рассматривать как их дополнение. Батареи и суперконденсаторы представляют собой дополняющую пару устройств, которые эффективно работают вместе в рамках данного приложения.
Суперконденсаторы способны хранить больше энергии, чем литий-ионные батареи, и их можно быстро заряжать. Однако суперконденсаторы имеют гораздо более короткий срок службы, чем литий-ионные батареи, и их плотность энергии намного ниже.
Суперконденсаторы лучше всего подходят для приложений, требующих подачи высокой мощности в течение короткого периода времени, например, 60 секунд, в то время как литий-ионные батареи лучше подходят для приложений, требующих устойчивой подачи энергии в течение длительного периода времени и где количество (плотность) хранимой энергии имеет первостепенное значение.
Если нам требуется и то, и другое от приложения, следует рассмотреть возможность развертывания комбинированной системы батарея-суперконденсатор. Необходимо оснастить аккумуляторно-суперконденсаторную систему качественной системой управления, которая обеспечит эффективное использование энергии, подводимой к системе и отводимой от нее.