CC BY
1000
В. В. Стюхин, Э. В. Лапшин
ГРАФЕНОВЫЙ СУПЕРКОНДЕНСАТОР
Аннотация. Рассмотрены сравнительные характеристики обыкновенного конденсатора с ионистором. Представлена возможность использования конденсатора в гибридных источниках питания и применение в суперконденсаторах твердых электролитов. Рассмотрен графеновый суперконденсатор его преимущества перед предшественниками. Показан совокупный темп годового прироста мирового рынка суперконденсаторов.
Ключевые слова: суперконденсатор, ионистор, двухслойный конденсатор, гибридные источники тока, твердый электролит, графеновый суперконденсатор, энергетическая плотность.
Abstract. Examined the comparative characteristics of an ordinary capacitor with ionistorom. The ability to use a capacitor in the hybrid power sources and application in supercapacitors solid electrolytes. Considered graphene supercapacitor its advantages over its predecessors. Shows a cumulative annual growth rate of the global market supercapacitors.
Keywords: supercapacitor, ionistor, double-layer capacitors, hybrid power sources, solid electrolyte, graphene supercapacitors, the energy density.
Конденсатор - это устройство, с помощью которого можно запасти определенный электрический заряд. Одна из разновидностей
конденсаторов - суперконденсаторы (ионисторы), также известные как электрохимические конденсаторы, принцип действия которых основан на формировании двойного электрического слоя на границе между
полупроводником и электролитом при условии приложенного внешнего напряжения [1].
Рис. 1 - На рисунке показана принципиальная схема устройства суперконденсатора, Aluminium foil -алюминиевая фольга, Carbon Coating-угольные электроды, Separator - диэлектрическая мембрана, Binder -корпус
Суперконденсаторы, ультраконденсаторы, электрохимические
конденсаторы, двухслойные конденсаторы - так называют электрохимические конденсаторы, которые отличаются от обычных большими значениями удельной мощности, более низкими токами потерь, практически неограниченной долговечностью, и все это при значительно меньших габаритах, по плотности запасаемой энергии, достигающей 30 кВтхч/кг, СК близки аккумуляторам [2].
Мировой рынок СК можно разделить на два основных сегмента: суперконденсаторы большой емкости для транспортных и промышленных систем и СК для электронной аппаратуры, в основном малогабаритной. В последнем сегменте с уменьшением габаритов и повышением мобильности техники все больше требуются автономные источники питания с высокой плотностью энергии и мощности. И по мере совершенствования СК, переходу к нанотехнологии при их изготовлении суперконденсаторы все активнее дополняют стандартные источники питания во множестве малогабаритных изделий широкого применения - от компьютеров до видеокамер, мобильных телефонов и т.п. [2]
По сути суперконденсатор представляет собой очень "большой" поляризованный электрохимический конденсатор. Правда, прилагательное "большой" относится не к физическому размеру прибора, а к его основному параметру - емкости. Емкость СК, так же, как обычного конденсатора, пропорциональна площади обкладок и диэлектрической проницаемости диэлектрика и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. Но на этом сходство двух конденсаторов кончается [2].
В обычном конденсаторе заряд концентрируется на поверхностях обкладок, а энергия электрического поля - в объеме межэлектродного диэлектрика. В СК реализована предложенная в 1879 году Г. Гельмгольцем идея формирования с двух сторон границы раздела металл - жидкий электролит при подаче напряжения слоев с избыточными носителями различной полярности. Формирование двух разнополярных слоев
обусловлено тем, что перенос зарядов через межфазную границу раздела в интервале потенциалов электродов с точки зрения термодинамики невозможен или кинетически затруднен. Таким образом, заряженные слои образуют "обкладки" конденсатора, а граница раздела металл - электролит толщиной в несколько нанометров или даже долей нанометра служит его диэлектриком. Отсюда и название — двухслойный конденсатор (Electrochemical Double-Layer Capacitor - EDLC) [2].
При построении электрохимического двухслойного конденсатора в водный или органический электролит с высокой концентрацией подвижных ионов между электродами помещают проницаемый ионами разделитель. При подаче постоянного напряжения на электроды такой структуры на границах
раздела электролит - электрод формируются разнополярно заряженные области, разделенные границей раздела, т. е. двойной электрический слой (ДЭС). На одном электроде этот слой формируется его отрицательно заряженной поверхностью и притянутыми к ней катионами электролита, на другом - положительно заряженной поверхностью и притянутыми к ней анионами. Оба ДЭС соединены последовательно через разделитель и электролит и концентрируют заряд, напряжение и энергию. Большое значение емкости СК, которое на два-три порядка превосходит значение емкости традиционных электролитических конденсаторов, достигнуто за счет применения одного (или обоих) электрода из высокопористого материала и благодаря весьма малой толщине диэлектрика (граница раздела двойного слоя) [2]. Суперконденсаторы на основе жидких органических электролитов с электродами из активированного наноструктурированного углерода (удельная поверхность до 2000 м /г), который для увеличения электрической емкости имеет заданное распределение пор по размерам. Оптимизированные по ряду параметров суперконденсаторы показывают высокие технические характеристики: С ~ 10 Ф/г, J ~ 40 Дж/г, W ~ 10 Вт/г (Ураб^ 3 В) [3].
Уступая химическим источникам тока по удельной энергии, суперконденсаторы значительно превосходят последние по удельной мощности и стабильности зарядно - разрядных характеристик в широком температурном интервале, что открывает возможности для создания гибридных источников энергии и мощности. Активная стадия работы гибридного источника, требующая высокой мощности, например, запуск двигателя автомобиля или передача информации в импульсном режиме в сотовых GSM-телефонах, обеспечивается суперконденсатором, после чего он перезаряжается в слаботочном режиме от аккумулятора или батареи гальванических элементов. В случае микроэлектромеханических систем (МЭМС) в качестве автономных миниатюрных слаботочных источников могут использовать пьезоэлементы, пленочные термобатареи, топливные микрореакторы и фотоэлементы. Использование гибридных источников позволяет значительно снизить вес автономных источников, например, в автомобилях. С помощью гибридных источников может быть продлен срок службы химических источников тока и доведен почти до единицы коэффициент их использования [3]. Но при этом зачастую из вида упускаются такие важные различия между химическим источником тока и суперконденсатором, как:
1 батареи накапливают энергию, измеряемую в киловатт-часах, тогда как конденсаторы концентрируют мощность, измеряемую в ваттах;
2 работа батареи зависит от относительно длительно протекающих химических реакций. Батареи заряжаются достаточно долго, и время их заряда зависит от тока. Скорость зарядки конденсатора в основном зависит
от сопротивления внешнего включенного последовательно с ним сопротивления;
3 батареи обеспечивают подачу постоянного напряжения в течение довольно продолжительного времени, тогда как конденсаторы разряжаются очень быстро, и их напряжение резко уменьшается;
4 число циклов заряда - разряда батарей невелико (200 - 1000) и зависит от глубины разряда. Суперконденсаторы допускают до сотен тысяч циклов заряда - разряда;
5 размеры и масса батарей, особенно большой мощности, велики, тогда как габариты и масса суперконденсаторов аналогичной мощности значительно меньше [2].
К суперконденсаторам иногда относят также электрохимические ячейки, в которых энергия запасается при протекании фарадеевских процессов: электроадсорбции (underpotential deposition) на электроде
водорода, тяжелых металлов или некоторые окислительно -
восстановительные реакции, но заряд Q, необходимый для выделения вещества или структурных изменений на электроде, непрерывно изменяется с потенциалом V (производную dQ/dV можно назвать псевдоемкостью). Рассматриваемые ячейки являются разновидностью аккумуляторов, хотя в идеальных аккумуляторах при изменении заряда С потенциал электрода V ~ const. Они превосходят суперконденсаторы с двойным электрическим слоем по энергии, но уступают по мощности, поскольку в них, как в аккумуляторах, на электродах протекают сравнительно медленные, диффузионные по природе, процессы массопереноса и химических превращений [3].
Применение твердых электролитов вместо жидких в
суперконденсаторах даст ряд преимуществ. Для целей микросистемной техники (МСТ) и наноэлектроники достаточно указать на два решающих:
1 возможность создания тонкопленочных конденсаторов на кремнии или других полупроводниках с использованием развитых в
микроэлектронике технологий;
2) широкий интервал температур функционировании и сохранения годности компонентов.
В конденсаторах на основе твердых электролитов, также как в конденсаторах с жидкими электролитами, энергия электрического поля запасается в двойном электрическом слое молекулярной толщины. Вызываемые проникающими ионизирующими излучениями токи утечки конденсаторов повышаются с увеличением объема, занимаемого
электрическим полем. Поэтому конденсаторы с двойным электрическим слоем должны значительно превосходить сегнетоэлектрические в отношении сохранности заряда и энергии в условиях облучения. Радиационно
устойчивые суперконденсаторы необходимы для создания объектов МСТ, предназначенных действовать в условиях сильных космических излучений и на территориях с высокими концентрациями радионуклидов [2].
Еще в 2006 году была предложена идея суперконденсаторов из графена, материала, представляющего собой одноатомные листы углерода, формирующего гексагональную кристаллическую решетку. С тех пор ученые с разных концов планеты предлагают различные конструкции устройств, позволяющие увеличить плотность запасаемой энергии [1].
Новая конструкция суперконденсатора, предложенная специалистами из Nanotek Instruments Inc. (США), имеет электроды, состоящие из графена с примесями повышающего проводимость ацетилена и связующего вещества PTFE. В качестве электролита использовалось вещество, известное в электрохимии как EMIMBF4 [1].
Энергетическая плотность полученного устройства по порядку сравнима с никель-металлогидридными батареями. Если говорить о цифрах, то плотность энергии в созданном устройстве - порядка 85,6 Вт*час/кг при комнатной температуре и порядка 136 Вт*час/кг при 80 градусах по шкале Цельсия. Однако, как было отмечено выше, устройство имеет громадное преимущество по сравнению с привычными батареями, заключающееся в том, что оно может быть заряжено и разряжено чрезвычайно быстро. Сами разработчики считают свое творение настоящим технологическим прорывом. Возможность быстрого заряда означает, что в будущем подобная конструкция может использоваться для питания мобильных телефонов и другой пользовательской портативной техники [1].
В настоящее время группа продолжает работу. Основная цель ученых -дальнейшее повышение плотности запасенной энергии. Их цель - создать устройства, способные хранить как минимум столько энергии, сколько запасают литий-ионные батареи (при том же весе), но для которых возможна перезарядка всего за несколько минут [1].
Рис. 2 - графеновый суперконденсатор
Согласно данным компании Lux Research, совокупные темпы годового прироста мирового рынка суперконденсаторов за 2008-2014 годы составят 27%, и объем их продаж возрастет с 208 млн. до 877 млн. долл. По мнению аналитиков компании, рынок суперконденсаторов разделен на два сектора:
1 сектор СК для электронных устройств (PCMCIA-карт, флеш-карт, сотовых телефонов, беспроводных сенсорных сетей, цифровых фотокамер, ноутбуков, плееров, игрушек, е-книг, пультов дистанционного управления), на котором действуют большие транснациональные компании;
2 сектор больших СК для промышленного применения (в пультах дистанционного управления, ридерах средств радиоидентификации, медицинском оборудовании, промышленных лазерах, транспортных системах, выпрямителях, источниках бесперебойного питания, системах наблюдения и контроля и т.п.), на котором представлены компании, производящие в основном только СК. Развитию первого сегмента рынка СК способствует потребность сотовых телефонов и цифровых фотокамер в источниках импульсной мощности, которую не могут обеспечить аккумуляторы и обычные конденсаторы. Этот прогноз согласуется с мнением компании, специализирующейся в области маркетинговых исследований рынка, Strategy Analytics. Согласно ее оценкам, использование СК в беспроводных системах зарядки коренным образом изменит способы питания и применения сотовых телефонов. В итоге продажи СК для бытовых систем за рассматриваемый период увеличатся со 122 млн. до более 550 млн. долл. [2].
Литература. Итернет ресурс
1 Nano news net сайт о нанотехнологиях #1 в России
(http://www.nanonewsnet.ru/news/201 0/samyi-emkii-grafenovyi-superkondensator-0).
2 В. Шурыгина. Суперконденсаторы помощники или возможные конкуренты батарейным источникам питания/Электроника: Наука, Технология, Бизнес.-2003.- №3.
3 Деспотули, А. Л. Создание новых типов тонкопленочных
твердоэлектролитных суперконденсаторов для микросистемой техники и микро(нано)электроники./ А. Л. Деспотули, А. В. Андреева//
Микросистемная техника, №11, 2003.
Сведения об авторах
Стюхин, Валентин Вячеславович - студент гр. 06ЕК1 каф. КиПРА ПГУ Лапшин Эдуард Владимирович - д.т.н., проф. каф. КиПРА, ПГУ
