Сегодня - 29.03.2017

В поисках ёмкости

14 октября 2015
 
Когда-то человечество отказалось от конденсаторов в пользу аккумуляторов. Теперь, в связи с появлением суперконденсаторов на основе новых углеродных материалов, интерес к этим устройствам снова возрастает. Однако для того, чтобы использовать их на полную мощность, нужно решить одну непростую проблему: а именно — повысить удельную ёмкость, запасаемую энергию. Сибирские учёные утверждают, что здесь поможет графен.
 
«За 10 лет рынок суперконденсаторов вырос почти в 10 раз. Ещё в 2006 году он составлял 272 млн. долларов, в 2011 — 500, а в 2015 по прогнозам специалистов будет все 2.5 млрд. Эти устройства применяются на транспорте (в стартерах, системах рекуперации энергии торможения, гибридных двигателях), в бытовой технике, источниках бесперебойного питания, фильтрах напряжения, сварочных аппаратах и так далее, — рассказал ведущий научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии СО РАН доктор химических наук Николай Фавстович Уваров на конференции «Графен: молекула и 2D-кристалл». — В настоящее время все гибридные электромобили используют их наряду с обычными аккумуляторами, за счёт чего происходит существенная экономия топлива. В Шанхае, например, по улицам ходит особый автобус-троллейбус с электродвигателем, работающим от суперконденсаторов. Он подъезжает к остановке, подзаряжается за несколько секунд, и едет до следующей». 
 
Гибридный автомобиль Toyota Yaris Hybrid R
 
В современных суперконденсаторах используются углеродные материалы, обладающие высокой удельной поверхностью и оптимальной пористой структурой. Преимуществами этих устройств перед аккумуляторами являются высокая мощность и большое количество циклов заряда-разряда, к тому же здесь не происходит никаких паразитных электрохимических процессов. По сути дела, углеродные материалы заменяют благородные металлы — платину, золото, но при этом они легче и обладают гораздо более высокой удельной поверхностью. Единственный серьёзный недостаток суперконденсаторов: по величине запасаемой энергии они заметно уступают аккумуляторам.  
 
Как повысить удельную ёмкость электродных материалов? Известны три способа: 
 
Первый, самый стандартный: увеличить удельную поверхность. Эта задача решена для случая аморфного углерода. Однако, процесс синтеза таких материалов достаточно сложен, поэтому они получаются дорогостоящими, к тому же обладают низкой электропроводностью. 
 
Второй способ: повышение удельной ёмкости за счет увеличения поверхностной плотности заряда. Например, она возрастает трёхкратно при обработке углерода азотной плазмой. Такой подход считается перспективным, но он ещё недостаточно исследован.
 
Способ третий: увеличение ёмкости за счёт перехода к гибридным системам, или системам с так называемой «псевдоёмкостью». В углеродный материал можно добавить различные другие — полимеры, наноразмерные частицы оксидов переходных металлов, при этом ёмкость увеличивается в некоторых случаях до 1000 фарад/грамм. В этих электродах наряду с образованием двойного слоя идут электрохимические реакции, и устройство действует одновременно как конденсатор и аккумулятор. Сначала быстро заряжается двойной слой, а затем медленно происходит дозарядка — за счёт электрохимических процессов с участием полимера или оксида. Обычно большие емкости получаются при использовании водных электролитов.
 
Гибридный автомобиль Toyota Yaris Hybrid R
 
Одними из наиболее перспективных электродных материалов для суперконденсаторов считается графен, а также системы на его основе. Он обладает очень большим значением удельной поверхности и огромной электропроводностью — будет работать там, где не способен аморфный углерод. Процессы заряда на поверхности графена происходят очень быстро, что  дает увеличение одновременно и  удельной энергии, и удельной мощности. 
 
В 2010 году были опубликована работа, показывающая, что суперконденсатор с электродом из графена способен обеспечить рекордные значения удельной емкости (560 Фарад на грамм) и запасенной энергии. Естественно, событие не осталось незамеченным, и в настоящее время ведутся интенсивные исследования в этом направлении. Впрочем, реально достигнутые значения гораздо ниже — около 250 Фарад на грамм, что обусловлено сложностью получения монослойного графена. 
 
«Для того чтобы достигнуть более высоких значений емкости лучше выбрать другой путь:  за счёт эффекта «псевдоёмкости», то есть введения в графен электрохимически активных добавок», — говорит Николай Уваров. 
 
В этом направлении уже сделан довольно большой прогресс китайскими учёными, которые получили графен, допированный нанокомпозитными частицами. Однако пока достигнуть рекордных значений порядка 1000 Ф/г удаётся только в водных растворах. Если те же самые системы проверить в органических растворителях, то удельная емкость оказывается гораздо ниже.  «Необходимо подобрать системы, которые обеспечат эффект «псеводоемкости» в органических средах. Те, которые имеют водные электролиты, работают при напряжении не выше одного вольта. Переход к органическим позволит резко увеличить величину накопленной энергии и мощности — повышение рабочего напряжения конденсатора с одного вольта до трёх увеличит эти значения в 9 раз, — утверждает исследователь. —  Графеновые материалы оказываются очень перспективными для использования в суперконденсаторах, если к их модификации применять комплексные подходы».
 
Диана Хомякова
 
Фото: автомобиль Yaris Hybrid R, официальная фотосессия Toyota
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 4.7 (3 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus