Nach der Klassifizierung der Energiespeichermethoden gehören zu den Superkondensatoren elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLC), Pseudokondensatoren (PC) und hybride Superkondensatoren (HSC).
In diesem Artikel werden die Prinzipien und Elektrodenmaterialien verschiedener Arten von Superkondensatorbatterien vorgestellt und die Anwendungen und Aussichten von Superkondensatorbatterien aus wissenschaftlicher und technologischer Sicht zusammengefasst.
1. was ist ein Superkondensator-Batteriespeicher?
Die Superkondensatorbatterie, auch bekannt als elektrochemischer Kondensator, elektrischer Doppelschichtkondensator, Goldkondensator und Farad-Kondensator, ist ein in den 1970er und 1980er Jahren entwickeltes elektrochemisches Bauteil, das Energie durch polarisierte Elektrolyte speichert.
Sie unterscheidet sich von der traditionellen chemische Energiespeicherung. Es handelt sich um eine Energiequelle mit besonderen Eigenschaften, die zwischen herkömmlichen Kondensatoren und Batterien liegen. Sie beruht hauptsächlich auf elektrischen Doppelschichten und pseudokapazitiven Redoxladungen zur Speicherung elektrischer Energie.
Während des Energiespeichervorgangs findet jedoch keine chemische Reaktion statt. Dieser Energiespeicherprozess ist reversibel, weshalb die Superkondensatorbatterie Hunderttausende Male wiederholt geladen und entladen werden kann.
Die spezifischen Details der Konstruktion von Superkondensatorbatterien hängen von der Anwendung und dem Einsatz der Superkondensatorbatterie ab. Diese Materialien können aufgrund von Hersteller- oder spezifischen Anwendungsanforderungen leicht variieren.
Allen Superkondensatoren ist gemeinsam, dass sie eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen Separator zwischen den beiden Elektroden enthalten. Der Elektrolyt füllt die Poren, die durch die beiden Elektroden und den Separator getrennt sind.
Superkondensatoren bestehen aus porösen Elektrodenmaterialien mit hoher spezifischer Oberfläche, porösen Batterieseparatoren und Elektrolyten.
Der Separator sollte eine möglichst hohe ionische Leitfähigkeit und eine möglichst niedrige elektronische Leitfähigkeit aufweisen und ist im Allgemeinen ein elektronisches Isoliermaterial mit einer Faserstruktur, wie z. B. eine Polypropylenfolie. Die Art des Elektrolyten wird auf der Grundlage der Eigenschaften des Elektrodenmaterials ausgewählt.
2. Das Prinzip des Doppelschichtkondensators (EDLC)
Elektrischer Doppelschichtkondensator (EDLC): Die Speicherung und Abgabe von Ladung erfolgt nur an der Grenzfläche der "elektrischen Doppelschicht"-Struktur, und der gesamte Prozess ist ein physikalischer Vorgang (es findet keine chemische Reaktion statt).
Daher hat der EDLC eine hohe Stabilität und eine relativ ideale Lebensdauer. Während des Ladevorgangs von EDLC werden die Anionen und Kationen im Elektrolyt in die positive und negative Richtung des Kondensators übertragen, wodurch eine elektrische Doppelschicht auf der Oberfläche der porösen Elektrode entsteht.
Nach BatterieaufladungAufgrund der gegenseitigen Anziehung von positiven und negativen Ladungen in der elektrischen Doppelschicht können die Elektrolytionen auf der Elektrode nicht in den Elektrolyten wandern. Daher kann eine stabile Potenzialdifferenz zwischen der positiven und der negativen Elektrode aufrechterhalten werden, wodurch die Speicherung von elektrischer Energie möglich wird.
Wenn sich der EDLC entlädt, werden die an der negativen Elektrode gesammelten Elektronen durch die Last auf die positive Elektrode übertragen, und das Gleichgewicht der elektrischen Doppelschicht zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten wird unterbrochen, und die Elektrolytionen kehren in den Elektrolyten zurück.
Dies ähnelt dem Mechanismus herkömmlicher Kondensatoren, aber der Abstand zwischen der Doppelschicht und der Elektrode ist nur der Ionenradius, so dass die Kapazität von EDLC-Kondensatoren viel größer ist als die von herkömmlichen Kondensatoren.
3. die Klassifizierung der Superkondensator-Batterie als Energiespeicher
- Elektrische Doppelschichtkapazität
Sie wird durch die Ladungskonfrontation verursacht, die durch die gerichtete Anordnung von Elektronen oder Ionen an der Grenzfläche Elektrode/Lösung entsteht.
Bei einem Elektroden-Lösungs-System bildet sich eine elektrische Doppelschicht an der Grenzfläche zwischen der elektronisch leitenden Elektrode und der ionisch leitenden Elektrolytlösung.
Wenn ein elektrisches Feld an die beiden Elektroden angelegt wird, wandern die Anionen und Kationen in der Lösung zu den positiven bzw. negativen Elektroden und bilden eine elektrische Doppelschicht auf der Elektrodenoberfläche;
Nach dem Wegfall des elektrischen Feldes gehen die positiven und negativen Ladungen an den Elektroden eine Phase mit den entgegengesetzt geladenen Ionen in der Lösung ein. Die Anziehung stabilisiert die elektrische Doppelschicht und erzeugt eine relativ stabile Potenzialdifferenz zwischen der positiven und der negativen Elektrode.
Zu diesem Zeitpunkt wird für eine bestimmte Elektrode in einem bestimmten Abstand (Dispersionsschicht) eine entgegengesetzte ionische Ladung erzeugt, die der Ladung der Elektrode entspricht, so dass die elektrische Neutralität erhalten bleibt;
Wenn die beiden Pole mit einem externen Stromkreis verbunden sind, wird die Ladung auf der Elektrode Ladungswanderung erzeugt Strom im externen Stromkreis, und Ionen in der Lösung wandern in die Lösung und werden elektrisch neutral. Dies ist das Lade- und Entladeprinzip des elektrischen Doppelschichtkondensators.
- Faradaysche Quasi-Kapazität: Sein theoretisches Modell wurde erstmals von Conway vorgeschlagen. Es handelt sich um einen zweidimensionalen oder quasi-zweidimensionalen Raum auf der Elektrodenoberfläche und in der Nähe der Oberfläche oder in der Massephase.
Das elektroaktive Material lagert sich unter dem Potential ab, und es kommt zu einer hochreversiblen chemischen Adsorption. Durch Desorption und Redoxreaktionen entsteht eine Kapazität, die mit dem Ladepotenzial der Elektrode zusammenhängt.
Bei Faraday-Quasiskondensatoren umfasst der Prozess der Ladungsspeicherung nicht nur die Speicherung in der elektrischen Doppelschicht, sondern auch die Redoxreaktion zwischen Elektrolytionen und aktiven Elektrodenmaterialien.
Wenn Ionen (wie H+, OH-, K+ oder Li+) im Elektrolyten unter der Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes aus der Lösung an die Grenzfläche zwischen Elektrode und Lösung diffundieren, gelangen sie durch die Redoxreaktion an der Grenzfläche in der Bulk-Phase in die aktiven Oxide auf der Elektrodenoberfläche, so dass eine große Menge an Ladung in der Elektrode gespeichert wird. Über Vanadium-Redox-Batterie, weitere Informationen.
Während der Entladung kehren diese Ionen, die in das Oxid eindringen, durch die Umkehrreaktion der oben genannten Redoxreaktion in den Elektrolyten zurück, und die gespeicherte Ladung wird über den externen Stromkreis freigesetzt. Dies ist der Lade- und Entlademechanismus des Faradayschen Quasikondensators.
4. Vorteile der Superkondensatorbatterie als Energiespeicher
- Eine Kapazität von Farad in einem sehr kleinen Volumen;
- Eine spezielle Ladeschaltung und eine kontrollierte Entladeschaltung sind nicht erforderlich;
- Im Vergleich zu Batterien haben Überladung und Überentladung keine negativen Auswirkungen auf ihre Lebensdauer;
- Unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes handelt es sich um eine grüne Energie;
- Die Superkondensatorbatterie kann geschweißt werden, so dass es keine Probleme wie etwa einen schwachen Batteriekontakt gibt.
5. die Nachteile der Superkondensator-Batterie als Energiespeicher
- Unsachgemäßer Gebrauch kann zum Auslaufen von Elektrolyt und anderen Phänomenen führen;
- Im Vergleich zu Aluminium-Elektrolytkondensatoren ist ihr Innenwiderstand größer, so dass sie nicht in Wechselstromkreisen verwendet werden können.
6. der Grund, warum Superkondensator-Batterie-Energiespeicher super sind
- Eine Superkondensatorbatterie kann als zwei nicht reaktive poröse Elektrodenplatten betrachtet werden, die in einem Elektrolyten suspendiert sind. Wenn Elektrizität an die Platten angelegt wird, zieht die positive Platte negative Ionen im Elektrolyten an, und die negative Platte zieht positive Ionen an. Es bilden sich also zwei Kondensatoren. In der Speicherschicht befinden sich die abgeschiedenen positiven Ionen in der Nähe der negativen Platte und die negativen Ionen in der Nähe der positiven Platte.
- Superkondensatorbatterien speichern Energie in getrennten Ladungen. Je größer die zur Ladungsspeicherung verwendete Fläche und je dichter die getrennten Ladungen sind, desto größer ist die Kapazität.
- Die Fläche eines herkömmlichen Kondensators ist die Fläche der flachen Platte des Leiters. Zur Erzielung einer größeren BatteriekapazitätBei der Herstellung von Kondensatoren wird das Leitermaterial sehr lang gewalzt, und manchmal wird eine spezielle Organisationsstruktur verwendet, um die Oberfläche zu vergrößern. Bei herkömmlichen Kondensatoren werden die beiden Platten durch isolierende Materialien getrennt, in der Regel Kunststofffolien, Papier usw. Diese Materialien müssen in der Regel so dünn wie möglich sein.
- Die Fläche der Superkondensatorbatterie basiert auf porösem Kohlenstoffmaterial. Die poröse Struktur des Materials ermöglicht eine Fläche von bis zu 2000 m2/g. Eine größere Oberfläche kann durch einige Maßnahmen erreicht werden. Der Abstand, über den sich die Superkondensatorbatterie auflädt, wird durch die Größe der Elektrolyt-Ionen bestimmt, die von den geladenen Elektroden angezogen werden. Dieser Abstand (<10Å) ist kleiner als der, der mit herkömmlichen Kondensatorfolien erreicht werden kann.
- Die riesige Oberfläche in Verbindung mit dem sehr geringen Ladungstrennungsabstand verleiht der Superkondensatorbatterie eine erstaunlich große elektrostatische Kapazität im Vergleich zum herkömmlichen Kondensator, weshalb sie auch als "super" bezeichnet wird.
7. Kontrolle der Entladung von Superkondensatoren
Der Widerstand der Superkondensatorbatterie behindert ihre schnelle Entladung. Die Zeitkonstante τ der Superkondensatorbatterie beträgt 1~2s. Es dauert etwa 5τ, um den Widerstand-Kondensator-Kreislauf vollständig zu entladen.
Das heißt, es dauert etwa 5~10s, um sich bei einem Kurzschluss zu entladen (aufgrund der besonderen Struktur der Elektroden dauert es tatsächlich mehrere Stunden, um die restliche Ladung vollständig zu entladen).
Superkondensatorbatterien können schnell geladen und entladen werden, wobei der Spitzenstrom nur durch den Innenwiderstand begrenzt ist und selbst Kurzschlüsse nicht tödlich sind. Das hängt sogar von der Größe der Kondensatorzelle ab. Bei entsprechender Belastung können kleine Zellen 10 A und große Zellen 1000 A aufnehmen.
Eine weitere Begrenzung der Entladegeschwindigkeit ist die Wärme. Wiederholte Entladungen mit hoher Geschwindigkeit erhöhen die Temperatur des Kondensators und führen schließlich zu einem offenen Stromkreis. Hier finden Sie weitere Informationen über die Top 10 der Energiespeicherhersteller, bitte klicken Sie auf Hersteller von Energiespeicherbatterien.
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