Secondo la classificazione dei metodi di accumulo dell'energia, le batterie a supercondensatori comprendono condensatori elettrici a doppio strato (EDLC), pseudocondensatori (PC) e supercondensatori ibridi (HSC).
In questo articolo presenteremo i principi e i materiali degli elettrodi dei vari tipi di batteria a supercondensatore e riassumeremo le applicazioni e le prospettive della batteria a supercondensatore da una prospettiva scientifica e tecnologica.
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1.Che cos'è la batteria a supercondensatori per l'accumulo di energia?
La batteria a supercondensatore, nota anche come condensatore elettrochimico, condensatore elettrico a doppio strato, condensatore d'oro e condensatore Farad, è un componente elettrochimico sviluppato negli anni '70 e '80 che immagazzina energia attraverso elettroliti polarizzati.
È diverso da quello tradizionale accumulo di energia chimica. È una fonte di energia con proprietà speciali tra i condensatori tradizionali e le batterie. Si basa principalmente su doppi strati elettrici e cariche redox pseudocapacitive per immagazzinare energia elettrica.
Tuttavia, durante il processo di accumulo dell'energia non si verifica alcuna reazione chimica. Il processo di immagazzinamento dell'energia è reversibile, motivo per cui la batteria a supercondensatori può essere caricata e scaricata ripetutamente centinaia di migliaia di volte.
I dettagli specifici della costruzione della batteria di supercondensatori dipendono dall'applicazione e dall'uso della batteria stessa. Questi materiali possono variare leggermente a causa dei requisiti del produttore o dell'applicazione specifica.
Tutti i supercondensatori hanno in comune un elettrodo positivo, un elettrodo negativo e un separatore tra i due elettrodi. L'elettrolita riempie i pori separati dai due elettrodi e dal separatore.
I supercondensatori sono composti da materiali elettrodici porosi con un'elevata area superficiale specifica, da separatori di batteria porosi e da elettroliti.
Il separatore deve soddisfare le condizioni di avere una conducibilità ionica il più possibile elevata e una conduttanza elettronica il più possibile bassa ed è generalmente un materiale isolante elettronico con una struttura a fibre, come un film di polipropilene. Il tipo di elettrolita viene selezionato in base alle proprietà del materiale dell'elettrodo.
2. Principio del condensatore a doppio strato (EDLC)
Condensatore elettrico a doppio strato (EDLC): L'immagazzinamento e il rilascio di carica avvengono solo all'interfaccia della struttura a "doppio strato elettrico" e l'intero processo è un processo fisico (non avviene alcuna reazione chimica).
Pertanto, l'EDLC ha un'elevata stabilità e una durata di vita relativamente ideale. Durante il processo di carica dell'EDLC, gli anioni e i cationi dell'elettrolita si trasferiscono nelle direzioni positiva e negativa del condensatore, formando così un doppio strato elettrico attaccato alla superficie dell'elettrodo poroso.
Dopo carica della batteriaGli ioni dell'elettrolita sull'elettrodo non possono migrare nell'elettrolita a causa dell'attrazione reciproca delle cariche positive e negative nel doppio strato elettrico. Pertanto, è possibile mantenere una differenza di potenziale stabile tra gli elettrodi positivi e negativi, realizzando così l'accumulo di energia elettrica.
Quando l'EDLC si scarica, gli elettroni raccolti sull'elettrodo negativo vengono trasferiti all'elettrodo positivo dal carico; l'equilibrio del doppio strato elettrico tra l'elettrodo e l'elettrolita si rompe e gli ioni dell'elettrolita ritornano all'elettrolita.
Il meccanismo è simile a quello dei condensatori tradizionali, ma la distanza tra il doppio strato e l'elettrodo è solo il raggio ionico, quindi la capacità dei condensatori EDLC è molto più grande di quella dei condensatori tradizionali.
3.Classificazione delle batterie a supercondensatori per lo stoccaggio dell'energia
- Capacità elettrica a doppio strato
È causata dal confronto di cariche provocato dalla disposizione direzionale di elettroni o ioni all'interfaccia elettrodo/soluzione.
Per un sistema elettrodo/soluzione, si forma un doppio strato elettrico all'interfaccia tra l'elettrodo a conduzione elettronica e la soluzione elettrolitica a conduzione ionica.
Quando un campo elettrico viene applicato ai due elettrodi, gli anioni e i cationi della soluzione migrano rispettivamente verso gli elettrodi positivi e negativi, formando un doppio strato elettrico sulla superficie dell'elettrodo;
Una volta ritirato il campo elettrico, le cariche positive e negative sugli elettrodi entrano in fase con gli ioni di carica opposta presenti nella soluzione. L'attrazione stabilizza il doppio strato elettrico e produce una differenza di potenziale relativamente stabile tra gli elettrodi positivi e negativi.
A questo punto, per un certo elettrodo, si genererà una carica ionica opposta pari alla carica sull'elettrodo entro una certa distanza (strato di dispersione), in modo da mantenere la neutralità elettrica;
Quando i due poli sono collegati a un circuito esterno, la carica sull'elettrodo si Carica migrazione genera corrente nel circuito esterno e gli ioni nella soluzione migrano verso la soluzione per diventare elettricamente neutri. Questo è il principio di carica e scarica del condensatore elettrico a doppio strato.
- Quasi-capacità di Faraday: Il suo modello teorico è stato proposto per la prima volta da Conway. Si tratta di uno spazio bidimensionale o quasi bidimensionale sulla superficie dell'elettrodo e in prossimità della superficie o nella fase bulk.
Il materiale elettroattivo subisce una deposizione sottopotenziale e si verifica un adsorbimento chimico altamente reversibile. Il desorbimento e le reazioni redox producono una capacità legata al potenziale di carica dell'elettrodo.
Per i quasi-condensatori di Faraday, il processo di immagazzinamento delle cariche non comprende solo l'immagazzinamento sul doppio strato elettrico, ma anche la reazione redox tra gli ioni dell'elettrolita e i materiali attivi dell'elettrodo.
Quando gli ioni (come H+, OH-, K+ o Li+) presenti nell'elettrolita si diffondono dalla soluzione all'interfaccia elettrodo/soluzione sotto l'azione di un campo elettrico esterno, entrano negli ossidi attivi sulla superficie dell'elettrodo attraverso la reazione redox sull'interfaccia nella fase bulk, in modo da immagazzinare una grande quantità di carica nell'elettrodo. Circa batteria al vanadio redox, maggiori informazioni.
Durante la scarica, gli ioni che entrano nell'ossido ritornano nell'elettrolita attraverso la reazione inversa della reazione redox di cui sopra e la carica immagazzinata viene rilasciata attraverso il circuito esterno. Questo è il meccanismo di carica e scarica del quasi-condensatore di Faraday.
4. Vantaggi dell'accumulo di energia con batterie a supercondensatori
- Una capacità di livello Farad in un volume molto piccolo;
- Non sono necessari circuiti speciali di carica e di scarica controllata;
- Rispetto alle batterie, il sovraccarico e la sovrascarica non hanno un impatto negativo sulla loro durata;
- Dal punto di vista della tutela ambientale, si tratta di un'energia verde;
- La batteria del supercondensatore può essere saldata, quindi non ci sono problemi come il contatto debole della batteria.
5.Svantaggi dell'accumulo di energia con batterie a supercondensatori
- L'uso improprio può causare perdite di elettrolito e altri fenomeni;
- Rispetto ai condensatori elettrolitici in alluminio, la sua resistenza interna è maggiore, quindi non può essere utilizzato nei circuiti in corrente alternata.
6.Il motivo per cui l'accumulo di energia con batterie a supercondensatori è super
- Una batteria a supercondensatore può essere considerata come due piastre elettrodiche porose non reattive sospese in un elettrolita. Quando l'elettricità viene applicata alle piastre, la piastra positiva attira gli ioni negativi nell'elettrolita e la piastra negativa attira gli ioni positivi. Di fatto, si formano due condensatori. Nello strato di accumulo, gli ioni positivi separati sono vicini alla piastra negativa e gli ioni negativi sono vicini alla piastra positiva.
- Le batterie a supercondensatori immagazzinano energia in cariche separate. Maggiore è l'area utilizzata per immagazzinare le cariche e più dense sono le cariche separate, maggiore è la capacità.
- L'area di un condensatore tradizionale è l'area della piastra piana del conduttore. Per ottenere un'area più grande capacità della batteriaIl materiale conduttore viene arrotolato molto lungo e talvolta viene utilizzata una struttura organizzativa speciale per aumentarne la superficie. I condensatori tradizionali utilizzano materiali isolanti per separare le due piastre, solitamente pellicole di plastica, carta, ecc. Questi materiali devono essere il più possibile sottili.
- L'area della batteria a supercondensatore è basata su materiale di carbonio poroso. La struttura porosa del materiale consente di raggiungere un'area di 2000m2/g. Una superficie maggiore può essere ottenuta con alcuni accorgimenti. La distanza di carica separata della batteria a supercondensatore è determinata dalla dimensione degli ioni dell'elettrolito che vengono attratti dagli elettrodi carichi. Questa distanza (<10Å) è inferiore a quella che si può ottenere con i materiali convenzionali dei film per condensatori.
- L'enorme superficie e la ridottissima distanza di separazione delle cariche fanno sì che la batteria a supercondensatore abbia una capacità elettrostatica sorprendentemente grande rispetto al condensatore tradizionale, ed è per questo che viene definita "super".
7. Controllo della scarica dei supercondensatori
La resistenza della batteria a supercondensatore ne impedisce la scarica rapida. La costante di tempo τ della batteria a supercondensatore è di 1~2s. Sono necessari circa 5τ per scaricare completamente il circuito resistore-condensatore.
In altre parole, ci vogliono circa 5~10s per scaricare in un cortocircuito (a causa della particolare struttura degli elettrodi, in realtà ci vogliono diverse ore per scaricare completamente la carica residua).
Le batterie a supercondensatori possono caricarsi e scaricarsi rapidamente, con una corrente di picco limitata solo dalla loro resistenza interna, e anche i cortocircuiti non sono fatali. Infatti, dipende dalle dimensioni della cella del condensatore. Per carichi adeguati, le celle piccole possono contenere 10A e quelle grandi 1000A.
Un altro limite alla velocità di scarica è il calore. Le scariche ripetute ad alta velocità aumentano la temperatura del condensatore e finiscono per causare un circuito aperto. Per ulteriori informazioni sui 10 principali produttori di accumulatori di energia, fare clic su produttori di batterie per l'accumulo di energia.
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