De acordo com a classificação dos métodos de armazenamento de energia, a bateria de supercapacitores inclui condensadores eléctricos de dupla camada (EDLC), pseudocapacitores (PC) e supercapacitores híbridos (HSC).
Neste artigo, apresentaremos os princípios e os materiais dos eléctrodos de vários tipos de baterias de supercondensadores e resumiremos as aplicações e perspectivas das baterias de supercondensadores numa perspetiva científica e tecnológica.
1. o que é o armazenamento de energia em baterias de supercapacitores?
A bateria de supercapacitores, também conhecida como condensador eletroquímico, condensador elétrico de dupla camada, condensador de ouro e condensador Farad, é um componente eletroquímico desenvolvido nas décadas de 1970 e 1980 que armazena energia através de electrólitos polarizados.
É diferente do tradicional armazenamento de energia química. Trata-se de uma fonte de energia com propriedades especiais entre os condensadores tradicionais e as baterias. Baseia-se principalmente em camadas duplas eléctricas e cargas pseudocapacitivas redox para armazenar energia eléctrica.
No entanto, não ocorre qualquer reação química durante o processo de armazenamento de energia. Este processo de armazenamento de energia é reversível, razão pela qual a bateria de supercapacitores pode ser carregada e descarregada repetidamente centenas de milhares de vezes.
Os pormenores específicos da construção da bateria de supercondensadores dependem da aplicação e utilização da bateria de supercondensadores. Estes materiais podem variar ligeiramente devido aos requisitos do fabricante ou da aplicação específica.
O que todos os supercapacitores têm em comum é o facto de conterem um elétrodo positivo, um elétrodo negativo e um separador entre os dois eléctrodos. O eletrólito preenche os poros separados pelos dois eléctrodos e o separador.
Os supercapacitores são compostos por materiais de eléctrodos porosos com elevada área de superfície específica, separadores de bateria porosos e electrólitos.
O separador deve satisfazer as condições de ter uma condutividade iónica tão elevada quanto possível e uma condutância eletrónica tão baixa quanto possível, e é geralmente um material isolante eletrónico com uma estrutura de fibra, como uma película de polipropileno. O tipo de eletrólito é selecionado com base nas propriedades do material do elétrodo.
2. Princípio do condensador de dupla camada (EDLC)
Condensador elétrico de dupla camada (EDLC): O armazenamento e a libertação de carga ocorrem apenas na interface da estrutura de "dupla camada eléctrica" e todo o processo é um processo físico (não ocorre qualquer reação química).
Por conseguinte, o EDLC tem uma elevada estabilidade e uma vida útil relativamente ideal. Durante o processo de carregamento do EDLC, os aniões e catiões do eletrólito são transferidos para as direcções positiva e negativa do condensador, formando assim uma dupla camada eléctrica ligada à superfície do elétrodo poroso.
Depois de carregamento da bateriaOs iões do eletrólito no elétrodo não podem migrar para o eletrólito devido à atração mútua das cargas positivas e negativas na dupla camada eléctrica. Por conseguinte, pode ser mantida uma diferença de potencial estável entre os eléctrodos positivo e negativo, permitindo assim o armazenamento de energia eléctrica.
Quando o EDLC se descarrega, os electrões recolhidos no elétrodo negativo são transferidos para o elétrodo positivo pela carga, e o equilíbrio da dupla camada eléctrica entre o elétrodo e o eletrólito é quebrado, e os iões do eletrólito regressam ao eletrólito.
Este mecanismo é semelhante ao dos condensadores tradicionais, mas a distância entre a dupla camada e o elétrodo é apenas o raio iónico, pelo que a capacitância dos condensadores EDLC é muito maior do que a dos condensadores tradicionais.
3. classificação do armazenamento de energia da bateria de supercapacitores
- Capacitância eléctrica de dupla camada
É causada pelo confronto de cargas provocado pela disposição direcional dos electrões ou iões na interface elétrodo/solução.
Para um sistema elétrodo/solução, forma-se uma dupla camada eléctrica na interface entre o elétrodo condutor de eletricidade e a solução electrolítica condutora de iões.
Quando um campo elétrico é aplicado aos dois eléctrodos, os aniões e catiões da solução migram para os eléctrodos positivo e negativo, respetivamente, formando uma dupla camada eléctrica na superfície do elétrodo;
Após a retirada do campo elétrico, as cargas positivas e negativas nos eléctrodos entram em fase com os iões de carga oposta na solução. A atração estabiliza a dupla camada eléctrica e produz uma diferença de potencial relativamente estável entre os eléctrodos positivo e negativo.
Neste momento, para um determinado elétrodo, será gerada, a uma certa distância (camada de dispersão), uma carga iónica oposta igual à carga do elétrodo, de modo a manter a neutralidade eléctrica;
Quando os dois pólos estão ligados a um circuito externo, a carga no elétrodo irá A migração de carga gera corrente no circuito externo, e os iões na solução migram para a solução para se tornarem eletricamente neutros. Este é o princípio de carga e descarga do condensador elétrico de dupla camada.
- Quase-capacitância de Faraday: O seu modelo teórico foi proposto pela primeira vez por Conway. Trata-se de um espaço bidimensional ou quase bidimensional na superfície do elétrodo e próximo da superfície ou na fase a granel.
O material electroactivo sofre uma deposição subpotencial e ocorre uma adsorção química altamente reversível. A dessorção e as reacções redox produzem uma capacitância relacionada com o potencial de carga do elétrodo.
No caso dos quase-capacitores de Faraday, o processo de armazenamento de cargas inclui não só o armazenamento na dupla camada eléctrica, mas também a reação redox entre os iões do eletrólito e os materiais activos do elétrodo.
Quando os iões (tais como H+, OH-, K+ ou Li+) no eletrólito se difundem da solução para a interface elétrodo/solução sob a ação de um campo elétrico externo, entram nos óxidos activos na superfície do elétrodo através da reação redox na interface na fase a granel, de modo que uma grande quantidade de carga é armazenada no elétrodo. Sobre pilha redox de vanádiomais informações.
Durante a descarga, estes iões que entram no óxido regressam ao eletrólito através da reação inversa da reação redox acima referida, e a carga armazenada é libertada através do circuito externo. Este é o mecanismo de carga e descarga do quase-capacitor de Faraday.
4. Vantagens do armazenamento de energia em baterias de supercondensadores
- Uma capacitância de nível Farad num volume muito pequeno;
- Não é necessário um circuito de carga especial e um circuito de descarga controlado;
- Em comparação com as pilhas, a sobrecarga e a descarga excessiva não têm um impacto negativo na sua vida útil;
- Do ponto de vista da proteção do ambiente, trata-se de uma energia verde;
- A bateria do supercondensador pode ser soldada, pelo que não existem problemas como o fraco contacto da bateria.
5. Desvantagens do armazenamento de energia em baterias de supercondensadores
- A utilização incorrecta pode provocar fugas de eletrólito e outros fenómenos;
- Em comparação com os condensadores electrolíticos de alumínio, a sua resistência interna é maior, pelo que não pode ser utilizado em circuitos de corrente alternada.
6. a razão pela qual o armazenamento de energia da bateria de supercapacitores é super
- Uma bateria de supercapacitores pode ser considerada como duas placas de eléctrodos porosos não reactivos suspensos num eletrólito. Quando a eletricidade é aplicada às placas, a placa positiva atrai iões negativos no eletrólito e a placa negativa atrai iões positivos. De facto, formam-se dois condensadores. Na camada de armazenamento, os iões positivos separados estão perto da placa negativa e os iões negativos estão perto da placa positiva.
- As baterias de supercapacitores armazenam energia em cargas separadas. Quanto maior for a área utilizada para armazenar cargas e quanto mais densas forem as cargas separadas, maior será a capacitância.
- A área de um condensador tradicional é a área da placa plana do condutor. Para obter uma maior capacidade da bateriaO material condutor é enrolado muito longo e, por vezes, é utilizada uma estrutura organizacional especial para aumentar a sua área de superfície. Os condensadores tradicionais utilizam materiais isolantes para separar as suas duas placas, normalmente películas de plástico, papel, etc. Estes materiais têm normalmente de ser tão finos quanto possível.
- A área da bateria de supercapacitores é baseada em material de carbono poroso. A estrutura porosa do material permite que a sua área atinja 2000m2/g. Uma área de superfície maior pode ser alcançada através de algumas medidas. A distância que separa a carga da bateria de supercapacitores é determinada pelo tamanho dos iões do eletrólito que são atraídos para os eléctrodos carregados. Esta distância (<10Å) é menor do que a que pode ser alcançada com materiais convencionais de película de condensador.
- A enorme área de superfície, associada à distância muito pequena de separação de cargas, faz com que a bateria do supercapacitor tenha uma capacidade eletrostática surpreendentemente grande em comparação com o condensador tradicional, razão pela qual é "super".
7. Controlar a descarga de supercapacitores
A resistência da bateria de supercapacitores impede a sua rápida descarga. A constante de tempo τ da bateria de supercapacitores é de 1~2s. São necessários cerca de 5τ para descarregar completamente o circuito resistência-capacitor.
Ou seja, demora cerca de 5~10s a descarregar num curto-circuito (devido à estrutura especial dos eléctrodos, são necessárias várias horas para descarregar completamente a carga restante).
A bateria do supercondensador pode carregar e descarregar rapidamente, com a corrente de pico limitada apenas pela sua resistência interna, e mesmo os curtos-circuitos não são fatais. De facto, depende do tamanho da célula do condensador. Para cargas correspondentes, as células pequenas podem suportar 10A, e as grandes podem suportar 1000A.
Outra limitação da velocidade de descarga é o calor. A descarga repetida a um ritmo violento aumentará a temperatura do condensador e acabará por provocar um circuito aberto. Para mais informações sobre os 10 principais produtores de armazenamento de energia, clique aqui fabricantes de baterias de armazenamento de energia.
+86 - 18925002618
