Согласно классификации методов хранения энергии, суперконденсаторные батареи включают электрические двухслойные конденсаторы (EDLC), псевдоконденсаторы (PC) и гибридные суперконденсаторы (HSC).
В этой статье мы расскажем о принципах работы и материалах электродов различных типов суперконденсаторных батарей, а также подведем итоги применения и перспектив суперконденсаторных батарей с научно-технической точки зрения.
1.Что такое суперконденсаторная батарея для хранения энергии?
Суперконденсаторная батарея, также известная как электрохимический конденсатор, электрический двухслойный конденсатор, золотой конденсатор и конденсатор Фарада, - это электрохимический компонент, разработанный в 1970-х и 1980-х годах, который накапливает энергию с помощью поляризованных электролитов.
Он отличается от традиционного химическое хранение энергии. Это источник энергии, обладающий особыми свойствами между традиционными конденсаторами и батареями. Для хранения электрической энергии он в основном опирается на электрические двойные слои и окислительно-восстановительные псевдоконденсаторные заряды.
Однако в процессе накопления энергии не происходит никаких химических реакций. Процесс накопления энергии является обратимым, поэтому суперконденсаторную батарею можно многократно заряжать и разряжать сотни тысяч раз.
Конкретные детали конструкции суперконденсаторной батареи зависят от области применения и использования суперконденсаторной батареи. Эти материалы могут незначительно отличаться в зависимости от производителя или требований конкретного применения.
Все суперконденсаторы объединяет то, что они содержат положительный электрод, отрицательный электрод и сепаратор между двумя электродами. Электролит заполняет поры, разделенные двумя электродами и сепаратором.
Суперконденсаторы состоят из пористых электродных материалов с высокой удельной поверхностью, пористых сепараторов и электролитов.
Сепаратор должен отвечать условиям как можно более высокой ионной проводимости и как можно более низкой электронной проводимости и обычно представляет собой электронно-изоляционный материал с волокнистой структурой, например, полипропиленовую пленку. Тип электролита выбирается в зависимости от свойств материала электрода.
2. Принцип работы двухслойного конденсатора (EDLC)
Электрический двухслойный конденсатор (EDLC): Накопление и высвобождение заряда происходит только на границе раздела структуры "электрический двойной слой", и весь процесс является физическим процессом (химическая реакция не происходит).
Поэтому EDLC обладает высокой стабильностью и относительно идеальным сроком службы. В процессе зарядки EDLC анионы и катионы, содержащиеся в электролите, переходят в положительное и отрицательное направления конденсатора, образуя тем самым двойной электрический слой, прикрепленный к поверхности пористого электрода.
После зарядка аккумулятораИоны электролита на электроде не могут мигрировать в электролит из-за взаимного притяжения положительных и отрицательных зарядов в двойном электрическом слое. Таким образом, между положительным и отрицательным электродами поддерживается стабильная разность потенциалов, что позволяет накапливать электрическую энергию.
Когда EDLC разряжается, электроны, собранные на отрицательном электроде, переносятся на положительный электрод под действием нагрузки, и электрический баланс двойного слоя между электродом и электролитом нарушается, а ионы электролита возвращаются в электролит.
Это похоже на механизм работы традиционных конденсаторов, но расстояние между двойным слоем и электродом составляет всего лишь ионный радиус, поэтому емкость конденсаторов EDLC намного больше, чем у традиционных конденсаторов.
3.Классификация суперконденсаторных батарей для хранения энергии
- Электрическая емкость двойного слоя
Она обусловлена противостоянием зарядов, вызванным направленным расположением электронов или ионов на границе раздела электрод/раствор.
В системе электрод/раствор на границе раздела между электропроводящим электродом и ионнопроводящим раствором электролита образуется двойной электрический слой.
Когда к двум электродам прикладывается электрическое поле, анионы и катионы в растворе мигрируют к положительному и отрицательному электродам соответственно, образуя двойной электрический слой на поверхности электродов;
После снятия электрического поля положительные и отрицательные заряды на электродах сближаются с противоположно заряженными ионами в растворе. Притяжение стабилизирует электрический двойной слой и создает относительно стабильную разность потенциалов между положительным и отрицательным электродами.
В это время для определенного электрода в пределах определенного расстояния (дисперсионный слой) образуется противоположный ионный заряд, равный заряду на электроде, что позволяет поддерживать электрический нейтралитет;
Когда два полюса подключены к внешней цепи, заряд на электроде будет Зарядная миграция генерирует ток во внешней цепи, а ионы в растворе мигрируют в раствор, чтобы стать электрически нейтральными. Таков принцип зарядки и разрядки электрического двухслойного конденсатора.
- Квазиемкость Фарадея: Его теоретическая модель была впервые предложена Конвеем. Она представляет собой двумерное или квазидвумерное пространство на поверхности электрода и вблизи поверхности или в объемной фазе.
Электроактивный материал осаждается при пониженном потенциале, и происходит высокообратимая химическая адсорбция. Десорбция и окислительно-восстановительные реакции создают емкость, связанную с потенциалом заряда электрода.
В квазиконденсаторах Фарадея процесс накопления заряда включает не только накопление на двойном электрическом слое, но и окислительно-восстановительные реакции между ионами электролита и активными материалами электродов.
Когда ионы (такие как H+, OH-, K+ или Li+) в электролите диффундируют из раствора к границе раздела электрод/раствор под действием внешнего электрического поля, они попадают в активные оксиды на поверхности электрода через окислительно-восстановительную реакцию на границе раздела в объемной фазе, так что в электроде накапливается большое количество заряда. О сайте ванадиевая редокс-аккумуляторная батареяДополнительная информация.
Во время разряда эти ионы, попавшие в оксид, вернутся в электролит через обратную реакцию вышеупомянутой окислительно-восстановительной реакции, а накопленный заряд будет высвобожден через внешнюю цепь. Таков механизм зарядки и разрядки квазиконденсатора Фарадея.
4. Преимущества суперконденсаторных батарей для хранения энергии
- Емкость уровня Фарад в очень малом объеме;
- Не требуется специальной схемы зарядки и контролируемой схемы разрядки;
- По сравнению с аккумуляторами, перезарядка и разрядка не оказывают негативного влияния на срок их службы;
- С точки зрения охраны окружающей среды, это "зеленая" энергия;
- Батарея суперконденсатора может быть сварена, поэтому не возникает таких проблем, как слабый контакт батареи.
5.Недостатки суперконденсаторных батарей для хранения энергии
- Неправильное использование может привести к утечке электролита и другим явлениям;
- По сравнению с алюминиевыми электролитическими конденсаторами, его внутреннее сопротивление больше, поэтому его нельзя использовать в цепях переменного тока.
6.Причина, по которой суперконденсаторная батарея для хранения энергии является супер
- Суперконденсаторная батарея может рассматриваться как две нереактивные пористые электродные пластины, подвешенные в электролите. Когда на пластины подается электричество, положительная пластина притягивает отрицательные ионы в электролите, а отрицательная - положительные. Фактически образуются два конденсатора. В накопительном слое отделенные положительные ионы находятся возле отрицательной пластины, а отрицательные - возле положительной.
- Суперконденсаторные батареи хранят энергию в разделенных зарядах. Чем больше площадь, используемая для хранения зарядов, и чем плотнее разделенные заряды, тем больше емкость.
- Площадь традиционного конденсатора - это площадь плоской пластины проводника. Для того чтобы получить большую ёмкость аккумулятораМатериал проводника сворачивается в очень длинный рулон, а иногда для увеличения площади его поверхности используется специальная организационная структура. В традиционных конденсаторах для разделения двух пластин используются изолирующие материалы, обычно пластиковые пленки, бумага и т. д. Эти материалы обычно должны быть как можно тоньше.
- В основе суперконденсаторной батареи лежит пористый углеродный материал. Пористая структура материала позволяет достичь площади 2000 м2/г. Большей площади можно добиться с помощью некоторых мер. Расстояние, на которое заряжается суперконденсаторная батарея, определяется размером ионов электролита, которые притягиваются к заряженным электродам. Это расстояние (<10Å) меньше того, которое может быть достигнуто при использовании обычных пленочных материалов для конденсаторов.
- Огромная площадь поверхности в сочетании с очень малым расстоянием разделения зарядов делает батарею суперконденсаторов поразительно большой электростатической емкостью по сравнению с традиционным конденсатором, поэтому она и называется "супер".
7. Контроль разряда суперконденсаторов
Сопротивление суперконденсаторной батареи препятствует ее быстрой разрядке. Постоянная времени τ батареи суперконденсаторов составляет 1~2 с. Для полной разрядки цепи резистор-конденсатор требуется около 5τ.
То есть, для разрядки при коротком замыкании требуется около 5~10 с (из-за особой структуры электродов им требуется несколько часов для полной разрядки оставшегося заряда).
Суперконденсаторная батарея может быстро заряжаться и разряжаться, пиковый ток ограничен только ее внутренним сопротивлением, и даже короткое замыкание не смертельно. Фактически, это зависит от размера ячейки конденсатора. Для соответствующих нагрузок маленькие ячейки могут выдержать 10 А, а большие - 1000 А.
Еще одним ограничением скорости разряда является тепло. Многократная разрядка с высокой скоростью приведет к повышению температуры конденсатора и, в конечном счете, к размыканию цепи. Вот более подробная информация о 10 лучших производителях накопителей энергии, пожалуйста, нажмите производители аккумуляторов энергии.
+86 - 18925002618
