Відповідно до класифікації методів зберігання енергії, суперконденсаторні батареї включають електричні двошарові конденсатори (EDLC), псевдоконденсатори (PC) і гібридні суперконденсатори (HSC).
У цій статті ми представимо принципи та електродні матеріали різних типів суперконденсаторних батарей, а також узагальнимо застосування та перспективи суперконденсаторних батарей з науково-технічної точки зору.
</img
1.Що таке накопичувач енергії на суперконденсаторних батареях?
Суперконденсаторна батарея, також відома як електрохімічний конденсатор, електричний двошаровий конденсатор, золотий конденсатор і конденсатор Фарада, - це електрохімічний компонент, розроблений в 1970-х і 1980-х роках, який зберігає енергію за допомогою поляризованих електролітів.
Він відрізняється від традиційного хімічне зберігання енергії. Це джерело живлення з особливими властивостями між традиційними конденсаторами та батареями. Він в основному покладається на електричні подвійні шари і окислювально-відновні псевдоємнісні заряди для зберігання електричної енергії.
Однак під час процесу накопичення енергії не відбувається жодних хімічних реакцій. Цей процес накопичення енергії є оборотним, тому батарею суперконденсаторів можна багаторазово заряджати і розряджати сотні тисяч разів.
Конкретні деталі конструкції суперконденсаторної батареї залежать від застосування та використання суперконденсаторної батареї. Ці матеріали можуть дещо відрізнятися залежно від виробника або вимог конкретного застосування.
Спільним для всіх суперконденсаторів є те, що вони містять позитивний електрод, негативний електрод і сепаратор між двома електродами. Електроліт заповнює пори, розділені двома електродами і сепаратором.
Суперконденсатори складаються з пористих електродних матеріалів з високою питомою поверхнею, пористих батарейних сепараторів та електролітів.
Сепаратор повинен відповідати умовам якомога вищої іонної провідності та якомога нижчої електронної провідності і, як правило, являє собою електронно-ізолюючий матеріал з волокнистою структурою, наприклад, поліпропіленову плівку. Тип електроліту вибирається на основі властивостей матеріалу електродів.
2. Принцип двошарового конденсатора (EDLC)
Електричний двошаровий конденсатор (EDLC): Накопичення і вивільнення заряду відбувається тільки на межі розділу "електричного подвійного шару", і весь процес є фізичним процесом (хімічна реакція не відбувається).
Тому EDLC має високу стабільність і відносно ідеальний термін служби. Під час процесу заряджання EDLC аніони і катіони в електроліті будуть переміщатися в позитивному і негативному напрямках конденсатора, тим самим утворюючи електричний подвійний шар, прикріплений до поверхні пористого електрода.
Після того, як зарядка акумулятораіони електроліту на електроді не можуть мігрувати в електроліт через взаємне притягання позитивних і негативних зарядів в електричному подвійному шарі. Таким чином, між позитивним і негативним електродами може підтримуватися стабільна різниця потенціалів, завдяки чому відбувається накопичення електричної енергії.
Коли EDLC розряджається, електрони, зібрані на негативному електроді, під дією навантаження переносяться на позитивний електрод, а електричний двошаровий баланс між електродом і електролітом порушується, і іони електроліту повертаються в електроліт.
Це схоже на механізм традиційних конденсаторів, але відстань між подвійним шаром і електродом становить лише іонний радіус, тому ємність EDLC-конденсаторів набагато більша, ніж у традиційних конденсаторів.
3 Класифікація суперконденсаторних батарей для зберігання енергії
- Електрична двошарова ємність
Він спричинений конфронтацією зарядів, зумовленою спрямованим розташуванням електронів або іонів на межі розділу електрод/розчин.
У системі електрод/розчин електричний подвійний шар утворюється на межі розділу між електропровідним електродом та іонопровідним розчином електроліту.
Коли до двох електродів прикладається електричне поле, аніони і катіони в розчині мігрують до позитивного і негативного електродів відповідно, утворюючи подвійний електричний шар на поверхні електродів;
Після зняття електричного поля позитивні та негативні заряди на електродах фазуються з протилежно зарядженими іонами в розчині. Притягання стабілізує електричний подвійний шар і створює відносно стабільну різницю потенціалів між позитивним і негативним електродами.
У цей час для певного електрода на певній відстані (дисперсійний шар) буде генеруватися протилежний іонний заряд, рівний заряду на електроді, так що він зберігає електричну нейтральність;
Коли два полюси підключені до зовнішнього ланцюга, заряд на електроді буде Міграція заряду генерує струм у зовнішньому ланцюзі, а іони в розчині мігрують до розчину, щоб стати електрично нейтральними. Це принцип заряджання і розряджання електричного двошарового конденсатора.
- Квазіємність Фарадея: Його теоретична модель була вперше запропонована Конвеєм. Це двовимірний або квазідвовимірний простір на поверхні електрода і біля поверхні або в об'ємній фазі.
Електроактивний матеріал осаджується при низькому потенціалі і відбувається високооборотна хімічна адсорбція. Десорбція та окислювально-відновні реакції створюють ємність, пов'язану з потенціалом заряду електрода.
У квазіконденсаторах Фарадея процес накопичення заряду не тільки включає накопичення на електричному подвійному шарі, але також включає окислювально-відновну реакцію між іонами електроліту та активними матеріалами електродів.
Коли іони (такі як H+, OH-, K+ або Li+) в електроліті дифундують з розчину на поверхню розділу електрод/розчин під дією зовнішнього електричного поля, вони переходять в активні оксиди на поверхні електрода через окислювально-відновну реакцію на поверхні розділу в об'ємній фазі, завдяки чому в електроді накопичується велика кількість заряду. Про Ванадієвий редокс-акумуляторбільше інформації.
Під час розряду ці іони, що потрапили в оксид, повернуться в електроліт через зворотну реакцію вищезгаданої окислювально-відновної реакції, а накопичений заряд буде вивільнений через зовнішній ланцюг. Це механізм заряджання і розряджання квазіконденсатора Фарадея.
4. Переваги зберігання енергії в суперконденсаторних батареях
- Ємність рівня Фарада в дуже малому об'ємі;
- Немає необхідності в спеціальній схемі зарядки та контрольованому розряді;
- На відміну від акумуляторів, перезарядка та розрядка не матиме негативного впливу на термін їхньої служби;
- З точки зору захисту навколишнього середовища, це "зелена" енергетика;
- Суперконденсаторну батарею можна зварювати, тому не виникає таких проблем, як слабкий контакт батареї.
5.Недоліки накопичувачів енергії з суперконденсаторними батареями
- Неправильне використання може призвести до витоку електроліту та інших явищ;
- У порівнянні з алюмінієвими електролітичними конденсаторами, його внутрішній опір більший, тому його не можна використовувати в ланцюгах змінного струму.
6. причина, чому накопичувач енергії суперконденсаторної батареї є супер
- Батарею суперконденсаторів можна розглядати як дві нереактивні пористі електродні пластини, підвішені в електроліті. Коли на пластини подається електрика, позитивна пластина притягує негативні іони в електроліті, а негативна пластина притягує позитивні іони. Фактично, утворюються два конденсатори. У накопичувальному шарі розділені позитивні іони знаходяться біля негативної пластини, а негативні іони - біля позитивної пластини.
- Суперконденсаторна батарея зберігає енергію у вигляді окремих зарядів. Чим більша площа використовується для зберігання зарядів і чим щільніше розділені заряди, тим більша ємність.
- Площа традиційного конденсатора - це площа плоскої пластини провідника. Для того, щоб отримати більшу ємність акумулятораматеріал провідника прокатується дуже довго, а іноді використовується спеціальна організаційна структура для збільшення площі його поверхні. Традиційні конденсатори використовують ізоляційні матеріали для розділення двох пластин, зазвичай це пластикові плівки, папір тощо. Ці матеріали зазвичай повинні бути якомога тоншими.
- В основі батареї суперконденсаторів лежить пористий вуглецевий матеріал. Пориста структура матеріалу дозволяє йому мати площу до 2000 м2/г. За допомогою певних заходів можна досягти більшої площі поверхні. Відстань, на яку розділяються заряди в батареї суперконденсаторів, визначається розміром іонів електроліту, які притягуються до заряджених електродів. Ця відстань (<10Å) є меншою, ніж та, що може бути досягнута при використанні звичайних конденсаторних плівкових матеріалів.
- Величезна площа поверхні в поєднанні з дуже малою відстанню поділу заряду робить суперконденсаторну батарею надзвичайно ємною, порівняно з традиційним конденсатором, тому вона і називається "супер".
7. Контроль розряду суперконденсаторів
Опір батареї суперконденсаторів перешкоджає її швидкому розряду. Постійна часу τ батареї суперконденсаторів становить 1~2с. Для повної розрядки ланцюга резистор-конденсатор потрібно близько 5τ.
Тобто, для розрядки при короткому замиканні потрібно близько 5~10 с (через особливу структуру електродів їм насправді потрібно кілька годин, щоб повністю розрядитися від залишкового заряду).
Суперконденсаторні батареї можуть швидко заряджатися і розряджатися, при цьому піковий струм обмежений лише їхнім внутрішнім опором, і навіть коротке замикання не є фатальним. Насправді, це залежить від розміру конденсаторної батареї. Для відповідних навантажень маленькі комірки витримують 10А, а великі - 1000А.
Ще одним обмеженням на швидкість розряду є нагрівання. Багаторазові розряди з високою швидкістю збільшують температуру конденсатора і, зрештою, призводять до обриву ланцюга. Щоб дізнатися більше про 10 найбільших виробників систем зберігання енергії, перейдіть за посиланням виробники акумуляторів для зберігання енергії.
+86 - 18925002618
