{"id":1657,"date":"2019-05-22T02:47:38","date_gmt":"2019-05-22T02:47:38","guid":{"rendered":"http:\/\/www.meetyoucarbide.com\/single-post-the-path-of-electrochemical-capacitors-a-strong-complement-in-the-energy-field\/"},"modified":"2020-05-04T13:12:06","modified_gmt":"2020-05-04T13:12:06","slug":"the-path-of-electrochemical-capacitors-a-strong-complement-in-the-energy-field","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/droga-kondensatorow-elektrochemicznych-silne-uzupelnienie-w-polu-energii\/","title":{"rendered":"\u015acie\u017cka kondensator\u00f3w elektrochemicznych - silne uzupe\u0142nienie w dziedzinie energii"},"content":{"rendered":"
\n
\n
Koncepcja kondensator\u00f3w istnieje od dawna. Po raz pierwszy by\u0142a znana jako butelka Leiden. Jego prototypem jest szklana butelka zawieraj\u0105ca hydrolizowany kwasowy dielektryk. Jako dwie elektrody s\u0142u\u017c\u0105 przewodnik zanurzony w kwasie i metalowa folia powlekana na zewn\u0105trz szklanej butelki. Szk\u0142o pomi\u0119dzy nimi jest u\u017cywane jako materia\u0142 dielektryczny, jak pokazano na rysunku 1. Firma Berker z\u0142o\u017cy\u0142a patent w 1757 roku, opisuj\u0105c, \u017ce energia elektryczna w pierwotnym ogniwie jest magazynowana przez \u0142adunek przechowywany w podw\u00f3jnym ogniwie zanurzonym w wodnym dielektrycznym porowatym w\u0119glu interfejs materia\u0142owy. Co to jest kondensator elektrochemiczny (inaczej superkondensator)? Pierwszym, kt\u00f3ry nale\u017cy wymieni\u0107, jest kondensator o du\u017cej pojemno\u015bci (na gram pojemno\u015bci farada) opracowany przez system folii z tlenku hafnu i podw\u00f3jn\u0105 warstw\u0119 w\u0119gla. Jak osi\u0105ga si\u0119 tak du\u017c\u0105 pojemno\u015b\u0107 \u0142adowania? Nast\u0119pnie dowiemy si\u0119, co si\u0119 dzieje.<\/div>\n
Rysunek 1 Zasada dzia\u0142ania i mapa fizyczna butelki Leiden<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

I. Klasyfikacja i zasada<\/div>\n
Wiadomo, \u017ce kondensatory elektrochemiczne maj\u0105 kilka godnych uwagi cech: wysok\u0105 g\u0119sto\u015b\u0107 mocy (szybkie \u0142adowanie i roz\u0142adowywanie, drugi rz\u0105d), d\u0142ugi cykl \u017cycia i stosunkowo du\u017c\u0105 g\u0119sto\u015b\u0107 energii (nieco mniej ni\u017c w przypadku akumulator\u00f3w litowo-jonowych), z kt\u00f3rych wszystkie zale\u017c\u0105 od magazynowania energii mechanizm. Zgodnie z zasad\u0105 magazynowania energii, kondensatory elektrochemiczne s\u0105 generalnie podzielone na kondensatory elektryczne dwuwarstwowe i kondensatory tantalowe Faradaya. Oczywi\u015bcie mieszanie tych dw\u00f3ch razem jest r\u00f3wnie\u017c nazywane kondensatorem hybrydowym. Jakie s\u0105 ich odpowiednie mechanizmy magazynowania energii i czym r\u00f3\u017cni\u0105 si\u0119 od akumulator\u00f3w litowo-jonowych? Poni\u017cej pokr\u00f3tce rozumiemy niekt\u00f3re z podstawowych zasad przechowywania energii i r\u00f3\u017cnic\u0119 w przypadku akumulator\u00f3w litowo-jonowych, jak pokazano na rysunku 2.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Rys. 2 Por\u00f3wnanie podstawowego sk\u0142adu i mechanizmu magazynowania energii elektrycznego kondensatora dwuwarstwowego, kondensatora tantalowego Faradaya i akumulatora litowo-jonowego<\/div>\n
W elektrycznym kondensatorze dwuwarstwowym \u0142adunki s\u0105 skoncentrowane w obszarze w pobli\u017cu powierzchni, przyci\u0105gaj\u0105c jony dodatnie i ujemne w elektrolicie, a zatem mi\u0119dzy elektrod\u0105 a elektrolitem powstaje pole elektrostatyczne w celu magazynowania energii. Oba bieguny maj\u0105 par\u0119 \u0142adunk\u00f3w dodatnich i ujemnych, dlatego nazywa si\u0119 to elektrycznym kondensatorem dwuwarstwowym. Ta reakcja jest wysoce odwracaln\u0105 adsorpcj\u0105 fizyczn\u0105, doskona\u0142\u0105 stabilno\u015bci\u0105 cyklu (> 100 000 razy), a szybko\u015b\u0107 \u0142adowania i roz\u0142adowania jest niezwykle szybka, ale energia nie jest wysoka ze wzgl\u0119du na ograniczony \u0142adunek. W kondensatorze tantalowym Faradaya \u0142adunek przechodzi przez interfejs elektrolitu elektrody, a powierzchnia substancji o zmiennej warto\u015bciowo\u015bci w elektrodzie lub w niej osadzonej powoduje \u0142\u0105czenie si\u0119 reakcji redoks z jonami w elektrolicie, aby zrealizowa\u0107 magazynowanie \u0142adunku. Mechanizm magazynowania energii r\u00f3\u017cni si\u0119 od tradycyjnego elektrycznego dwuwarstwowego magazynowania energii. Poniewa\u017c niekt\u00f3re z tych reakcji redoks s\u0105 szybkimi reakcjami odwracalnymi na powierzchni elektrody, a niekt\u00f3re s\u0105 reakcjami osadzonymi z pewn\u0105 zmian\u0105 fazy, stabilno\u015b\u0107 cyklu jest gorsza ni\u017c w przypadku elektrycznego kondensatora dwuwarstwowego, ale zmagazynowana energia jest lepsza. W przypadku akumulatora litowo-jonowego opiera si\u0119 g\u0142\u00f3wnie na jonach litu w elektrolicie, kt\u00f3re s\u0105 osadzane i usuwane z warstwowej struktury elektrod dodatnich i ujemnych podczas \u0142adowania i roz\u0142adowywania, aby zrealizowa\u0107 przechowywanie i uwalnianie \u0142adunku. W tym mechanizmie zmagazynowana energia jest bardzo du\u017ca, ale ze wzgl\u0119du na proces zmiany fazy pr\u0119dko\u015b\u0107 transferu \u0142adunku jest niska, a struktura \u0142atwo si\u0119 zapada, wi\u0119c wydajno\u015b\u0107 cyklu nie jest wysoka.<\/div>\n
2.struktura i rozw\u00f3j<\/div>\n
Podstawow\u0105 budow\u0119 kondensatora elektrochemicznego pokazano na FIG. 2 i zawiera g\u0142\u00f3wnie elektrod\u0119, elektrolit i separator izolowany mi\u0119dzy dwiema elektrodami. Materia\u0142y elektrodowe i elektrolity to dwa najwa\u017cniejsze sk\u0142adniki, a uzyskane badania s\u0105 bardzo systematyczne. Poni\u017cej znajduje si\u0119 kr\u00f3tkie wprowadzenie do post\u0119pu bada\u0144 g\u0142\u00f3wnych materia\u0142\u00f3w elektrodowych i elektrolit\u00f3w.<\/div>\n
Materia\u0142 elektrody<\/div>\n
Badania nad materia\u0142ami elektrodowymi s\u0105 bardzo dojrza\u0142e. Wi\u0119kszo\u015b\u0107 oryginalnych elektrycznych kondensator\u00f3w dwuwarstwowych wykorzystywa\u0142a materia\u0142y w\u0119glowe, takie jak porowaty w\u0119giel, w\u0142\u00f3kno w\u0119glowe, nanorurki w\u0119glowe i grafen. Chocia\u017c materia\u0142 w\u0119glowy ma ma\u0142\u0105 pojemno\u015b\u0107 i nisk\u0105 g\u0119sto\u015b\u0107 energii, to jego obci\u0105\u017cenie na przewodz\u0105ce pod\u0142o\u017ce mo\u017ce by\u0107 bardzo du\u017ce, co sprawia, \u017ce ma szerokie i g\u0142\u0119bokie zastosowanie w polu komercjalizacji. Oczywi\u015bcie naukowcy niedawno rozpocz\u0119li aktywacj\u0119 materia\u0142\u00f3w w\u0119glowych w celu uzyskania wy\u017cszych g\u0119sto\u015bci energii, co ma znacznie zwi\u0119kszy\u0107 poziom wydajno\u015bci w\u0119gla klasy komercyjnej.<\/div>\n
Ze wzgl\u0119du na ograniczon\u0105 pojemno\u015b\u0107 materia\u0142\u00f3w w\u0119glowych i niewystarczaj\u0105c\u0105 akumulacj\u0119 energii kondensatory tantalowe stopniowo sta\u0142y si\u0119 obiektem bada\u0144. Do g\u0142\u00f3wnych zbadanych materia\u0142\u00f3w nale\u017c\u0105 tlenki metali, polimery przewodz\u0105ce, azotki metali, a ostatnio badania nad w\u0119glikami metali na gor\u0105co. Najwcze\u015bniej szeroko badany jest tlenek itru, kt\u00f3ry ma doskona\u0142e w\u0142a\u015bciwo\u015bci elektrochemiczne, ale stopniowo zyskuje na popularno\u015bci ze wzgl\u0119du na nisk\u0105 wydajno\u015b\u0107 i wysok\u0105 cen\u0119. Wiele tlenk\u00f3w metali ma lepsz\u0105 wydajno\u015b\u0107, ale maj\u0105 wad\u0119 s\u0142abej przewodno\u015bci elektrycznej, co znacznie wp\u0142ywa na charakterystyk\u0119 szybkiego \u0142adowania i roz\u0142adowywania kondensator\u00f3w elektrochemicznych. Przewodno\u015b\u0107 polimeru przewodz\u0105cego jest lepsza ni\u017c wi\u0119kszo\u015bci tlenk\u00f3w metali, a wydajno\u015b\u0107 jest podobna, ale istnieje problem zwi\u0105zany ze s\u0142ab\u0105 stabilno\u015bci\u0105 cyklu. Azotki metali maj\u0105 doskona\u0142\u0105 przewodno\u015b\u0107 elektryczn\u0105 i dobr\u0105 zdolno\u015b\u0107 magazynowania energii, ale \u0142atwo utleniaj\u0105 si\u0119 podczas cykli elektrochemicznych w celu zmniejszenia przewodno\u015bci elektrycznej, a wydajno\u015b\u0107 cyklu nie jest gwarantowana. W\u0119gliki lub w\u0119glikoazotki metali oraz odpowiadaj\u0105ce im materia\u0142y warstwowe (takie jak Mxene itp.) ciesz\u0105 si\u0119 w ostatnich latach du\u017c\u0105 uwag\u0105 badaczy i maj\u0105 ogromny potencja\u0142 rozwojowy.<\/div>\n
Elektrolit<\/div>\n
Uk\u0142ad elektrolityczny kondensator\u00f3w elektrochemicznych stopniowo dojrzewa wraz z rozwojem elektrod. Z perspektywy du\u017cej klasyfikacji elektrolit obejmuje g\u0142\u00f3wnie elektrolit wodny i elektrolit organiczny. Elektrolit na bazie wody zawiera kwasy, kwasy i oboj\u0119tne i ma wysok\u0105 przewodno\u015b\u0107 jonow\u0105, ale jest ograniczony przez granic\u0119 napi\u0119cia rozk\u0142adu wody (1,23 V), a jego napi\u0119cie robocze jest niskie. Elektrolity na bazie wody s\u0105 cz\u0119\u015bciej wykorzystywane w badaniach naukowych, ale istnieje niewiele produkt\u00f3w komercyjnych. Rodzaj elektrolitu organicznego jest stosunkowo du\u017cy, a jego najwi\u0119ksz\u0105 cech\u0105 jest to, \u017ce napi\u0119cie graniczne jest znacznie wy\u017csze ni\u017c w przypadku elektrolitu wodnego (2,7-3,7 V). Dlatego wysokie napi\u0119cie robocze mo\u017ce pom\u00f3c superkondensatorowi znacznie zwi\u0119kszy\u0107 jego g\u0119sto\u015b\u0107 energii. W komercyjnych kondensatorach elektrochemicznych stosuje si\u0119 zdecydowan\u0105 wi\u0119kszo\u015b\u0107 elektrolit\u00f3w organicznych.<\/div>\n
Opracowanie struktury kondensatora elektrochemicznego<\/div>\n
Wraz z pog\u0142\u0119bieniem i specyfik\u0105 prac badawczych bardzo rozwin\u0105\u0142 si\u0119 r\u00f3wnie\u017c kszta\u0142t urz\u0105dzenia kondensatora elektrochemicznego. Pierwsze dost\u0119pne na rynku superkondensatory by\u0142y g\u0142\u00f3wnie typu uzwojonego i typu guzikowego (taka sama konstrukcja jak bateria konwencjonalna), jak pokazano na rysunku 3.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Rysunek 3 Superkondensatory uzwojone i guzikowe<\/div>\n
Wraz ze stopniowym wzrostem zapotrzebowania pojawiaj\u0105 si\u0119 pewne niedoci\u0105gni\u0119cia w powierzchni aplikacyjnej kondensator\u00f3w elektrochemicznych do twardych pod\u0142o\u017cy. Elastyczne przeno\u015bne superkondensatory sta\u0142y si\u0119 gor\u0105cym punktem bada\u0144. G\u0142\u00f3wnym ulepszeniem jest to, \u017ce pod\u0142o\u017ce jest elastycznym materia\u0142em przewodz\u0105cym, takim jak tkanina w\u0119glowa, papier w\u0119glowy, pianka niklowa, elastyczne blachy metalowe i samono\u015bne CNT itp., jak pokazano na RYS.4.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Rysunek 4 Elastyczne materia\u0142y elektrod dla kilku elastycznych superkondensator\u00f3w<\/div>\n
Elastyczny superkondensator mo\u017ce zapewni\u0107 wygodne przenoszenie jednostki magazynowania energii i elastycznego kondensatora elektrochemicznego, jak pokazano na FIG. 5 nap\u0119dza zegarek elektroniczny jako pasek do zegarka w tym samym czasie.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Rysunek 5 Niekt\u00f3re zastosowania dwuwymiarowych elastycznych superkondensator\u00f3w<\/div>\n
Ponadto, je\u015bli chodzi o urz\u0105dzenia do noszenia, dwuwymiarowe elastyczne pod\u0142o\u017ce jest nadal niewystarczaj\u0105ce, aby zaspokoi\u0107 jak\u0105kolwiek potrzeb\u0119 tkania. W tym czasie opracowano r\u00f3wnie\u017c jednowymiarowe superkondensatory liniowe. Efektywne tkanie odzie\u017cy mo\u017cna osi\u0105gn\u0105\u0107 za pomoc\u0105 tych liniowych superkondensator\u00f3w, jak pokazano na niekt\u00f3rych rys. 6.<\/div>\n

\"\"<\/p>\n

Rysunek 6 Wy\u015bwietlacz tkacki jednowymiarowego liniowego superkondensatora<\/div>\n
3. przysz\u0142o\u015b\u0107 i perspektywy<\/div>\n
Jak b\u0119dzie si\u0119 rozwija\u0107 przysz\u0142o\u015b\u0107 superkondensator\u00f3w? Jest to urz\u0105dzenie do magazynowania energii, ale ze wzgl\u0119du na swoje podstawowe ograniczenia pojemno\u015b\u0107 akumulatora jest trudna do przekroczenia (je\u015bli jest to wi\u0119cej ni\u017c superkondensator), nie powinna mie\u0107 takiego samego efektu jak akumulator, ale powinna by\u0107 u\u017cywana jako bateria. Pot\u0119\u017cny dodatek do g\u0142\u00f3wnego \u017ar\u00f3d\u0142a zasilania. W tym przypadku jego rozw\u00f3j w naturalny spos\u00f3b zale\u017cy od popytu. Kiedy energia s\u0142oneczna lub wiatrowa jest wykorzystywana do przechowywania energii, jej moc wzrasta; gdy jest u\u017cywany jako zapasowe \u017ar\u00f3d\u0142o zasilania, jego magazynowanie energii jest zmaksymalizowane. Kr\u00f3tko m\u00f3wi\u0105c, ma pod\u0105\u017ca\u0107 za potrzebami.<\/div>\n
Wierz\u0119, \u017ce w niedalekiej przysz\u0142o\u015bci kondensatory elektrochemiczne stan\u0105 si\u0119 nieodzownym elementem codziennego \u017cycia, takim jak baterie i stan\u0105 si\u0119 naszym dobrym pomocnikiem!<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

The concept of capacitors has been around for a long time. It was first known as the Leiden bottle. Its prototype is a glass bottle containing a hydrolyzed acid dielectric. The conductor immersed in acid and the metal foil coated on the outside of the glass bottle serve as two electrodes. The glass in between…<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[79],"tags":[],"class_list":["post-1657","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-materials-weekly"],"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1657","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1657"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1657\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1657"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1657"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pl\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1657"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}