Исследование возможности применения наноразмерных углеродных материалов в электродах твердотельных конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов)
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
онденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы)
История создания конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов)
Первое упоминание о строении двойного электрического слоя и возможности использования запасаемой в нем энергии принадлежит Гельмгольцу и относится к средине XIX века, а практическое использование энергии двойного электрического слоя в электрических конденсаторах началось лишь во второй половине XX века.
Первый конденсатор с двойным слоем на пористых углеродных электродах был запатентован в 1957 году фирмой General Electric. Так как точный механизм к тому моменту времени был не ясен, было предположено, что энергия запасается в порах на электродах. Чуть позже, в 1966 фирма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), США запатентовала элемент, который накапливал и сохранял энергию в двойном электрическом слое.
В результате небольших продаж, в 1971 году SOHIO передала лицензию фирме NEC, которой удалось удачно продвинуть продукт на рынке под именем Supercapacitor (Суперконденсатор). В 1978 году фирма Panasonic выпустила на рынок Gold capacitor (Gold Cap) Золотой конденсатор с органическим электролитом, работающий на том же принципе. Эти конденсаторы имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее отдачу энергии, поэтому они применялись только как накопители энергии для защиты электронной памяти.
Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году. На рынке эти ионисторы появились под именем PRI Ultracapacitor.
В последнее десятилетие сделан существенный шаг в создании и развитии производства мощных энергонакопительных конденсаторов с двойным электрическим слоем и их широкое использование в технике.
Некоторые типы таких конденсаторов способны накапливать удельную энергию более 10 кДж/кг и разряжаться на нагрузку с удельной мощностью порядка 1…10 кВт/кг [3].
Принципы функционирования ионисторов
В ионисторах энергия накапливается в процессе зарядки за счёт поляризации двойных электрических слоев на границах раздела - анод / электролит и катод / электролит.
Впервые модель двойного электрического слоя (ДЭС) в системах электрод / электролит создал в 1879 г. Гельмгольц и показал, что ДЭС по существу является конденсатором, одна из обкладок которого - заряженная поверхность электрода, а другая - слой ионов противоположного знака в электролите (ионного проводника) (рис. 2.). Впоследствии усилиями Гуи, Штерна и Фрумкина создана классическая теория строения и свойств ДЭС в водных электролитах и таким образом заложен фундамент для создания различных электрохимических преобрзователей энергии и информации (в том числе и ионисторов). В частности, было установлено, что удельная ёмкость ДЭС весьма высока (около 0,2 Ф/м2), а скачок потенциала в двойном электрическом слое может достигать величины 1 В и даже выше.
Рис. 2. Схема образования двойного электрического слоя:
- отрицательный и положительный электроды, 2 - ионы электролита, 3 - область двойного электрического слоя
Другими словами, - система электронный проводник / ионный проводник в определённых условиях ведёт себя как конденсатор, т.е. при прохождении через такую систему тока изменяется межфазная разность потенциалов j. Если эти изменения обратимы, то система может характеризоваться ёмкостью, определяемой для идеального конденсатора по формуле:
С = Dj / Dq,
где Dj - изменение межфазной разности потенциалов, а
Dq - накопленный на межфазной границе заряд.
В концентрированных электролитах заряд на межфазной границе образован избыточным электронным (дырочным) зарядом поверхности металлического электрода и избыточным ионным зарядом со стороны электролита. Ионы электролита плотно прижаты к поверхности электрода, как силами изображения, так и электростатическим притяжением электронного заряда поверхности, так что расстояние между зарядами в двойном слое d по порядку величины близко к радиусу иона. В электролитах ионы, как правило, сольватированы, что несколько увеличивает их радиус.
Оценка диэлектрической проницаемости e в области двойного слоя в системах электронный проводник / ионный проводник по формуле плоского конденсатора даёт величину e = 4,5, тогда как для воды e = 80:
e = Суд. d / e0 = 0,2 2 10 -10 / 8,85 10 -12 = 4,5
Низкую величину e объясняют тем, что молекулы воды на межфазной границе сильно поляризованы, при этом радиус гидратированных ионов принят равным 2 .
Если в обычных конденсаторах заряды разделены диэлектриком, то в ДЭС разделение зарядов на межфазной границе обусловлено термодинамической невозможностью или кинетической затрудненностью переноса зарядов в рабочем интервале электродных потенциалов Dj. Сопротивление переносу R можно в этом случае выразить как:
= Dj / Iутечки
В реальных системах ток утечки (Iутечки) отличается от нуля из-за наличия примесей в электролите или электродах с более низким потенциалом разложения, а также из-за наличия электронной составляющей проводимости в ионных проводниках (электролитах).
Электрическую прочность ДЭС можно определить по формуле Е = Dj / d. В различных типах ионисторов используются ДЭС с интервалом потенциалов от 0,5 до 1,5 В. Если принять Dj = 1,0 В, а d = 210-10 м, то электрическая прочность ДЭС будет равна:
Е = 0,5 1010 В/м = 5000 МВ/м = 5 ГВ/м.
Величины электрической прочности диэлектриков других т