Исследование возможности применения наноразмерных углеродных материалов в электродах твердотельных конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов)
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
ипов конденсаторов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Типы диэлектриков и величины их электричечкой плотности
Тип диэлектрикаЭлектрическая прочность, МВ/мТитанат бария4…8Воздух10…70Керамика (а-Аl2О3 корунд)30…45Слюда, кварц500…700ДЭСболее 1000 (до 7500)
Как следует из таблицы 1, электрическая прочность ДЭС на порядок (порядки) превышает электрическую прочность диэлектриков всех других типов.
В качестве электродов в ионисторах чаще всего используют микропористые электронные проводники с высокой удельной поверхностью, например, различные активированные углеродные материалы [4,5]. Такие материалы содержат большое количество пор с размерами порядка 10-9 м и имеют удельную поверхность более 106 м2/кг. Расчёты показывают, что углеродные элементы, разделяющие поры, имеют размеры такого же порядка. При таком развитии площади поверхности и удельной ёмкости ДЭС 0,2 Ф/м2, возможно получение удельной ёмкости:
Суд. = 0,2 Ф / м2 106 м2 / кг = 200 кФ в 1 кг электрода.
Если рабочий интервал потенциалов электрода Dj составляет, например, 1,0 В, то в электроде массой (m) в 1 кг возможно накопить:
Еуд. = Суд. Dj2 / 2 m = 200 12 / 2 1 = 100 кДж / кг энергии.
Благодаря сочетанию высокой электрической прочности ДЭС с высокой удельной емкостью электродов возможно создание ионисторов с удельной энергией десятки кДж/кг.
В отличие от аккумуляторов, зарядка и разрядка которых связана с известными ограничениями, связанными с протеканием электрохимических реакций на электродах, ионисторы можно заряжать и разряжать накоротко, т.к. ДЭС образно можно сравнить с пружиной, которая сжимается в процессе зарядки и отдаёт накопленную энергию в процессе разрядки. При зарядке и разрядке ионистор ведёт себя как идеальный конденсатор, заряжаемый или разряжаемый через ограничительный резистор - внутреннее сопротивление. В случае использования электролитов с высоким напряжением разложения (> 2 В) и низким удельным сопротивлением возможно создание ионисторов с удельной мощностью порядка 10 кВт/кг.
Типы ионисторов
Существующие типы ионисторов, несмотря на большое их разнообразие, подразделяют на три типа [6-8]:
идеальные ионисторы - ионисторы с идеально поляризуемыми углеродными электродами. В этом типе ионисторов на электродах в рабочем интервале напряжений не протекают электрохимические реакции, накладывающие известные ограничения на величину мощности и количество циклов в режиме зарядка-разрядка, поэтому изделия этого типа отличаются высокой удельной мощностью и наработкой (порядка 104 часов и 106 циклов), к ним относят ионисторы с углеродными электродами и органическими электролитами;
гибридные ионисторы - ионисторы с идеально поляризуемым углеродным катодом и не поляризуемым или слабо поляризуемым анодом. В этом типе ионисторов на аноде протекает электрохимическая реакция (как в аккумуляторах), благодаря которой его емкость можно увеличить почти в 2 раза, однако этот эффект достигается за счет уменьшения количества циклов и сокращения температурного диапазона эксплуатации, к ним относят ионисторы с углеодным анодом и твердым электролитом [9];
псевдоконденсаторы - это псевдоионисторы, на электродах которых при зарядке и разрядке протекают обратимые электрохимические процессы (хемосорбция или интеркаляция ионов, содержащихся в электролите). По принципу накопления энергии псевдоконденсаторы можно условно отнести, как к ионисторам, если энергия накапливается только в поверхностном слое электродов, так и к аккумуляторам, если энергия накапливается не только в поверхностном слое, но и в объеме электродов.
Удельная энергия псевдоконденсаторов, благодаря протеканию электрохимических реакций на обоих электродах, сравнима с энергией, накапливаемой в аккумуляторах, однако величина удельной мощности и количество циклов в режиме зарядка-разрядка (порядка 104) могут быть на порядок выше того, что достигнуто в области аккумуляторов, т.к. диффузионные и кинетические ограничения удается минимизировать за счёт увеличения площади поверхности электродов.
Гибридные и псевдоконденсаторы созданы в погоне за увеличением удельной энергии конденсаторов с двойным электрическим слоем, несмотря на то, что за энергию приходится расплачиваться качеством изделий [8].
Твердотельные ионисторы. Электролит, используемый в твердотельных ионисторах
Твёрдые электролиты - это твердые фазы (кристаллические или стеклообразные), в которых электрический ток проводят ионы. Существование твердых фаз было обнаружено в начале ХХ века. Во второй половине ХХ века было синтезировано много соединений с высокой ионной проводимостью (сопоставимой с проводимостью растворов и расплавов сильных электролитов) даже при комнатной температуре, превышающей на несколько порядков электронную (или дырочную) проводимость.
Ионная проводимость твердых электролитов обусловлена значительной ионной разупорядоченностью одной из подрешеток кристалла, причем появление разупорядоченности вызвано фазовым переходом, дефектами кристаллической решетки или введением в материал специфических примесей [10,11].
Отличительной чертой твердых электролитов является существование критической температуры, при которой происходит скачкообразное изменение ионной проводимости в несколько раз или даже на несколько порядков. Наибольший интерес представляют твердые электролиты в так называем