Исследование возможности применения наноразмерных углеродных материалов в электродах твердотельных конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов)
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Исследование возможности применения наноразмерных углеродных материалов в электродах твердотельных конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов)
Введение
Современная наука и техника широко использует перезаряжаемые источники электрического тока. Поэтому очень актуальной в настоящее время является проблема создания источников тока с высокой удельной энергией и мощностью. К перезаряжаемым накопителям и источникам тока относят электрические конденсаторы и так называемые вторичные химические источники тока, т.е. аккумуляторы. Первый энергонакопительный электрический конденсатор - лейденская банка, был создан в 1745 г., а первый аккумулятор - свинцовый, в 1859 г.
Энергонакопительные конденсаторы с двойным электрическим слоем на основе жидких электролитов созданы в конце 60-х годов, а конденсаторы с двойным электрическим слоем на основе твердого электролита RbAg4J5 (ионисторы) созданы в начале 70-х годов; промышленное производство этого типа конденсаторов организовано в начале 80-х годов.
По электрическим параметрам и функциям конденсаторы с двойным электрическим слоем относят к классу приборов, занимающих промежуточное положение между аккумуляторами и электрическими конденсаторами.
Конденсаторы с двойным электрическим слоем на основе твердого электролита RbAg4J5 (ионисторы) разрабатывают и применяют до настоящего времени, несмотря на относительно низкую (в сравнении с другими типами накопителей энергии) удельную энергоёмкость и высокую стоимость.
Конкурентоспособность ионисторов с твердым электролитом RbAg4I5, несмотря на низкое рабочее напряжение и высокую цену, определяется совокупностью следующих параметров:
.) широким интервалом рабочих температур - от минус 60 до + 125С;
.) высокой стойкостью к воздействиям механических факторов, в том числе к ударам с ускорением до 50 тыс.g;
.) высокой стойкостью к воздействиям ионизирующих излучений, т.е. ионисторы сохраняют заряд во время и после воздействия этих факторов.
.) низкими токами саморазрядки - порядка 10-9A.
Ионисторы с твердым электролитом используются преимущественно в качестве резервных источников тока не требующих обслуживания или замены в течение всего срока службы изделия или устройства.
Одной из актуальных проблем перспективного развития ионисторов является проблема увеличения удельной энергии (Дж/г). Удельную энергию ионисторов (Е = CU2/2m) повышают тремя путями:
увеличения удельной ёмкости электродных материалов;
повышения рабочего напряжения (U) на ионисторе;
уменьшения массы конструкционных материалов и деталей ионисторов.
Увеличение удельной ёмкости электродных материалов возможно путём использования нанопористых или наноразмерных материалов с большой удельной поверхностью, порядка 1000…2500 м2/г. В качестве таких материалов чаще всего используют нанопористые углеродные порошки, получаемые самыми различными способами.
В последнее время в качестве электродных наноразмерных материалов активно исследуют углеродные нанотрубки, нановолокна и графены. По литературным данным эти материалы, кроме высокой удельной поверхности (около 1000 м2/г), имеют высокую электропроводимость (на уровне электропроводимости меди), что позволяет создавать конденсаторы с более высокой удельной мощностью.
Целью данной работы является исследование возможности применения наноразмерных углеродных материалов - нанотрубок, нановолокон и фуллеренов, в электродах (а именно - в анодах) твердотельных конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов) на основе твердого электролита RbAg4J5.
Работа выполнена впервые, в литературе нет данных по исследованию нанотрубок, нановолокон и фуллеренов в электрохимической системе +С / RbAg4J5 / Ag -.
1. Литературный обзор
.1 Общие сведения о перезаряжаемых источниках электрического тока
Технические устройства, в которых применяются электрические конденсаторы, весьма многообразны. Конденсаторы используются в устройствах импульсной техники в качестве накопителей электрической энергии, в технике синусоидальных токов - как реактивные элементы, оказывающие сопротивление (зависящее от частоты) переменному току практически без потерь энергии и т.д. [1].
В последние годы все большее применение в радиоэлектронной аппаратуре находят так называемые конденсаторы с двойным электрическим слоем, у которых электрическое поле сосредоточено не в поляризованном диэлектрике, как у названных выше конденсаторов, а в двойном электрическом слое [2], образующемся при определенных условиях на границе электрод-электролит. Конденсаторы с двойным электрическим слоем - известны под названиями ионисторы (Россия), суперконденсаторы, гиперконденсаторы (Япония), ультраконденсаторы (Германия, США), электрохимические конденсаторы (Франция, Канада) и т.п.
Ионисторы - относительно новое поколение электрохимических приборов хранения энергии. По энергетической плотности и скорости доступа к запасенной энергии они занимают промежуточное положение между электролитическими конденсаторами большой емкости и небольшими аккумуляторами рис. 1.
Рис. 1. Диапазон емкостей электролитических конденсаторов, ионисторов и аккумуляторов
.2 К