Як працуюць суперкандэнсатарныя батарэі
На фоне росту попыту на энергію — ад электрамабіляў і партатыўных электронных прылад да сістэм захоўвання аднаўляльнай энергіі — тэхналогіі захоўвання энергіі таксама хутка развіваюцца. Хімічныя акумулятары, такія як літый-іённыя, дамінуюць на рынку дзякуючы сваёй здольнасці захоўваць вялікую колькасць энергіі. Аднак іншая тэхналогія прыцягвае ўвагу сваёй здольнасцю вельмі хутка зараджацца і разраджацца і на працягу выключна доўгага часу цыклу: суперкандэнсатары. Многія людзі называюць іх «суперкандэнсатарнымі акумулятарамі», хоць тэхнічна яны не з'яўляюцца акумулятарамі ў тым сэнсе, што ўключаюць хімічныя рэакцыі, якія захоўваюць энергію. Дык як жа насамрэч працуюць суперкандэнсатары і чаму яны лічацца ключавым рашэннем будучыні?
Што такое суперкандэнсатар?
Суперкандэнсатары (часта іх называюць ультракандэнсатарамі) — гэта прылады назапашвання энергіі, якія знаходзяцца недзе паміж звычайнымі кандэнсатарамі і акумулятарамі. Звычайныя кандэнсатары могуць зараджацца і разраджацца вельмі хутка, але іх ёмістасць невялікая. Акумулятары могуць захоўваць вялікую колькасць энергіі, але яны зараджаюцца і разраджаюцца адносна павольна і маюць абмежаваны тэрмін службы.
Суперкандэнсатары спрабуюць скарыстацца перавагамі кандэнсатараў: хуткай зарадкі, хуткай разрадкі і працяглага тэрміну службы, адначасова павялічваючы іх магчымасці захоўвання энергіі значна ў параўнанні з звычайнымі кандэнсатарамі. У выніку суперкандэнсатары добра падыходзяць для прымянення, якія патрабуюць імпульсаў магутнасці, рэкуператыўнага тармажэння, стабілізацыі напружання і кароткачасовага рэзервовага харчавання.
Асноўныя кампаненты суперкандэнсатараў
Каб зразумець, як гэта працуе, нам трэба ведаць асноўныя часткі суперкандэнсатара:
1. Два электроды (станоўчы і адмоўны), звычайна вырабленыя з сітаватых вугляродных матэрыялаў, такіх як актываваны вугаль, графен або вугляродныя нанатрубкі. Гэтыя матэрыялы выбіраюцца таму, што яны маюць вельмі вялікую плошчу паверхні.
2. Электраліты, а менавіта вадкасці або гелі, якія ўтрымліваюць іоны (станоўчыя і адмоўныя зарады), якія могуць рухацца.
3. Сепаратар — тонкі пласт, які аддзяляе два электроды, каб прадухіліць кароткае замыканне, але пры гэтым дазваляе іёнам рухацца.
4. Токазборнік, які злучае электроды з вонкавым ланцугом, каб электроны маглі цячы.
Ключом да суперкандэнсатараў з'яўляецца велізарная плошча паверхні электродаў. Уявіце сабе адзін грам порыстага вугляроду, які можа мець плошчу паверхні футбольнага поля. Чым большая паверхня, тым большы зарад яна можа ўтрымліваць.
Асноўны прынцып: захоўванне энергіі без дамінантных хімічных рэакцый
Батарэі назапашваюць энергію праз хімічныя рэакцыі: іёны пранікаюць у структуру электродаў (інтэркаляцыя) і ўтвараюць спецыфічныя хімічныя сувязі. Суперкандэнсатары адрозніваюцца. У суперкандэнсатарах энергія ў асноўным назапашваецца праз падзелу зарадаў (электрастатычнае назапашванне), а не праз хімічныя рэакцыі, якія значна пашкоджваюць матэрыял.
Калі суперкандэнсатар зараджаецца, электроны вымушаныя збірацца на адным электродзе (напрыклад, адмоўным), у той час як на другім электродзе не хапае электронаў (становіцца дадатным). Гэтая розніца ў зарадах стварае напружанне, і энергія назапашваецца ў электрычным полі.
Каб збалансаваць зарад, іоны ў электраліце рухаюцца бліжэй да процілегла зараджанай паверхні электрода. Гэты працэс стварае тое, што называецца падвойным электрычным слоем.
Асноўны механізм: электрычная двухслаёвая ёмістасць (EDLC)
Найбольш распаўсюджаным тыпам суперкандэнсатара з'яўляецца EDLC (электрычны двухслаёвы кандэнсатар). Механізм яго дзеяння наступны:
1. Пры зарадцы:
– Электрычная крыніца штурхае электроны да адмоўнага электрода.
– Адмоўны электрод насычаецца электронамі.
– Дадатныя іёны (катыёны) у электраліце прыцягваюцца і збіраюцца каля паверхні адмоўнага электрода.
– Адначасова станоўчы электрод губляе электроны.
– Адмоўныя іёны (аніёны) прыцягваюцца і збіраюцца на паверхні дадатнага электрода.
2. Утвараецца «падвойны электрычны пласт»:
– На паверхні электрода ўтвараюцца два пласты: адзін пласт зарада ад электрода і адзін пласт іоннага зарада ад электраліта.
– Адлегласць паміж гэтымі двума пластамі вельмі малая (нанаметравы маштаб), таму ёмістасць значна павялічваецца.
3. Пры разрадцы:
– Электроны праходзяць праз знешні ланцуг, каб выканаць працу (уключыць рухавік, стабілізаваць напружанне і г.д.).
– Іоны дыфузіруюць назад у электраліт, і сістэма вяртаецца ў нейтральны стан.
Паколькі гэты працэс больш фізічны (перанос і рэгуляванне зарада), чым складаная хімічная рэакцыя, суперкандэнсатары могуць:
– запоўніце ад секунд да хвілін,
– імгненна вызваляе велізарную магутнасць,
– вытрымліваюць сотні тысяч і мільёны цыклаў.
Псеўдаёмістасць: «Трохі хіміі» для большай ёмістасці
Акрамя EDLC, існуюць суперкандэнсатары, якія выкарыстоўваюць псеўдаёмістасць, гэта значыць назапашванне зарада праз хуткія акісляльна-аднаўленчыя рэакцыі на паверхні электрода. Звычайна выкарыстоўваюцца аксіды металаў (напрыклад, RuO₂, MnO₂) або праводзячыя палімеры.
Розніца з батарэяй:
– Рэакцыі ў псеўдакандэнсатарах звычайна адбываюцца на паверхні (ці паблізу паверхні) і вельмі хуткія.
– Не такая глыбокая, як інтэркаляцыя батарэй, таму можа праслужыць даўжэй, хоць звычайна не так доўга, як чысты EDLC.
На практыцы многія сучасныя суперкандэнсатары з'яўляюцца гібрыдамі, якія спалучаюць EDLC і псеўдаёмістасць для аптымізацыі энергіі і магутнасці.
Чаму суперкандэнсатары могуць зараджацца так хутка?
Суперкандэнсатары хутка зараджаюцца, бо не патрабуюць працяглых хімічных рэакцый або істотных структурных змен. Што адбываецца ў асноўным:
– іёны рухаюцца бліжэй да паверхні электрода,
– электроны збіраюцца на электродах,
– утвараецца падвойны пласт.
Гэта падобна на запаўненне «чаргі зарада» на паверхні, а не на «ўцісканне» іёнаў у крышталічную рашотку, як у літый-іённых акумулятарах. Іх унутраны супраціў таксама, як правіла, нізкі, што дазваляе вялікім токам працякаць без выдзялення празмернага цяпла (хаця ўсё яшчэ існуюць канструктыўныя абмежаванні).
Перавагі і недахопы ў параўнанні з батарэямі
Асноўныя перавагі:
1. Вельмі хуткая зарадка (зарадка высокай магутнасці).
2. Вялікая выходная магутнасць (высокая шчыльнасць магутнасці), падыходзіць для перанапружання.
3. Цыкл жыцця вельмі доўгі, ён можа складаць сотні тысяч разоў.
4. Большая ўстойлівасць да экстрэмальных тэмператур у некаторых канструкцыях.
5. Высокая эфектыўнасць падчас хуткага зараду-разраду.
Асноўныя недахопы:
1. Энергія, якая захоўваецца, меншая, чым у батарэй (нізкая шчыльнасць энергіі). Суперкандэнсатары не ідэальна падыходзяць для забеспячэння працяглай энергіі, напрыклад, батарэй ноўтбукаў.
2. Напружанне падчас выкарыстання лінейна падае. У адрозненне ад батарэй, якія падтрымліваюць адносна стабільнае напружанне, суперкандэнсатары будуць падаць, напрыклад, з 2,7 В да нуля па меры вызвалення энергіі, што часта патрабуе пераўтваральніка пастаяннага току.
3. Больш высокая ступень самаразраду: зарад, як правіла, «разраджаецца» хутчэй, чым акумулятары.
4. Кошт за Вт·г усё яшчэ адносна высокі ў параўнанні з акумулятарамі для вялікіх сістэм захоўвання энергіі.
Таму суперкандэнсатары часта не з'яўляюцца заменай акумулятараў, а хутчэй іх дадаткам.
Прыклады рэальнага прымянення
Суперкандэнсатары шырока выкарыстоўваюцца ў сітуацыях, якія патрабуюць вялікай колькасці энергіі за кароткі час, напрыклад:
– Электрамабілі і транспарт (EV/HEV): спрыяе паскарэнню або паглынае энергію падчас рэкуператыўнага тармажэння, зніжаючы нагрузку на акумулятар.
– Некаторыя аўтобусы і трамваі: у некаторых сістэмах выкарыстоўваюцца суперкандэнсатары для хуткай зарадкі на прыпынках.
– Бесперапыннае сілкаванне і кароткачасовае рэзервовае харчаванне: падтрымліваюць працу сістэмы ад некалькіх секунд да хвілін, чаго дастаткова для бяспечнага пераключэння або выключэння.
– Прамысловае абсталяванне: для пікавых нагрузак (кампенсацыя пікавых нагрузак), каб электразабеспячэнне было больш стабільным.
– Некаторыя віды бытавой электронікі: функцыі хуткай зарадкі і буфернага зараду для прылад, якія патрабуюць імпульснага току.
Закрыццё
Суперкандэнсатары працуюць па прынцыпе назапашвання энергіі шляхам падзелу зарадаў — у першую чаргу шляхам утварэння падвойнага электрычнага слоя на паверхні порыстага электрода, а ў некаторых тыпах — з дапамогай хуткіх акісляльна-аднаўленчых рэакцый (псеўдаёмістасці). Паколькі механізм больш «фізічны», чым глыбокая хімічная рэакцыя, суперкандэнсатары вылучаюцца хуткай зарадкай, высокай выходнай магутнасцю і надзвычай працяглым тэрмінам службы. Аднак іх абмежаваная шчыльнасць энергіі робіць іх больш прыдатнымі ў якасці дапаўнення да акумулятараў, а не поўнай замены.
Забягаючы наперад, даследаванні такіх матэрыялаў, як графен, нанаструктураваны вуглярод і гібрыдныя канструкцыі, могуць значна павялічыць энергетычную ёмістасць суперкандэнсатараў. Калі гэтыя дасягненні будуць працягвацца, суперкандэнсатары могуць адыгрываць усё больш важную ролю ў сучаснай энергетычнай экасістэме, асабліва для прымянення, якія патрабуюць высокай эфектыўнасці, хуткага рэагавання і працяглай даўгавечнасці.
