Накопители электроэнергии. Ионисторы

Общие сведения о накопителях электрической энергии

Электроэнергетика включает в себя генерацию энергии, передачу ее потребителям, а также аккумулирование и хранение. Ее отличительной особенностью является неритмичность генерации и потребления энергии, что делает актуальной задачу хранения электроэнергии в условиях снижения потребления (например, в ночное время суток) или при резком снижении вырабатываемой мощности (например, при использовании солнечной энергии или энергии ветра). Кроме этого, автономные источники питания, аккумулирующие достаточно большой запас энергии, необходимы в транспортных средствах, включая воздушные и морские суда, тепловозы, автомобили и автобусы. Автономные источники питания требуются также портативным приборам и электроинструментам.

Наиболее распространенными средствами накопления и хранения электроэнергии являются перезаряжаемые батареи (аккумуляторы) и конденсаторы большой емкости (суперконденсаторы). Все средства для хранения электроэнергии характеризуются следующими параметрами:

– плотностью энергии (энергия на единицу объема или массы);

– плотностью мощности, определяющей время разрядки/перезарядки;

– временем жизни, определяющем количество циклов разрядки/перезарядки;

– чувствительностью к внешней температуре.

Аккумуляторные батареи накапливают энергию, используя химические реакции между реактивами, входящих в состав их электролита. Благодаря этому они обычно имеют более высокую энергетическую емкость, чем конденсаторы. Но конденсаторы накапливают энергию просто в виде электрического заряда, не подвергая изменениям свою внутреннюю структуру. Именно поэтому они могут без потери емкости вынести миллионы циклов зарядки/разрядки, тогда как аккумуляторные батареи выдерживают от тысячи до нескольких тысяч таких циклов. Аккумуляторы имеют низкую плотность мощности (зарядка занимает довольно много времени), к тому же их параметры очень чувствительны к внешней температуре. Время зарядки суперконденсатора составляет всего несколько минут, тогда как литий-ионные аккумуляторы заряжаются более часа. У обычных конденсаторов заметно больше плотность мощности, но меньше плотность энергии. Они малочувствительны к внешней температуре и у них большое время жизни.

Аккумуляторные батареи известны довольно давно. Их активное использование было обусловлено бурным развитием автомобильной промышленности, а также необходимостью создания портативных источниках питания для различных мобильных радиосистем. Интерес к конденсаторам как средствам накопления и хранения электроэнергии возник относительно недавно – после создания суперконденсаторов (другое название – ионисторы).

Конденсаторы можно разделить на три основных типа: обычные электростатические конденсаторы, электролитические конденсаторы и ионисторы (рис. 3.113). В обычных конденсаторах пространство между электродами (обкладками конденсатора) заполнено диэлектриком. Напряженность поля E между обкладками при наличии напряжения V между ними постоянна. В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрика используют тонкую оксидную пленку, нанесенную на поверхность одного из металлического электродов (анода). За счет чрезвычайно малой толщины диэлектрика, емкость конденсатора достигает значительных величин. Поскольку поверхность оксидной пленки не является идеально гладкой и имеет неровности, то в качестве второго электрода (катода) выступает не плоский металлический электрод, а электролит. Ионисторы за счет пористого электрода обладают емкостью, существенно превышающей емкость электролитических конденсаторов.

а) б) в)

Рис. 3.113. Различные типы конденсаторов: а) электростатический; б) электролитический;

в) ионистор

Ионисторы

Ионистор является принципиально другим элементом, в котором сочетаются свойства конденсатора с аккумуляторной батареей. В нем для изготовления электродов используется специальный пористый материал с высокой площадью поверхности. В качестве материала электродов используют активированный уголь, вспененные металлы, токопроводящие полимеры, оксиды металлов (рис. 3.113в). В последние годы проводятся исследования, направленные на использование в качестве материала для электродов ионистора углеродных нанотрубок и волокон, а также графена. Общая площадь поверхности, даже в тонком слое такого материала, во много раз больше, чем в традиционных материалах, например, в алюминии, что позволяет в конечном итоге многократно увеличить емкость таких конденсаторов.

Принцип действия ионистора и процессы, происходящие при его зарядке и разрядке, иллюстрирует рис. 3.114. Обкладки ионистора разделены между собой слоем электролита, заполняющего собой все поры электродов. Под воздействием разности потенциалов, возникающей при включении ионистора в электрическую цепь постоянного тока, в двойном электрическом слое на границе электролита и электрода накапливается электрический заряд. Поскольку ионистор не имеет диэлектрического слоя (в отличие от электролитических конденсаторов, где в качестве диэлектрика используется оксид металла), процесс заряда/разряда ионистора происходит непосредственно в слое ионов на поверхностях положительного и отрицательного электродов. Под воздействием напряжения на выводах ионистора заряженные частицы (анионы и катионы) движутся к соответствующим электродам и накапливаются на их поверхности. Вместе с зарядом самого электрода они образуют «двойной электрический слой». Аббревиатура EDLS (electric doublelayer capacitor) в названии конденсаторов обозначает конденсатор с двойным электрическим слоем, т. е. ионистор.

Рис. 3.114. Процессы заряда и разряда ионистора

Скопление отрицательно заряженных электронов на электроде приводит к его отрицательному заряду, что вызывает концентрацию в приповерхностном слое положительно заряженных катионов. Поскольку ион имеет определенный размер, мешающий ему вплотную приблизиться к электроду, вокруг образуется двойной слой ионов, имеющих противоположные заряды. По существу – это конденсатор, расстояние между обкладками которого равно радиусу иона. Толщина двойного электрического слоя чрезвычайно мала и может составлять несколько нанометров, ввиду чего емкость ионисторов может быть очень большой. Отдельные экземпляры ионисторов обладают емкостью в тысячи фарад при номинальном напряжении в несколько вольт.

Для предотвращения проникновения ионов между электродами установлен сепаратор с хорошими изоляционными свойствами, чтобы защитить ионистор от внутреннего короткого замыкания. Сепараторы изготавливают из таких материалов, которые свободно пропускают ионы электролита. В отличие от «классических» аккумуляторов, в ионисторе не используются обратимые и необратимые химические реакции, поэтому он является более универсальным и безопасным в обращении.

В ионисторах используются органические или водные электролиты. Применение органического электролита позволяет получить более высокое напряжение между обкладками (порядка 3 В), но повышает внутреннее сопротивление ионистора. При использовании водного электролита напряжение заряда вдвое меньше, как и внутреннее сопротивление ионистора. Для получения более высоких значений напряжения несколько ионисторов включают последовательно.

Удельная электрическая емкость ионисторов достигает нескольких сотен фарад на грамм, что на несколько порядков превышает соответствующий показатель для обычных электрических конденсаторов. Столь большие величины удельной емкости достигаются благодаря чрезвычайно малой толщине двойного слоя на границе электрод-электролит (менее 1 нм) и исключительно высокой удельной поверхности материала электрода (500 – 3000 м²/г). Однако, по такому показателю, как величина удельной запасаемой энергии, ионисторы пока уступают традиционным литиевым аккумуляторам, для которых этот показатель более чем на порядок выше (для ионисторов ~ 10 Вт∙ч/кг; для аккумуляторов ~ 200 Вт∙ч/кг). Ионисторам присуща малая деградация характеристик даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда. Проводились исследования по определению максимального числа циклов заряд-разряд. После 10⁵ циклов не наблюдалось ухудшения характеристик.