Superkondensatory. 1. Budowa, zasada działania, modele fizyczne 2. Materiały stosowane w superkondensatorach 3. Zastosowania

Transkrypt

1 Superkondensatory 1. Budowa, zasada działania, modele fizyczne 2. Materiały stosowane w superkondensatorach 3. Zastosowania

2 Kondensatory Pojemność elektryczna C = Q U U = D 0 E( x) dx Kondensator płaski Sεε C = 0 D Rozdzielając ładunki wykonujemy pracę gromadzimy energię elektryczną. 2 2 q Q CU W EL = Vdq = dq = = = C 2C 2 QU 2

3 Kondensatory Butelka lejdejska

4 Kondensatory elektrolityczne pojemności elektryczne do 1F niewielkie rozmiary niska cena upływność ładunku degradacja elektrolitu degradacja elektrod wrażliwe na zmianę polaryzacji wrażliwe na zmiany temperatury

5 Kondensatory elektrolityczne Elektrody: - aluminiowe (warstwa Al 2 O 3 ) - tantalowe (warstwa Ta 2 O 5 ) - niobowe (warstwa Nb 2 O 5 ) Wymagania względem elektrolitu: + wysoka stała dielektryczna, + dobra przewodność, + wysokie napięcie dekompozycji. Najczęściej używane roztwory wodne kwasu borowego H 3 BO 3 lub soli sodowej kwasu borowego Na 2 B 4 O 7. Dodatek glikoli spowalnia proces parowania. Słaby kwas lub sole słabego kwasu + Rozpuszczalnik + Dodatki zagęszczające lub stabilizujące

6 N-n butylo izochinolina Kondensatory elektrolityczne OS-CON Organic Semiconductor Izochinolina związek heterocykliczny

7 Superkondensatory

8 Rodzaje superkondensatorów

9 Zasada działania

10 Ładowanie superkondensatora

11 Warstwa podwójna 1 warstwa (adsorpcyjna) : adsorpcja na powierzchni 2 warstwa (dyfuzyjna) : siły kulombowskie

12 Warstwa podwójna: elektrody Parametrem charakterystycznym jest długość Debye a Λ d (oznaczana również jako κ -1 ). Opisuje ona zasięg oddziaływań elektrostatycznych danego nośnika ładunku. Koncentracja jonów (mol/m 3 )

13 Model Helmoltza Pojemność związana z warstwą podwójną utworzoną przez jony ciasno upakowane przy powierzchni elektrody. -Grubość warstwy zbliżona do promienia jonowego. - Pojemności rzędu dziesiątek µf/cm 2 proporcjonalne do powierzchni. - Elektrody idealnie blokujące (nie występuje przeskok ładunku).

14 Model Guoy a-chapmana Wartość pojemności warstwy podwójnej zależy od koncentracji jonów i wartości potencjału. - obszar dyfuzyjny w pobliżu złącza. - rozkład ładunku w obrębie tego obszaru opisany statystyką Maxwella-Boltzmanna. - wartości potencjału maleją wykładniczo w funkcji odległości od elektrody. - elektrody blokujące.

15 Model Sterna - Warstwa jonów jak w modelu Helmholtza - Obszar dyfuzyjny jak w modelu Guoy a-chapmana - Jony jako ładunki punktowe, oddziaływania elektrostatyczne

16 Modele warstwy podwójnej Helmholtz Guoy-Chapman Stern

17 Model Grahama - Na powierzchni elektrolitu znajdują się cząsteczki rozpuszczalnika - Niektóre jony ulegają adsorpcji na powierzchni elektrody (IHL) - Druga warstwa jonów w otoczeniu cząsteczek rozpuszczalnika (OHL)

18 Model BDM Bockris/Devanthan/Müller (1963) -Kolejne obszary złącza różnią się wartością przenikalności dielektrycznej -Cząsteczki rozpuszczalnika w pobliżu elektrody są zorientowane

19 Kondensatory typu DLC Grubość warstwy podwójnej zależy od rodzaju rozpuszczalnika, jonów i ich stężenia do 10 nm

20 R.A. Marcus Nobel 1992 Model opisuje szybkość procesu przeskoku elektronów pomiędzy cząsteczkami. Reakcje typu redox bez wytwarzania wiązań chemicznych. Gromadzenie ładunku na skutek takich procesów redox określa się jako pseudopojemność, a proces jako adsorpcję fizyczną.

21 Ładowanie pseudokondensatora Elektroda Kationy Aniony Elektroda

22 Ładowanie pseudokondensatora

23 Materiały: elektrody Wymagania: -Duża powierzchnia - Wysoka przewodność -Stabilność chemiczna i termiczna - Odpowiednie właściwości mechaniczne - Niski koszt wytwarzania Nanomateriały

24 Materiały: elektrody Małe rozmiary porów wpływają na właściwości otoczki (solvation shell) jonu i pozwalają zbliżyć się do elektrod.

25 Elektrody węglowe A. Chandra, Proc. Natl. Acad. Sci. Sect. A Phys. Sci. (2012) 82(1):79 90 Kondensatory typu DLC: elektrody węglowe

26 Elektrody węglowe

27 Elektrody węglowe University of California San Diego Adv. Funct. Mater. 2012, 22, Problemy: wraz ze wzrostem zawartości tlenu maleje stabilność katody

28 Elektrody: tlenki metali Struktury o dużej powierzchni (również kontaktu z elektrolitem), umożliwiające jednocześnie dyfuzję w elektrolicie. Na elektrodach zachodzą reakcje redox z fizyczną adsorpcją. RuO 2 TiO 2 VO 2 MoO 2, NiO 2 CoO 2 MnO 2 SnO 2 LiO 2 Tlenek kobaltu (Co 3 O 4 )

29 Elektrody: tlenki metali pojemności do 500 F/g niskie napięcia pracy kondensatora, wysoki koszt, toksyczny Kation pojemności do 150 F/g napięcia do 1V (2V w kond. hybrydowych), niski koszt

30 Elektrody: polimery Polianilina, polipyrol, politiofeny przewodzące elektronowo. Na jednostkę wagi przypada duża pojemność, ale niewielka moc powolne procesy dyfuzji jonów. Najczęściej stosowane konfiguracje: - identyczne elektrody typu p - elektroda typu p+nieorganiczna elektroda n - elektrody polimerowe typu n i p

31 Elektrody: polimery

32 Elektrody kompozytowe Ran Liu, Pennsylvania State University PEDOT = poly(3,4-ethylenedioxythiophene)

33 Elektrody kompozytowe Materiał do zastosowania zarówno w superkondensatorach, jaki i bateriach Li-ion: 410 F/g lub 300 mah/g

34

35 Elektrody kompozytowe: POM Polyoxometalates POM - jony molekularne utworzone przez 3 lub więcej grupy tlenków metali przejściowych V,Mo,W,Nb,Ta Związki tego typu są wprowadzane do polimerów przewodzących.

36 Materiały: Elektrolity - Wysoka przewodność -Stabilność elektrochemiczna (szeroki zakres tzw. okna stabilności) -Zwilża powierzchnię elektrod - Bezpieczeństwo użytkowania Ciekłe: wyższe przewodności niższe koszty parowanie i zamarzanie możliwość wycieku napięcia do 1V Stałe: 10 x niższe przewodności gorzej penetrują elektrody stabilne mechanicznie stabilne elektrochemicznie bezpieczne

37 Elektrolity polimerowe

38 Elektrolity polimerowe C. Huang & P. S. Grant Scientific Reports 3, 2393 doi: /srep02393 Elektrolit oparty na membranie Nafion: 91 F/g, 3.3 kw/kg, 90% pojemności po 2000 cykli

39 Elektrolity żelowe Często stosowane elektrolity oparte na PEO, PMMA, PVA i polianilinie z dodatkiem kwasów nieorganicznych lub grup zasadowych. H2SO4/polyvinyl alcohol (H2SO4/PVA)

40 Elektrolity z napełniaczami

41 Ciecze jonowe A. Balducci et al.., Appl. Phys. A 82, (2006) 1-butyl-3-methyl-imidazolium tetra- fluoroborate, 1-butyl-3-methyl-imidazolium hexafluorophosphate (BMIMX, X = BF 4 PF 6 ) N-butyl-N-methyl-pyr- rolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PYR 14 TFSI) E. Frąckowiak, J. Braz. Chem. Soc. vol

42 Ciecze jonowe L. Wen, Patent US A1

43 Ciecze jonowe NPG Asia Materials research highlight; doi: /asiamat Transport jednego lub obu rodzajów jonów wewnątrz nanorurek węglowych Lin et al., J. Phys. Chem. Lett., 2011, 2 (19), pp

44 Materiały: separator - Zapobiega występowaniu zwarć -Umożliwia wymianę jonów Separatory polimerowe/celulozowe w elektrolitach organicznych Separatory ceramiczne w elektrolitach ciekłych

45 Materiały: elektrody doprowadzające Zastosowanie superkondensatorów w urządzeniach o dużej mocy wymaga odpowiedniego rozprowadzenia prądu. - elektrody aluminiowe - elektrody węglowe (grafen, nanorurki) - elektrody platynowe lub złote