Nowe kierunki rozwoju technologii superkondensatorów Radosław Kuliński Instytut Elektrotechniki, Oddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu Politechnika Wrocławska, Instytut Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii r.kulinski@iel.wroc.pl Superkondensatory w transporcie powierzchniowym, Oleśnica 16.04.2010 1
Wprowadzenie Idealny superkondensator: wysoka pojemność właściwa wysoka gęstog stość energii wysoka gęstog stość mocy długi czas życia i stabilność w czasie niski koszt produkcji przyjazny dla środowiska S C d W 1 CU 2 2 U P 4 R s 2 Superkondensatory w transporcie powierzchniowym, Oleśnica 16.04.2010 2
Wprowadzenie Rzeczywisty superkondensator: powierzchnia właściwa rezystancja napięcie pracy koszt pojemność właściwa żywotność stabilność przyjazny dla środowiska Superkondensatory w transporcie powierzchniowym, Oleśnica 16.04.2010 3
Dobór elektrolitu wodne organiczne napięcie pracy przewodność pojemność 0,6 0,7 V 2,5 2,7 V ~ 1 S/cm ~ 0,02 S/cm 250-300 F/g 150-200 F/g tanie przyjazne dla środowiska drogie szkodliwe dla środowiska Superkondensatory w transporcie powierzchniowym, Oleśnica 16.04.2010 4
Materiały elektrodowe Typy materiałów w elektrodowych: materiały y węglowew tlenki metali polimery przewodzące Superkondensatory w transporcie powierzchniowym, Oleśnica 16.04.2010 5
Materiały węglowe węgle aktywowane aerożele ele węglowe materiały y grafitowe nanorurki węglowe nanowęgle Superkondensatory w transporcie powierzchniowym, Oleśnica 16.04.2010 6
Materiały węglowe dobra przewodność dostępno pność łatwa przetwarzalność stosunkowo niski koszt wysoka stabilność chemiczna szeroki zakres temperaturowy duża a porowatość -> > duża a powierzchnia właściwa w -> wysoka wartość pojemności właściwej(?) w DOPASOWANIE WIELKOŚCI PORÓW W DO JONÓW ELEKTROLITU! Superkondensatory w transporcie powierzchniowym, Oleśnica 16.04.2010 7
Materiały pseudopojemnościowe Pseudopojemność zupełnie inny mechanizm gromadzenia energii, niż w przypadku podwójnej warstwy elektrycznej. materiały: tlenki metali i polimery przewodzące nie jest procesem elektrostatycznym -> > wymiana ładunków między elektrodą i elektrolitem pojemność powstaje w wyniku procesów w utleniania i redukcji (zmiana stopnia utlenienia) oraz procesów elektrosorpcyjnych pozwala uzyskiwać znacznie większe pojemności właściwe w niż w układach podwójnowarstwowych Superkondensatory w transporcie powierzchniowym, Oleśnica 16.04.2010 8
Utlenianie i redukcja polianiliny H N OX H N RED x N N x + 2H + +2e Superkondensatory w transporcie powierzchniowym, Oleśnica 16.04.2010 9
Tlenki metali np.: RuO 2, IrO 2, Co 3 O 4, MnO 2, Fe 3 O 4 dobra konduktywność duża a odwracalność procesów pseudopojemnościowych duża żywotność duża a pojemność właściwa (do 720 F/g) RuO 2 najlepszy, ale trudno dostępny (drogi) Poszukuje się tańszych i bardziej dostępnych materiałów. Stosuje się dodatki zwiększaj kszające okno potencjału, ale zmniejszają żywotność. Superkondensatory w transporcie powierzchniowym, Oleśnica 16.04.2010 10
Polimery przewodzące np.: polipirol (PPy), polianilina (PANI), PEDOT, PAN duża a pojemność właściwa niski koszt słaba przewodność -> > kompozyty z nanorurkami węglowymi główna wada mała a stabilność i żywotność niewykorzystywane w aplikacjach Powstają kompozyty min. z nanorurkami węglowymi o znacznie zwiększonej przewodności i stabilności. Superkondensatory w transporcie powierzchniowym, Oleśnica 16.04.2010 11
Układy hybrydowe (asymetryczne) różne materiały y na dodatnią i ujemną elektrodę połą łączenie baterii z kondensatorem (wady i zalety) elektrody pracują przy optymalnym dla nich napięciu większe napięcie robocze duży y problem z dobraniem mas elektrod wykorzystuje się materiały y elektrod w różnych r konfiguracjach, w elektrolitach wodnych i organicznych Superkondensatory w transporcie powierzchniowym, Oleśnica 16.04.2010 12
Układy hybrydowe (asymetryczne) -1,2-1,0-0,8 U 1 U 2-0,6-0,4-0,2 E1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 U vs. NHE [V] Superkondensatory w transporcie powierzchniowym, Oleśnica 16.04.2010 13
Podsumowanie obiecujące ce postępy py każda z technologii posiada swoje wady i zalety konieczność doboru odpowiedniej technologii w zależno ności od potrzeb zbyt mało o aplikacji Superkondensatory w transporcie powierzchniowym, Oleśnica 16.04.2010 14