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
Kondensatory elektrolityczne pojemności elektryczne do 1F niewielkie rozmiary niska cena upływność ładunku degradacja elektrolitu degradacja elektrod wrażliwe na zmianę polaryzacji wrażliwe na zmiany temperatury
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
N-n butylo izochinolina Kondensatory elektrolityczne OS-CON Organic Semiconductor Izochinolina związek heterocykliczny
Superkondensatory
Rodzaje superkondensatorów
Zasada działania
Ładowanie superkondensatora
Warstwa podwójna 1 warstwa (adsorpcyjna) : adsorpcja na powierzchni 2 warstwa (dyfuzyjna) : siły kulombowskie
Modele warstwy podwójnej Helmholtz Guoy-Chapman Stern
Kondensatory typu DLC Grubość warstwy podwójnej zależy od rodzaju rozpuszczalnika, jonów i ich stężenia do 10 nm
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.
Ładowanie pseudokondensatora Elektroda Kationy Aniony Elektroda
Materiały: elektrody Wymagania: -Duża powierzchnia - Wysoka przewodność -Stabilność chemiczna i termiczna - Odpowiednie właściwości mechaniczne - Niski koszt wytwarzania Nanomateriały
Materiały: elektrody Małe rozmiary porów wpływają na właściwości otoczki (solvation shell) jonu i pozwalają zbliżyć się do elektrod.
Elektrody węglowe kondensatory DLC
Pseudopojemność: 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 ) www.nanowerk.com
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
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
Elektrody: polimery
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
Elektrolity polimerowe C. Huang & P. S. Grant Scientific Reports 3, 2393 doi:10.1038/srep02393 Elektrolit oparty na membranie Nafion: 91 F/g, 3.3 kw/kg, 90% pojemności po 2000 cykli Elektrolity żelowe: oparte na PEO, PMMA, PVA i polianilinie z dodatkiem kwasów nieorganicznych lub grup zasadowych.
Ciecze jonowe NPG Asia Materials research highlight; doi:10.1038/asiamat.2010.121 Transport jednego lub obu rodzajów jonów wewnątrz nanorurek węglowych Lin et al., J. Phys. Chem. Lett., 2011, 2 (19), pp 2396 2401
Materiały: separator - Zapobiega występowaniu zwarć -Umożliwia wymianę jonów Separatory polimerowe/celulozowe w elektrolitach organicznych Separatory ceramiczne w elektrolitach ciekłych
Materiały: elektrody doprowadzające Zastosowanie superkondensatorów w urządzeniach o dużej mocy wymaga odpowiedniego rozprowadzenia prądu. - elektrody aluminiowe - elektrody węglowe (grafen, nanorurki) - elektrody platynowe lub złote
Model elektryczny
Model elektryczny Jony wędrują w porowatej strukturze. Dotarcie do wewnętrznych części porów materiału elektrodowego wymaga długiego czasu ładowania.
Model elektryczny Dystrybucja stałych czasowych elementów modelu - pojemność silnie zależy od częstotliwości.
Pomiar pojemności (norma IEC) Klasa 1: Podtrzymywanie pamięci Klasa 2: Gromadzenie energii Klasa 3: Urządzenia dużej mocy Klasa 4, Impuls mocy I (ma) = 1 C (F) I (ma) = 0,4 C (F) V (V) I (ma) = 4 C (F) V (V) I (ma) = 40 C (F) V (V)
Napięcie pracy Elektrolity wodne: 1.2V / elektrodę = 2.4V Rozpuszczalniki organiczne: 1.8 V/ elektrodę = 3.6V Przewodniki jonów litu: do 4V (napięcie minimalne 2.2V) Energy and Power Engineering, 2010, 25-30
Opór wewnętrzny Opór wewnętrzny określa nie tylko maksymalny prąd rozładowania, ale również czas ładowania kondensatora. Przyjmuje się że pełne naładowanie następuje po 5 stałych czasowych.
Właściwości superkondensatorów
Właściwości superkondensatorów
Właściwości: czas działania Impulsy mocy mogą ograniczać czas działania. Superkondensatory są wrażliwe na zmiany napięcia i polaryzacji.
Właściwości: samorozładowanie Procesy redox (zanieczyszczenia): zależność wykładnicza Dyfuzja jonów: Zależność od t 1/2
Zastosowania kondensatorów Podtrzymywanie pamięci Urządzenia elektroniczne i narzędzia elektryczne Gromadzenie energii odnawialnej Sieci energetyczne Układy podtrzymywania napięcia UPS Transport kolejowy, drogowy, transport publiczny Układy rozruchu w pojazdach Samochody hybrydowe i elektryczne KERS Żurawie i podnośniki widłowe Medycyna (defibrylatory)
Zastosowania: energia odnawialna
Zastosowania: Rozruch silnika Superkondensator pozwala na rozruch przy częściowo rozładowanym akumulatorze. Silniki Diesla, ciężarówki itp.
Układy start/stop
Odzyskiwanie energii z hamowania
Odzyskiwanie energii i ładowanie Tramwaje elektryczne: Oszczędność 30% energii Odcinki linii bez przewodów zasilających Autobusy: Oszczędność paliwa 15% - hybrydowe Ładowanie na przystankach - elektryczne Samochody hybrydowe: -cykl miejski: oszczędność do 20% (w stosunku do wyłącznie Li-ion) -cykl mieszany: oszczędność 6%