Superkondenzátory

(Elektrochemické kondenzátory)
Datum: 16.8.2010  |  Autor: Petr Dvořák  |  Organizace: Ústav Elektrotechnologie, FEKT VUT v Brně  |  Zdroj: Prezentováno na konferenci Nekonvenční zdroje elektrické energie  |  Recenzent: Ing. Luděk Janík

Elektrochemické kondenzátory (superkondenzátory, ultrakapacitory...) jsou elektrotechnické součástky schopné akumulovat, udržet a vydat velké množství elektrické energie. K uchovávání energie využívají dvou principů:
- elektrické dvojvrstvy
- vratné chemické reakce.

Úvod

Komerčně prodávané superkondenzátory mají kapacitu až několik tisíc faradů a nabíjecí/vybíjecí proud v rozmezí od jednotek ampér až po stovky ampér. Svými energetickými vlastnostmi vyplňují prázdné místo mezi bateriemi a klasickými kondenzátory (obr.1).


Obr. 1: Energetická bilance superkondenzátorů.

Princip uchování el. náboje v elektrochemických kondenzátorech

Superkondezátory lze dle principu ukládání náboje rozdělit do dvou základních kategorií. První skupinou jsou pseudokondenzátory využívající vratných oxidačně-redukčních reakcí na povrchu elektrody. Elektrická energie je tedy uložena chemicky, principem uchovávání energie jsou blízké bateriím. Druhým typem jsou tzv. EDLC (Electric Double Layer Capacitor) pracující na principu dvojvrstvy. V tomto typu nedochází k žádným chemickým reakcím. Náboj je vázán k elektrodě pouze elektrostatickou silou.

Základní modely kondenzátorů jsou na obr. 2, kde levý model představuje klasický kondenzátor s dielektrikem, uprostřed je elektrochemický dvojvrstvý kondenzátor a vpravo pseudokondenzátor. Obrázek je doplněn o ekvivalentní obvody, kde Re je odpor elektrolytu, R1,2 představuje svodový odpor a C1,2 jsou kapacity elektrod, označované také jako kapacity poločlánků. Jak je vidět na obrázku, každé rozhraní elektrolyt-elektroda vytváří elektrochemickou dvojvrstvu, která se chová jako kondenzátor.


Obr. 2: a) kondenzátor s dielektrikem, b) EDLC, c) pseudokondenzátor

Energie uchovaná v superkondenzátoru je rovna vztahu 1 a maximální výkon je dán vztahem 2.

kde U je napětí kondenzátoru, C kapacita a R je sériový odpor. Z uvedených vztahů vyplývá vliv velikosti pracovního napětí a vnitřního odporu superkondenzátoru (elektrod a elektrolytu) na měrnou energii a výkonu superkondenzátoru.

Elektrochemické dvojvrstvé kondenzátory

Elektrochemické dvojvrstvé kondenzátory (EDLC - electrochemical double layer capacitor) pracují na principu elektrochemické dvojvrstvy. Elektrochemická dvojvrstva je útvar skládající se ze dvou opačně nabitých vrstev, kdy k nabitému povrchu elektrody jsou elektrostatickými, adsorpčními a koncentračními silami přitahovány ionty zejména opačného náboje, ve snaze zneutralizovat povrch elektrody. V tomto systému nedochází k žádným chemickým reakcím a přenosu náboje mezi elektrodami a elektrolytem, energie je uchovávána přímo jako náboj, elektrostaticky vázán na elektrodě. Díky tomuto principu je zaručena vysoká životnost elektrod a možnost velmi rychlého nabíjení/vybíjení těchto typů superkondenzátorů. Protože dvojvrstva má kapacitu kolem 50 mF.cm-2, je potřeba mít co největší povrch elektrod. V praxi se nejvíce používají různé formy uhlíkových sazí nebo expandované grafity se specifickým povrchem až kolem 3000 m2.g-1. Za předpokladu limitně velkých svodových odporů (obr. 2 b) platí rovnice 3.

Pseudokondenzátory

Pseudokondenzátor, také nazýván jako Faradayův kondenzátor či asymetrický kondenzátor, je principem a konstrukcí velmi blízký bateriím. Jedna z elektrod je z pravidla tvořena z uhlíkových sazí či expandovaného grafitu, druhá elektroda se skládá z vodivých polymerů, avšak častěji z oxidů kovů s tunelovou strukturu. Tyto oxidy jsou schopny vratně přijímat a vydávat například ionty vodíku či lithia (rovnice 5 a 6). Obecně pro nabíjení a vybíjení pseudokondenzátoru pak můžeme napsat rovnici 4.

Z rovnic 2.4 - 2.6 a z obrázku 2.1c je jasné, že v tomto typu již dochází k chemickým reakcím a přenosu náboje mezi elektrolytem a elektrodou. Energie je uchovávána v chemické vazbě elektrodového materiálu, tudíž kapacita pseudokondenzátoru je dána elektrochemickou kapacitou elektrody tvořené oxidem kovu (obr 2.1 c, C2). Nevýhodou tohoto typu superkondenzátorů je samotný princip. Během nabíjejí/vybíjení dochází k rychlejšímu stárnutí díky rozměrovým změnám elektrod. Ve srovnání s předchozím typem mají pseudokondenzátory nižší účinnost nabíjení a delší časovou odezvu, na druhou stranu vynikají velmi vysokou kapacitou.

Elektrodové materiály

Na obrázku 3 je přehled materiálů zkoumaných jako elektrodové materiály superkondenzátorů. Hodnoty kapacit jsou diskutabilní, protože v literatuře nebylo uvedeno, v jakém typu elektrolytu měření probíhala.


Obr. 3.1: Přehled elektrodových materiálů

Základními požadavky na elektrodový materiál je velký a využitelný povrch, dobrá elektrická vodivost, možnost difúze iontů strukturou, nízká cena, netoxičnost, chemická a tepelná stabilita a samozřejmě vysoká kapacita. Důležitým parametrem je použitelnost elektrodových materiálů v aprotických elektrolytech, které oproti vodným rozšiřují pracovní napětí.

Elektrolyt

Elektrolyt je směs rozpouštědla a rozpustné soli. Jeho funkcí je transport nabitých částic superkondenzátorem. Obecně jsou pro superkondezátory velmi důležité dvě základní vlastnosti elektrolytu, kterými jsou potenciálové okno a odpor. Energie i výkon superkondenzátoru jsou přímo úměrné druhé mocnině napětí (viz. vzorce 1 a 2).

V superkondenzátorech se používají dva základní typy elektrolytů. Vodné elektrolyty na bázi kyselin či alkálií mají vyšší vodivost a potenciálové okno kolem 1 V. Aprotické elektrolyty jsou tvořeny organickými rozpouštědly typu propylen karbonát, ethylen karbonát, sulfolan, ethylen karbonát a solemi jako LiClO4, Et4NPF6, Bu4NPF6. Výhodou aprotických elektrolytů je jejich rozsah pracovního napětí (až do 4 V).

Výzkum superkondenzátorů na Ústavu elektrotechnologie

Výzkum superkondenzátorů na Ústavu elektrotechnologie je zaměřen hlavně na vývoj elektrodových materiálů a aprotických elektrolytů.

Provádějí se měření a modifikace různých druhů uhlíkových materiálů (uhlíkové saze, expandované grafity, uhlíkové nanotrubice) a vodivých polymerů (polyanilin, polypyrol). V současné době se kapacita elektrodových materiálů pohybuje v rozmezí od 100 - 200 F.g-1. V oblasti aprotických elektrolytů je snaha zvyšovat pracovní napětí a vodivost. Kromě kapalných elektrolytů jsou zde také vyvíjeny i gelové elektrolyty.

Zhodnocení

Superkondenzátory se využívají v aplikacích, ve kterých je potřeba dodat či přijmout velké množství elektrické energie ve velmi krátkém čase. V dnešní době se dosti hovoří o využití v hybridních a elektrických vozidlech, kde superkondenzátory dodávají energii při rozjezdu a ukládají energii získanou rekuperací při brzdění.

Pro realizaci superkondenzátorů jako zdrojů elektrické energie s velmi vysokými hodnotami měrné energie a výkonu a je potřeba zkoumat nové materiály, fyzikální a chemické procesy probíhající v okolí a na povrchu elektrod. Je zapotřebí plně porozumět mechanismům uchovávání náboje a navrhnout nové druhy elektrodových materiálů. Je nezbytné zkoumat nové druhy elektrolytů, které budou mít vysokou vodivost společně s elektrochemickou, chemickou a tepelnou stabilitou.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za podpory Ministerstva školství (projekt MSM0021630516) a Grantové agentuře Akademie věd ČR (projekt KJB208130902).

Seznam literatury

[1] CONWAY B.E., Elektrochemical Supercapacitors: Scientific Fundament and Technological Application, Kluwer Academic, New York, 1999, 698 s, ISBN 0-306-45736-9
[2] U.S. Departement of Energy, Basic Research Needs for Electrical Energy Storage, Report of the Basic Energy Science Workshop on Electrical Energy Storage, April 2-4 2007, [cit.1.4.2009]. Dostupné z www: http://www.er.doe.gov/bes/reports/files/EES_rpt.pdf
[3] MILLER J.R., SIMON P., Fundamentals of electrochemical capacitor design and operation, Interface, Volume 17, Issue 1, Spring 2008, Pages 31-32, ISSN 1064-8208

Recenze

Článek Petra Dvořáka - Elektrochemické kondenzátory - se zabývá popisem vysokokapacitních kondenzátorů, v odborné literatuře známých též jako ultrakapacitory, případně superkapacitory.

V úvodu se autor soustředí na charakterizaci ultrakapacitorů v rámci širšího spektra energetických akumulačních prvků. Je nezbytné zdůraznit, že v případě palivových článků je potřeba počítat s měrnou energií celého systému, vč. uskladnění vodíku, přičemž z obrázku to není zcela zřejmé. Další části článku přehledně popisují princip funkce a dílčí technologie včetně popisu materiálů elektrod a elektrolytu. Autor se v článku zabývá také aktuálními trendy ve vývoji těchto zařízení; při identifikaci jejich parametrů je však nezbytné mít informace o celkové uložené energii, nejlépe ve Wh, hodnota ve F je bez znalosti Vmax nedostatečná. Fotografie reálného zařízení by byla jistě vítaným zpestřením článku.

Příspěvek by se dal charakterizovat jako přehledný úvod do problematiky ultrakapacitorů, přehledně shrnující možnosti a praktické využití těchto moderních elektrosoučástí.

Ing. Luděk Janík (1979)
Vedoucí oddělení vodíkových technologií
Ústav jaderného výzkumu Řež a.s.
www.ujv.cz

Ředitel České vodíkové technologické platformy
www.hytep.cz

 
English Synopsis
Supercapacitors

Electrochemical capacitors (supercapacitors, ultracapacitors) are electrotechnic components which are able to accumulate, hold and bring back a lot of electricity (compared to conventional capacitors). For accumulation of electricity they use two principles: electric bilayer and reversible chemical reactions.

 

Hodnotit:  

Datum: 16.8.2010
Autor: Petr Dvořák
Organizace: Ústav Elektrotechnologie, FEKT VUT v Brně
Recenzent: Ing. Luděk Janík



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Google+  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (2 příspěvky, poslední 17.08.2010 16:39)


Projekty 2017

Partneři - Obnovitelná energie

logo HOTJET
logo VIESSMANN
logo NELUMBO

Spolupracujeme

logo Česká peleta

 
 

Aktuální články na ESTAV.czVIDEO: Autonomní stavební mechanizace. Reálné využití dříve než automobilyBrno zahájilo průzkumné práce v retenční nádrži v Králově PoliZájem o nájemní bydlení v Praze v posledních letech rosteVyladění interiéru podle feng shui: Prvek země