Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Ионисторы, литий-ионные суперконденсаторы


Рис. 1. Конструкция конденсаторов. Слева на право: “обычный” конденсатор, электролитический, ионистор.

Ионистор – двухслойный электрохимический конденсатор

Ионистор (двухслойный электрохимический конденсатор, суперконденсатор, ультраконденсатор – англ. Electric double-layer capacitor, polyacene capacitors…) — электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, “обкладками” в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока. Толщина двойного электрического слоя в ионисторах (то есть расстояние между “обкладками” конденсатора) крайне мала за счет использования электролитов, а площадь пористых материалов обкладок — колоссальна, запасенная ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. К тому же использование двойного электрического слоя вместо обычного диэлектрика позволяет намного увеличить площадь поверхности электрода.

Типичная емкость ионистора — несколько фарад при номинальном напряжении 2-10 вольт.

Применяются для основного и резервного питания в бытовой техники – в цифровых и зеркальных фотоаппаратах, фотовспышках, фонарях, карманных плеерах и автоматических коммунальных счетчиках — везде, где требуется быстро зарядить устройство, или на длительное время сохранить питания энергозависимой памяти при отключении основных источников питания (аккумулятора, сетевого блока питания).
Пример: в фотоаппаратах ионистор обеспечивает питание таймера, фотокамера без основного источника питания (аккумулятора или батареек) длительное время сохраняет настройки времени и даты.

Литий-ионные конденсаторы: устройство и принцип работы

Литий-ионные суперконденсаторы являются гибридом двойнослойного конденсатора и литий-ионного аккумулятора. Значения их удельных энергетических и мощностных характеристик находятся в пределах между значениями, свойственными литий-ионным аккумуляторам и суперконденсаторам.

В настоящее время для автономного питания электронный устройств применяются аккумуляторы (свинцовые, никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные, литий-ионные и др.), электрохимические конденсаторы (двойнослойные конденсаторы (ДСК), псевдоконденсаторы (ПсК)) и другие. Каждый тип имеет свои энергетические и мощностные характеристики, ресурс в циклах заряд/разряд, температурный диапазон эксплуатации, показатель саморазряда, которые определяют области их применения. Например, ДСК обеспечивают большую мощность, могут разряжаться большими токами в короткие интервалы времени, но небольшую энергоемкость, тогда как аккумуляторы, имея меньшую мощность, обладают большей энергоемкостью. С целью обеспечения большей энергоемкости и мощности разрабатывают и производят устройства, являющиеся гибридом ДСК и аккумуляторов — гибридные конденсаторы. Для их изготовления используют электроды различных типов. Например, отрицательный электрод может быть сделан с применением активированного угля (электрод в двойнослойных конденсаторах ДСК).

В качестве электроактивного компонента положительного электрода применяют, в частности, оксид металла (NiO, PbO2 — электрод аккумулятора). В связи с развитием литий-ионных технологий, позволяющих создавать энергоемкие аккумуляторы, большой интерес вызывают гибридные конденсаторы, представляющие собой гибрид двойнослойного конденсатора – ДСК и литий-ионного аккумулятора (ЛИА) — литий-ионный суперконденсатор (ЛИСК). Такие системы демонстрируют повышенные мощностные, энергетические и ресурсные характеристики. Данный тип устройств в англоязычной литературе относят к ассиметричным двойнослойным электрохимическим конденсаторам (Asymmetric electrochemical double layer capacitors, AEDLC).

Устройство и принцип работы литий-ионного суперконденсатора

При изготовлении литий-ионного суперконденсатора обычно используют следующие пары активных материалов электродов (отрицательный электрод/положительный электрод):

  • Li4Ti5O12/углеродный материал с развитой поверхностью;
  • графит (неграфитизированный углерод)/углеродный материал с развитой поверхностью;
  • смесь Li4Ti5O12 и углерода с развитой поверхностью/смесь катодного материала литий-ионного аккумулятора (LiFePO4, LiMn2O4, LiNixCoyMn(1-x-y)O2 и другие литиевые соли или оксиды металлов с переменной валентностью) и углерода с развитой поверхностью.

В двух первых типах ЛИСК от ДСК взят положительный электрод (углеродный материал с развитой поверхностью), а от ЛИА — отрицательный (графит или нанотитанат Li

4Ti5O12). Тип Li4Ti5O12/углеродный материал с развитой поверхностью исторически возник первым, однако на данный момент не имеет большого распространения. Третий тип появился совсем недавно и отличается тем, что в нем и анод, и катод включают композиционные материалы, как ЛИА, так и ДСК. При его функционировании как на аноде, так и на катоде параллельно протекают процессы, характерные для работы ЛИА и ДСК. На данный момент наиболее популярными считаются устройства, содержащие графит в составе отрицательного электрода и углеродный материал с развитой поверхностью в составе положительного электрода, то есть относящиеся ко второму типу ЛИСК.


Рисунок 2. Схематичное описание направлений движения заряженных частиц при заряде/разряде: а) ДСК; б) ЛИСК; в) ЛИА (ионы обозначены синим цветом, анионы — оранжевым, оранжевыми стрелками показан процесс заряда, синими — разряда).

ДСК имеет два одинаковых электрода, выполненных из углерода с развитой поверхностью, нанесенного на металлическую фольгу; электроды помещены в электролит. Обычно электролит представляет собой соли, растворенные в органических растворителях. В процессе растворения образуются катионы (например, ТЕМА+ — триэтилметил аммоний) и анионы (к примеру, BF4–). При заряде ДСК катионы и анионы, входящие в состав электролита, локализуются на поверхности отрицательного и положительного электродов соответственно (рис. 2а). При разряде катионы и анионы переходят с поверхности электродов обратно в раствор электролита. В ЛИА протекают другие электрохимические процессы. При заряде положительно заряженные ионы лития интеркалируют (встраиваются) в структуру графита и удаляются из катодного материала — деинтеркалируют (рис. 2в). При разряде ионы лития выходят из структуры графита и встраиваются обратно в структуру катодного материала. Электролит в данном случае выступает в качестве среды, обеспечивающей перенос ионов лития, то есть его функция отлична от электролита в ДСК, где он является источником катионов и анионов.

При заряде ЛИСК происходит локализация анионов (PF6–) на поверхности положительного электрода и внедрение катионов (Li+) лития в структуру активного материала отрицательного электрода (графит), (рис. 2б). В данном случае электролит становится средой, обеспечивающей перенос ионов лития, и источником анионов для положительного электрода, совмещая две описанные выше функции. При разряде ЛИСК происходят обратные процессы. Емкость ДСК определяется емкостью каждого из электродов и вычисляется по формуле: 1/Сячейки = 1/С+1/С+.

В случае симметричного конденсатора С = С+ = С и Сячейки = С/2. Заряд накапливается на поверхности обоих электродов. Если на положительном электроде работает поверхность, то в отрицательном электроде можно добиться того, чтобы работал объем, — другими словами, происходило внедрение ионов лития в активный материал. Замена активного материала отрицательного электрода (углерода с развитой удельной поверхностью) на материалы, способные к обратимому внедрению лития, например, предварительно литированный графит, обладающий значительно большей емкостью, чем материал положительного электрода (С

– >> С+), приводит к повышению общей емкости ячейки в два раза. Тогда емкость ячейки — Сячейки = С+ — целиком определяется емкостью положительного электрода. У ДСК, имеющего симметричную конструкцию, заряд катода и анода при разряде изменяется одинаково. Максимальное напряжение устройства примерно равно 2,5 Вольт (рис. 3а). Напряжение полностью заряженного ЛИСК выше, чем у ДСК, и составляет 3,8–4 Вольта (рис. 3б).


Рисунок 3. Изменение напряжения: а) ДСК; б) ЛИСК при заряде/разряде (зеленым обозначено напряжение на ячейке, синим — потенциал анода, красным — потенциал катода; потенциалы электродов указаны относительно потенциала лития).

Увеличение напряжения устройства достигается ввиду использования в качестве анода литированного графита, потенциал которого близок к потенциалу металлического лития. При разряде потенциал катода снижается, а потенциал анода несколько увеличивается из-за деинтеркаляции лития. Для обеспечения длительного ресурса напряжение на ячейке не должно уменьшаться ниже или повышаться больше значений, указанных производителем. Таким образом, ЛИСК устойчиво работает в определенном диапазоне напряжений.

Основные производители литий-ионных конденсаторов

Первые ЛИСК, появившиеся на рынке, были изготовлены компаниями Fuji Heavy Industries в сотрудничестве с Nihon Micro Coating (2002–2005 гг.), Advanced Capacity Technologies (EcoCache — 2005, Premlis — 2006), JM Energy (2007), FDK (2007) и другими фирмами.

Сравнительный анализ энергетических и мощностных характеристик литий-ионных суперконденсаторов наглядно представлен на диаграмме (рис. 4).


Рисунок 4. Сравнение ЛИСК с другими устройствами, применяемыми для сохранения электроэнерги.

Литий-ионные суперконденсаторы в сравнении с двойнослойными конденсаторами обладают большим напряжением (до 4 В), большей удельной энергией (до 25 Вт·ч/кг), (рис. 4), меньшим саморазрядом (

По сравнению с литий-ионными аккумуляторами они имеют большую удельную мощность (до 2800 Вт/кг, находятся правее по сравнению с аккумуляторами, рис. 4), больший ресурс (10 000–500 000 циклов) и лучшую работоспособностью при высоких температурах (до 80 °C).

ионисторы – ANION.RU

цена                 

1: 99 р.

цена                 

1: 99 р.

50: 85.5 р.

100: 73.5 р.

цена                 

1: 99 р.

50: 87 р.

100: 73.5 р.

цена                 

1: 111 р.

50: 99 р.

100: 85.5 р.

цена                 

1: 123 р.

50: 111 р.

100: 99 р.

цена                 

1: 123 р.

50: 111 р.

100: 99 р.

цена                 

1: 123 р.

50: 111 р.

100: 99 р.

цена                 

1: 159 р.

50: 135 р.

100: 123 р.

цена                 

1: 123 р.

50: 111 р.

100: 99 р.

цена                 

1: 159 р.

цена                 

1: 147 р.

50: 123 р.

100: 111 р.

Суперконденсаторы или Ионисторы вместо аккумулятора. Новая технология Ё-мобиль.

Большинство современных конденсаторов имеют емкость в микрофарадах или пикофарадах. Емкость Ионисторов исчисляется Фарадами.
Что бы понять насколько это много, можно вспомнить формулу по которой можно рассчитать необходимую емкость в зависимости от нагрузки.

C=I·t/U ,
 
где
С – емкость, Ф;
I – постоянный ток разрядки, А;
U – номинальное напряжение ионистора, В;
t – время разрядки от Uном до нуля, с;

Сейчас на рынке уже есть ионисторы емкостью в десятки Фарад.
К примеру есть ионистор на 5,5 Вольта емкостью 22 Фарада. Мы зарядим его полностью и подключим лампочку на 1 Ватт (5,5 Вольт  0,18 Ампера).

Итого:
22 Фарада = 0,18 Ампера  t / 5,5 Вольта
t = 672 секунды

Исходя из формулы выше наша лампочка будет гореть  672 секунды или 12 минут. Кажется что это не такая большая величина, но на самом деле мы можем использовать несколько ионисторов сразу.
Для примера существуют суперконденсаторы намного большей емкости.

Модуль суперконденсаторов Maxwell на 500 фарад. Рабочее напряжение 12Вольт – 48 Вольт

К примеру на новом российском авто Ё-мобиль используются конденсаторы фирмы https://www.elton-cap.com/.
Ионисторы этой фирмы достигают емкости в  10 000 Фарад при напряжении 1,5 Вольта. Так же они производят ячейки (модули) с несколькими ионисторами емкостью в 1000 Фарад и рабочим напряжением 15 Вольт.

К сожалению у Суперконденсаторов есть достоинства и недостатки.

– Суперконденсаторы достаточно дорогие поэтому не составляют конкуренции батареям (аккумуляторам), так как конденсаторы емкостью равной емкости одного аккумулятора обойдутся вам в тысячи долларов.
Темнеменее использование суперконденсаторов в электронике более чем оправдано.
– к сожалению на контантах суперконденсаторов  во время всего цикла разрядки падает напряжение, поэтому для устройств которые требуют постоянного напряжение это не применимо. Возможен вариант использования стабилизатора, но при этом устройство будет потреблять больше энергии.
– к сожалению суперконденсатор нельзя полноценно использовать вместе с аккумулятором. Если их подключить параллельно из-за внутреннего сопротивления, аккумуляторная батарея всегда будет отдавать больше тока чем конденсатор.
При этом если потребитель использует импульсный источник питания, в те моменты когда батарея и конденсатор будут отключены – батарея будет заряжать конденсатор, при этом с большими токами и щадящего режима для батареи просто не получится.
Единственный выход использовать Ионисторы как дополнительный источник питания, тоесть заряжать их во время когда сеть не нагружена и полностью отдавать их энергию в нужные моменты, после чего подключать батарею, когда энергия уже исчерпана.
Это значительно усложняет систему а значит и цену таких устройств.
Однако все так же еффективно эти конденсаторы можно использовать в системах рекуперации энергии.

+ очень большое колличество циклов заряда и разряда
+ большие токи отдачи
+ Суперконденсаторы достаточно быстро заряжаются (практически моментально зависит от того какой ток может обеспечить зарядное устройство)
+ Суперконденсаторы  намного меньше обычных конденсаторов и в тоже время имеют намного большую емкость.
+ широкий рабочий диаппазон температур (от -50 до + 50 градусов цельсия)

Возможно за суперконденсаторами будущее, но к сожалению на данный момент они вряд ли смогут полностью заменить аккумуляторы.

Суперконденсаторы BOOSTCAP большой емкости для увеличение потенциала электромобиля. Соединены параллельно с аккумуляторной батарей

Сборка из 200 суперконденсаторов BOOSTCAP установленных в багажник электромобиля для уменьшения нагрузки на аккумуляторы и ускорения зарядки

Хотя на некоторых автомобилях уже сейчас заменяются пусковые батареи на суперконденсаторы, которые куда более эффективно выполняют свои функции. В часности они отдают моментально очень большие токи которые необходимы для удачного пуска двигателя особенно в холодную погоду.

Ионисторы, Суперконденсаторы, Ультраконденсаторы. – Статьи об энергетике





Ионисторы представляют собой электрические устройства, в которых происходят процессы накопление заряда между двумя обкладками. Они протекают главным образом на границе, которая разделяет две среды, – электролиты и электрод. Энергия в данных средах представлена в виде статического электрозаряда приложения постоянного напряжения на его внешние выводы, посредством которого и обеспечивается накопление электроэнергии. Говоря другими словами, данные устройства являются простыми конденсаторами. Их главное отличие от обычных – большая емкость, исчисление которой производится в фарадах.
Многие знают, что в своей внутренней части конденсаторы имеют обкладку из фольги, разделены диэлектриком. Ионисторы представляют особо объединение работы емкости с электрохимической батареей. В этих устройствах используются специальные электролиты и обкладки. Общая их емкость увеличивается главным образом за счет использования материалов, которые отличаются большой поверхностной площадью.

В ионисторах могут использоваться прокладки на основе активированного угля, проводящих полимеров и оксидов металлов. Сверхпористые угольные материалы, используемые в обкладках, обеспечивают возможность для получения плотности емкости 10 Фарад/см3 и более. Наиболее экономичными в процессе своего изготовления являются ионисторы на основе активированного угля. Они имеют и другое название DLC-конденсаторы или двухслойные. Последнее объясняется тем, что в них накопление электрического заряда происходит в двойном поле, которое возникает на поверхности обкладки устройства.

Если говорить об электролите ионизатора, то отметим, что он может быть как водным, так и органическим. Устройства, содержащиеся в себе водный электролит, имеют небольшое внутреннее сопротивление. Для водного электролита характерен один минус, который заключается в напряжении заряда, ограниченном величиной в 1В. Устройста, которые работают на органическом электролите, обладают большим сопротивлением, однако они способны работать в напряжении заряда от 2 до 3 Вольт.

Так как питание электронных схем осуществляется с использованием более высоких напряжений, чем есть у ионистора, то для его получения возникает необходимость в его последовательном соединении. Всем известно, что изменение емкости конденсаторов происходит в переделах от пикофарад до микрофарад. Изменение емкости ионисторов осуществляется в фарадах. Максимальная плотность мощности от пикофарад до микрофарад, которой можно достичь в ионисторах, может составлять от 1 до 10 Вт/кг. Данная величина заметно больше, чем у конденсаторов и аккумуляторов.

Если говорить о недостатках, которыми обладает ионистор, то можно выделить линейное снижение напряжения, которое происходит постоянно в ходе его работы, вплоть до полной разрядки. Именно по причине этого ионисторы не в состоянии удерживать полный заряд. Исчисление общей площади его заряда зависит от приложенного к нему напряжения.

В том случае, если используется устройство, заряженное напряжением 8 В, а работа схемы в нормальном режиме обеспечивается при 4 В, то выходит, что заряд используется всего на 50%. Остальная энергия уходит впустую. Чтобы повысить степень использования накопленной энергии в данных устройствах, применяются преобразователи различного вида. Однако данное решение нельзя считать оптимальным, поскольку при её использовании происходит удорожание всей системы. Её стоимость возрастает на 10-15%. Кроме того, происходит заметное снижение КПД.

Если говорить о применении ионисторов, то сразу же отметим их использование в электропитании микросхем памяти, а также в цепях фильтрации. Они отлично показывают себя при использовании в паре с батареями. Такой симбиоз позволяет обеспечить защиту от внезапных перепадов электрического тока нагрузки. Если ли тока электрической нагрузки слишком малы, то батарея работает в режиме подзарядки ионистора. При первом же скачке тока ионистор осуществляет выдачу накопленной электроэнергии. В результате этого общая нагрузка на батарею заметно снижается.

Ионисторы имеют немало преимуществ. Если говорить об основных, то можно отметить, что эти устройства обладают малым внутренним сопротивлением, имеют большой срок службы, а, кроме того, у них нет ограничений в плане циклов заряд/разряд. Еще к числу плюсов ионисторов можно отнести их незначительную стоимость, широкий температурный диапазон, в котором осуществляется их работа, колеблющийся -25 до +70 °С. Выделим также быстроту процесса заряда и разряда. Их работа может происходить при абсолютно любом напряжении. В данных устройствах используются простые способы заряда, отсутствует контроль за режимом заряда.

Наряду с достоинствами ионисторы имеют и недостатки. Это малая энергетическая плотность, которой они обладают, устройства не в состоянии обеспечить достаточного накопления электроэнергии. Также к числу их минусов следует отнести высокую степень саморазряда и низкий уровень напряжения на одной единице элемента.


Всего комментариев: 0


Эффективные механизмы хранения для создания лучших суперконденсаторов

  • 1

    Conway, B.E. Электрохимические суперконденсаторы: научные основы и технологические приложения (Springer, 1999).

    Google ученый

  • 2

    Миллер, Дж. Р. и Саймон, П. Электрохимические конденсаторы для управления энергией. Наука 321 , 651–652 (2008).

    Google ученый

  • 3

    Чмиола, Дж. и др. . Аномальное увеличение емкости углерода при размере пор менее 1 нанометра. Наука 313 , 1760–1763 (2006). Эта статья демонстрирует, что микропористые угли могут использоваться для максимизации емкости благодаря десольватации ионов в порах субнанометрового размера.

    Google ученый

  • 4

    Тупин М., Брусс Т. и Беланже Д. Механизм накопления заряда электрода MnO2, используемого в водном электрохимическом конденсаторе. Chem. Матер. 16 , 3184–3190 (2004). В этой статье показано, что суперконденсаторы на основе MnO2 могут достигать очень высоких удельных емкостей, подчеркивая важность псевдоконденсаторов.

    Google ученый

  • 5

    Саймон П. и Гогоци Ю. Материалы для электрохимических конденсаторов. Nature Mater. 7 , 845–854 (2008).

    Google ученый

  • 6

    Беген, Ф., Прессер В., Бальдуччи А. и Фраковяк Е. Уголь и электролиты для современных суперконденсаторов. Adv. Матер. 26 , 2219–2251 (2014).

    Google ученый

  • 7

    Раччини Р., Варци А., Пассерини С. и Скросати Б. Роль графена в электрохимическом накоплении энергии. Nature Mater. 14 , 271–279 (2015).

    Google ученый

  • 8

    Арманд, М., Эндрес, Ф., Макфарлейн, Д. Р., Оно, Х. и Скросати, Б. Ионно-жидкие материалы для электрохимических задач будущего. Nature Mater. 8 , 621–629 (2009).

    Google ученый

  • 9

    Брандт, А., Польманн, С., Варци, А., Бальдуччи, А. и Пассерини, С. Ионные жидкости в суперконденсаторах. MRS Bull. 38 , 554–559 (2013).

    Google ученый

  • 10

    Гельмгольц, Х.Ueber einige Gesetze der Vertheilung elektrischer Ströme в körperlichen Leitern mit Anwendung auf die thierisch-elektrischen Versuche. Ann. Phys. Chem. 165 , 211–233 (1853).

    Google ученый

  • 11

    Элиад, Л., Салитра, Г., Соффер, А. и Аурбах, Д. Эффекты ионного просеивания в двойном электрическом слое пористых углеродных электродов: оценка эффективного размера ионов в электролитических растворах. J. Phys.Chem. B 105 , 6880–6887 (2001).

    Google ученый

  • 12

    Элиад, Л., Салитра, Г., Соффер, А., Аурбах, Д. О механизме селективной электроадсорбции в порах углеродных молекулярных сит. Langmuir 21 , 3198–3202 (2005).

    Google ученый

  • 13

    Ван С., Минами Д. и Канеко К. Сравнительный анализ структуры пор высокопористых графеновых монолитов, обработанных при разных температурах с адсорбцией N2 при 77.4 К и Ar при 87,3 К и 77,4 К. Micropor. Мезопор. Матер. 209 , 72–78 (2015).

    Google ученый

  • 14

    Брунауэр, С., Эммет, П. Х. и Теллер, Э. Адсорбция газов в мультимолекулярных слоях. J. Am. Chem. Soc. 60 , 309–319 (1938).

    Google ученый

  • 15

    Thommes, M. et al . Физическая адсорбция газов с особым упором на оценку площади поверхности и распределения пор по размерам. Pure Appl. Chem. 87 , 1051–1069 (2015).

    Google ученый

  • 16

    Канеко К., Исии К., Руике М. и Кувабара Х. Происхождение сверхвысоких микрокристаллических графитовых структур активированных углей. Углерод 30 , 1075–1088 (1992).

    Google ученый

  • 17

    Сетояма, Н., Сузуки, Т. и Канеко, К. Исследование связи между графиком αs высокого разрешения и распределением пор по размерам для активированного угля. Углерод 36 , 1459–1467 (1998).

    Google ученый

  • 18

    Неймарк, А. В., Лин, Ю., Равикович, П. И., Томмс, М. Теория функционала плотности закаленного твердого тела и анализ размера пор микромезопористых углеродов. Углерод 47 , 1617–1628 (2009). Эта статья представляет собой теоретическую основу теории функционала плотности, которая в настоящее время является наиболее часто используемым методом для характеристики площади поверхности микропористых углеродов.

    Google ученый

  • 19

    Сентено, Т. А., Середа, О. и Стоекли, Ф. Емкость в углеродных порах от 0,7 до 15 нм: регулярный рисунок. Phys. Chem. Chem. Phys. 13 , 12403–12406 (2011).

    Google ученый

  • 20

    Bandosz, T. J. et al. . в Химия и физика углерода 41–228 (Марсель Деккер, 2001).

    Google ученый

  • 21

    Bousige, C. и др. . Реалистичная молекулярная модель наноструктуры керогена. Nature Mater. 15 , 576–582 (2016).

    Google ученый

  • 22

    Forse, A.C. et al. . Новое понимание структуры нанопористых углеродов на основе ЯМР, комбинационного рассеяния света и анализа парных функций распределения. Chem. Матер. 27 , 6848–6857 (2015).

    Google ученый

  • 23

    Палмер, Дж. С. и др. . Моделирование структурной эволюции карбидных углеродов с использованием гашеной молекулярной динамики. Углерод 48 , 1116–1123 (2010).

    Google ученый

  • 24

    Палмер Дж. И Габбинс К. Э. Атомистические модели неупорядоченных нанопористых углеродов с использованием реактивных силовых полей. Micropor. Мезопор. Матер. 154 , 24–37 (2012).

    Google ученый

  • 25

    Ван Х. и др. . ЯМР-исследования электрохимических двухслойных конденсаторов в реальном времени. J. Am. Chem. Soc. 133 , 19270–19273 (2011).

    Google ученый

  • 26

    Гриффин, Дж. М. и др. . In situ Методы ЯМР и электрохимического микровесов кристаллов кварца позволяют выявить структуру двойного электрического слоя в суперконденсаторах. Nature Mater. 14 , 812–819 (2015). В данной статье показано, путем комбинирования in situ электрохимических и спектроскопических методов, что различные механизмы адсорбции ионов могут доминировать в процессе зарядки суперконденсаторов в зависимости от поляризации электрода.

    Google ученый

  • 27

    Boukhalfa, S. et al. Малоугловое рассеяние нейтронов in-situ , показывающее сорбцию ионов в микропористых углеродных конденсаторах с двойным электрическим слоем. АСУ Нано 8 , 2495–2503 (2014).

    Google ученый

  • 28

    Бануэлос, Дж. Л. и др. . Уплотнение молекул ионной жидкости в иерархической нанопористой углеродной структуре, выявленное с помощью малоуглового рассеяния и молекулярно-динамического моделирования. Chem. Матер. 26 , 1144–1153 (2014).

    Google ученый

  • 29

    Дешам, М. и др. . Изучение организации электролита в электродах суперконденсатора с помощью твердотельного ЯМР. Nature Mater. 12 , 351–358 (2013).

    Google ученый

  • 30

    Merlet, C. et al . О молекулярной природе сверхемкости в нанопористых углеродных электродах. Nature Mater. 11 , 306–310 (2012). Эта статья представляет собой первое количественное изображение структуры ионной жидкости, адсорбированной внутри реалистично смоделированных микропористых углеродных электродов.

    Google ученый

  • 31

    Merlet, C. et al. . Сильно удерживаемые ионы более эффективно накапливают заряд в суперконденсаторах. Nature Commun. 4 , 2701 (2013).

    Google ученый

  • 32

    Шим, Т. и Ким, Х. Дж. Нанопористые углеродные суперконденсаторы в ионной жидкости: исследование с компьютерным моделированием. АСУ Нано 4 , 2345–2355 (2010).

    Google ученый

  • 33

    Мерле, К., Форс, А.С., Гриффин, Дж., Френкель, Д. и Грей, К. П. Метод моделирования на решетке для моделирования спектров диффузии и ЯМР в пористых материалах. J. Chem. Phys. 142 , 094701 (2015).

    Google ученый

  • 34

    Бухальфа, С., Хе, Л., Мельниченко, Ю. Б., Юшин, Г. Малоугловое рассеяние нейтронов для исследования адсорбции ионов внутри микропор in situ. Angew. Chem. Int. Эд. 52 , 4618–4622 (2013).

    Google ученый

  • 35

    Кондрат С. и Корнышев А. Нажатие на пружину: что нужно для максимального накопления энергии в нанопористых суперконденсаторах? Nanoscale Horiz. 1 , 45–52 (2016).

    Google ученый

  • 36

    Ларджот, К. и др. . Связь между размером иона и размером пор в двухслойном электрическом конденсаторе. J. Am. Chem. Soc. 130 , 2730–2731 (2008).

    Google ученый

  • 37

    Гальена, Д. Т., Байер, Б. К., Хофманн, С. и Амаратунга, Г. А. Понимание изменения емкости в порах субнанометрового размера путем настройки межслоевых сужений на месте. АСУ Нано 10 , 747–754 (2016).

    Google ученый

  • 38

    Раймундо-Пинеро, Э., Kierzek, K., Machnikowski, J. & Béguin, F. Связь между нанопористой текстурой активированного угля и их емкостными свойствами в различных электролитах. Углерод 44 , 2498–2507 (2006).

    Google ученый

  • 39

    Леви М.Д., Сигалов С., Аурбах Д. и Дайхин Л. Методология электрохимической проводимости кристаллов кварца на месте для отслеживания изменений состава и механических свойств в пористых углеродных электродах. J. Phys. Chem. С 117 , 14876–14889 (2013).

    Google ученый

  • 40

    Леви М. Д., Салитра Г., Леви Н., Аурбах Д. и Майер Дж. Применение кварцевых микровесов для измерения ионных потоков в микропористых углях для хранения энергии. Nature Mater. 8 , 872–875 (2009). Эта статья демонстрирует, что можно контролировать гравиметрический отклик микропористых углеродов во время адсорбции ионов внутри пор.

    Google ученый

  • 41

    Сигалов С., Леви М. Д., Дайхин Л., Салитра Г. и Аурбах Д. Электрохимические исследования адсорбции кристаллов кварца адсорбции ионов на нанопористых композитных углеродных электродах в апротонных растворах. J. Solid State Electrochem. 18 , 1335–1344 (2014).

    Google ученый

  • 42

    Окубо Т. и др. .Структуры ограниченной гидратации ионов Rb и Br, заключенных в щелевидное углеродное нанопространство. J. Am. Chem. Soc. 124 , 11860–11861 (2002). В этой статье показано, что десольватация водных ионов происходит в экстремальных условиях с использованием расширенных экспериментов по тонкой структуре поглощения рентгеновских лучей.

    Google ученый

  • 43

    Tsai, W.-Y., Taberna, P.-L. И Саймон, П. Исследование динамики ионов в нанопористых углеродах с помощью электрохимических микровесов кристаллов кварца (EQCM). J. Am. Chem. Soc. 136 , 8722–8728 (2014).

    Google ученый

  • 44

    Федоров М.В., Корнышев А.А. Ионные жидкости на электрифицированных границах раздела. Chem. Ред. 114 , 2978–3036 (2014).

    Google ученый

  • 45

    Син, Л., Ватаману, Дж., Бородин, О. и Бедров, Д. Об атомистической природе увеличения емкости, создаваемой ионным жидким электролитом, заключенным в субнанометрические поры. J. Phys. Chem. Lett. 4 , 132–140 (2013).

    Google ученый

  • 46

    Freise, V. Zur theorie der diffusendoppeltschicht. Z. Elektrochem. 56 , 822–827 (1952).

    Google ученый

  • 47

    Корнышев А.А. Двойной слой в ионных жидкостях: смена парадигмы? J. Phys. Chem. В 111 , 5545–5557 (2007).

    Google ученый

  • 48

    Лиммер, Д. Т. и др. . Колебания заряда в наноразмерных конденсаторах. Phys. Rev. Lett. 111 , 106102 (2013).

    Google ученый

  • 49

    Merlet, C. et al. . Двойной электрический слой живет своей жизнью. J. Phys. Chem. С 118 18291–18298 (2014).

    Google ученый

  • 50

    Корнышев, А.А. и Цяо, Р. Трехмерные двойные слои. J. Phys. Chem. С 118 , 18285–18290 (2014).

    Google ученый

  • 51

    Гебби М.А. и др. . Ионные жидкости ведут себя как разбавленные растворы электролитов. Proc. Natl Acad. Sci. США 110 , 9674–9679 (2013).

    Google ученый

  • 52

    Перкин, С., Саланн, М., Мэдден, П. и Линден-Белл, Р. Подходит ли модель кормового и диффузного слоя для ионных жидкостей на поверхности? Proc. Natl Acad. Sci. США 110 , E4121 (2013).

    Google ученый

  • 53

    Bozym, D. et al. . Максимум аномальной емкости границы раздела стеклоуглерод – ионная жидкость при разбавлении органическими растворителями. J. Phys. Chem. Lett. 6 , 2644–2648 (2015).

    Google ученый

  • 54

    Ли, А.А., Велла, Д., Перкин, С., Гориели, А. Разбавляют ли ионные жидкости при комнатной температуре электролит? J. Phys. Chem. Lett. 6 , 159–163 (2015).

    Google ученый

  • 55

    Базант, М. З., Стори, Б. Д., Корнышев, А. А. Двойной слой в ионных жидкостях: чрезмерное экранирование или скучивание. Phys. Rev. Lett. 106 , 046102 (2011).

    Google ученый

  • 56

    Кондрат, С.& Корнышев, А.А. Суперионное состояние в двухслойных конденсаторах с нанопористыми электродами. J. Phys. Конденс. Дело 23 , 022201 (2011). В этой статье объясняется увеличение емкости микропористых углеродов за счет образования зарядов изображения на стенках, которые экранируют электростатические взаимодействия между ионами, приводящие к образованию «суперионного» состояния.

    Google ученый

  • 57

    Кондрат, С., Георгий, Н., Федоров, М. В., Корнышев, А. А. Суперионное состояние в нанопористых двухслойных конденсаторах: выводы из моделирования Монте-Карло. Phys. Chem. Chem. Phys. 13 , 11359–11366 (2011).

    Google ученый

  • 58

    Гриффин, Дж. М. и др. . Подсчет ионов в электроде суперконденсатора с помощью ЯМР-спектроскопии. Фарадей Обсудить. 176 , 49–68 (2014).

    Google ученый

  • 59

    Пин, К. и др. . Эффекты удержания, десольватации и электросорбции на диффузию ионов в нанопористых углеродных электродах. J. Am. Chem. Soc. 137 , 12627–12632 (2015).

    Google ученый

  • 60

    Ричи, Ф. В., Дяткин, Б., Гогоци, Ю. и Элабд, Ю. А. Динамика ионов в пористых углеродных электродах в суперконденсаторах с использованием инфракрасной спектроэлектрохимии in situ . J. Am. Chem. Soc. 135 , 12818–12826 (2013).

    Google ученый

  • 61

    Prehal, C. et al. . Отслеживание структурного расположения ионов в нанопорах углеродного суперконденсатора с использованием in-situ малоуглового рассеяния рентгеновских лучей. Energy Environ. Sci. 8 , 1725–1735 (2015).

    Google ученый

  • 62

    Илотт, А.Дж., Триз, Н.М., Грей, С. П. и Джершоу, А. Многоядерная магнитно-резонансная томография на месте электрохимических двухслойных конденсаторов. Nature Commun. 5 , 4536 (2014).

    Google ученый

  • 63

    Кондрат, С., Ву, П., Цяо, Р., Корнышев, А.А. Динамика ускорения зарядки в субнанометрических порах. Nature Mater. 13 , 387–393 (2014).

    Google ученый

  • 64

    He, Y. и др. . Важность упаковки ионов в динамике ионных жидкостей во время зарядки микропор. J. Phys. Chem. Lett. 7 , 36–42 (2016).

    Google ученый

  • 65

    Пин, К. и др. . О динамике зарядки нанопористых суперконденсаторов на основе углерода. АСУ Нано 8 , 1576–1583 (2014).

    Google ученый

  • 66

    Августин, К., Саймон, П. и Данн, Б. Псевдоемкостные оксидные материалы для высокоскоростного электрохимического накопления энергии. Energy Environ. Sci. 7 , 1597–1614 (2014).

    Google ученый

  • 67

    Ким, Дж. У., Августин, В. и Данн, Б. Влияние кристалличности на быструю псевдоконструктивную реакцию Nb2O5. Adv. Energy Mater. 2 , 141–148 (2012).

    Google ученый

  • 68

    Давай, Дж. и др. . Электрохимическая кинетика наноструктурированных электродов из Nb2O5. J. Electrochem. Soc. 161 , A718 – A725 (2014 г.).

    Google ученый

  • 69

    Дмовски, В., Эгами, Т., Свидер-Лайонс, К. Э., Лав, К. Т. и Ролисон, Д. Р. Локальная атомная структура и механизм проводимости нанокристаллического водного RuO2 по рассеянию рентгеновских лучей. J. Phys. Chem. B 106 , 12677–12683 (2002).

    Google ученый

  • 70

    Августин В. и др. . Высокоскоростное электрохимическое накопление энергии за счет интеркаляционной псевдоемкости Li +. Nature Mater. 12 , 518–522 (2013). В этой статье сообщается о механизме псевдоемкости, основанном на интеркаляции ионов лития, и определяются структурные характеристики, которые необходимы для этого процесса.

    Google ученый

  • 71

    Брус, Т., Белэнджер, Д. и Лонг, Дж. У. Быть или не быть псевдоемкостным? J. Electrochem. Soc. 162 , A5185 – A5189 (2015).

    Google ученый

  • 72

    Ким, Х.-С., Кук, Дж. Б., Толберт, С. Х. и Данн, Б. Развитие псевдоемкостных свойств наноразмерного MoO2. J. Electrochem. Soc. 162 , A5083 – A5090 (2015).

    Google ученый

  • 73

    Саймон П., Гогоци, Ю. и Данн, Б. Где заканчиваются батареи и начинаются суперконденсаторы? Наука 343 , 1210–1211 (2014).

    Google ученый

  • 74

    Августин В. и др. . Литий-ионные накопительные свойства нанолистов оксида титана. Mater. Horiz. 1 , 219–233 (2014).

    Google ученый

  • 75

    Athouel, L. et al. .Изменение структуры бирнессита MnO2 при заряде / разряде в электроде электрохимического суперконденсатора в водном электролите Na2SO4. J. Phys. Chem. С 112 , 7270–7277 (2008).

    Google ученый

  • 76

    Wei, W., Cui, X., Chen, W. & Ivey, D. G. Материалы на основе оксида марганца в качестве электродов электрохимического суперконденсатора. Chem. Soc. Ред. 40 , 1697–1721 (2011).

    Google ученый

  • 77

    Ghodbane, O., Паскаль, Ж.-Л. И Фавье Ф. Влияние микроструктуры на свойства накопления заряда в электрохимических суперконденсаторах на основе MnO2. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 1 , 1130–1139 (2009).

    Google ученый

  • 78

    Годбейн, О., Атахериан, Ф., Ву, Н.-Л. И Фавье, Ф. Кристаллографические исследования in situ механизмов накопления заряда в электрохимических конденсаторах на основе MnO2. J. Источники энергии 206 , 454–462 (2012).

    Google ученый

  • 79

    Rangom, Y. , Tang, X. & Nazar, L.F. Суперконденсаторы на основе углеродных нанотрубок с отличной фильтрацией линии переменного тока и высокой пропускной способностью за счет улучшенного межфазного импеданса. АСУ Нано 9 , 7248–7255 (2015).

    Google ученый

  • 80

    Zhu, Y. et al . Углеродная квантовая точка украшает сеть RuO2: выдающиеся сверхмощные емкости при сверхбыстрой зарядке и разрядке. Energy Environ. Sci. 6 , 3665–3675 (2013).

    Google ученый

  • 81

    Аравиндан, В., Гнанарадж, Дж., Ли, Ю. С. и Мадхави, С. Электроды вставного типа для неводных литий-ионных конденсаторов. Chem. Ред. 114 , 11619–11635 (2014).

    Google ученый

  • 82

    Наои, К., Ишимото, С., Исобе, Ю. и Аояги, С. Высокопроизводительный нанокристаллический Li4Ti5O12, прикрепленный к углеродным нановолокнам для гибридных суперконденсаторов. J. Источники энергии 195 , 6250–6254 (2010).

    Google ученый

  • 83

    Наои, К., Ишимото, С., Огихара, Н., Накагава, Ю. и Хатта, С. Инкапсуляция наночастиц оксида рутения в KB для электрохимических конденсаторов. J. Electrochem. Soc. 156 , A52 – A59 (2009 г.).

    Google ученый

  • 84

    Наой, К., Ишимото, С., Миямото, Дж.И Наои, В. «Наногибридный суперконденсатор» второго поколения: эволюция емкостных накопителей энергии. Energy Environ. Sci. 5 , 9363–9373 (2012). В этой статье рассказывается о перспективах, открывающихся при объединении отрицательного графитового электрода литий-ионной батареи с емкостным положительным электродом из пористого углерода.

    Google ученый

  • 85

    Наои, К., Наои, В., Аояги, С., Миямото, Дж. И Камино, Т.«Наногибридный суперконденсатор» нового поколения. В соотв. Chem. Res. 46 , 1075–1083 (2012).

    Google ученый

  • 86

    Ватаману, Дж. И Бедров, Д. Емкостное накопление энергии: текущие и будущие задачи. J. Phys. Chem. Lett. 6 , 3594–3609 (2015).

    Google ученый

  • 87

    Lin, T. et al. . Легированный азотом мезопористый углерод необычайной емкости для электрохимического накопления энергии. Наука 350 , 1508–1513 (2015).

    Google ученый

  • 88

    Куртароло, С. и др. . Высокопроизводительный путь к проектированию вычислительных материалов. Nature Mater. 12 , 191–201 (2013).

    Google ученый

  • 89

    Шуттер, К., Хуш, Т., Корт, М. и Балдуччи, А. К новым растворителям для EDLC: от компьютерного скрининга до электрохимической проверки. J. Phys. Chem. С 119 , 13413–13424 (2015).

    Google ученый

  • 90

    Pognon, G., Brousse, T., Demarconnay, L. & Bélanger, D. Характеристики и стабильность электрохимического конденсатора на основе активированного угля, модифицированного антрахиноном. J. Источники энергии 196 , 4117–4122 (2011).

    Google ученый

  • 91

    Аббас, К. и др. . Стратегии улучшения характеристик углеродных / углеродных конденсаторов в солевых водных электролитах. J. Electrochem. Soc. 162 , A5148 – A5157 (2015).

    Google ученый

  • 92

    Pohlmann, S. и др. . Смеси ионных жидкостей на основе азепана и пропиленкарбоната в качестве высоковольтных электролитов для суперконденсаторов. Электрохим. Acta 153 , 426–432 (2015).

    Google ученый

  • 93

    Acerce, M. , Voiry, D. & Chhowalla, M. Металлические нанолисты MoS2 фазы 1T в качестве электродных материалов суперконденсаторов. Nature Nanotech. 10 , 313–318 (2015).

    Google ученый

  • 94

    Гидиу М., Лукацкая М. Р., Чжао М. К., Гогоци Ю. и Барсум М. В. Проводящий двумерный карбид титана «глина» с высокой объемной емкостью. Природа 516 , 78–81 (2014).

    Google ученый

  • 95

    Ши, К. Я. и др. . Структура нанокристаллического Ti3C2 MXene с использованием функции распределения пар атомов. Phys. Rev. Lett. 112 , 125501 (2014).

    Google ученый

  • 96

    Леви, М. Д. и др. . Решение емкостного парадокса 2D-MXene с использованием электрохимической проводимости кристалла кварца и. на месте измерений электронной проводимости. Adv. Energ. Матер. 5 , 1400815 (2015).

    Google ученый

  • 97

    Соловейчик Г.Л. Проточные батареи: текущее состояние и тенденции. Chem. Ред. 115 , 11533–11558 (2015).

    Google ученый

  • 98

    Kwon, C.-H. и др. . Текстиль для биотопливных элементов высокой мощности из тканых нитей из бис-скрученных углеродных нанотрубок. Nature Commun. 5 , 3928 (2014).

    Google ученый

  • 99

    Прессер, В. и др. . Электрохимический проточный конденсатор: новая концепция быстрого накопления и рекуперации энергии. Adv. Energ. Матер. 2 , 895–902 (2012).

    Google ученый

  • 100

    Brogioli, D. Извлечение возобновляемой энергии из разницы солености с помощью конденсатора. Phys. Rev. Lett. 103 , 058501 (2009).

    Google ученый

  • 101

    Siria, A. и др. . Гигантское преобразование осмотической энергии, измеренное в одной трансмембранной нанотрубке нитрида бора. Природа 494 , 455–458 (2013).

    Google ученый

  • 102

    Ван, Дж. Электрохимические биосенсоры на основе углеродных нанотрубок. Электроанализ 17 , 7–14 (2005).

    Google ученый

  • 103

    Мирика, К. А., Аззарелли, Дж. М., Вейс, Дж. Г., Шнорр, Дж. М. и Свагер, Т. М. Быстрое создание прототипов хемирезистивных газовых сенсоров на основе углерода на бумаге. Proc. Natl Acad. Sci. США 110 , E3265 – E3270 (2013).

    Google ученый

  • Суперконденсаторы с высокой плотностью энергии и чрезвычайно стабильными суперконденсаторами на основе углеродных аэрогелей со 100% сохранением емкости до 65000 циклов

    Значение

    В этой работе исследуются углеродные аэрогели с трехмерной взаимосвязанной сетью нановолокон и рационально спроектированными иерархическими пористыми структурами, которые обеспечивают суперконденсаторы (СК) с высокой плотностью энергии и долговременной стабильностью с целью практического применения. Созданные СЭ имеют высокую удельную емкость 297 Ф г –1 при 1 А г –1 и замечательную плотность энергии 14,83 Втч кг −1 при 0,60 кВт кг −1 , оба из которых намного выше, чем у большинства SC на основе углерода. Примечательно, что они обладают чрезвычайно высокой стабильностью с сохранением емкости на 100% более 65 000 циклов, что является лучшим показателем среди углеродных SC.

    Abstract

    С точки зрения идеальных систем накопления энергии будущего, помимо постоянно преследуемых характеристик энергии / мощности, долговременная стабильность имеет решающее значение для их практического применения.Здесь мы сообщаем о простой и устойчивой стратегии масштабируемого производства углеродных аэрогелей с трехмерными взаимосвязанными сетями нановолокон и рационально спроектированными иерархическими пористыми структурами, которые основаны на карбонизации бактериальной целлюлозы с помощью мягкого шаблона Zn-1,3. , 5-бензолтрикарбоновая кислота. В качестве электродов без связующего они обеспечивают существенно увеличенную удельную емкость 352 Ф г –1 при 1 А г –1 в широком потенциальном окне (1.2 V, 6 M KOH) по сравнению с углями, полученными из бактериальной целлюлозы (178 F g -1 ) и большинством активированных углей (обычно ниже 250 F g -1 ). Суперконденсаторы в собранном виде демонстрируют сверхвысокую емкость 297 Ф г −1 при 1 А г −1 , замечательную плотность энергии (14,83 Вт · ч кг −1 при 0,60 кВт кг −1 ). , и чрезвычайно высокая стабильность, с сохранением 100% емкости до 65000 циклов при 6 A ⋅ g −1 , что свидетельствует об их превосходных характеристиках накопления энергии по сравнению с суперконденсаторами на основе промышленных активированных углей и современных суперконденсаторов. аналоги, полученные из биомассы.

    В связи с быстрым развитием устойчивых и возобновляемых источников энергии суперконденсаторы (SC) были признаны неотъемлемой частью будущих энергосистем из-за их характеристик высокой мощности, быстрой зарядки-разрядки, длительного срока службы, а также высокой безопасности и надежности. (1⇓ – 3). Углеродные наноматериалы, являющиеся отличным кандидатом в качестве электродов с двойным электрическим слоем (EDLC), интенсивно исследуются [например, активированный уголь (4), пористый уголь (5), уголь на основе карбида (6), углеродные нановолокна (7). , углеродные нанотрубки (8) и графен (9, 10)] благодаря их благоприятным структурным особенностям, таким как высокая химическая стабильность, высокая пористость, большая удельная поверхность (SSA) и высокая электропроводность (11, 12).Среди углеродных наноматериалов активированный уголь по-прежнему занимает преобладающую долю на коммерческих рынках. Тем не менее, в настоящее время популярные СЭ на основе активированных углей все еще имеют неудовлетворительную плотность энергии (<10 Вт · ч кг -1 ) и стабильность. Для практических приложений крайне желательно исследовать углеродные материалы с повышенной удельной емкостью без ущерба для энергетических характеристик и стабильности при циклических нагрузках.

    Широко признано, что иерархические углеродные материалы с ожидаемым надлежащим распределением взаимосвязанных макро / мезо / микропор и высоким SSA могут способствовать как быстрой диффузии массы, так и оптимальному воздействию на участок, тем самым обеспечивая большие емкости в условиях высокого заряда-разряда (13) . На сегодняшний день для реализации желаемых пористых структур используются твердые шаблоны (например, MgO, ZnO и SiO 2 ) (14) и физические (например, CO 2 и пар) (15) и химические активации (например, H 3 PO 4 , H 2 SO 4 , ZnCl 2 и KOH) (16). Несмотря на то, что они эффективны в создании обильных пор, существуют некоторые существенные недостатки, связанные с высокими энергозатратами / затратами времени, сложным процессом, низким выходом и опасностью для окружающей среды.В качестве альтернативы, мягкие шаблоны обеспечивают более простую, более эффективную и менее загрязняющую стратегию синтеза пористого углерода с контролируемой структурой пор (17–20). Поэтому применяемое поверхностно-активное вещество считается ключевым моментом, который должен не только полностью превращаться в углерод, но также обладать большим диффузионным ограничением и низкой электропроводностью (21⇓⇓ – 24). Несмотря на то, что были приложены огромные усилия для улучшения емкости углеродных материалов, использование пористых углеродов с высокой удельной емкостью и длительным сроком службы остается сложной задачей.

    В настоящей работе разработан простой и устойчивый подход для масштабируемого производства иерархических пористых углеродных аэрогелей с трехмерной (3D) взаимосвязанной сетью нановолокон, основанной на карбонизации бактериальной целлюлозы (BC) с помощью мягкого шаблона из Zn-1,3,5-бензолтрикарбоновая кислота (Zn-BTC). Здесь 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил (TEMPO) является предпочтительным для окисления BC, что обеспечивает однородно диспергированные нановолокна целлюлозы (TOCN) с карбоксильными группами высокой плотности (25).Соответственно, полученный TOCN может иметь сильное сродство с ионами Zn 2+ в Zn-BTC на нановолокнах BC с последующим травлением путем газификации / испарения в процессе карбонизации для создания значительных дефектов и большого количества микро- и мезопор внутри BC. -производные нановолокна. Готовые углеродные аэрогели обладают ожидаемой иерархической пористой структурой с существенно увеличенными микропорами, большими SSA и соответствующими дефектами без каких-либо введенных гетероатомов металл / неметалл. В качестве доказательства концепции они обеспечивают повышенную удельную емкость (352 Ф г -1 при 1 А г -1 , 6 М КОН) по сравнению с углеродом, полученным из TOCN (178 Ф г -1 ) и активированный уголь, о котором чаще всего сообщают (обычно ниже 250 F г -1 ). Кроме того, сконструированные симметричные СЭ имеют высокую удельную емкость до ∼297 Ф g −1 при 1 A ⋅ g −1 и замечательную плотность энергии и мощности 14,83 Вт · ч кг −1 при 0,60 кВт ⋅ кг −1 и 9.065 Вт · ч ⋅ кг −1 при 24,35 кВт ⋅ кг −1 соответственно. Интересно, что они обладают чрезвычайно надежной стабильностью с сохранением емкости 100% в течение до 65 000 циклов, демонстрируя превосходные общие характеристики накопления энергии, что очень многообещающе для практического применения в современных устройствах накопления энергии.

    Результаты и обсуждение

    Приготовление углеродного аэрогеля [защищенного электронной почтой] (обозначаемого как образец ZBTC 0,8 -900) схематично показано на рис. 1 А . Он начинается с химической функционализации BC путем окисления TEMPO для получения равномерной монодисперсии нановолокон BC в воде, в которой глюкозильные остатки в цепях целлюлозы могут быть преобразованы в глюкуронозильные остатки натрия (то есть карбоксильные группы) (26). Существующие многочисленные карбоксилаты могут обеспечивать более сильное сродство к катионам Zn 2+ (27), чем Na + в TOCN, что приводит к образованию стабильного комплекса Zn 2+ -RCOO .Последующее добавление Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O и BTC инициирует быстрое строительство Zn-BTC на сайтах Zn 2+ −RCOO , вызывая однородное распределение Zn- Частицы BTC в сетях TOCN (называемые образцом [электронная почта защищена]) ( SI Приложение , рис. S1). В данном случае кажется, что сборка Zn-BTC ( SI, приложение , рис. S2 и молекулярная единица Zn-BTC в SI, приложение , рис. S3) (28) могла бы происходить в воде в условиях окружающей среды. а не обычные условия, которым помогают органические растворители [например.например, этанол (29), диметилсульфоксид (30), диметилформамид (31), масляная баня (32), микроволновая печь (33) или сольвотермические условия (34)], что указывает на простой и устойчивый процесс. После этого термообработка при 900 ° C в течение 2 часов вызывает преобразование [защищенного по электронной почте] в масштабируемое производство углеродных аэрогелей, как показано на рис. 1 B . Полученные аэрогели обладают сверхнизкой плотностью ∼1,5 мг см −3 ( SI Приложение , рис. S4), что намного ниже, чем у аналога, полученного из TOCN (т.е.е., образец TC-900 с типичной плотностью 2,5 мг см −3 ) и сопоставим с плотностью воздуха в условиях окружающей среды (т.е. 1,2 мг см −3 ), что предполагает наличие высокой пористости с высокий SSA целевого продукта.

    Рис. 1.

    ( A ) Схематическое изображение изготовления углеродных аэрогелей с трехмерными взаимосвязанными сетями и иерархическими пористыми структурами. ( B ) Записанная цифровая фотография, показывающая масштабируемое производство продукта.( C и D ) Типичные SEM-изображения образца ZBTC 0,8 -900 при различных увеличениях. Белые кружки в D показывают трехмерную взаимосвязанную сеть внутри углеродных аэрогелей.

    На рис. 1 C и D показаны типичные изображения образца ZBTC 0,8 -900, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), образца ZBTC 0,8 -900 при разном увеличении, демонстрирующие его высокодисперсную волокнистую структуру с диаметрами в диапазоне от 10 до 50 нм и большое количество сварных швов для построения трехмерной взаимосвязанной сети, что объясняет ее высокую сжимаемость с почти 100% восстановлением, независимо от того, что она подвергается 90% сжатию ниже 3.5 кПа ( SI Приложение , рис. S5). Для сравнения, образец TC-900, приготовленный без регулирования Zn-BTC, демонстрирует аналогичную морфологию, но без явных точек соединения между углеродными нановолокнами ( SI Приложение , рис. S6 A и B ). Полученный аэрогель ZBTC 0,8 -900 имеет множество сварных соединений между нановолокнами, которые позволяют формировать уникальную трехмерную сетевую структуру в виде паутины с улучшенными взаимосвязями, что делает структуру более прочной и стабильной.Однако угли, полученные из Zn-BTC (т.е. образец ZBC-900), имеют неупорядоченную структуру с листами и расположением частиц ( SI Приложение , рис. S6 C и D ). Примечательно, что углеродные частицы, полученные из Zn-BTC, не могут быть обнаружены на образце ZBTC 0,8 -900, что подразумевает, что введенный Zn-BTC должен в основном действовать как мягкий шаблон для создания пор и дефектов, а не как предшественник углерода. SI Приложение , рис. S7 C и D предоставляют типичные изображения просвечивающей электронной микроскопии (TEM) образца TC-900, демонстрирующие его турбостратную графитоподобную углеродную структуру. SI Приложение , рис. S7 E и F подтверждают существование многочисленных наночастиц Zn (от 3 до ∼10 нм в диаметре) в образце ZBC-900. SI Приложение , рис. S7 A и B представляют собой репрезентативные ПЭМ-изображения образца ZBTC 0,8 -900, демонстрирующие неупорядоченную структуру углерода, сопровождающуюся образованием микропор. Края кривой указывают на ультратонкую природу углеродных нановолокон, а прерывистые полосы указывают на наличие большого количества дефектов в образце ZBTC 0.8 -900, в основном за счет испарения ионов Zn (35⇓ – 37). SI Приложение , рис. S8 показывает улучшенную смачиваемость КОН образца ZBTC 0,8 -900 по сравнению с образцом TC-900, демонстрируя его принципиально улучшенный перенос ионов (38).

    Рис. 2 A – это спектры комбинационного рассеяния образцов TC-900, ZBC-900 и ZBTC 0,8 -900. У них есть два пика при 1343 и 1580 см −1 , представляющие дефекты ( sp 3 -C, полоса D) (39) и графитизацию ( sp 2 -C, полоса G) (40 ), соответственно.Отношения интенсивностей ( I D / I G ) для образцов TC-900, ZBC-900 и ZBTC 0,8 -900 составляют приблизительно. ∼0.85, ∼0.92 и ∼0.91 соответственно, что свидетельствует о наихудшей графитизации в образце ZBC-900. Включение Zn в прекурсоры увеличивает пористость и обнажает краевые дефекты в образующихся углеродных материалах, что может быть подтверждено несколько более высоким значением I D / I G ZBTC 0,8 -900, чем TC- 900.Соответственно, эффект испарения Zn-BTC обогащает активные центры и допускает интеркалирование малых ионов, что способствует накоплению заряда. На рис. 2 B представлены типичные обзорные спектры рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), указывающие на исключительное присутствие углерода и кислорода в образце TC-900 и ZBTC 0,8 -900 с небольшим количеством Zn (∼0,12 ат. %), обнаруженный в образце ZBC-900. Однако в образце ZBTC 0,8 -900 сигналы Zn не обнаружены согласно анализу XPS (рис.2 B ), порошковой рентгеновской дифракции (XRD) ( SI, приложение , рис. S9) и энергодисперсионных рентгеновских спектров (EDX) ( SI, приложение , таблица S1). В образце ZBC-900 были обнаружены частицы Zn, которые идентифицированы как металлическое состояние Zn 0 ( SI Приложение , рис. S10). Для образца ZBTC 0,8 -900 спектр C 1 s высокого разрешения в приложении SI , рис. S11 может быть деконволюционирован на четыре пика, то есть доминирующий sp 2 C = C (284.5 эВ) видов, сопровождаемых sp 3 -C (285,2 эВ), C – O (286,8 эВ) и O – C = O (288,9 эВ) (41, 42). Среди них сильный сигнал sp 3 -C реагирует на большое количество связей C – C и C – H в графитовой матрице (43), демонстрируя наличие большого количества дефектов. На основании расчетного отношения sp 3 -C к общему C, это подтверждает, что в образце ZBTC 0,8 -900 (32,3%) были созданы более умеренные дефекты по сравнению с образцом ZBC-900 (44.3%) и TC-900 (25,8%), что согласуется с наблюдениями ПЭМ и комбинационного рассеяния света.

    Рис. 2. Типичные спектры комбинационного рассеяния

    ( A ), обзорные спектры XPS ( B ), ( C ) N 2 изотермы адсорбции-десорбции и распределение пор по диаметру ( D ) образца TC -900, ZBC-900 и ZBTC 0,8 -900 соответственно.

    На рис. 2 C представлены изотермы адсорбции-десорбции N 2 образца TC-900, ZBC-900 и ZBTC 0.8 -900 с типичной адсорбцией типа IV, в которой наблюдаемый гистерезис представляет их мезопористую характеристику (44). Соответственно, SSA Брунауэра – Эммета – Теллера (BET) образцов TC-900 и ZBTC 0,8 -900 составляют примерно 674 и 893 м 2 г −1 соответственно, что намного выше, чем у образца ZBC-900 (123 м 2 г −1 ). Самый большой SSA в образце ZBTC 0,8 -900 предполагает, что он имеет оптимальную поверхность раздела электрод / электролит для улучшенного накопления электрического заряда.Более того, значения SSA, выведенные из микропор, составляют прибл. 379 и 660 м 2 ⋅ г -1 для образца TC-900 и ZBTC 0,8 -900, соответственно, подтверждая гораздо более высокое отношение микропор к мезопорам в образце ZBTC 0,8 -900. Таким образом, предполагается, что эффект введенного Zn-BTC в основном вызывает образование микропор в углеродных сетях, полученных из TOCN. Это может быть дополнительно подтверждено распределением пор по размерам на Рис. 2 D , в котором образец ZBTC 0.8 -900 показывает обильные крошечные поры от 1 до 4 нм по сравнению с образцом TC-900. Кроме того, образец ZBTC 0,8 -900 имеет более крупные мезопоры с центром примерно на 30 нм, тогда как в образце TC-900 с центром примерно на 18 нм. Кроме того, образец ZBTC 0,8 -900 обладает меньшим средним объемом пор 0,30 см 3 г –1 , чем образец TC-900 при 0,42 см 3 г –1 , что отражает большее количество образовавшихся микропор. Вкратце, можно подтвердить, что представленная мягкая матрица Zn-BTC может значительно улучшить SSA за счет создания микропор и увеличения мезопор для готовых углеродных аэрогелей с иерархической пористой структурой, способствующей накоплению заряда, поскольку микропоры способствуют накоплению заряда и желаемые мезопоры ускоряют диффузию ионов (45).

    Чтобы раскрыть влияние температур карбонизации на рост продуктов, температуры фиксируются в диапазоне от 800 до 1000 ° C с интервалом 100 ° C, а полученные образцы обозначаются как образец ZBTC 0,8 T ( T = 800, 900 и 1000 ° C), как показано в Приложении SI , рис. S12 и S13. Частицы ZnO четко наблюдаются в образце ZBTC 0,8 -800 ( SI Приложение , рис. S13 и таблица S1), что подразумевает неполное удаление ZnO при относительно более низкой температуре 800 ° C (46).Однако, как только температура превышает 900 ° C, как для образца ZBTC 0,8 -1000, он показывает сеть нановолокон, аналогичную сети ZBTC 0,8 -900 без наночастиц ZnO / Zn ( SI Приложение , рис. S12 C и D и Таблица S1). Их типичные дифрактограммы ( SI, приложение , рис. S14, A ) демонстрируют два одинаковых широких пика, указывающих на образование аморфных углеродов. Образец ZBTC 0,8 -800 показывает несколько слабых дифракционных пиков ZnO (47), дополнительно отражающих неполное испарение Zn при температуре ниже 900 ° C.Кроме того, спектры комбинационного рассеяния этих образцов ( SI Приложение , рис. S14 B ) показывают, что отношения I D / I G уменьшаются с 0,93 до 0,88 при повышении температуры от От 800 до 1000 ° C, что указывает на улучшенную графитизацию при повышении температуры. Согласно испытаниям адсорбции-десорбции N 2 , все три образца имеют иерархическую пористость с сосуществованием микропор, мезопор и макропор. Следовательно, образец ZBTC 0.8 -900 имеет наивысшее значение SSA (893 м 2 г -1 ), наибольший объем пор (0,30 см 3 г -1 ) и наименьший средний размер пор (6,71 нм) по сравнению с к образцам ZBTC 0,8 -800 (572 м 2 g -1 , 0,15 см 3 g -1 и 10,4 нм) и ZBTC 0,8 -1000 (676 м 2 г -1 , 0,14 см 3 г -1 и 8,88 нм) ( SI Приложение , рис.S14 C и D ), подразумевая, что он имеет лучшие электрохимические характеристики интерфейса.

    Также исследуется влияние количества загрузки Zn-BTC в сетях TOCN, и полученные углеродные аэрогели обозначены как образец ZBTC x -900, где x указывает соотношение Zn-BTC к TOCN в источнике. материалы ( x = 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 и 1,0 ммоль Zn 2+ с BC, сохраненной на уровне 14 мг). Он демонстрирует, что степень дефекта этих пяти образцов последовательно увеличивается, при этом значения I D / I G уменьшаются с 0.87 до 0,92 за счет увеличения объемов загрузки Zn-BTC ( SI Приложение , рис. S15 A ). Их значения SSA продолжают увеличиваться до x = 0,8, достигая максимума 893 м 2 ⋅ g −1 для образца ZBTC 0,8 -900, а затем снижается до 605 м 2 ⋅ g −1 для образец ZBTC 1.0 -900 ( SI Приложение , рис. S15 B ). Кроме того, он показывает, что все образцы ZBTC x -900 имеют больше микропор, чем образцы TC-900 ( SI Приложение , рис.S15 C ). Эти результаты подчеркивают критическую роль мягкого шаблона Zn-BTC в рационально разработанном создании дефектов и микро / мезопор в углеродной матрице при оптимизированном соотношении температуры и исходного материала, что делает образец ZBTC 0,8 -900 современным металлом. свободный углеродный материал с благоприятной взаимосвязанной сеткой нановолокон, сверхнизкой плотностью, превосходной гибкостью, большим количеством дефектов, большим SSA и иерархическими пористыми характеристиками.

    Фиг.3 A показывает типичные кривые циклической вольтамперометрии (CV) электродов на основе образца ZBTC 0,8 -900, TC-900 и ZBC-900 при скорости сканирования 100 мВ с –1 . Похоже, что CV-профили электродов ZBTC 0,8, -900 и TC-900 имеют аналогичную прямоугольную форму, тогда как профиль ZBC-900 более треугольный, что указывает на идеальное емкостное поведение первых двух образцов. Электрод на основе образца ZBTC 0,8 -900 имеет более широкое окно потенциалов (1.2 В), чем у TC-900 (1,0 В), в основном за счет существующих микропор, обеспечивающих пониженную подвижность ионов на поверхности электролита / электрода (48). Кроме того, электрод ZBTC 0,8 -900 имеет большую площадь, закрытую CV, чем TC-900 и ZBC-900, что указывает на его самую высокую удельную емкость. Это может быть дополнительно подтверждено их кривыми гальваностатического заряда / разряда (GCD) при 1 A ⋅ g –1 , как показано на рис. 3 B . Электрод ZBTC 0,8 -900 имеет удельную емкость 352 F g –1 (превосходит таковые у образца TC-900 [178 F g -1 ] и ZBC-900 [90 F g ]. –1 ]), который является одним из лучших когда-либо описанных металлорганических структур (MOF) / углеродов, полученных из биомассы ( SI, приложение , таблица S2).В основном это следует приписать желаемой крупной SSA и иерархической пористой структуре образца ZBTC 0,8 -900 с большим количеством микро- и мезопор, а также соответствующими дефектами (сводка приведена в приложении SI , таблица S3), которые предлагают большой электрод. / электролит и быстрая диффузия ионов электролита для увеличения емкости заряда (49). Более того, даже при высокой плотности тока 20 А г –1 электрод ZBTC 0,8 -900 все еще имеет удельную емкость до 159 Ф г –1 , в то время как TC-900 и ZBC- 900 электродов сохраняют более низкие емкости 115 и 33 Ф g –1 соответственно (рис.3 С ). Рис. 3 D обеспечивает анализ электрохимической импедансной спектроскопии (EIS) этих трех электродов в процессе накопления заряда, проверяя минимальный радиус полукруга электрода ZBTC 0,8 -900 в высокочастотной области с наименьшим сопротивлением переносу заряда. ( R ct ) 0,23 Ом (по сравнению с 0,66 и 2,39 Ом для образцов TC-900 и ZBC-900 соответственно). Кроме того, эквивалентное последовательное сопротивление ( R с ), полученное из точки пересечения на мнимой оси, равно 0.31 Ом для электрода ZBTC 0,8 -900, меньше, чем у образцов TC-900 (0,34 Ом) и ZBC-900 (0,35 Ом). Вольтаметрические токи, зависящие от скорости сканирования, дополнительно исследуются, чтобы определить, является ли электрохимический процесс результатом поверхностного механизма или процесса, контролируемого диффузией. Основываясь на графиках CV при скоростях сканирования от 10 до 800 мВ с -1 (рис. 3 E ), плотность тока при -0,5 В по сравнению с Ag / AgCl показывает идеальную линейность даже при максимальном скорость развертки 800 мВ с −1 (рис.3 F ), указывая на то, что емкостное поведение поверхности играет решающую роль (50). Вместе со сравнением электрохимических характеристик ZBTC 0,8 T ( T = 800, 900 и 1000 ° C) ( SI Приложение , Рис. S16 и Таблица S4) и ZBTC x -900 ( x = 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 и 1,0) ( SI Приложение , рис. S17 и таблица S3), подтверждается, что электрод ZBTC 0,8 -900 обеспечивает самый низкий заряд / сопротивление массообмену и наименьшее внутреннее сопротивление с наилучшими характеристиками емкости EDLC.

    Рис. 3.

    Электрохимические характеристики образцов в трехэлектродной системе. ( A ) Графики CV при 100 мВ с –1 . ( B ) Кривые НОД при 1 A ⋅ g –1 . ( C ) Удельные емкости при разной плотности тока. ( D ) Графики Найквиста образца TC-900, ZBC-900 и ZBTC 0,8 -900. ( E ) CV-графики образца ZBTC 0,8 -900 при различных скоростях сканирования. ( F ) Зависимость плотностей тока при −0.5 В на скоростях развертки.

    Симметричные SC в 6 M KOH затем собираются на основе образца ZBTC 0,8 -900 для оценки потенциала для практического применения. Все записанные CV-кривые с разверткой от 5 до 80 мВ с –1 (рис. 4 A ) показывают широкое окно потенциала 1,2 В с похожими почти прямоугольными формами и быстрыми откликами тока при изменении напряжения на противоположное. отличное емкостное поведение. Все измеренные кривые НОД при разных плотностях тока (рис.4 B ) почти линейны и симметричны в диапазоне токов от 1 до 40 A g –1 , что дополнительно демонстрирует их выдающуюся емкостную обратимость. На рис. 4 C показаны рассчитанные удельные емкости, представляющие его удельную емкость 297 Ф г –1 при плотности тока 1 А г –1 , что намного выше, чем у любых других известных SC, собранных компанией активированный уголь технический (YEC-8, 148 F g –1 ) ( SI Приложение , рис.S18 A и B ) или другие углеродные материалы, полученные из биомассы ( SI Приложение , Таблица S5). При увеличении плотности тока до 20 A g –1 , устройство по-прежнему сохраняет удельную емкость 187 F g –1 , что даже выше, чем у YEC-8 при 1 A g –1 и 20 A g –1 (3,2 F g –1 ). Кроме того, он удерживал 62,69% исходной емкости при увеличении плотности тока с 1 до 20 A g –1 , что указывает на выдающуюся пропускную способность текущих SC.Примечательно, что на кривых НОД можно наблюдать лишь небольшие падения внутреннего сопротивления (IR) даже при высокой плотности тока 40 A ⋅ g –1 (<15 мВ), что свидетельствует о малых внутренних сопротивлениях внутри SC. Что еще более интересно, SCs в исходном состоянии демонстрируют чрезвычайно высокую стабильность с сохранением емкости 100% до 65000 циклов GCD при 6 A ⋅ g –1 (рис. 4 D ), что превосходит те, что большинства углеродных СК ( SI Приложение , таблица S6), а также собранных СК на основе YEC-8 (94.6%, SI Приложение , рис. S18 C ). Кроме того, графики Найквиста, показанные на рис. 4 E , показывают, что отличная способность массопереноса может сохраняться после 65 000 циклов, независимо от небольшого увеличения собственного омического сопротивления и сопротивления переносу заряда. На рис. 4 F представлены графики Боде электродов на основе YEC-8 и образца ZBTC 0,8 -900. Электрод ZBTC 0,8 -900 имеет гораздо более короткую постоянную времени ∼199 мс, чем YEC-8 (∼1000 мс), что указывает на его значительно улучшенный перенос электронов и емкостные характеристики.Более того, СЭ на основе электрода ZBTC 0,8 -900 обеспечивают обнадеживающую плотность энергии 14,83 Вт · ч кг –1 при удельной мощности 0,6 кВт кг –1 , которая может поддерживать высокое значение 9,07 Вт · ч. Кг –1 при гораздо большей удельной мощности 24,35 кВт ⋅ кг –1 . График Рагона, показанный на рис. 4 G , сравнивает характеристики симметричных SC на основе образца ZBTC 0,8 -900, YEC-8, высокоэффективных углеродных материалов (часто менее 10 Вт · ч кг –1 ) , и оксиды металлов, как правило, сообщают (51–57), подтверждая гораздо лучшие характеристики энергии / мощности настоящих устройств.

    Рис. 4.

    Электрохимические характеристики электрода ZBTC 0,8 -900 в симметричной двухэлектродной системе. ( A ) Графики CV при разных скоростях сканирования. ( B ) Кривые НОД при разных плотностях тока. ( C ) Удельные емкости электродов на основе промышленного активированного угля YEC-8 и образца ZBTC 0,8 -900 при различных плотностях тока. ( D ) Циклическая стабильность при плотности 6 A ⋅ г –1 в течение 65 000 циклов.На правой и левой вставках показаны кривые НОД для первых и последних пяти циклов соответственно. ( E ) Графики Найквиста до и после 65 000 циклов. ( F ) Зависимость фазового угла импеданса от частоты электродов на основе электрода YEC-8 и образца ZBTC 0,8 -900. ( G ) Графики Рагона SC на основе образца ZBTC 0,8 -900 и типичных углеродных материалов.

    Выводы

    Таким образом, мы сообщаем об исследовании масштабируемого производства углеродных аэрогелей с помощью простой и устойчивой стратегии, которая основана на карбонизации TOCN с помощью мягкого шаблона Zn-BTC.Готовые углеродные аэрогели с трехмерными взаимосвязанными сетками из нановолокон обладают рационально разработанной иерархической пористой структурой с сосуществованием мезо- и микропор. Они обладают превосходной механической прочностью, существенно увеличенными микропорами, большими SSA и соответствующими дефектами без каких-либо металлических и неметаллических гетероатомов. Электроды в исходном состоянии демонстрируют высокую удельную емкость 352 Ф г -1 в 6 M KOH, а симметричные SC в собранном виде обеспечивают выдающуюся плотность энергии 14.83 Вт · ч ⋅ кг –1 при удельной мощности 0,60 кВт ⋅ кг –1 . Кроме того, они обладают чрезвычайно высокой устойчивостью к циклическим нагрузкам с сохранением емкости 100% в течение до 65 000 циклов при большом токе заряда / разряда 6 А г –1 , демонстрируя в целом превосходное емкостное поведение по сравнению с состоянием: современные СК товарных активированных углей и углей, полученных из биомассы. Текущая работа может дать некоторое представление об исследовании углеродных материалов для усовершенствованного накопления энергии с высокими характеристиками энергии / мощности и долгосрочной стабильностью для практического применения.

    Материалы и методы

    Химические реактивы и материалы.

    Сырье Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, 1,3,5-BTC и трет-бутиловый спирт (TBA) были коммерчески доступны от Aladdin и использовались напрямую без дополнительной очистки. . Дисперсия BC с содержанием волокна ~ 0,7 мас.% Была любезно предоставлена ​​Hainan Yeguo Foods Co., Ltd. Вся вода, используемая в текущей работе, была деионизирована.

    Синтез материалов.

    Синтез Zn-BTC.

    В типичном процессе исходные материалы Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O (6,70 ммоль, 2,00 г) и BTC (4,47 ммоль, 0,94 г) были смешаны в воде (25 мл). ) и продолжали перемешивать при 80 ° C в течение 1 ч. Затем осадок собирали фильтрованием с последующей промывкой деионизированной водой и затем подвергали сушке вымораживанием с получением белого порошка, который обозначили как образец Zn-BTC.

    Синтез [email protected]
    Нановолокна

    BC были первоначально окислены ТЕМПО.Сначала TEMPO (0,10 ммоль, 0,016 г) и NaBr (0,97 ммоль, 0,1 г) смешивали в 100 мл воды при перемешивании в течение 1 часа. Затем в вышеупомянутый раствор вводили дисперсию BC (230 мг BC). После этого реакцию запускали добавлением от 6 до 14% раствора NaClO (0,03 ммоль, 2 мл) и концентрированной HCl (0,07 ммоль, 2 мл) при комнатной температуре (RT). Значение pH доводили до 10,0, используя 0,5 М NaOH в конце реакции, и нановолокна целлюлозы, окисленные TEMPO, были обозначены как образец TOCN.После введения Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O (0,3 ммоль, 89 мг) в дисперсию TOCN (25 мл, 14 мг BC) ионный обмен Na + на Zn 2+ произошел сразу в карбоксилатах на поверхностях TOCN с последующим центрифугированием при комнатной температуре. После этого образовавшийся твердый продукт собирали и диспергировали в 25 мл смеси вода / ТВА с объемным соотношением 5: 1 (вода: ТВА), которая содержала Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O и BTC с мольным соотношением 1.5: 1 (Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O: BTC). Чтобы исследовать влияние введенного Zn-BTC на рост целевого продукта, количества Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O были зафиксированы на уровне 0, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 и 1,0 ммоль Zn 2+ при сохранении BC на уровне 14 мг. Вышеуказанные смеси реагировали при перемешивании при 80 ° C в течение 1 ч, а затем центрифугировали для удаления нерастворимых примесей. Полученный твердый продукт повторно диспергировали в 25 мл смеси вода / ТВА с объемным соотношением 5: 1 (вода: ТВА) с последующим перемешиванием в течение 5 минут с образованием прозрачной суспензии.Наконец, суспензия была подвергнута сублимационной сушке, и готовые изделия на этой стадии были названы как образец [email protected]

    Синтез [email protected] – производных углеродных аэрогелей.

    Изготовленный [защищенный по электронной почте] был подвергнут пиролизу в атмосфере Ar при температурах 800, 900 и 1000 ° C в течение 2 часов, соответственно, со скоростью нагрева 2 ° C ⋅ мин. -1 до желаемой температуры. . Эти полученные углеродные аэрогели были обозначены как образец ZBTC x T , где x указывает заданное отношение Zn-BTC к TOCN ( x = 0, 0.2, 0,4, 0,6, 0,8 и 1,0 ммоль Zn 2+ , при сохранении BC на уровне 14 мг) и T реагирует на температуру пиролиза ( T = 800, 900 и 1000 ° C). Для сравнения, предшественники Zn-BTC и TOCN были отдельно карбонизированы в атмосфере Ar при 900 ° C в течение 2 часов с той же процедурой карбонизации, что и ZBTC 0,8 -900. Полученные продукты были обозначены как образцы ZBC-900 и TC-900 соответственно.

    Микроструктурная характеристика.

    Морфология и микроструктура образцов были охарактеризованы с помощью автоэмиссионного СЭМ (S-4800, Hitachi Global) и ПЭМ высокого разрешения (JEM-2100F, JEOL), оснащенного EDX (Quantax-STEM). Фазовые составы охарактеризованы с помощью XRD (D8 Advance) с излучением Cu- (λ = 1,5406 Å) и рамановской спектроскопии (Renishaw inVia) с длиной волны лазера 532 нм. Химическое состояние измеряли с помощью XPS (ES-CALAB 250Xi, Thermo Fisher Scientific). Изотермы адсорбции-десорбции N 2 получали на приборе Tristar II (Micrometrics, ASAP 2020 HD88) при 77 К.SSA рассчитывали с использованием данных адсорбции в диапазоне давлений P / P 0 = от 0 до 1 по модели БЭТ. Распределение пор по размерам анализировали с помощью модели Барретта-Джойнера-Халенды с использованием адсорбционной ветви изотермы. Испытания угольных аэрогелей на сжатие проводили на установке 5565A (Instron). Скорость нарастания деформации поддерживалась на уровне 10 мм ⋅ мин -1 в течение всего процесса. Смачиваемость поверхности исследовали прибором для определения угла смачивания (Kruss DSA, JY-82B).Плотность продуктов рассчитывалась путем деления массы (измеренной на весах с точностью до 0,01 мг) на объем (измеренный цифровым штангенциркулем).

    Электрохимические измерения.

    Трехэлектродная система.

    Кривые CV, GCD и EIS были измерены с использованием системы электрохимической рабочей станции (Autolab, PGSTAT302N) в трехэлектродной ячейке (Pt-пластина и Ag | AgCl / KCl, действующие как противоэлектрод и электрод сравнения, соответственно), а также симметричная двухэлектродная ячейка при КТ.Рабочий электрод готовили следующим образом: образцы TC-900 и ZBTC x T сначала разрезали на ломтики размером ∼1,5 × 1,5 × 0,3 см 3 массой ∼1,8 и ∼1,0 мг, соответственно. После этого их непосредственно прессовали на пеноникеле при давлении 0,1 МПа в течение ∼5 с без добавления каких-либо связующих и проводящих добавок. В симметричном двухэлектродном устройстве общая масса обоих рабочих электродов составляет ~ 2,0 мг. Поскольку образец ZBC-900 имеет порошковые характеристики, электрод был приготовлен по следующей методике: 80 мас.% Порошка ZBC-900, 10 мас.% Углеродной сажи и 10 мас.% Поли (тетрафторэтилена) были гомогенно смешаны в смеси этанол / вода.Затем полученную суспензию прессовали в пеноникелевый пенопласт (1 × 1 см 2 ) с последующей сушкой при 50 ° C в течение 12 часов.

    Удельные емкости электродов ( C с , F ⋅ g –1 ) в трехэлектродных и двухэлектродных системах были рассчитаны из кривых разряда в соответствии с формулой. 1 . Плотность энергии (E, Вт · ч кг –1 ) и удельная мощность (P, Вт кг –1 ) были рассчитаны в соответствии с уравнениями. 2 и 3 соответственно. Cs = I Δtm ΔV, [1] E = C ΔV22, [2] P = EΔt, [3]

    , где I (A) – постоянный ток, Δ t (с) – время разряда, ∆ В (В) представляет окно абсолютного потенциала разряда, м (г) соответствует общей массе углеродных материалов, а C с (F ⋅ g –1 ) представляет собой удельную емкость соответственно.

    Доступность данных

    Все данные исследования включены в статью и / или приложение SI .

    Выражение признательности

    Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (гранты 51702176 и 51972178), Фондом естественных наук провинции Чжэцзян (грант LY20E020009) и Фондом естественных наук Нинбо (грант 2019A610014).

    Сноски

    • Авторы: D.C., Q.L. и W.Y. задумал и руководил экспериментами; Ю.М. проведенное исследование; Z.F., Y.Z., W.L., S.X., X.L. и G.S. предоставили новые реагенты / аналитические инструменты; и Ю.M., Q.L. и W.Y. написал газету.

    • Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

    • Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

    • Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.2105610118/-/DCSupplemental.

    Суперконденсатор, электрический двухслойный конденсатор, суперконденсаторная батарея

    Если вы хотите создавать электронные схемы, которые объединяют будущее технологии накопления энергии, суперконденсаторы имеют ответ.Они могут хранить от 10 до 100 раз больше энергии на единицу объема по сравнению со стандартными электролитическими конденсаторами. Итак, при создании схемы, которая могла бы использовать встроенную дополнительную мощность, суперконденсаторы могли дать вам ответ.

    Мы предлагаем широкий выбор электрических двухслойных суперконденсаторов ведущих производителей, включая суперконденсаторы Eaton, суперконденсаторы Vishay и суперконденсаторы AVX.

    Что такое суперконденсаторы?

    Суперконденсатор – это тип электронного компонента, который используется для хранения большого количества электрического заряда в цепях.Иногда их также можно назвать двухслойными конденсаторами, двухслойными суперконденсаторами или ультраконденсаторами.

    Из-за большой емкости суперконденсаторов они объединяют в себе атрибуты батареи и конденсатора в одном компоненте. Основное различие между конденсатором и суперконденсатором заключается в том, как суперконденсатор хранит электрический заряд.

    Как работают суперконденсаторы?

    Конструкция суперконденсатора состоит из двух электродов, разделенных ионопроницаемой мембраной, известной как сепаратор, и материала электролита суперконденсатора, который ионно соединяет электроды, которые затем герметично закрываются.

    Хотя их конструкция может быть аналогична электролитическим конденсаторам, типы компонентов отличаются для достижения необходимой емкости.

    В то время как в стандартных конденсаторах в качестве емкости используется обычный диэлектрик, в суперконденсаторах используется двухслойная емкость и псевдоемкость для облегчения накопления энергии.

    Емкость с двойным слоем

    Емкость с двойным слоем означает, что конденсатор работает электростатически, где граница между каждым электродом и электролитом образует двойной слой заряда.Эти два слоя будут разделены одним слоем молекул растворителя – поэтому их также можно назвать двухслойными суперконденсаторами.

    Псевдоемкость

    Псевдоемкость суперконденсаторов связана с использованием электродов с высоким уровнем электрохимической псевдоемкости. Фарадеевская псевдоемкость неразрывно связана с емкостью двойного слоя, поскольку она связана с взаимодействием между электродом и электролитом, где происходит перенос электронного заряда.

    Для хранения электрического заряда суперконденсаторы используют пористые материалы для разделителей, чтобы удерживать эти ионы до тех пор, пока они не понадобятся. Для этого обычно используется активированный уголь, хотя с графеном были сделаны прорывы, которые могут обеспечить будущее технологий суперконденсаторных батарей.

    Заменят ли батареи суперконденсаторы?

    Это зависит от приложения. В некоторых схемах суперконденсатор может заменить батарею, в зависимости от мощности, необходимой для схемы.Однако многим по-прежнему требуются аккумуляторы или какая-либо гибридная конфигурация, в которой используются и то, и другое.

    Однако суперконденсаторы обладают свойствами, которые могут сделать их жизнеспособной заменой батареям в будущем. Срок службы суперконденсаторов обширен, в то время как батареи значительно более ограничены в том, сколько раз они могут заряжаться и разряжаться. В настоящее время недопустимыми характеристиками суперконденсаторных батарей являются:

    • Низкая удельная энергия, которая делает их менее эффективными, чем батареи того же размера
    • Линейное напряжение разряда, которое влияет на выходное напряжение при неполной зарядке
    • Стоимость компонентов, из-за которой их больше дороже в использовании, чем батарейки.

    Если стоимость ватт-часа (Втч) может быть улучшена для суперконденсаторов, чтобы они были более эффективными, чем литий-ионные батареи, то мы могли бы увидеть их постепенную замену батарей в большем количестве приложений. Многообещающая технология графена может помочь суперконденсаторам сделать значительные шаги в преодолении этих препятствий.

    Суперконденсаторы безопасны?

    При оценке безопасности суперконденсаторных батарей они считаются более безопасными, чем обычные батареи, в ненадлежащих условиях.

    Короткое замыкание может привести к взрыву аккумуляторов из-за чрезмерного нагрева, в то время как суперконденсаторы обычно этого не делают, поскольку их более низкое внутреннее сопротивление позволяет им охлаждаться.

    Короткое замыкание полностью заряженной батареи суперконденсатора приведет к быстрому высвобождению энергии, что может привести к возникновению электрической дуги. Это может повредить устройство, но менее опасно, чем взорвавшаяся батарея, и нагрев менее важен.

    Для чего используются суперконденсаторы?

    Рост спроса на суперконденсаторы объясняется рядом причин.В развивающейся технологической индустрии суперконденсаторы используются благодаря ряду полезных свойств:

    • Их рабочая температура обычно составляет от -40 до 70 ° C
    • Их можно полностью зарядить за короткое время по сравнению с батареями
    • .
    • Накопленного заряда достаточно долго.
    • Их можно заряжать повторно без потери производительности.
    • Они сертифицированы как одноразовые компоненты из-за отсутствия вредных материалов.

    Эти характеристики, среди прочего, делают их подходящими для множества приложений.

    Где используются суперконденсаторы?

    В автомобильной промышленности суперконденсаторы используются в системах рекуперации кинетической энергии (KERS), где энергия торможения может быть преобразована из кинетической в ​​электрическую, которая затем может храниться в суперконденсаторе.

    Портативные электронные устройства, такие как компоненты фотографической вспышки и устройства MP3, могут использовать суперконденсаторную батарею, а также устройства статической оперативной памяти (SRAM), которые используют маломощные источники постоянного напряжения для сохранения информации, хранящейся на их.

    Суперконденсаторы также могут быть включены в солнечные зарядные устройства для хранения энергии, получаемой от солнечных панелей.

    В будущем мы можем увидеть суперконденсаторные батареи, используемые в наших сотовых телефонах, ноутбуках и даже электромобилях в качестве основного источника питания. Возможность быстрой зарядки этих устройств за считанные минуты, а не часы, может быть очень полезной как для потребителей, так и для отрасли.

    Хотя суперконденсаторы в настоящее время используются для стабилизации источников питания батарей в некоторых из этих устройств, они могут устранить необходимость в батареях в ближайшие годы.

    Поставка суперконденсаторов и всех других компонентов, которые могут вам понадобиться

    Мы можем подключить вас к любому электронному компоненту, который может потребоваться для завершения вашего проекта, будь то суперконденсатор или альтернативная форма конденсатора – в зависимости от того, что лучше для работы.

    Как дистрибьютор лучших в своем классе электрических компонентов и электромеханической продукции, обслуживающий Америку более 90 лет, мы понимаем, что нужно нашим клиентам и насколько качественное обслуживание является для них неотъемлемой частью.

    Мы можем поддержать вас через наш центр консультаций экспертов по ряду тем, или вы можете связаться с вашим местным офисом продаж с более конкретными вопросами, если это необходимо. Для оптовых заказов на компоненты вы можете заполнить форму сметы, которую мы затем обсудим, чтобы предложить вам наиболее выгодную сделку по каждой из ваших необходимых частей.

    Недорогая олово – большой удар для будущего суперконденсаторов

    UNIVERSITY PARK, Pa. – Устойчивый, мощный микроконденсатор может появиться на горизонте благодаря международному сотрудничеству исследователей из Пенсильванского университета и Университета электронных наук и технологии Китая.До сих пор мощные быстрозарядные накопители энергии ограничивались составом их электродов – соединений, отвечающих за управление потоком электронов во время зарядки и распределения энергии. Теперь исследователи разработали более качественный материал для улучшения связи, сохраняя при этом возможность вторичной переработки и низкую стоимость.

    Они опубликовали свои результаты 8 февраля в Journal of Materials Chemistry A.

    «Суперконденсатор – это очень мощное, энергоемкое устройство с высокой скоростью зарядки, в отличие от типичной батареи, но можем ли мы сделать его более мощным, быстрым и с действительно высоким циклом удержания?» – спросил Цзя Чжу, автор-корреспондент и докторант, проводящий исследования в лаборатории Хуанью «Ларри» Ченга, профессора по развитию карьеры Дороти Квиггл Департамента инженерных наук и механики штата Пенсильвания.

    Чжу работал под руководством Чэна над исследованием соединений в микро-суперконденсаторе, который они использовали в своих исследованиях небольших носимых датчиков для контроля показателей жизнедеятельности и многого другого. Оксид кобальта, недорогой материал в большом количестве, который теоретически обладает высокой способностью быстро передавать заряды энергии, обычно составляет электроды. Однако материалы, которые смешиваются с оксидом кобальта для изготовления электрода, могут плохо реагировать, что приводит к гораздо более низкой энергоемкости, чем это возможно теоретически.

    Исследователи провели моделирование материалов из атомной библиотеки, чтобы увидеть, может ли добавление другого материала – также называемого легированием – усилить желаемые характеристики оксида кобальта в качестве электрода за счет предоставления дополнительных электронов при минимизации или полном удалении отрицательных эффектов. Они смоделировали различные виды материалов и уровни, чтобы увидеть, как они будут взаимодействовать с оксидом кобальта.

    «Мы проверили возможные материалы, но обнаружили, что многие из них были слишком дорогими или токсичными, поэтому мы выбрали олово», – сказал Чжу.«Олово широко доступно по низкой цене и не вредит окружающей среде».

    В ходе моделирования исследователи обнаружили, что, частично заменив олово частью кобальта и связав этот материал с коммерчески доступной графеновой пленкой – материалом толщиной в один атом, который поддерживает электронные материалы без изменения их свойств – они могут изготовить то, что они назвали недорогой, простой в разработке электрод.

    После завершения моделирования команда в Китае провела эксперименты, чтобы увидеть, можно ли реализовать моделирование.

    «Результаты экспериментов подтвердили значительно увеличенную проводимость структуры оксида кобальта после частичного замещения оловом», – сказал Чжу. «Ожидается, что разработанное устройство найдет многообещающее практическое применение в качестве накопителя энергии следующего поколения».

    Затем Чжу и Ченг планируют использовать свою собственную версию графеновой пленки – пористую пену, созданную путем частичного разрезания, а затем разрушения материала лазером – для изготовления гибкого конденсатора, обеспечивающего легкую и быструю проводимость.

    «Суперконденсатор – один из ключевых компонентов, но мы также заинтересованы в объединении с другими механизмами, чтобы они служили одновременно сборщиком энергии и датчиком», – сказал Ченг. «Наша цель – реализовать множество функций в простом устройстве с автономным питанием».

    Соавторы этой статьи: Юньцзян Чен, Ни Ван, Сяньчжун Тан и Вэньчэн Ху, все они являются членами Школы материалов и энергетики Университета электронных наук и технологий Китая; и Шридхар Комарнени, Институт исследования материалов (MRI) и Департамент экосистемных наук и управления штата Пенсильвания.Ван также связан с МРТ.

    Национальный фонд естественных наук Китая поддержал эту работу.

    Суперконденсатор

    – Barotrauma Wiki

    Суперконденсатор
    Статистика
    Категория Электроустановки
    Мощность 20 кВт⋅мин
    Максимальная выходная мощность 2000000 кВт
    Максимальная скорость перезарядки 20 кВт


    Суперконденсаторы – это стационарные установки, способные накапливать и выделять электроэнергию намного быстрее, чем обычные батареи, но с ограниченной способностью накапливать энергию.

    Функция []

    Суперконденсаторы

    используются для обеспечения коротких всплесков высокой энергии на соответствующих установках, таких как Railgun и Coilgun.

    Значения урона []

    Товар
    Урон от атаки
    Длительность оглушения
    Кинематическая сила
    Радиус взрыва
    Перегрузка суперконденсатора
    30
    20
    5.0
    100
    Товар Перегрузка суперконденсатора
    Урон от атаки 30
    Длительность оглушения 20
    Кинематическая сила 5,0
    Радиус взрыва 100
    Восстановление {{{cooldown}}}

    Интерфейс ввода / вывода []

    Панель подключения для суперконденсатора
    power_in

    Сохраняет потребляемую мощность в суперконденсаторе.

    power_out
    charge_out
    заряд_%
    charge_rate_out

    Выводит накопленную мощность суперконденсатора на все подключенные устройства.

    Выводит текущее количество накопленной мощности.

    Выводит процент от текущей сохраненной мощности.

    Выводит текущую скорость заряда.

    Гибкие твердотельные суперконденсаторы: разработка, изготовление и применение

    Растущие потребности в мощности и энергии для портативной и гибкой электроники следующего поколения, такой как сворачивающиеся дисплеи, фотоэлектрические элементы и носимые устройства, стимулировали интенсивные усилия по исследованию гибких, легких и экологически чистых устройств хранения энергии.Гибкие твердотельные суперконденсаторы (SC) вызывают все больший интерес, поскольку они могут обеспечивать значительно более высокую удельную / объемную плотность энергии по сравнению с обычными конденсаторами. Кроме того, гибкие твердотельные SC обычно имеют небольшой размер, высокую надежность, легкий вес, простые в обращении и имеют широкий диапазон рабочих температур. В этом отношении твердотельные SC имеют большие перспективы в качестве новых устройств хранения энергии для гибкой и носимой электроники. В этой статье мы рассматриваем последние достижения в области проектирования, изготовления и определения характеристик гибких твердотельных СЭ.Кроме того, мы также обсуждаем текущие проблемы и будущие возможности для разработки высокопроизводительных гибких твердотельных SC.

    У вас есть доступ к этой статье

    Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

    Краткая история суперконденсаторов

    Потребовалось 150 лет, чтобы концепция, созданная в 1800-х годах, стала технической реальностью, и еще два десятилетия, чтобы сделать ее коммерчески доступной.Джон Миллер объясняет, как современные электрохимические конденсаторы эволюционировали с самого начала.

    Электрохимический конденсатор (ЕС), часто называемый суперконденсатором или ультраконденсатором, накапливает электрический заряд в двойном электрическом слое на границе раздела поверхность-электролит, в основном в углероде с большой площадью поверхности. Из-за большой площади поверхности и толщины двойного слоя эти устройства могут иметь очень высокую удельную и объемную емкость. Это позволяет им сочетать ранее недостижимую плотность емкости с практически неограниченным сроком службы заряда / разряда.Рабочее напряжение на элемент, ограниченное только потенциалом пробоя электролита, обычно составляет <1 или <3 вольт на элемент для водных или органических электролитов соответственно.

    Концепция хранения электрической энергии в двойном электрическом слое, который образуется на границе раздела между электролитом и твердым телом, известна с конца 1800-х годов. О первом электрическом устройстве, использующем двухслойный накопитель заряда, сообщил в 1957 году Х.И. Беккер из General Electric (У.S. Патент 2,800,616). К сожалению, устройство Беккера было непрактичным в том смысле, что, как и в случае с залитой батареей, оба электрода нужно было погрузить в емкость с электролитом, и устройство никогда не было коммерческим.

    Беккер, однако, оценил большие значения емкости, впоследствии достигнутые Робертом А. Райтмайром, химиком из Standard Oil Company в Огайо (SOHIO), которому можно отнести изобретение устройства в широко используемом сейчас формате. Его патент (US 3,288,641), поданный в 1962 году и выданный в конце ноября 1966 года, и последующий патент (U.S. Patent 3536963), написанного другим исследователем SOHIO Дональдом Л. Боосом в 1970 году, легли в основу многих сотен последующих патентов и журнальных статей, охватывающих все аспекты технологии электронной коммутации.

    Эта технология превратилась в отрасль, объем продаж которой составляет несколько сотен миллионов долларов в год. Это отрасль, которая сегодня готова к быстрому росту в ближайшем будущем с расширением требований к качеству электроэнергии и появлением новых транспортных приложений.

    После коммерческого внедрения суперконденсатора NEC в 1978 году по лицензии SOHIO, электронные блоки претерпели изменения в нескольких поколениях конструкций.Первоначально они использовались в качестве устройств резервного питания для энергозависимых микросхем часов и дополнительной компьютерной памяти на основе металл-оксид-полупроводник (CMOS). Но за последние 30 лет появилось много других приложений, включая портативную беспроводную связь, улучшенное качество электроэнергии для распределенных систем выработки электроэнергии, источники питания промышленных приводов и высокоэффективные накопители энергии для электромобилей (EV) и гибридных электромобилей (HEV). . В целом уникальные характеристики электронных устройств часто дополняют недостатки других источников энергии, таких как батареи и топливные элементы.

    Ранние электронные блоки обычно рассчитывались на несколько вольт и имели значения емкости, измеряемые от долей фарад до нескольких фарад. Сегодня наблюдается тенденция к созданию ячеек размером от небольших устройств размером в миллифарад с исключительной мощностью в импульсном режиме до устройств, рассчитанных на сотни тысяч фарад, с системами в некоторых приложениях, работающими от напряжения до 1500 вольт. Эта технология находит все более широкое применение, в некоторых случаях заменяя батареи, а в других дополняя их производительность.

    В этой статье представлена ​​историческая информация о развитии технологии EC и приложениях, в которых эта технология используется. Источники информации включают технические публикации, выпуски новостей, брошюры по продуктам и личные сообщения. Информация не будет предоставляться по каждому когда-либо разработанному ЕС, учитывая, что некоторые разработчики были или очень малы и выпускали только продукты для нишевого рынка или только недавно вышли на рынок.

    1962: Электрохимические конденсаторы в SOHIO

    Двухслойные углеродные конденсаторы возникли в практических устройствах, разработанных SOHIO.Работа началась в начале 1960-х годов как результат деятельности по разработке топливных элементов. Довольно полный отчет об этой ранней работе был представлен Доном Боосом, одним из химиков SOHIO, участвовавших в проекте, на конференции в 1991 году под названием «Международный семинар по двухслойным конденсаторам и аналогичным устройствам хранения энергии».

    В этой презентации Боос описал открытие этого явления и первые шаги в разработке практических устройств. В одном сообщении описывалась сложность получения стабильных электрических показаний топливных элементов, для достижения стабильного режима работы которых часто требовалось много времени.Продолжительность времени была отнесена к фактическому хранению заряда в устройстве. Это привело к концепции использования пары углеродных электродов с большой площадью поверхности для создания устройства хранения энергии. В то время продукт назывался «электрокинетическим конденсатором», и SOHIO предоставила образцы коммерческих прототипов многим участникам рынка.

    На рис. 1 показана обложка брошюры от 25 апреля 1969 г., использованная для маркетинга и отбора образцов электрокинетического конденсатора. Вводная страница показана на рисунке 2.

    Работа в SOHIO в конечном итоге была направлена ​​на разработку замены алюминиевых электролитических конденсаторов. Это было до того времени, когда появились приложения для резервного копирования памяти, т. Е. Задолго до появления КМОП-памяти или микросхем цифровых часов. Фильтрация выпрямления мощности была определена как рынок, и были предприняты значительные усилия, чтобы попытаться разработать или оптимизировать продукт для этого применения. Интересно, что некоторые разработчики все еще ставят эту цель сегодня, спустя 30 лет, – цель, которую все еще не удается удовлетворительно достичь с помощью технологии двухуровневого хранения заряда.

    Поскольку компания SOHIO имела большие долги из-за строительства трубопровода на Аляске, в 1971 году она сократила многие долгосрочные программы развития, в том числе проект конденсатора. Однако у них еще не было лицензии на технологию. Первому лицензиату не удалось коммерциализировать технологию, и лицензия вернулась обратно к SOHIO.

    Вторым лицензиатом была японская компания Nippon Electric Company (NEC). Начиная с 1975 года NEC проводила фундаментальные исследования, быстро развивала производственные мощности и начала продавать «суперконденсаторы» в 1978 году.По этой причине термин «суперконденсатор» подходит только для ЕС-продуктов NEC. Они были нацелены в первую очередь на развивающееся приложение для резервного копирования памяти CMOS и на резервное копирование микросхемы часов, обеспечивая резервное питание для этих устройств в видеомагнитофонах, радиочасах, микроволновых печах и аналогичных потребительских электронных товарах.

    После того, как в 1977 году нефть начала течь по трубопроводу Аляски, SOHIO возобновила свою деятельность по разработке конденсаторов. Двухслойный конденсатор «Maxcap» был представлен в начале 1980-х годов, имел водный электролит и биполярную конструкцию, и имел номинал до нескольких фарад и 5.5 вольт. С консолидацией нефтяной промышленности право собственности на линейку продуктов Maxcap перешло сначала к Carborundum, затем к Cesiwid и, наконец, к Kanthal Globar.

    1975: Электрохимические конденсаторы в NEC

    NEC начала свои фундаментальные исследования в 1975 году после получения лицензии на технологию от SOHIO. Быстро развив производственные мощности, NEC начала предварительное производство серии FA в 1978 году. Они были отобраны для множества различных потенциальных применений.В январе 1980 года последовало массовое производство. В 1982 году начались продажи ЕС-продуктов с различными оптимизациями (т.е. новые модельные ряды). Многие другие модели продуктов были представлены в 1980-х годах для удовлетворения новых требований приложений.

    Одной из уникальных особенностей конструкции конденсаторов NEC была биполярная конструкция. Компания NEC разработала процессы для последовательного биполярного объединения шести или восьми ячеек и успешной герметизации всего устройства. Это важно, потому что эта простая конструкция устраняет необходимость в межсоединениях ячеек.(Такой же подход впоследствии использовался несколькими другими компаниями, в частности ECOND и ELIT, в своих очень больших конденсаторах большой мощности.)

    В 1991 году NEC сообщила о разработке двухслойных конденсаторов гораздо большего размера с использованием композитного электрода из активированного угля. Из-за их по существу жестких электродов эти устройства не требовали высокого сжатия для хорошей работы. В 1996 году торговая марка продукта была изменена на Tokin. В 1990-х годах было представлено несколько новых продуктов, в том числе серия FG, серия High Power FT и серия FC.В 2001 году появилась серия со спиральной намоткой и серия с низкопрофильным тонким корпусом, содержащие органический электролит. В 2002 году торговая марка была изменена с Tokin на NEC-Tokin. На Рисунке 3 показаны некоторые серии продуктов EC, производимых NEC-Tokin.

    NEC, безусловно, была одним из лидеров в области технологий за последние 30 лет, имея богатую историю разработки и маркетинга ЕС-продуктов. Действительно, это единственная компания, которая производит настоящие «суперконденсаторы».

    1975: Электрохимические конденсаторы в ECOND

    В декабре 1993 г. д-р Александр Иванов представил доклад на Третьем международном семинаре по двухслойным конденсаторам и аналогичным устройствам накопления энергии, в котором описывались электронные блоки питания, намного превышающие размеры устройств, доступных в США.С. или Япония. Компания доктора Иванова, ЭКОНД, находилась в Москве и имела связи с Министерством путей сообщения России. Он описал большие конденсаторы, используемые для запуска двигателей тепловозов мощностью 3000 лошадиных сил. Эти конденсаторы не только хранили большое количество энергии, но и были одними из самых мощных на тот момент.

    В ECOND «PSCap», как называются эти устройства, используется биполярная конструкция с водным электролитом. Конструкция представляет собой цилиндр диаметром около девяти дюймов и, в зависимости от запасенной энергии, от нескольких дюймов до более двух футов в высоту.Диапазон энергий от нескольких килоджоулей до 45 кДж для PSCap, используемого при запуске двигателя локомотива. Эквивалентные последовательные сопротивления модулей обычно находятся в миллиомном диапазоне. Напряжение на модулях до 200 вольт является обычным явлением. Постоянная времени RC для PSCap составляет доли секунды, что значительно меньше, чем у большинства предыдущих продуктов.

    Статья Иванова 1993 года открыла глаза разработчикам конденсаторов на встрече, особенно с учетом прогнозируемой в то время потребности в системе накопления энергии с выравниванием нагрузки 1,8 МДж для использования в электромобилях.Сообщенные достижения были значительным шагом вперед по сравнению с исследованиями, проведенными в США и Японии, и воодушевили многих разработчиков конденсаторов на Западе.

    В недавнем письме ко мне доктор Иванов рассказал о некоторых препятствиях, с которыми он столкнулся в своей ранней исследовательской деятельности по конденсаторам, которая началась в середине 1970-х годов. Отчет Академии наук СССР 1974 г. содержал статью «Аномальная электрическая емкость и экспериментальные модели сверхпроводимости» с описанием молекулярного конденсатора.Как Академия, так и правительство выразили большой скептицизм по поводу этого типа технологии хранения, именуемого «хранением молекулярной энергии». Тем не менее, средства на развитие были предоставлены, но под очень тщательным контролем. Эта работа в конечном итоге привела к разработке в 1980 году конденсаторной системы номиналом кВ и размером МДж, за которой вскоре последовала государственная премия исследователям, ответственным за это достижение.

    Начиная с 1985 года, усилия по разработке были сосредоточены на транспортных приложениях, связанных в первую очередь с запуском двигателей внутреннего сгорания.Корпорация ECOND была создана в 1991 году для коммерциализации технологии под руководством доктора Иванова. С 1994 года конденсаторные продукты ECOND использовались во многих демонстрационных системах США, таких как запуск дизельных грузовиков, а также в HEV. В статье в весеннем выпуске журнала BEST 2007 описываются некоторые из этих демонстраций. На рисунке 4 показан один из первых газо-электрических гибридных городских транзитных автобусов, в котором используется конденсаторный накопитель энергии – 1,6 МДж модулей PSCap на 200 вольт. Эти конденсаторы также можно приобрести у канадского дистрибьютора.

    1978: Электрохимические конденсаторы в Panasonic

    Компания Panasonic начала производство двухслойных конденсаторов «Goldcap» в Японии в 1978 году. Первоначально они были разработаны для замены ненадежных батарей типа «таблетка», которые использовались в то время в приложениях для резервного копирования памяти. Основными различиями между продуктами Panasonic и NEC были электролит и тот факт, что NEC использовала водный электролит в «приклеенном электроде» с биполярной конструкцией элемента, в то время как Panasonic использовала неводный электролит в неплееный электрод в конструкции элемента.Неводный электролит обладал преимуществом более высокого рабочего напряжения элементарной ячейки. Незаклеенный электрод в Goldcap позволил Panasonic производить электронные блоки без получения лицензии от SOHIO.

    Компания Panasonic разработала два различных дизайна. Один был монетным элементом, использовавшимся для замены монетных элементов батарейного типа; второй имел конфигурацию спиральной намотки, аналогичную алюминиевой ЭК. Первоначальный продукт Panasonic имел номинальное напряжение примерно 1,8 В на элемент, что значительно превышало напряжение элемента в продуктах NEC.Это означало, что для популярного на момент появления номинала 5,5 В потребуются только три последовательно соединенных элемента, а не шесть последовательно соединенных ячеек, требуемых с использованием сопоставимого суперконденсатора NEC.

    В середине 1980-х годов компания Panasonic производила конденсаторы с кнопочными элементами нескольких размеров: половину фарада, две трети фарада и так далее. Они стали очень популярными для наручных часов на солнечных батареях. Преимущество использования конденсатора в этом приложении заключалось в том, что он не имел ограничений по сроку службы батареи и, следовательно, мог быть запломбирован в часах во время производства, что устраняет необходимость в уплотнении крышки для замены батареи, которое могло бы протекать.Часы обычно заряжались от фотоэлектрического материала из аморфного кремния, расположенного по периметру циферблата. Зарядка длилась несколько минут под прямыми солнечными лучами или несколько часов при слабом комнатном освещении. Конденсатор типа «таблетка» хранит достаточно энергии для работы часов в течение 24 часов или дольше (в темноте).

    Компания Panasonic начала производство гораздо более крупных прототипов электронных устройств в 1990-х годах. Они были спирально намотаны и рассчитаны на 470F, 2,3 вольта или 1500F, 2,3 вольта. Первые из них были тщательно протестированы на предмет возможного использования в электромобилях с выравниванием нагрузки.Последующие достижения увеличили энергию продукта того же размера с 470F до 800F.

    В 1999 году Panasonic представила конденсатор «UpCap», рассчитанный на 2 000F и 2,3 В, для транспортных средств, включая HEV. Устройство очень хорошо спроектировано со сложным двойным уплотнением для предотвращения попадания воды в упаковку, что является гораздо более дешевой конструкцией, чем сварная конструкция. Он имеет по существу непрерывные выступы спиральных фольг на каждом конце, что помогает снизить последовательное сопротивление, а также помогает отводить любое внутренне генерируемое тепло.Это важно для повторяющихся циклов зарядки / разрядки гибридных транспортных средств, включая рекуперативное торможение при остановке и ускорение после остановки. На рисунке 5 показаны исторические тенденции изменения размеров EC-ячеек Panasonic Goldcap.

    1988: Электрохимические конденсаторы в ELIT

    В начале 1993 года Алексей Беляков, технический директор MP Pulsar в Курске, Россия, направил читательское письмо в Batteries International. Он хотел исправить информацию в более раннем выпуске, указав на существование крупных ЭК его компании.Он представил фотографии очень больших конденсаторов, 30 и 50 кДж, рассчитанных на 12 и 24 вольт, используемых для запуска двигателя. Он описал испытания, проведенные на этих устройствах, и рассказал о поставке набора конденсаторов на 600 кДж. Конденсаторы такого размера и сложности были совершенно неслыханными в США в то время.

    MP Pulsar сменил название на ELIT. Разработка конденсатора ЭЛИТ началась в 1988 году на Аккумуляторном заводе в Курске. Год спустя разработчики создали первый асимметричный ЭК, основанный на положительном электроде из оксигидроксида никеля, электролите из гидроксида калия и отрицательном электроде из активированного угля.Эти устройства были разработаны для питания инвалидных колясок, а впоследствии и детских автомобилей. В 1990 году компания ELIT сместила акцент на симметричные конструкции с электролитом из гидроксида калия и двумя электродами из активированного угля. Его конденсаторы имеют биполярную конструкцию и призматический форм-фактор, как показано в разрезе на Рисунке 6.

    Могут быть произведены модули с напряжением до 400 В и комплекты конденсаторов на 1 500 В, хотя более распространены модули с номинальным напряжением 12 и 24 В для транспортных средств.Конденсатор ELIT очень мощный, его постоянная времени RC составляет небольшую долю секунды. Компания ELIT разработала автоматизированную и гибкую производственную линию (рис. 7), в настоящее время производственная мощность которой составляет более 250 000 кДж конденсаторов в год. ELIT продает большое количество ЭК в России и продала более 30 000 в США.

    1989: Электрохимические конденсаторы на Элне

    Elna в сотрудничестве с японской компанией Asahi Glass разработала и начала продавать несколько стилей своего органического электролита Dynacap EC в США.С. начиная с конца 1980-х гг. Elna производит монетные ячейки и изделия со спиральной намоткой, некоторые из которых имеют тот же размер упаковки и номиналы, что и Panasonic Goldcap. Однако они делают несколько семейств конденсаторных ячеек, сильно отличающихся от конденсаторных ячеек Panasonic, размером до 200F и номиналом 2,5 вольта. Одна из его линейок продуктов очень мощная, с постоянной времени RC от 0,1 до 1 секунды, в зависимости от размера, и она разработала и ввела на рынок ЕС-элемент с номинальным напряжением 3,0 В.

    На столетнем заседании Электрохимического общества в 2002 г., доктор Т.Моримото описал асимметричный ЭК с интеркаляционным электродом, соединенным с двухслойным электродом для накопления заряда, причем оба электрода были углеродистыми и использовали органический электролит, содержащий соль лития. Сообщается, что удельная энергия неупакованных прототипов составляет 16 Втч / л. Сегодня несколько групп продвигают этот и аналогичные подходы из-за предлагаемого более высокого рабочего напряжения (4,2 вольта) и, как следствие, более высокой плотности энергии – возможно, вдвое больше, чем у симметричных углерод-углеродных электронных схем.Коммерческое производство конденсаторов с такой асимметричной конструкцией неизбежно.

    1991: Электрохимические конденсаторы в Maxwell

    До 1991 года компания Maxwell Technologies из Сан-Диего, Калифорния, разработала широкую линейку высоковольтных конденсаторов, используемых во многих первых магнитных термоядерных установках и других устройствах с высокой плотностью энергии того времени, таких как источники питания для лазерных импульсных ламп. В 1991 году компания получила контракт от Министерства энергетики США (DoE) на разработку усовершенствованных электронных схем в ответ на широкий запрос Министерства энергетики в 1990 году о предложениях по разработке EC.

    Целью была технология, подходящая для выравнивания нагрузки аккумуляторной системы хранения в электромобилях. Он включал в себя конденсатор, который мог бы накапливать 500 Втч (1,8 МДж) энергии, обеспечивать мощность 50 кВт, работать при 300 В, весить менее 100 кг и иметь удельную энергию более 5 Втч / кг. Кроме того, затраты на материалы для этой системы хранения энергии должны были составить менее 1000 долларов. Эта первоначальная спецификация DoE послужила основой для программы разработки Maxwell, а также послужила руководством для многих других разработчиков конденсаторов выравнивания нагрузки для электромобилей.

    Максвелл работал совместно с Обернским университетом над разработкой конденсаторов. Первоначально они выбрали технологию композитного электрода из металла и углеродного волокна с водным электролитом гидроксида калия. Металлические волокна изначально были никелевыми, спеченными до углеродных волокон. Идея заключалась в том, чтобы уменьшить электронное сопротивление, которое наблюдалось в некоторых электродах, сделанных из углеродных частиц в виде частиц, а также использовать форму одного волокна, а не более сферических углеродных частиц.В конце концов Maxwell изменил свою конструкцию на органический электролит, а также изменил материал с никель-углеродной ткани на алюминиево-углеродную ткань с намерением улучшить конкретные характеристики. В середине 1990-х годов усилия Максвелла по развитию ЕС переместились с завода в Оберне в Сан-Диего.

    В 2002 году Максвелл приобрел производителя EC Montena Components из Россенса, Швейцария. Вскоре это привело к нескольким изменениям продукта, которые включали замену сложенного гармошкой, металлизированного электродного материала из углеродной ткани, ранее использовавшегося в более крупных ячейках, токосъемниками из алюминиевой фольги с углеродным покрытием, которые затем были намотаны в цилиндрические ячейки.

    Максвелл разработал широкое семейство ЕС-продуктов под названием BoostCaps. Ячейки различаются по размеру от небольшой герметично упакованной ячейки 5F, через размер намотанной D-ячейки 350F до очень больших трубчатых элементов на 3,000F, номинальное напряжение 2,7 В и последовательное сопротивление <0,3 мВт (рис. 8). Упаковка для компонентов большего размера хорошо спроектирована с использованием технологии присоединения сварным проваром для электронного соединения спиральных токосъемников с выводами корпуса и, таким образом, обеспечения низкого последовательного сопротивления и очень эффективного отвода тепла.Более крупные устройства используются во многих приложениях, включая HEV, системы распределенной генерации, такие как ветряные турбины, и модули запуска двигателей внутреннего сгорания.

    Maxwell передала лицензию на свою технологию компании EPCOS в Германии в 1990-х годах. (EPCOS решила уйти с этого рынка в конце 2006 года, как сообщается, из-за ожидаемого периода времени, прогнозируемого до достижения прибыльности.) В заключение, Maxwell Technologies превратилась в ведущего американского производителя электронных устройств, явно нацеленного на мировой рынок.

    1993: Электрохимические конденсаторы в ESMA

    В декабре 1997 года д-р Аркадий Клементов выступил с докладом «Применение ультраконденсаторов в качестве источников тягового тока» на Седьмом международном семинаре по двухслойным конденсаторам и аналогичным устройствам хранения энергии. Он показал фотографии автобусов и грузовиков, приводимых исключительно в действие ЭУ: без аккумуляторов и без газовых двигателей. Некоторые из зрителей упустили из виду, что такие тяжелые электромобили питаются исключительно от конденсаторов.Это было первое открытие на Западе конденсаторных систем такого размера и конденсаторов с плотностью энергии, превышающей 10 Втч / кг. Конденсаторная батарея, используемая для приведения в движение грузовиков и автобусов, могла хранить около 30 МДж энергии при напряжении 190 вольт. Изобретением, созданным ESMA для хранения энергии для этих тяговых приложений, был асимметричный конденсатор (патент США 6 222 723 и более ранние патенты России). В этой конструкции по существу используется один аккумуляторный электрод, соединенный с двухслойным электродом накопления заряда (конденсатором).Комбинация дает определенные преимущества по сравнению со стандартной, более распространенной симметричной конструкцией. К ним относятся более высокая удельная энергия, более высокое рабочее напряжение для водного электролита, более низкая стоимость материалов, поскольку углерод для накопления заряда фактически имеет вдвое большую емкость, и самобалансировку напряжения в высоковольтных цепочках конденсаторных ячеек. Эти четыре преимущества чрезвычайно важны для многих современных приложений.

    Акционерное общество «ЭСМА» (г. Троицк, Россия) создано в 1993 году для разработки и производства ЭК.Системы, разработанные ESMA, варьируются по размеру от небольших модулей на 20 кДж, 14 вольт, до очень больших систем на 190 вольт, 30 МДж, используемых для питания автобусов и грузовиков. Ячейки имеют размер от 3000F до более 100000F. Конструкция элементов аналогична той, что используется в авиационных никель-кадмиевых батареях, но с активированным углем, заменяющим кадмий в отрицательном электроде. Ячейки ESMA затоплены, обладают способностью естественным образом достигать баланса напряжений в последовательных цепочках и предлагают очень хорошие характеристики мощности с длительным сроком службы.

    Конструкция обеспечивает очень выгодные ценовые преимущества по сравнению с продуктами с органическими электролитами, поскольку вопросы чистоты материала не так важны, сушка материалов и упаковки не требуется, а герметичная (сварная металлическая) упаковка не требуется. Однако никелевая фольга, используемая для токосъемников, как и большинство металлов в недавнем прошлом, стала очень дорогой, что сводит на нет некоторые из этих преимуществ в цене.

    ESMA имеет как минимум три варианта оптимизации конденсаторов: импульсные конденсаторы, которые предназначены для разряда в несколько секунд или меньше, например, при запуске двигателя; конденсаторы промежуточной мощности, подобные тем, которые нужны в гибридных автомобилях; и тяговые конденсаторы, предназначенные для питания электромобилей, таких как вилочные погрузчики, грузовые автомобили и автобусы.Обычно эти тяговые устройства можно заряжать за 12-15 минут и разряжать в течение одного или нескольких часов работы. Сообщалось о нескольких демонстрационных проектах в США с использованием конденсаторов ESMA, включая источник бесперебойного питания (ИБП) мощностью 100 кВт в течение десяти секунд.

    ESMA и его деловой партнер American Electric Power (AEP) сообщили об успехах, достигнутых в значительно более дешевом асимметричном EC на основе оксида свинца / серной кислоты / активированного угля на недавнем Всемирном саммите по усовершенствованным конденсаторам в 2007 году.Они разрабатывают эту технологию для хранения большого количества электроэнергии из коммунальной сети в ночное время, когда ее избыток, для использования на следующий день, когда ее может быть недостаточно. Такое ночное хранение / дневное использование будет включать только один цикл в день, около 365 циклов в год – действительно небольшое количество. Система хранения, рассчитанная на десять лет, потребует не более 5000 циклов, число, легко достижимое с асимметричными ЭУ, но реальная растяжка для многих аккумуляторных систем.

    В недавнем документе ESMA также сообщается о хорошей эффективности цикла, с расчетным сроком службы более 5000 циклов.Плотность энергии намного выше, чем у симметричных ЭП, и приближается, хотя и меньше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов. На рисунке 9 показана фотография одного из этих прототипов накопительных конденсаторов дневного / ночного режима, оптимизированного для цикла заряда / разряда, состоящего из пяти часов зарядки и пяти часов разрядки. Рисунок 10 – это концептуальный чертеж, представленный Министерством энергетики США три года назад для конденсаторной системы, обеспечивающей 1 МВт в течение пяти часов. В настоящее время именно экономика таких систем определяет их жизнеспособность, и на любые вопросы о технологической осуществимости, похоже, уже даны ответы.

    1994: Электрохимические конденсаторы на Cap-XX

    В 1994 году Австралийская организация по научным и промышленным исследованиям Содружества (CSIRO) заключила партнерство с Plessey Ducon, производителем пассивных компонентов, для оценки технологии ЕС и ее рыночного потенциала. Два года спустя группа разработчиков создала конденсатор из углерода и органического электролита с высокой плотностью энергии, способный хранить до 9 Втч / кг с постоянной времени от секунд до миллисекунд.Эти устройства использовали спирально-навитую одноклеточную конструкцию.

    В 1997 году была создана компания Cap-XX Pty Ltd для разработки небольших мощных устройств для рынков мобильных вычислений и беспроводной связи. Он построил коммерческое производство и теперь производит серию различных малогабаритных очень мощных конденсаторов. Они имеют плоский призматический профиль и минимальную упаковку, как показано на Рисунке 11. Они сконструированы без использования сварки или стыков стекла с металлом. Типичные продукты включают пары последовательно соединенных ячеек номиналом 4.5 вольт, с емкостью в диапазоне от 0,12F до 0,8F. ESR на всех этих продуктах составляет 0,1 Ом или меньше, а постоянная времени RC составляет всего 20 мс. Эти небольшие компоненты являются одними из самых мощных электронных устройств на рынке и предназначены для рынков портативной электроники с импульсным питанием, например, для цифровой беспроводной связи.

    1995: Электрохимические конденсаторы в Nippon Chemi-Con

    Nippon Chemi-Con (NCC) из Японии – производственная компания с оборотом в миллиард долларов, которая заслужила звание самой большой доли мирового рынка алюминиевых электролитических конденсаторов.Поэтому, когда NCC представила свою линейку продуктов DLCAP EC в США на Всемирном саммите Advanced Capacitor World Summit в 2005 году, неуверенность в долгосрочной жизнеспособности больших компонентов EC мгновенно испарилась. NCC описала продукты, которые были оптимизированы либо для энергии, либо для мощности, и представила данные испытаний, которые убедительно свидетельствуют о том, что у NCC был значительный предыдущий опыт работы с этой технологией.

    Действительно, у них было – более десяти лет исследований и разработок ЕС, начиная с работы с Isuzu Motors в 1995 году.Временная шкала, показанная на Рисунке 12, показывает развитие технологии. Производство прототипов NCC началось в 1997 году, а массовое производство – в 1998 году, причем были изготовлены как спирально-навитые, так и призматические элементы, самые большие из которых имели номинальное значение 2,5 В.

    DLCAP уникален во многих отношениях. Во-первых, он основан на многолетнем опыте использования соответствующих материалов, упаковки и производства, который компания NCC приобрела в сфере производства алюминиевых электролитических конденсаторов, которую она начала в 1931 году. Такая степень вертикальной интеграции не имеет себе равных в ЕС-индустрии.Во-вторых, NCC использует в своем электролите пропиленкарбонатный растворитель, который не вызывает проблем с возгоранием и здоровьем, связанных с некоторыми альтернативными органическими электролитами. И в-третьих, полностью понимая проблемы стоимости массового производства и осознавая, что практические ограничения чистоты материала приведут к тому, что ЭК будут генерировать некоторое количество газа во время работы, что может привести к разбуханию упаковки, NCC включила инновационный клапан регулирования давления в пакет DLCAP (показан на рис. Рисунок 13). Клапан служит для выпуска любого генерируемого газа, который может увеличиваться до низкого, но заданного давления – независимо от того, возникает ли он в результате нормальной работы или из-за неправильных условий, таких как приложение чрезмерного напряжения или перегрева.Обратите внимание, что этот подход с повторно закрывающимся клапаном возможен только с нетоксичными электролитами. Большая часть нефти, используемой в Японии, импортируется, что делает энергосбережение очень важным для страны. Таким образом, многие из существующих приложений NCC EC относятся к улавливанию, хранению и повторному использованию энергии, которая обычно теряется в виде тепла. Примером могут служить портальные краны морского порта, используемые для загрузки и разгрузки контейнеровозов (рис. 14): энергия, накопленная при опускании контейнера, впоследствии повторно используется для подъема следующего.Сообщается, что экономия энергии от использования накопителя энергии DLCAP составляет 40% по сравнению с традиционной системой. Аналогичные уровни экономии были достигнуты с другим промышленным оборудованием, имеющим повторяющееся возвратно-поступательное или восходящее движение.

    1998: Электрохимические конденсаторы в NessCap

    NessCap EC был первоначально создан на основе технологии, выделенной из корейской группы Daewoo. Начав свою деятельность в 1998 году при государственном и частном финансировании, NessCap быстро расширила возможности производства конденсаторов и расширила линейку электронных устройств.В продуктах NessCap используется органический электролит со спирально-навитой призматической ячейкой. Первая коммерческая поставка конденсаторов на рынок США состоялась в середине 2000 года.

    NessCap в настоящее время производит элементы размером от нескольких фарад до 5000F, а некоторые из них рассчитаны на 2,7 вольта, что является одним из самых высоких напряжений в отрасли. Конденсаторные ячейки большего размера имеют призматические корпуса для эффективного объединения в модули. NessCap недавно представила линейку модулей на 42 В для автомобильного рынка.Конденсаторы NessCap могут применяться в широком диапазоне от транспортировки до качества электроэнергии. На рисунке 17 представлена ​​фотография NessCap EC мощностью 5000F.

    NessCap также разработала дополнительную линейку ЕС-продуктов с высокой плотностью энергии, основанных на накоплении заряда псевдоемкости. Эти устройства имеют конструкцию с одной ячейкой, как и продукты компании с двухслойными конденсаторами, обладают преимуществами плотности энергии, но имеют более низкий срок службы. Эти компоненты широко используются в освещении на солнечных батареях, например, в светоизлучающей плитке, дорожных стойках и садовых светильниках.В них электричество, вырабатываемое солнечными элементами, хранится в псевдоконденсаторе и используется ночью для питания светодиодов в системе.

    Сводка

    Мы можем охарактеризовать 30-летнюю историю ЕС-технологии, возможно, лучше всего, как историю непрерывных прорывов в развитии, в которой проблемы с начальными затратами постоянно приводили к инновациям, которые не только устраняют проблемы с затратами, но и открывают новые возможности для открытий. Технологии электрохимических конденсаторов еще предстоит пройти много километров с точки зрения технических перспектив и практической применимости.

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.