Суперкондензатори за електроника
Суперкондензатори за електроника.
Macintosh е вашият надежден помощник при поръчка на уебсайт
Металорежещо оборудване, гилотинни ножици
Суперкондензатори за електроника (част 1)
Международните експертни бизнес агенции за проучване и анализ на нови възможности за корпоративен растеж в индустрията на пасивните електронни компоненти изтъкват суперкондензаторите (SC) като особено обещаваща група устройства. Въз основа на цялостен анализ на световния пазар експертите заключават, че благодарение на използването на нанотехнологиите техническите характеристики на SC бързо се подобряват, а цената на един фарад и единица съхранена енергия непрекъснато намалява.
Според перспективите за използване на СК експертите разделят световния пазар на три основни сегмента: приложение в транспорта, индустрията и електрониката. От края на 70-те години SC се използват широко в електрониката, чиито устройства, с нарастваща преносимост и мобилност, все повече се нуждаят от автономни източници с висока енергийна плътност ρE и мощност ρW.
Какво отличава SC от кондерите, които използваме в ежедневната си работа?
SC превъзхождат другите видове кондензатори по отношение на плътността на капацитета ρC, заряда ρQ и енергията ρE. В обикновен плосък кондензатор зарядът е концентриран върху повърхностите на електродите, обърнати един към друг, а енергията на електрическото поле е концентрирана в обема на междуелектродната междина. В SCs с два идентични електрода, разделени от течен електролит, когато се зареждат в хетеропреходите електролит/електрод, се образуват двойни електрически слоеве (DEL); слоеве от пространствено разделени заряди с различни знаци.
На единия електрод DES образуват излишни електрони и електролитни катиони, привлечени от електрода, а на другия -положително заредена електродна повърхност и аниони, привлечени от тази повърхност. И двата DES са свързани последователно чрез електролит и концентрират заряда, напрежението и енергията. В течните електролити DEL има дебелина до
0,1 nm и висок капацитет
10–5 F/cm2. Порести електроди на суперкондензатори с вътрешна повърхност до ≈107 cm2 / g осигуряват гигантски стойности на капацитет (
100 F). Тъй като някои от порите са недостъпни за катиони и аниони на електролита, ρC на електродите
25 F/г. Принципът на радикално намаляване на масата на химически източник на ток поради използването на допълнителен SC е демонстриран на фиг. 1.
За стартиране на автомобилен двигател е необходима мощност от порядъка на 5 kW за 2 s (10 kJ). Оловно-киселинна батерия с тегло 1 kg има енергия от 100 kJ, което е достатъчно за 10 стартирания, но мощността й е само 0,2 kW, което е 25 пъти по-малко от необходимото. Затова се използват батерии с тегло 25 кг. SC с тегло 0,5 kg съхранява 20 kJ и осигурява мощност от 5 kW, което е достатъчно за стартиране на двигателя. Ако направите хибриден източник с маса 1,5 кг (акумулатор - 1 кг и SC - 0,5 кг), тогава с негова помощ можете да стартирате двигателя 10 пъти. Оптималният хибриден източник днес изглежда е комбинация от, например, литиева батерия и SC.
Експертните агенции отбелязват тенденция в електрониката за замяна на танталови и алуминиеви кондензатори с SC, които имат по-високи стойности на ρC, ρE и ρW. SC могат да осигурят работата на различни системи при повишени импулсни токови натоварвания, поради което в някои случаи те заместват химически източници на ток. SC имат уникална комбинация от важни характеристики. В сравнение с литиевите клетки, предимствата на SC включват порядък по-висока плътност на мощността ρW,дълги периоди на съхранение
10 години), липсата на токсични и опасни компоненти, огромен брой цикли на презареждане без промяна на капацитета (до 10 000 000 цикъла).
Анализът на тенденциите в развитието на микро- и наноелектрониката показва възникването на необходимост от нисковолтови кондензатори (работно напрежение под 1 V) в периода 2006–2016 г. с рекордно високи честотно-капацитивни характеристики. Броят на приложенията на SC с реализирането на потенциала на тези устройства нараства непрекъснато. Миниатюрни SCs с плътност на капацитета ρC над 10 μF/mm3 могат да заемат нова пазарна ниша:
в потребителския сектор (цифрови фотоапарати, лаптопи, цифрови плейъри, играчки, електронни книги, дистанционни управления);
в производствения сектор (дистанционни управления, четци на продуктови етикети, медицински устройства, индустриални лазери, транспортни приложения, токоизправители, непрекъсваеми захранвания, детектори за дим, системи за наблюдение и контрол и много други).
Физическата идея, реализирана в SC, беше изказана отдавна. През 1879 г. видният немски учен Г. Хелмхолц (1821–1894) предлага концепцията за двоен електрически слой за интерфейс метал/течен електролит. Той представи DES като кондензатор с необичайно голям капацитет (кондензатор с огромен капацитет). Терминът "суперкондензатор" (синоним на "DES кондензатор") се появява 100 години по-късно. Известен е като търговска марка (Supercap™) на японската корпорация NEC.
Капацитетът на съвременните СК и базираните на тях батерии е 1,10 000 F. Те имат ултратънък DES (d
1 nm) и гигантски области А от дисперсни електроди, разпределени в обема на устройството. Като електродни материали в СК се използват порести вещества с вътрешна повърхност до 1000,3000 m2/g.Капацитетът на SC може да се оцени по формулата на плоския кондензатор: C = ε0εrA/d, където ε0 = 8,85х10–12 F/m, εr = 1 (относителна диелектрична проницаемост на DEL).
Дебелината на DEL d зависи от концентрацията на йони в електролита и размера на йоните, като за концентрираните течни електролити е 0,5. 1 nm. Следователно при гладки електроди повърхностната плътност на капацитета надвишава 10–5 F/cm2, а напрегнатостта на електрическото поле в DEL може да бъде по-голяма от 107 V/cm. Появата на SC на пазара на електронни компоненти датира от 1978 г., когато SC са пуснати по лиценз в Япония, използвани като резервни захранвания за чипове с компютърна памет. СК имаше капацитет
1 F при работно напрежение 2,3. 2,7 V.
През 90-те години SC стана известен във връзка с опитите за създаване на хибридни източници, които осигуряват рационално потребление на енергия от превозни средства в преходни режими на движение (ускорение и възстановяване на енергията по време на спиране). Подобни проблеми възникват и в други области на технологиите. Например, автономните миниатюрни системи за събиране и предаване на информация работят в импулсен режим, изискващ високи нива на мощност, с които батериите и други слаботокови източници не могат да се справят.
СК са наукоемки и високотехнологични продукти. Материалознанието, нанотехнологиите и електрохимията играят решаваща роля за отключване на потенциала на СК (подобряване на техническите характеристики и намаляване на цената на СК, фиг. 2). Различни по вид и предназначение СК се произвеждат в Азия, САЩ, Европа и Австралия. Основните световни производители на SC са AVX (търговска марка Best Cap), Panasonic (Gold Capacitor), Nichicon (EVerCAP), Elna (DYNACAP), NECTokin (Super capacitor), Maxwell (Ultracapacitor), СAP-XX, NESS CAP (NESSCAP).
В България се разработват СК (ESMA, Троицк,ELITE Kursk), а "Girikond" (Санкт Петербург) произвежда SC под марката "Ionistor". Пазарът на SC в България всъщност все още не е развит. СК се продават в малки партиди като продукти със специално предназначение по поръчка главно на Министерството на отбраната на Руската федерация.
ПРИНЦИП НА ДЕЙСТВИЕ, УСТРОЙСТВО И ВИДОВЕ СК
Има няколко основни дизайна на SC. В повечето SCs на пазара електродите са направени от различни степени на нанопорест въглерод. Между електродите има сепаратор, пропусклив за йони от воден или течен органичен електролит (симетричен дизайн, фиг. 3). Когато към електродите се приложи потенциална разлика, се образуват DEL, които се образуват от излишни носители с противоположна полярност.
Капацитетите на DEL електродите C1 и C2 са свързани последователно през електролита, така че общият капацитет на SC е C = C1C2/(C1 + C2), а при C1 = C2 стойността е C = C1/2. За да се увеличи капацитетът на SC, размерите на анодните (катодните) нанопори са избрани така, че отрицателни (положителни) електролитни йони с различни размери да могат да влизат в порите.
Разработени са редица електрохимични кондензатори с асиметричен дизайн, при които единият електрод (обикновено отрицателен) е направен от материал с активен въглен и е идеално поляризуем, докато Фарадеевите процеси (неполяризиращ се електрод) протичат на другия електрод по време на цикъла на заряд-разряд, придружен от промяна в масата на електрода и трансфер на заряд през хетероинтерфейса електрод/електролит.
Капацитетът на положителния електрод обикновено е повече от един порядък по-голям от капацитета на отрицателния електрод за същите размери. Капацитетът на асиметричния SC се определя от капацитета на поляризуемия електрод: C = C1.
Ориз. 4. В тънкослоен фероелектричен кондензатор електрическото поле E заема слой с дебелина ≈0,5 μm(a), в SC със сравним капацитет, базиран на PSTS, електрическото поле E е концентрирано в слой с дебелина ≈0,0005 µm (b)
Според електрохимичното поведение СК могат да бъдат разделени на следните видове:
1. СК с идеално поляризуеми електроди (симетрични СК), например със следните структури: Au––30% воден разтвор на KOH–Au+; C––38% воден разтвор на H2SO4–C+; Pt–органичен електролит–Pt+. В такива SC електрохимичните реакции не протичат на електроди в диапазона на работното напрежение, следователно по отношение на енергията, мощността, температурния диапазон и броя на циклите на заряд-разряд те са най-близки до оксидно-електролитните кондензатори.
2. СК с идеално поляризуем електрод и неполяризуем/слабо поляризуем втори електрод (асиметричен СК), например със следните структури: Ag––твърд електролит RbAg4I5–C+; C––30% воден разтвор на KOH–NiOOH+.
В кондензатор с твърд електролит RbAg4I5 (суперионен проводник) реакцията протича на катода: Ag + + e ↔ Ag0, а в кондензатор с 30% воден разтвор на КОН реакцията на анода е: Ni2 + - e ↔ ↔ Ni3 +. Тези реакции налагат дифузионни и кинетични ограничения върху скоростта на зареждане и разреждане на SC; следователно, по отношение на техните характеристики, асиметричните SC са по-близки до батериите, отколкото до симетричните SC.
Според вида на материалите, използвани като електролити, СК могат да бъдат разделени на следните групи:
на базата на биологични обекти.
Полимерните електролити са разтвори на соли в полимер. На макроскопично ниво такива вещества се държат като твърди вещества, което се осигурява от контактните взаимодействия на полимерните макромолекули, а на микроскопично ниво те демонстрират поведението на течности. В момента най-често използваното полимерно твърдо веществоелектролити, образувани чрез смесване на полиетилен оксид и соли като LiClO4, LiAsF6, LiCF3SO3 и др.
Използването на СК на базата на твърди електролити осигурява редица предимства. За електрониката е важна способността за създаване на тънкослойни SC с помощта на микроелектронни технологии. Обещаващо е използването на високопроводими твърди електролити в SCs - така наречените "усъвършенствани суперионни проводници" (PSIC) - вещества с рекордно високо ниво на йонно-транспортни характеристики.
SC, базирани на PSIP, могат да се конкурират с кондензатори с голям капацитет, базирани на фероелектрични материали. В SC на базата на PSIP, както и в SC с течни електролити, енергията на електрическото поле се съхранява в DEL с молекулна дебелина. Токовете на утечка на кондензаторите, причинени от проникващи йонизиращи лъчения, се увеличават с увеличаване на обема, зает от електрическото поле (фиг. 4).
Радиационно устойчиви СК с голям капацитет са необходими за създаване на електроника и обекти на нано- и микросистемна технология, предназначени да работят в условия на силно космическо излъчване и в райони с високи концентрации на радионуклиди. Филмовите SC, базирани на PSIP, трябва значително да надвишават фероелектричните кондензатори по отношение на радиационна устойчивост.