Электрохимические источники питания используются сегодня повсеместно и имеют отличительные характеристики: ёмкость, или количество хранимой энергии, а также мощность, или возможность быстро отдавать или накапливать эту энергию (разрядка/зарядка на высоких токах). К тому же, для элементов питания очень важны безопасность и долговечность. В этом посте я расскажу, чем отличаются аккумуляторы и суперконденсаторы на химическом уровне, и как это влияет на их технические характеристики.
Начну я с аккумуляторов. На сегодняшний день чаще всего используются литий-ионные и никель-метал-гидридные (NiMH) аккумуляторы, но литий-ионные постепенно вытесняют NiMH по нескольким причинам. Во-первых, литий-ионные аккумуляторы более энергоёмкие. Это объясняется тем, что по сравнению с щёлочными электролитами NiMH, которые ограничивают напряжение ячейки в 1.2 V, электролиты литий-ионных аккумуляторов на основе карбонатов обеспечивают напряжение в 3V. А это означает меньшее количество ячеек, необходимых, чтобы достичь определённого напряжения, а также более компактные размеры, что для современных портативные электронных устройств просто необходимо. И, самое главное, по сравнению с NiMH, где используются сплавы с редкоземельными металлами, литий-ионные аккумуляторы содержат более дешёвые материалы.
Работа литий-ионных аккумуляторов выглядит следующим образом: ионы лития встраиваются в слоистый материал анода (чаще всего графит) или катода (оксиды переходных металлов) при зарядке и разрядке. Ёмкость определяется тем, сколько лития встроилось в электроды, и если ёмкость, как говорилось выше, у литий-ионных аккумуляторов хорошая, то с мощностью (это возможность аккумулятора быстро заряжаться и разряжаться на высоких токах, например, при разгоне и рекуперативном торможении в электромобилях) всё не так просто. Например, при слишкой быстрой зарядке ионы лития не успевают встраиваться в кристаллы и образуют цепочки металлического лития (дендриты) на аноде, которы могут привести к короткому замыканию, особенно при низкой температуре. А слишком быстрая зарядка может разрушить кристалл катода и привести к преждевременному старению аккумулятора.
От чего же зависит мощность аккумулятора? Мощность аккумулятора зависит от нескольких параметров: проводимости электрода, состоящего из активного материала и добавок, скорости электрохимических процессов, проходящих в активных материалах, а также ионной проводимости электролита. Чтобы как-то улучшить мощность литий-ионных аккумуляторов, если подразумевается их использование на высоких токах, производители создают специальные, более тонкие электроды: они содержат меньше активного материала, но больше углеродных добавок. В результате повышается проводимость электрода, но, увы, уменьшая количество активного материала уменьшается и ёмкость. К тому же, даже если такая технология улучшает проводимость электродов, не стоит забывать и о других параметрах, влияющих на мощность, особенно медленное встраивание лития в кристаллы (диффузионныe затруднения), на которую данная технология никак не влияет.
Но тут нам на помощь приходят наноматериалы: для того, чтобы встроиться в нанокристалл, литию не надо продвигаться на большие расстояние, поэтому интеркаляция проходит гораздо быстрее.
Но увы, у наноматериалов также есть и недостатки, в частности, их повышенная химическая реактивность, которая уменьшает срок эксплуатации аккумулятора. В общем, пытаясь улучшить один из параметров аккумулятора, зачастую ухудшаются все остальные.
Но если аккумулятор всё-таки должен работать на очень высоких токах, при которых ни метод производства электродов, ни структуриривание активых материалов не помогают, на помощь приходит суперконденсатор. Суперконденсатор на первый взгляд напоминает аккумулятор: у него тоже есть два электрода, помещённых в электролит. Но это только на первый взгляд. На самом деле, энергию суперконденсатор хранит в виде слоя ионов, которые присоединяются к поверхности электродов (двойной электрический слой). Ёмкость таких устройств напрямую зависит от поверхности электрода, и в качестве активного материала зачастую используется активированный уголь. Так как, в отичие от литий-ионных аккумуляторов, в суперконденсаторах нет окислительно- восстановительных реакций и ионы не должны никуда встраиваться, зарядка и разрядка проходят намного быстрее, а сами устройства более долговечны.
Но почему же, имея такую замечательную мощность, суперконденсаторы не могут использоваться как самостоятельные источники питания вместо аккумуляторов? А дело тут в том, что процесс образования двойного электрического слоя гораздо менее энергоёмкий чем окислительно-восстановительные реакции, поэтому, несмотря на то, что энергию суперконденсаторы накапливают и отдают быстро, количество её очень мало по сравнению с аккумуляторами. К тому же, суперконденсаторы подвержены сильному саморазряду: если заряженный аккумулятор за месяц теряет несколько процентов от ёмкости, то суперконденсатор за это время может разрядиться полностью. Поэтому суперконденсаторы обычно используют совместно с энергоёмкими аккумуляторами и берут на себя роль источника питания исключительно при пиковых нагрузках.
Саморазряд- это постепенное падение напряжения в электрохимическим источнике питания если он отключен от сети. В литий-ионных аккумуляторах он связан с постепенным окислением электролита на катоде, в результате чего выделяются электроны, которые используются материалами катода чтобы встроить в свою структуру литий (процесс, происходящий во время разрядки). Так как окисляется электролит медленно, саморазряд тоже медленный. А вот точный механизм саморазряда суперконденсаторов пока неизвестен, но его связывают с ионами электролита, которые вступают в окислительно-восстановительные реакции на поверхности электродов.
В конце стоит сказать, что существуют также «псевдоёмкие» суперконденсаторы, которые также называют электрохимическими суперконденсаторами, в которых на поверхности активных материалов проходят более энергоёмкие окислительно- восстановаительные процессы, но ёмкость таких устройств всё равно ниже, чем у аккумуляторов, и они также страдают от сильного саморазряда.
Источники:
Linden’s Handbook of Batteries, Fourth Edition
IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 24, N° 2, 2009
J. Electrochem.Soc., Vol. 145, N° 10, 1998
B. E. Conway, Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications, 1999
Автор: LadyN
