Системы хранения электрической энергии на основе нанотехнологий. Курсовая работа (т). Физика.
👉🏻👉🏻👉🏻 ВСЯ ИНФОРМАЦИЯ ДОСТУПНА ЗДЕСЬ ЖМИТЕ 👈🏻👈🏻👈🏻
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!
Похожие работы на - Системы хранения электрической энергии на основе нанотехнологий
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Скачать Скачать документ
Информация о работе Информация о работе
Нужна качественная работа без плагиата?
Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу Без плагиата!
Системы хранения
электрической энергии на основе нанотехнологий
суперконденсатор ионистор
электрический
Суперконденсаторы, ультраконденсаторы, электрохимические
конденсаторы, двухслойные конденсаторы - так называют электрохимические
конденсаторы, которые отличаются от обычных большими значениями удельной
мощности, более низкими токами потерь, практически неограниченной
долговечностью, и все это при значительно меньших габаритах. Сегодня на рынке
можно найти суперконденсаторы (СК) емкостью 150 Ф и напряжением 5 В,
сопоставимые по размерам с монтируемыми на печатную плату традиционными
Электролитическими конденсаторами, и «большие» СК емкостью 650-3000 Ф и
напряжением 2,7 В. Даже больше: на рынке представлены СК емкостью до 5·103 Ф. А
ведь совсем недавно наибольшее значение емкости традиционных конденсаторов не
превышало нескольких миллифарад. В то же время по плотности запасаемой энергии,
достигающей 30 кВт·ч/кг, СК близки аккумуляторам. Мировой рынок СК можно
разделить на два основных сегмента: суперконденсаторы большой емкости для
транспортных и промышленных систем и СК для электронной аппаратуры, в основном
малогабаритной. В последнем сегменте с уменьшением габаритов и повышением
мобильности техники все больше требуются автономные источники питания с высокой
плотностью энергии и мощности. И по мере совершенствования СК, переходу к
нанотехнологии при их изготовлении суперконденсаторы все активнее дополняют
стандартные источники питания во множестве малогабаритных изделий широкого
применения - от компьютеров до видеокамер, мобильных телефонов и т.п.
По сути суперконденсатор представляет собой очень «большой»
поляризованный электрохимический конденсатор. Правда, прилагательное «большой»
относится не к физическому размеру прибора, а к его основному параметру -
емкости. Емкость СК, так же, как обычного конденсатора, пропорциональна площади
обкладок и диэлектрической проницаемости диэлектрика и обратно пропорциональна
расстоянию между обкладками, т.е. рассчитывается по известной со школы формуле.
Но на этом сходство двух конденсаторов кончается. В обычном конденсаторе заряд
концентрируется на поверхностях обкладок, а энергия электрического поля - в
объеме межэлектродного диэлектрика. В СК реализована предложенная в 1879 году
Г. Гельмгольцем идея формирования с двух сторон границы раздела металл / жидкий
электролит при подаче напряжения слоев с избыточными носителями различной
полярности. Формирование двух разнополярных слоев обусловлено тем, что перенос
зарядов через межфазную границу раздела в интервале потенциалов электродов с
точки зрения термодинамики невозможен или кинетически затруднен. Таким образом,
заряженные слои образуют «обкладки» конденсатора, а граница раздела металл /
электролит толщиной в несколько нанометров или даже долей нанометра служит его
диэлектриком. Отсюда и название - двухслойный конденсатор
(Electrochemical Double-Layer Capacitor - EDLC).
При построении электрохимического двухслойного конденсатора в
водный или органический электролит с высокой концентрацией подвижных ионов
между электродами помещают проницаемый ионами разделитель. При подаче
постоянного напряжения на электроды такой структуры на границах раздела
электролит / электрод формируются разнополярно заряженные области, разделенные
границей раздела, т.е. двойной электрический слой (ДЭС). На одном электроде
этот слой формируется его отрицательно заряженной поверхностью и притянутыми к
ней катионами электролита, на другом - положительно заряженной поверхностью и
притянутыми к ней анионами. Оба ДЭС соединены последовательно через разделитель
и электролит и концентрируют заряд, напряжение и энергию.
Большое значение емкости СК, которое на два-три порядка
превосходит значение емкости традиционных электролитических конденсаторов,
достигнуто за счет применения одного (или обоих) электрода из высокопористого
материала и благодаря весьма малой толщине диэлектрика (граница раздела
двойного слоя). Электролиты, используемые в СК, должны иметь высокую
концентрацию подвижных ионов, низкое сопротивление, низкую концентрацию
электрически активных примесей, быть химически стабильными. Они могут быть
жидкостными (например, 30%-ный водный раствор КОН или 38%-ный водный раствор ). Но рабочее напряжение
СК с такими электролитами невелико, поскольку с ростом напряжения разложение
воды активизируется. А это значит, что накапливаемая конденсатором энергия
уменьшается. Значительно лучшие результаты получают при использовании безводных
электролитов, так называемых суперионных проводников, полимерных твердых
электролитов (например, получаемых смешением солей полиэтилена или электролитов
на основе биологических веществ.
Электроды СК выполняются из пористых материалов, внутренняя
удельная площадь поверхности которых достигает 1000-3000 /г. Важен размер пор
материала электродов: при больших размерах уменьшается площадь активной
поверхности, при малых в поры не попадают относительно большие носители заряда
(ионы электролита), которые к тому же зачастую окружены молекулами
растворителя. В качестве материала электродов СК пока наиболее распространен
дешевый и широкодоступный активированный древесный уголь (activated charcoal) -
порошок, состоящий из чрезвычайно малых и «неровных» частиц. Однако сейчас
активно изучается возможность применения новых пористых материалов для
электродов. К ним относятся графен*, проводящие полимеры, такие как полипиррол,
углерод-аэ-рогель (carbon aerogel), углеродные нанотрубки или даже
импрегнированная нанотрубками бумага. У графена высокое значение площади
поверхности, отнесенной к единица объема или массы, а также высокая
электропроводимость. Ученые ряда мировых лабораторий
уже успешно получают графен*, и, возможно, вскоре будет
налажено его массовое производство.
Весьма перспективен углерод-аэрогель, позволяющий получать
удельную площадь электродов 400-1000 м 2 /г. Электроды на основе этого
материала, как правило, изготавливаются из содержащей углеродные волокна
бумаги, поверх которой наносится органический аэрогель, который затем
подвергается пиролизу. Углеродные волокна обеспечивают структурную целостность
электрода, а аэрогель - требуемую большую удельную площадь поверхности.
Напряжение аэрогельных СК невелико (несколько вольт), энергетическая плотность
составляет 90 Вт·ч/кг, плотность мощности - 20 Вт/г. Компания Reticle Carbon
заявила о создании СК с электродами из аморфного твердотельного углерода
(Consolidated Amorphous Carbon, CAC), удельная площадь поверхности которых
составляет 2800 м 2 /г. При этом, по утверждению разработчиков,
производство этого материала дешевле, чем ак-тивированного древесного угля.
Компания Tartu Technologies (Эстония) в СК использует электроды из
неактивированного угля, синтезируемого из карбидов металлов или металлоидов
(SiC, TiC, Al4C3 и т.п.). Удельная площадь поверхности электродов из этого
материала, названного «полученным из карбида углем» (Carbide Derived Carbon,
CDC), составляет 400-2000 м 2 /г. Удельная емкость СК с такими
электродами и органическим электролитом достигает 100 Ф/мл. Емкость СК массой
200 г. равна 1,6 кФ, энергетическая плотность - 45 Дж/л при напряжении 2,85 В,
плотность мощности - более 20 Вт/г. Но наибольший интерес сегодня представляют
электроды на основе углеродных нанотрубок (Carbon NanoTubes, CNT), которые
можно механически компоновать в высокоупорядоченные структуры. Исследования,
проведенные специалистами Лаборатории элетромагнитных и электронных систем (Laboratory for Electromagnetic and Electronic Systems, LEES)
Массачусетского технологического института, показали, что применение
вертикально располагаемых одностенных CNT диаметром в несколько атомных слоев
позволяет существенно увеличить удельную площадь поверхности электрода. Правда,
пока высокая стоимость получения CNT сдерживает их применение.
СК, несмотря на их большое разнообразие, можно разделить на
два основных типа:
• СК с поляризуемыми электродами (симметричные СК).
В таких конденсаторах оба электрода (положительный и
отрицательный) выполнены из одного и того же материала (Au, C, Pt,).
Электролитом служит 30%-ный водный раствор KOH или 38%-ный водный раствор
H2SO4. Возможно применение органического электролита. В рабочем интервале
напряжений электрохимические реакции на электродах конденсатора не протекают,
поэтому по значениям энергии, мощности, температурному диапазону и числу циклов
заряд / разряд они ближе всего к оксидно-электролитическим конденсаторам;
• СК с поляризуемым электродом и неполяризуемым /
слабополяризуемым вторым электродом (асимметричные СК). Один электрод СК,
выполняемый, как правило, из металлокерамики, поддерживает высокую скорость
заряда / разряда, второй, выполненный из углеродного материала
с высокой удельной площадью поверхности, обеспечивает
чрезвычайно большую емкость. Емкость асимметричных СК в два раз больше, чем у
симметричных. По своим характеристикам такие СК ближе к аккумуляторам, чем к
симметричным СК.
Большой интерес к суперконденсаторам обусловлен в первую
очередь возможностью создания на их основе гибких источников питания большой
мощности и замены ими батарей. Но при этом зачастую из вида упускаются такие
важные различия между этими двумя устройствами, как:
• батареи накапливают энергию, измеряемую в киловаттчасах,
тогда как конденсаторы концентрируют мощность, измеряемую в ваттах;
• работа батареи зависит от относительно длительно
протекающих химических реакций. Батареи заряжаются достаточно долго, и время их
заряда зависит от тока. Скорость зарядки конденсатора в основном зависит от
сопротивления внешнего включенного последовательно с ним сопротивления;
• батареи обеспечивают подачу постоянного напряжения в
течение довольно продолжительного времени, тогда как конденсаторы разряжаются
очень быстро, и их напряжение резко уменьшается;
• число циклов заряда / разряда батарей невелико (200-1000) и
зависит от глубины разряда. Суперконденсаторы допускают до сотен тысяч циклов
заряда / разряда;
• размеры и масса батарей, особенно большой мощности, велики,
тогда как габариты и масса суперконденсаторов аналогичной мощности значительно
меньше.
Различие источников питания хорошо иллюстрирует диаграмма
логарифмической зависимости их плотности энергии от плотности мощности. Из
диаграммы видно, что по плотности энергии СК примерно в 10 раз уступают обычным
аккумуляторам, тогда как по плотности мощности превосходят их в 10-100 раз.
Это связано с тем, что в обычных аккумуляторах время заряда и
разряда, зависящее от скорости
перемещения заряженных частиц в жидком электролите, велико,
тогда как у конденсаторов этот параметр зависит лишь от времени нагрева
электродов. Таким образом, очевидно, что аккумуляторы и СК не являются
конкурентами и могут дополнять друг друга. Совместное применение СК и
аккумуляторов позволяет увеличить энергию систем питания. Между скоростью
заряда / разряда батареи и ее энергией существует своеобразный компромисс. Для
быстрого разряда батареи толщина слоев ее многослойных электродов должна быть
мала, причем слои необходимо отделять друг от друга, что зависимость
энергетической плотности от плотности мощности приводит к увеличению объема
батареи и снижению ее энергии. Чем больше слоев, тем ниже энергия батареи. При
объ-
единении с СК от батареи уже не требуется подача больших
импульсов мощности. Появляется возможность уменьшить число слоев электрода и
увеличить их толщину. В результате
емкость батареи может быть увеличена в два раза. И
действительно, СК и батареи зачастую используются совместно. Вот почему
несмотря на недостатки конденсаторов и совершенствование литий-ионных
аккумуляторов, вследствие непрерывного роста потребности электронного
оборудования в энергоемких источниках питания малых габаритов интерес к
суперконденсаторам. усиливается.
Идея использования конденсаторов большой емкости вместо
аккумуляторных батарей различного типа не нова, преимущества этого источника
энергии хорошо известны: значительно меньшее время, требуемое на перезарядку и
на порядки большее количество выдерживаемых циклов заряда-разряда. До сих пор
непреодолимой проблемой на пути к реализации удобоваримых по габаритам и цене
производства суперконденсаторов была невозможность изготовления пластин
достаточной площади. Начиная с 60-х годов прошлого века, наилучшие результаты
были достигнуты с применением кристаллических углеродных соединений в качестве
покрытия пластин, позволяющих значительно увеличить эффективную площадь рабочей
поверхности, но все же этого было недостаточно для практического применения.
Новые надежды на реализацию претендующих
на массовое применение суперконденсаторов связаны с использованием для их
построения углеродных нанотрубок - это является темой работ исследовательской
группы из Массачусетского технологического института, возглавляемой профессором
Джоэлом Шиндаллом (Joel Schindall). По прогнозам Шиндалла, в течение пяти лет
могут появиться первые коммерческие образцы суперконденсаторов на базе
углеродных нанотрубок, способные обеспечивать энергией электромобили, а спустя
десять лет цены суперконденсаторов станут сопоставимыми с ценами на
традиционные аккумуляторы. Впрочем, есть немало скептиков, которые ставят под
сомнение если не идею практического применения суперконденсаторов в принципе,
то, во всяком случае, названные сроки начала их практического применения.
Помимо сложностей с реализацией
суперконденсаторов, против их коммерческого применения явно будут играть
значительные средства, уже вложенные в индустрию традиционных аккумуляторов. Во
всяком случае, более двух лет назад мы уже писали о заманчивых перспективах
источников энергии нового типа, но с тех пор особых сдвигов в сторону практики
пока что-то не видно.
В суперконденсаторах (СК) энергия накапливается в процессе
зарядки за счет поляризации двойных электрических слоев (ДЭС) на границах
раздела анод - электролит и катод - электролит.
Модельные представления о строении ДЭС развивались в течении
длительного времени и совершенствуются до нашего времени.
Первая модель - модель Г. Гельмгольца - относится к 1853 г. В
этой модели для описания границы между электродом и раствором электролита была
предложена модель плоского конденсатора. Согласно этой модели к слою зарядов на
электроде жестко притянуты ионы противоположного знака из раствора электролита
так, что ДЭС представляет собой своеобразный плоский конденсатор с очень малым
расстоянием между его обкладками (порядка диаметра молекулы воды). Эта модель
позволила правильно предсказать порядок величины емкости ДЭС, выявила форму
электрокапиллярных кривых, но не могла объяснить зависимость емкости и
пограничного натяжения от температуры и концентрации электролита.
В теории Гуи - Чапмена была предложена теория диффузного
слоя. В этой теории ионы рассматривались как математические точки, которые
находятся под действием теплового движения и одновременно отталкиваются или
притягиваются заряженной поверхностью электрода. Влияние электрического поля
рассматривалось только вдоль одной координаты перпендикулярной поверхности
электрода. Однако, количественный расчет емкости по этой теории на несколько
порядков превышал опытные данные. Основная причина была в том, что не
учитывались реальные размеры ионов.
В теории О. Штерна были учтены собственные размеры ионов.
Одновременно в этой теории были учтены силы неэлектростатического
взаимодействия с материалом электродов, что позволило объяснить явления,
связанные со специфической адсорбцией ионов. Предполагалось, что ДЭС состоит из
двух слоев: плотного и диффузного, разделенных плоскостью получившей название
плоскости Гельмгольца. Толщина плотного слоя равна радиусу гидратированных
ионов (0,3-0,4), нм его относительная диэлектрическая проницаемость значительно
ниже чем в объеме раствора электролита. Это обусловлено довольно жесткой
ориентацией диполей растворителя в плотном слое, как под действием электрического
поля электрода, так и в результате их взаимодействия с материалом электродов. В
диффузионном слое относительная диэлектрическая проницаемость принималась
равной относительной диэлектрический проницаемости воды. Толщина диффузионного
слоя теоретически бесконечна, но практически вводилась некоторая эффективная
толщина. В теории Штерна не учитывалось различие, до которого могут
приближаться к поверхности электрода электрические центры поверхностно -
неактивных и специфически адсорбируемых ионов. В действительности, ионы,
которые специфически адсорбированы частично дегидратированы со стороны
электрода, а потому они входят внутрь плотного слоя и их электрические центры
расположены ближе к поверхности электрода, чем такие же центры полностью
гидратированных ионовповерхностно-неактивных ионов. В результате, вместо одной
плоскости Гельмгольца необходимо было ввести две плоскости: внутреннюю и
внешнюю. Детальная модель ДЭС с учетом двух плоскостей Гельмгольца была развита
в теории Д. Грэма. Кроме разности потенциалов, создаваемой зарядами твердого
электрода и ионами ДЭС, электрические свойства границы раздела электрод -
электролит зависят также от находящихся на поверхности электрода диполей
растворителя. Эти диполи взаимодействуют с зарядами электрода и друг с другом
по законам классической электростатики. В результате, при изменении по величине
заряда электродов изменялось долевое соотношение диполей с противоположными
ориентациями. В последующем модели ДЭС уточнялись, и продолжают уточнится с
учетом значительного числа эффектов как электрических так и неэлектрических.
К проблемным вопросам на сегодня можно отнести следующие.
Остается открытым вопрос что следует понимать под внутренним сопротивлением СК,
каковы временные характеристики электрокинетических процессов. Как следствие,
открытым остается вопрос о параметрических границах режима быстрого заряда СК.
В литературе посвященной разработкам СК практически отсутствует рассмотрение
процессов в сепараторе. Принято считать, что электрокинетические процессы в сепараторах
аккумуляторов с СК идентичны. Возможно ли применение принципиально новых
материалов для сепараторов СК, которые будут более эффективны для энергообмена
в условиях значительно более высоких величин удельной мощности СК по сравнению
с аккумуляторами. К проблемным вопросам можно отнести также то, что подавляющее
большинство работ по изучению свойств двойного электрического слоя акцентируют
внимание на моделировании границы раздела электролита с металлическим
электродом, в то время как граница раздела между электролитом и неметаллическим
материалом электродов суперконденсатора изучена недостаточно и может иметь
отличия от классической модели.
Согласно данным компании Lux Research, совокупные темпы
годового прироста мирового рынка суперконденсаторов за 2008-2014 годы составят
27%, и объем их продаж возрастет с 208 млн. до 877 млн. долл. По мнению
аналитиков компании, рынок суперконденсаторов разделен на два сектора:
• сектор СК для электронных устройств (PCMCIA-карт, флеш-карт,
сотовых телефонов, беспроводных сенсорных сетей, цифровых фотокамер, ноутбуков,
плееров, игрушек, е-книг, пультов дистанционного управления), на котором
действуют большие транснациональные компании;
• сектор больших СК для промышленного применения (в пультах
дистанционного управления, ридерах средств радиоидентификации, медицинском
оборудовании, промышленных лазерах, транспортных системах, выпрямителях,
источниках бесперебойного питания, системах наблюдения и контроля и т.п.), на
котором представлены компании, производящие в основном только СК.
Развитию первого сегмента рынка СК способствует потребность
сотовых телефонов и цифровых фотокамер в источниках импульсной мощности,
которую не могут обеспечить аккумуляторы и обычные конденсаторы. Этот прогноз
согласуется с мнением компании, специализирующейся в области маркетинговых
исследований рынка, Strategy Analytics. Согласно ее оценкам, использование СК в
беспроводных системах зарядки коренным образом изменит способы питания и
применения сотовых телефонов. В итоге продажи СК для бытовых систем за
рассматриваемый период увеличатся со 122 млн. до более 550 млн. долл.
Развитие рынка СК больших напряжений и емкости стимулируют
потребности транспортных средств и вспомогательных источников энергии
электрических сетей (в первую очередь ветроводвигателей). Правда, относительно
высокая стоимость СК для таких применений сдерживает темпы их освоения в этом
секторе рынка.
Тем не менее, продажи больших СК за рассматриваемый период
возрастут с 86 млн. до более 320 млн. долл. По оценкам компании Lux Research,
на рынке постепенно будут усилваться позиции крупных поставщиков таких
конденсаторов. Наибольших успехов на рынке суперконденсаторов, по данным
аналитиков компании, достигнут такие крупные игроки, как Panasonic (семейство
Gold Capacitor), NEC-Token, Maxwell Technologies. Другими крупными
производителями СК являются компании AVX (семейство Best Cap), Nichicon (EVerCAP), Япония, Elna America (DYNACAP), CAP-XX, Австралия, NESS CAP
(NESSCP), Южная Корея. Сегодня на рынке представлены суперконденсаторы самых
различных габаритов, пригодные практически для любого применения и вполне
доступные по цене.
Хотя кажется, что разработчики отчаянно борются за каждый
лишний нанометр, существует множество приложений, где миниатюризация невозможна
или нежелательна. К ним относятся автомобильные и транспортные системы,
возобновляемые источники энергии, военные и аэрокосмические системы. Нормой для
этих приложений являются суперконденсаторы больших размеров и соответственно
большой удельной мощности. Основной игрок в этом секторе рынка - компания
Maxwell Technology, которая с выпуском СК семейства Boostcap установила
стандарты на СК большой емкости. Компания поставляет одно- и многоэлементные СК
серий BCAP и BMOD на низкое напряжение, а также модули на их основе на
напряжение до 125 В и емкость до 500 Ф (см. таблицу).
Число рабочих циклов СК серии BMOD превышает 500 тыс., серии
BCAP - 106. Срок службы СК компании составляет 10 лет. Габариты высоковольтных
модулей лежат в пределах от 178Ч52Ч32 мм до более 515Ч263Ч211 мм. Компания
Evans Capacitor для мощных военных систем впустила конденсаторные батареи
моделей 3STHQ3 и 3PTHQ3 на СК серии THQ3 (компания называет их гибридными
конденсаторами). Емкость СК серии лежит в диапазоне 3,3-150 мФ при напряжении
от 125 до 10 В. Диапазон рабочей температуры конденсаторов - -55…125°С. Кон
денсаторы поставляются в анодированном алюминиевом корпусе, герметизированном
эпоксидной смолой, размером 113,5Ч23,8Ч24,3 мм. Конденсаторные батареи 3STHQ3,
содержащие три последовательно соединенных СК, поставляются в трех вариантах:
0,004 Ф/160 В; 0,0028 Ф/200 В; 0,0019 Ф/250 В и 0,0011 Ф/300 В.
Нельзя не сказать о работах по использованию углеродных
нанотрубок для создания СК с высокими характеристиками. Как указывалось ранее,
CNT - наиболее перспективный материал для получения электродов большой
эффективной площади. И сегодня активно изучаются возможности применения CNT в
суперконденсаторах. Так, в продолжение работ по созданию гибких и прозрачных
элект-ронных устройств на основе CNT и металлических нанопроводов из оксида
индия, которые проводят ученые Инженерной школы Витерби при Университете Южной
Калифорнии, созданы суперконденсаторы с значениями энергетической плотности и
удельной емкости 1,29 Вт·ч/кг и 64 Ф/г соответственно. Конденсатор состоит из
четырех слоев - центрального тонкого слоя электролита, двух тонких пластин из
полиэтилентерефталата (PET), придающих гибкость и прозрачность, а также
верхнего гетерогенного слоя пленки из нанопроводов оксида индия и углеродных
нанотрубок. По утверждению разработчиков, им удалось получить достаточно
впечатляющие результаты благодаря сочетанию металлических нанопроводов из
оксида индия и углеродных трубок. Выбор оксида индия обусловлен его широкой
запрещенной зоной и малой длиной диффузионного пробега.
Пленку CNT получали вакуумным методом фильтрации. С помощью
плоского полимерного штампа пленка отделялась от фильтрационной мембраны и
переносилась на PET-подложку. Нанопровода оксида индия диаметром ~20 нм и
длиной ~5 нм формировали методом импульсного лазерного осаждения, после чего
диспергировали с помощью ультразвука в раствор изопропанола и равномерно распределяли
по пленке CNT. Та ким образом формировалась гетерогенная пленка In2O3/CNT.
Испытания полученных суперконденсаторов показали, что с увеличением содержания
In2O3 в нанопроводах удельная емкость конденсатора возрастает. Проведенные
испытания также показали высокую стабильность СК на основе гетерогенных пленок
In2O3/CNT и большое число рабочих циклов, что позволит создать конденсаторы с
большим сроком службы.
Среди множества возможных применений СК на нанотрубках
создатели указывают встроенные батареи мобильных электронных устройств,
источники питания электронной бумаги. Конденсатор может стать и элементом
питания сетчаточных дисплеев, возвращающих зрение ослепшим людям. Интересные
результаты получены совместными усилиями ученых Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе
и Стэнфордского университета. Ими созданы СК на основе одностенных углеродных
нанотрубок с использованием материалов, допускающих применение обычных методов
трафаретной печати. СК изготавливался путем суспендирования углеродных
нанотрубок в воде с помощью ультразвука и последующего напыления на
PET-подложку воздушным пульверизатором, подобным распылителю струйнного
принтера. Вода испарялась, оставляя два CNT-слоя толщиной 0,6 мкм. В СК
использовался гелиевый электролит, полученный путем смешивания порошкообразного
поливинилового спирта и кислоты. Гель не растекается, что придает СК гибкость.
Значения плотности энергии и мощности созданных таким образом СК составляли 6
Вт·ч/кг и 23 кВт/кг соответственно, сопротивление равно 40-50 Ом, оптическое пропускание
- ~12%. Правда, пока емкость СК недостаточна для его применения в каких-либо
устройствах. Но полученные результаты показывают возможность создания нового
класса печатных, гибких и прозрачных источников тока, способных заменить в
различных устройствах литиевые батареи.
Сейчас усилия разработчиков направлены на повышение
энергетической плотности созданных СК.
Появление современных гибких электронных устройств позволяет
создавать новые системы, которые раньше нельзя было изготовить на основе
несгибаемых компонентов. До сих пор реализовать такие системы не удавалось
из-за отсутствия гибкого источника питания. Но, по-видимому, сегодня из всех
современных энергетических систем в первую очередь суперконденсаторы, с их
высокими значениями плотности энергии и мощности, позволят реализовать
совершенно новые устройства. Основные исследования в области СК сейчас
направлены на совершенствование материала электродов, и здесь большие надежды
возлагаются на углеродные нанотрубки.
Несмотря на значительные средства, уже вложенные в индустрию
традиционных аккумуляторов, сложность реализации суперконденсаторов и их
достаточно высокую стоимость, широкое применение новых источников питания не за
горами.
В СССР производство и применение суперконденсаторов началась
еще в 60-70 г. прошлого столетия в НПО «Квант».
Использование суперконденсаторов позволит избежать провалов
напряжения в больницах и на заводах, поможет экономить энергию, потому что он
заряжается при торможении, и энергия не уходит в тепло. Его использование
поможет снизить вред, наносимый выхлопными газами, в несколько раз. Его можно
заряжать от обычной розетки, и прослужит он не два-три года, как обычный аккумулятор,
а пятнадцать лет. Ему не страшны низкие и высокие температуры, он практически
не имеет ограничений по количеству зарядов и разрядов, а для полной зарядки
достаточно 5-10 секунд. Благодаря суперконденсатору можно значительно уменьшить
аккумулятор автомобиля: суперконденсатор будет реаккумулировать энергию,
затрачиваемую при торможении и возвращать ее в аккумулятор.
В России промышленное производство суперконденсаторов для
пуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) различных транспортных средств, включая
тепловозы, гибридного транспорта и специального применения осуществляется на
предприятиях:
ЗАО «ЭСМА», г. Троицк Московской обл.;
АО «Плескава», г. Псков - по лицензии НПО «ЭКОНД».
Более 90% всей продукции идет на экспорт.
Конденсатор (электрический) - прибор, служащий для
скопления на поверхности небольшого объема вещества большого количества электричества
без значительного повышения при этом напряжения электричества в теле. Одно и то
же количество электричества, будучи придано различным телам, вызовет в них
неодинаковое повышение напряжения, подобно тому, как одно и то же количество
тепла повысит температуру различных тел на различное число градусов. Обратно,
чтобы повысить напряжение (потенциал) различных тел на одну и ту же величину,
нужны различные количества электричества, для одних тел весьма малые, для
других весьма большие. О первых телах говорят, что они обладают малой
электрической емкостью , о вторых, что их электрическая емкость весьма
велика. Вообще же, электроемкость тела определяется тем количеством единиц
электричества - кулонов, которые следует придать телу, чтобы повысить его
потенциал на единицу электрического потенциала - на один вольт. Поэтому за
единицу электрической емкости принята емкость тела, которому нужно придать один
кулон, чтобы повысить потенциал его на один вольт. Эта единица емкости названа
одной фарадой. Итак, если некоторому телу необходимо придать n кулонов
для того, чтобы повысить его потенциал на 1 вольт, 2 n - чтобы повысить
на 2 вольта и т.д., то емкость этого тела будет n фарад. Емкость каждого
отдельно взятого тела зависит от геометрической его формы и от его размеров, но
нисколько не зависит ни от вещества, из которого оно приготовлено, ни от массы
тела. Так, емкости свинцового и алюминиевого шара того же диаметра, массивных
или полых, равны, но емкость свинцового шара изменится, когда мы его масс
Похожие работы на - Системы хранения электрической энергии на основе нанотехнологий Курсовая работа (т). Физика.
Осенний Ветер Сочинение 4 Класс
Реферат по теме Композиция фотографии
Дипломная работа по теме Основные и переходные модели истории
Реферат по теме Суперкомпьютеры, доступные всем
Реферат На Тему Болезнь Марека
Реферат На Тему Основы Здорового Образа Жизни
Курсовая работа по теме Электропривод ножниц с наклонным ножом
Курсовая работа: Конкуренция, её виды, место и роль в современном хозяйственном механизме развитых стран. Скачать бесплатно и без регистрации
Реферат: История открытия и практическое применение электромагнетизма. Скачать бесплатно и без регистрации
Курсовая Работа Заказать В Барановичах
Служба судебных приставов
Реферат по теме Что такое энтропия?
Отчет по практике по теме Організація діяльності Центральної районної поліклініки Деснянського району
Реферат по теме Поэт Николай Некрасов
Методологические основы статистики науки и инноваций
Фгос Курсовая
Отчет по практике по теме Исследование работы ресторана 'Фаворит'
Реферат На Тему Правова Держава: Ідея І Дійсність
Реферат: The Hundred Years War Essay Research Paper
Истоки Сравнительно Исторического Языкознания Реферат
Реферат: Политика и мораль 2
Похожие работы на - Понятие юридического лица
Топик: Essay on the article Tobacco and Tolerance Blowing smoke о вреде курения