Суперконденсаторы

Суперконденсаторы накапливают электрический заряд посредством быстрых, высокообратимых процессов на поверхностях электродов, обеспечивая очень высокую мощность и длительный срок службы при более низкой плотности энергии по сравнению с батареями.

Definition

Устройство для накопления энергии, которое электростатически накапливает заряд в электрическом двойном слое электродов с большой площадью поверхности, опционально дополненное быстрыми поверхностными окислительно-восстановительными (псевдоемкостными) реакциями.

Scope

Эта тема охватывает электрохимические конденсаторы: двухслойную емкость, возникающую в результате электростатического накопления заряда на электродах с большой площадью поверхности, псевдоемкость от быстрых поверхностных окислительно-восстановительных реакций, используемые материалы, такие как пористые углероды и оксиды металлов, а также результирующие энергетические и мощностные характеристики. Объясняется положение суперконденсаторов между обычными конденсаторами и батареями.

Core questions

• Чем накопление заряда в электрическом двойном слое отличается от накопления заряда в батарее?
• Что такое псевдоемкость и как она увеличивает накопленный заряд?
• Почему суперконденсаторы достигают очень высокой мощности и исключительного срока службы?
• Какие материалы максимизируют доступную площадь поверхности и емкость?

Key theories

Накопление заряда в двойном слое

Заряд физически накапливается за счет накопления ионов на границе раздела электрод–электролит на огромной площади поверхности, без объемной химической реакции, что обеспечивает быструю, высокообратимую зарядку и разрядку.

Псевдоемкость

Быстрые, обратимые поверхностные или приповерхностные окислительно-восстановительные реакции на таких материалах, как оксиды переходных металлов, накапливают дополнительный заряд с конденсаторным откликом, повышая плотность энергии сверх чистого накопления в двойном слое.

Clinical relevance

Суперконденсаторы обеспечивают быстрые импульсы мощности и рекуперацию энергии при рекуперативном торможении в транспортных средствах, резервное питание и выравнивание нагрузки, а также все чаще используются в паре с батареями в гибридных системах, где их высокая мощность и длительный срок службы дополняют плотность энергии батарей.

History

Концепция двухслойного конденсатора восходит к модели границы раздела Гельмгольца XIX века; коммерческие устройства появились с 1970-х годов, а работы Конвея формализовали псевдоемкость, при этом наноструктурированные углероды и оксиды привели к значительному увеличению емкости в 2000-х годах.

Key figures

• Brian E. Conway
• Hermann von Helmholtz
• Yury Gogotsi
• Patrice Simon

Seminal works

• winter2004
• simon2008
• conway1999

Frequently asked questions

Почему суперконденсаторы заряжаются намного быстрее, чем батареи?

Они накапливают заряд путем физического накопления ионов на поверхности электрода, а не посредством медленных объемных химических реакций, поэтому зарядка и разрядка в основном ограничены движением ионов и происходят за секунды.

Почему суперконденсаторы просто не заменяют батареи?

Поверхностное накопление заряда содержит гораздо меньше энергии на единицу массы, чем объемная окислительно-восстановительная химия, поэтому суперконденсаторы обеспечивают высокую мощность, но низкую плотность энергии и были бы слишком громоздкими для большинства применений, требующих длительной энергии.