Маcintosh – ваш верный помощник, чтобы заказать веб сайт

Оборудование для резки металла, гильотинные ножницы

Суперконденсаторы для электроники (часть 1)

Международные экспертные бизнес-агентства по исследованию и анализу новых возможностей для роста корпораций в индустрии пассивных электронных компонентов выделяют суперконденсаторы (СК) как особо перспективную группу приборов. На основе комплексного анализа мирового рынка эксперты делают вывод, что, благодаря использованию нанотехнологий, технические характеристики СК быстро улучшаются, а цена одной фарады и единицы запасаемой энергии неуклонно снижается.

Эксперты разделяют мировой рынок по перспективам применения СК на три основных сегмента: применение на транспорте, в индустрии и электронике. С конца 1970-х годов СК находят широкое применение в электронике, приборы которой с повышением портативности и мобильности всё больше нуждаются в автономных источниках с высокой плотностью энергии ρE и мощности ρW.

Что отличает СК от кондеров, применяемых нами в повседневной работе?

СК превосходят конденсаторы других типов по плотности ёмкости ρC, заряда ρQ и энергии ρE. В обычном плоском конденсаторе заряд концентрируется на обращённых друг к другу поверхностях электродов, а энергия электрического поля сконцентрирована в объёме межэлектродного промежутка. У СК с двумя одинаковыми электродами, разделёнными жидким электролитом, при заряде на гетеропереходах электролит/электрод формируются двойные электрические слои (ДЭС), т.е. слои пространственно разделённых зарядов разного знака.

На одном электроде ДЭС формируют избыточные электроны и притянутые к электроду катионы электролита, а на другом – положительно заряженная поверхность электрода и притянутые к этой поверхности анионы. Оба ДЭС соединены последовательно через электролит и концентрируют заряд, напряжение и энергию. В жидких электролитах ДЭС имеет толщину до ~0,1 нм и высокую ёмкость ~10–5 Ф/см2. Пористые электроды суперконденсаторов с внутренней поверхностью до ≈107см2/г обеспечивают гигантские значения ёмкости (~100 Ф). Поскольку для катионов и анионов электролита часть пор недоступна, то ρC электродов ~25 Ф/г. Принцип радикального уменьшения массы химического источника тока за счёт использования дополнительного СК продемонстрирован на рис. 1.

Для пуска автомобильного двигателя требуется мощность порядка 5 кВт в течение 2 с (10 кДж). Свинцовый кислотный аккумулятор массой 1 кг имеет энергию 100 кДж, что достаточно для 10 пусков, но его мощность только 0,2 кВт, что в 25 раз меньше требуемой. Поэтому используются аккумуляторы массой 25 кг. СК массой 0,5 кг запасает 20 кДж и обеспечивает мощность 5 кВт, что достаточно для пуска двигателя. Если составить гибридный источник массой 1,5 кг (аккумулятор – 1 кг и СК – 0,5 кг), то с его помощью можно запустить двигатель 10 раз. Оптимальным гибридным источником на сегодняшний день представляется сочетание, например, литиевого аккумулятора и СК.

Экспертные агентства отмечают тенденцию замещения в электронике танталовых и алюминиевых конденсаторов на СК, которые имеют более высокие значения ρC, ρE и ρW. СК могут обеспечить работу различных систем при повышенных импульсных токовых нагрузках, поэтому они заменяют в ряде случаев химические источники тока. СК обладают уникальной комбинацией важных характеристик. По сравнению с литиевыми элементами, к преимуществам СК относятся на порядок большая плотность мощности ρW, длительные сроки хранения (~10 лет), отсутствие токсичных и представляющих опасность компонентов, огромное число циклов перезарядки без изменения ёмкости (до 10 000 000 циклов).

Анализ тенденций развития микро- и наноэлектроники показывает возникновение потребности в низковольтных конденсаторах (рабочее напряжение менее 1 В) в период 2006–2016 гг. с рекордно высокими частотно-емкостными характеристиками. Число приложений СК по мере осознания потенциала этих приборов всё время возрастает. СК миниатюрных размеров с плотностью ёмкости ρC более 10 мкФ/мм3 могут занять новую рыночную нишу:

в секторе беспроводных средств (PCMCIA-карты, флэш-карты, сотовые телефоны, специальные компьютеры, беспроводные сенсорные сети);

в потребительском секторе (цифровые камеры, ноутбуки, цифровые плееры, игрушки, e-книги, пульты дистанционного управления);

в производственном секторе (пульты дистанционного управления, считыватели меток товаров, медицинские приборы, промышленные лазеры, транспортные приложения, выпрямители, источники бесперебойного питания, детекторы дыма, системы наблюдения и контроля, и многое другое).

Физическая идея, реализованная в СК, озвучена давно. В 1879 г. выдающийся немецкий ученый Г. Гельмгольц (1821–1894) предложил концепцию двойного электрического слоя для границы металл/жидкий электролит. Он представил ДЭС как конденсатор необычно большой ёмкости (condenser of enormous capacity). Термин «суперконденсатор» (синоним «конденсатор с ДЭС») появился на 100 лет позднее. Он известен как торговая марка (Supercap™) японской корпорации NEC.

Ёмкость современных СК и батарей на их основе составляет 1...10 000 Ф. Они имеют ультратонкий ДЭС (d ~ 1 нм) и гигантские площади A распределённых в объёме прибора дисперсных электродов. В качестве электродных материалов в СК используются пористые вещества с внутренней поверхностью до 1000...3000 м2/г. Ёмкость СК может быть оценена по формуле плоского конденсатора: C = = ε0εrA/d, где ε0 = 8,85х10–12 Ф/м, εr = 1 (относительная диэлектрическая проницаемость ДЭС).

Толщина ДЭС d зависит от концентрации ионов в электролите и размера ионов и для концентрированных жидких электролитов составляет 0,5...1 нм. Поэтому на гладких электродах поверхностная плотность ёмкости превышает 10–5 Ф/см2, а напряжённость электрического поля в ДЭС может быть больше 107 В/см. Появление СК на рынке электронных компонентов относится к 1978 г., когда в Японии по лицензии были выпущены СК, используемые как резервные источники питания чипов памяти компьютеров. СК имели ёмкость ~1 Ф при рабочем напряжении 2,3...2,7 В.

В 90-е годы СК получили известность в связи с попытками создания гибридных источников, обеспечивающих рациональное энергопотребление транспортных средств в переходных режимах движения (ускорение и рекуперация энергии при торможении). Аналогичные задачи возникают и в других областях техники. Например, автономные миниатюрные системы сбора и передачи информации действуют в импульсном режиме, требующем высоких уровней мощности, с чем не справляются батареи и другие слаботочные источники.

СК относятся к наукоёмкой и высокотехнологичной продукции. Материаловедение, нанотехнологии и электрохимия играют решающую роль в раскрытии потенциала СК (повышение технических характеристик и уменьшение стоимости СК, рис. 2). СК разного типа и назначения производятся в Азии, США, Европе и Австралии. Основными мировыми производителями СК являются AVX (торговая марка Best Cap), Panasonic (Gold Capacitor), Nichicon (EVerCAP), Elna (DYNACAP), NECTokin (Super capacitor), Maxwell (Ultracapacitor), СAP-XX, NESS CAP (NESSCAP).

В России ведутся разработки СК (ЭСМА, Троицк, ЭЛИТ Курск), а «Гириконд» (С-Петербург) выпускает СК под маркой «Ионистор». Рынок СК в РФ фактически ещё не сложился. Продаются СК малыми партиями как изделия специального назначения, заказываемые, главным образом, МО РФ.

ПРИНЦИП РАБОТЫ, КОНСТРУКЦИИ И ТИПЫ СК

Существует несколько основных конструкций СК. В большинстве представленных на рынке СК электроды выполнены из разных сортов нанопористого углерода. Между электродами расположен сепаратор, проницаемый для ионов водного или жидкого органического электролита (симметричная конструкция, рис. 3). При подаче разности потенциалов на электродах формируются ДЭС, образуемые избыточными носителями противоположной полярности.

Ёмкости ДЭС электродов C1 и C2 соединены последовательно через электролит, так что общая ёмкость СК C = C1C2/(C1 + C2), а при C1 = C2 величина C = C1/2. Для увеличения ёмкости СК размеры нанопор анода (катода) подбираются так, чтобы в поры могли входить отрицательные (положительные) ионы электролита, имеющие разные размеры.

Разработан ряд электрохимических конденсаторов асимметричной конструкции, в которых один электрод (обычно отрицательный) выполнен из активированного углеродного материала и является идеально поляризуемым, а на другом электроде в процессе зарядно-разрядного цикла идут фарадеевские процессы (неполяризуемый электрод), сопровождающиеся изменением массы электрода и переносом заряда через гетерограницу электрод/электролит.

Ёмкость положительного электрода обычно более чем на порядок превышает ёмкость отрицательного электрода при одинаковых размерах. Ёмкость асимметричного СК определяется ёмкостью поляризуемого электрода: С = С1.

Рис. 4. В тонкоплёночном сегнетоэлектрическом конденсаторе электрическое поле Е занимает слой толщиной ≈0,5 мкм (а), в СК сопоставимой ёмкости на основе ПСИП электрическое поле Е концентрируется в слое толщиной ≈0,0005 мкм (б)

По электрохимическому поведению СК можно разделить на следующие типы:

1. СК с идеально поляризуемыми электродами (симметричные СК), например, со следующими структурами: Au––30-% водный раствор KOH–Au+; C––38-% водный раствор H2SO4–C+; Pt––органический электролит–Pt+. В таких СК на электродах в рабочем интервале напряжений электрохимические реакции не протекают, поэтому по величине энергии, мощности, температурному диапазону и количеству циклов заряд-разряд они ближе всего к оксидно-электролитическим конденсаторам.

2. СК с идеально поляризуемым электродом и неполяризуемым/слабополяризуемым вторым электродом (асимметричные СК), например, со следующими структурами: Ag––твердый электролит RbAg₄I₅–C+; C––30-% водный раствор KOH–NiOOH+.

В конденсаторе с твёрдым электролитом RbAg₄I₅ (суперионным проводником) реакция протекает на катоде: Ag+ + e ↔ Ag0, а в конденсаторе с 30-% водным раствором KOH реакция на аноде имеет вид: Ni₂+ – e ↔ ↔ Ni₃+. Эти реакции накладывают диффузионные и кинетические ограничения на скорость зарядки и разрядки СК, поэтому по своим характеристикам асимметричные СК ближе к аккумуляторам, чем к симметричным СК.

По типу используемых в качестве электролитов материалов СК можно разделить на следующие группы:

жидкостные,

твердотельные,

полимерные,

на основе биологических объектов.

Полимерные электролиты представляют собой растворы солей в полимере. На макроскопическом уровне такие вещества ведут себя как твёрдые тела, что обеспечивается контактными взаимодействиями макромолекул полимера, а на микроскопическом уровне они демонстрируют черты поведения жидкостей. В настоящее время наиболее часто используются полимерные твёрдые электролиты, образующиеся при смешивании окиси полиэтилена и таких солей, как LiClO₄, LiAsF₆, LiCF₃SO₃ и др.

Применение СК на основе твёрдых электролитов обеспечивает ряд преимуществ. Для электроники важна возможность создания тонкоплёночных СК с использованием микроэлектронных технологий. Перспективно использовать в СК высокопроводящие твёрдые электролиты – так называемые «передовые суперионные проводники» (ПСИП) – вещества с рекордно высоким уровнем ион-транспортных характеристик.

СК на основе ПСИП могут конкурировать с высокоёмкими конденсаторами на основе сегнетоэлектрических материалов. В СК на основе ПСИП, так же как в СК с жидкими электролитами, энергия электрического поля запасается в ДЭС молекулярной толщины. Вызываемые проникающими ионизирующими излучениями токи утечки конденсаторов повышаются с увеличением объёма, занимаемого электрическим полем (рис. 4).

Радиационно-стойкие высокоёмкие СК необходимы для создания электроники и объектов нано- и микросистемной техники, предназначенных для работы в условиях сильных космических излучений и на территориях с высокими концентрациями радионуклидов. Плёночные СК на основе ПСИП должны значительно превосходить сегнетоэлектрические конденсаторы по радиационной стойкости.

Наверх

Продолжение статьи ->>>