К вопросу об эффективности и целесообразности создания гибридных (асимметричных) суперконденсаторов

№ 3’2015
PDF версия
Начавшаяся в середине прошлого века реализация свойств двойного электрического слоя в накопителях электрической энергии позволяет сегодня ликвидировать серьезный разрыв, а точнее провал между энергетическими и мощностными характеристиками традиционных накопителей энергии: электрических конденсаторов и электрохимических накопителей — аккумуляторов. Разработкой и постановкой на производство двойнослойных накопителей энергии (запатентованное ОАО «НИИ «Гириконд» товарное наименование «ионисторы») занимается целый ряд зарубежных и отечественных фирм. При этом, кроме накопителей с двойным электрическим слоем на обоих электродах, предлагаются и так называемые гибридные (или асимметричные) накопители-суперконденсаторы, у которых на одном электроде накопление энергии осуществляется в двойном электрическом слое, а на другом — в электрохимической структуре аккумуляторов, как представлено, например, в [1].

Отдавая должное высокой компетентности разработчиков таких накопителей в части понимания соответствующих физических и химических процессов и не ставя под сомнение высокий уровень предлагаемых материаловедческих и технологических решений по реализации каждого электрода накопителей, предлагаю априори оценить ожидаемую конечную эффективность сочетания, что называется, «в одном флаконе» — конденсатора с двойным электрическим слоем и аккумулятора.

Как известно, двойной электрический слой обладает существенно меньшей удельной энергоемкостью по сравнению с электрохимической структурой. В то же время его несомненным преимуществом является значительно меньшее, в связи с отсутствием массопереноса, внутреннее, или эквивалентное, последовательное сопротивление (ЭПС), что обеспечивает накопителям с двойным электрическим слоем повышенную по сравнению с аккумуляторами удельную мощность при разрядке.

Возьму на себя смелость предположить, что основной побудительной причиной создания «асимметричного суперконденсатора» является стремление совместить в одном изделии преимущества обоих упомянутых видов накопителей энергии. Возможно ли это?

Не вдаваясь в физическую и химическую природу происходящих в таком накопителе процессов, попробуем ответить на этот вопрос, рассмотрев его простейшую классическую феноменологическую модель, представленную на рисунке.

Феноменологическая модель «асимметричного» накопителя энергии:

Рисунок. Феноменологическая модель «асимметричного» накопителя энергии:
С1 — электрическая емкость электрода с двойным электрическим слоем;
С2 — электрическая емкость электрохимического (аккумуляторного) электрода;
R1 — ЭПС электрода с двойным электрическим слоем;
R2 — ЭПС электрохимического электрода

Сразу оговоримся, что мы подразумеваем под  емкостью С2. Измеряемая в фарадах (Ф) электрическая емкость, например, линейного электрического конденсатора является, по существу, размерным коэффициентом пропорциональности между накопленным в нем зарядом и напряжением на его выводах. С точки зрения вольт-кулонной характеристики классические аккумуляторы представляют собой нелинейные накопители, у которых некое подобие линейности проявляется лишь на начальной стадии зарядки, когда накопление заряда определяется только начальными процессами массопереноса на поверхности электрода. Именно эту, квазилинейную электрическую емкость мы подразумеваем под емкостью С2 (рисунок). Емкость аккумулятора, измеряемая, как правило, в ампер-часах (А·ч), является, по существу, зарядом, основной процесс накопления которого, связанный с массопереносом в объеме электрода, происходит при практически постоянном напряжении и постоянным по величине током. Сразу отметим, и это представляется очевидным, что указанная основная составляющая часть емкости аккумуляторного электрода принципиально не может быть заряжена в таком режиме через емкость С1 (рисунок).

При подключении рассматриваемой модели накопителя к источнику напряжения в конце процесса зарядки, описываемого набором экспонент, общее напряжение зарядки накопителя распределится между электродами обратно пропорционально их емкостям. Иначе говоря, U1/U2 = C2/C1, где U1 и U3 соответственно напряжения на двойнослойном и аккумуляторном электродах. Нетрудно убедиться, что точно в таком же соотношении (и это принципиально!) распределится накопленная на электродах энергия W1 = C1U12/2 и W2 = C2U22/2, где W1 и W2 соответственно энергия, накопленная на электроде с двойным электрическим слоем и аккумуляторном электроде. Учитывая, что даже электрическая емкость С2, представляющая начальную часть вольт-кулонной характеристики аккумуляторного электрода, существенно больше С1, неизбежно придем к выводу, что основная часть общей энергии накопителя придется на электрод с двойным электрическим слоем и лишь незначительная ее часть — на долю аккумуляторного электрода, обладающего потенциально высокой энергоемкостью.

Изложенные положения убедительно свидетельствуют, что в рассматриваемой модели накопителя энергии объективно действует следующая закономерность. Чем выше емкость аккумуляторного электрода (то есть его потенциальная энергоемкость), тем меньше и незначительнее (!) его реальный вклад в общую эффективную энергоемкость накопителя электрической энергии.

Возникает законный вопрос: какую же роль играет в таком накопителе его аккумуляторная составляющая? Фактически этой составляющей в рассматриваемой модели накопителя остается лишь роль соединителя между проводниками с разными типами проводимости. Кстати, именно такую роль играет в алюминиевых и танталовых электролитических конденсаторах их катодная емкость, которая, как правило, на порядки больше их основной — анодной емкости. Но не слишком ли скромна эта роль для литий-ионной электрохимической структуры, обеспечивающей современным аккумуляторам высокий уровень энергоемкости? Отметим также, что повышенное значение ЭПС, свойственное электрохимической природе аккумуляторного электрода, неизбежно увеличивает общее внутреннее сопротивление накопителя R = R1+R2, то есть заметно уменьшает развиваемую накопителем мощность при его разрядке.

Как видим, в рассматриваемой модели накопителя сочетаются отнюдь не преимущества двух видов накопителей энергии, а их недостатки: относительно низкая энергоемкость конденсаторов с двойным электрическим слоем и повышенное внутреннее сопротивление аккумуляторов.

Спрашивается, какие же преимущества от таких накопителей ожидают авторы их разработок по сравнению с конденсаторами с двойным электрическим слоем на обоих электродах?

А на поставленный вначале вопрос о том, можно ли сочетать в одном накопителе энергии преимущества конденсаторов с двойным электрическим слоем и аккумуляторов, давно существует однозначный подтвержденный, практикой ответ: да, и можно, и нужно! Это уже нашедшее практическое применение параллельное соединение самостоятельных приборов — конденсатора с двойным электрическим слоем на обоих электродах («симметричный суперконденсатор»!) и современного аккумулятора. При этом параметры обоих компонентов накопителя могут быть сбалансированно увязаны между собой для оптимальной реализации режимов и условий работы накопителя энергии.

Именно таким и только таким представляется на основе приведенных выше соображений магистральный путь создания высокоэффективных накопителей электрической энергии самого различного назначения.

Но, может быть, представленная простейшая феноменологическая модель не в полной мере описывает свойства «асимметричного» суперконденсатора?

Давайте подискутируем…

Литература
  1. Коштял Ю., Рыкованов А., Румянцев А., Жданов В. Литий-ионные конденсаторы: устройство и характеристики // Компоненты и технологии. 2015. № 2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *