Research on molecular energy storage

Full Text

Введение

Молекулярные накопители энергии в последнее время находят широкое применение в различных отраслях техники, в частности в электронных приборах, в радиопередающих устройствах GPS/GPRS (навигаторы, трекеры, гаджеты), в счетчиках электроэнергии, в источниках бесперебойного питания, в устройствах аварийного освещения, в солнечных электростанциях, в твердотельных жестких дисках, в автомобильных «черных ящиках», в мультимедийных аудиосистемах, в элеваторах и лифтах, в системах запуска двигателей и дизель-генераторов, в ветрогенераторах, в железнодорожном транспорте и метро, а также на электромобилях и гибридных автомобилях [1].

Обычные диэлектрические и электролитические конденсаторы накапливают заряд на параллельных проводящих пластинах с относительно небольшой площадью поверхности и, следовательно, имеют ограниченную емкость. Однако они могут работать при высоких напряжениях. В качестве альтернативы электрохимические конденсаторы (ЭК) (также называемые молекулярными накопителями энергий) накапливают заряд в двойных электрических слоях или на участках восстановления-окисления поверхности (рис. 1) [2].

Молекулярные накопители энергии (МНЭ) представляют собой электрохимические конденсаторы с большими значениями удельной мощности, отличаются лучшими техническими характеристиками, чем аккумуляторы, быстрее заряжаются и разряжаются [3].

 

Рис. 1. Принцип действия МНЭ

Fig. 1. The principle of operation of the molecular energy storage

 

В последние годы популярность портативных электронных устройств, таких как ноутбуки, мобильные устройства и гаджеты, цифровые фотоаппараты, а также электромобили и гибридные автомобили, привела к необходимости создания экологически чистых систем хранения энергии большой емкости [3]. Поэтому научные исследования были сосредоточены на создание энергоемких источников энергии и конденсаторов большой емкости. МНЭ или электрохимические конденсаторы с двойным слоем являются идеальными системами накопления энергии вследствие высокой удельной энергии, быстрой зарядки и большого срока службы по сравнению с обычными конденсаторами [4].

Принцип работы конденсаторов и МНЭ схожи. Однако системы хранения энергии отличаются друг от друга. В то время как электрические заряды накапливаются на пластине конденсатора, электрические заряды в МНЭ реализуются путем накопления на электроде и сепараторе электролита. Благодаря системе хранения этих энергетических нагрузок МНЭ достигают высоких значений емкости (рис. 2) [4, 5].

 

Рис. 2. Внутреннее устройство МНЭ

Fig. 2. The internal structure of the molecular energy storage

 

МНЭ основаны на разделении электронных и электростатических зарядов между контактными поверхностями между электродом и раствором электролита, который представляет собой проводящую структуру как механизм накопления энергии. Во время процесса зарядки конденсатора электроны передаются от положительного электрода к отрицательному через внешний источник тока. Ионы электролита движутся по электроду. Во время периода разряда электроны перемещаются от отрицательного электрода к положительному.

Целью работы является определение основных параметров и характеристик молекулярных накопителей энергии, а также исследование влияния молекулярных накопителей энергии на срок службы аккумуляторных батарей.

Основная часть

Существующие типы молекулярных накопителей энергии, несмотря на большое их разнообразие, подразделяют на три типа [5] (рис. 3):

1. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (КДЭС).
2. Псевдоконденсаторы.
3. Гибридные конденсаторы.

 

Рис. 3. Основные типы МНЭ

Fig. 3. Types of molecular energy storages

 

Конденсатор с двойным электрическим слоем (КДЭС)

Конденсаторы с двойным электрическим слоем (КДЭС) представляют собой элементы накопления энергии с высокой удельной энергией по сравнению с обычными конденсаторами и высокой удельной мощностью по сравнению с батареями. В отличие от обычных конденсаторов, в которых не используются химические реакции и сохраняется небольшое количество энергии за счет физического накопления электрических зарядов между двумя проводящими пластинами при приложении электрического поля, эти электрохимические накопители переходят границы в аккумуляторной технологии с использованием специальных электродов и электролита, и имеют значения емкости до 3500 Ф в одном стандартном корпусе с длительным сроком службы (> 100 000 циклов) [6].

Псевдоконденсаторы

Псевдоконденсаторы, также называемые фарадеевскими МНЭ, отличаются от КДЭС тем, что псевдоемкость возникает в результате быстрых и обратимых фарадеевских (окислительно-восстановительных) реакций на поверхности электрода или вблизи нее. Фарадеевские электрохимические процессы включают прохождение заряда через двойной слой, в результате чего ток проходит через ячейку МНЭ.

Такие конденсаторы обладают высокой удельной энергией, но низкой удельной мощностью по сравнению с КДЭС. В качестве материалов для КДЭС как правило применяют псевдоемкостные материалы − оксиды металлов (RuO₂, MnO₂) и электронопроводящие полимеры (полианилины, полипирролы, политиофены) [7].

Гибридные конденсаторы:

Представляют с собой комбинацию аккумулятора и конденсатора в одном корпусе, благодаря чему они имеют высокие значения как удельной энергии, так и мощности [8]. В настоящее время проводятся большие исследование гибридных конденсаторов с различными конструкциями электродов (композитные, асимметричные и аккумуляторные) [8−9].

В гибридных конденсаторах используются углеродные и металлооксидные материалы. Использование активированного угля для электродов при производстве конденсаторов дает возможность изменять диапазон потенциалов. Удельная энергия гибридных конденсаторов больше, чем у конденсаторов с двойным слоем, но меньше, чем у аккумуляторных батарей [9].

Основные характеристики молекулярных накопителей энергии:

• время зарядки/разрядки: от миллисекунд до секунд;
• рабочая температура: от −40 °C до + 85 °C;
• рабочее напряжение: около 1 В (для жидких электролитов) и около 2−3 В (для органических электролитов):
• емкость: от 1 мФ до> 10,000 Ф
• срок службы: от 5000 до 50 000 часов (в зависимости от температуры и напряжения);
• удельная мощность: от 0,01 до 10 кВт/кг;
• удельная энергия: от 0,05 до 10 Вт · ч/кг;
• импульсная нагрузка: от 0,1 до 100 А.

МНЭ имеют следующие преимущества и недостатки.

Преимущества:

• малое внутреннее сопротивление;
• большой срок службы;
• неограниченное по количество циклов заряд/разряд;
• относительно малая стоимость;
• широкий диапазон рабочих температур: от −40 °C до + 85 °C;
• быстрый процесс заряда и разряда;
• работа при любом напряжении, что не превышает номинального;
• использование простых способов заряда;
• отсутствие контроля за режимом заряда.

К числу недостатков МНЭ следуют отнести:

• относительно низкую удельную энергию;
• невозможность обеспечения полного накопления электроэнергии;
• относительно низкое напряжение одного элемента накопителя;
• повышенный саморазряд.

МНЭ представляют собой элементы питания, которые занимают промежуточное положение между химическими источниками тока (аккумуляторами и батарейками) и обыкновенными конденсаторами (рис. 4) [10].

 

Рис. 4. Анализ параметров источников энергии: 1 – область перспективного развития перезаряжаемых химических источников тока (аккумуляторов); 2 – область перспективного развития энергонакопительных конденсаторов с диэлектриками; 3 – область перспективного развития конденсаторов с двойным электрическим слоем

Fig. 4. Analysis of the parameters of energy sources: 1 – area of prospective development of rechargeable chemical current sources (batteries); 2 – area of promising development of energy storage capacitors with dielectrics; 3 – area of promising development of capacitors with an electric double layer

 

Сравнительный анализ различных накопителей энергии показал, что НЭ (конденсаторы, МНЭ и т.д.) при небольшой удельной энергии обладают высокими показателями по удельной мощности [10].

 

Таблица 1

Параметры различных накопителей энергии

Table 1. Parameters of various energy storage devices

Тип накопителей энергии	Удельная энергия, Дж/см3	Максимальная мощность, Вт	Удельная мощность, Вт/м3
Емкостный	0,1 – 0,5	1012 – 1013	1011
Индуктивный	10 – 40	108 – 109	109
Механический	100	107 – 108	108
Химический	200 – 500	106 – 107	107

 

Аккумуляторы отличаются достаточно большой емкостью, но имеют относительно высокое внутреннее сопротивление, что в значительной степени снижает ток отдачи. При относительно небольшой емкости МНЭ способны отдавать достаточно большие токи нагрузки. Таким образом, МНЭ и аккумулятор идеально дополняют друг друга.

 

Таблица 2

Анализ молекулярных накопителей энергии и аккумуляторов

Table 2. Analysis of molecular energy storage and batteries

Параметр	МНЭ	Аккумуляторы
Механизм накопления	Электростатическое накопление заряда	Химическое взаимодействие
Удельная емкость, Вт·ч/кг	3…5	20…150
Удельная мощность, кВт/кг	2…3	0,05…0,3
Время заряда	Быстрое 1…30 с	0,3…3 часа
Срок службы	Более 500,000 циклов заряда-разряда, 10..50 лет	500…2000 циклов заряда-разряда, 10..50 лет
Эффективность заряда-разряда, %	90…95	70…85
Диапазон рабочих температур, °С	-40…70	-20…70

 

На рис. 5 представлена осциллограмма литий-ионного аккумулятора с напряжением 10,8 В при импульсном токе нагрузки 2А.

 

Рис. 5. Осциллограмма литий-ионного аккумулятора с напряжением 10,8 В при импульсном токе нагрузки 2А

Fig. 5. Oscillogram of a lithium-ion battery with a voltage of 10.8 V at a pulsed load current of 2A

 

На рис. 6 представлена осциллограмма литий-ионного аккумулятора с напряжением 10,8 В при параллельном выключении МНЭ ёмкостью 7 Ф.

 

Рис. 6. Осциллограмма литий-ионного аккумулятора с напряжением 10,8 В при параллельном выключение МНЭ ёмкостью 7 Ф

Fig. 6. Oscillogram of a lithium-ion battery with a voltage of 10.8 V with parallel switching off of the molecular energy storage with a capacity of 7 F

 

Сравнительный анализ осциллограмм показывает, что при включении МНЭ емкостью 7 Ф значительно улучшаются переходные процессы и не происходит провалов напряжения  питания.

 

Рис. 7. Осциллограмма литий-ионного аккумулятора с напряжением 10,8 В при импульсном токе нагрузки 2А для ноутбука с DVD

Fig. 7. Waveform of 10.8V Li-ion battery at 2A impulse load current for laptop with DVD

 

На рис. 7 представлена осциллограмма литий-ионного аккумулятора с напряжением 10,8 В при импульсном токе нагрузки 2А для ноутбука с DVD.

На рис. 8 представлена осциллограмма литий-ионного аккумулятора с напряжением 10,8 В при параллельном выключением МНЭ ёмкостью 7 Ф для ноутбука с DVD

 

Рис. 8. Осциллограмма литий-ионного аккумулятора с напряжением 10,8 В при параллельном выключением МНЭ ёмкостью 7 Ф для ноутбука с DVD

Fig. 8. Oscillogram of a lithium-ion battery with a voltage of 10.8 V with parallel switching off of a 7 F molecular energy storage for a laptop with DVD

 

Таким образом, включение МНЭ параллельно аккумулятору позволяет значительно уменьшить пиковую нагрузку, обеспечивая тем самым более всякое качество напряжения питания ноутбука. При этом уменьшается нагрев аккумулятора, повышается его КПД и срок службы.

На рис. 9 приведены зависимости времени работы литий-ионного аккумулятора 3,6 В 600 мАч при нагрузке 2 А для питания устройств мобильной сотовой связи при включении молекулярного накопителя энергии и без него (серая кривая — без МНЭ, черная - с МНЭ).

 

Рис. 9. Временя работы литий-ионного аккумулятора 3,6 В 600 мАч при нагрузке 2 А для питания устройств мобильной сотовой связи при включении молекулярного накопителя энергии и без него

Fig. 9. Run-time of 3.6V 600mAh Li-ion battery at 2A load to power mobile cellular devices with and without molecular energy storage

 

Как видно, включение молекулярного накопителя энергии позволяет увеличить время работы аккумулятора почти на 20%.

Заключение

В данной статье был проведен подробный обзор и анализ молекулярных накопителей энергии, определены их основные характеристики и параметры, а также области применения. Проведенный сравнительный анализ различных накопителей энергии показал, что накопители энергии (конденсаторы, МНЭ и т.д.) при небольшой удельной энергии обладают высокими показателями по удельной мощности.

Можно отметить, что аккумуляторы отличаются достаточно большой емкостью, но имеют относительно высокое внутреннее сопротивление, что в значительной степени снижает ток отдачи. МНЭ представляют собой элементы питания, которые занимают промежуточное положение между химическими источниками тока (аккумуляторами и батарейками) и обыкновенными конденсаторами. При относительно небольшой емкости МНЭ способны отдавать достаточно большие токи нагрузки. Таким образом, МНЭ и аккумулятор идеально дополняют друг друга.

Приведённые исследования показывают, что включение МНЭ параллельно аккумулятору значительно  снижает пиковую нагрузку на аккумулятор, в результате чего снижается его нагрев, а также повышается КПД и срок службы.

About the authors

S. M. Zuyev

Moscow Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: eope@mospolytech.ru

PhD in Physics and Mathematics

Russian Federation, Moscow

R. A. Maleyev

Moscow Polytechnic University

Email: eope@mospolytech.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Moscow

Yu. M. Shmatkov

Moscow Polytechnic University

Email: eope@mospolytech.ru
Russian Federation, Moscow

M. Yu. Khandzhalov

Moscow Polytechnic University

Email: eope@mospolytech.ru
Russian Federation, Moscow

D. R. Yakhutl'

Federal State Unitary Enterprise Scientific Research and Experimental Institute of Road Electronics and Electric Devices

Email: eope@mospolytech.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files