Группа исследователей из хорошо известного специалистам Техасского университета A&M под руководством доктора наук Чунго Ю разработала новый тип суперконденсатора, который в дополнение к своему традиционному применению для хранения электрического заряда, способен накапливать энергию за счет тепла человеческого тела или других тепловых источников. Данная разработка, получившая название Thermally Chargeable Solid-state Supercapacitor, в весьма близкой перспективе может стать практически неограниченным источником питания для маломощных портативных электронных устройств и объектов Интернета вещей, получая энергию непосредственно из окружающей среды. По словам доктора Ю, это первое успешное получение электрической энергии непосредственно из тепла посредством применения специального твердотельного полимерного электролита.

Тепловое воздействие создает в электролите локальные электрические поля с высоким напряжением, которое инициирует электрохимические реакции, приводящие к зарядке суперконденсатора.

Созданный техасскими исследователями суперконденсатор тонок и гибок. В основе принципов его работы лежит явление термодиффузии в твердотельных полимерных электролитах. За счет этого явления под влиянием температурного градиента ионы перемещаются от более горячей стороны в сторону более холодной. Возникающий при этом электрохимический потенциал и обеспечивает заряд суперконденсатора, который можно использовать в виде электрической энергии.

“Этот суперконденсатор с “тепловой зарядкой” обладает огромным потенциалом для приведения в действие различных электронных устройств” – рассказывает доктор Чунго Ю, – “Он позволяет реализовать снабжение электрической энергией совершенно новым способом, без необходимости использования внешнего источника питания или периодической замены батарей”.

Альтернативные исследования

В лаборатории органической электроники Линчёпингского университета (Швеция) разработали ионистор, который сверхэффективно преобразует тепло в электричество. Он может заряжаться от Солнца или собирать тепловую энергию с других источников, например, от какого-нибудь производственного процесса.

Ионистор не содержит дорогих или вредных материалов в сколько-либо значимых количествах и полностью подходит для изготовления в промышленных масштабах на существующих производственных линиях. Изобретатели надеются, что новый тип термоэлектрических приборов найдёт широкое применение, так что мы не станем больше бесцельно рассеивать тепло в атмосферу.

Ионистор — конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, обкладками в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электролита и электрода. Толщина двойного электрического слоя крайне мала, а площадь пористых материалов обкладок очень велика, так что запасённая энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами.

При создании нового ионистора учёные использовали термодинамический эффект (эффект Соре) — возникновение напряжения между контактами с разной температурой.

Много лет в лаборатории экспериментировали с разными видами электролитов из ионов и токопроводящих полимеров. Положительно заряженные ионы маленькие и быстрые, а отрицательно заряженные молекулы полимеров относительно громоздкие и тяжёлые. При возникновении разности температур катионы движутся к холодному электроду быстро, а анионы остаются на месте. Заряд накапливается в слое из углеродных нанотрубок.

Исследователям удалось подобрать электролит в тысячи раз эффективнее всех существующих ионисторов на термоэлектрическом эффекте. Электролит сделан на основе полиэтиленгликоля (PEO) с добавкой NaOH (C(NaOH)=0,75mM). Один электрод ионистора изготовлен из золота, второй — из углеродных нанотрубок.

Авторы изобретения признаются, что сами не понимают, почему их термоэлектрический ионистор в 2500 раз эффективнее всех существующих.

Научная работа “Ionic Thermoelectric Supercapacitor” опубликована в журнале Energy & Environmental Science (pdf).

Немного про суперконденсаторы

Энергетика — крайне интересная сфера, которая развивается бурными темпами много лет подряд. На Хабре публикуются самые разные статьи об альтернативных источниках энергии, аккумуляторных батареях от Маска, электромобилях и т.п.

Но есть одна тема, которая затрагивается не так уж и часто. Речь идет о суперконденсаторах. Им как раз посвящена эта статья, в ней раскрывается суть суперконденсатора, сферы применения, плюс описываются кейсы из разных отраслей — промышленности, транспорта и т.п., где используются эти системы.

Суперконденсатор, что ты такое?

Все мы знаем, что такое аккумулятор — это источник постоянной мощности, ограниченный током разряда. Батареи бывают большие и маленькие, применяются они крайне широко — от транспорта до игрушек.

Но эта статья посвящена суперконденсаторам, так что пришло время рассказать о них. Так вот, любой суперконденсатор — это источник не постоянной, а импульсной мощности. Она ограничена лишь эквивалентным внутренним сопротивлением, которое позволяет элементу работать, фактически, на токах короткого замыкания.

Но при этом, в отличие от аккумулятора, это источник кратковременных, хотя и мощных импульсов энергии. Соответственно, и используются суперконденсаторы там, где нужна большая мощность на небольшой срок.

Суперконденсаторы называют еще ионисторами. Эти элементы состоят обычно из двух погруженных в электролит электродов и сепаратора. Последний нужен для того, чтобы не допустить перемещение заряда между двумя электродами с противоположной полярностью.

У суперконденсаторов два положительных свойства — высокая мощность и низкое внутренне сопротивление, чем они и отличаются от конденсаторов и аккумуляторных батарей. Чаще всего материал электрода суперконденсаторов — активный углерод, у которого две важные особенности, включая очень большую площадь поверхности и небольшое расстояние между разделенными зарядами.

Еще один положительный момент — длительный срок хранения и продолжительный срок службы суперконденсаторов. Все это — благодаря особенностям накопления энергии. Так, суперконденсаторы работают за счет разделения зарядов. Этот процесс легко обратим, так что отдавать энергию суперконденсаторы могут действительно быстро.

Теперь немного об определении характеристик суперконденсаторов. В отличие от аккумуляторов, где основная характеристика — это емкость, измеряемая в Ампер-часах, у суперконденсаторов это Фарад. Вот формула, которая позволяет определить энергию суперконденсатора: Энергия (Дж) = 1/2*Емкость (Ф) * Напряжение в квадрате (В)

Есть несколько видов суперконденсаторов:

• Двойнослойные, или ДСК.
• Псевдоконденсаторы.
• Гибридные конденсаторы.

В первом случае система состоит из двух пористых электродов, разделенных заполненным электролитом сепаратором. Запас энергии идет за счет разделения заряда на электродах с очень большой разностью потенциалов.

Во втором — система включает два твердых электрода и базируется на двух механизмах сохранения энергии. Это фарадеевские процессы и электростатическое взаимодействие.

Третий вариант — переходный между конденсаторами и аккумуляторами. Электроды здесь выполнены из разных материалов, а накопление заряда осуществляется благодаря разным механизмам.

Где могут использоваться суперконденсаторы?

Вполне логичный ответ — в отраслях, где нужно отдавать энергию быстро и в большом объеме. В частности, это может быть:

• Альтернативная энергетика, накопление энергии при помощи топлива, волн ветра и солнца.
• Транспортные системы — это может быть запуск двигателя машин, гибридные электрические транспортные средства, локомотивы и т.п.
• Накопители энергии в домохозяйствах — например, там, где используются фотоэлементы или ветрогенераторы.
• Электронные устройства, где суперконденсаторы используются в качестве источника кратковременного питания.
• ИБП — как небольшого размера, так и очень большие. В системах бесперебойного электропитания суперконденсаторы можно использовать совместно с топливными элементами и другими источниками.
• Традиционная энергетика, в сферах, где неизбежны критические нагрузки, но где требуется бесперебойная работа всего и вся. Это могут быть аэропорты, вышки связи, больницы и т.п.
• Электронные устройства разного размера и мощности.

Что касается ветроэнергетики и солнечной энергетики, то суперконденсаторы здесь стоит использовать для развертывания гибридных систем накопления энергии, которые включают в себя как накопитель на Li-Ion батареях, так и накопитель на основе суперконденсаторов.

Примеры

Их можно привести большое количество, но разумно будет ограничиться тремя наиболее показательными.

Частотно-регулируемый электропривод. Здесь суперконденсаторы нужны при просадках напряжения и кратковременном, не более 10 секунд, блэкауте. Такие приводы используются на участках непрерывного технологического цикла на производственных объектах. Кроме того, суперконденсаторы стоит использовать на предприятии и в системах, которые снабжают объект газом, водой, теплом и энергией, т.п. на компрессорных станциях, в котельных, насосных станциях и т.п.

Источник бесперебойного питания. В этом случае суперконденсаторы дают возможность компенсировать провалы напряжения, которые приводят к проблемам с непрерывностью технологических процессов. Здесь речь идет о крупных объектах, включая промышленность и разного рода инфраструктуру — например, транспортную.

Суперконденсаторы, в частности, используются на заводе Skoda в Чехии, а именно — роботизированном цехе по покраске корпусов автомобилей. Если процесс окрашивания по какой-либо причине остановится, потом корпус придется возвращать в начало цикла.

Регулирование выходной мощности турбин ветрогенераторов. Большая проблема альтернативной энергетики — сложность поддержания выходной мощности турбин на одном уровне. Чем выше скорость ветра и сам он мощнее, тем больше вырабатывается энергии. Чем ниже, соответственно — тем энергии меньше. В итоге выходная мощность турбин может меняться, и очень значительно.

В этом случае суперконденсатор может помочь, причем сразу несколькими способами:

• Поддержание электропитания на прежнем уровне на время кратковременного пропадания напряжения.
• Обеспечение стабилизации частоты и напряжения в передающих и распределительных сетях с высокой концентрацией возобновляемых источников энергии.

Производят ли суперконденсаторы в России?

Да, в НИТУ «МИСис» разработана технология, которая открыла возможность отечественной компании запустить производство суперконденсаторов.

Так, еще в 2017 году компания ТЭЭМП запустила в г. Химки производство высокоэффективных суперконденсаторов и модулей на их основе. При этом все это — чисто российские разработки. ТЭЭМП, к слову, производит плоские единичные элементы в ламинированном корпусе, который может использоваться в химических источниках тока с органическими электролитами: суперконденсаторах, литий-ионных аккумуляторах, металло-воздушных источниках тока.

При этом, ТЭЭМП производит ячейки собственной запатентованной конструкции – призматическая ячейка с токосъемом по всей ее поверхности. И сделано это не для того, чтобы показать свою уникальность, а чисто с практической точки зрения – распределенный по всей поверхности токосъем обеспечивает равномерность тепловых полей, тем самым замедляя процесс деградации и продлевая срок службы суперконденсатора.

Продукция «ТЭЭМП» уникальна по многим параметрам. Суперконденсаторные модули компании успешно работают при температурах до -60°С. Они отличаются низким внутренним сопротивлением, а значит, способны обеспечить большие импульсные токи. Собственная конструкция ячеек и модулей позволяет снизить массу и размер суперконденсаторной сборки на 30% по сравнению с аналогичными устройствами.

В сухом остатке

В качестве вывода можно подвести итоги, указав преимущества и недостатки суперконденсаторов. Некоторые из них упоминались выше, но сейчас стоит перечислить все это отдельно.

Итак, достоинства:

• Относительно невысокая стоимость устройства накопления энергии в расчете на 1 Фарад.
• Крайне высокая плотность мощности.
• Высокий КПД цикла, который достигает 95% и выше.
• Надежность, длительный срок службы.
• Широкий диапазон рабочих температур.
• Огромное количество циклов с неизменными параметрами.
• Высокая скорость заряда и разряда.
• Допустимость разряда до нуля.
• Относительно небольшой вес.

Недостатки:

• Относительно небольшая энергетическая плотность.
• Высокая степень саморазряда. Небольшое напряжение из расчета на единицу элемента.

Достоинств все же больше, чем недостатков, и благодаря этому технология активно внедряется во все большее количество отраслей. Сейчас удельная емкость суперконденсаторов увеличивается, а время заряда — наоборот, снижается. При достижении определенного предела можно будет говорить о полной замене аккумуляторов на суперконденсаторов в некоторых сферах, что, в целом, уже и происходит.