Где заканчиваются аккумуляторные батареи и начинаются суперконденсаторы?

Rus На русском Eng In English

В своей статье в журнале Science известные ученые Патрис Симон, Юрий Гогоци, Брюс Дан детально описывают и определяют различия между аккумуляторными батареями и суперконденсаторами. Ученые утверждают, что  различия между типами материалов накопителей энергии и лежащими в их основе механизмов можно проиллюстрировать с помощью результатов электрохимических измерений, очерчивают дальнейшие перспективы и направления развития в области накопителей энергии, настаивают на соблюдении ясности в терминологии и соответствии методов измерений.


Аккумуляторные батареи обеспечивают работу устройств в течение всего дня благодаря высокой плотностью энергии (high energy density) – но когда они разряжаются, то подзарядка занимает несколько часов. Для быстрой подачи энергии и быстрой подзарядки используются электрохимические конденсаторы, обладающие высокой удельной мощностью (high power density), известные как суперконденсаторы.  Они обычно применяются в системах бесперебойного электроснабжения, и наиболее эффективны в таких областях, где требуется импульсное выделение энергии за максимально короткий отрезок времени (гибридные автомобили, электроника, источники импульсной мощности для разгона электромобилей и рекуперации энергии при торможении, а также они используются в комбинации с ветрогенераторами, солнечными батареями).  Одним из подобных применений является рекуперативное торможение, используется для восстановления мощности в автомобилях и электрических транзитных транспортных средствах, которые могли бы потерять энергию торможения в виде тепла. Тем не менее, суперконденсаторы имеют низкую плотность энергии. Хотя и аккумуляторные батареи, и суперконденсаторы основаны на электрохимических процессах, однако их относительную энергию (relative energy) и удельную мощность (power density) определяют разные электрохимические механизмы .
В течение последних 5 - 7 лет мы стали свидетелями того, что исследования в области хранения энергии значительно расширились, и они направлены на разработку материалов, которые могли бы сочетать высокую плотность энергии аккумуляторных батарей с длительным жизненным циклом и высокой скоростью зарядки суперконденсаторов. Однако размывание этих двух электрохимических подходов может привести к путанице и необоснованным утверждениям, если особое внимание не уделяется фундаментальным характеристикам производительности.

В литий-ионных (Li +) батареях вставки Li+, которые обеспечивают окислительно-восстановительные реакции в массовых электродных материалах, поддаются диффузионному контролю, что происходит медленно. Суперконденсаторные устройства, известные также как электрохимические конденсаторы с двойным электрическим слоем (EDLCs), хранят заряд путем адсорбции ионов электролита на поверхность электродных материалов (см. рисунок, А-D). Никаких окислительно-восстановительных реакций не требуется, так что отклик на изменение потенциала без диффузионных ограничений происходит быстро и приводит к высокой мощности. Тем не менее, заряд ограничивается поверхностью, так что плотность энергии электрохимических конденсаторов с двойным электрическим слоем меньше, чем в аккумуляторных батареях.

Как показано на рисунке (E-Н), суперконденсаторы можно отличить от батарей с помощью и потенциостатических и гальваностатических методов. Различные методы достижения емкости двойного слоя характеризуются классическими прямоугольными циклическими вольтамперограммами ( Е) и линейным  времени-зависимым изменением потенциала при постоянном токе (G). В аккумуляторных батареях, циклические вольтамперограммы характеризуются фарадеевскими окислительно-восстановительными пиками, часто с довольно большой разностью напряжений (более 0,1 до 0,2 V) между окислением и восстановлением, в результате фазовых переходов (F). Прин наличии двух фаз наблюдается горизонтальная полка напряжения в гальваностатических экспериментах (H).

Сравнение аккумуляторных батарей и суперконденсаторов

Рис.1. Сравнение аккумуляторных батарей и суперконденсаторов:

(А-D) На рисунке изображены различные механизмы ёмкостного хранения энергии. Ёмкость двойного слоя образуется на электродах, которые включают (A) углеродные частицы или (B) пористый углерод. Двойной слой, который показан на этом рисунке, возникает во время адсорбции отрицательных ионов из электролита на положительно заряженный электрод. Псевдоёмкостные механизмы включают (С) окислительно-восстановительную псевдоёмкость, как это происходит в водном оксиде рубидия RuO2 и (D) псевдоёмкость при интеркаляции (показано внедрение ионов Li + в принимающий материал).

(Е-Н) В электрохимических характеристиках материалов, используемых в аккумуляторных батареях и конденсаторах существуют значительные отличия. Результаты циклических вольтамперограмм показывают отличия между материалом конденсатора, в котором в ответ на линейное изменение потенциала возникает постоянный ток (E), и материалом аккумуляторной батареи, которому на рисунке соответствуют фарадеевские окислительно-восстановительные пики (F).

Поведение псевдоконденсатора на основе оксида марганца MnO при гальваностатической разрядке (где Q - это заряд) является линейным как для обычных, так и наноразмерных материалов(G), но  наноразмерный кобальтат лития LiCoO2 демонстрирует линейные характеристики, в то время как массивный материал показывает плато напряжения (H)

В 1970-х, профессор Конвей и другие ученые признали, что хотя обратимые окислительно-восстановительные реакции, протекающие на поверхности соответствующего электродного материала, и приводят к электрохимическим процессам, наподобие конденсаторов с двойным электрическим слоем, но все же окислительно-восстановительные процессы обеспечивают гораздо большее хранение заряда (charge storage). Такая псевдоемкость (pseudocapacitance) представляют собой второй механизм емкостного накопления энергии. Наиболее известными являются псевдоконденсаторы, использующие обратимые электрохимические процессы на поверхности электродов, на основе RuO2 и MnO2; недавно этот список расширился до других оксидов, а также нитридов и карбидов. Псевдоемкостные материалы дают возможность достичь плотности энергии (energy density) на уровне аккумуляторных батарей в сочетании с длинным жизненным циклом и плотностью мощности (power density) конденсаторов с двойным электрическим слоем. Во избежание дальнейшей путаницы, по предположению авторов статьи, эти материалы можно назвать оксидными суперконденсаторами (нитриднными, карбидными и т.д.), чтобы признать, что значительная часть накопления заряда возникает из окислительно-восстановительные реакций. Использование этой терминологии требуется для идентификации механизма накопления заряда, а не только определения типа материала.

Второй особенностью, стирающей различие между аккумуляторными батареями и суперконденсаторами, является то, как меняется их реакция, когда используются наноразмерные материалы. Когда материалы батареи изготовлены в наноразмерных формах, их плотность мощности (power density) увеличивается благодаря коротким транспортным путям для ионов и электронов . Тем не менее, увеличение удельной мощности не обязательно преобразовывает наноразмерные материалы в оксидные суперконденсаторы, потому что их фарадеевские окислительно-восстановительные пики и гальваностатические профили остаются такими же как у аккумуляторной батареи (см. рисунок, панели F и Н). При меньших размерах (<10 нм), есть признаки того, что традиционные материалы аккумуляторов проявляют свойства, подобные конденсаторам (например, кобальтат лития LiCoO2, показано в таблице Н рисунка; оксид ванадия V2O5 также может вести себя подобным образом). "Внешняя" псевдоемкость может возникнуть, когда материал аккумуляторной батареи разработан на наноуровне таким образом, что большая часть мест хранения Li + находятся на поверхности или приповерхностной области.

Выразительные окислительно-восстановительные пики в вольтамперометрии может могут свидетельствовать о псевдо емкости, при условии, что разница между пиковыми напряжениями незначительна и остается таковой с возрастанием скорость развертки. Также могут быть использованы кинетические данные, полученные с вольтамперометрии развертки. Для окислительно-восстановительной реакции, ограниченной полубесконечной диффузией, пиковый ток і изменяется как v 1/2; для емкостного процесса он колеблется как v.

Это соотношение выражается как i=avb, в котором значение b обеспечивает понимание механизма накопления зарядов. В широком диапазоне изменения значения v, хорошо известный материал для литий-железо-фосфатных аккумуляторов феррофосфат лития LiFePO4 имеет b ≈ 0,5, тогда как для псевдоконденсаторного материала оксида ниобия Nb2O5 показатель b ≈ 1,0. В дополнение к диффузионно-контролируемому поведению, низкая кулоновская эффективность и вялая кинетика указывают на признаки того, что материал не является суперконденсатором. Таким образом, электродный материал или устройство с хорошо разделенными окислительно-восстановительными пиками (F) и кривой разрядки, подобно верхней кривой на панели Н,  не следует считать суперконденсатором.

Нет ничего неуместного в использовании наноструктурированных материалов батарей в симметричной электрохимической ячейке или в сочетании с емкостным электродом (углеродным), чтобы создать гибридное устройство хранения энергии. Однако, тестирование  такого материала или устройства при низких уровнях (для суперконденсаторов, по крайней мере), и утверждение, что это "суперконденсатор с высокой плотностью энергии " (“high–energy density supercapacitor”),  является ошибкой. Кроме того, использование низких нагрузок или тонких пленок наноструктурированных материалов в аккумуляторах приводит к умеренной производительности устройства и ограниченному количеству его рабочих циклов. Если материалы подбирать для мощных устройств, они должны быть оценены по реальным нормам, как в случае с использованием суперконденсаторных устройства (например, они должны достигать полной зарядки за 1 мин).

Без сомнений, разработка материалов для хранения энергии, которые бы позволили новым устройствам сочетать плотность энергии аккумуляторных батарей и удельную мощность, длительный жизненный цикл суперконденсаторов, является очень перспективным направлением. К решению этой задачи необходимо идти путем увеличения удельной мощности аккумуляторов или увеличения плотности энергии суперконденсаторов. А также нужно обязательно соблюдать ясность в терминологии, используемой в сочетании с соответствующими измерениями и анализом.

Надлежащая оценка новых материалов и механизмов накопления заряда будет способствовать достижению прогресса в этой важной области хранения электрической энергии.

Patrice Simon,Yury Gogotsi, Bruce Dunn "Where Do Batteries End and Supercapacitors Begin?"

SCIENCE 343, 1210 (2014); DOI: 10.1126/science.1249625

Source: www.sciencemag.org

 

НОВОСТИ НАУКИ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

Рецепт безопасных батарей - добавка из наноалмаза

Исследователи из Дрекселя сообщили, что добавление наноалмазов к раствору электролита в литиевых батареях может предотвратить образование дендритов, тензор-подобных отложений ионов, которые со временем могут расти внутри батареи и вызывать опасные сбои. (Фото предоставлено Университетом Дрекселя и Университетом Цинхуа).С целью предотвратить опасные неисправности лептопов исследователи из Университета Дрекселя разработали рецепт, который может превратить раствор электролита - ключевой компонент большинства батарей - в защиту от химического процесса, который приводит к поломкам, связанным с батареями.

 
20 июня 2017 года по решению академического совета директору Института Наноматериалов им. А. Дж. Дрекселя, профессору Юрию Гогоци было присвоено звание Почетного доктора Института проблем материаловедения им. Францевича Национальной академии наук Украины

На фото слева направо: замдиректора Рагуля А.В., Баглюк Г. А., Заворотный М.Г., профессор Юрий Гогоци, ученый секретарь Картузов В.В. и академик Фирстов С.А. 20 июня 2017 года по решению академического совета директору Института Наноматериалов им. А. Дж. Дрекселя, профессору Юрию Гогоци было присвоено звание Почетного доктора Института проблем материаловедения им. Францевича Национальной академии наук Украины..

 
Юрий Гогоци. Профессор наноматериалов и научный Эверест. Интервью для "Українська Правда. Життя"

altСейчас значительная часть жизни ученого Юрия Гогоци - это международные полеты из США по всему миру, лекции, открытие лабораторий, редактирование научного журнала ACS Nano (18-того в рейтинге Google Scolar среди тысяч). И как минимум две статьи каждый год для самых влиятельных научных журналов мира Nature и Science.

 
Юрий Гогоци – самый влиятельный ученый современной Украины - Канал 24

alt

Жизнь Юрия Гогоци – это постоянные перелеты между топовыми лабораториями мира, написание статей в лучших научных журналов мира и исследования материалов, которые могут изменить мир вокруг. Ученый из Киева ежегодно получает более миллиона долларов на лабораторные эксперименты, правда, только за границей. Прочитать лекции в Украине его приглашают крайне редко.

 
Интервью профессора Юрия Гогоци для Hromadske о науке, финансировании и перспективах

профессор Университета Дрекселя Юрий Гогоци Фото: Александр Попенко/ГромадськеЕго труды цитируют чаще, чем многих нобелевских лауреатов, он получает на исследования 2,2 миллиона долларов от родного университета, однако в Украине о Юрия Гогоци знают немногие: лишь несколько публикаций о нем в сети и 2-3 приглашение на выступления в год.

 
Лекция профессора Юрия Гогоци в НТУУ КПИ, 8 июня 13:00

Профессор Юрий  Гогоци, Университет Дрекселя, США

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»
Инженерно-физический факультет
Корпус №9, ауд. 101
Дата и время проведения: 8 июня в 13:00
Вход свободный

 
Научная лекция профессора Юрия Гогоци Открытие новых материалов и технологии будущего в ИПМ НАНУ, 7 июня 12:00

Профессор Юрий Гогоци

 Институт проблем материаловедения им.Францевича НАНУ

Главный корпус, Актовый зал (к. 208)

Дата и время проведения: 7 июня в 12:00

Вход свободный

 
Открытая лекция выдающегося ученого мирового уровня профессора Юрия Гогоци «Зарядиться на два миллиона» о последних достижениях в области наноматериалов и хранениия энергии, 7 июня, 19:00, Киев, фотостудия Lightfield Productions

профессор Юрий Гогоци, Университет Дрекселя Ученый расскажет, как сочетаются инновации и фундаментальные исследования, сколько будут работать традиционные батарейки и аккумуляторы в будущем и какими будут источники света.

 
Нанотехнологии и энергия будущего: профессор Юрий Гогоци о нанотехнологиях в области хранения энергии на Всемирной научной ярмарке 2017 года World Science Fair 2017

Professor Yury Gogotsi at World Science Festival 2017Среди экспертов в студии World Science Fair 2017 выдающийся ученый из Университета Дрекселя профессор Юрий Гогоци, лауреат премии имени Фреда Кавли. 

 
Семинары Виктора Корсуна и Дугласа Грехема 7, 8, 12 июня в Киеве, Львове и Харькове: Инновационный менеджмент, продвижение, лицензирование, передача технологий и коммерциализации

alt7 июня в 14:30 в Научном Парке "Киевская политехника" состоится семинар с участием Виктора Корсуна (Vic Korsun, USA) и Дугласа Грэхема (Douglas Graham, USA), которые представят новую платформу для Инновационного менеджмента, продвижения, лицензирования, передачи технологий и коммерциализации

 
Максен MXene, открытый группой ученых из Университета Дрекселя под руководством профессора Юрия Гогоци, - новое имя среди двумерных наноматериалов

Исследователи из Института Наноматериалов Университета Дрекселя изучали максины на протяжении боле половины десятилетия. Слева направо: Алексей Гогоци, директора Центра Материаловедения (Украина), Габриэл Скалл, Бабак Анасори, Мухаммед Альхабиб и профессор Юрий Гогоци.На данный момент синтезированы и изучены более двадцати максенов (MXenes) - двумерных карбидов, нитридов и карбонитридов переходных металлов, и еще ожидается, что десятки их будут синтезированы. Применение высоко электропроводящих максенов является очень перспективным для хранения энергии, экранирования и защиты от электромагнитных помех, электрокатализа, плазмоники и многих других приложений.

 
Вакансия: Постдокторант или научный сотрудник в Цзилиньском университете, г.Чанчунь, Китай, с возможностью стажировки в США.

alt

К вниманию молодых ученых - отличная возможность для начала успешной научной карьеры под руководством известного авторитетного профессора Юрия Гогоци.

- Позиция в одном из лучших университетов Китая с возможностью стажировки в США.

- Работа под руководством наиболее цитируемого украинского ученого, работающего зарубежом, профессора Юрия Гогоци;

- Научная работа в области новых двумерных  наноматериалов для энергетики;

- Цель работы: достижение прорыва в области возобновляемых источников энергии, публикация статей в ведущих международных журналах.

- Начальный срок - 1 год с возможностью продления до трех лет. Оплата в зависмости от квалификации.

 
Доктор Юрий Гогоци стал почетным профессором Цзилиньского университета, Чанчунь, провинция Цзилинь, Китай

профессор Юрий Гогоци и ректор Цзилиньского Университета Ли Юаньюань

20 октября 2016 года в торжественной обстановке прошла официальная церемония назначения доктора Юрия Гогоци почетным профессором Цзилиньского университета, Чанчунь, провинция Цзилинь, Китай.

 
Доклад Алексея Гогоци, директора Центра материаловедения в Цзилиньском Университете, Чанчунь, Китай, 19 октября 2016

Доклад директора MRC Алексея Гогоци в Колледже Физики Цзилиньского Университета, Чанчунь, 19 октября 2016Алексей Гогоци, директор Центра материаловедения, был приглашен профессором Хан Вей в Цзилиньский Университет для обсуждения совместного сотрудничества с научными подразделениями Университета в области разработки, синтеза материалов и технологии изготовления суперконденсаторов.

 
Защитное покрытие из наноматериала максена MXene для отражения и поглощения электромагнитных помех

Максен это тонкий и легкий наноматериал, который обладает уникальной способностью блокировать и поглощать электромагнитное излучение, что делает его идеальным для использования в качестве защитного механизма в электроникеГруппа исследователей из Университета Дрекселя и Корейского института науки и технологий работает над очисткой от таких электромагнитных помех с помощью нанесения на компоненты тонкой защитной пленки наноматериала под названием Максин.

 
Профессор Юрий Гогоци, директор Института Наноматериалов Университета Дрекселя, США, и директор Центра материаловедения Алексей Гогоци посетили Университет Цзилинь в Чанчуне, Китай.

Слева направо: директор Центра материаловедения Алексей Гогоци, проф. Юрий Гогоци, Университет Дрекселя, и проф Gao Yu, проф. Fei Du, и  директор Лаборатории физики и технологий для современных батарей Университета Цзилинь проф.Yingjin Wei, Чанчунь, Китай. Они встретились с китайскими партнерами по научным исследованиям из Лаборатории физики и технологий для современных батарей Университета Цзилинь

 
Профессор Юрий Гогоци был награжден престижной премией 2016 Nano Energy Award, 15 июля 2016 в Пекине.

директор Института Наноматериалов Университета Дрекселя профессор Юрий Гогоци был награжден  престижной премией 2016 Nano Energy Award. директор Института Наноматериалов Университета Дрекселя профессор Юрий Гогоци был награжден  престижной премией 2016 Nano Energy Award. Эту награду профессору Юрию Гогоци вручал главный редактор журнала Elsevier и Nano Energy Zhong Lin Wang Профессор Юрий Гогоци сделал огромный вклад в изучение и понимание механизмов емкостного наколения энергии.

 
Поздравляем профессора Юрия Гогоци с победой в премии 2016 Nano Energy Award!

prof. Yury Gogotsi, Drexel University

Победителем престижной международной научной премии 2016 Nano Energy Award стал профессор Юрий Гогоци, директор Института наноматериалов Университета Дрекселя

 
Юрий Гогоци и Патрис Симон стали лауреатами международной премии RUSNANOPRIZE 2015 за разработку углеродных наноматериалов для суперконденсаторов

Лауреаты премии RUSNANOPRIZE 2015 проф. Юрий Гогоци (Университет Дрекселя, США) и проф. Патрис Симон (Университет Тулузы им. Поля Сабатье, Франция), 28 октября 2015 г. На форуме «Открытые инновации»,  открывшемся 28 октября 2015 г. в Москве, состоялась церемония вручения премии RUSNANOPRIZE за достижения в области нанотехнологий Юрию Гогоци и Патрису Симону

 
Проф. Юрий Гогоци, Университт Дрекселя и проф. Патрис Симон, Университет Тулузы им. Поля Сабатье вошли в шорт-лист номинантов премии в области нанотехнологий RUSNANOPRIZE 2015

altОбъявлен шорт-лист претендентов на Международную премию в области нанотехнологий RUSNANOPRIZE 2015, в числе трех команд - претендентов проф. Юрий Гогоци, Университт Дрекселя (США) и проф. Патрис Симон, Университет Тулузы им. Поля Сабатье (Франция).