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

Поздравляем профессора Юрия Гогоци с вручением Ордена Дружбы от Китайского правительства, 29 сентября 2018

altНаграду профессору Юрию Гогоци вручал Вице-премьер министр Китая Лю Хе. Орден Дружбы - высшая государственная награда Китайской Народной Республики для иностранных граждан. Орден Дружбы - самая высокая награда Китая для иностранных экспертов, которые внесли выдающийся вклад в экономическое и социальное развитие страны.

 
15-я Ежегодная встреча Ялтинской Европейской Стратегии (YES) «Будущее поколение всего» состоялась в Киеве 13-15 сентября 2018

alt15-я Ежегодная встреча Ялтинской Европейской Стратегии (YES) «Будущее поколение всего» состоялась в Киеве 13-15 сентября 2018. В этой конференции, организованной международным форумом YES приняли участие ведущие политики, дипломаты, бизнесмены, общественные деятели и эксперты из 28 стран.

 
Поздравляем профессора Юрия Гогоци, который по версии Clarivate Analytics стал одним из самых влиятельных ученых в области физики в 2018 году!

Professor Yury GogotsiУченый украинского происхождения Юрий Гогоци, заслуженный профессор Университета Дрекселя, (Филадельфия, США) был назван известным рейтинговым агенством Clarivate Analytics одним из самых влиятельных ученых мирового класса по количеству цитирований его публикаций.

 
NAP 2018: Восьмая Международная конференция "Наноматериалы: применение и свойства", Затока, Украина, 9-14 сентября 2018,

2018 IEEE International Conference on “Nanomaterials Applications & Properties”

С 9 по 14 сентября на берегу Черного моря в пгт Затока (Одесская область) прошла уже традиционная 8-я Международная конференция «Наноматериалы: применение и свойства» (2018 IEEE International Conference on Nanomaterials: Applications & Properties) 

 
Участники проекта NANO2DAY из Materials Research Centre (MRC), Киев, Украина, в рамках международного научного сотрудничества посетили партнерскую организацию Институт Полимеров Словацкой Академии Наук, Братислава, Словакия, июль-сентябрь 2018

alt

Участники проекта NANO2DAY из Materials Research Centre (MRC), Киев, Украина, директор и руководитель проекта от MRC Алексей Гогоци и  Вероника Загородная в рамках международного научного сотрудничества посетили партнерскую организацию Институт Полимеров Словацкой Академии Наук, Братислава, Словакия, в соответствии с планом коммандировок по проекту.

Участники проекта от MRC работают в тесном сотрудничестве с исследователями из Института Полимеров, делятся своим опытом в синтезе двумерных наноматериалов (MXene), знакомятся и изучают последние разработки коллег  по полимерам и композиционным материалам.

 
Рабочая поездка по проекту NANO2DAY проф. Марии Омастовой в Центр Материаловедения, Киев, Украина, июль-август 2018

PrПрофессор Мария Омастова, Институт Полимеров Словацкой Академии Наук, Братислава, и директор Центра Материаловедения Алексей Гогоци, июль-август 2018Профессор Мария Омастова из Института полимеров Словацкой академии наук, Братислава, Словакия, посетила  Materials Research Centre, Киев, Украина, на протяжении июля-августа 2018 года по программе Горизонт-2020 в рамках проекта MSCA RISE NANO2DAY.

 
Первая международная конференция по максенам MXenes, Цзилиньский Университет, Чанчунь, Китай, 24-26 мая 2018

MXene conference 2018Встреча является первой международной конференцией, посвященной двумерным материалам максинам MXene, которая должна помочь ученым в изучении двумерных материалов и энергии взаимодействовать, а также обсуждать достижения и проблемы в различных областях.

 
6-я Международная конференция «Новые функциональные углеродные наноматериалы» на Восьмом форуме по новым материалам (CIMTEC 2018) в Перудже, Италия, 11-14 июня 2018

Фото Yury Gogotsi.6-я Международная конференция «Новые функциональные углеродные наноматериалы» в рамках 8-го Форума по новым материалам на CIMTEC 2018, проведенного в Перудже, Италия, посвящена недавним достижениям и задачам в области синтеза, структурного контроля и моделирования на мезо- и наномасштабах разнообразия малоразмерных аллотропов углерода, включая наноалмазы, алмазоподобный углерод, фуллерены, нанотрубки, графен и графеновые структуры, а также углеродные сети с высокой площадью поверхности, которые являются перспективными для ряда новых применений в области преобразования и хранения энергии, очистки воды, высокоскоростной наноэлектроники, оптоэлектроники, фотоники, квантовой обработки данных, квантовых вычислений, биоизмерения, доставки лекарств, медицинской визуализация, теплового управления, катализа, смазок и т. д.

 
Вручение диплома Почетного доктора КПИ им. Игоря Сикорского профессору Юрию Георгиевичу Гогоци

Юрию Гогоци было присвоено звание Почетного доктора КПИ, 14  мая 2018 г.Поздравляем профессора Юрия Гогоци с получением звания Почетного доктора Национального технического университета Украины" Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского ,14 мая 2018!

 
H2020-MSCA-RISE проект NANO2DAY, встреча участников проекта в Латвийском университете, 10-11 мая 2018 г.

altПроект H2020-MSCA-RISE NANO2DAY «Многофункциональные полимерные композиты, допированные новыми двумерными наночастицами для продвинутых применений», начался 1 мая 2018 года ипродлится 4 года. Он направлен на разработку новых многофункциональных композитов с выдающимися электронными и механическими свойствами за счет включения новых нанолистов MXene в полимерные матрицы. 

 
«Нанобиофизика: фундаментальные и прикладные аспекты», специальная сессия посвященная европейскому проекту assymcurv в рамках программы Horizon 2020

ilt logoC 2 по 5 октября 2017 в Физико-техническом институте низких температур (ФТИНТ) имени Б.И. Веркина НАН Украины прошла пятая Международная конференция «Нанобиофизика: фундаментальные и прикладные аспекты», организаторами которой выступили ФТИНТ имени Б.И. Веркина НАН Украины и Институт физики НАН Украины.

 
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.

 
Рабочая поездка в Цзилиньский университет и международное сотрудничество

Visit to Jilin University, Changchun, ChinaАлексей Гогоци, директор Materials Research Centre с рабочей поездкой посетил Цзилиньский Университетв Чанчуне, Китай. Он провел рабочую встречу с профессором Юрием Гогоци , заслуженным профессором Университета Дрекселя, США. и Цзилиьского университета, а также профессором Хан Вей , исполнительным заместителем директора международного сотруднического Центра Талантов в Международном центре наук будущегою Они обсудили текущие совместные исследовательские работы по современным материалам для суперконденсаторов и других применений.

 
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..

 
Команда Materials Research Centre 14 февраля 2018 на базе Национального авиационного университета посетила Информационный тренинг «Как написать успешный пропосал для программы Горизонт 2020»

horizon2020 семінарКоманда Materials Research Centre 14 февраля 2018 на базе Национального авиационного университета посетила Информационный тренинг «Как написать успешный пропосал  для программы Горизонт 2020» в рамках информационного дня НАУ.

 
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