Новая энергетика: от аккумуляторных батарей до суперконденсаторов

Батареи и конденсаторы предназначены для хранения электричества, но принцип работы у них совершенно разный...

Новая энергетика: от аккумуляторных батарей до суперконденсаторов

Если вы думаете, что электричество сегодня играет просто важную роль в нашей жизни, то вы еще не осознали насколько она значительная! К примеру, в ближайшие несколько десятилетий наша транспортная система, отопительные сети и др., использующие в качестве источника энергии ископаемое топливо, нуждаются в переходе на электроэнергию, если мы хотим иметь предотвратить катастрофические изменения в окружающей среде. Электричество является чрезвычайно универсальной формой энергии, но имеет один большой недостаток: батареи могут сохранять большое количество энергии, но это занимает несколько часов для зарядки. Суперконденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но могут хранить небольшое количество энергии. В нашем электроприводном будущем, когда будет нужно аккумулировать и быстро расходовать большое количество электроэнергии, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам, которые сочетают в себе лучшее от обычных батарей и конденсаторов. Каковы они и как они работают, рассмотрим поближе.

Как хранится электрический заряд?

Аккумуляторные батареи, так и конденсаторы предназначены для хранения электричества, но принцип работы у них совершенно разный. Батареи имеют два электрических контакта (электрода), разделенных химическим веществом, называемым электролитом. При включении питания, химические реакции происходят с участием обоих электродов и электролита. Эти реакции преобразования химических веществ внутри батареи в другие вещества, сопровождаются выделением электрической энергии. Как только эти химические вещества истощаются, реакции останавливаются, и аккумулятор становится разряженным. Аккумуляторная батарея, например, литий-ионный блок питания, используемый в ноутбуках, мобильных телефонах и других гаджетах, успешно работает на таком цикле, так что вы можете разряжать и заряжать аккумулятор гаджета сотни раз, прежде чем батарея будет нуждаться в замене.

В конденсаторах же применяется принцип статического электричества (электростатика), а не химии для хранения энергии. Внутрь конденсатора помещается две проводящих металлические пластины с изоляционным материалом, диэлектриком, между ними, - так называемый, диэлектрический бутерброд.

Конденсаторы имеют много преимуществ по сравнению с аккумуляторами: они весят меньше, как правило, не содержат вредных химических веществ и токсичных металлов, также их можно заряжать и разряжать миллиард раз, без износа. Но у них есть и большой недостаток: чтобы сохранить значительное количество энергии, вам нужно использовать огромные металлические плиты или же искать более эффективный материал для диэлектрика.

Изучение варианта усовершенствования диэлектрического материала между металлическими пластинами привело ученых в середине 20 столетия к суперконденсаторам.

Что являет собой суперконденсатор?

Суперконденсаторы (часто называемые ультраконденсаторами) имеют много общего и с батарей и с конденсаторами. Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух пластин, разделенных диэлектриком. Но пластины сделаны не из металла, а из пористого вещества, например, порошкообразного углерода, который дает им эффективно большую площадь для хранения соответственно большего заряда.

Если сравнить электричество с водой, то обычный конденсатор похож на ткань, которая может поглотить небольшое количество влаги, а пористые пластины суперконденсаторов больше похожи на губку, которая может впитать намного больше воды. Это сравнение можно назвать удачным, поскольку пластины суперконденсаторов очень похожи на пористую губку пропитанную электроэнергией.

Как и батареи, суперконденсаторы имеют электролит, электрически активное химическое вещество внутри него, которое отделяет его пластины, что больше похоже на электролит в батарее, чем на диэлектрик в обычных конденсаторах. Электролит, электрически активный слой суперконденсатора, добавляет еще один аспект: заряженные пластины поляризуют электролит, заставляя положительные ионы в нем двигаться в одну сторону, а отрицательные в противоположную, вызывая последующую систему зарядки, что образует, так называемый, электрический двойной слой, который позволяет пластинам сохранять большое количество энергии. Это, кстати, объясняет, почему суперконденсаторы еще называют двухслойными конденсаторами. В отличие от батарей, положительные и отрицательные заряды в суперконденсаторах образуются исключительно за счет статического электричества, а не во время химических реакций.

суперконденсатор, конденсатор, аккумуляторная батарея, схема

Суперконденсаторы могут хранить больше энергии, чем обычные батареи и конденсаторы, создавая двойной слой зарядов , разделенных между двумя пластинами из пористых углеродных материалов. Пластины создают между собой двойной слой полярного электролита (на рисунке в - желтый цвет).

Первые суперконденсаторы были придуманы в конце 1950-х с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор, достижения в области материаловедения привели к применению более эффективных материалов для изготовления пластин, например, углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, образованные с использованием нанотехнологий), графен, аэрогель, титанат бария и др.

В чем отличие суперконденсаторов от аккумуляторов и обычных конденсаторов?

Фото:Дрель на суперконденсаторах для работы в космосе (NASA-GRC) .

Суперконденсаторы иногда могут использоваться в качестве прямой замены батарей. Аккумуляторная дрель на фото, предназначенная для использования в космосе, работает на суперконденсаторах, разработанных NASA. Огромным преимуществом над обычным сверлом является то, что дрель на суперконденсаторах может заряжаться за считанные секунды, а не часы. Фото: NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Где заканчиваются аккумуляторные батареи и начинаются суперконденсаторы?

В качестве единицы измерения электрического заряда в физике используется фарад (F), названный в честь британского новатора, химика и физика Майкла Фарадея (1791-1867). Типичные конденсаторы, используемые в электросхемах, могут хранить лишь незначительное количество электроэнергии (показатели варьируются в единицах, называемых микрофарад или пикофарад, которые составляют миллионные и миллиардные от 1 фарада). В тоже время, суперконденсаторы могут хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (номинальный фарад).

Коммерческие версии суперконденсаторов, сделанные крупнейшими компаниями, имеют емкости мощностью до нескольких тысяч фарад, что все еще представляет собой только часть (может быть, 10-20 процентов) электрической энергии, которую можно «упаковать» в батарею. Но большое преимущество суперконденсаторов состоит в том, что он может заряжаться энергией почти мгновенно, гораздо быстрее, чем батареи. Это объясняется тем, что суперконденсатор работает путем создания статических электрических зарядов на твердых телах, в то время как батареи зависят от медленно текущих химических реакций, часто при участии жидкостей.

Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут выделять энергию намного быстрее). Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (около 2-3 вольт), они могут быть последовательно соединены для получения большего напряжения, что может быть использовано в более мощном оборудовании.

Суперконденсаторы функционируют по электростатическому принципу, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и разряжаться любое количество. Они практически не имеют внутреннего сопротивления, что позволяет развить близкую к 100% эффективность их работы.

Группой американских ученых из Университета Дрекселя (Drexel University) в Филадельфии под руководстовом профессора Ю.Гогоци и французской научно-исследовательской организации CNRS , были опубликованы в научном журнале Nature Nanotechnology результаты исследований в области развития суперконденсаторов с особыми свойствами. Используя собственную методику обработки наноматериалов и наноалмазов, американские ученые разработали новую технологию производства миниатюрных суперконденсаторов.

Технология суперконденсаторов можеть найти широкое применение в приборостроении, энергетике (например, дним из распространенных применений является использование в ветряных турбинах, где суперконденсаторы помогают сгладить прерывистое питание от ветра), автомобилестроении, машиностроении, электротехника(в электрических и гибридных транспортных средствах для питания электропривода), также эффективно использование в качестве питания мобильных гаджетов, и др.

 Интервью с профессором Юрием Гогоци об устройствах, которые придут на смену традиционным батарейкам и аккумуляторам, и ситуации на Украине

 

 

 

 

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).