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.

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?

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