Superkondensaattori

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Superkondensaattori on kondensaattori, johon voidaan varastoida poikkeuksellisen suuri määrä energiaa, eli saavutetaan korkea energiatiheys verrattuna tavallisiin kondensaattoreihin. Yksinkertaistettuna superkondensaattori on kondensaattori, jonka elektrodien pinta-alaa on kasvatettu suuren varauskyvyn saamiseksi. Superkondensaattori eroaa käyttöominaisuuksiltaan muista kondensaattoreista erityisesti epätyypillisen korkean sisäisen resistanssin vuoksi.

Superkondensaattori saattaa muodostua merkittäväksi osaksi sähköautojen tekniikkaa, koska se kaupallisesti toteutuessaan mahdollistaa sähköenergian varastoinnin pienempään tilaan kuin nykyiset akkutekniikat ja mahdollistaisi minuuteissa tapahtuvan latauksen, kun nykyakuilla lataus kestää tunteja. Sähköautojen valmistaja ZENN on investoinut merkittävästi EEStor-yhtiöön, joka kehittää superkondensaattoritekniikkaa. [1]

Superkondensaattorityypit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sähköinen energia on varastoitu superkondensaattoreihin kahden varastointiperiaatteen mukaan: muuttumattoman kaksikerroksisen kapasitanssin sekä sähkökemiallisen pseudokapasitanssin. Näiden kahdentyyppisen kapasitanssin jakautuminen riippuu aineesta sekä elektrodien rakenteesta. On olemassa kolme erityyppistä superkapasiteettia varastointiperiaatteisiin perustuen: [2][3]

  • Kaksikerroksiset kondensaattorit (EDLC): aktivoituja hiilielektrodeja tai johdannaisia, jotka on varustettu sähkökemiallista pseudokapasitanssia paljon korkeammalla sähköstaattisella kaksikerroksisella kapasitanssilla
  • Pseudokondensaattorit: siirtymämetallihapettuma tai virtaa johtavat polymeerielektrodit, joilla on korkea sähkökemiallinen pseudokapasitanssi
  • Hybridi kondensaattorit: epäsymmetriset elektrodit, joista yksi ilmentää enimmäkseen sähköstaattista ja toinen enimmäkseen sähkökemikaalista kapasitanssia, kuten esimerkiksi litium-ioni kondensaattorit.

Elektrodit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Superkondensaattorin elektrodit ovat kauttaaltaan ohuita kerroksia, jotka ovat päällystettyjä ja jotka ovat sähköisesti yhdistettyjä johtavaan, metalliseen virranottimeen. Elektrodeilla pitää olla hyvä johtavuus, korkea lämmönkesto, kemiallinen stabiilius, korroosionkesto ja suuri pinta-ala suhteessa määrään ja massaan. Muita vaatimuksia ovat ympäristöystävällisyys ja matala hinta.

Tuplakerroksen määrä ja superkondensaattoriin varastoitu yksikköjännite pseudokapasitanssissa ovat pääosin elektrodin pinnan toimintoja. Siksi superkondensaattorin elektrodit on tyypillisesti valmistettu huokoisesta, sienimäisestä materiaalista, jolla on erittäin suuri pinta-ala, kuten aktiivihiilestä. Lisäksi elektrodimateriaalin kyky suorittaa faradisia varauksen siirtoja tehostaa kokonaiskapasitanssia.

Yleisesti, mitä pienempiä elektrodin huokoset ovat, sitä suurempia ovat kapasitanssi ja energiatiheys. Kuitenkin pienemmät huokoset lisäävät vastaavaa sarjaresistanssia ja pienentävät tehotiheyttä. Sovellukset, joissa kulkee korkea virta vaativat suuremmat huokoset ja pienempiä sisäisiä häviöitä, kun korkean energiatiheyden sovelluksissa tarvitaan pieniä huokosia.[4][5][6]

EDLC:n elektrodit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yleisimmin superkondensaattoreissa käytetty elektrodimateriaali on hiili useissa allotrooppisissa muodoissaan. Hiilipohjaiset elektrodit esiintyvät pääasiassa staattisessa kapasitanssissa, vaikka voi ilmetä myös pieni määrä pseudokapasitanssia riippuen huokoskoosta. Hiilen huokosten koot vaihtelevat mikroporeista (<2nm) mesoporeisiin (2-50nm) [7] . Ainoastaan mikroporeet edistävät pseudokapasitanssia. [4]

Aktiivihiili[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aktiivihiili (AC) oli ensimmäinen EDLC elektrodeille valittu aine. Vaikka sen sähköinen johtokyky on 0.003% siitä, mitä metalleilla on, se on superkondensaattoreja varten tarpeeksi. [2][3]

Aktiivihiili on erityisen huokoinen hiilen muoto, jolla on spesifinen pinta-ala. Tyypillinen likiarvo on, että 1 grammalla on 1 000-3 000 neliömetrin pinta-ala.

Kiinteä aktiivihiili (CAC) on eniten superkondensaattoreille käytetty elektrodiaine ja se saattaa olla halvempi kuin muut hiilijohdannaiset. [8] Se on tuotettu aktiivihiilijauhosta, jotka on puristettu haluttuun muotoon, muodostaen tukkeuman laajaan huokosjakaumaan.

Aktiivihiilikuidut[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aktiivihiilikuidut (ACF) on tuotettu aktiivihiilestä ja ovat tyypillisesti halkaisijaltaan 10 μm. Niillä voi olla mikrohuokosia erittäin kapealla huokosjakaumalla, jota pystytään vaivattomasti kontrolloimaan. Aktiivihiilikuidun pinta-ala kudottuna tekstiilinä on noin 2 500𝑚2/𝑔. Aktiivihiilikuitujen elektrodien etuna on alhainen sähköinen vastustuskyky pitkin lävistäjää ja hyvä kontakti kerääjään.[5] Niin kuin aktiivihiilelle, myös aktiivihiilikuidun elektrodeille ilmenee pääsääntöisesti kaksikerros kapasitanssi pienellä määrällä pseudokapasitanssia niiden mikrohuokosten kautta.

Hiiliaerogeeli[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Hiiliaerogeeli on erittäin huokoista, synteettistä, ultrakevyttä materiaalia, joka on johdettu orgaanisesta geelistä, jossa geelin nestemäinen komponentti on korvattu kaasulla ja jäljelle jää säikeinen silikaattirakenne.

Aerogeelielektrodit valmistetaan resorsinoliformaldehydin aerogeelin protolyysilla ja niiden johtavuus on parempi kuin useimpien aktiivihiilten. Aerogeelielektrodit mahdollistavat ohuet ja mekaanisesti vakaat, muutaman sadan mikrometrin paksuiset elektrodit, jotka ovat huokoskooltaan yhtenäisiä. Aerogeelielektrodit antavat mekaanista- ja tärinävakautta hankalien ympäristöjen superkondensaattoreille.

Tutkijat ovat luoneet hiiliaerogeelielektrodin, jonka gravimetrinen tiheys on n. 400-1200m2/g ja tilavuuden kapasitanssi on 104 F/cm3. Tästä saadaan energiatiheys 325 kJ/kg (90Wh/kg) ja tehotiheys 20 W/g. [9][10]

Standardiaerogeelielektrodeilla on pääasiassa kaksikerroksinen kapasitanssi. Aerogeelielektrodit, jotka sisältävät komposiittimateriaalia voivat lisätä pseudokapasitanssia suuresti.

Karbidijohdannainen hiili[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Karbidijohdannainen hiili on joukko hiilimateriaaleja, jotka on johdettu karbidin esiasteista, kuten kaksiosaisesta silikonikarbidista tai titaniumkarbidista ja jotka on puhdistettu hiileksi fysikaalisilla tai kemiallisilla prosesseilla.[11][12]

Karbidijohdannaiset hiilet voivat ilmentää suuria pinta-alueita ja muuttuvia huokosten halkaisijoita, joilla maksimoidaan ionien sulkeutuminen, mikä puolestaan kasvattaa pseudokapasitanssia johtuen faradisten H2 molekyylien absorptiosta. Karbidijohdannaisten hiilten huokosrakenne tarjoaa niille jopa 75 prosenttia korkeamman energiatiheyden kuin perinteisillä aktivoiduilla hiilillä.

Vuonna 2015, karbidijohdannaisiin hiiliin perustuneet superkondensaattorit pystyivät tuottamaan 10,1 Wh/kg energiatiheyden, 3 500 F kapasitanssin ja yli miljoona lataus/purku sykliä. [13]

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Superkondensaattori.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. http://www.ultracapacitors.org/ultracapacitors.org-blog/eestor-announces-certification-and-milestones.html
  2. a b Adam Marcus Namisnyk: A survey of electrochemical supercapacitor technology 2003. Viitattu 1.4.2016.
  3. a b Halper, Marin S.; Ellenbogen, James C.: Supercapacitors: A Brief Overview 2006. Viitattu 1.4.2016.
  4. a b Frackowiak, E.; Béguin, F.: Carbon materials for the electrochemical storage of energy in capacitors. Carbon (Pergamon), 2001. <http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622300001834>.
  5. a b Pandolfo, A.G.; Hollenkamp, A.F.: Carbon properties and their role in supercapacitors, s. 11-27. J. Power Sources, 2006.
  6. Kim Kinoshita: Electrochemical Oxygen Technology. Wiley, 1992.
  7. EnterosorbU, FAQ 2016. Carbon-Ukraine.
  8. Nesbitt, C.C. & Sun, X.: Consolidated amorphous carbon materials, their manufacture and use. http://worldwide.espacenet.com/textdoc?DB=EPODOC&IDX=US6787235, 2004.
  9. Lerner, E.J.: Less is more with aerogels: A laboratory curiosity develops practical uses. The Industrial Physicist, s. 26-30. American Institute of Physics, 2004.
  10. LaClair, M.: Replacing energy storage with carbon aerogel supercapacitors. Power Electronics. Penton, 2003.
  11. Presser, V.; Heon, M.; Gogotsi, Y.: Carbide-derived carbons – From porous networks to nanotubes and graphene., s. 810-833. Adv. Funct. Mater, 2011.
  12. Korenblit, Y.; Rose, M.; Kockrick, E.; Borchardt, L.; Kvit, A.; Kaskel, S.; Yushin, G.: High-rate electrochemical capacitors based on ordered mesoporous silicon carbide-derived carbon.. ACS Nano, 2010.
  13. SkelCap High Energy Ultracapacitors - Data Sheet 2016. Skeleton Technologies.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tämä tekniikkaan liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.