Transcript Preuzmi fajl

ELEKTRIČNO SKLADIŠTENJE ENERGIJE
Skladištenje energije u kondenzatorima

Energija se može skladištiti u vidu elektrostatičkog polja, kondenzator je
uređaj koji sakuplja naelektrisanja i uspostavlja električno polje između
ploča ako je priključen na neki napon
Energija skladištena u kondenzatoru kapacitivnosti C pri naponu Uc
iznosi:
1
Wc  CU c2
2

Zapreminska gustina energije iznosi

w
 Wc
V

U slučaju homogenog polja između ploča kondezatora površine A i
rastojanja d:
1 C U c2
w
2 dA

Ako se napon izrazi preko jačine polja E između ploča i iskoristi izraz za
kapacitivnost pločastog kondenzatora, dobija se:
1
A E 2d 2 1
w   0  
  0  E 2
2
d dA
2



Povećanje količine energije koja se skladišti zahteva povećanje
dimenzija samog kondenzatora, ova činjenica je obeshrabrivala
naučnike da se pozabave idejom zamene baterija kondenzatorima, sve
do šezdeseih godina prošlog veka kada su se pojavili prvi
superkondenzatori koji se još nazivaju i ultrakondenzatori, kondenzatori
snage, zlatni kondenzatori i dvoslojni kondenzatori.
Danas postoje kondenzatori kapaciteta i do nekoliko hiljada farada, a
najčešća primena je u hibridnim vozilima i vozilima na električni pogon,
uglavnom u ulozi pomoćnih izvora energije u trenucima kada je u
kratkom vremenskom periodu potrebno emitovati veće količine energije
U zavisnosti od vrste materijala koji se koristi za izradu elektroda,
postoje sledeće vrste superkondanzatora:
- elektrohemijski dvoslojni supercondenzatori (ECDL - Elektrochemical
Double Layer) u kojima se skladištenje energije vrši razdvajanjem
napona na granici faza elektroda i elektrolita
- pseudo-superkondenzatori koji akumuliraju energiju putem
elektrohemijskih reakcija na elektrodama
- kombinacija prethodna dva tipa.
Slika 9.1: Konstrukcije tri vrste kondenzatora: klasični (elektrostatički),
visoko kapacitivni (elektrolitički) i superkondenzator (elektrohemijski)





Razvoj elektrohemijskih (ECDL) kondenzatora počeo je sedamdesetih
godina prošlog veka u vojne svrhe za izbacivanje projektila
elektromagnetskom energijom, kasnije je razvoj bio podstaknut radom
na hibridnim vozilima
Vozila koja se napajaju električnom energijom samo iz baterija imaju
domet od najviše 160 km izmedju dva punjenja baterije, a samo
punjenje dugo traje
Elektrohemijski dvoslojni kondenzatori za te svrhe imaju imaju 50%
manje zapremine od uobičajnih akumulatorski baterija
Elektrohemijski kondenzatori rešavaju nedostatke baterija i
konvencionalnih kondenzatora u pogledu gustine skladištenja energije,
(specifične energije) kao i u pogledu specifične snage
U poređenju sa baterijama superkondenzatori imaju
- duži vek trajanja (čak više od 20 godina, što znači da mnogo veći broj
ciklusa punjenje-pražnjenje koji mogu da izdrže)
- manju temperaturnu zavisnost, manju masu, ne sadrže teške matale
- nisu osetljivi na udarce i vibracije, nije im potrebno održavanje
- imaju veću jediničnu snagu i mogućnost da se bez posledica isprazne
u vrlo kratkom vremenskom periodu
Elektrohemijski kondenzatori






Energija se skladišti u električnom dvosloju na granici faza
elektroda/elektrolit (Helmzholtov sloj)
Konstrukciju čine elektrode od aktivnog ugljenika i elektrolit u tečnom
stanju, poslednja istraživanja donela su nove oblike elektroda, (ugljeni
aerogel i ugljenik nanocevi), za tečni elektrolit se obično koriste kiseline
i baze (najčešće H2SO4 i KOH).
Pozitivini i negativni joni se sakupljaju na površinama elektroda, pri
priključenju na električni izvor naelektrisanja na elektrodama privlače iz
rastvora jone suprotnog znaka i stvaraju se slojevi jona paralelno sa
elektrodama.
Razmak između elektroda dvosloja je do više hiljada puta manji nego u
elektrosatičkim kondenzatorima, pa se time postižu kapaciteti reda 1020 μF/cm2, odgovarajuće elktrično polje u elektrohemijskom dvosloju je
veoma visoko čak do 106 V/cm.
Kapacitet granice metal/elektrolit kreću se u rasponu 1-50 μF/cm2 pa se
povećanjem površine elektroda mogu postići kapaciteti i do nekoliko
hiljada farada po gramu materijala
Materijali za izradu elektroda su razne vrste ugljenika (grafitni papir 0,13
F/g, ugljeni aerogel 30-40 F/g, karbonizovana celuloza 70-180 F/g).




Potencijal dvosloja elektrode linearno se menja, zatim je u elektrolitu
stalan, a zatim se ponovo menja u dvosloju druge elektrode
Ukupna razlika potencijala između dve elektrode, tj. napon
kondenzatora, može biti u rasponu 1-4 V
Jedna kondenzatorska ćelija superkondenzatora sastoji se se od dva
redno vezana dvoslojna kondenzatora, pa je ukupni kapacitet jednak
polovini kapaciteta dvoslojnog kondenzatora
Maksimalan napon koji se može postići kod elektrohemijskih dvoslojnih
kondenzatora ograničen je vrstom elektrolita i naponom razlaganja.
Pseudo-superkondenzatori



Za idealan elektrohemijski dvoslojni kondenzator, naelektrisanje se
prenosi u dvosloju i nema reakcije između čvrstog materijala i
elektrolita na efektivnoj površini elektrode
Za uređaje koji koriste pseudokondenzatore, većina naelektrisanja se
prenosi na površini ili u masi materijala u blizini čvrste elektrode, u ovom
slučaju, interakcija između čvrste elektrode i elektrolita se odvija na
efektivnoj površini elektrode
Pseudo kondenzatori u svom radu uključuju redukcijsko-oksidacijsku
reakciju, prilikom oksidacije i redukcije ne nastaje nova faza, niti dolazi
do taloženja, već je reakcija praćena ulaskom i izlaskom protona iz
elektrodnog materijala (polimeri 400-500 F/g)
Hibridni kondenzatori



Superkondenzatori mogu imati jednu dvoslojnu elektrodu (mikroporozni
ugljenik) i drugu elektrodu od pseudo-kapacitivnog materijala, takvi
uređaji se nazivaju hibridni kondenzatori
Većina do sada razvijenih hibridnih kondenzatora koristi nikl-oksid kao
pseudo-kapacitivni materijal anode
Gustina energije hibridnih superkondenzatora može biti mnogo veća
nego kod elektrohemijskih dvoslojnih kondenzatora, ali je karakteristika
punjenje-pražnjenje vrlo neidealna