CC BY
36
01.04.00. Физика
Д.К. Жаксыбаева
магистрант кафедры радиотехники, электроники и
телекоммуникаций, Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина
D .K. Zhaksybaeva
Magistrants, Department oí S. Seiíu\\in Kazakh Agro Technica\ University
(danazhaksybaeva@mai\ .ru, 8ЮЛ392483Л)
М.Н. Иманкул
доцент кафедры вычислительной техники, к.т.н., Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева
M.N. \manku\
assistant processor, Candidate oí Science, Eurasian Nationa\ University named aíter L.N. Gumtiyev (mimankUbl®^^.^™, 81112109500)
КЖ. Наурыз
старший преподаватель кафедры радиотехники, электроники и телекоммуникаций Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина
KZ. Nauryz
Senior tutor, Department oí S. Seiíu\\in Kazakh Agro Technica\ University
(naurizastana@mai\ .ru, 810249ЪЪЛЬ9)
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ
СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ
Аннотация. Рассмотрены некоторые материалы, применяемые для создания современных эффективных суперконденсаторов. Приведены их показатели и область их использования.
Annotation. Some materials, applied for creation of modern effective su-percondensers, are considered. Their figures and area of their use are shown.
Ключевые слова: конденсатор; аккумуляторнаябатарея, емкость.
Key words: capacitor, accumulator battery, capacity.
Одним из доминирующих факторов, влияющим на эффективность ведения бизнеса, служит его энергоемкость. Неэффективные источники питания (ИП) электронных систем и устройств продолжают использовать энергию даже в том случае, когда они выключены, но не отсоединены от сети. Для бизнеса требуется внедрение эффективных решений энергосбережения, сокращение энергопотребления оргтехники и другого оборудования в неактивном состоянии. Одним из источников обеспечения электронных изделий автономным питанием могут служить электрические батареи. Емкость любой батареи измеряется в Ампер-часах (произведение силы тока и времени, в течение которых батарея способна отдавать данный ток). Батареи должны отличаться высоким качеством и соответствовать стандартам безопасности.
Емкость обязательно возникает там, где имеются два заряженных прово-
дящих тела, между которыми существует разность потенциалов [1, с. 35]. Между двумя телами, находящимися под разным электрическим потенциалом, обязательно возникает электрическое поле. Энергия, запасаемая в этом поле, поступает от источника, создающего разность потенциалов. Структуры, способные при низкой разности потенциалов накапливать большую энергию электрического поля, например две проводящие пластины, расположенные параллельно друг другу, обладают большой емкостью.
Конденсаторы можно использовать для накопления и хранения энергии. Они быстро заряжаются / разряжаются, но накапливают малоэнергии, а аккумуляторы - наоборот. Аккумуляторы (никель-кадмиевые, литий-ионные и т.д.), в отличие от конденсаторов, накапливают на два-три порядка большее количество энергии (102-103 кДж/кг) и широко используются в качестве автономных, периодически перезаряжаемых источников тока. Но их удельная мощность невелика (порядка 0,01-0,1 кВт/кг), равно как и количество циклов зарядка / разрядка (порядка 102-103 циклов) [2].
Любому конденсатору присуща температурная зависимость характеристик. Характеристики диэлектрика сильно зависят от температуры, следствием чего является сильная температурная нестабильность емкости. Слишком высокое напряжение, поданное на конденсатор, приводит к его взрывуили короткому замыканию [1, с. 404]. Чем выше диэлектрическая проницаемость используемого диэлектрика, тем больше удельная (на единицу объема) емкость конденсатора, но одновременно тем выше температурная и эксплуатационная нестабильность емкости. Однако у материалов с наивысшей диэлектрической проницаемостью и температурная нестабильность параметров - наивысшая [1, с. 415]. При заданном типе диэлектрика объем конденсатора растет примерно пропорционально емкости и максимальному рабочему напряжению, на которое рассчитан конденсатор. Частота отказов конденсатора растет с повышением рабочего напряжения. В условиях эксплуатации при пониженном напряжении срок службы конденсаторов значительно возрастает. Выбор конденсаторов с двойным запасом надежности по рабочему напряжению может значительно увеличить прогнозируемую продолжительность безотказной работы аппаратуры.
Гальванические элементы (ГЭ) - электрохимические устройства, преобразующие энергию химических реакций в электричество. Это батареи одноразового использования. В них химические реагенты помещены внутрь их. Когда химические реакции прекращаются из-за истощения батареи, они подлежат замене (или в некоторых случаях перезарядке). Они сконструированы таким образом, что после отработки своей емкости они должны быть утилизированы. Различие в типе гальванических батарей состоит в типе химических веществ, используемых для производства электричества. Выбор типа батареи основывается на критерии отношения отдаваемой мощности к цене батареи, времени «жизни» батареи, температурному интервалу использования, кривой разряда и максимально отдаваемому току.
Аккумуляторные батареи (АБ) обладают свойством перезарядки. В частности, недостатком никель-кадмиевых №Сд батарей служит низкое напряжение - 1,2 В на элемент, что ниже обычного напряжения ГЭ - 1,5 В. Эффект становится еще более заметным, когда несколько элементов соединены последовательно. Например, 6-ти элементная №Сд батарея на 9 В на самом деле может
выдать не более 7,2 В. У NiCd батарей в течение срока службы (эксплуатации) напряжение изменяется.
NiCd аккумуляторы выдерживают от 200 до 100 циклов зарядки / разрядки, однако эти батареи быстро выходят из строя, если не соблюдать режим зарядки. Время «жизни» этих батарей 2-4 года. Полностью заряженные NiCd аккумуляторы сохраняют заряд 30-60 дней. Потребное время зарядки NiCd батарей составляет 14 часов [3, с. 44]. В отличие от устаревшего поколения батарей NiCd никель-металлгидридные NiMH батареи не имеют «эффекта памяти». Самый сильный фактор, сокращающий срок службы батарей NiMH, - высокая температура. Поэтому не следует надолго подключать этот тип батарей к зарядному устройству: при перезарядке батарея нагревается.
Сегодня приемлемыми являются литиевые элементы. Их емкость составляет 0,5 Вт-ч/см3. Они имеют отличные температурные характеристики как для высоких, так и для низких температур, очень долго сохраняется зарядка (порядка 15 лет), а также имеют малый вес. Недостаток литий-ионных элементов - невысокая удельная плотность энергии и опасность возгорания. АБ содержат высокотоксичные вещества, опасные для здоровья человека. Поэтому для утилизации старой батареи следует обратиться в сервисные центры.
В частности, оксидно-электролитические алюминиевые конденсаторы (ОЭАК) по своим характеристикам близки к танталовым конденсаторам, отличающихся более высокими характеристиками диэлектрика и более высокой стоимостью. У ОЭАК с повышением номинального рабочего напряжения аккумулирующая способность (отношение энергии, запасенной конденсатором, к объему конденсатора) возрастает. ОЭАК становятся неэффективными при низких температурах.
Обычные конденсаторы, по сравнению с АБ, могут заряжаться и отдавать накопленную энергию гораздо быстрее, в сотни и тысячи раз. С другой стороны, АБ могут накапливать намного больше энергии, чем конденсаторы. Существуют двухслойные конденсаторы EDLC (electric double-layer capacitors) - суперконденсаторы (ионисторы, ультраконденсаторы), которые имеют электрическую емкость, сравнимую с емкостью АБ, сохраняя при этом высокую скорость разряда / заряда обычных конденсаторов. Но в большинстве конденсаторов EDLC используются жидкие или гелеобразные электролиты, которые перестают нормально работать и выходят из строя при высокой или низкой температуре. Суперконденсаторы отличаются от обычных конденсаторов уровнем электрической емкости (на шесть порядков большим). Ионисторы производятся с 60-х гг. прошлого века. В них энергия запасается в виде электрического поля между пластинами электродов. Такие батареи обладают весьмазначительными преимуществами перед обычными гальваническими: срок службы от 10 лет и более, возможность работы при низких температурах, ударо- и вибростойкость, высокая эффективность. Однако, чтобы накопить такой же заряд, как в обычной химической батарее, суперконденсатор должен был иметь весьма внушительный размер: в 25 раз больше, чем литий-ионный аналог той же ёмкости. Да и стоил он недёшево.
Ионисторы обладают большой емкостью по сопоставлению с обычными конденсаторами того же размера из-за того, что толщина двойного электрического слоя (дистанция между обкладками конденсатора) очень мала [4]. Приме-
нение двойного электрического слоя вместо обычного диэлектрика увеличивает площадь поверхности электрода (путем использования пористых материалов типа вспененных металлов или активированного угля). Типичная ёмкость ионис-тора составляет несколько фарад, при номинальном напряжении 2-10 В. Ионис-торы - электрохимические приборы, предназначенные для хранения электрической энергии. Они характеризуются большим числом циклов заряда / разряда, длительным сроком службы, большой плотностью энергии. Ионисторы накапливают энергию за счет перераспределения зарядов в электролите и их концентрации на границе между электродом и электролитом. Основными характеристиками ионисторов являются рабочее напряжение, емкость, последовательное внутреннее сопротивление, ток утечки и долговечность. Суперконденсаторы имеют много преимуществ перед традиционными электрохимическими батареями: огромный жизненный цикл (более 10 лет) без снижения эффективности; возможность работы при низких температурах; устойчивость к вибрациям; способность практически моментально накапливать и отдавать заряд [5].
Нанотехнологии в состоянии перевернуть экономический уклад мира в целом. Одним из важнейших направлений нанотехнологии служит материаловедение. Наноматериалы создаются на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих. Перспективы развития электроники связаны с открытием новой формы углерода (фуллеренов, 1985 г.), что позволило создавать углеродные структуры цилиндрической формы (нанотрубки, 1991 г.), обеспечивающие свойство сверхпроводимости. Это дало возможность начать исследования для разработки технологии на уровне отдельных атомов. Углеродные нанотрубки (УНТ) - выпуклые замкнутые полые сферические или эллипсоидные оболочки (многогранники), составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода, а также протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой [6].
На основе УНТ создаются новые сверхпрочные и сверхлегкие композиционные материалы, они на порядок прочнее стали. Например, в новом суперконденсаторе, созданном на базе наноструктуры на основе углерода, проблема размеров решается за счёт использования в качестве электродов вертикально ориентированных УНТ, каждая толщиной 1/30 000 человеческого волоса, а длина нанотрубки превосходит её ширину в сто тысяч раз.
Исследователи из департамента механической и аэрокосмической техники при школе инженерных и прикладных наук университета Джорджа Вашингтона синтезировали графеновые хлопья и нанотрубки, путем испарения пустотелого графитового стержня, заполненного порошковым металлическим катализатором методом электрической дуги. Затем они смешали вместе две наноструктуры и сделали чернила, которые нанесли на бумагу - обычный сепаратор современных коммерческих конденсаторов. Удельная емкость такого комбинированного конденсатора, измеренная на единицу его массы, оказалась в три раза выше, чем удельная емкость конденсатора, изготовленного только из УНТ.
Преимущества гибридной структуры состоят в том, что графеновые хлопья обеспечивают большую площадь поверхности и превосходную проводи-
мость в пределах одной плоскости, в то время как нанотрубки соединяют все структуры, образуя однородную сеть. Исследователи отметили, что хотя другие типы суперконденсаторов также достигают высоких величин удельной емкости гибрида из графена / нанотрубок, основным преимуществом такого комбинированного подхода является низкая себестоимость, поскольку разработан простой способ изготовления желаемой смеси углеродных трубок в больших количествах. Гибридные суперкондесаторы очень легки и малы по размеру, что дает им преимущество при использовании в малогабаритных электронных устройствах.
"1—' 1 с» и и с»
Графен - материал, представляющий собой слой углерода толщиной в один атом, состоящий из слоев гексагонов, образованных атомами углерода. Он обладает уникальными электрическими, оптическими, механическими и тепловыми свойствами, отличается высокой тепло- и электропроводностью. Например, графеновые электроды позволяют в10 раз увеличить срок действия батареи, используемой для зарядки мобильных телефонов. Мобильные телефоны смогут использовать суперконденсаторы для подзарядки в течение нескольких минут, и подзарядка электромобилей станет занимать меньше времени, чем заполнение бака бензином.
На пути триумфального шествия графеновых конденсаторов до этого времени стоял низкий показатель их удельной энергии порядка 5-8 Вт-ч/кг, что на фоне быстрой разрядки делало графеновое изделие зависимым от необходимости очень часто обеспечивать подзарядку [7]. Австралийские сотрудники кафедры изучения производства материалов из Мельбурна сумели 12-ти кратно увеличить удельную энергетическую плотность конденсатора из графена [8]. Теперь этот показатель у нового конденсатора равен 60 Вт-ч/кг. Изобретатели сумели решить проблему быстрой разрядки графенового суперконденсатора, добившись того, что он теперь разряжается медленнее, чем даже стандартный аккумулятор.
Добиться такого поразительного результата учёным помогла технологическая находка: они взялиадаптивную графено-гелевую плёнку и создали из неё очень маленький электрод. Пространство между листами из графена заполнили жидким электролитом, чтобы между ними образовалось субнанометровое расстояние. Такой электролит присутствует и в обычных конденсаторах, где он выступает в роли проводника электричества. Здесь же он стал не только проводником, но и преградой для соприкосновения между собой графеновых листов. Именно этот подход позволил достичь более высокой плотности конденсатора с одновременным сохранением пористой структуры.
Ионисторам присущи уникальные свойства: высокая удельная емкость, длительность и надежность сохранности заряда. Они могут безотказно функционировать в цепях постоянного и пульсирующего тока в широком диапазоне механических и климатических воздействий. Использование суперконденсаторов в электронной технике существенно упрощает обработку сигналов инфранизких частот. Для питания электронных схем нужны более высокие напряжения, чем обеспечивают ионисторы. Для получения нужного напряжения их включают последовательно. Несколько ионисторов обеспечивают напряжение достаточной величины. Параллельное включение ионисторов использует для увеличения их емкости и отдаваемого тока. Комбинированное, т.е. последовательно-параллельное соединение применяют для увеличения как рабочего напряжения
ионисторов, так и отдаваемого ими в нагрузку тока. Для балансировки параллельно каждому ионистору рекомендуется включать резистор. Следует избегать в комбинированных схемах внутреннего параллельного соединения ионисторов без балансировочных резисторов.
Изменение физических свойств материалов при уменьшении размеров рабочих элементов, возможность детерминированного управления их функционированием - часть важнейших научных исследований и разработок, на поддержку которых правительства развитых стран и крупные корпорации выделяют огромные средства [9]. Наноэлектроника как продолжение развития микроэлектроники потребует перехода не только на более высокий уровень разрешающей способности в единицы и доли нанометров, но и на новые наноархитектуры систем и более высокие параметры по быстродействию и производительности будущих систем. Компания1Пе1является лидером в области микропроцессоров, удерживая свои позиции на рынке уже много лет. В процесорах Intel Atom в 2014-2015 годах потребление заряда аккумулятора сведено к минимуму.
Суперконденсаторы емкостью единицы фарад используются в портативной электронике для обеспечения бесперебойного питания слаботочных цепей, например микроконтроллера. А ионисторы емкостью десятки тысяч фарад используются совместно с аккумуляторами для питания различных электродвигателей. Суть ионисторовсостоит в том, чтобы быстро накопить значительный заряд, потом удерживать его длительное время, затем также быстро отдать. Современные ионисторы имеют много преимуществ, но их внедрению в потребительскую электронику мешает значительный вес и габариты [10].
Ионисторы и новые типы псевдоконденсаторов и литий-ионных аккумуляторов способны перекрыть практически весь диапазон по величине удельной энергии и удельной мощности, ранее разделявший традиционные типы энергонакопительных конденсаторов и аккумуляторов. Использование таких источников тока позволяет оптимизировать габариты и массу радиоэлектронной аппаратуры. В частности, ионисторы с твердым электролитом Rb Ag415 имеют широкий интервал рабочих температур, сверхвысокую стойкость к воздействиям механических и специальных факторов и не имеют альтернативы в случае использования в жестких условиях эксплуатации [11].
Учеными университета Райс в Хьюстоне был разработан новый тип твердотельных суперконденсаторов (ТСК) большой емкости, а используя нанотехно-логии, ученым удалось обойти существующие ограничения. Основой новых ТСК стали "пачки" УНТ, каждая из которых имеет диаметр 15-20 нанометров и длину 50 микрон. УНТ служат для максимизации эффективной площади поверхности, что и определяет электрическую емкость конденсаторов. Каждая "пачка" УНТ прикрепляется к металлической поверхности, состоящей из тонких слоев золота и титана. Использование этих двух металлов позволяет получить высокую электрическую проводимость электрода и сильную механическую связь нанотрубок с электродом. Поверх пачек УНТ наносился слой окиси алюминия, который выступает в качестве диэлектрика конденсатора, а поверх него наносился слой окиси цинка, выступающий в качестве второго электрода конденсатора. А для увеличения электропроводимости второго электрода, поверх окиси цинка был нанесен слой серебра.
ТСК университета Райс не подвержен влиянию высокой и низкой темпе-
ратуры, выдерживает процессы заряда/разрядки, происходящие на относительно высокой частоте. Процесс его производства достаточно прост и масштабируем, что позволяет с его помощью производить конденсаторы практически любых габаритов и форм. Из достаточно прочного материала таких конденсаторов можно делать элементы конструкции микророботов, которые будут являться ИП для самих себя. Эта технология ТСК - революционная, нужная и экологически чистая новая технология, которая может использоваться для аккумулирования энергии во многих устройствах будущего (гибкие дисплеи, биоимплантанты, датчики всевозможных типов и других электронных устройств), которым требуются источники энергии большой емкости, способные быстро заряжаться и отдавать накопленную энергию.
Иллинойские ученые создали технологию аккумулирования энергии, сочетающую в себе признаки аккумуляторных батарей и конденсаторов. Они разработали наноструктурные литий-ионные аккумуляторы, которые могут заряжаться и разряжаться в 100 раз быстрее, чем традиционные литий-ионные аккумуляторы.
Ионисторы используются в персональных компьютерах, телефонах, органайзерах, часах, пультах дистанционного управления и аналогичных устройствах как резервный ИП для поддержки памяти при замене элементов питания, в накопителях энергии в автономных системах питания на солнечных элементах. Наблюдается тренд использования ионисторов совместно с аккумуляторами в системах со сложным динамическим режимом потребления энергии для кратковременного питания нагрузки большим током.
Суперконденсаторы широко используются в современной электронике, звуковых системах, электромобилях, потому удешевление их создания и увеличение их мощности, несомненно, подстегнет рынок и появление новых технологий. В цифровой аппаратуре ионисторы выполняют роль автономного или резервного ИП для микроконтроллеров, микросхем памяти, CMOS (Complimen-taryMetalOxideSemiconductors) - микросхем или электронных часов. Благодаря этому даже при отключенном основном питании электронный прибор сохраняет заданные настройки и ход часов.
Выводы. Суперконденсаторы -электрохимические конденсаторы, накапливающие заряд на двойном электрическом слое. Они отличаются от обычных конденсаторов уровнем электрической емкости: максимальная емкость обычных конденсаторов составляет сотни микрофарад, а максимальная емкость суперконденсаторов на шесть порядков больше. Сеперконденсаторы увеличивают энергию хранения и могут также быстро отдавать эту энергию. Они представляют интерес по той причине, что они могут запасать заряд много раз, прежде чем будут изношены. Объединяя свойства высокой плотности энергии батарей и свойства высокой плотности энергии обычных конденсаторов, суперконденсаторы могут увеличить производительность носимой электроники, аудиосистем, электрических транспортных средств и другого оборудования. Огромнейший по срокам цикл жизнедеятельности, а также способность суперконденсатора зарядиться за максимально короткий промежуток времени позволяют конструкторам решать с их помощью сложные задачи при проектировании разных устройств. Суперконденсаторы часто используются вместе с аккумуляторами, дополняя их. Они способны отдавать большую мощность, без каких-либо отрицательных пос-
ледствий и не боятся коротких замыканий. Существующие суперконденсаторы
имеют низкие возможности в разрезе плотности запасаемой энергии, но их плои и и и тт
тность мощности значительно выше, чем у любой литий-ионной ячейки. Их конкурентоспособность определяется следующими факторами: большое количество циклов в режиме зарядка / разрядка; надежность и долговечность; широкий интервал рабочих температур; экологическая безопасность производства и использования (экологически чистый способ экономии энергии). Поэтому в сравнении с другими энергосберегающими технологиями, суперконденсаторы открывают больше возможностей для хранения и передачи энергии. Эффективные суперконденсаторы необходиы разработчикам современной электроники, строителям альтернативных источников электроэнергии, автомобильным компаниям. Источники:
1. Джонсон, Говард В., Грэхем, Мартин. Конструирование высокоскоростных цифровых устройств: начальный курс черной магии.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс». - 2006. - 624 с. : ил.
2. Кузнецов В., Панькина О., Мачковская Н. Конденсаторы с двойным электриче-ским слоем (ионисторы): разработка и производство // Электроника НТБ. Выпуск №3/2003.
3. Ловин Д. Создаем робота-андроида своими руками.: Пер. с анг. Мельникова Г. -М.: Издательский дом ДМК-Пресс, 2007. - 312 с.: ил.
4. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/594031.
5. Деньщиков К. К. Суперконденсаторы: принципы построения, техника и применения //http://pandia.ru/text/78/149/96067.php.
6. Чередов А. Д. Современные проблемы информатики и вычислительной техники конспект лекций для студентов магистратуры по направлению «Информатика и вычислительная техника». - Национальный исследовательский томский политехнический университет, 2012.
7. Как устроены графеновые суперконденсаторы // http://tehnoobzor.com/uploads/posts/2013-08/1375897518.
8. Графеновые суперконденсаторы: австралийский прорыв//http://tehnoobzor.com/hi-tech-news/169-grafenovye-superkondensatory.html
9. Управление молекулярными и квантовыми системами. Под ред. А. Л. Фрадкова, О. А. Якубовского. Институт компьютерных исследований. - Москва-Ижевск, 2003.
10. http://ref.rushkolnik.ru/v85067/?page=6
11. Разработан новый тип твердотельного конденсатора, объединяющий лучшие свойства суперконденсаторов и аккумуляторных батарей // http://www.dailytechinfo .org/energy/2777.
