Конденсатор с двойным электрическим слоем - новый шаг в электронике

Fourth-year students

Faculty of radio physics and electronic systems

North-Eastern Federal University, Institute of Physics and Technologies

Russia,Yakutsk

The scientific adviser: Leontiev N.A

Cand. tech. Science

ELECTRIC DOUBLE LAYER CAPACITORS – A NEW STEP IN ELECTRONICS

Keyword: radio engineering, capacitors, electric double layer capacitors

Конденсатором с двойным электрическим слоем называют класс электрохимических конденсаторов, которые могут хранить больше энергии за счет удвоенной электрической емкости. В прошлом все электрохимические конденсаторы называли двухслойными, но через несколько лет стало известно, что двухслойные конденсаторами вместе с суперконденсаторами являются отдельным классом электрохимических конденсаторов, известным, как ионистор.

У ионистора нет обычного для других конденсаторов твердого диэлектрика. Электрическая емкость ионистора определяется двумя принципами накопления заряда:

• •    Удвоенная электроемкость - электростатическое накопление энергии достигается путем отделения заряда от двойного слоя Гельмгольца на границе между поверхностью проводящего электрода и электролитом источника. Дистанция отделения в двухслойном конденсаторе равна нескольким ангстремам (0,3-0,8 нм).

• •    Повышенная электроемкость - электрохимический способ накопления энергии, достигаемый через окислительно-восстановительные реакции, электросорбцию или переслаивание на поверхность электрода отдельных поглощенных ионов, что приводит к обратимому переносу заряда на электрод.

Как удвоенная, так и повышенная электроемкость делают неотъемлемый вклад в общее значение емкости ионистора. Однако, коэффициент второго параметра может очень сильно меняться в зависимости от композиции электродов и состава электролита. Ионистор может наращивать значение емкости почти в 10 раз в зависимости от множества факторов, в отличие от самого двухслойного конденсатора. Ионисторы по компоновке электродов делятся на три «семейства»:

• •    Двухслойные конденсаторы с угольными электродами или их производными с куда большей емкостью хранимого статического электричества, чем у электрохимических аналогов.

• •    Ионисторы с электродами из оксидов металлов или проводящих полимеров, способных хранить большую емкость тока, получаемого электрохимическим     способом,     чем    двухслойные     аналоги.

• •    Гибридные конденсаторы с электродами из специальных материалов, объединяющие свойства двухслойных и электрохимических аналогов. Пример – ионно-литиевый конденсаторы.

Однако, из-за того, что и двухслойные конденсаторы, и ионисторы вносят неотъемлемый вклад в общее значение емкости электрохимического конденсаторы,     их    корректное     описание    может     быть дано только под общим термином.

Если говорить точно, то коммерческие КДЭС, где хранение энергии, по большей части, достигается за счет удвоенной электроемкости, используются для того, чтобы хранить энергию на сформированном электролитом двойном слое ионов, расположенном на поверхности проводящих электродов. Так как КДЭС не ограничены необходимой для передачи электрохимического заряда кинетикой батареи, их можно заряжать до гораздо более высоких значений и разряжать более одного миллиона раз. Плотность энергии КДЭС определяется рабочим напряжением и удельной электроемкостью электрода или электролита, измеряемой в фарадах/грамм или фарадах/см3. Удельная теплоемкость связана с доступной удельной площадью электролита, межфазной удвоенной электроемкостью и плотностью материала электрода.

Коммерческие КДЭС основаны на двух симметрично расположенных электродах,    пропитанных    электролитом,    содержащим    соли тетраэтиламмония и тетрафторбората в виде органических растворов. Современные КДЭС с органическим электролитом работают при напряжении в 2,7 В и достигают плотности энергии в 5-8 Вт*ч/кг и 7-10 Вт*ч/литр. Пластины на основе графена с порами средних размеров являются перспективным материалом для увеличения доступной удельной площади электролита.