Псевдоконденсатор
 | Было предложено объединить эту статью в раздел «Псевдоемкость» . ( Обсудить ) Предлагается с января 2024 г. |
- IHP Внутренний слой Гельмгольца
- OHP Внешний слой Гельмгольца
- Диффузный слой
- Сольватированные ионы
- Особые адсорбционные ионы (псевдоемкость)
- Молекула растворителя
Псевдоконденсаторы хранят электрическую энергию по принципу Фараде за счет переноса заряда электронов между электродом и электролитом . Это достигается за счет электросорбции , реакций восстановления-окисления ( окислительно-восстановительных реакций ) и процессов интеркаляции , называемых псевдоемкостью . [1] [2] [3] [4] [5]
Псевдоконденсатор является частью электрохимического конденсатора и вместе с двухслойным электрическим конденсатором (EDLC) образует суперконденсатор .
Псевдоемкость и емкость двойного слоя складываются в общее неразделимое значение емкости суперконденсатора. Однако они могут быть эффективны при самых разных частях общей емкости в зависимости от конструкции электродов. Псевдоемкость может быть в 100 раз выше, чем у двухслойной емкости с той же поверхностью электрода.
В псевдоконденсаторе на электроде протекает химическая реакция, в отличие от EDLC, где электрический заряд хранится электростатически без взаимодействия между электродом и ионами. Псевдоемкость сопровождается переносом электронного заряда между электролитом и электродом, происходящим от десольватированного и адсорбированного иона . На единицу заряда приходится один электрон. Адсорбированный ион не вступает в химическую реакцию с атомами электрода ( химические связи не возникают) . [6] ), поскольку происходит только перенос заряда. Примером может служить окислительно-восстановительная реакция, в которой ион O. 2+ и во время зарядки на одном электроде протекает реакция восстановления, а на другом — реакция окисления. При разряде реакции обратные.
В отличие от батарей, в фарадеевских электронах ионы с переносом заряда просто цепляются за атомную структуру электрода. Это фарадеевское хранилище энергии с быстрыми окислительно-восстановительными реакциями делает зарядку и разрядку намного быстрее, чем у батарей.
В электрохимических псевдоконденсаторах используются металлооксидные или проводящие полимерные электроды с высокой электрохимической псевдоемкостью. Количество электрического заряда, хранящегося в псевдоемкости, линейно пропорционально приложенному напряжению . Единицей псевдоемкости является фарад .
Примеры
[ редактировать ]Брезесинки и др. показали, что мезопористые пленки α -MoO 3 обладают улучшенным хранением заряда благодаря внедрению ионов лития в зазоры α -MoO 3 . Они утверждают, что эта интеркаляционная псевдоемкость происходит в том же временном масштабе, что и окислительно-восстановительная псевдоемкость, и обеспечивает лучшую способность хранения заряда без изменения кинетики в мезопористом MoO 3 . Этот подход перспективен для батарей с возможностью быстрой зарядки, сравнимой с литиевыми батареями. [7] и является перспективным для создания эффективных энергетических материалов.
Другие группы использовали тонкие пленки оксида ванадия на углеродных нанотрубках для псевдоконденсаторов. Ким и др. электрохимически осажденный аморфный V 2 O 5 · x H 2 O на пленку углеродных нанотрубок. Трехмерная структура подложки из углеродных нанотрубок обеспечивает высокую удельную литий-ионную емкость и показывает в три раза большую емкость, чем оксид ванадия, нанесенный на типичную платиновую подложку. [8] Эти исследования демонстрируют способность осажденных оксидов эффективно накапливать заряд в псевдоконденсаторах.
Проводящие полимеры, такие как полипиррол (PPy) и поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), обладают настраиваемой электронной проводимостью и могут достигать высоких уровней легирования с помощью соответствующего противоиона. Высокопроизводительный проводящий полимерный псевдоконденсатор обладает высокой циклической стабильностью после прохождения циклов зарядки/разрядки. Успешные подходы включают встраивание окислительно-восстановительного полимера в исходную фазу (например, карбид титана) для обеспечения стабильности и нанесение углеродистой оболочки на проводящий полимерный электрод. Эти методы улучшают цикличность и стабильность псевдоконденсаторного устройства. [9]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Конвей, Брайан Эванс (1999), Электрохимические суперконденсаторы: научные основы и технологические применения (на немецком языке), Берлин, Германия: Springer , стр. 1–8, ISBN. 978-0306457364
- ^ Конвей, Брайан Эванс , «ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ, их природа, функции и применение» , Энциклопедия электрохимии , заархивировано из оригинала 30 апреля 2012 г.
- ^ Халпер, Марин С.; Элленбоген, Джеймс К. (март 2006 г.). Суперконденсаторы: краткий обзор (PDF) (Технический отчет). Группа компаний МИТЕР Наносистемы. Архивировано из оригинала (PDF) 1 февраля 2014 г. Проверено 20 января 2014 г.
- ^ Fracowiak, Эльжбета ; Беген, Франсуа (2001). «Углеродные материалы для электрохимического хранения энергии в конденсаторах» (PDF) . Карбон . 39 (6): 937–950. Бибкод : 2001Carbo..39..937F . дои : 10.1016/S0008-6223(00)00183-4 . [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Fracowiak, Эльжбета ; Юревич, К.; Дельпе, С.; Беген, Франсуа (июль 2001 г.), «Нанотрубчатые материалы для суперконденсаторов», Journal of Power Sources , 97–98: 822–825, Bibcode : 2001JPS....97..822F , doi : 10.1016/S0378-7753(01) 00736-4
- ^ Гартуэйт, Джози (12 июля 2011 г.). «Как работают ультраконденсаторы (и почему они терпят неудачу)» . Земля2Тех . Сеть ГигаОМ. Архивировано из оригинала 22 ноября 2012 г. Проверено 23 апреля 2013 г.
- ^ Брезесински, Торстен; Ван, Джон; Толберт, Сара Х.; Данн, Брюс (01 февраля 2010 г.). «Упорядоченный мезопористый α-MoO3 с изоориентированными нанокристаллическими стенками для тонкопленочных псевдоконденсаторов». Природные материалы . 9 (2): 146–151. Бибкод : 2010NatMa...9..146B . дои : 10.1038/nmat2612 . ISSN 1476-1122 . ПМИД 20062048 .
- ^ Ким, Иль Хван; Ким, Джэ-Хонг; Чо, Бён Вон; Ли, Ён-Хо; Ким, Кван-Бум (1 июня 2006 г.). «Синтез и электрохимическая характеристика оксида ванадия на пленочной подложке из углеродных нанотрубок для применения в псевдоконденсаторах». Журнал Электрохимического общества . 153 (6): А989–А996. Бибкод : 2006JElS..153A.989K . дои : 10.1149/1.2188307 . ISSN 0013-4651 .
- ^ Брайан, Эйми М.; Сантино, Лучано М.; Лу, Ян; Ачарья, Синджита; Д'Арси, Хулио М. (13 сентября 2016 г.). «Проводящие полимеры для псевдоемкостного хранения энергии». Химия материалов . 28 (17): 5989–5998. doi : 10.1021/acs.chemmater.6b01762 . ISSN 0897-4756 .