ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ИОНИСТОРЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИE В АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКЕ
Известно, что современные сложные электронные системы управления и контроля за технологическими процессами, в том числе и в сельском хозяйстве, оказываются незащищенными в условиях перепада напряжения питающей сети или к ее кратковременным отключениям. Следствие этого – сбои в работе оборудования, выпуск бракованной продукции, серьезные финансовые потери. В настоящее время с этими проблемами борются, применяя системы, в которых в качестве буферного источника питания применяются аккумуляторные батареи. Однако им присущ ряд недостатков. В то же время появился новый класс источников тока – электрохимические конденсаторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы). Они обладают зачастую экзотическими свойствами при доступной цене и с успехом применяются в аспектах повышения качества электроэнергии. Электрохимические конденсаторы могут широко использоваться в системах повышения качества электроэнергии, заменяя традиционные конденсаторы и аккумуляторные батареи.
Одним из перспективных направлений в разработке суперконденсаторов является применение гетерогенных распределенных структур (ионный проводник – электронный проводник) [1] в качестве электродов. Обычно такие электроды изготавливают из смесей фаз с ионной и электронной проводимостью. Разработка и исследование возможности использования объемно-распределенных электродов проводились на основе композита, представляющего собой смесь ионного проводника (твердого протонпроводящего электролита) и электронного проводника на основе углеродных наноматериалов (УНМ). Исследования последнего времени в области применения УНМ способствуют их переходу в категорию реально используемых в промышленности. УНМ обладают рядом уникальных свойств: большая прочность в сочетании с высокими значениями упругой деформации, хорошая электропроводность и адсорбционные свойства, способность к холодной эмиссии электронов и аккумулированию газов. Эти материалы могут успешно использоваться в качестве наполнителей конструкционных материалов, аккумуляторов водорода, элементов радиоэлектроники, добавок в смазочные материалы, высокоэффективных адсорбентов и т. д. [2, 3].
Основным принципом функционирования суперконденсатора является процесс заряжения двойного электрического слоя, емкость которого зависит от состояния межфазной поверхности контакта электрод/электролит. Нами проведено исследование импедансным методом и методом вольт-амперометрии электрохимического поведения границ:
1. Металлический электрод, обратимый по основным носителям заряда/ твердый электролит.
2. Инертный электрод / твердый электролит.
3. Объемно-распределенный композиционный электрод / твердый электролит.
Активный электрод, обратимый по основным носителям заряда, использовали либо в виде массивного гладкого электрода, либо в виде распределенного электрода.
Инертный электрод представлял собой порошкообразный материал на основе УНМ. Электрохимические свойства распределенных электродов зависят от размера частиц исходных компонентов и их взаимного распределения.
Нами были получены зависимости эффективной емкости от объемной доли содержания УНМ в объеме твердого электролита (ТЭЛ), продемонстрированные на рисунке 1. Представлена данная зависимость при частоте 1000 Гц.
На рис. 2 представлена зависимость отдачи по емкости конденсатора от размера частиц УНМ. Как видно из этого рисунка, максимальная отдача по емкости достигается при размере частиц порядка 10 нм.
Эксперименту предшествовал теоретический расчет некоторых электрических параметров конденсаторов с распределенными электродами. В работе [4] авторами предложена макрокинетическая теория работы двойнослойных конденсаторов (ДСК), которая адекватно описывает процессы в системе, состоящей из двух пористых электродов из активированного угля, пропитанных жидким электролитом.
Данная теория была положена нами для описания процессов, происходящих при работе суперконденсаторов, т. е. для ДСК на основе твердых электролитов с добавкой нанодисперсной электропроводной фазы. Для этого были введены допущения: дисперсный распределенный электрод является идеально поляризуемым, а электрохимические процессы на нем определяются зарядом емкости двойного электрического слоя (ДЭС) и омическими потерями в ТЭЛ.
Для проведения предварительных расчетов также использовалась методика, основанная на импедансном методе [5], согласно которой импеданс единичного зерна электролита определяется по следующей формуле:
Теоретические исследования показали, что оптимальные характеристики суперконденсатора обеспечиваются при размере частиц УНМ порядка 10 нм и содержания 30–40% от общего объема распределенного электрода, что практически совпадает с экспериментальными данными.
Литература
- Harris K. D. M., Rogers M. D., Vincent C. A. A comparison between “Mixed phase electrode” and percolation models for composite electrodes in solid state cells//Solid State Ionics. – 1986. – vol. 18/19. – Рp. 833–837.
- Tkachev A. G. Carbon nanomaterials produced by catalytic pyrolysis of hydrocarbons: research conditions and prospects of application / A. G. Tkachev, S. V. Blinov, N. R. Memetov // IX international conference “Hydrogen Materials Science & Chemistry of Carbon Nanomaterials” Sevastopol,Crimea, Ukraine, 2005. – Pp. 472–473.
- Монаенков М. Ю. Получение катализатора для производства углеродных наноматериалов / М. Ю. Мо наенков, А. Г. Ткачев, В. Л. Негров // Достижения ученых XXI века: сб. мат. междунар. науч.-практ. конференции. – Тамбов : Першина, 2005. – С. 100–101.
- Вольфкович Ю М., Мазин В. М., Уриссон Н. А. Исследование работы двойнослойных конденсаторов на основе углеродных материалов //Электрохимия. – 1998. – Т. 34, № 8. – С. 825–832.
- Укше Е. А., Укше А. Е., Букун Н. Г. Импеданс распределенных структур с твердыми электролитами. Исследования в области химии ионных расплавов и твердых электролитов // Сб. науч. трудов. – Киев : Наукова Думка, 1985. С. 3–17.
Метки: Транспорт