Электрохимические суперконденсаторы (ЭХСК) являются одним из основных субъектов современной электрохимической энергетики и представляют собой быстро перезаряжаемые накопители энергии. Согласно Конвею, электрохимическими конденсаторами являются электрохимические устройства, в которых протекают квазиобратимые зарядно-разрядные процессы, и форма гальваностатических зарядных и разрядных кривых которых близка к линейной, как для обычных электростатических конденсаторов [1]. ЭХСК подразделяются на двойнослонойные конденсаторы (ДСК), псевдоконденсаторы (ПсК) и гибридные конденсаторы (ГК). ЭХСК используются в устройствах импульсной техники, в качестве накопителей электрической энергии, для стартерного запуска и для рекуперации энергии торможения ДВС (автомобилей, тепловозов, катеров); для сглаживания пиковых нагрузок в электросетях; в различных портативных устройствах. ЭХСК можно подразделить на ЭХСК мощностного типа (МЭХСК) и энергетического типа (ЭЭХСК). Первые из них (импульсные) обладают высокой удельной мощностью (1 – 30 кВт/кг), а вторые – высокой удельной энергией (5 -25 Втч/кг) [2]. По сравнению с аккумуляторами МЭХСК обладают намного более высокой удельной мощностью и циклируемостью - до сотен тысяч и миллиона циклов. ДСК состоит из двух пористых поляризуемых электродов. Электрический заряд ДСК определяется емкостью двойного электрического слоя (ДЭС). В ДСК используются электроды с высокой удельной поверхностью (500 - 3000 м2 /г), в первую очередь высокодисперсные углеродные материалы (ВДУМ) на основе активированного угля (АУ), или активированной углеродной ткани (АУТ), углеродные нанотрубки, нановолокна, графены, сажи и т.п.. Энергия ДСК определяется выражением:
A = 1/2 C [(Umax ) 2 - (Umin) 2 ] , (1)
где Umax и Umin - исходное и конечное значения разрядного напряжения.
Пористая структура в большой степени влияет на электрохимические характеристики пористых электродов и ЭХСК. Для большинства АУ пористая структура имеет бидисперсный характер [3]. Согласно данным метода эталонной контктной порометрии (МЭКП) значительная часть поверхности углеродных электродов являются гидрофобными и не участвуют в генерации ДЭС в водных электролитах [3]. Для АУ электродов были достигнуты максимальные величины до 200 - 300 Ф/г за счет заряжения ДЭС и протекания обратимых окислительно-восстановительных фарадеевских реакций с участием поверхностных групп. В последнее время в качестве основы электродов ДСК стали использоваться углеродные нанотрубки (УНТ), нановолокна и графены. Использование УНТ позволяют достигать величин удельных мощностей до 20 кВт/кг [2]. В последние годы в качестве электролитов стали использоваться ионные жидкости, которые потенциально обеспечивают наиболее широкое окно потенциалов и максимальную удельную энергию согласно ур.(1).
Электрический заряд в псевдоконденсаторах (ПсК) накапливается за счет фарадеевской псевдоемкости обратимых редокс-реакций. Из ПсК с оксидами переходных металлов с разной валентностью хорошо исследованы оксиды металлов платиновой группы, особенно на основе Ru [2]. Для увеличения электропроводности электрода порошок RuO2 смешивается с сажей. Удельная ёмкость такого электрода составила 570 Ф/г. Применяются также другие оксиды переходных металлов: LiMn2O4, LiNiO2, LiCoO2 , MnO2 и др.
Разработаны также псевдоконденсаторы (ПсК) на основе электронпроводящих полимеров (ЭПП) с системой сопряженных двойных связей: полиацетилена (ПАц), полипарафенилена (ППФ), политиофена (ПТ), полианилина (ПАн), полипиррола (ПП) и др.[2] . Использование ЭПП в качестве электродов ПсК основано на высокой степенью обратимости редокс-реакций их электрохимического допирования-дедопирования.
Получены довольно высокие характеристики ПсК с ЭПП, в первую очередь на основе различных производных ПТ. Испытания ЭХСК на основе поли[3,4-дифторфенил] тиофена (ПДФФТ) показали очень высокую циклируемость вплоть до 3 млн. циклов.[2].
В гибридных ЭХСК (ГК) используются электроды различных типов. Например, один электрод из оксида металла, а другой - на основе активированного углеродного материала. Примеры ГК такого типа : + NiOOH / KOH / C- и +PbO2 / H2 SO4/С-. Для первого типа ГК получены величины удельной энергии до 11 Втч/кг, для второго 25 Втч/кг [2]. Эти величины существенно превосходят соответствующие величины для обычных ЭХСК симметричного типа.
Емкостная деионизация (опреснение) воды (ЕДВ)
В последние годы был разработан новый и чрезвычайно эффективный метод емкостной деионизации (опреснения) водных растворов [4]: морской воды, солоноватых и промышленных вод. Он заключается в прокачке опресняемой воды между двумя пористыми электродами, между которыми задается определенная разность потенциалов. Под действием электрического поля анионы адсорбируются на положительном, а катионы - на отрицательном электроде, и на выходе получается опресненная вода . Таким образом происходит заряжение двойного электрического слоя (ДЭС) электродов, аналогично работе ДСК. После насыщения поверхности электродов адсорбированными ионами в эту электрохимическую ячейку подается значительно меньший поток воды и одновременно отключается напряжение во внешней цепи или осуществляется переполюсовка. Это приводит к десорбции ионов с электродов и к их концентрированию в этом потоке. Этот концентрат солей может использоваться в народном хозяйстве. Емкостная опреснительная установка (ЕОУ), состоящая из двух электрохимических ячеек, в целом работает непрерывно, при том, что каждая из ячеек часть времени работает как опреснительная, а другая в этот же период времени – как концентрационная. Основой ЕОУ являются пористые электроды из АУТ или АУ, обладающие высокой удельной поверхностью 500 - 3000 м2/г, как и в ДСК. Энергозатраты в установках ЕДВ втрое меньше, чем в широко используемых в настоящее время установках обратного осмоса. В [5] была разработана установка ЕДВ нового типа, в которой вместо обычного пористого сепаратора была использована катионо- анионообменная мембрана. Такая установка позволяет получать чистую питьевую воду при минимуме энергозатрат.
Список литературы
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 17-03-00092-а)