ELEKTRINO SKLADITENJE ENERGIJE Skladitenje energije u kondenzatorima Energija

ELEKTRIČNO SKLADIŠTENJE ENERGIJE Skladištenje energije u kondenzatorima

Energija se može skladištiti u vidu elektrostatičkog polja, kondenzator je uređaj koji sakuplja naelektrisanja i uspostavlja električno polje između ploča ako je priključen na neki napon l Energija skladištena u kondenzatoru kapacitivnosti C pri naponu Uc iznosi: l l Zapreminska gustina energije iznosi l U slučaju homogenog polja između ploča kondezatora površine A i rastojanja d: l Ako se napon izrazi preko jačine polja E između ploča i iskoristi izraz za kapacitivnost pločastog kondenzatora, dobija se:

Povećanje količine energije koja se skladišti zahteva povećanje dimenzija samog kondenzatora, ova činjenica je obeshrabrivala naučnike da se pozabave idejom zamene baterija kondenzatorima, sve do šezdeseih godina prošlog veka kada su se pojavili prvi superkondenzatori koji se još nazivaju i ultrakondenzatori, kondenzatori snage, zlatni kondenzatori i dvoslojni kondenzatori. l Danas postoje kondenzatori kapaciteta i do nekoliko hiljada farada, a najčešća primena je u hibridnim vozilima i vozilima na električni pogon, uglavnom u ulozi pomoćnih izvora energije u trenucima kada je u kratkom vremenskom periodu potrebno emitovati veće količine energije l U zavisnosti od vrste materijala koji se koristi za izradu elektroda, postoje sledeće vrste superkondanzatora: - elektrohemijski dvoslojni supercondenzatori (ECDL - Elektrochemical Double Layer) u kojima se skladištenje energije vrši razdvajanjem naelektrisanja na granici faza elektroda i elektrolita - pseudo-superkondenzatori koji akumuliraju energiju putem elektrohemijskih reakcija na elektrodama - kombinacija prethodna dva tipa. l

Slika 9. 1: Konstrukcije tri vrste kondenzatora: klasični (elektrostatički), visoko kapacitivni (elektrolitički) i superkondenzator (elektrohemijski)

l l l Razvoj elektrohemijskih (ECDL) kondenzatora počeo je sedamdesetih godina prošlog veka u vojne svrhe za izbacivanje projektila elektromagnetskom energijom, kasnije je razvoj bio podstaknut radom na hibridnim vozilima Vozila koja se napajaju električnom energijom samo iz baterija imaju domet od najviše 160 km izmedju dva punjenja baterije, a samo punjenje dugo traje Elektrohemijski dvoslojni kondenzatori za te svrhe imaju 50% manje zapremine od uobičajnih akumulatorski baterija Elektrohemijski kondenzatori rešavaju nedostatke baterija i konvencionalnih kondenzatora u pogledu gustine skladištenja energije, (specifične energije) kao i u pogledu specifične snage U poređenju sa baterijama superkondenzatori imaju - duži vek trajanja (čak više od 20 godina, što znači da mnogo veći broj ciklusa punjenje-pražnjenje koji mogu da izdrže) - manju temperaturnu zavisnost, manju masu, ne sadrže teške matale - nisu osetljivi na udarce i vibracije, nije im potrebno održavanje - imaju veću jediničnu snagu i mogućnost da se bez posledica isprazne u vrlo kratkom vremenskom periodu

Elektrohemijski kondenzatori l l l Energija se skladišti u električnom dvosloju na granici faza elektroda/elektrolit (Helmzholtov sloj) Konstrukciju čine elektrode od aktivnog ugljenika i elektrolit u tečnom stanju, poslednja istraživanja donela su nove oblike elektroda, (ugljeni aerogel i ugljenik nanocevi), za tečni elektrolit se obično koriste kiseline i baze (najčešće H 2 SO 4 i KOH). Pozitivini i negativni joni se sakupljaju na površinama elektroda, priključenju na električni izvor naelektrisanja na elektrodama privlače iz rastvora jone suprotnog znaka i stvaraju se slojevi jona paralelno sa elektrodama. Razmak između elektroda dvosloja je do više hiljada puta manji nego u elektrosatičkim kondenzatorima, pa se time postižu kapaciteti reda 10 -20 μF/cm 2, odgovarajuće elktrično polje u elektrohemijskom dvosloju je veoma visoko čak do 106 V/cm. Kapacitet granice metal/elektrolit kreću se u rasponu 1 -50 μF/cm 2 pa se povećanjem površine elektroda mogu postići kapaciteti i do nekoliko hiljada farada po gramu materijala Materijali za izradu elektroda su razne vrste ugljenika (grafitni papir 0, 13 F/g, ugljeni aerogel 30 -40 F/g, karbonizovana celuloza 70 -180 F/g).

Potencijal dvosloja elektrode linearno se menja, zatim je u elektrolitu stalan, a zatim se ponovo menja u dvosloju druge elektrode l Ukupna razlika potencijala između dve elektrode, tj. napon kondenzatora, može biti u rasponu 1 -4 V l Jedna kondenzatorska ćelija superkondenzatora sastoji se se od dva redno vezana dvoslojna kondenzatora, pa je ukupni kapacitet jednak polovini kapaciteta dvoslojnog kondenzatora l Maksimalan napon koji se može postići kod elektrohemijskih dvoslojnih kondenzatora ograničen je vrstom elektrolita i naponom razlaganja. l

Pseudo-superkondenzatori Za idealan elektrohemijski dvoslojni kondenzator, naelektrisanje se prenosi u dvosloju i nema reakcije između čvrstog materijala i elektrolita na efektivnoj površini elektrode l Za uređaje koji koriste pseudokondenzatore, većina naelektrisanja se prenosi na površini ili u masi materijala u blizini čvrste elektrode, u ovom slučaju, interakcija između čvrste elektrode i elektrolita se odvija na efektivnoj površini elektrode l Pseudo kondenzatori u svom radu uključuju redukcijsko-oksidacijsku reakciju, prilikom oksidacije i redukcije ne nastaje nova faza, niti dolazi do taloženja, već je reakcija praćena ulaskom i izlaskom protona iz elektrodnog materijala (polimeri 400 -500 F/g) l

Hibridni kondenzatori Superkondenzatori mogu imati jednu dvoslojnu elektrodu (mikroporozni ugljenik) i drugu elektrodu od pseudo-kapacitivnog materijala, takvi uređaji se nazivaju hibridni kondenzatori l Većina do sada razvijenih hibridnih kondenzatora koristi nikl-oksid kao pseudo-kapacitivni materijal anode l Gustina energije hibridnih superkondenzatora može biti mnogo veća nego kod elektrohemijskih dvoslojnih kondenzatora, ali je karakteristika punjenje-pražnjenje vrlo neidealna l