Nplus1: Легкий старт

27.03.2018
Мы продолжаем серию материалов о технологиях, благодаря которым функционирует богатый мир транспортных средств вокруг нас. Илон Маск уже запустил свой Falcon Heavy с Tesla на борту и вот-вот запустит Hyperloop, однако что кроется внутри этих и многих других удивительных машин, мало кто знает. Эту несправедливость мы в партнерстве с НИТУ «МИСиС» и продолжим устранять, и, поговорив в прошлый раз об основе основ современного автотранспорта — асфальтовых и бетонных покрытиях, — в этот раз расскажем о суперконденсаторах.

О чем речь?

О химических источниках тока. Но с оговоркой, что это не привычные нам автомобильные аккумуляторы или «батарейки» смартфонов, а довольно специфичные устройства — суперконденсаторы или, по-другому, ионисторы. Есть хорошо известное сравнение, объясняющее, чем аккумулятор отличается от суперконденсатора: тем же, чем большая бутылка с узким горлом от стакана. В бутылку влезает больше воды, но чтобы ее наполнить, требуется больше времени. Тогда как стакан что наполнить, что опорожнить — вопрос пары секунд, но влезает в него меньше.

Если говорить более приземленно, список технических особенностей суперконденсаторов выглядит так: они обладают меньшим выходным напряжением, чем аккумуляторы (свинцовые или литий-ионные), а также меньшей удельной емкостью. Это означает, что при одной и той же массе суперконденсатор содержит в себе значительно меньший заряд. Однако при этих недостатках ионисторы обладают огромным преимуществом: они быстро (или очень быстро) накапливают и отдают заряд и обладают большей мощностью. А если вспомнить, что изменение заряда в единицу времени — это сила тока, то мы как раз получим основное конкурентное преимущество ионисторов — большой выходной ток. Кроме того, в суперконденсаторах, как правило, не протекают химические реакции, а значит — они меньше подвержены деградации и выдерживают больше циклов перезарядки, чем аккумуляторы.

В 2011 году была основана компания ТЭЭМП, которая на базе разработок НИТУ «МИСиС» создала прототипы суперкоденсаторных ячеек, а в 2017 году запустила их крупномасштабное производство. В самом начале пути авторы проекта сотрудничали с разработчиками Ё-мобиля, для которого как раз требовались суперконденсаторы. Развитие этого проекта прекратилось в 2014 году, но ТЭЭМП продолжила начатое и в настоящий момент вышла на объемы производства до 200 тысяч ячеек в год.


ca9bf0c9451c64d749ca2716963cc678.jpg
Микроструктура углеродного композитного материала, Pacific Northwest National Laboratory

И какая там наука?

Основа суперконденсатора, — ионы, то есть раствор электролита. Давайте на секунду вспомним, как работает обычный конденсатор: это две обкладки, разделенные слоем диэлектрика. Если к такой системе приложить разность потенциалов, на обкладках скопятся заряды разных знаков, но встретиться друг с другом им не дает диэлектрик. В таком состоянии конденсатор заряжен. Если теперь внешнее напряжение снять, то конденсатор можно использовать в качестве краткодействующего источника тока: при подключении его в цепь, заряды перетекут по цепи с одной обкладки на другую, то есть конденсатор, разряжаясь, создает электрический ток.

Что определяет емкость конденсатора? То, сколько зарядов может поместиться на его обкладках при заданной разности потенциалов. А это, в свою очередь, зависит напрямую от площади обкладок. Теперь давайте вспомним, что существуют системы, обладающие колоссальной удельной площадью поверхности, и из них самый яркий пример — активированный уголь и другие, более совершенные углеродные материалы. Чтобы создать конденсатор на этой основе, не хватает лишь второй обкладки. И тут на помощь приходит физическая химия, которая предсказывает, что в растворе электролита около любой заряженной поверхности будет образовываться двойной электрический слой — слой ионов противоположного знака, компенсирующий заряд поверхности. Эта тонкая оболочка фактически является второй обкладкой конденсатора.

Именно двойной электрический слой является «хранилищем» заряда в суперконденсаторах: при зарядке потенциал углеродного носителя внутри ионистора увеличивается, что заставляет ионы накапливаться в двойном электрическом слое. При разрядке, наоборот, — заряд поверхности уменьшается, а ионы покидают поверхность и «уходят» обратно в раствор. В чем же отличия этой системы от химических аккумуляторов? В том, что в ионисторах ионы не вступают в химическую реакцию с углеродным носителем, их удерживает только электростатическая сила. За счет этого суперконденсаторы заряжаются и разряжаются гораздо быстрее аккумуляторов, хотя и не так быстро, как обычные конденсаторы.

А что, раньше ничего такого не было?

Было, причем было с 50-х годов ХХ века. Тогда впервые появилась концепция ионисторов, выгодно отличавшихся от традиционных конденсаторов большей емкостью. К настоящему моменту это направление во всем мире выросло в самостоятельную отрасль, в рамках которой создаются все новые и новые конструкции суперконденсаторов и ячеек на их основе. Но поскольку ионисторы уже давно не лабораторная экзотика, а востребованный компонент в самых разных областях производства, постоянно продолжается гонка за звание самого дешевого/емкого/надежного и так далее. Именно поэтому любое, даже небольшое на первый взгляд, улучшение в конструкции может привести к существенной экономической выгоде. 

Суперконденсаторы, которые производит ТЭЭМП, созданы на основе углеродных «вискерсов», то есть материала, состоящего из длинных и тонких углеродных стержней заданного размера и плотности. Такой материал стоит дешевле графена или нанотрубок, и, уступая им в удельной поверхности, выигрывает в прочности, что позволило создать ионисторы, работающие в экстремальных условиях — температурах от −60°С до +65°С. 

9516940ce62e681f77306562227c3a7d.jpg
Микроструктура углеродного композитного материала, который используется в качестве электродов для суперконденсаторов, Pacific Northwest National Laboratory

Кому это нужно?

Когда пытаешься понять, зачем может понадобиться устройство, выдающее большой ток, сразу вспоминается попытка завести автомобиль, простоявший неделю на 30-градусном морозе. Это действительно богатая область применения для суперконденсаторов, так как зарядка — это разовый и кратковременный процесс, поэтому сравнительно небольшая емкость не является проблемой. Причем речь необязательно идет о запуске двигателя автомобиля: холод создает проблемы и для локомотивов, и для самолетов. Особенно в условиях крайнего севера, где −30 — это еще «тепло».

Другая ниша для суперконденсаторов — это работа с системами энергоснабжения. Так как нагрузка на сеть «скачет» гораздо быстрее и чаще, чем вырабатываемая мощность, электроэнергию необходимо запасать, когда нагрузка минимальна, и наоборот, отдавать быстрее, когда возникает потребительский пик. Для этого суперконденсаторы подходят как нельзя лучше, причем независимо от масштабов: их можно внедрять как в крупные электросети, так и в «домашних» условиях, например, если на вашей крыше установлены солнечные батареи.

Наконец, существуют и вовсе футуристичные области, например, создание устройств для рекуперации энергии. Любители Формулы-1 наверняка помнят появление в болидах системы KERS (kinetic energy recovery system), которая запасает энергию во время торможения, а затем в течение короткого промежутка времени «возвращает» ее двигателю. Думаем, вы уже догадались, какое устройство лежит в основе этой системы. Кстати, подобным образом можно запасать не только кинетическую энергию. Так, складские погрузчики можно оборудовать устройствами рекуперации, запасающими потенциальную энергию в виде электрической во время опускания тяжелого груза, и возвращающими ее обратно во время подъема.

На этом можно заработать деньги?

Можно, ведь сейчас новые «электро-» устройства появляются чуть ли не каждый день, взять ту же Tesla и электрокары других производителей. Спрос на ионисторы есть, но есть и ограничения - высокая цена. По словам представителя ТЭЭМП, руководителя лаборатории «Накопители электрической энергии» НИТУ «МИСиС» Владимира Туманова использованные в производстве решения позволили снизить себестоимость ионисторов почти в три раза. Кроме того, суперконденсаторные ячейки, изготавливаемые компанией, «нацелены» в том числе и на экстремальные условия севера, где есть существенный спрос, но до сегодняшнего дня практически отсутствовало предложение.

Сколько такая штука может стоить?

Все зависит от предполагаемой сферы применения, но цена колеблется от 25 тысяч рублей до нескольких тысяч евро. Для замерзшего автомобиля на парковке многовато, а вот чтобы завести локомотив за полярным кругом — в самый раз.

Автор: Тарас Молотилин
Источник: Nplus1