ЛИТИЙ-ИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА И СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ
LITHIUM-ION CURRENT SOURCES AND SUPERCAPACITOR
Статья поступила в редакцию 11.11.13. Ред. рег. № 1860
The article has entered in publishing office 11.11.13 . Ed. reg. No. 1860
УДК 544.636
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
И.Н. Атаманюк1, Д.Е. Вервикишко1, А.А. Саметов1, А.Б. Тарасенко1,2,
Е.И. Школьников1, И.В. Янилкин1
'Объединенный институт высоких температур РАН
125412, Москва, ул. Ижорская, д.13, стр.2 Тел.: (495) 485-96-11, e-mail: 2shkolnikov@ihed.ras.ru 2ООО «НТЦ «ЭНЕРГИЯ» Якутск, Россия, Ул. 50 лет Советской Армии, д. 5 Тел.: +79035141271, e-mail: a.b.tarasenko@gmail.com
Заключение совета рецензентов: 14.11.13 Заключение совета экспертов: 17.11.13 Принято к публикации: 21.11.13
Прогресс в области различных технологий накопления электрической энергии и развитие технологий возобновляемой энергетики позволяют решать различные задачи с помощью накопителей новых типов в составе солнечных и ветровых энергоустановок. Для компенсации пиковых нагрузок, характеризующихся высокими токами разряда аккумуляторов (например, пусковые токи мощных электродвигателей), по аналогии с гибридными установками электротранспорта могут быть применены суперконденсаторы.
Широкий спектр электродных материалов и электролитов, применяемых в суперконденсаторах, требует подбора определенных комбинаций материалов для достижения требуемых параметров удельной энергии и удельной мощности. Важную роль для работы суперконденсаторов в системах с ВИЭ также играют срок службы и скорость саморазряда суперконденсаторов. Варьируя состав электролита и применяемые электродные материалы, можно создавать системы как с высокой удельной мощностью, так и с высокой энергоемкостью. Структура применяемого активированного угля и технология формирования электрода также оказывает влияние на саморазряд и срок службы суперконденсатора.
Ключевые слова: суперконденсатор, возобновляемые источники энергии, активированный уголь, гибридные энергоустановки.
INVESTIGATION OF NOVEL SUPER CAPACITOR ELECTRODE MATERIALS FOR RENEWABLE ENERGY SYSTEMS APPLICATION
I.N. Atamanyuk1, D.E. Vervikishko1, А.А. Sametov1, A.B. Tarasenko12, E.J. Shkolnikov1,1.V. Yanilkin1
Russian Academy of Sciences, Joint Institute for High Temperatures 13, Bld. 2 Izhorskaya St., 125412, Moscow, Russia Tel. : (495) 485-96-11, e-mail: 2shkolnikov@ihed.ras.ru
2"STC "ENERGY" 50 Let Sovyetskoy Armii St., Bldg 5, Yakutsk, Russia, Tel.: +79035141271, e-mail: a.b.tarasenko@gmail.com
Referred: 14.11.13 Expertise: 17.11.13 Accepted: 21.11.13
Progress in the field of various electric energy storage technologies and the development of renewable energy technologies enable new types of storage devices to solve various problems in solar and wind power. Super capacitors, for example, can be used to compensate peak loads, characterized by high current discharge batteries (such as inrush currents of high-power electric motors) by analogy with hybrid electric vehicles power system.
Wide range of electrode materials and electrolytes used in super capacitors requires selection of appropriate combinations of materials to achieve the desired parameters of specific energy and specific power. Super capacitors lifetime and rate of self-discharge play an important role in the systems with renewable energy sources. Varying the composition of electrolyte and electrode materials used, it is possible to create a system with high power density or high specific energy, depending on storage purposes. The structure of activated carbon and applied technology of the electrode also affects the self-discharge rate and lifetime of the super capacitors.
Key words: super capacitor, renewables, activated carbon, hybrid power systems.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (133) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Атаманюк Ирина Николаевна
Сведения об авторе: стажер-исследователь лаборатории алюмоводородной энергетики ОИВТ РАН. Образование: факультет инженерной химии РХТУ им. Д.И. Менделеева (2011 г.) Область научных интересов: углеродные материалы, исследование пористой структуры, альтернативная энергетика.
Публикации: 4 тезиса докладов.
Вервикишко Дарья Евгеньевна
Сведения об авторе: мл. научный сотрудник лаборатории алюмоводородной энергетики ОИВТ РАН. Образование: факультет молекулярной и биологической физики МФТИ (2011 г.) Область научных интересов: суперконденсаторы, углеродные материалы, исследование пористой структуры.
Публикации: 7 научных статей, около 30 тезисов докладов и 2 патента. Саметов Анатолий Александрович
Сведения об авторе: стажер-исследователь лаборатории алюмоводородной энергетики ОИВТ РАН. Образование: факультет инженерной экологии МГУИЭ (2011 г.)
Область научных интересов: накопители электрической энергии, возобновляемая энергетика, альтернативная энергетика.
Публикации: 3 тезиса докладов.
Тарасенко Алексей Борисович
Сведения об авторе: мл. научный сотрудник лаборатории алюмоводородной энергетики ОИВТ РАН, генеральный директор ООО «НТЦ «ЭНЕРГИЯ».
Образование: Высший физический колледж МИФИ (2005 г.)
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, углеродные материалы, топливные элементы, накопители электрической энергии.
Публикации: 12 научных статей, около 20 тезисов докладов и 4 патента.
Школьников Евгений Иосифович
Сведения об авторе: заведующий отделом алюмоводородной энергетики ОИВТ РАН. Образование: МЭИ (1971 г.)
Область научных интересов: разнообразные аспекты создания электрохимических устройств на основе топливных элементов и алюмоводородных генераторов, а также процессы переноса в пористых средах, методы и приборы для исследования пористых сред.
Публикации: более 130 научных статей, более 180 тезисов конференций, более 30 патентов.
Янилкин Игорь Витальевич
Сведения об авторе: мл. научный сотрудник лаборатории алюмоводородной энергетики ОИВТ РАН. Образование: факультет молекулярной и биологической физики МФТИ (2010 г.) Область научных интересов: суперконденсаторы, углеродные материалы, топливные элементы, алюмоэнергетика, газофазное окисление алюминия, лазерные факелы. Публикации: 4 научные статьи, около 10 тезисов докладов и 2 патента.
Введение
Постоянное совершенствование аккумуляторов и других типов накопителей электрической энергии и снижение их стоимости позволяет использовать их для решения качественно новых задач, таких, как аккумулирование электрической энергии на длительные периоды отсутствия питания от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и компенсация пиковых нагрузок потребителя. Наряду с традиционными свинцово-кислотными аккумуляторами все чаще рассматриваются системы на основе водородного цикла и литий-ионные аккумуляторы. В ряде случаев, характеризующихся необходимостью краткосрочных мощных электрических нагрузок потребителя, целесообразным представляется применение суперконденсаторов. Технико-экономические пара-
метры суперконденсаторов во многом определяются применяемыми электродными материалами. В рамках данной работы проведено исследование, направленное на поиск углеродных материалов с оптимальными параметрами для применения в электродах суперконденсаторов.
В настоящее время проблема энерго- и ресурсосбережения как в России, так и в мире стоит достаточно остро. Растущие потребности в электрической энергии заставляют искать новые источники энергии и оптимизировать потребление энергии, получаемой от традиционных систем. Известно, что большинство возобновляемых источников энергии отличается существенными суточными и сезонными неравномерно-стями генерации, причем для ветровых энергоустановок характерны флуктуации со временем жизни от долей до нескольких секунд [1]. Если длительные пи-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (133) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
ки и спады генерации мощности могут быть компенсированы электрохимическими аккумуляторами, то для повышения качества выдаваемой электроэнергии оптимальным решением является суперконденсатор на основе двойного электрического слоя (ДСК). Задача подавления флуктуаций характерна также и для дизель-генераторных установок, составляющих основу современной распределенной генерации.
В ряде случаев повышение срока службы и снижение стоимости могут быть достигнуты комбинированием аккумуляторов с ДСК в составе энергетической установки. Похожие схемы используются и в электротранспортных средствах [2]. В такой схеме аккумуляторы обеспечивают энергопитание потребителя в базовом режиме при отсутствии ВИЭ, а переходные процессы компенсируются ДСК [3]. Суперконденсаторы могут быть использованы и в системах питания тех потребителей, электрическая нагрузка которых носит явно импульсный характер [4].
Суперконденсатор представляет собой импульсное электрохимическое устройство, являющееся преимущественно источником мощности. От аккумуляторов различных типов он отличается существенно меньшей энергоемкостью (единицы Вт-ч/кг) и повышенной удельной мощностью (2-10 кВт/кг). Отсутствие фарадеевских процессов при работе ДСК приводит к увеличению его ресурса по сравнению с аккумуляторами, а также к отсутствию ограничений по глубине его разряда [5].
В качестве электродных структур для суперконденсаторов широко применяются углеродные материалы. Причиной этого является ряд уникальных свойств углерода, таких как высокая коррозионная стойкость, достаточная электронная проводимость, высокая температурная стойкость, возможность управления удельной поверхностью и параметрами пористой структуры в процессе синтеза [6]. Кроме того, многообразие форм углеродных материалов также позволяет более гибко подходить к выбору электродных материалов ДСК. Для эффективного формирования двойного электрического слоя в суперконденсаторах необходимо обеспечить высокоразвитую поверхность электродных материалов. Именно поэтому одним из самых распространенных электродных ма
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.