ЛИТИЙ-ИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА LITHIUM-ION CURRENT SOURCES AND SUPERCAPACITOR
Статья поступила в редакцию 17.12.14. Ред. per. № 2152
The article has entered in publishing office 17.12.14. Ed. reg. No. 2152
УДК 541.136
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АКТИВНЫХ СЛОЕВ ДВОЙНОСЛОЙНОГО СУПЕРКОНДЕНСАТОРА: ЦЕНТРАЛЬНАЯ ПРОБЛЕМА И ПУТИ ЕЕ РЕШЕНИЯ
1 2 Ю.Г. Чирков , В.И. Ростокин
1Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН Россия 119071, Москва, Ленинский пр., д. 31, корп. 4 тел.: +"7(495) 955-40-31; факс: 8 (495) 952-08-46; e-mail: olga.nedelina@gmail.com Национальный исследовательский ядерный университет (МИФИ) Россия 115409, Москва, Каширское шоссе, д. 31 e-mail: viktor.rostockin@yandex.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2014.22.004
Заключение совета рецензентов: 19.12.14 Заключение совета экспертов: 22.12.14 Принято к публикации: 25.12.14
Проведено компьютерное моделирование структуры и способов функционирования активных слоев (активированный углерод) двойнослойного конденсатора (ДСК). Изучен процесс зарядки ДСК, проведены расчеты основных габаритных характеристик ДСК: времени зарядки, удельных емкости и запасенной энергии. Сформулирована центральная проблема расчета ДСК с реальной не монопористой структурой. В активных слоях, в которых обычно имеются три типа пор (микропоры, мезопоры и макропоры), при гальваностатическом режиме зарядки ДСК в первую очередь поляризуются широкие поры. При этом достигается предельно допустимый потенциал, процесс гальваностатической зарядки приходится останавливать и переходить к по-тенциостатической зарядке. В результате большое число микропор может остаться неполяризованными. Поэтому возникает насущная необходимость вести теоретические поиски средств, позволяющих проводить полноценный процесс адсорбции ионов в микропорах и получать высокие значения удельной емкости ДСК. В целом исследовались ДСК с водным электролитом различных типов: вариант 1 - активный слой с "идеальной" структурой, вариант 2 - активный слой с монопористой структурой, вариант 3 - бипористый активный слой. Для поляризации бипористых активных слоев использовалась последовательность двух процессов заряда: сначала гальваностатики, затем потенциостатики. Предложенная в статье программа расчетов предполагала взаимное согласование и оптимизацию семи параметров, характеризующих активный слой, и условий проведения процессов зарядки. Проведение компьютерного моделирования бипористых активных слоев ДСК означало выполнение полной программы исследований: формулирование модели структуры активного слоя, перколяционные оценки и расчет эффективных ионных проводимостей как высокодисперсных зерен углерода, так и всего активного слоя. При расчете габаритных характеристик активных слоев ДСК проводился анализ того, как главные параметры - плотность тока заряда и толщина активного слоя - влияют на процессы зарядки, определяют величину габаритных характеристик.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, двойнослойный суперконденсатор, активный слой, активированный углерод, водный электролит, гальваностатический и потенциостатический режимы заряда
COMPUTER SIMULATION OF ACTIVE LAYERS IN THE ELECTRIC DOUBLE- LAYER SUPERCAPACITOR: CENTRAL PROBLEM AND METHODS OF ITS DECISION
1 2 Yu.G. Chirkov , V.I. Rostokin
'A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, RAS 31/5 Leninskiy Av., Moscow, 119991 Russian Federation ph.: 8 (495) 955-40-31, fax: 8 (495) 952-08-46, e-mail: olga.nedelina@gmail.com ^National Research Nuclear University (MEPhY) 31 Kashirskoe Dr., Moscow, 115409 Russian Federation e-mail: viktor.rostockin@yandex.ru
Referred 19 December 2014 Received in revised form 22 December 2014 Accepted 25 December 2014
The paper performs a computer simulation of the structure and modes of functioning of active layers (activated carbon) in double-layer capacitors (DLCs) and studies the charging of DLCs. It presents the main characteristics of DLCs (charging time, specific capacity, stored energy) calculations. The central problem of calculation of DLCs with a real, nonmonoporous structure is formulated. The wide pores are polarized first in active layers generally having pores of three types (micropores, mesopores, and macropores) in the galvanostatic mode of DLCs charging. In this case, the limiting acceptable potential is achieved, and galvanostatic charging should be stopped and changed to po-tentiostatic charging. As a result, a large number of micropores can remain unpolarized. Therefore, it is important to perform a theoretical search for means to carry out complete adsorption of ions in micropores and obtain high specific capacities of DLCs. DLCs with aqueous electrolyte of different types were studied: active layer with the "ideal" structure (type 1), active layer with a monoporous structure (2), and biporous active layer (3). The polarization of biporous active layers includes a sequence of two charging processes: first one is galvanostatic and second one is potentiostat-ic. The proposed program of calculations involves mutual matching and optimization of seven parameters characterizing the active layer and conditions of charging processes. A computer simulation of biporous active layers of DLCs involves the formulation of a model of the structure of the active layer, percolation evaluation, and calculation of the effective ion conductivities of both highly porous carbon grains and the whole active layer. When calculating the characteristics of the active layers of DLC, we analyzed the effect of the main parameters (charge current density and active layer thickness) on the charging process and overall characteristics.
Keywords: computer simulation, electric double layer supercapacitor, active layer, activated carbon, aqueous electrolyte, galvanostatic and potentiostatic charging modes.
Юрий Георгиевич Чирков Yu. G. Chirkov
Сведения об авторе: д-р хим. наук, ведущий научный сотрудник Института физической химии и электрохимии РАН.
Область научных интересов: теория пористых электродов в электрохимических технологиях (топливные элементы, литий-ионные аккумуляторы, суперконденсаторы, электролиз воды и хлора и т.д.).
Публикации: 300 статей и обзоров, соавтор монографии «Макрокинетика процессов в пористых средах (Топливные элементы)». М.: Наука, 1971.
Information about the author: Dr. of
Sciences (Chemistry), Leading Researcher, A.N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, RAS.
Area of researches: theory of porous electrodes in electrochemical technologies (fuel cells, lithium- ion batteries, super capacitors, water electrolysis, and so on).
Publications: 300 articles and reviews, co-author of the monograph "Macro kinetics processes inporous media (Fuel cells)". M.: Nauka, 1971.
ir*
Виктор Иванович Ростокин V.I. Rostokin
Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Общая физика» НИЯУ (МИФИ), стаж преподавательской работы 47 лет.
Награды: III-" премия Государственного Комитета СССР по народному образованию «За значительные успехи в перестройке содержания учебно-воспитательного процесса, его обновления в свете современных достижений и перспектив развития науки, техники и культуры, создание спецкурсов по направлениям, определяющим научно-технический и социальный прогресс СССР (Постановление Коллегии Госкомитета СССР по народному образованию от 21.06.1991 г. № 10/3)».
Образование: МИФИ (1960) по специальности «Теоретическая ядерная физика».
Область научных интересов: теория пористых электродов в электрохимических технологиях (топливные элементы, литий-ионные аккумуляторы, суперконденсаторы), а также проблемы ядерной и атомной физики.
Публикации: более 100.
Information about the author: Associate Professor of the department "General physics", National Research Nuclear University (ME-Phl), PhD (Physic-Mathematical Sciences), experience of teaching work 47 years.
Awards: third prize of the USSR State Committee on public education "For significant progress in the restructuring of the content of the educational process, it update in light of recent achievements and perspectives of development of science, technology and culture, the creation of special courses for directions, determining technical, scientific and social progress of the USSR (the Resolution of the Collegium of the USSR State Committee for public education at.06.1991, No. 10/3)".
Education: He graduated from the Moscow Engineering Physics Institute in 1960 on the specialty "Theoretical nuclear physics".
Area of researches: theory of porous electrodes in electrochemical technologies (fuel cells, lithium- ion batteries, super capacitors), and problems of nuclear and atomic physics.
Publications: more than 100 articles.
Постановка задачи исследования
Электрохимические конденсаторы, они же суперконденсаторы, использующие процессы перезарядки двойного электрического слоя и способные обеспечивать удельные емкости порядка сотен Ф/г и энергии порядка нескольких десятков Вт-часов/кг, находят все большее применение [1, 2]. Ниже будет рассматриваться классический тип суперконденсатора -двойнослойный суперконденсатор (ДСК) с водным раствором электролита [3, 4].
ДСК состоит из двух пористых поляризуемых электродов (двух активных слоев), погруженных в раствор электролита. Для получения высоких характеристик ДСК используются активные слои с высокой удельной поверхностью порядка нескольких тысяч м2/г (высокодисперсные активированные угли и ткани). Процесс зарядки ДСК может быть произведен в гальваностатическом или потенциостатическом режиме.
Дифференциальное уравнение, описывающее закон сохранения заряда при адсорбции ионов из электролита имеет вид [5]
или иного типа £ обратно пропорциональна среднему размеру пор г данного типа, т. е.
kd2 E / dx = SCSdE / dt,
(1)
S ~1/r .
(6)
где 0 < х < Ь - активный слой; х - координата; Ь -толщина активного слоя; к, ом-1 см-1 - эффективная проводимость активного слоя; Е (х, /) - потенциал; t - время; см-1 - удельная поверхность углеродного материала; Сй Ф/см2 - удельна
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.