Электрохимические источники тока: батареи, топливные элементы и суперконденсаторы для электромобилей

Как работают основные типы батарей для электромобилей. Какие преимущества и недостатки у литий-ионных аккумуляторов. Какие перспективные типы топливных элементов существуют для электротранспорта. Как устроены и для чего применяются суперконденсаторы в электромобилях.

Основные типы электрохимических источников тока для электромобилей

Для питания электродвигателей и вспомогательных систем электромобилей и гибридов используются три основных типа электрохимических источников тока:

• Аккумуляторные батареи
• Топливные элементы
• Суперконденсаторы

Каждый из этих источников имеет свои особенности, преимущества и недостатки. Рассмотрим их подробнее.

Аккумуляторные батареи для электромобилей

Аккумуляторные батареи — наиболее распространенный тип источника питания для современных электромобилей. Основные виды аккумуляторов, применяемых в электротранспорте:

• Свинцово-кислотные
• Никель-металлгидридные (Ni-MH)
• Литий-ионные (Li-ion)

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Свинцово-кислотные батареи использовались в первых электромобилях. Их преимущества:

• Низкая стоимость
• Отработанная технология производства
• Возможность глубокого разряда

Однако они имеют ряд существенных недостатков для применения в современных электромобилях:

• Низкая удельная энергоемкость (30-40 Вт*ч/кг)
• Большой вес
• Ограниченное количество циклов заряд-разряд
• Длительное время заряда

Из-за этих недостатков свинцово-кислотные батареи сейчас практически не используются в электромобилях.

Никель-металлгидридные аккумуляторы

Ni-MH аккумуляторы получили широкое распространение в гибридных автомобилях. Их характеристики:

• Удельная энергоемкость 60-80 Вт*ч/кг
• Срок службы до 1000 циклов заряд-разряд
• Возможность быстрого заряда
• Устойчивость к перезаряду и глубокому разряду

Недостатки Ni-MH аккумуляторов:

• Высокий саморазряд
• Эффект памяти
• Содержание токсичного кадмия

В настоящее время Ni-MH батареи вытесняются более эффективными литий-ионными.

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные батареи сегодня являются основным типом источников питания для электромобилей. Их ключевые преимущества:

• Высокая удельная энергоемкость (100-265 Вт*ч/кг)
• Длительный срок службы (до 2000 циклов)
• Отсутствие эффекта памяти
• Низкий саморазряд
• Возможность быстрого заряда

К недостаткам Li-ion аккумуляторов можно отнести:

• Высокую стоимость
• Деградацию при высоких температурах
• Потенциальную пожароопасность

Несмотря на недостатки, именно литий-ионные батареи сегодня обеспечивают наилучшее сочетание характеристик для электромобилей.

Топливные элементы для электротранспорта

Топливные элементы — перспективный источник энергии для электромобилей. Они преобразуют химическую энергию топлива непосредственно в электрическую. Основные типы топливных элементов для транспорта:

• Щелочные топливные элементы (AFC)
• Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC)
• Топливные элементы на основе метанола (DMFC)

Преимущества топливных элементов:

• Высокий КПД (до 60%)
• Экологичность (выделяется только вода)
• Быстрая заправка
• Большой запас хода

Недостатки топливных элементов:

• Высокая стоимость
• Сложность хранения и транспортировки водорода
• Недостаточно развитая инфраструктура

Наиболее перспективными для электротранспорта считаются топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC). Они обеспечивают высокую удельную мощность при относительно низких рабочих температурах.

Суперконденсаторы в электромобилях

Суперконденсаторы (ультраконденсаторы) — относительно новый тип накопителей энергии. Они занимают промежуточное положение между аккумуляторами и обычными конденсаторами. Основные типы суперконденсаторов:

• Двухслойные конденсаторы
• Псевдоконденсаторы

Ключевые особенности суперконденсаторов:

• Очень высокая удельная мощность (до 10 кВт/кг)
• Практически неограниченное число циклов заряд-разряд
• Быстрый заряд и разряд
• Работа при низких температурах

Недостатки суперконденсаторов:

• Низкая удельная энергоемкость (5-10 Вт*ч/кг)
• Высокий саморазряд
• Высокая стоимость

В электромобилях суперконденсаторы применяются в сочетании с аккумуляторами. Они позволяют эффективно рекуперировать энергию торможения и обеспечивать пиковые нагрузки при разгоне.

Сравнение характеристик источников тока для электромобилей

Рассмотрим основные характеристики различных электрохимических источников тока для электротранспорта:

Параметр	Li-ion	Ni-MH	PEMFC	Суперконденсатор
Удельная энергия, Вт*ч/кг	100-265	60-80	500-1000	5-10
Удельная мощность, Вт/кг	250-340	200-300	100-500	1000-10000
КПД, %	80-90	70-80	40-60	95-98
Число циклов	500-2000	500-1000	>5000	>100000

Как видно из таблицы, каждый тип источника имеет свои сильные и слабые стороны. Поэтому в современных электромобилях часто применяют гибридные системы питания, сочетающие различные технологии.

Перспективы развития источников тока для электромобилей

Основные направления совершенствования электрохимических источников тока для электротранспорта:

• Повышение удельной энергоемкости литий-ионных аккумуляторов
• Разработка твердотельных литий-ионных батарей
• Создание литий-воздушных и литий-серных аккумуляторов
• Снижение стоимости и повышение эффективности топливных элементов
• Разработка новых материалов для электродов суперконденсаторов
• Создание гибридных накопителей энергии

Ожидается, что в ближайшие годы удельная энергоемкость литий-ионных аккумуляторов возрастет до 300-400 Вт*ч/кг, а их стоимость снизится. Это сделает электромобили еще более привлекательными для потребителей.

Развитие водородных технологий и инфраструктуры заправки может привести к более широкому внедрению топливных элементов в электротранспорте. Это позволит значительно увеличить запас хода и снизить время заправки.

Таким образом, совершенствование электрохимических источников тока играет ключевую роль в развитии электромобильного транспорта. Сочетание различных технологий позволяет создавать все более эффективные и экологичные транспортные средства.

Современные химические источники тока. Гальванические элементы, аккумуляторы, конденсаторы | Библиотека

• 8 октября 2019 г. в 11:39
• 1717

• Поделиться

• Пожаловаться

Современные химические источники тока. Гальванические элементы, аккумуляторы, конденсаторы

Введение

Химические источники тока (ХИТ) являются неотъемлемой и важной частью огромного числа объектов и элементов техники. Они находят широкое применение в автомобильном, напольном (электрокары, электропогрузчики), водном, авиационном, морском и железнодорожном транспорте, входят в состав энергосистем атомных, тепловых и гидроэлектростанций, обеспечивают работу систем связи, телефонных станций и мобильных телефонов, работают совместно с солнечными, ветровыми и приливными генераторами, широко используются в различных приборах, инструментах и оборудовании, в бытовой, медицинской и военной технике. Аккумуляторные батареи можно встретить в космосе в составе космических станций и ракет, в самых глубоких морских впадинах на подводных аппаратах и глубоко под землей. Диапазон емкости аккумуляторов распространяется от 10^-9 до 2*10⁴ Ач. Они могут быть размером от 10^-9 до 1 м³ . Отдельные аккумуляторы собираются в батареи, создавая системы с мегаваттной мощностью. Если одновременно включить все существующие химические источники тока, то их мощность превысит мощность всех тепловых и гидроэлектростанций.

Большую роль ХИТ играют в фото- и кинотехнике. Они используются в кино- и видеокамерах, фотоаппаратах, переносных видеомагнитофонах, системах связи, осветительном оборудовании для подводных съемок, различных транспортных средствах, применяемых на съемках,и т.п.

Широкое применение ХИТ в фото- и кинотехнике, а также в системах и оборудовании,обслуживающих процессы кино- и фотосъемок, требует от специалистов умения обоснованно выбирать необходимый источник тока и правильно его эксплуатировать. Для этого нужно иметь представление о работе ХИТ, специфике отдельных электрохимических систем, на базе которых созданы источники. тока. Это позволит максимально эффективно и экономично использовать источники тока.

Первый химический источник тока был открыт случайно. Итальянский ученый Л. Гальвани, проводя опыты с использованием лягушек, заметил, что одна из них, подвешенная на балконе за медный крючок, при соприкосновении с железным ограждением балкона, начинала дергаться. Было введено понятие «животное» электричество. Позже другой итальянский ученый А. Вольта доказал, что причиной появления электрического тока в опыте с лягушкой является не «животное» электричество, а физико-химические процессы, происходящие при погружении двух различных металлов в электролит. Лягушка оказались лишь чувствительным прибором для обнаружения электричества. В 1800 г. Вольта продемонстрировал первый химический источник тока, собранный путем чередования медных и цинковых кружков, проложенных картоном, смоченным электролитом.

Но был ли это действительно первый ХИТ? В 1936 г. на территории Ирака археолог Кенинг нашел терракотовый сосуд со вставленными в него медным цилиндром и железным стержнем, укрепленным по центру с помощью пробки. Было высказано предположение, что это гальванический элемент, принадлежавший древним шумерам, жившим на планете еще 5000 лет назад. Ученый-археолог предположил, что сосуд заливался каким-либо доступным в те времена электролитом: уксусом, фруктовым соком, морской водой. Найденный сосуд наполнили электролитом и получили электрический ток. Правда, удельная энергия такого гальванического элемента составляла всего 1 Втч/кг. Зачем был нужен шумерам гальванический элемент? Недалеко от найденного сосуда были обнаружены серебряные украшения с тонкой позолотой. Вручную нанести такой тонкий слой золота невозможно. Таким образом, возникла гипотеза о гальваническом нанесении золота с использованием химического источника тока.

Развитие ХИТ шло быстрыми темпами, что определялось большой потребностью в них. Первая свинцово-кислотная батарея была изготовлена Планте в 1859 г., а уже в 1881 r. был испытан первый электромобиль с такой батареей. В 1900 г. Юнгером был изобретен никель-железный аккумулятор, а в 1901 г. Эдисоном — никель-кадмиевый.

…

Скачать Современные источники тока

Смотрите также

Elec.ru в любимой социальной сети Twitter
Актуальные новости, мероприятия, публикации и обзоры в удобном формате.

Подписаться

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА • Большая российская энциклопедия

Авторы: А. М. Скундин, Т. Л. Кулова

ХИМИ́ЧЕСКИЕ ИСТО́ЧНИКИ ТО́КА, уст­рой­ст­ва, в ко­то­рых хи­мич. энер­гия окис­ли­тель­но-вос­ста­но­вит. ре­ак­ций пре­об­ра­зу­ет­ся не­по­сред­ст­вен­но в элек­три­че­скую. Лю­бой Х. и. т. со­дер­жит от­ри­цат. и по­ло­жит. элек­тро­ды, из­го­тов­лен­ные из элек­трич. про­вод­ни­ков 1-го ро­да (с элек­трон­ной про­во­ди­мо­стью), ко­то­рые раз­де­ле­ны элек­тро­ли­том – про­вод­ни­ком 2-го ро­да, об­ла­даю­щим ион­ной про­во­ди­мо­стью. Про­цес­сы окис­ле­ния и вос­ста­нов­ле­ния в Х. и. т. про­стран­ст­вен­но раз­де­ле­ны: при за­мы­ка­нии внеш­ней це­пи на от­ри­цат. элек­тро­де про­те­ка­ет окис­ле­ние вос­ста­но­ви­те­ля с вы­де­ле­ни­ем элек­тро­нов во внеш­нюю цепь, а на по­ло­жи­тель­ном – вос­ста­нов­ле­ние окис­ли­те­ля с по­треб­ле­ни­ем эк­ви­ва­лент­но­го ко­ли­че­ст­ва элек­тро­нов из внеш­ней це­пи. Эк­ви­ва­лент­ное ко­ли­че­ст­во ио­нов пе­ре­но­сит­ся при этом че­рез элек­тро­лит от од­но­го элек­тро­да к дру­го­му. Со­во­куп­ность ма­те­риа­лов элек­тро­дов и элек­тро­ли­та пред­став­ля­ет элек­тро­хи­мич. сис­те­му Х. и. т. В ус­ло­ви­ях ра­зомк­ну­той це­пи ток че­рез Х. и. т. не про­те­ка­ет, а на его элек­тро­дах ус­та­нав­ли­ва­ет­ся элек­тро­дви­жу­щая си­ла (эдс), ко­то­рая од­но­знач­но оп­ре­де­ля­ет­ся элек­тро­хи­мич. сис­те­мой, т. е. при­ро­дой то­ко­об­ра­зую­щей ре­ак­ции. Элек­трод, на ко­то­ром про­те­ка­ет ре­ак­ция окис­ле­ния, на­зы­ва­ет­ся ано­дом; элек­трод, на ко­то­ром про­те­ка­ет вос­ста­нов­ле­ние, – ка­то­дом. Зна­че­ние эдс разл. Х. и. т. ко­леб­лет­ся от 0,5 до 4,0 В. Для удоб­ст­ва экс­плуа­та­ции Х. и. т. час­то со­еди­ня­ют в по­сле­до­ва­тель­ные ба­та­реи. Для по­лу­че­ния боль­ших то­ков раз­ря­да ис­поль­зу­ют па­рал­лель­ное со­еди­не­ние хи­мич. ис­точ­ни­ков то­ка.

Раз­ли­ча­ют пер­вич­ные, или од­но­ра­зо­вые, Х. и. т. – галь­ва­ни­че­ские эле­мен­ты, и вто­рич­ные, или пе­ре­за­ря­жае­мые, Х.  и. т. – ак­ку­му­ля­то­ры. В тех и дру­гих уст­рой­ст­вах ак­тив­ные ве­ще­ст­ва, уча­ст­вую­щие в то­ко­об­ра­зую­щей ре­ак­ции, на­хо­дят­ся не­по­сред­ст­вен­но в элек­тро­дах. По­сле окон­ча­ния раз­ря­да, т. е. по­сле ис­чер­па­ния за­па­са ак­тив­ных ве­ществ, пер­вич­ные эле­мен­ты вы­хо­дят из строя, а ак­ку­му­ля­то­ры мо­гут быть вновь пе­ре­ве­де­ны в ра­бо­то­спо­соб­ное со­стоя­ние пу­тём за­ря­да, т. е. про­пус­ка­ни­ем то­ка в на­прав­ле­нии, об­рат­ном за­ря­ду. На элек­тро­дах при этом про­те­ка­ют те же ре­ак­ции, что и при раз­ря­де, но в об­рат­ном на­прав­ле­нии. Ак­ку­му­ля­то­ры мо­гут быть пе­ре­за­ря­же­ны неск. со­тен раз. Про­цесс по­сле­до­ва­тель­но­го за­ря­да и раз­ря­да ак­ку­му­ля­то­ров на­зы­ва­ют цик­ли­ро­ва­ни­ем. Важ­ная раз­но­вид­ность пер­вич­ных эле­мен­тов (ко­то­рую обыч­но вы­де­ля­ют в отд. са­мо­сто­ят. ка­те­го­рию) – то­п­лив­ные эле­мен­ты, в ко­то­рых про­ис­хо­дит толь­ко про­цесс то­ко­об­ра­зо­ва­ния, а ак­тив­ные ве­ще­ст­ва хра­нят­ся от­дель­но и по­да­ют­ся в эле­мент по ме­ре не­об­хо­ди­мо­сти. Со­глас­но Фа­ра­дея за­ко­нам, су­ще­ст­ву­ет пря­мая про­пор­цио­наль­ность ме­ж­ду ко­ли­че­ст­вом элек­три­че­ст­ва, вы­ра­ба­ты­вае­мо­го Х. и. т., и ко­ли­че­ст­вом из­рас­хо­до­ван­ных ак­тив­ных ве­ществ. Сле­до­ва­тель­но, ско­рость из­рас­хо­до­ва­ния ак­тив­ных ве­ществ стро­го про­пор­цио­наль­на то­ку раз­ря­да. Т. о., ко­ли­че­ст­во элек­три­че­ст­ва, ко­то­рое мо­жет вы­ра­бо­тать Х. и. т., или его ём­кость, про­пор­цио­наль­но ко­ли­че­ст­ву за­ло­жен­ных в не­го ак­тив­ных ве­ществ. Осн. ха­рак­те­ри­сти­ки Х. и. т.: на­пря­же­ние, мак­си­маль­но до­пус­ти­мый ток раз­ря­да, тем­пе­ра­тур­ный диа­па­зон ра­бо­то­спо­соб­но­сти.

Пер­вый Х. и. т. соз­дал А. Воль­та в 1800, и с это­го мо­мен­та на­ча­лась эра элек­три­че­ст­ва. Ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние име­ют мар­ган­це­во-цин­ко­вые, мар­ган­це­во-ли­тие­вые, фто­руг­ле­род­но-ли­тие­вые пер­вич­ные эле­мен­ты, а так­же свин­цо­вые (ки­слот­ные), ни­кель-кад­мие­вые и ни­кель-ме­талл­гид­рид­ные (ще­лоч­ные) и ли­тий-ион­ные ак­ку­му­ля­то­ры. Про­из­во­дят­ся и на­хо­дят­ся в экс­плуа­тации во­до­род­но-ки­сло­род­ные (во­до­род­но-воз­душ­ные) то­п­лив­ные эле­мен­ты с по­ли­мер­ным элек­тро­ли­том, с рас­плав­лен­ным кар­бо­нат­ным элек­тро­ли­том и с твёр­дым ок­сид­ным элек­тро­ли­том. В ка­че­ст­ве эта­ло­нов на­пря­же­ния ис­поль­зу­ют нор­маль­ные эле­мен­ты, имею­щие вос­про­из­во­ди­мое с точ­но­стью до 1·10^–5 В на­пря­же­ние.

Осн. сфе­ры при­ме­не­ния Х. и. т. – энер­го­обес­пе­че­ние пор­та­тив­ной ап­па­ра­ту­ры (от мо­биль­ных те­ле­фо­нов до иг­ру­шек), обес­пе­че­ние стар­та дви­га­те­лей внутр. сго­ра­ния, обес­пе­че­ние энер­ги­ей транс­порт­ных средств, сгла­жи­ва­ние на­гру­зок в элек­тро­се­тях, обес­пе­че­ние ава­рий­но­го элек­тро­снаб­же­ния и т. п. Эти об­лас­ти при­ме­не­ния со­став­ля­ют ма­лую энер­ге­ти­ку, в от­ли­чие от боль­шой энер­ге­ти­ки, свя­зан­ной со ста­цио­нар­ны­ми элек­тро­се­тя­ми.

Обзор электрохимических источников энергии для электромобилей и гибридных транспортных средств

Обзор: в этом блоге рассматриваются новые электрохимические источники энергии для приложений EV/HEV. Также обсуждаются особенности, преимущества и недостатки каждого источника энергии.

Значительный интерес был проявлен к электромобилям, особенно к электромобилям и гибридным электромобилям. Ожидается, что к 2040 году продажи электрических и гибридных электромобилей превысят продажи бензиновых и дизельных автомобилей. Цель этого исследования — предоставить критический обзор электрохимической энергии, разрабатываемой для использования в электромобилях и гибридных автомобилях.

Электрохимические источники энергии

Приводы электродвигателей и другие вспомогательные компоненты электромобилей/ГЭМ, такие как системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, освещения и аудио- и видеотехники, могут питаться от электрохимических источников энергии. Доступные в настоящее время электрохимические источники энергии могут давать либо высокую удельную выходную мощность, либо высокую удельную выходную мощность, но не то и другое одновременно. Батареи, топливные элементы и ультраконденсаторы — это только три из множества электрохимических источников энергии, представленных в настоящее время на рынке.

Батареи

Батарея — это устройство, которое может преобразовывать электрохимическую энергию активных материалов в электрическую энергию. Обычная батарея состоит из трех основных компонентов: положительного электрода, отрицательного электрода и электролита. Свинцово-кислотная батарея, батарея на основе никеля или батарея на основе лития являются тремя наиболее распространенными вариантами для приложений EV/HEV.

 

• Свинцово-кислотные аккумуляторы

 

В некоторых из первых электромобилей и гибридных электромобилей использовались свинцово-кислотные аккумуляторы, и эти аккумуляторы уже давно поступили в продажу. Положительный электрод стандартной свинцово-кислотной батареи изготовлен из диоксида свинца, а отрицательный электрод — из металлического свинца. Усовершенствованные свинцово-кислотные аккумуляторы, также известные как свинцово-кислотные аккумуляторы с регулируемой стоимостью (VRLA), используют два различных типа электролита — абсорбированный электролит и гелеобразный электролит — вместо одного. По сравнению со стандартными батареями двойная конструкция батарей VRLA значительно снижает испарение, утечку и вибрацию.

 

 

Многочисленные типы аккумуляторов на основе никеля, в том числе никель-железные (Ni-Fe), никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-цинковые (Ni-Zn) и никель-металлгидридные (Ni-Fe). MH) используются в различных приложениях, включая электромобили и гибридные автомобили. Батарея Ni-MH, в которой в качестве электролита используется раствор гидроксида калия, а в качестве положительного и отрицательного электродов — гидроксид никеля, является наиболее широко используемой батареей в электромобилях и гибридных автомобилях.

 

 

Проблемы с хранением, транспортировкой и использованием металлического лития являются одними из самых серьезных в отрасли. Таким образом, литий-ионная (Li-ion) батарея формируется путем замены металлического лития промежуточным материалом, который в противном случае служил бы отрицательным электродом. Положительный и отрицательный электроды типичной литий-ионной батареи состоят из интеркаляционных соединений лития.

Ионы лития добавляются и удаляются из положительного и отрицательного электродов батареи во время процедур зарядки и перезарядки. Теоретически миграция ионов лития не приводит к чистому изменению.

Таблица 1. Сравнение типовых батарей. Источник: Ли и др.

Удельная энергия, удельная мощность и срок службы — три важных ключевых показателя, обычно используемых для оценки производительности батареи. Удельная энергия батареи — это ее общая потенциальная энергия, тогда как ее удельная мощность — это количество энергии, которое она фактически отдает за определенный период времени. Срок службы батареи определяется как количество раз, которое она может быть заряжена и разряжена, прежде чем проявится какой-либо заметный износ. Таблица 1 содержит сводку основных различий и сходств между распространенными типами аккумуляторов.

Топливные элементы

Топливный элемент — это тип электрохимического источника энергии, который может преобразовывать химическую энергию в электрическую. Щелочные топливные элементы (AFC), топливные элементы с фосфорной кислотой (PAFC), топливо с протонообменной мембраной (PEMFC) и топливные элементы с прямым метанолом — это четыре жизнеспособных варианта применения EV/HEV (DMFC).

 

 

Используя только водород, кислород и рециркулирующий электролит, AFC были широко признаны первыми действительно жизнеспособными топливными элементами. Его превосходная эффективность, развитая технология и низкая стоимость являются неоспоримыми преимуществами. Матрица насыщается щелочным раствором, разделяющим два пористых электрода. Гидроксид калия (KOH) часто используется из-за его высокой эффективности теплопередачи в AFC. Для функционирования АФК должна иметь место окислительно-восстановительная реакция.

 

 

PAFC широко известен как первый коммерческий топливный элемент в электроэнергетике. Он использует жидкую фосфорную кислоту в качестве электролита, а уголь с платиновым покрытием является катализатором. Электроны могут перемещаться от отрицательного электрода к положительному через внешнюю цепь, в то время как положительно заряженные ионы водорода могут переходить от положительного электрода к отрицательному через кислый электролит. Поскольку PAFC должен работать в относительно более высоком диапазоне температур, в качестве электролита обычно используется фосфорная кислота. Когда PAFC вырабатывает электроэнергию, в качестве побочного продукта производится вода.

 

 

Топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC), также известный как топливный элемент с ионообменной мембраной или топливный элемент с твердым полимерным электролитом, использует в качестве электролита протонпроводящую мембрану. PEMFC был первым топливным элементом, использованным НАСА для космической программы Gemini в 1960-х годах, и он известен своей высокой удельной мощностью. Чтобы продлить целостность мембраны и срок службы, этот тип топливных элементов часто работает при низкой температуре, что требует использования дорогостоящего платинового металлического катализатора для химических процессов. Как и PAFC, PEMFC производит воду как побочный продукт производства электроэнергии.

 

 

Топливные элементы прямого действия на метаноле (DMFC) выгодны тем, что в них используется легкодоступное топливо, которое относительно легко хранить. Тем временем метанол можно косвенно преобразовать в виде комбинации газов водородного риформинга и хранить в топливном элементе (IMFC). Как и в случае с другими топливными элементами, IMFC работает наиболее эффективно при подаче водорода. Способность DMFC генерировать углекислый газ и воду зависит от его конструкции.

Таблица 2. Сравнение типовых топливных элементов. Источник: Ли и др.

Для оценки функционирования топливных элементов используются четыре основных критических показателя: обычное топливо, удельная мощность, температура и КПД. Температура — это рабочая температура, тогда как удельная мощность — это общая мощность, вырабатываемая полной ячейкой на единицу объема. В таблице 2 приведены сравнения между типичными целыми ячейками.

Ультраконденсаторы

Конденсатор представляет собой основное устройство, которое накапливает и высвобождает электроны с помощью диэлектрика между двумя металлическими электродами. Есть две основные разновидности классических конденсаторов; электростатические конденсаторы и электролитические конденсаторы. В отличие от последнего, первый не использует электролитические материалы. На данный момент ни у кого нет достаточной мощности для использования EV / HEV. Одним из обнадеживающих ответов на эту проблему является ультраконденсатор, относительно новая технология, представленная в двух основных вариантах: двухслойный конденсатор и псевдоконденсатор.

 

 

Для хранения заряда с разделенными поверхностью электрода и электролитом была разработана концепция двухслойного конденсатора. Используя последние достижения в области нанотехнологий, можно создавать высокопористые материалы для использования в качестве электродов конденсаторов. Высокая емкость двухслойного конденсатора стала возможной благодаря этому новому свойству материала.

Важно иметь в виду, что процессы зарядки и разрядки двухслойного конденсатора не связаны с какими-либо химическими реакциями; следовательно, принцип действия такого устройства называется нефарадеевским.

 

• Псевдоконденсатор

 

Для псевдоконденсатора процессы зарядки и разрядки представляют собой химические реакции, известные как процесс Фарадея, и события окисления-восстановления, происходящие на границе раздела, выделяют его. Псевдоконденсаторы, в которых используется метод Фарадея, обычно обеспечивают большую емкость и плотность энергии, чем двухслойные конденсаторы.

Рис. 1. Сравнение различных источников энергии для ЭМ/ГЭМ. Источник: Ли и др.

На рис. 1 показано сравнение аккумуляторов, топливных элементов, конденсаторов и ультраконденсаторов и бензина — четырех наиболее важных электрохимических источников энергии.

Подводя итоги по ключевым моментам:

Вот некоторые выводы из статьи:

• В настоящее время коммерчески доступны несколько различных типов электрохимических источников энергии, включая батареи, топливные элементы и ультраконденсаторы.
• В большинстве электромобилей и гибридных автомобилей используются либо свинцово-кислотные батареи, либо батареи на основе никеля, либо батареи на основе лития.
• Общепринятой практикой является оценка стоимости батареи путем измерения ее удельной энергии, удельной мощности и срока службы.
• Топливные элементы представляют собой электрохимический источник энергии, преобразующий химическую энергию в электрическую.
• Четыре возможных варианта применения EV/HEV: щелочной топливный элемент (AFC), топливный элемент на фосфорной кислоте (PAFC), топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC) и топливный элемент с прямым метанолом (DMFC).
• Ультраконденсатор — это тип современного конденсатора, который может быть либо двухслойным, либо псевдоконденсатором.
• Идея двухслойного конденсатора была создана для хранения заряда с физически разделенными поверхностью электрода и электролитом.
• Псевдоконденсаторы, в которых используется метод Фарадиев, часто превосходят двухслойные конденсаторы по емкости и плотности энергии.

 

Эта запись в блоге является частью полной исследовательской статьи, опубликованной в IEEE Access .

«Электрохимические источники энергии: батареи, топливные элементы и суперконденсаторы»

«Электрохимические источники энергии: батареи, топливные элементы и суперконденсаторы» — technology.matthey.com

«Электрохимические источники энергии: батареи, топливные элементы и суперконденсаторы»

Английский (китайский)

Архив журнала

Johnson Matthey Technol. Рев., 2015 г., 59 , (4), 319
дои: 10.1595/205651315X689496

«Электрохимические источники энергии: батареи, топливные элементы и суперконденсаторы»

Владимир С.

Баготский, Александр М. Скундин и Юрий М. Вольфкович (Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Россия), John Wiley & Sons Inc., Нью-Джерси, США, 2015, 372 стр. , ISBN: 978-1-118-46023-6, 66,95 фунтов стерлингов, 81,99 евро, 99,95 долларов США

---

Поделиться этой страницей:

• Твиттер
• Фейсбук
• LinkedIn
• Реддит
• Дигг
• СМЕШИВАНИЕ

---

«Электрохимические источники питания: аккумуляторы, топливные элементы и суперконденсаторы» представляет собой исчерпывающий учебник, описывающий материалы, области применения и перспективы вышеупомянутых устройств. Предоставленный обзор высокого уровня делает эту книгу отличным ресурсом для читателей, плохо знакомых с электрохимическими устройствами, поскольку он позволяет избежать чрезмерной детализации каждого материала, в то же время предоставляя общую перспективу и перспективы. Книга вышла под редакцией Александра Скундина и Юрия Вольфковича в честь покойного Владимира Баготского, получившего широкое признание за свою научную деятельность в области электрохимии и за свои учебники по этому предмету. Сами Скундин и Вольфкович являются главными учеными Института им. Фрумкина Российской академии наук и являются двумя ведущими экспертами в области аккумуляторов и суперконденсаторов в России с более чем 200 рецензируемыми статьями.

Книга охватывает три основные темы: аккумуляторы, топливные элементы и суперконденсаторы, причем в каждом разделе обсуждаются основные принципы работы, материалы и перспективы технологии.

Применение электрохимических устройств

Электрохимические устройства используются в различных областях, от бытовой электроники до электромобилей, благодаря их относительно высокой эффективности и экологичности. Однако основные проблемы включают увеличение энергии, удельной мощности и эффективности этих устройств, особенно при переходе от нового материала или химии. Поэтому оценка исторических работ, общих проблем и потенциального будущего положения технологии чрезвычайно полезна.

Аккумуляторы

Первая часть книги посвящена термодинамическим аспектам электрохимических устройств с акцентом на водные окислительно-восстановительные пары, которые исторически рассматривались для применения в батареях. Рассмотрены общий принцип работы гальванических элементов, а также различные химические составы электродов, включая батареи на основе цинка, никеля и свинцово-кислотные батареи. Далее следует раздел с объяснением показателей качества, относящихся к батареям, и соображений по проектированию при переводе химии материалов в системы на уровне элементов с учетом сопутствующих сепаратора и электролита. Затем обобщаются области применения технологии, текущие ограничения и перспективы технологии.

Следующий раздел ведет к неводным системам, которые в настоящее время наиболее распространены в реальных приложениях. Здесь дается общее введение в различные типы электролитов, включая апротонные неводные растворы, расплавы солей и твердые электролиты. Затем следует обсуждение литий-ионных электродов на основе интеркаляции с их обзором, в котором делается вывод о том, что существующие материалы не смогут удовлетворить требования потребителей по плотности энергии и скорости зарядки. Поэтому они считают, что потребуется переход на альтернативные материалы, т. е. кремний, олово или алюминий, однако в этом случае срок службы становится ограничивающим фактором, а микроструктурные повреждения приводят к сокращению срока службы.

Их оценка грядущих аккумуляторных технологий с точки зрения повышения плотности энергии затем концентрируется на химическом анализе, основанном на конверсии, и, таким образом, на отходе от традиционных механизмов, основанных на интеркаляции. Литий-серные, литий-воздушные и натрий-ионные батареи обсуждаются с выявленными проблемами, которые снова связаны с проблемами срока службы, связанными с микроструктурными изменениями, происходящими в электродах, и гистерезисом напряжения, наблюдаемым при зарядке и разрядке, что ограничивает эффективность устройства.

В последних главах этого раздела кратко рассматриваются твердотельные батареи и батареи с расплавленными солевыми электролитами, которые исследователи исследовали, чтобы обеспечить длительный срок службы устройств, однако другие трудности, такие как проводимость электролита, в настоящее время ограничивают их широкое распространение.

Топливные элементы

Вторая часть посвящена топливным элементам, имеющим отношение как к транспортным, так и к стационарным энергетическим установкам. Опять же, это начинается с термодинамических аспектов работы устройства и основных определений компонентов и концепций, используемых в топливных элементах. В последующих разделах затем приводится более подробное объяснение различных типов: топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC), топливный элемент с прямым метанолом (DMFC), топливный элемент с расплавленным карбонатом (MCFC), твердооксидный топливный элемент (SOFC) и щелочной топливный элемент ( АФК). Для PEMFC, наиболее подходящих для использования в автомобилях, дается исторический обзор, охватывающий развитие технологии, но он также затрагивает инженерные проблемы, такие как управление температурным режимом, холодный пуск и управление водой. Затем следует прогресс и сложности каждой технологии топливных элементов с кратким обзором фосфорной кислоты (PAFC), прямого углеродного топливного элемента (DCFC), бактериального топливного элемента (BFC) и проточной окислительно-восстановительной батареи (RFB). В частности, RFB привлекают большое внимание в индустрии крупномасштабных накопителей энергии из-за их потенциальной экономии средств и увеличения срока службы по сравнению с батареями с обычными обсуждаемыми полностью ванадиевыми и железо-хромовыми RFB.

Раздел завершается обсуждением применения топливных элементов, и кратко излагаются исторически установленные блоки топливных элементов для стационарных приборов. Только ПОМТЭ привлекла значительное внимание промышленности к использованию в автомобилестроении, и авторы предполагают, что первоначальные успехи связаны с грузовыми автомобилями. Их технологические взгляды подчеркивают их интерпретацию предстоящих вопросов, связанных с разработкой новых катализаторов для восстановления кислорода, катализаторов для полного окисления этанола и селективных катализаторов, которые не способствуют нежелательным побочным реакциям.

Суперконденсаторы

В третьем разделе основное внимание уделяется электрохимическим конденсаторам с двойным слоем или суперконденсаторам, в первую очередь рассматривая системы на основе углерода, которые имеют наибольшее промышленное значение. Здесь они представляют подробный анализ оптимизации электродов для различных видов углерода, таких как активированный уголь, карбидные производные, аэрогели, нанотрубки и графен, с различными типами электролитов с точки зрения распределения пор по размерам и влияния функциональных групп. Затем следует обсуждение ряда типов электролитов: водные, неводные и ионные жидкости.

Наблюдения показывают, что в конечном итоге дальнейшее увеличение удельной поверхности электродов за счет уменьшения размеров пор не приведет к улучшению плотности энергии суперконденсатора из-за влияния стерических эффектов. Таким образом, наблюдается повышенный интерес к материалам электродов псевдоконденсаторов, которые включают оксиды металлов, такие как оксид иридия (IV) (IrO ₂ ), оксид марганца (IV) (MnO ₂ ) и оксид рутения (IV) (RuO _2). ), проводящие полимеры и мономерные окислительно-восстановительные системы. В этом тексте дается всесторонний обзор этих электродных материалов, проблем и перспектив, в отношении которых наблюдается текущая тенденция к созданию композитных электродов из оксидов металлов и проводящих полимеров для смягчения проблем с проводимостью оксидов металлов и достижения более высоких массовых нагрузок для более практичные устройства.

Подробное обсуждение электродов суперконденсаторов на основе углерода и электродов псевдоконденсаторов затем приводит к асимметричным суперконденсаторам, которые объединяют их вместе, чтобы обеспечить более высокую плотность энергии благодаря более широкому диапазону рабочего напряжения. Размышляя обо всем этом, раздел завершается сравнением имеющихся в продаже суперконденсаторов и перспектив устройства.

Фотоэлектрохимические устройства

Заключительная глава книги посвящена электрохимическим аспектам преобразования солнечной энергии. Это дает очень краткий обзор механизмов фотоэлектрохимических устройств, таких как полупроводниковые солнечные батареи и солнечные элементы, сенсибилизированные красителем.

Выводы

«Электрохимические источники энергии: батареи, топливные элементы и суперконденсаторы» — превосходный вводный текст по электрохимическим энергетическим устройствам, который охватывает материальные соображения, исторические разработки технологии и перспективы на будущее, охватывая фундаментальные механизмы и инженерные задачи на высоком уровне. уровневая перспектива. В частности, в разделе о суперконденсаторах гораздо более подробно рассматриваются материалы. Этот текст будет наиболее полезен для студентов, изучающих курс «Введение в электрохимию».

«Электрохимические источники энергии: батареи, топливные элементы и суперконденсаторы» ССЫЛКА http://www.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-1118460235,subjectCd-EG32.html преподает в Школе инженерного дизайна Дайсона при Имперском колледже Лондона, где работает над электрохимическими устройствами в различных масштабах, от новых материалов до инженерной интеграции.