Ультраконденсаторы бросают вызов батареям

Конденсаторы, чья участь до сих пор ограни­чивалась лишь способностью запасать при­горшню электрической энергии, что делало их незаменимыми для успешной работы элект­рических цепей в самых разнообразных устрой­ствах и приборах — от персонального компьютера до СВЧ-печей, мобильных телефонов и телевизо­ров, сейчас завоевывают новую область — аккуму­лирование энергии. В течение почти двух столетий аккумуляторные батареи считались естественным выбором для хранения сколько-нибудь полезного количества энергии, а сегодня высококачественные конденсаторы, известные как ультраконденсаторы, приготовились бросить им вызов.

«В автомобилях на топливных элементах ультра­конденсаторы продемонстрировали лучшие реку­перативные свойства, чем батареи, они заметно лег­че, долговечнее и экологичнее при производстве и утилизации», — сказал Пьер Ривар (Pierre Rivard), президент и исполнительный директор компании Hydrogenics of Mississauga (Онтарио), занимаю­щейся производством экологически чистой элек­троэнергии, в основном топливных элементов. Рассматривая и другие применения помимо авто­транспорта, он продолжил: «В сочетании с топлив­ными элементами в транспортных средствах, дви­жущихся с частыми остановками, например авто­погрузчиках, ультраконденсаторы обеспечивают высокую пиковую мощность при подъеме груза и разгоне и рекуперацию при торможении; в ре­зервных источниках питания (от госпиталей до офисных зданий, заводов и домов) они обеспечива­ют переходную мощность с нулевым временем го­товности. Во многих случаях такие устройства об­служивают пиковые нагрузки, что позволяет опти­мизировать размеры и минимизировать цену наших масштабируемых топливных элементов».

Компания Honda (Honda Motor Company) приме­няет ультраконденсаторы в своих гибрид­ных автомобилях на топливных элементах FCX; не­сколько тестовых моделей уже можно увидеть на до­рогах Калифорнии. По словам представителя Honda, «используя ультраконденсаторы, мы смогли повы­сить КПД и приемистость машины по сравнению с конкурентами, которые разрабатывают гибридные автомобили с батареями и топливными элементами».

В феврале 2004 года компания Maxwell Technologies (Сан-Диего, Калифорния) объявила о подписании контракта на поставку изделий, предназначенных для 27 гибридных дизельно-электрических автобусов, строящихся для Long Beach Transit (Лонг-Бич, Калифорния), а также о новом поколении уст­ройств с увеличенной в 10 раз энергоемкостью.

Старший брат батареи

С момента изобретения в 1745 году конденсато­ры — в виде стеклянной банки, наполненной жидко­стью и обернутой фольгой, — проделали долгий путь. По мере совершенствования технологии, поко­ление за поколением, они превращались из лабора­торной диковинки в важный лабораторный инстру­мент, а в XX веке стали ключевым компонентом эле­ктрических цепей. Базовый принцип, на котором основана работа конденсатора, — накопление энер­гии: положительный заряд собирается на одной об­кладке, а отрицательный — на другой, расположен­ной рядом, но электрически отделенной от первой. Конденсаторы запасают электрическую энергию в ста­тической форме для последующего использования.

Три главных фактора определяют, сколько имен­но энергии может запасти конденсатор: площадь поверхности электродов, расстояние между ними и электрические свойства изолирующего слоя, раз­деляющего электроды. История конденсаторов на­писана многими учеными, которые открыли прин­ципы работы конденсаторов и повышали их энер­гоемкость за счет увеличения площади поверхности электродов, уменьшения расстояния между ними и улучшения свойств изолирующего слоя.

Физика электричества развивалась параллельно с улучшениями в конструкции оригинального на­копителя, вскоре названного лейденской банкой (по имени города, где он был изобретен). Самое ран­нее и важное техническое усовершенствование — за­мена жидкого электрода слоем фольги, нанесенной на банку. Другие важные усовершенствования включали замену стеклянной банки на стеклянную пластину, которая, в свою очередь, уступила место более тонким и пластичным материалам. Одновре­менно все более тонкими становились и электроды.

Все это привело к созданию конденсаторов со спи­ральной намоткой, изобретенных в 1926 году Робер­том Спрэгом (Robert Sprague). Для изготовления таких конденсаторов Спрэг просто смотал вместе пару лент из проводящей фольги (электродов), разделенных изолирующими лентами из бумаги (диэлектрика).

В начале 1980-х были разработаны пленочные кон­денсаторы для применения в бытовой электронике, автоэлектрике и электрических аппаратах. Такие приборы, названные многослойными конденсато­рами с полимерным диэлектриком, представ­ляют собой пакет из тысяч проводящих плас­тин, разделенных диэлектриком. Как цилинд­рические (намотанные) конденсаторы, так и многослойные полимерные конденсаторы — это образцы электростатических конденсато­ров, выполненных на основе исходной концеп­ции двух физически разнесенных электродов, разделенных специальным слоем диэлектрика В настоящее время электростатические кон­денсаторы широко используются практически в любом электронном устройстве — от быто­вой техники и игрушек до печатных плат в компьютерах или спутниковой аппаратуре. Обычно такие конденсаторы представляют со­бой крошечные керамические кирпичики, крепящиеся непосредственно к проводникам печатной платы. Способность накапливать не­большое количество электричества и быстро отдавать его делает их, наряду с транзистора­ми и резисторами, незаменимыми компонен­тами различных электронных схем.

Ахиллесова пята конденсаторов

Разумеется, способность лейденской банки отдавать всю запасенную энергию мгновенно заставила ученых искать технологию, которая позволила бы делать это непрерывно. Такую технологию — технологию батареи — изоб­рел в 1800 году итальянский физик Алессанд-ро Вольта.

Когда Вольта и многие другие ученые улучшили характеристики батареи, она быс­тро вытеснила лейденскую банку и ее «по­томков». Почти 200 лет батарея царила как предпочтительная технология хранения элект­роэнергии. Батарея не запасала отдельные за­ряды; вместо этого электрическая энергия накапливалась в ней в виде химических из­менений в электродах. Благодаря химичес­ким изменениям батарея может запасать зна­чительные количества электрической энер­гии и отдавать ее в виде длительного неизменного тока. Недостатком является то, что сколь медленно батарея набирает заряд, столь же медленно она и отдает его.

По пути усовершенствования

Электролитические конденсаторы были изобретены в 1930 году. Проявив оригиналь­ность мышления, ученые и инженеры пред­ложили новый способ изготовления конден­саторов, имеющий три основных отличия:

• увеличенная площадь поверхности: поверх­ность одного из электродов, сделанного из алюминия, протравливалась в кислоте, что делало ее шероховатой и пористой и тем самым увеличивало площадь, на которой мог накапливаться электрический заряд;
• резко уменьшенная толщина диэлектрика: поверхность электрода после травления окисляется и покрывается изолирующим слоем оксида алюминия, разделяющим положительные и отрицательные заряды;
• жидкий (в действительности пастообраз­ный) электрод из электролита: шероховатая оксидированная поверхность алюминиевого электрода погружается в электролит — рас­твор, молекулы которого легко диссоцииру­ют на ионы. Фактически электролит стано­вится продолжением второго электрода — корпуса, в который заключен конденсатор. Хотя электролитический конденсатор вы­глядит иначе, чем электростатический, он об­ладает всеми характеристиками электростати­ческого прибора: в нем имеется проводящий электрод, отделенный от второго проводяще­го электрода тонким слоем диэлектрика. Клю­чевым словом здесь является «тонкий». В эле­ктростатическом конденсаторе изолятором может служить тонкая пластина стекла или ке­рамики, слой вощеной бумаги или пластинка слюды. Однако по мере утоньшения материал вскоре достигает предела— толщины порядка 0,1 мм (10–³ м), определяемой его собственной хрупкостью  и  электрической  прочностью (способностью выдерживать напряжение).

По сравнению с этим в электролитических конденсаторах толщина изолирующего диэлектрика за счет выращивания тонкой плен­ки оксида алюминия (Al₂O₃) по всему микро­рельефу протравленного электрода резко сни­жена. В результате получается слой изоляции толщиной в несколько микрон, так что заряды противоположного знака разнесены на рассто­яние, не превышающее микрона (10–⁶ м). В эле­ктролитических конденсаторах протравленная и оксидированная металлическая фольга слу­жит и электродом, и изолирующим слоем.

Вторым электродом в конденсаторе является сам корпус и находящийся в контакте с ним органический электролит. Он пропитывает материал сепаратора (находящийся между стенкой корпуса и электродом из фольги) и смачивает свернутую в рулон протравлен­ную металлическую фольгу. Такой проводя­щий электролит состоит из пасты, получаемой при растворении и реакции борной кислоты в гликоле, плотной жидкости, применяемой в антифризах. Большое отношение площади поверхности (поверхности протравленной фольги) к малому расстоянию, разделяющему заряды (толщина слоя оксида алюминия), оп­ределяет способность электролитических кон­денсаторов запасать намного большее количе­ство электричества, чем электростатические конденсаторы того же размера.

Даешь ультра!

Ультраконденсаторы — это следующий виток инновационного развития электроли­тических конденсаторов. Расстояние, разде­ляющее заряды в ультраконденсаторах (в технике более известных как электролити­ческие конденсаторы с двойным слоем), бы­ло уменьшено буквально до размеров самого иона электролита. Теперь заряды разнесены не на миллиметры или микроны, а лишь на несколько нанометров. В трех наших при­мерах — электростатические конденсаторы, электролитические и ультраконденсаторы — на каждом этапе расстояние сокращалось на три порядка, от миллиметров (10–³ м) к ми­кронам (10–⁶ м) и затем к нанометрам (10–⁹ м).

Сочетание сверхмалого расстояния и срав­нительно  большой площади поверхности в ультраконденсаторах приводит к тому, что отношение площадь поверхности/изолиру­ющий промежуток достигает в них потряса­ющих величин: порядка 10¹². Фактически именно такое соотношение делает эти кон­денсаторы «ультра». Способность хранить противоположные электрические заряды в статическом равновесии на молекулярных расстояниях — их ключевая особенность.

Вверх, вниз и повсюду

Для того чтобы с цифрами в руках оце­нить тенденции изменения характеристик конденсаторов, придется ввести некоторые термины: «емкость» и «фарад». Емкость ха­рактеризует уникальную способность кон­денсаторов накапливать электрическую энергию (которая отличается от электрохи­мической энергии, накапливаемой в аккуму­ляторной батарее). Фарад — единица изме­рения электрической емкости. Емкость со­временных ультраконденсаторов находится в диапазоне до 2700 фарад, тогда как все се­мейство обычных конденсаторов выпускает­ся на емкости в диапазонах до микрофарад (10–⁶ фарад), нанофарад (10^–9 фарад) и даже пикофарад (10–¹² фарад).

Недавно трудоемкий процесс изготовле­ния ультраконденсаторов был заменен авто­матизированным, что привело к существен­ному уменьшению их цены. Например, в се­редине 1980-х годов цена ультраконденсатора емкостью 470 Ф и на напряжение 2,3 В состав­ляла примерно $2 за один фарад. Сегодня тот же ультраконденсатор стоил бы в двадцать раз дешевле (лишь несколько десятков цен­тов за фарад), и эта цена по мере замены руч­ных операций автоматическим процессом продолжает быстро снижаться. По сообще­ниям информированных источников, когда цена на ультраконденсаторы упадет еще в 20 раз (до уровня ниже 0,5 цента за фарад), эти компоненты начнут использовать на мас­совом автомобильном рынке.

Сейчас ученые заняты интенсивными ис­следованиями ультраконденсаторов, пре­дельно повышая их емкость и понижая цену. В октябре 2003 года было объявлено о выпу­ске улучшенных ультраконденсаторов, на­званных конденсаторами на нанозатворах, или наноуглеродными конденсаторами. Плотность энергии в этих новых компонен­тах составляет 50-75 ватт/часов на кило­грамм, что более чем в 10 раз превышает ха­рактеристики существующих ультраконден­саторов. В них применяется два угольных электрода, изготовленных из нового запа­тентованного материала, уникальным свой­ством которого является высокая пористость и способность задерживать ионы.

Как превратить конденсатор в ультраконденсатор

Итак, передний край исследований уче­ных — это возможность использования угле­родных нанотрубок в качестве материала для электродов ультраконденсаторов. Важность углеродных нанотрубок связана с однородностью их наноскопических пор (их диаметр равен примерно 0,8 нм), что теоретически позволит им запасать намного больше элект­рического заряда, чем конденсаторам с нано-затворами, если только удастся собрать нано-трубки в макроскопические блоки.

Ультраконденсаторы похожи на батареи — в них тоже имеются два электрода, погружен­ные в проводящую ток жидкость, электро­лит. Приложение к выводам ультраконденса­торов разности потенциалов (напряжения) поляризует электролит, таким образом, при­мерно половина молекул электролита отдает электрон другой половине. В результате по­ложительно и отрицательно заряженные ио­ны мигрируют в приложенном электричес­ком поле к одному из электродов. Здесь, хотя они и образуют заряженный слой на поверх­ности, а электрод имеет противоположный знак, обмена электронами через поверхность электрода не происходит благодаря его элек­трохимическим свойствам. Пористый сепа­ратор предотвращает контакт между двумя электродами.

Несмотря на то что электроды выглядят как сплошной слой легкого углерода, в нано-масштабе он предстает как разветвленный лабиринт соединенных друг с другом пещер практически одинакового размера, стенки которых становятся заряженными, когда к электродам прикладывается напряжение.

Физическая модель электронов в зоне про­водимости металла объясняет, что происхо­дит в углероде при приложении напряжения. Вся внутренняя поверхность каждого элект­рода становится границей энергетической зо­ны. Например, сразу под поверхностью отри­цательно заряженного электрода находится зона проводимости, занятая множеством движущихся электронов, которым не достает энергии, чтобы оторваться от поверхности. В аналогичной зоне на положительном элек­троде «дырки», или электронные вакансии, перемещаются под поверхностью, но не мо­гут оторваться от нее наружу.

Когда положительно заряженные ионы электролита создают слой на поверхности от­рицательного электрода, они образуют пары с находящимися под поверхностью электро­нами. Так оба слоя разнесенных частиц обра­зуют конденсатор, хранящий статический за­ряд. Аналогично, на положительном элект­роде возникают пары с отрицательными ионами, образуя второй двойной электричес­кий слой, который тоже является конденсато­ром. Электрохимики и инженеры описывают данный принцип работы как конденсаторы с двойным электронным слоем.

Для каждого из двух электрохимических двойных слоев отрицательный и положитель­ный заряды разнесены на расстояние, равное половине диаметра иона электролита. Такое расстояние молекулярного масштаба в сочета­нии с гигантской площадью электрода из акти­вированного угля обеспечивает ультраконден­саторам огромную электрическую емкость.

Сегодня ведущим изготовителем ультра­конденсаторов является компания Maxwell Technologies, выпускающая углеродно-углерод­ные, или симметричные, ультраконденсаторы. Это означает, что конструкция обоих электро­дов идентична. Последнее достижение компа­нии — выпуск модели ультраконденсатора MC2600, обеспечивающей наилучший показа­тель запаса энергии на массу изделия, равный 4100 Вт/кг (рис. 1). Конденсатор рассчитан на напряжение 2,7 В и максимальный ток до не­скольких килоампер. Следует также отметить долгий срок службы данного конденсатора — до 1 млн циклов зарядки/разрядки (рис. 2).

Применение ультраконденсаторов

Ультраконденсаторы нашли применение в автоэлектрике и бытовой технике как ком­поненты, способные запасать энергию. В бы­товой технике интерес к ультраконденсаторам связан с возможностью замены ими аккуму­ляторов, используемых для нейтрализации кратковременных провалов напряжения в сети. Ультраконденсаторы применяются также в источниках бесперебойного питания, пред­назначенных для критичных случаев, — на­пример в больницах, банковских центрах, авиадиспетчерских, передатчиках сотовой связи. Для таких потребителей сборка ультра­конденсаторов может обеспечить непрерыв­ную отдачу мощности в течение короткого (несколько секунд), но критически важного промежутка времени между отключением се­ти и запуском местного дизель-генератора.

По-видимому, ультраконденсаторы как компоненты систем питания найдут самое широкое применение в гибридных автомобилях на топливных элементах. Как уже упоминалось, несколько таких машин сейчас изготавливается компанией Honda Motor Company, а также Toyota, General Motors и другими. В дальнейшем гибридные автомобили будут сданы в лизинг муниципальным властям городов США и других стран. Характеристики топливных элементов и ультраконденсаторов в весьма высокой степени дополняют друг друга, особенно для машин, движущихся с частыми остановками. Топливные элементы обеспечивают энергию, необходимую для равномерного движения, однако она недостаточна для старта и разгона. Ультраконденсаторы отлично обеспечивают именно такие кратковременные пики мощности, а также запасают энергию, выделяющуюся при рекуперативном торможении.