2.4.4. Месбауерівська спектроскопія. ???

2.4.5. Імпедансна спектроскопія.???

2.5.1. Нанолітографія. Електронно-променева літогра­фія. Нанодрук.

2.6.1. Прикладна нанотехнологія. Електрохімічні конденсатори.

Суперконденсатори.

Суперконденсатори, ультраконденсатори іоністори, електрохімічні конденсатори – це загальна назва електрохімічних пристроїв швидкого накопичення, зберігання і віддачі енергії, які працюють за принципом заряду / розряду подвійного електричного шару (ПЕШ). У порівнянні із звичайними конденсаторами, суперконденсатори характеризуються на декілька порядків вищою енергією та питомою потужністю, яка значно перевищує питому потужність хімічних джерел струму. Це робить їх використання багатогранним як для автономного живлення, так і в комбінації з акумуляторами як гібридні системи. Ця унікальна комбінація високої питомої потужності і питомої енергії, дозволяє суперконденсаторам зайняти функціональне місце між акумуляторами і звичайними конденсаторами (мал. 1 і табл. 1).

Рис. 1. Питома енергія і можливі потужності конденсаторів (електростатичних), електрохімічних конденсаторів (суперконденсаторів), батарей і паливних елементів [13]

Суперконденсатори особливо корисні, оскільки що їх параметри доповнюють недоліки інших енергетичних джерел таких, як, наприклад, акумуляторів і джерел живлення. Завдяки їх надзвичайно простим і надійним оборотним процесам, суперконденсатори можуть витримувати до 10⁶ циклів заряду / розряду і можуть як швидко заряджатись, так і розряджатись з густиною енергії до 1 кВт·кг [1]. Ці особливості стимулюють дослідження можливості їх широкого використання в енергетиці, електроніці, побутовій техніці [2–4].

Таблиця 1

Порівняння типових особливостей конденсатора і батареї (подібно до [36])

Особливість	Електролітичний конденсатор	Вуглецевий суперконденсатор	Батарея
Питома енергія (Дж/кг)	< 0,1	1-10	10-100
Питома потужність (Вт/кг)	>> 10000	500-10000	< 1000
Час зарядки	з 10^-6 до 10^-3 c	від с до хв.	0,3-3 год.
Час розвантаження	з 10^-6 до 10^-3 c	від с до хв.	1-5 год.
Ефективність зарядки / розрядки	~ 100	85-98	70-85
Життя циклу (цикли)	нескінченне	> 500000	~ 1000
Детермінанти максимальної напруги (Umax)	Діелектрична товщина і сила	Електрод і вікно стабільності електроліту	Термодинаміка реакцій фази
Детермінанти збереження заряду	Область електроду і діелектрик	Мікроструктура електроду і електроліт	Активна маса і термодинаміка

Дані дослідження діляться на дві основні області, які ґрунтуються, перш за все, на механізмі накопичення енергії, а саме, або за рахунок редокс-реакцій (псевдоємність), або шляхом заряду /розряду ПЕШ.

У псевдоємнісних суперконденсаторах фарадеївський механізм накопичення відповідальний за їх ємність, ємність електростатичного походження відіграє другорядну роль. Швидше за все, дана ємність пов'язана з електрохімічним процесом заряду / розряду, який обмежений лише кількістю активної речовини та площею доступної для реакції поверхні [5]. Найбільш доступними матеріалами для псевдоконденсаторів є оксиди металів (не включаючи оксид рутенію) і полімери такі, як, наприклад, поліаналін, поліпірол або похідні від політіофену [6–9]. Оскільки збереження заряду в даному випадку грунутується на процесі редокс-реакцій, тому псевдоконденсатор певною мірою подібний до акумулятора.

Конденсатори з ідеально поляризованим електродом зберігають енергію в майже такий самий спосіб як і традиційні конденсатори, за допомогою накопичення заряду в двох заряджених шарах. Проте, суперконденсатори можуть реально зберігати значно більшу енергію, що зумовлено тим, що відстань між зарядженими шарами є дуже малою (~  7 нм), оскільки ПЕШ утворюється на межі електрод / електроліт [5]. Крім того велика кількість заряду може зберігатись завдяки надзвичайно великій питомій поверхні електроду, обумовленої великим числом пор. Механізм накопичення і віддачі енергії є досить властиво швидкий, так як він представляє собою рух іонів назад і вперед до поверхні електроду, тоді як в акумуляторах є різнорідні заряд-розрядні процеси та хімічна зміна фази, що сповільнює процеси накопичення і віддачі енергії.

Дуже важливим у технології виготовлення суперконденсаторів є вибір різних конфігурацій та матеріалів електроду [5,11–13]. Версія суперконденсатора з ПЕШ є найпоширенішою формою електрохімічного конденсатора. На сьогоднішній день найбільш розглянутим матеріалом для електродів суперконденсаторів з ПЕШ є вуглець, а основна увага при його отриманні зосереджена на досягненні високої площі поверхні з низьким опором матриці.

Застосування суперконденсаторів.

Існують дві основні області застосування суперконденсаторів. Малопотужні прилади застосовуються для підтримки пам’яті у різних інтелектуальних пристроях; потужні – для короткочасного живлення навантаження великим струмом (пускові режими двигунів, режими пакетної передачі коротких повідомлень у потужних передатчиках, забезпечення систем аварійного відключення високовольтних ліній електропередач і сіток, перекриття газопроводів, продуктопроводів і т. п.), живлення транспортних систем на обмеженому просторі. Характерним прикладом є внутрішньозаводський транспорт, шахтні локомотиви, підйомно-транспортне обладнання, складські навантажувачі.