Введение

Несмотря на огромные масштабы электрификации во всем мире, роль химических источников тока (ХИТ) в нашей жизни не только не ослабевает, но и усиливается с каждым годом. Это связано с таким важным свойством, как автономность (отсутствует необходимость в протягивании проводов, как это делается в случае электростанций). Поэтому ХИТ широко используют для энергоснабжения самых разнообразных мобильных объектов. В последнее время прорабатывается вопрос использования в качестве накопителя энергии в источниках бесперебойного питания конденсатора, разработанного на основе использования двойного электрического слоя. Такие конденсаторы часто называют суперконденсаторами (СК) или ионисторами. Суперконденсаторы получили широкое применение в транспортной индустрии (рекуперация торможения, облегченный запуск двигателя, электрическая стабилизация системы), промышленности (автопогрузчики, лифты), а также потребительской электронике (мобильные телефоны, компьютерные компоненты). Современные суперконденсаторы должны обладать высоким ресурсом службы — порядка 700 000 циклов, что соответствует от 5 до 20 лет работы в зависимости от степени нагрузки; малой себестоимостью при расчете на один цикл использования - как энергии, так и мощности; возможностью работать в критических условиях (высокая амплитуда токов, перепады напряжения, экстремальные температурные условия); экологичностью.

Одним из таких суперконденсаторов является гибридный суперконденсатор с окисноникелевым электродом. Характеристики таких источников тока, определяются параметрами окисноникелевого электрода, и соответственно характеристиками гидроксида никеля. Условия работы суперконденсатора (быстрый заряд-разряд) предъявляют специальные требования к активному веществу фарадеевского электрода. Гидроксид никеля, используемый в промышленных гибридных суперконденсаторах имеет удельную емкость 50-70 Ф/г (27-40 мА·ч/г) [1]. Однако вопрос получения форм гидроксида никеля с более высокими удельными параметрами является очень актуальным. Благодаря своим характеристикам среди СК выделяются асимметричные, в которых один электрод работает на основе заряда - разряда ДЭС, а на втором происходят электрохимические реакции. В качестве активного вещества одного из промышленно выпускаемых асимметричных СК используется тот же гидроксид никеля, что и для производства аккумуляторов, более мелкой фракции. Заряд - разрядные процессы в режиме суперконденсаторов протекают при очень высоких плотностях тока, в тонком поверхностном слое частиц, поэтому Ni(OH)₂ должен иметь высокую удельную поверхность и аморфную структуру. Однако простые методы получения таких порошков Ni(OH)₂ до сих пор не разработаны.

Литературный обзор

1. Краткая характеристика суперконденсаторов

Иони́стор (суперконденсатор) — электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.

Наиболее часто встречающимися обозначениями для данной группы устройств являются "электрохимические конденсаторы", "ультраконденсаторы", "суперконденсаторы", "сверхъемкие конденсаторы", "двойнослойные конденсаторы". Электрохимическими конденсаторами являются электрохимические устройства с протекающими в них квазиобратимыми электрохимическими заряд-разрядными процессами. Форма гальваностатических зарядных и разрядных кривых близка к линейной, т.е. близка к форме соответствующих зависимостей для обычных электростатических конденсаторов [24,25]. Электрохимические конденсаторы могут быть подразделены на пленочные (диэлектрические), электролитические и суперконденсаторы (СК) [25].

1.1.1Электролитические конденсаторы

В электролитических конденсаторах в качестве диэлектрика используют тонкую оксидную пленку (толщиной 1.2 нанометров на каждый вольт напряжения), нанесенную на поверхность одного из металлических электродов — анода. В роли второй обкладки конденсатора выступает электролит, а токоподводом (катодом) – второй металлический электрод. В качестве электродов используются металлы, оксиды которых могут быть диэлектриками, в частности алюминий и тантал. Данные конденсаторы известны уже несколько десятков лет. Они обладают высокими емкостями, которые достигаются благодаря присутствию тонкой пленки диэлектрика на аноде и развитой площади поверхности, полученной методом электрохимического или химического травления [26,27]. Недостатками алюминиевых электролитических конденсаторов являются зависимость их параметров от температуры и значительные утечки тока [28]. Конденсаторы с танталовыми электродами обладают большей удельной емкостью, меньшими утечками тока, более длительными сроками хранения, лучшими температурно-частотными характеристиками по сравнению с алюминиевыми электролитическими конденсаторами [28]. Высокая механическая прочность тантала позволяет применять его в виде более тонкой фольги, что дополнительно увеличивает емкость. Однако цена танталовых конденсаторов значительно выше, чем алюминиевых. Химическая инертность оксида тантала позволяет использовать растворители, которые невозможно применять в алюминиевых электролитических конденсаторах. Применение МnО₂ в качестве твердого электролита дает возможность использовать танталовые конденсаторы при низких температурах вплоть до -55°С.

1.1.2 Суперконденсаторы

СК отличает от аккумуляторов в первую очередь существенно более быстрый заряд и разряд. В настоящее время в суперконденсаторах используются как водные, так и органические электролиты. Более высокое напряжение разложения последних (2,5-3 В против 1 В у водных растворов кислот и щелочей) позволяет создавать суперконденсаторы с высоким рабочим напряжением, тем самым увеличивая их энергоемкость [29]. В то же время сопротивление большинства неводных электролитов, представляющих собой сложные органические соединения, растворенные в органических растворителях, обычно выше, чем у водных, что в большинстве случаев ведет к снижению удельной мощности устройства. Суперконденсаторы с водными электролитами (кислоты, щелочи) гораздо проще в изготовлении, эксплуатации, обладают меньшим удельным сопротивлением, дешевле своих аналогов с органическим электролитом и могут работать при очень низких температурах. Встречаются попытки создания суперконденсаторов с твердым полимерным электролитом [30] на основе перфторсульфополимера под торговой маркой Nafion, широко применяемого в различных электрохимических системах с твердым полимерным электролитом [31]. Суперконденсаторы подразделяются на двойнослойные конденсаторы (ДСК), псевдоконденсаторы и гибридные конденсаторы.