1.1.3 Двойнослойные суперконденсаторы

Двойнослойный суперконденсатор состоит из двух пористых электродов из электронпроводящих материалов, разделенных заполненным электролитом сепаратором (Рис.1.1). Процесс запасания энергии в ДСК осуществляется за счет разделения заряда на двух электродах с достаточно большой разностью потенциалов между ними. Электрический заряд ДСК определяется емкостью двойного электрического слоя. Двойной электрический слой на поверхности каждого электрода представляет собой отдельный конденсатор. Между собой они соединены последовательно через электролит, являющийся проводником с ионной проводимостью.

Рис. 1.1. Схематическое изображение двойнослойного суперконденсатора

Упрощенная эквивалентная электрическая схема такого конденсатора выглядит следующим образом (Рис.1. 2):

Рис.1. 2. Эквивалентная электрическая схема ДСК, C 1 – емкость двойного электрического слоя положительного электрода; C 2 – емкость двойного электрического слоя отрицательного электрода

Процессы, происходящие в двойном электрическом слое на границе раздела двух проводников, близки тем, которые протекают в обычном конденсаторе, однако в этом случае расстояние между несущими различный заряд обкладками составляет несколько межатомных длин. Фактически, одна обкладка представлена электронами в электронном проводнике, а вторая – сорбированными на поверхности электронного проводника положительными ионами электролита [25]. На втором электроде слой формируется за счет обеднения электронами электронного проводника и сорбции отрицательных ионов электролита. Таким образом, для достижения максимальной емкости необходимо обеспечить как можно большую поверхность контакта электролита с электронным проводником. Первое упоминание о строении двойного слоя и возможности использования запасаемой в нем энергии принадлежит Гельмгольцу и относится к середине XIX века. Практическое использование энергии двойного электрического слоя в электрических конденсаторах началось лишь во второй половине XX века с появлением, с одной стороны, материалов, позволяющих создавать такие конденсаторы, с другой стороны - возникшей потребности в мощных, быстро заряжаемых источниках тока с большим ресурсом для решения множества технических задач. Режимы заряда-разряда суперконденсатора во многом определяют его мощность и энергоемкость. Разряд большими токами повышает мощность, однако значительная часть энергии при этом либо теряется на сопротивлениях электролита и электродов, либо двойной слой не успевает разрядиться до конца. Для систем с водным электролитом удельная энергоемкость существенно ниже, чем для органического электролита. Более высокое значение удельной энергоемкости у систем на основе органических электролитов достигается преимущественно за счет высокого рабочего напряжения, однако сопротивление таких электролитов существенно выше (что существенно понижает их КПД на больших токах и приводит к значительному разогреву). В то же время для органических систем удельная энергоемкость приближается к таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов и проточных ванадиевых редокс-батарей [34], что вместе с высокими ресурсными показателями и повышенной глубиной разряда повышает конкурентоспособность таких суперконденсаторов.