Superkondensator- skąd w nim ta „moc” ?? Elżbieta Zapała Andrzej Hacura

Plan * Spektroskopowe badania węgli aktywnych i sadzy * Charakterystyka porowatych materiałów węglowych -sadza -węgiel aktywny -nano (mezo) rurki * Spektroskopowe badania węgli aktywnych i sadzy * Metoda otrzymywania nanorurek o ściankach amorficznych * Superkondensator - budowa i zasada działania * Perspektywy na przyszłość

Sadza Odmiana alotropowa węgla. Ogrzewana w temperaturze 3000°C pod zmniejszonym ciśnieniem, w atmosferze gazu obojętnego przechodzi w sadzę grafitową o dużej powierzchni właściwej. Zalety: duża powierzchnia właściwa niskie koszty produkcji Nazwa próbki przeznaczenie Pow. właściwa Printex 25 komercyjna 45m2/g XE2B 1000m2/g

Węgiel aktywny Bezpostaciowa, porowata substancja stała o silnie rozwiniętej powierzchni wewnętrznej Otrzymuje się go z torfu, węgli kamiennych, brunatnych, drewna, kości, skrobi lub cukru Węgiel aktywny jest często modyfikowany (np. przez usunięcie popiołu lub impregnację związkami chemicznymi), aby zachowując swoje właściwości adsorpcyjne, mógł bardziej specyficznie pochłaniać określony składnik (np. metale ciężkie ).

Spektroskopowe badania węgli aktywnych i sadzy Kształt widma Ramana świadczy o strukturze badanej substancji Dla polikrystalicznych grafitów obserwujemy dwa charakterystyczne piki- ( które można rozdzielić na 4 krzywe Gaussa) *ostre przy częstotliwości 1600-1350cm-1, nazywane G1 i D1 *szerokie przy częstotliwości 1560-1340 cm-1, nazywane G2 i D2 G (graphite) D (disorder) Stosunek intensywności pików Id/Ig świadczy o uporządkowaniu materiału Analizę widm Ramana oparłam na publikacji N.Shimodaira, A.Masui:Raman spectroscopic investigations of activated carbon materials

Węgiel aktywny 1351

Węgiel aktywny 1354

Węgiel aktywny 1357

Węgiel aktywny 1385

Stosunek intensywności pików I (D)/ I (G) Nazwa próbki Powierzchnia właściwa I(D1)/I(G1) I(D2)/I(G2) I(G2)/I(G1) 1351 3179 0,88 1,53 0,49 1354 3193 0,68 0,39 0,84 1357 3416 0,79 0,74 0,6 1385 2418 0,079 0,41

Wnioski z badań spektroskopowych Widma zostały dopasowane przez cztery krzywe Gaussa (G1,D1 i G2,D2) i liniowe tło Pozycja piku G1 jest bardzo stablina-około 1605 cm-1; jak również piku D1- około 1350 cm-1 Piki G2 i D2 są szerokie i rozmyte –są to położenia charakterystyczne dla węgli aktywnych

Nanorurki Otrzymywane metodą „pieczątki” Struktura porowata, ścianki postrzępione, duża powierzchnia właściwa

Metoda pieczątki nanorurki węglowe matryca z Al2O3 pory

Etapy produkcji nanorurek warstwa elektrolitycznie utlenionego aluminium (powłoka Al2O3 ) Matryca porowata osadzanie węgla w porach matrycy nasączenie katalizatorem + alkohol furfurylowy usuwanie matrycy HF ( kwas)

Struktura otrzymywanych nanorurek

Superkondensator - budowa W superkondensatorach nie zachodzą reakcje chemiczne Dużą pojemność uzyskujemy przez zwiększenie powierzchni elektrod Rolę dielektryka pełnią obszary styku przewodzących elektrod z przewodzącym elektrolitem Separator uniemożliwia bezpośrednie zwarcie elektryczne obu elektrod (nie jest barierą dla jonów) Na granicy elektrod i elektrolitu tworzą się dwie warstwy, gdzie gromadzą się nośniki prądu

Superkondensator

Superkondesator – zasada działania Suprkondensatory- kondensatory elektrycznej warstwy podwójnej Napięcie graniczne (około 3V) powoduje ruch jonów Siły elektrostatyczne porządkują układ jonów w pobliżu elektrod

Budowa elektrycznej warstwy podwójnej Podwójna warstwa elektryczna składa się z dwóch części warstwy adsorbcyjnej i dyfuzyjnej. Cząstkę możemy przedstawić jako kondensator, którego jedną okładką jest powierzchnia cząstki, a druga okładka rozciąga się na pewną odległość w głąb cieczy.

Ładowanie i rozładowanie superkondensatora Ładowanie i rozładowanie kondensatora zbudowanego z nanorurek. Elektolit: 1.4 M TEABF4 w acetonitrylu. E. Frackowiak et al. / Fuel Processing Technology 77– 78 (2002) 213–219

Cel pracy Porównanie charakterystyk (C/V, C/n, I/V, U/t) superkondensatorów zbudowanych z różnych materiałów węglowych (sadza, węgiel aktywny, nanorurki) Badania mikroskopowe (TEM, HRTM, AFM, SEM) Badania spektroskopowe (IR, Raman)

Zalety superkondensatorów Duża trwałość (nawet 500000 cykli ładowanie/rozładowanie) Prosty sposób ładowania (wprost ze źródła napięcia) Brak składników szkodliwych dla środowiska (Pb, Cd) Odporność na zwarcie

Fakty o superkondensatorach są stosowane w module hamulcowym hybrydowego samochodu Toyota Prius użyto ich w hybrydowym samochodzie VW z ogniwami paliwowymi, zastosowane są także w opracowywanych od lat samochodach Honda Civic IMA i FCX-V3, znajdują się we wprowadzonej przez firmę Nissan do sprzedaży w Japonii hybrydowej ciężarówce elektryczno-dieslowskiej z hamowaniem regeneracyjnym i wspomaganiem rozruchu, zostały zastosowane w lansowanym przez firmę Man elektryczno-dieslowskim autobusie miejskim z regeneracyjnym systemem hamulcowym, w wersji na napięcie 200V zostały użyte w hybrydowym BMW X5 do hamowania regeneracyjnego.

Perspektywy na przyszłość – zastosowania superkondensatorów Podtrzymywanie zawartości pamięci w komputerach podczas awarii zasilania Zamiast akumulatorów w sprzęcie domowym, medycznym, przemysłowym Zamiast akumulatorów w pojazdach elektrycznych i hybrydowych Budowa bezprzewodowych zasilaczy

Dziękuję za uwagę