Как заряжать мощные устройства предельно быстро? Достаточно ли аккумулятора для зарядки электромобиля? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.
Сегодня потребность зарядить что-то очень быстро появляется все чаще. Процесс зарядки электробуса или электромобиля может занимать в среднем от 12 часов до 30 минут. Устройствами, позволяющими это сделать гораздо быстрее, являются соединенные параллельно с аккумуляторами суперконденсаты.
Они состоят из двух пористых электродов, чаще всего углеродных, на основе активированных углей, графенов, углеродных нанотрубок или других материалов. Скажем, если спрессовать активированный уголь, который мы покупаем в аптеке, то можно сделать электроды, поставить между ними пористый сепаратор (например, стеклянный) и пропитать поры электродов и сепаратора электролитом, и мы получим суперконденсатор.
Главное преимущество суперконденсаторов перед аккумуляторами заключается в том, что у них намного большая удельная мощность. То есть они способны заряжать высокомощные системы, например электромобили. Если мы захотим сделать это с помощью аккумуляторов, то нам придется делать аккумулятор больших размеров. Кроме того, циклируемость суперконденсаторов (количество полных разрядов-зарядов) значительно выше, доходит до миллиона циклов по сравнению с несколькими тысячами циклов у аккумуляторов. Однако необходимо понимать, что такие циклы заметно короче.
Суперконденсаторы дешевле, могут достигать практически 100% КПД и работать в широком диапазоне температур — от -50 до +50 °C. Кроме того, они экологичнее. Но удельная энергия по сравнению с аккумуляторами у них значительно ниже. Поэтому в электромобиле должен быть и аккумулятор, и суперконденсатор.
Суперконденсаторы и аккумуляторы могут работать в комбинации. Допустим, у нас есть автомобиль или электромобиль, и там, где находится аккумулятор, мы ставим вдвое меньший по размеру аккумулятор, а рядом — суперконденсатор. При запуске автомобиля требуются большие токи, и работает суперконденсатор, потому что у него сопротивление меньше, чем у аккумулятора, который начинает работать после. Суперконденсатор может также аккумулировать энергию торможения, поскольку при резком торможении требуются большие токи. Так как он требует более частой подзарядки, то его может подзаряжать аккумулятор, если они в паре. Поэтому зарядка электромобиля за совсем маленькое время, скажем за 5 минут, возможна, однако систем, позволяющих зарядить его на 100% за такое время, еще нет.
Чтобы увеличивать мощность суперконденсаторов, можно использовать углеродные нанотрубки в качестве электрода. Достоинство углеродных нанотрубок заключается в их регулярной структуре. Чтобы существенно улучшить характеристики суперконденсаторов, нужно оптимизировать пористую структуру электродов. Для этого нужно увеличить долю мезопор с размерами от 1 до 30 нм и увеличить площадь удельной поверхности до 2000–2500 м2/г. Это приведет к существенному увеличению удельной мощности и удельной энергии. Кроме того, нужно существенно удешевить производство углеродных нанотрубок и графенов.
Суперконденсаторы могут заменять аккумуляторы для устройств, в которых не требуется большая удельная энергия, но требуется большая удельная мощность. В остальных случаях они могут функционировать совместно с аккумуляторами в одних и тех же устройствах, дополняя друг друга, например в автомобилях. В этих случаях суперконденсаторы берут на себя стартерный запуск двигателя внутреннего сгорания. Их также можно использовать для электробусов, тепловозов и других устройств.
