Упрощенная эквивалентная схема суперконденсатора

В суперконденсаторах энергия накапливается в процессе зарядки за счет поляризации двойных электрических слоев на границах раздела «анод-электролит» «катод-электролит».

Система «электронный проводник – ионный проводник», на границе которой образуется двойной электрический слой из носителей заряда различного типа в определенных условиях ведет себя как конденсатор, то есть при прохождении через такую систему тока изменяется межфазная разность потенциалов. Если эти изменения обратимы то система может характеризоваться емкостью, определяемой для идеального конденсатора по формуле:

 

C=dφ/dq,

где

dφ - изменение межфазной разности потенциалов,

dq – накопленный на межфазной границе заряд.

 

Как и для обычного электрического конденсатора, значение емкости суперконденсатора рассчитывается по известной формуле.

,

где

А- площадь электрода

d- расстояние между обкладками

 

Большая емкость достигнута за счет максимизации эффективной площади обкладок и уменьшения эффективного расстояния между ними до нескольких нанометров.

В большинстве представленных на рынке суперконденсаторов электроды выполнены из углерода (гранулированного или порошкового). Между ними расположен разделитель, пропитанный электролитом (водным или органическим раствором) с высокой концентрацией подвижных ионов (Рис. 9а). При контакте электрода с электролитом с двух сторон их межфазовой границы формируются слои с избыточными носителями противоположной полярности. Межфазовая граница раздела двух материалов толщиной всего несколько нанометров служит диэлектриком конденсатора. Таким образом, собственно конденсаторный элемент образуют два слоя с избыточной концентрацией носителей и граница их раздела. Отсюда второе название суперконденсаторов – электрохимические двухслойные конденсаторы.

С другой стороны разделителя формируется точно такая же структура, но с противоположной первой полярностью носителей в образующих ее слоях. Таким образом, практически один компонент объединяет два включенных последовательно конденсатора с различными значениями последовательного сопротивления (Рис. 9б).

Рис. 9 Структура (а) и упрощенная эквивалентная схема суперконденсатора (б); Re -“электронное” сопротивление углеродного электрода, Rc- сопротивление утечки за счет необратимых фарадеевских реакций и диффузии, Ri -“ионное сопротивление электролита”

В реальных системах ток утечки отличается от нуля из-за наличия примесей в электролите или электродах с более низким потенциалом разложения, а также из-за наличия электронной составляющей проводимости в ионных проводниках (электролитах)

В особом типе суперконденсаторов – псевдоконденсаторах при заряде и разряде протекают обратимые электрохимические процессы (хемосорбция и интеркаляция ионов, сдержащихся в электролите)

По принципу накопления энергии псевдоконденсаторы можно отнести как к суперконденсаторам (если энергия накапливается только в поверхностном слое электродов), так и к аккумуляторам (если энергия накапливается не только в поверхностном слое, но и в объеме электродов).

Удельная энергия псевдоконденсаторов благодаря протеканию электрохимических реакций сравнима с энергией, накапливаемой в аккумуляторах, однако величина удельной мощности и количество циклов в режиме «зарядка-разрядка» могут быть на порядок выше того, что достигнуто в области аккумуляторов, так как диффузионные и кинетические ограничения удается минимизировать за счет увеличения площади поверхности электродов. По величине удельной энергии и мощности, температурному диапазону эксплуатации и количеству циклов псевдоконденсаторы ближе всех остальных конденсаторов к аккумуляторам.

По отношению к внешней электрической цепи псевдоконденсаторы проявляют себя аналогично другим типам конденсаторов, т. е. их заряд в первом приближении линейно зависит от разности потенциалов на обкладках. Поэтому псевдоконденсаторы вполне могут быть охарактеризованы эквивалентной схемой, показанной на Рис. 9б. Следовательно, ожидаемо, что годограф импеданса симметричного псевдоконденсатора будет иметь вид, представленный на Рис. 7.

Важнейшим параметром, характеризующими эксплуатационные свойства суперконденсатора, кроме емкости, является его «эквивалентное последовательное сопротивление» или ESR. Его величина определяет скорость (мощность) заряда-разряда и частотные ограничения для использования суперконденсаторов в электрических цепях. Коротко говоря, «эквивалентное последовательное сопротивление» это математическая величина, интегрально характеризующая все физические потери в суперконденсаторе. Производители обычно приводят значение ESR на частоте 1 кГц. ESR можно определить, используя эквивалентную схему Рис. 6, как действительную часть импеданса суперконденсатора, измеренного на частоте 1 кГц.