Суперконденсаторы - это специально разработанные конденсаторы, которые имеют огромную емкость и плотность энергии по сравнению с обычными конденсаторами. Они обладают способностью быстрого накопления и высокой плотностью энергии, чем конденсаторы. Гибкие суперконденсаторы широко популярны из-за их многообещающего потенциала в носимой электронике.
Гибкий суперконденсатор
На основании принципа работы и накопления энергии суперконденсаторы делятся на три основные группы:
- Электрические двухслойные конденсаторы (EDLC);
- Псевдоконденсаторы;
- Гибридные суперконденсаторы.
Электрические двухслойные конденсаторы (EDLC) представляют собой типы конденсаторов, изготовленных из трех материалов: так называемых электродов, электролитов и сепаратора.
Это портативные, очень эффективные и мощные накопители энергии. EDLC хранят энергию с помощью нефарадеевского принципа или электростатически, что подразумевает отсутствие передачи заряда между электролитом и электродом.
Псевдоконденсаторы, в отличие от EDLC, сохраняют заряд путем фарадического переноса заряда между электродом и электролитом.
В псевдоконденсаторах используются различные проводящие полимеры, такие как полипиррол (PPy) и полианилин (PANI), поли-3,4-этилендиоксттиофн полистиролсульфонат (PEDOT:PSS).
Из-за особенностей заряда и разряда, а также реакции восстановления-окисления, происходящей во время обработки, псевдоконденсаторам не хватает стабильности. Устойчивость к окружающей среде очень важна для таких типов материалов.
Принцип гибридных суперконденсаторов для хранения энергии основан на комбинации EDLC и псевдоконденсаторов. Ограничения обоих типов суперконденсаторов устраняются в гибридной системе и демонстрируют лучшие электрохимические характеристики.
В отличие от обычных конденсаторов, они могут заряжаться практически мгновенно и при необходимости разряжать огромное количество энергии, что делает суперконденсаторы идеальной заменой уже устаревшей аккумуляторной технологии. Кроме того, суперконденсаторы имеют гораздо более длительный срок службы, чем существующие литий-ионные аккумуляторы.
Суперконденсаторы могут выдерживать гораздо больше циклов зарядки и разрядки, чем обычные перезаряжаемые батареи. Другие преимущества суперконденсаторов включают большую удельную мощность, более высокую пиковую мощность, меньший размер и более низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR).
Гибкие суперконденсаторы демонстрируют большой потенциал для применения в носимой, миниатюрной, портативной, крупномасштабной прозрачной и гибкой бытовой электронике благодаря их существенным неотъемлемым преимуществам, таким как гибкость, малый вес, низкая стоимость и экологичность по сравнению с существующими накопителями энергии.
Суперконденсаторы на основе карбонизированной банановой кожуры
Банановая кожура традиционно является отходами, которые обычно выбрасываются после употребления съедобных частей. Это вызывает временное загрязнение окружающей среды.
С другой стороны, истощение запасов ископаемого топлива наряду с динамичным изменением климата требует дополнительной эксплуатации альтернативных источников энергии. Кроме того, недавний всплеск интереса к гибкой и легкой электронике с высокой прочностью подталкивает большинство отраслей к внедрению лучших альтернатив возобновляемым источникам энергии.
Среди гибких и легких накопителей энергии широко исследуются суперконденсаторы. Они имеют высокую удельную мощность и высокую скорость заряда-разряда, кроме того, они имеют длительный жизненный цикл по отношению к окружающей среде.
Было доказано, что материалы с пористой структурой на основе углерода перспективны в качестве гибких, легких и прочных суперконденсаторов.
Пористые суперконденсаторы на основе обугленной банановой кожуры являются в последние годыодним из перспективных направлений исследований. Банановую кожуру можно приготовить для возможного суперконденсатора разными способами.
Иллюстрация, демонстрирующая процесс изготовления гибких суперконденсаторов, начиная с подготовки сырья, карбонизации и сборки суперконденсатора
Банановая кожура — отличный потенциал для производства суперконденсаторов. Различные методы карбонизации использовались для улучшения характеристик суперконденсаторов независимо от их назначения и достижения высоких значений емкости.
Карбонизация биомассы привела к получению углеродных материалов с пористой структурой, и, следовательно, углеродные материалы использовались для хранения энергии в качестве суперконденсаторов.
Недавние разработки в области производства гибких суперконденсаторов показали, что банановая кожура представляет собой возможный метод производства прочных, гибких и легких устройств хранения энергии.
Суперконденсаторы на основе банановой кожуры достигли высокого значения емкости благодаря способности воплощать большую площадь поверхности, которая, в свою очередь, может охватывать высокопористые структуры.
Это, скорее всего, доказывает, что углеродные материалы на основе банановой кожуры будут продолжать стремиться к тому, чтобы быть одним из перспективных применений для производства суперконденсаторов, поскольку достигается оптимизация с точки зрения типа активации, высокой пористости и гибкости.
Банановая кожура использовалась в качестве электрода суперконденсатора после карбонизации. Ее можно карбонизировать с помощью различных механизмов, таких как химическая активация, гидротермические методы, биологическая ферментация и пиролиз.
Для получения более высокого значения емкости можно использовать различные химические вещества для химической активации угля из банановой кожуры.
Химическая активация может увеличить площадь поверхности карбонизированной банановой кожуры, влияя на структуру активированного угля. Активация помогает увеличить соотношение площади поверхности к объему и усилить абсорбцию.
Более того, суперконденсатор для химически активированной банановой кожуры достиг исключительной устойчивости при сохранении емкости примерно 97% в течение 5000 циклов.
Уголь из банановой кожуры обеспечивает максимальную эффективность при активации химическими веществами. Кроме того, химическое осаждение помогло улучшить суперемкостные характеристики карбонизированных суперконденсаторов, и, следовательно, химическая активация предлагается для производства долговечных суперконденсаторов в будущем.
Суперконденсаторы на основе PEDOT:PSS
Поли (3,4-этилендиокситиофн) полистиролсульфонат (PEDOT:PSS) является недавно изученным, широко используемым и успешно реализованным полимером с собственной проводимостью.
Наиболее вероятной причиной этого являются превосходные электромеханические характеристики, высокая проводимость и стойкость к износу, способность к обработке водой и светопроницаемость. В дополнение к этому, PEDOT:PSS стабилен в окружающей среде и может обрабатываться при высоких температурах.
PEDOT:PSS сам по себе не является хорошим проводником, поскольку гидрофильный PSS скрывает проводимость. В этом случае некоторые исследователи использовали полиэтиленгликоль (ПЭГ), диметилсульфоксид (ДМСО) и этиленгликоль (ЭГ) для повышения проводимости.
При легировании PEDOT:PSS этими растворами происходила структурная перестройка.
Возможно, наиболее известным примером собственного органического полупроводникового полимера является полимер поли-3,4-этилендиокситиофен (PEDOT), преимущественно когда он соединяется с поли-стиролсульфонатом-PSS(PEDOT:PSS).
PEDOT:PSS и его композиты для гибких суперконденсаторов
PSS окружает и в основном находится на поверхности PEDOT, что помогает PEDOT диспергироваться в воде. Он чрезвычайно проводящий, в значительной степени пропускающий свет, перерабатываемый водой и очень гибкий.
Значительные недавние исследования этого вездесущего материала были сосредоточены на повышении его деформируемости, помимо гибкости (свойство, которым обладает любой достаточно тонкий материал), до способности к растяжению (свойство, которое требует молекулярной или наноструктурной инженерии).
Вышеупомянутые свойства PEDOT:PSS являются фундаментальными, что может помочь исследователям исследовать использование PEDOT: Поли-3,4-этилендиокситифен-поли(стиролсульфонат) использовался в производстве высокоэффективных суперконденсаторов.
Использование проводящего полимера PEDOT:PSS не только обеспечивает электрохимические характеристики, но и обладает превосходной стойкостью к износу.
Смотрите также: Перспективы применения органических полимеров в литий-ионных аккумуляторах