Экспериментальные исследования токов заряда-разряда в суперконденсаторах

Актуальность и цели. Суперконденсаторы - это устройства накопления электрической энергии, которые находят практическое применение в различных системах: в ветряных турбинах, фотовольтаических системах, биомедицинских сенсорах, гибридных машинах и электромобилях. Эти электрохимические устройства представляют собой конденсаторы с органическим или неорганическим электролитом, в которых двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита выступает в роли «обкладок». Для увеличения площади двойного электрического слоя используют электроды с высокоразвитой поверхностью, изготовленные из пористых материалов на основе активированного угля или вспененных металлов. Также электроды предлагалось создавать на основе активированных пленок углеродных нанотрубок, оксида графена и других материалов. Малая толщина двойного электрического слоя, сравнимая с размерами молекул растворителя (5-10 нм), а также большая площадь поверхности электродов обеспечивают большую емкость, малые по сравнению с аккумуляторами времена заряда и высокую удельную плотность накапливаемой энергии. Существует необходимость в разработке уточняющих моделей и методов диагностики суперконденсаторов. Материалы и методы. Исследована кинетика токов заряда-разряда в образцах двухслойных суперконденсаторов фирмы Panasonic с номинальной емкостью 0,22 Ф в широком диапазоне времен от 0,1 до 10$^4$ c. В них используется органический электролит, а в качестве электродов - активированный уголь в виде мелкодисперсной фракции. Релаксация тока анализировалась с помощью модели линейного отклика. Проведены измерения по циклической зарядке постоянным током, на основе которых рассчитаны зависимости емкости и внутреннего сопротивления суперконденсатора от напряжения. Исследовано влияние температуры, внешнего напряжения и предыстории зарядки на характеристики суперконденсатора. Результаты. Релаксация в исследуемых суперконденсаторах недебаевская. На малых временах зависимость тока от времени близка к закону растянутой экспоненты $i(t) \infty exp(-t^\beta / \tau^\beta)$, где $\beta$ принимает значения в диапазоне от 0,5 до 0,7. Для саморазряда характерно $\beta$=0,5. На больших временах асимптотика кинетических кривых степенная $i(t) \infty t^{-\alpha}$, при этом $\alpha$ принимает значения в диапазоне от 0,8 до 1,2. Рост температуры приводит к уменьшению внутреннего сопротивления, что сказывается на изменении показателя степенного закона и тенденции к сквозной проводимости, а также уменьшении масштабного параметра закона растянутой экспоненты. Вычислены зависимости емкости и внутреннего сопротивления суперконденсатора от напряжения по кривым циклической зарядки постоянным током. Выводы. В отличие от обычных конденсаторов, реакция исследуемого суперконденсатора (при рабочих напряжениях 3-5 В) на вариации режима зарядки не согласуется с теорией линейного отклика. Наблюдаемые зависимости емкости и внутреннего сопротивления суперконденсатора от напряжения объясняются включением дополнительных перколяционных путей и изолированных пор в процесс релаксации при повышении напряжения. Свойства суперконденсатора вследствие длительных перезарядок ухудшаются: снижается емкость и увеличивается внутреннее сопротивление. Зависимости емкости от напряжения для новых конденсаторов A и B практически совпадают, хотя $r(U)$ различаются. Мы связываем это различие с большей чувствительностью эффективного сопротивления (нежели емкости) к случайным реализациям пористых электродов.