Проекты

Суперконденсатор и области его применения

Работа призёра конкурса проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Энергетика»

Направление работы: Электрохимия
Авторы работы: ГАОУ Школа № 548
Предметы: Физика, Химия
Классы: 11 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Наука для жизни» открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» 2021 года

Актуальность

Когда пытаешься понять, зачем может понадобиться устройство, выдающее большой ток, сразу вспоминается попытка завести автомобиль, простоявший неделю на 30-градусном морозе. Это богатая область применения для суперконденсаторов. Зарядка − разовый кратковременный процесс, поэтому сравнительно небольшая ёмкость не является проблемой.

Другая ниша для применения суперконденсаторов − работа с системами энергоснабжения. Нагрузка на сеть «скачет» быстро и часто, поэтому электроэнергию необходимо запасать тогда, когда нагрузка минимальна, и, наоборот, быстро отдавать, когда возникает потребительский пик. Для этого суперконденсаторы подходят как нельзя лучше, причём независимо от масштабов: их можно внедрять в крупные электросети и использовать в «домашних» условиях, например, если на крыше установлены солнечные батареи.

Цель

Сборка суперконденсатора и выявление экономически выгодных областей его применения.

Задачи

  1. Ознакомление с технологиями существующих источников альтернативной энергии и источников, запасающих ее;
  2. Изучение современных принципов хранения энергии;
  3. Сборка прототипа суперконденсатора;
  4. Изучение характеристик собранного прототипа (мощность, сила тока, удельная энергия, плотность энергий, КПД зарядки-разрядки);
  5. Сопоставление полученных характеристик с характеристиками существующих топливных элементов.
  6. Формулирование идей об улучшении получившегося элемента  удешевления конструкции.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

Описание

1. Ход работы.


Приготовление раствора электролита, сепаратора и электродов

В качестве электродов используют диски из углеродного материала диаметром 12 мм и толщиной 0.3 мм, предварительно высушенные в сушильном шкафу. Электроды взвешивают и погружают в раствор электролита.

В качестве электролита используют 4М H2SO4. Готовят 10 мл раствора.

Сепаратором в тестируемой ячейке служит мембрана Nafion 115, вырезанная при помощи углекислотного лазера. Ее подготовка заключается в 10 минутном выдерживании в растворе электролита, а затем в 10 минутном выдерживании в воде.


2.Сборка ячейки

Экспериментальная установка состоит из ячейки симметричного суперконденсатора, подключенной к потенциостату-гальваностату Autolab 302N.

Проведение заряд-разрядного испытания проводят при помощи потенциостата, подключив к нему ячейку по двухэлектродной схеме. Используют метод циклической вольтамперометрии с литенйной разверткой потенциала.


3. Обработка результатов измерения

Полученные вольтамперограммы строят в координатах I-U и I/v – E. Для каждого значения скорости развертки определяют величины пропущенных зарядов при заряде и разряде, усредненное значение заносят в график. По последним двум столбцам таблицы строят диаграмму Рагони – зависимость удельной энергии от удельной мощности разряда.

Отношение тока заряд-разрядного процесса для симметричной ячейки с образцом к скорости линейной развертки потенциала в диапазоне -1+1В.

Результаты работы/выводы

  1. В нынешнем виде ионистор – весьма узкоспециализированное устройство, которое имеет ограниченное применение. Пока что суперконденсаторы можно использовать только там, где надежность, долговечность и скорость зарядки гораздо важнее автономности и цены. 
  2. Появление суперконденсаторов с на порядок большей удельной ёмкостью скажется позитивно и на электронике. В ноутбук или смартфон такой ионистор, вряд ли поместится, но можно использовать в роли буферного накопителя энергии (внешнего аккумулятора). Можно будет перед выходом из дома за зарядить его за минуту, положить в сумку, и уже в пути передать энергию носимому электронному устройству.
  3. Таким образом, для увеличения удельной ёмкости конденсаторов нужно подбирать материалы, улучшающие его характеристики.

Перспективы использования результатов работы

Создание более экологичной конструкции суперконденсатора, по сравнению с другими аналогами. Увеличение КПД устройства, а также его удешевление за счет использования аналоговых материалов, не уступающих по свойствам исходным .