„Badanie pojemności granicy faz elektroda/elektrolit w celu

„Badanie pojemności granicy faz elektroda/elektrolit w celu
magazynowania energii”
Mikołaj Meller
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za
strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Prężnie rozwijający się przemysł motoryzacyjny coraz częściej skupia się na
rozwiązaniach, które pozwalałyby na zrezygnowanie, z obecnych niemal w każdym
samochodzie, silników spalinowych. W ten sposób coraz większym zainteresowaniem wśród
producentów samochodów, cieszą się te z napędem elektrycznym. Dlatego też większy
nacisk kładzie się na rozwój takich źródeł prądu, jak: ogniwa niklowo-wodorkowe, litowojonowe, ale także kondensatory elektrochemiczne. Właśnie tym ostatnim poświęcone są
badania, które wykonuję podczas mojego doktoratu.
Kondensatory elektrochemiczne, nazywane również superkondensatorami czy
kondensatorami podwójnej warstwy elektrycznej służą do odwracalnego gromadzenia
energii. Proces ten zachodzi przede wszystkim dzięki ładowaniu i wyładowaniu podwójnej
warstwy elektrycznej, utworzonej na granicy faz elektroda/elektrolit. Należy podkreślić, że
ładowanie
i
wyładowanie
podwójnej
warstwy
elektrycznej
jest
procesem
czysto
elektrostatycznym, co sprawia, że kondensatory elektrochemiczne wykazują niezwykle
wysoką trwałość cykliczną (nawet rzędu milionów cykli).
Charakterystyka ta sprawia, że superkondensatory świetnie sprawdzają się
w urządzeniach wymagających poboru dużej mocy, czyli energii dostarczanej w bardzo
krótkim czasie. Jest to całkowite przeciwieństwo znanych ogniw elektrochemicznych (Ni-MH,
Li-ion), które charakteryzują się dużą energią, dzięki czemu czas ich wyładowania jest
znacznie dłuższy.
Badania, które do tej pory przeprowadziłem były w głównej mierze poświęcone
wspomnianej wcześniej granicy faz elektroda/elektrolit. Ponieważ moim celem było
uzyskanie kondensatora, który byłby w stanie dostarczać znacznie większe wartości energii,
aby mógł konkurować z ogniwami elektrochemicznymi, postanowiłem skupić się na badaniu
wpływu różnych elektrolitów na pracę całego układu. Głównym parametrem determinującym
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
wielkość energii jest napięcie pracy kondensatora, zatem jego rozszerzenie pozwala na
uzyskanie znacznie większych wartości energii. W tym celu można zastosować elektrolity
organiczne, które pozwalają na rozszerzenie napięcia pracy nawet do 2,7 – 2,8V. Niestety
ich użycie wiąże się z dużym ryzykiem, ponieważ są one łatwopalne i szkodliwe.
Dodatkowym
mankamentem
jest
konieczność
stosowania
specjalnych
warunków
ochronnych w fazie konstrukcyjnej superkondensatorów (komora rękawicowa) Oczywiście
wiąże się z tym wszystkim znaczny wzrost ceny układu.
Z kolei elektrolity wodne, które są znacznie bezpieczniejsze oraz tańsze, ze względu
na elektrolizę wody, ograniczają w praktyce napięcie pracy kondensatora do wartości 0.7 –
0.8V. Jednakże przewaga korzyści płynąca ze stosowania elektrolitów wodnych skłoniła
mnie
do
ich
dokładnego
przebadania.
Wynikiem
było
uzyskanie
kondensatora
elektrochemicznego, który po odpowiednim przygotowaniu jest w stanie pracować
w środowisku wodnym przy napięciu rozszerzonym nawet do 2.2V. Najlepszym elektrolitem
okazał się 1mol/L Li2SO4, dający zadowalające wartości pojemności oraz energii i mogący
pracować przez ponad 15000 cykli bez pogorszenia sprawności (99%). Dodatkowymi
zaletami, przemawiającymi za użyciem tego elektrolitu są jego niska cena, obojętny
charakter (ph = 7) pozwalający na użycie tanich kolektorów prądowych oraz co bardzo
ważne, są bardziej przyjazne dla środowiska niż elektrolity organiczne.
Należy pamiętać, że Wielkopolska jest województwem, w którym znaleźć można
wiele firm i instytucji powiązanych z dziedziną elektrochemii. Daje to ogromne możliwości na
współpracę przedsiębiorstw z sektorem nauki, której owocem byłoby wprowadzenie w życie
zrealizowanych projektów i ich dalszą komercjalizację.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego