pienoiskuva|Superkondensaattoreita Superkondensaattori on kondensaattori, johon voidaan varastoida poikkeuksellisen suuri määrä energiaa, eli saavutetaan korkea energiatiheys verrattuna tavallisiin kondensaattoreihin. Yksinkertaistettuna superkondensaattori on kondensaattori, jonka elektrodien pinta-alaa on kasvatettu suuren varauskyvyn saamiseksi. Superkondensaattori eroaa käyttöominaisuuksiltaan muista kondensaattoreista erityisesti epätyypillisen pienen sisäisen resistanssin vuoksi.
Superkondensaattori saattaa muodostua merkittäväksi osaksi sähköautojen tekniikkaa, koska se kaupallisesti toteutuessaan mahdollistaa sähköenergian varastoinnin pienempään tilaan kuin nykyiset akkutekniikat ja mahdollistaisi minuuteissa tapahtuvan latauksen, kun nykyakuilla lataus kestää tunteja. Sähköautojen valmistaja ZENN on investoinut merkittävästi EEStor-yhtiöön, joka kehittää superkondensaattoritekniikkaa. http://www.ultracapacitors.org/ultracapacitors.org-blog/eestor-announces-certification-and-milestones.html
Superkondensaattorityypit
Sähköinen energia on varastoitu superkondensaattoreihin kahden varastointiperiaatteen mukaan: muuttumattoman kaksikerroksisen kapasitanssin sekä sähkökemiallisen pseudokapasitanssin. Näiden kahdentyyppisen kapasitanssin jakautuminen riippuu aineesta sekä elektrodien rakenteesta. On olemassa kolme erityyppistä superkapasiteettia varastointiperiaatteisiin perustuen: Kaksikerroksiset kondensaattorit (EDLC): aktivoituja hiilielektrodeja tai johdannaisia, jotka on varustettu sähkökemiallista pseudokapasitanssia paljon korkeammalla sähköstaattisella kaksikerroksisella kapasitanssilla Pseudokondensaattorit: siirtymämetallihapettuma tai virtaa johtavat polymeerielektrodit, joilla on korkea sähkökemiallinen pseudokapasitanssi Hybridi kondensaattorit: epäsymmetriset elektrodit, joista yksi ilmentää enimmäkseen sähköstaattista ja toinen enimmäkseen sähkökemikaalista kapasitanssia, kuten esimerkiksi litiumionikondensaattorit.
Elektrodit Superkondensaattorin elektrodit ovat kauttaaltaan ohuita kerroksia, jotka ovat päällystettyjä ja jotka ovat sähköisesti yhdistettyjä johtavaan, metalliseen virranottimeen. Elektrodeilla pitää olla hyvä sähkönjohtavuus, korkea lämmönkesto, kemiallinen stabiilius, korroosionkesto ja suuri pinta-ala suhteessa määrään ja massaan. Muita vaatimuksia ovat ympäristöystävällisyys ja matala hinta.
Tuplakerroksen määrä ja superkondensaattoriin varastoitu yksikköjännite pseudokapasitanssissa ovat pääosin elektrodin pinnan toimintoja. Siksi superkondensaattorin elektrodit on tyypillisesti valmistettu huokoisesta, sienimäisestä materiaalista, jolla on erittäin suuri pinta-ala, kuten aktiivihiilestä. Lisäksi elektrodimateriaalin kyky suorittaa faradisia varauksen siirtoja tehostaa kokonaiskapasitanssia.
Yleisesti, mitä pienempiä elektrodin huokoset ovat, sitä suurempia ovat kapasitanssi ja energiatiheys. Kuitenkin pienemmät huokoset lisäävät vastaavaa sarjaresistanssia ja pienentävät tehotiheyttä. Sovellukset, joissa kulkee korkea sähkövirta vaativat suuremmat huokoset ja pienempiä sisäisiä häviöitä, kun korkean energiatiheyden sovelluksissa tarvitaan pieniä huokosia.
EDLC:n elektrodit Yleisimmin superkondensaattoreissa käytetty elektrodimateriaali on hiili useissa allotrooppisissa muodoissaan. Hiilipohjaiset elektrodit esiintyvät pääasiassa staattisessa kapasitanssissa, vaikka voi ilmetä myös pieni määrä pseudokapasitanssia riippuen huokoskoosta. Hiilen huokosten koot vaihtelevat mikroporeista (<2 nm) mesoporeisiin (2-50 nm) . Ainoastaan mikroporeet edistävät pseudokapasitanssia.
Aktiivihiili Aktiivihiili (AC) oli ensimmäinen EDLC elektrodeille valittu aine. Vaikka sen sähköinen johtokyky on 0,003% siitä, mitä metalleilla on, se on superkondensaattoreja varten tarpeeksi.
Aktiivihiili on erityisen huokoinen hiilen muoto, jolla on spesifinen pinta-ala. Tyypillinen likiarvo on, että 1 grammalla on 1 000-3 000 neliömetrin pinta-ala.
Kiinteä aktiivihiili (CAC) on eniten superkondensaattoreille käytetty elektrodiaine ja se saattaa olla halvempi kuin muut hiilijohdannaiset. Se on tuotettu aktiivihiilijauhosta, jotka on puristettu haluttuun muotoon, muodostaen tukkeuman laajaan huokosjakaumaan.
Aktiivihiilikuidut Aktiivihiilikuidut (ACF) on tuotettu aktiivihiilestä ja ovat tyypillisesti halkaisijaltaan 10 μm. Niillä voi olla mikrohuokosia erittäin kapealla huokosjakaumalla, jota pystytään vaivattomasti kontrolloimaan. Aktiivihiilikuidun pinta-ala kudottuna tekstiilinä on noin 2 500 m2/g. Aktiivihiilikuitujen elektrodien etuna on alhainen sähköinen vastustuskyky pitkin lävistäjää ja hyvä kontakti kerääjään. Niin kuin aktiivihiilelle, myös aktiivihiilikuidun elektrodeille ilmenee pääsääntöisesti kaksikerros kapasitanssi pienellä määrällä pseudokapasitanssia niiden mikrohuokosten kautta.
Hiiliaerogeeli Hiiliaerogeeli on erittäin huokoista, synteettistä, ultrakevyttä materiaalia, joka on johdettu orgaanisesta geelistä, jossa geelin nestemäinen komponentti on korvattu kaasulla ja jäljelle jää säikeinen silikaattirakenne.
Aerogeelielektrodit valmistetaan resorsinoliformaldehydin aerogeelin protolyysilla ja niiden johtavuus on parempi kuin useimpien aktiivihiilten. Aerogeelielektrodit mahdollistavat ohuet ja mekaanisesti vakaat, muutaman sadan mikrometrin paksuiset elektrodit, jotka ovat huokoskooltaan yhtenäisiä. Aerogeelielektrodit antavat mekaanista- ja tärinävakautta hankalien ympäristöjen superkondensaattoreille.
Tutkijat ovat luoneet hiiliaerogeelielektrodin, jonka gravimetrinen tiheys on n. 400–1200 m2/g ja tilavuuden kapasitanssi on 104 F/cm3. Tästä saadaan energiatiheys 325 kJ/kg (90Wh/kg) ja tehotiheys 20 W/g.
Standardiaerogeelielektrodeilla on pääasiassa kaksikerroksinen kapasitanssi. Aerogeelielektrodit, jotka sisältävät komposiittimateriaalia voivat lisätä pseudokapasitanssia suuresti.
Karbidi-pohjainen hiili Karbidijohdannainen hiili on joukko hiilimateriaaleja, jotka on johdettu karbidin esiasteista, kuten kaksiosaisesta silikonikarbidista tai titaniumkarbidista ja jotka on puhdistettu hiileksi fysikaalisilla tai kemiallisilla prosesseilla.
Karbidijohdannaiset hiilet voivat ilmentää suuria pinta-alueita ja muuttuvia huokosten halkaisijoita, joilla maksimoidaan ionien sulkeutuminen, mikä puolestaan kasvattaa pseudokapasitanssia johtuen faradisten H2 molekyylien absorptiosta. Karbidijohdannaisten hiilten huokosrakenne tarjoaa niille jopa 75 prosenttia korkeamman energiatiheyden kuin perinteisillä aktivoiduilla hiilillä.
Vuonna 2015 karbidijohdannaisiin hiiliin perustuneet superkondensaattorit pystyivät tuottamaan 10,1 Wh/kg energiatiheyden, 3 500 F kapasitanssin ja yli miljoona lataus/purku sykliä.
Grafeeni Grafeeni on yhden atomin paksuinen grafiittilevy, jossa atomit ovat järjestäytyneet heksagoniseen kaavaan. Grafeenia kutsutaan myös nanokomposiittipaperiksi . Grafeenille voidaan määrittää pinta-ala, joka voi tarjota kapasitanssille jopa 550 F/g teoreettisen arvon. Grafeenin etu aktivoituihin hiiliin nähden on sen korkeampi sähkönjohtokyky.
Yksi sovellusmuoto on grafeenipohjainen superkondensaattori, jossa käytetään limittäin pinottuja ja kaareutuneita grafeenilevyjä muodostaen saavutettavia ja kastuvia (engl. wettable) mesohuokosia. Ionisoidut elektrolyytit pystyvät hyödyntämään tällaisia huokosia 4,0 V saakka. 85,6 Wh/kg (308 kJ/kg) energiatiheys saavutetaan tällöin huoneen lämmössä, mikä vastaa perinteistä nikkelimetallihydridiakkua, mutta saavutettava tehotiheys on tällöin 100-1000 kertaa suurempi.
Grafeenin kaksiulotteinen rakenne helpottaa sen lataamista ja latauksen purkautumista. Vertikaalisissa levyissä varauksen kuljettajat pystyvät nopeasti liikkumaan elektrodin syvempään rakenteeseen tai sieltä pois, mikä kasvattaa sähkövirran suuruutta. Tällaiset kondensaattorit ovat soveltuvia 100/120 hertsin suodattimien sovelluksiin, joihin taas hiilipohjaiset superkondensaattorit eivät sovellu.
Hiilinanoputket Hiilinanoputket ovat hiilimolekyylejä, joilla on sylinterimäinen nanorakenne. Ne ovat rakenteeltaan onttoja ja niiden seinät muodostuvat yhden atomin paksuisista grafeenilevyistä. Nämä levyt asettuvat tarkkaan, diskreettiin kulmaan, josta puhutaan myös kiraalisena kulmana. Kiraalinen kulma ja säde kontrolloivat eri ominaisuuksia, kuten sähkönjohtavuutta, elektrolyyttien kastumista ja ionien absorboitumista. Nanoputket voidaan luokitella yksi- tai moniseinäisiin nanoputkiin. Jälkimmäinen muodostuu yhdestä tai useammasta putkesta, jotka kapseloivat yksiseinäisen nanoputken muodostaen maatuskan tapaisen rakenteen. Yksiseinäisten nanoputkien halkaisija on suuruudeltaan yhdestä kolmeen nanometriä. Moniseinäisellä nanoputkella on paksummat koaksiaaliset seinät, joiden välissä 0,34 nanometrin välit.
Nanoputket voivat kasvaa kerääjäsubstraatissa, esimerkiksi silikonilevyssä. Tyypillinen pituus on tällöin 20-100 mikrometriä. Hiilinanoputket voivat myös merkittävästi parantaa kondensaattorin tehoa niiden kastuvan pinnan ja suuren johtavuuden ansiosta.
Ionikoon ja elektrodi-elektrolyytin kastuvuuden on tutkittu vaikuttavan merkittävästi sähkökemialliseen käyttäytymiseen. Niiden on tutkittu vaikuttavan myös joustaviin yksiseinäisiin hiilinanoputkiin perustuvissa superkondensaattoreissa, joissa erilaisissa yksimolaarisissa vesipohjaisissa elektrolyyteissä oli eri anioneja ja kationeja. Empiiriset tutkimukset ovat myös osoittaneet, että joustavien superkondensaattorien elektrodien väliin tulisi kohdistaa riittävästi painetta vesipohjaisen elektrolyytin tehostamiseksi.
Pseudokondensaattorien elektrodit Pseudokapasitanssi syntyy faradisten elektrodireaktioiden kautta. Pseudokapasitanssia on aina myös hiilestä valmistetuissa kaksoiskerroselektrodeissa, mutta sen määrä on suhteellisen alhainen. Kaikille pseudokondensaattorielektrodeille on muodostunut myös kaksoiskerroskapasitanssia.
Metallioksidit Siirtymämetallien jaksolliset ominaisuudet poikkeavat paikoin muista pääryhmistä, mikä mahdollistaa muun muassa korkean varaustiheyden. Korkea varaustiheys, eli atomin koon ja varauksen suhde, tekee siirtymämetalleista erittäin hyviä varauksen siirtäjiä. B. E. Conway tutki siirtymämetallioksidien elektrodeja, joiden pseudokapasitanssit olivat suuria. Tutkimus osoitti, että siirtymämetallien oksidit, mukaan lukien rutenium, iridium ja rauta, sekä sulfidit, kuten mangaani- ja titaanisulfidit, voivat synnyttää vahvoja faradisia elektronin siirtoreaktioita matalalla resistanssilla. Esimerkiksi ruteniumdioksidin ja rikkihappoelektrolyytin yhdistelmällä voidaan tuottaa 720 F/g kapasitanssi ja 26,7 Wh/kg energiatiheys
Varaamisen tai varauksen purkautumisen jänniteväli on noin 1,2 V per elektrodi. Näiden elektrodien 720 F/g:n pseudokapasitanssi on noin 100 kertaa korkeampi kuin aktiivihiilielektrodeilla saavutettava kaksoiskerroskapasitanssi. Nämä siirtymämetallioksidielektrodit tarjoavat erinomaisen palautuvuuden, noin muutama satatuhatta sykliä. Rutenium on kuitenkin kallista ja 2,4 V:n jänniteikkuna tälle kondensaattorille rajoittaa niiden soveltuvuutta armeija- ja avaruussovelluksissa.
Vuonna 2014 𝑅𝑢𝑂2 superkondensaattori saavutti 502,78 F/g:n ominaiskapasitanssin ja alueellisen 1,11 F/cm2 kapasitanssin johtaen 39,28 Wh/kg energiatiheyteen ja 128,01 kW/kg tehotiheyteen yli 8 000:lla tasaiseen tahtiin pyörivällä syklillä. Kondensaattori ankkuroitiin grafeenivaahtoelektrodiin, joka oli peitetty pinnanmyötäisesti hybridiverkostolla, joka puolestaan koostui 𝑅𝑢𝑂2 nanohiukkasista ja ankkuroiduista hiilinanoputkista.
Ruteniumoksideja halvempia raudan, vanadiinin, nikkelin sekä koboltin oksideja on testattu vesipohjaisilla elektrolyyteillä, mutta mitään ei ole testattu niin paljon kuin mangaanidioksidia. Mikään näistä oksideista ei kuitenkaan ole kaupallisessa käytössä.
Johtavat polymeerit