В Троицком технопарке ФИАН разработано принципиально новое устройство – фотоэлектрохимический суперконденсатор, с помощью которого осуществляется прямое преобразование солнечной световой энергии в электрическую и непосредственное накопление в электродах устройства. Устройство предназначено для коммерческого производства.
Работа выполнялась в рамках программ фундаментальных исследований, проводимых ФИАНом на базе Технопарка в г. Троицк. Основной целью НИОКР являлась разработка конструкции и исследование характеристик основных компонентов солнечных PES-конденсаторов (Photoelectrochemical Supercapacitor) различного назначения.
Удельная разрядная энергия целевых PES-конденсаторов, предназначенных для коммерческого использования, должна быть не менее 12 Вт∙ч/кг (Wh/kg) при 12-часовом заряде солнечным излучением АМ1,5 с пиковой мощностью 1000 Вт/м2 (W/m2) и разряде с постоянной удельной мощностью 0,9 Вт/кг (W/kg). Циклический ресурс, срок службы и энергетическая эффективность PES-конденсаторов должны быть не менее 7000 циклов, 15 лет и 10 %, соответственно.
В рамках НИОКР были определены основные принципы действия и разработана конструкция солнечного PES-конденсатора, включающего в себя: фотоэлектрод, положительный электрод, отрицательный электрод, сепаратор и электролит.
Конструкция и принцип работы PES-конленсатора
Разработанный солнечный PES-конденсатор обеспечивает прямое преобразование солнечной световой энергии в электрическую. Процесс преобразования энергии осуществляется в фотоэлектроде, изготавливаемом на основе различных полупроводниковых материалов. Генерируемые фотоэлектродом электроны переносятся и накапливаются в двойном электрическом слое EDL (Electric Double Layer) отрицательного электрода, изготовленного на основе нанопористого углеродного материала (NPC), а дырки накапливаются в положительном электроде PES-конденсатора. Такая конструкция PES-конденсатора позволяет проводить заряд его накопителя солнечной энергией с минимальными её потерями и разряд конденсатора с различными профилями мощности.
Временны′е зависимости напряжения (а) и заряд/разрядных токов (b)
солнечного PES-конденсатора с электрической емкостью 20kF,
при заряде солнечным излучением АМ1 с удельной пиковой мощностью 100 mW/cm2
и разряде постоянной мощностью 0,8 W
В рамках упомянутого проекта специалистами Технопарка ФИАН проводились целенаправленные теоретические и экспериментальные исследования фундаментальных свойств и параметров основных компонентов и узлов PES-конденсаторов. Созданы и исследованы различные модели, изготовлены и тестированы важные параметры ключевых компонентов PES-конденсаторов. Результаты проведённых исследований показали практическую возможность создания технологии коммерческих PES-конденсаторов различного назначения.
В процессе исследования были разработаны новые способы синтеза перспективных NPC-материалов из дешёвого и доступного полимерного сырья с высокой удельной электрической ёмкостью и низким удельным электрическим сопротивлением. Разработанная технология синтеза NPC-материалов может быть успешно использована для производства PES-конденсаторов различного применения с водным и органическим электролитом, а также современных электрохимических конденсаторов.
Новым (безактивационным) способом синтезирован NPC-материал и исследованы его характеристики при удельной площади поверхности 682 м2/г (m2/g) и удельной электрической ёмкости 750 Ф/г (F/g).
Было доказано, что путём оптимизации параметров пористой структуры и улучшения технологических режимов синтеза NPC-материалов можно увеличить величину удельной электрической ёмкости материалов до 1600 Ф/г (F/g), что важно для их широкого практического применения.
По словам руководителя группы разработчиков, руководителя Отдела Гелиоэнергетики, к.ф-м.н. С.А. Казаряна:
«Сделан важный вывод о том, что специальный и управляемый процесс образования пористой пространственной структуры, с необходимыми размерами пор, физическими, электронными, электрохимическими параметрами стенок пор и заданным распределением пор по размерам, может быть реализован при помощи дополнительной физической и/или химической активации NPC-материалов, а также введением в состав исходного сырья специального порообразователя и легирующих примесей».
Разработанные в Технопарке ФИАН солнечные PES-конденсаторы найдут практическое применение в автономных солнечных электростанциях, в сетях электроснабжения транспортных магистралей, городских улиц, госучреждений и строений жилого сектора.
В. Жебит, АНИ «ФИАН-информ»