Kondensaattori ja superkondensaattori : Sähköenergian varastoitumisen mallinnus ja simulointi

Abstract

Insinöörityön tavoitteena oli selvittää sähköenergian varastoitumista kondensaattoriin ja superkondensaattoriin. Lisäksi tavoitteena oli ottaa käyttöön COMSOL Multiphysicsin uusi mallinnus- ja simulointiohjelmisto.

Sähköenergia varastoituu perinteisiin kondensaattoreihin sähköstaattisilla ilmiöillä. Tasajännitteellä simuloitiin häviötöntä kondensaattoria ja vaihtojännitteellä häviöllistä kondensaattoria. 3D-malleilla esitettiin sähköenergian varastoitumiseen liittyviä suureita perinteisissä kondensaattoreissa.

Symmetrisissä superkondensaattoreissa sähkökemiallinen varaus muodostuu elektrolyytin ja elektrodin välille ohuella ionisoitujen molekyylien muodostamalla sähkökemiallisella kaksoiskerroksella. Varautuminen tapahtuu tasaisesti kummankin elektrodin pinnalle. Varauksen kuljettajina toimivat erimerkkisesti varautuneen ionit. Varautumista ja varauksen siirtoa huokoisen erottimen läpi kaksoiskerrokselle esitettiin 2D- ja 3D-malleilla.

Pseudokondensaattorit ovat epäsymmetrisiä superkondensaattoreita. Niissä toinen elektrodi omaa suuremman kapasiteetin, jolloin elektrodit varautuvat epäsymmetrisesti toisiinsa nähden. Sähköenergian varastoituminen perustuu hapetus-pelkistys eli redox-reaktioon, jossa hapettuva materiaali luovuttaa elektroneja ja pelkistyvä ottaa niitä vastaan, kuten akkujen toiminnassakin.

Sähköenergian varastoitumista kondensaattoriin ja superkondensaattoriin onnistuttiin selvittämään erittäin hyvin ja uuden ohjelmiston käyttöönotto onnistui nopeasti. Tuloksiksi saatiin sähköenergian varastoitumista kuvaavia 2D- ja 3D-malleja.

Työssä saavutettuja tuloksia voidaan käyttää pohjana superkondensaattoreita ja muita sähkökemiallisia energiavarastoja suunniteltaessa.

The goal of this final year project was to find out how electric energy is storing in capacitors and supercapacitors. Another goal was to implement a new COMSOL Multiphysic’s modeling- and simulating software.

In traditional capacitors storing takes place by electrostatics phenomena. A capacitor with no losses was simulated by using a direct current voltage and a capacitor with losses was simulated by using an alternating current voltage. The quantities in storing were shown through three-dimensional models.

In symmetrical supercapacitors the electrochemical charging consists between an electrode and an electrolyte by a thin electrochemical double layer, which consists of ionic molecyles. Charging is stable on both electrode surfaces. The transport of the charge is done by the positive and the negative ions. The charging and the transportation of the charge through the porous separator to the double layer were shown with two and three-dimensional models.

Pseudocapacitors are non-symmetrical supercapacitors. Capacitance in one electrode is bigger than in the other one, so the charge is non-symmetrical. Electricity energy storing is based on a redox-reaction, just like with batteries.

Researching the electric energy storing in capacitors and supercapacitors succeeded very well and the implementation of the new software was very rapid. Two and three-dimensional models were created to depict this phenomenon.

The results of this thesis can be used as a basis when designing supercapacitors and other electrochemical energy storages.