Суперконденсатор: что это, зачем и где применяется / Хабр

что это, зачем и где применяется / Хабр

Энергетика — крайне интересная сфера, которая развивается бурными темпами много лет подряд. На Хабре публикуются самые разные статьи об альтернативных источниках энергии, аккумуляторных батареях от Маска, электромобилях и т.п.

Но есть одна тема, которая затрагивается не так уж и часто. Речь идет о суперконденсаторах. Им как раз посвящена эта статья, в ней раскрывается суть суперконденсатора, сферы применения, плюс описываются кейсы из разных отраслей — промышленности, транспорта и т.п., где используются эти системы.

Суперконденсатор, что ты такое?

Все мы знаем, что такое аккумулятор — это источник постоянной мощности, ограниченный током разряда. Батареи бывают большие и маленькие, применяются они крайне широко — от транспорта до игрушек.

Но эта статья посвящена суперконденсаторам, так что пришло время рассказать о них. Так вот, любой суперконденсатор — это источник не постоянной, а импульсной мощности. Она ограничена лишь эквивалентным внутренним сопротивлением, которое позволяет элементу работать, фактически, на токах короткого замыкания.

Но при этом, в отличие от аккумулятора, это источник кратковременных, хотя и мощных импульсов энергии. Соответственно, и используются суперконденсаторы там, где нужна большая мощность на небольшой срок.

Суперконденсаторы называют еще ионисторами. Эти элементы состоят обычно из двух погруженных в электролит электродов и сепаратора. Последний нужен для того, чтобы не допустить перемещение заряда между двумя электродами с противоположной полярностью.

У суперконденсаторов два положительных свойства — высокая мощность и низкое внутренне сопротивление, чем они и отличаются от конденсаторов и аккумуляторных батарей. Чаще всего материал электрода суперконденсаторов — активный углерод, у которого две важные особенности, включая очень большую площадь поверхности и небольшое расстояние между разделенными зарядами.

Еще один положительный момент — длительный срок хранения и продолжительный срок службы суперконденсаторов. Все это — благодаря особенностям накопления энергии. Так, суперконденсаторы работают за счет разделения зарядов. Этот процесс легко обратим, так что отдавать энергию суперконденсаторы могут действительно быстро.

Теперь немного об определении характеристик суперконденсаторов. В отличие от аккумуляторов, где основная характеристика — это емкость, измеряемая в Ампер-часах, у суперконденсаторов это Фарад. Вот формула, которая позволяет определить энергию суперконденсатора:

Энергия (Дж) = 1/2*Емкость (Ф) * Напряжение в квадрате (В)

Есть несколько видов суперконденсаторов:

• Двойнослойные, или ДСК.
• Псевдоконденсаторы.
• Гибридные конденсаторы.

В первом случае система состоит из двух пористых электродов, разделенных заполненным электролитом сепаратором. Запас энергии идет за счет разделения заряда на электродах с очень большой разностью потенциалов.

Во втором — система включает два твердых электрода и базируется на двух механизмах сохранения энергии. Это фарадеевские процессы и электростатическое взаимодействие.

Третий вариант — переходный между конденсаторами и аккумуляторами. Электроды здесь выполнены из разных материалов, а накопление заряда осуществляется благодаря разным механизмам.

Где могут использоваться суперконденсаторы?

Вполне логичный ответ — в отраслях, где нужно отдавать энергию быстро и в большом объеме. В частности, это может быть:

• Альтернативная энергетика, накопление энергии при помощи топлива, волн ветра и солнца.
• Транспортные системы — это может быть запуск двигателя машин, гибридные электрические транспортные средства, локомотивы и т.п.
• Накопители энергии в домохозяйствах — например, там, где используются фотоэлементы или ветрогенераторы.
• Электронные устройства, где суперконденсаторы используются в качестве источника кратковременного питания.
• ИБП — как небольшого размера, так и очень большие. В системах бесперебойного электропитания суперконденсаторы можно использовать совместно с топливными элементами и другими источниками.
• Традиционная энергетика, в сферах, где неизбежны критические нагрузки, но где требуется бесперебойная работа всего и вся. Это могут быть аэропорты, вышки связи, больницы и т.п.
• Электронные устройства разного размера и мощности.

Что касается ветроэнергетики и солнечной энергетики, то суперконденсаторы здесь стоит использовать для развертывания гибридных систем накопления энергии, которые включают в себя как накопитель на Li-Ion батареях, так и накопитель на основе суперконденсаторов.

Примеры

Их можно привести большое количество, но разумно будет ограничиться тремя наиболее показательными.

Частотно-регулируемый электропривод. Здесь суперконденсаторы нужны при просадках напряжения и кратковременном, не более 10 секунд, блэкауте. Такие приводы используются на участках непрерывного технологического цикла на производственных объектах. Кроме того, суперконденсаторы стоит использовать на предприятии и в системах, которые снабжают объект газом, водой, теплом и энергией, т.п. на компрессорных станциях, в котельных, насосных станциях и т.п.

Источник бесперебойного питания. В этом случае суперконденсаторы дают возможность компенсировать провалы напряжения, которые приводят к проблемам с непрерывностью технологических процессов. Здесь речь идет о крупных объектах, включая промышленность и разного рода инфраструктуру — например, транспортную.

Суперконденсаторы, в частности, используются на заводе Skoda в Чехии, а именно — роботизированном цехе по покраске корпусов автомобилей. Если процесс окрашивания по какой-либо причине остановится, потом корпус придется возвращать в начало цикла.

Регулирование выходной мощности турбин ветрогенераторов.

Большая проблема альтернативной энергетики — сложность поддержания выходной мощности турбин на одном уровне. Чем выше скорость ветра и сам он мощнее, тем больше вырабатывается энергии. Чем ниже, соответственно — тем энергии меньше. В итоге выходная мощность турбин может меняться, и очень значительно.

В этом случае суперконденсатор может помочь, причем сразу несколькими способами:

• Поддержание электропитания на прежнем уровне на время кратковременного пропадания напряжения.
• Обеспечение стабилизации частоты и напряжения в передающих и распределительных сетях с высокой концентрацией возобновляемых источников энергии.

Производят ли суперконденсаторы в России?

Да, на Хабре еще несколько лет назад

публиковалась

новость о том, что в НИТУ «МИСис» разработала технологию, которая открыла возможность отечественной компании запустить производство суперконденсаторов.

Так, в 2017 году компания ТЭЭМП запустила в г. Химки производство высокоэффективных суперконденсаторов и модулей на их основе. При этом все это — чисто российские разработки. ТЭЭМП, к слову, производит плоские единичные элементы в ламинированном корпусе, который может использоваться в химических источниках тока с органическими электролитами: суперконденсаторах, литий-ионных аккумуляторах, металло-воздушных источниках тока.

При этом, ТЭЭМП производит ячейки собственной запатентованной конструкции – призматическая ячейка с токосъемом по всей ее поверхности. И сделано это не для того, чтобы показать свою уникальность, а чисто с практической точки зрения – распределенный по всей поверхности токосъем обеспечивает равномерность тепловых полей, тем самым замедляя процесс деградации и продлевая срок службы суперконденсатора.

Продукция «ТЭЭМП» уникальна по многим параметрам. Суперконденсаторные модули компании успешно работают при температурах до -60°С. Они отличаются низким внутренним сопротивлением, а значит, способны обеспечить большие импульсные токи. Собственная конструкция ячеек и модулей позволяет снизить массу и размер суперконденсаторной сборки на 30% по сравнению с аналогичными устройствами.

В сухом остатке

В качестве вывода можно подвести итоги, указав преимущества и недостатки суперконденсаторов. Некоторые из них упоминались выше, но сейчас стоит перечислить все это отдельно.

Итак, достоинства:

• Относительно невысокая стоимость устройства накопления энергии в расчете на 1 Фарад.
• Крайне высокая плотность мощности.
• Высокий КПД цикла, который достигает 95% и выше.
• Надежность, длительный срок службы.
• Широкий диапазон рабочих температур.
• Огромное количество циклов с неизменными параметрами.
• Высокая скорость заряда и разряда.
• Допустимость разряда до нуля.
• Относительно небольшой вес.

Недостатки:

• Относительно небольшая энергетическая плотность.
• Высокая степень саморазряда. Небольшое напряжение из расчета на единицу элемента.

Достоинств все же больше, чем недостатков, и благодаря этому технология активно внедряется во все большее количество отраслей. Сейчас удельная емкость суперконденсаторов увеличивается, а время заряда — наоборот, снижается. При достижении определенного предела можно будет говорить о полной замене аккумуляторов на суперконденсаторов в некоторых сферах, что, в целом, уже и происходит.

Суперконденсаторы. Устройство и применение. Виды и работа

Суперконденсаторы — это электрохимические конденсаторы, которые существенно отличаются от обычных практически неограниченной долговечностью, более низкими потерями тока и большими значениями удельной мощности. При этом они имеют на порядок меньшие габариты. То есть это батарея нового поколения, которая сможет открыть многочисленные перспективы в энергетике. В первую очередь большой интерес к суперконденсаторам вызван возможностью замены ими батарей, а также создания гибких источников питания большой мощности.

Стратегической задачей для ученых является создание батарей высокой емкости, которые можно было бы использовать в разных областях, к примеру, для электромобилей. Это позволит обеспечить поездки на длительные дистанции и быструю зарядку батарей. Также это гарантирует более экономичную работу возобновляемых источников энергии путем аккумулирования избытков энергии: ветроэнергетические установки, солнечные батареи и так далее.

Виды

Суперконденсатор – это тот же аккумулятор, но на порядок с лучшими свойствами. В первую очередь это относится к существенно более быстрому заряду и разряду. Суперконденсатор представляет элемент с двумя электродами, между ними располагается электролит. Электроды выполнены в виде пластины из определенного материала. Для улучшения электрических параметров суперконденсатора, пластины могут дополнительно покрываться пористым материалом, к примеру, активированным углем. В качестве электролита может применяться неорганическое или органическое вещество.

В целом суперконденсатор – это гибрид химической аккумуляторной батареи и обычного конденсатора:

• Главное отличие суперконденсатора от привычного конденсатора — в наличии у первого не просто диэлектрика между электродами, а двойного электрического слоя. В результате между электродами образуется очень маленькое расстояние, а его возможность накапливать электрическую энергию (электрическая емкость) получается намного выше.
• Кроме этого суперконденсатор от аккумуляторной батареи отличается скоростью накапливания, а также степенью отдачи электрического заряда. Благодаря применению двойного электрического слоя повышается площадь поверхности электродов при тех же общих габаритах. То есть в устройстве сочетаются лучшие электрические характеристики – существенная емкость аккумулятора и скорость конденсатора.

Впервые о суперконденсаторе заговорили в 1962 году. Именно тогда химик американской компании Standard Oil Company Роберт Райтмаер подал заявку на патент, где подробно расписывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, который обладал «двойным электрическим слоем». В предлагаемом варианте акцент делался на материал обкладок. У электродов должна быть различная проводимость: один электрод должен иметь электронную проводимость, а другой – ионную. В результате при заряде конденсатора происходило разделение положительных центров и электронов в электронном проводнике, а также разделение анионов и катионов в ионном проводнике.

В 1971 году лицензия досталась японской компании NEC, которая к этому времени занималась всеми направлениями электронной коммуникации. NEC удалось успешно продвинуть технологию под названием «Суперконденсатор». Затем суперконденсаторами стали заниматься и другие компании. С 2000-х годов активное развитие технологии началось во многих странах мира.

Суперконденсаторы сегодня подразделяются на:

• Двойнослойные конденсаторы (ДСК).
• Псевдоконденсаторы.
• Гибридные конденсаторы.

Двойнослойный суперконденсатор предполагает наличие двух пористых электродов, выполненных из электропроводящих материалов, а также разделенных заполненным электролитом сепаратором. Здесь процесс запасания энергии идет за счет разделения заряда на электродах с весьма большой разностью потенциалов между ними. Электрический заряд двойнослойных конденсаторов определяется непосредственно емкостью двойного электрического слоя, то есть отдельного конденсатора на поверхности каждого электрода. Между собой они соединяются последовательно посредством электролита, который является проводником с ионной проводимостью.

Псевдоконденсаторы уже ближе к перезаряжаемым аккумуляторам. В них имеются два твердых электрода. Принцип действия сочетает два механизма сохранения энергии: фарадеевские процессы, которые схожи с процессами, происходящими в батареях и аккумуляторах, а также электростатическое взаимодействие, свойственное конденсаторам с двойным электрическим слоем. Приставка «псевдо» появилась вследствие того, что емкость ДЭС зависит не только от электростатических процессов, но и быстрых фарадеевских реакций с переносом заряда.

Гибридные конденсаторы – это переходный вариант между конденсатором и аккумулятором. Слово «гибридные» обусловлено тем, что электроды в гибридных конденсаторах производятся из различных материалов, а накопление заряда осуществляется по разным механизмам. Большинством случаев в гибридных конденсаторах катодом является материал с псевдоемкостью. В результате аккумулирование заряда на катоде осуществляется вследствие окислительно-восстановительных реакций, что увеличивает удельную емкость конденсатора, а также расширяет область рабочих напряжений.

В гибридных конденсаторах часто применяют комбинацию электродов из допированных проводящих полимеров и смешанных оксидов. Весьма перспективными могут стать композиционные материалы, которые состоят из оксидов металлов, осажденных на проводящие полимеры или углеродные носители.

Принцип действия

Суперконденсаторы, как высокоемкие конденсаторы, производят накопление энергии электростатическим способом, поляризуя раствор электролита. При накоплении энергии в суперконденсаторе химические реакции не задействуются, хотя суперконденсатор является электрохимическим устройством. В силу высокой обратимости механизма накопления энергии, конденсаторы способны тысячи раз заряжаться и разряжаться.

Суперконденсатор – электрохимический конденсатор, который имеет способность накапливать чрезвычайно большое количество энергии по отношению к его размеру, а также в сравнении с традиционным конденсатором. Данное свойство суперконденсатора особенно интересно в создании гибридных транспортных средств в автомобильной промышленности, в том числе в производстве машин на аккумуляторной электротяге, в которых суперконденсаторы применяются в виде дополнительного накопителя энергии.

В большинстве случаев, в суперконденсаторе действуют два активных электрода, которые разделены непроводящим материалом, размещенным между металлическими токовыми коллекторами. Органический или водный электролит пропитывает пористые электроды, обеспечивая появление носителей заряда в устройстве с последующим его накоплением.

Применения и особенности

Области применения суперконденсаторов могут быть поделены на следующие направления:

• Накопительные устройства для источников возобновляемой энергии, к примеру, топливных элементов, океанской волны, ветра и солнца.
• Транспортные средства, к примеру, устройства запуска двигателя машин, гибридные электрические транспортные средства, автомобили на водородном топливе, локомотивы поездов.
• Как накопители энергии в жилищном секторе, к примеру, в зданиях с солнечными фотоэлектрическими системами, в которых имеется необходимость в аккумуляторах с повышенными характеристиками.
• Благодаря высокой плотности энергии и удельной емкости, суперконденсаторы применяются в электронных устройствах в виде источника кратковременного электропитания.
• В системах бесперебойного электропитания. Достоинством является то, что они в критических областях применения обеспечивают мгновенную мощность.
• Среди развивающихся областей суперконденсаторы находят применение в системах бесперебойного электропитания с топливными элементами.
• В устройствах демпфирования пиковой нагрузки, а также запуска двигателя.
• Электроэнергетика с критическими нагрузками, коммуникации аэропортов, вышки беспроводной связи, банковские центры, больницы.
• Источник резервного питания для материнских плат, микропроцессоров и запоминающих устройств.
• Мобильные телефоны.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств суперконденсаторов можно отметить:

• Низкая стоимость устройства накопления энергии в расчете на 1 фарад.
• Высочайшая плотность емкости.
• Высокий кпд цикла, который достигает 95% и выше.
• Длительный срок службы.
• Надежность устройства.
• Экологическая безопасность.
• Бесперебойная эксплуатация.
• Весьма высокая удельная энергия и удельная мощность.
• Широкий диапазон рабочих температур.
• Большое количество циклов практически с неизменными параметрами.
• Высокая скорость заряда и разряда.
• Сниженная токсичность применяемых материалов.
• Отличная обратимость механизма накопления энергии.
• Допустимость разряда до нуля.
• Малый вес в сравнении с электролитическими конденсаторами.

Среди недостатков суперконденсаторов можно отметить:

• Относительно малая энергетическая плотность.
• Не способность обеспечить достаточное накопление энергии.
• Весьма низкое напряжение на одну единицу элемента.
• Высокая степень саморазряда.
• Недостаточное развитие технологий.

Суперконденсаторы в перспективе

В ближайшем будущем суперконденсаторы станут применять повсеместно. Многообещающими областями для суперконденсаторов могут стать медицинская и авиакосмическая промышленность, военная техника:

• При разработке суперконденсаторов все больше повышается их удельная емкость. В результате во многих технических сферах произойдет полная замена аккумуляторов на конденсаторы.
• Произойдет интегрирование суперконденсаторов в самые разные структуры: от электроники до всевозможных настроек. Появится умная одежда с использованием этих устройств. Конденсаторы обеспечивают экологически чистый метод экономии энергии, поэтому они имеют больше возможностей для передачи и хранения энергии в сравнении с иными энергосберегающими технологиями.
• Повсеместное использование суперконденсаторов: автомобили, трамваи, автобусы, электроника, в особенности смартфоны и другая мобильная техника. Зарядка будет занимать секунды, а запасаемой энергии будет хватать надолго.

Похожие темы:

есть ли смысл и перспективы? — Дмитрий Заруцкий — Хайп

© Gigaom

Основным видом устройств для хранения электрической энергии сейчас являются химические источники – аккумуляторы. Однако существует еще как минимум один интересный вид устройств, суперконденсаторы или ионисторы. В отличие от батарей, принимающих и вырабатывающих электроэнергию за счет химических реакций между электродами, они ничего не вырабатывают, а запасают и отдают заряд в готовом виде.

Обычный конденсатор, как правило, имеет емкость от нескольких пико- (триллионных долей) до единиц милли- (тысячных долей) фарад. Энергоемкость такого заряда ничтожна в сравнении с аккумуляторами. У ионисторов эта величина на порядки больше. В продаже можно встретить суперконденсаторы, способные накапливать заряд в 5000 фарад (5 кФ). Это немало, примерно 18,2 кДж или 5,15 Втч, что сравнимо с емкостью литиевых ячеек.

Суперконденсатор 5000 Ф © Alibaba

Плюсы суперконденсаторов

В сравнении с аккумуляторами, у суперконденсаторов имеются преимущества. В первую очередь, это скорость зарядки. Литиевые батареи не очень хорошо переносят токи величиной порядка 1C (C – емкость в Ач), при таких токах они склонны перегреваться, быстро деградировать и могут даже взорваться. Из-за этого проблематично зарядить батарею меньше, чем за час.

Суперконденсатор может заряжаться очень быстро. Нередко на практике скорость процесса ограничена возможностями источника (розетки) и кабелей, которые подают ток. Это значит, что питаемое ионистором устройство можно очень быстро зарядить полностью.

Второе преимущество заключается в долговечности. Литиевые ячейки демонстрируют срок службы порядка 1000 циклов заряда/разряда без существенной потери емкости. Суперконденсатор способен пережить и 10, и 100 тысяч, и даже миллион циклов без последствий.

Суперконденсаторы мало боятся температур, слабо зависят от них. Они не очень токсичны, большинство используемых в конструкции веществ химически не так активны, как литий, а потому безопаснее. То есть, большинства минусов аккумуляторов у ионисторов нет. Но, к сожалению, есть другие.

Минусы суперконденсаторов

Главный минус суперконденсаторов – удельная емкость. Она пока что намного ниже, чем у аккумуляторов. Упомянутые в начале ионисторы на 5000 Ф имеют длину 21 см, диаметр 6 см, и весят 800 грамм. Для сравнения, литиевая ячейка схожей емкости, формата 18500, имеет длину 5, диаметр 1,8 см, и весит около 30-35 грамм. Разница по объему – почти в 50 раз, по весу – около 25.

Вторым минусом является цена. Ценник на упомянутые суперконденсаторы на 5000 Ф в начале 2019 доходит до $100, что при емкости 5 Втч дает удельную стоимость $20/Втч. Удельная стоимость емкости лития уже опустилась до уровня чуть ниже $200/кВтч или $0,2/Втч. Разница – в 100 раз. То есть, если батарея современного электромобиля на литиевых элементах стоит $10 тыс., то при использовании ионисторов – подорожает до миллиона. Кроме того, она будет в 50 раз больше и в 25 – тяжелее.

Такая сборка имеет емкость, сравнимую с емкостью батареи ноутбука, но имеет размеры порядка 40х20х15 см и весит до 15 кило © TechSpot

Можно использовать сборки конденсаторов меньшей емкости (например, 500 Ф), и тогда цена может упасть на порядок-два. Удельная емкость будет почти не дороже лития. Но в таком случае объем и масса сборки окажутся еще внушительнее, ни в какой автомобиль такая батарея, имеющая хотя бы 100 кВтч емкости, не влезет.

Третий ключевой минус – зависимость напряжения на суперконденсаторе от остаточного заряда. У литиевых батарей, по мере разрядки, вольтаж падает примерно от 4,2 до 3 вольт. Ионистор же разряжается до нуля, а это значит, что для получения стабильного напряжения для питания устройств требуется повышающий преобразователь-стабилизатор, который занимает место и приводит к потерям части энергии (из-за КПД <100%).

Кажется, что при таких недостатках у ионисторов нет никакого шанса стать заменой аккумуляторам. Ведь смартфон или ноутбук с дорогой батареей, весящей несколько кило, никому не нужен, а в авто суперконденсаторы вообще не поместить. Но не все так печально.

Перспективы для суперконденсаторов

Несмотря на все имеющиеся недостатки, не позволяющие использовать ионисторы для питания авто или портативной электроники, у них есть право на жизнь. Конечно, ни автомобиля, способного проехать сотни километров, ни смартфона, заражающегося за 5 минут и работающего неделю, сделать с ними не выйдет. Но если взглянуть шире, есть и другие сферы применения суперконденсаторов.

Ученые уже не один год проводят исследования графеновых технологий, которые позволят увеличить емкость суперконденсаторов на порядок и больше. Вряд ли это произойдет в ближайшие год или два, но когда технологию освоят, отставание от аккумуляторов уже не будет столь существенным.

Графен позволит повысить удельную емкость ионисторов © Nanotech Magazine

Да, суперконденсаторы не заменят литий, потому что аккумуляторы тоже прогрессируют, а ионисторы вряд ли станут на пару порядков вместительнее в обозримом будущем. Но они способны выполнять роль буферного источника питания, а также могут использоваться в городском транспорте. Подобные решения уже разрабатываются и выпускаются.

Белорусский «Белкоммунмаш» в 2017 представил электробус АКСМ-Е433 Vitovt, оборудованный ионисторами. Он способен пройти на одном заряде 12 км, а время полной зарядки батареи из суперконденсаторов составляет 7 минут. Учитывая, что городской автобус останавливается через каждые несколько сотен метров, а его маршрут редко превышает пару десятков километров – можно заряжать его на конечных остановках (белорусы так и сделали).

АКСМ-Е433 © Белкоммунмаш

Батарея АКСМ-Е433 весит около 1,5 тонн, что много по меркам авто. Но если ученые добьются повышения емкости ионисторов на порядок, то аналогичная сборка ионисторов сможет проехать не 12, а 120 км, или же иметь прежнюю дальность, но при массе до 150 кг. Это откроет перспективы перед электрическим внутригородским и междугородным транспортом ближнего сообщения, а также электромобилями для города.

Появление суперконденсаторов с на порядок большей удельной емкостью скажется позитивно и на электронике. В ноутбук или смартфон такой ионистор, все равно, вряд ли поместится, но в роли буферного накопителя энергии (внешнего аккумулятора) ионистор сгодится. Можно будет перед выходом из дома за зарядить его за минуту, положить в сумку, и уже в пути передать энергию носимому электронному устройству.

---

Безусловно, 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. Городской автобус – как раз такой случай. Но если ученым удастся воплотить в реальность свои планы, а промышленность сможет наладить массовый выпуск суперконденсаторов по новым технологиям, нас ждет серьезное соперничество на рынке накопителей энергии.

Даже если ионисторы и не смогут вытеснить химические источники, превзойдя их по параметрам (или хотя бы сравнившись по удельной емкости), в некоторых сферах они составят существенную конкуренцию. Определенно, в таком случае суперконденсаторам – быть. И на транспорте, и в области портативной электроники.

Видеорегистратор с суперконденсатором – специфика, задачи и преимущества технологии

Видеорегистратор с суперконденсатором – альтернатива классическим аккумуляторам. Основная цель – значительно повысить надежность работы оборудования – стандартная батарея АКБ может быть подвержена критическим воздействиям со стороны знойной жары, прямых солнечных лучей на парковке, сильных морозов и поездок по неровным дорогам.

Автомобильный регистратор с суперконденсатором оказывается менее восприимчивым к воздействию низких и высоких температур. На практике видеорегистратор можно будет оставлять в салоне автомобиля даже зимой. Но важно понимать – он разряжается за несколько дней в состоянии покоя.

ТОП-регистратор 2020 – Mio J86 с технологией суперконденсатор

Преимущества регистратора с суперконденсатором

• Адаптация для стабильной и корректной работы в экстремальных температурах, без необходимости снимать регистратор на ночь во время парковки;
• Стабильность работы, защита данных. При отключении от бортовой сети автоматически сохраняются последние записанные файлы;
• Высокий уровень механической прочности, стойкость к воздействию ударов и вибраций;
• Простота и надежность конструкции – сокращено общее количество компонентов, которые могут быть подвержены сбоям;
• Низкий уровень деградации даже по итогам тысяч циклов заряда и разряда;
• Экологичность работы без выделения токсичных компонентов – без химических компонентов, характерных для работы аккумуляторов.

Бюджетный видеорегистратор Mio C317 с суперконденсатором 

Подводя итоги о видеорегистраторах с суперконденсатором

Аккумулятор и конденсатор предполагают свои индивидуальные преимущества. Конденсаторы можно считать более безопасными и надежными, но такая технология требует дополнительных трат и не сможет обеспечить автономность работы.

суперконденсатор — это… Что такое суперконденсатор?

      Электроды суперконденсатора, реализующие процесс накопления заряда в двойном электрическом слое на поверхности раздела (контакта) электрода и электролита, должны иметь очень высокоразвитую поверхность — порядка 1000 м²/г и выше, чтобы обеспечить приемлемую для практики удельную энергию. В связи с этим в настоящее время в качестве электродов суперконденсаторов применяют углеродные объемно-пористые материалы (активированный уголь, углеродную ткань и т.д.). Однако электроды из углеродных материалов имеют высокое удельное электрическое сопротивление и высокое сопротивление электрических контактов с токоподводами. Кроме того, такие электроды при работе с водным электролитом имеют предел рабочего напряжения менее 1 В, так как при больших напряжениях возможно протекание необратимых электрохимических реакций, приводящих к разрушению тонкой структуры углеродных материалов и резкому уменьшению срока эксплуатации электродов. Переход к органическим и твердым электролитам позволяет повысить рабочее напряжение до 3 В, но ценой резкого уменьшения удельной проводимости электролита, и, следовательно, — повышения внутреннего сопротивления конденсаторов и соответствующего уменьшения удельной мощности.
      Суперконденсаторы имеют несколько преимуществ над обычными химическими источниками тока — гальваническими элементами и аккумуляторами:

 · Высокие скорости зарядки и разрядки.

 · Малая деградация даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда.

 · Малый вес.

 · Низкая токсичность материалов.

 · Высокая эффективность (к.п.д. более 95%).

 · Неполярность (хотя на ионисторах и указаны «+» и «?», это делается для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе).

К недостаткам суперкондесаторов можно отнести:

 · Удельная энергия (1-10 Вт?ч/кг) меньше, чем у стандартных аккумуляторов (> 20 Вт?ч/кг)

 · Напряжение зависит от степени заряжённости.

 · Возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании.

 · Высокий саморазряд.

 · Низкое напряжение.

 · Малый срок службы (сотни часов) на предельных напряжениях заряда.

Для преодоления некоторых из перечисленных выше недостатков были разработаны электрохимические суперконденсаторы, сочетающие в себе достоинства химических источников тока и суперконденсаторов.

Суперконденсатор из растительных материалов побил все рекорды удельной емкости

Устройства хранения энергии обычно выпускаются в виде батарей или суперконденсаторов, у которых есть существенные отличия друг от друга. Тогда как батареи запасают больше заряда на единицу объема, суперконденсаторы выдают намного большие токи за короткое время. Это позволяет им существенно сократить время зарядки устройств, по сравнению с аккумуляторами. Внутренняя архитектура суперконденсаторов больше похожа на обычные конденсаторы, но, в отличие от последних, они могут быть разных форм, размеров и конструкций, в зависимости от применения. Более того, их можно изготавливать из различных материалов, пишет Science Daily.

Ученые из Техасского университета выбрали в качестве материала для электродов суперконденсатора наночастицы диоксида марганца. По сравнению с другими оксидами металлов, из которых часто делают суперконденсаторы, например, с рутением или оксидом цинка, диоксид марганца дешевле, чаще встречается в природе и безопаснее. Однако его недостаток в том, что у него низкая электропроводность.

Прошлые исследования показали, что лигнин, природный полимер, склеивающий древесные волокна, в сочетании с оксидами металлов повышает электрохимические свойства электродов. Ученые обработали очищенный лигнин дезинфицирующими средствами, а затем воздействовали на него высокой температурой и давлением, чтобы запустить реакцию окисления, которая привела к отложению диоксида марганца на лигнине. Затем они покрыли этой смесью алюминиевую пластину, получив «зеленый» электрод. Наконец, они собрали суперконденсатор, поместив гель-электролит между этим электродом и другим, изготовленным из алюминия и активированного угля.

В ходе испытаний новый суперконденсатор продемонстрировал очень стабильные электрохимические свойства. В частности, удельная емкость, или способность устройства запасать электрический заряд, мало менялась даже после тысяч циклов зарядки и разрядки. Этот показатель был в 900 раз выше, чем у других суперконденсаторов.

Кроме того, отмечают разработчики, их суперконденсатор очень легкий и гибкий.

«Мы разработали экологически безопасное устройство для хранения энергии, которое обладает превосходными электрическими характеристиками и может быть изготовлено легко, безопасно и с гораздо меньшей стоимостью», — заявил доктор Хун Лян, руководивший командой исследователей.

Британские ученые разработали опытный образец суперконденсатора с высокой удельной мощностью и высокой плотностью энергии одновременно. Открытие позволит заменить суперконденсаторами современные аккумуляторы в электромобилях и смартфонах, сократив время их зарядки до нескольких минут.

Создан эластичный суперконденсатор на основе однослойных углеродных нанотрубок

© Skoltech

Исследователи из Сколтеха и Университета Аалто в Финляндии создали новый эластичный суперконденсатор на основе электродов из однослойных углеродных нанотрубок. В перспективе суперконденсаторы могут заменить собой современные аккумуляторы.

В процессе разработки новейшего устройства учёными были использованы плёнки однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ). Они отличаются от своих многослойных “собратьев” тем, что имеют лишь одну стенку, собранную из атомов углерода (простейшая аналогия — трубочка для коктейля).

ОУНТ обладают превосходными оптоэлектрическими и механическими свойствами. В эластичном суперконденсаторе они выступают в качестве токоотводов, а также в роли активных электродов. Прозрачный эластичный суперконденсатор был успешно реализован путём сборки двух электродов, состоящих из подложки полидиметилсилоксана (ПДМС) и ОУНТ электродов, нанесённых на неё, а также гелевого электролита, расположенного между ними.

Одностенные углеродные нанотрубки обладают множеством уникальных свойств, которые являются полезными для широкого спектра применений, в том числе для нового развивающегося направления гибкой электроники. Плёнки на основе ОУНТ демонстрируют исключительно высокие значения модуля упругости и предела прочности при растяжении и являются самыми прочными из известных наноматериалов. Они также обладают высокой пористостью и удельной площадью поверхности (важно для накопления заряда), а также высокой прозрачностью и гибкостью. (Уже сейчас их используют для создания гибких и чувствительных к прикосновениям экранов, например.)

Кроме того, ОУНТ могут пропускать высокие токи, что делает их идеальными кандидатами для замены таких материалов, как медь и алюминий в быстро заряжающихся/разряжающихся цепях. В исследовании, проведенном учёными России и Финляндии, этот тип нанотрубок был синтезирован аэрозольным методом газофазного химического осаждения (происходило разложение паров ферроцена в атмосфере монооксида углерода). Такие ОУНТ, собранные в реакторе на нитроцеллюлозный фильтр, могут быть легко перенесены на любую поверхность, в том числе и на эластичные подложки, такие как ПДМС.

Одной из ключевых особенностей, изготовленных в данном исследовании устройств, является использование особенного – гелевого – электролита. Такой выбор электролита обусловлен тем, что широко используемые электролиты, как правило, являются жидкими и они, таким образом, не пригодны для использования в эластичных суперконденсаторах из-за проблем, связанных с утечкой.

После изготовления учёные проверили свойства эластичного суперконденсатора. Оказалось, что устройство на его основе может быть согнуто, сложено и даже растянуто без видимых изменений в его производительности. Прозрачность такого устройства составляет 75%.

Для улучшения характеристик устройства исследователи разработали подход, основанный на нанесении гелевого электролита на ОУНТ плёнку, находящуюся в заранее растянутом положении. В итоге учёные получили такую структуру суперконденсатора, которая может быть растянута до 120% без существенного изменения ёмкости даже после 1000 циклов растяжения и после 1000 циклов заряда-разряда. Для такого подхода, основанного на предварительном растяжении электродов, вычисленная удельная ёмкость прибора составила 17,5 Ф/г^-1, что выше, чем значение, полученное при использовании жидкого или гелевого электролита без предварительного растяжения, а также по сравнению с последними известными полученными результатами.

© Skoltech

 

Такая конфигурация позволила растянуть суперконденсатор, преодолевая ограничение, возникающее для обычных конфигураций суперконденсаторов, в которых два электрода начинают сдвигаться относительно сепаратора при растяжении.

“Характеристики суперконденсаторов при растяжении до 120% остаются неизменными даже в состоянии максимального растяжения, а также после тысячи циклов растяжения. Плёнки ОУНТ, устойчивые к растяжению, могут найти широкое применение для новой эластичной электроники, при создании электродов в устройствах для накопления энергии. Такая высокая эластичность, в сочетании с прозрачностью и высокой удельной ёмкостью позволяет утверждать, что полученные суперконденсаторы имеют большой потенциал для будущего практического применения в носимой электронике“, – поясняет Альберт Насибулин, один из авторов разработки и профессор Сколковского Института Науки и Технологий.

© Skoltech

 

Результаты совместного исследовательского проекта опубликованы в журнале Королевского химического общества Великобритании RSC Advances.

Добавим, что ранее суперконденсаторы научились создавать из макулатуры. Также учёные рапортовали о самой технологии сохранения энергии “в проводах”.

Как работают суперконденсаторы? — Объясни, что это за штука

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 22 июля 2020 г.

Если вы думаете, что электричество играет сегодня большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили и системы отопления, работающие на ископаемом топливе, должны будут перейти на электроэнергию. также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофический климат изменение. Электричество — чрезвычайно универсальный вид энергии, но он имеет один большой недостаток: в спешке складировать относительно сложно.Батареи могут удерживать большое количество энергии, но на то, чтобы заряжать. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь крошечные количества энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и выделять большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров. Какие они и как работают? Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Стопка суперконденсаторов Maxwell, используемых для хранения энергии в электромобилях.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Как можно хранить электрический заряд?

Фото: В типичной угольно-цинковой батарее на заводе хранится электричество, и ее можно разрядить только один раз, прежде чем ее придется выбросить. Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды выбрасываются во всем мире каждый год.

Батареи и конденсаторы выполняют аналогичную работу — накапливают электричество, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество называется электролитом. Когда вы включаете питание, химические реакции происходят с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции преобразуют химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти. Как только химические вещества будут исчерпаны, реакции прекращаются и аккумулятор разряжен. В перезаряжаемой батарее, например, в литий-ионном блоке питания. в портативном компьютере или MP3-плеере реакция может с радостью бегите в любом направлении — так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз перед заменой батареи.

Фотография: Типичный конденсатор в электронной схеме. В нем хранится меньше энергии, чем в аккумуляторе, но его можно заряжать и разряжать мгновенно, почти любое количество раз. В отличие от батареи, положительный и отрицательный заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы заставить его приклеиться.На пластинах накапливаются положительные и отрицательные электрические заряды, и разделение между ними, предотвращающее их соприкосновение, — это то, что сохраняет энергию. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, поэтому можно сказать, что это делает конденсатор более эффективным в качестве устройства для хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не имеют содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать и разряжался бесчисленное количество раз без износа.Но они есть и большой недостаток: килограмм на килограмм, их базовая конструкция не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества электрическая энергия в виде батарей.

Что мы можем с этим поделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо за счет использования лучшего материала для диэлектрика или с помощью металлических пластин большего размера. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно колоссальные тарелки. Грозовые облака, например, это по сути сверхгигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! Какие об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между тарелками? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.

Artwork: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными способами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик.Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, есть разница: они обычно построены из разных материалов и имеют несколько разную структуру, поэтому они хранят разное количество энергии. В целях этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных обкладок. Пластины сделаны из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда.Представьте на мгновение, что электричество — это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вытереть только крошечные пятна, пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсатора — это электрические губки!

А как насчет разделителя между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как шкала настройки внутри радио).Когда конденсатор заряжен, на одной пластине формируются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в линию, противоположную полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это проиллюстрировано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Изображение: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком (серый).Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору сохранять больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых материалов, обычно на основе углерода, пропитанных электролитом.Пластины имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность накапливать гораздо больше заряда.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, по обе стороны от сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый двойной электрический слой толщиной, возможно, всего одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму рисунка, вы увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают свою гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, сделанных из таких вещей, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Фотографии: Суперконденсаторы иногда можно использовать как прямую замену батареям.Вот аккумуляторная дрель на базе суперконденсаторов для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавтам-космическим астронавтам не всегда удается дождаться ночи, когда они начнут учиться! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Основная единица электрической емкости называется фарад (F), в честь новаторского британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электричества (они обычно измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).В отличие от этого типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (измеренный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это все еще составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор. Но большим преимуществом суперконденсатора является то, что он может хранить и высвобождать энергия почти мгновенно — намного быстрее, чем батарея.Это потому, что суперконденсатор работает за счет накопления статического электричества. заряжается на твердых телах, в то время как батарея полагается на заряды, медленно производимые в результате химических реакций, часто с жидкостями.

Вы часто видите батареи и суперконденсаторы, сравниваемые с точки зрения их энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова используются как синонимы; в науке мощность — это количество энергии, использованное или произведенное за определенный период времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут быстрее выделять энергию).Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и выделения большого количества энергии, но батареи по-прежнему являются королем для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольта), их можно подключать последовательно (как батареи) для получения более высоких напряжений для использования в более мощном оборудовании.

Так как суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и разряжены любое количество раз (спецификации для коммерческих суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).У них небольшое внутреннее сопротивление или оно отсутствует, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. без особых затрат энергии — и работать на очень близких к 100 процентный КПД (обычно 97–98 процентов).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам нужно сохранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы храните в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно тем, что вам нужно.Суперконденсаторы были широко используется в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергия резервуары », сглаживающие подачу питания на электрические и электронное оборудование. Суперконденсаторы также можно подключать к батареи, чтобы регулировать подачу питания.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для хранения энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко используемых в электромобилях. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать прерывистую мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, Это означает, что сотни последовательно соединенных суперконденсаторов необходим для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А Отчет Allied за 2020 год Маркетинговые исследования оценили мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказывали, что это будет достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

Суперконденсаторы — обзор | Темы ScienceDirect

Суперконденсаторы

Суперконденсаторы — это устройства, которые обладают высокой кулоновской эффективностью и высокой плотностью мощности в течение продолжительных циклов заряда / разряда.Материал электрода сильно влияет на работу устройства. Поэтому важно использовать материалы, которые потенциально увеличивают плотность энергии суперконденсатора при сохранении высокой плотности мощности и стабильности цикла.

Конденсаторы с двойным электрическим слоем (EDLC) — это тип суперконденсаторов, которые похожи на традиционные конденсаторы в том, что они накапливают энергию за счет разделения зарядов. Следующее уравнение определяет емкость устройства:

(6) C = εrε0Ad

Где ε _r — диэлектрическая проницаемость электролита, ε ₀ диэлектрическая проницаемость вакуума, A — площадь поверхности электрод, а d — расстояние разделения зарядов.

Псевдоконденсаторы (ПК) используют фарадеевские окислительно-восстановительные процессы на границе раздела электрод / электролит. Во время зарядки также может наблюдаться поверхностная адсорбция или интеркаляция, в зависимости от структуры материала. Следовательно, электродные материалы также требуют большой площади поверхности и электропроводности. ПК обычно демонстрируют более высокую плотность энергии, но быстро теряют емкость.

Гибридная форма обеих конфигураций приводит к суперконденсаторам, которые состоят из асимметричных электродов фарадеевских и нефарадеевских свойств, которые потенциально могут повысить плотность энергии, не ограничивая возможности устройства по плотности мощности.Для упомянутых типов суперконденсаторов материалы электродов, необходимые для обеспечения исключительных характеристик, должны иметь большую площадь поверхности и высокую электропроводность.

Структуры на основе углерода считаются большими конкурентами в EDLC и изучались в качестве потенциальных электродов. Они не только демонстрируют высокую площадь поверхности и электрическую проводимость, они также демонстрируют широкие окна потенциалов в водных средах, а также хорошую химическую стабильность во многих электролитических растворах с широким диапазоном рабочих температур.Широко известные углеродные материалы, которые используются для применения EDLC, включают, помимо прочего: активированный уголь, графен и УНТ с характеристиками, способными достигать прямоугольных циклических вольтамперограмм почти полной емкости и симметричных гальваностатических профилей заряда-разряда.

При правильной структуре чистые углеродные материалы, демонстрирующие доступные площади поверхности и хорошие электрические и механические свойства, такие как УНТ и графен, могут быть использованы в качестве потенциальных электродов в EDLC и показали хорошую циклическую стабильность и процессы накопления заряда с высокой степенью обратимости.Улучшения электродов все еще продолжаются для возможности создания EDLC с высокой плотностью энергии, а также свойствами с высокой плотностью мощности. Повышение объемной плотности энергии устройства EDLC при сохранении плотности мощности является основной целью текущих исследований для различных приложений. Этого можно добиться, увеличивая площадь поверхности для образования двойного электрического слоя, но этому может препятствовать перенос ионов с плохой связью между порами, которые могут захватывать ионы.Следовательно, также важно облегчить быструю передачу заряда на границе раздела электрод / электролит с длительной структурной стабильностью и эффективно соединенными порами во время циклов заряда / разряда.

В ПК углеродные материалы либо функционализированы, либо составлены для интеграции в качестве электрода. Функционализацию углеродных материалов, таких как УНТ, обычно получают с помощью кислотной и щелочной обработки, они, как видно, демонстрируют повышенную емкость, которая является результатом дополнительных фарадеевских окислительно-восстановительных реакций.В дополнение к улучшенным характеристикам функционализированные УНТ также обладают большой площадью поверхности и подходящими размерами пор для использования в качестве электродов для ПК. Однако функционализация может привести к снижению проводимости материала и потенциально может сделать его нестабильным для длительного использования.

В ПК большинство фарадеевских электродов, демонстрирующих поверхностную окислительно-восстановительную емкость и свойства интеркаляции ионов, также страдают от пониженной электропроводности (Liu et al. ., 2018a, b). По этой причине электроды, изготовленные из электрохимически превосходных оксидов или гидроксидов металлов, например, могут быть составлены из проводящих углеродов, таких как УНТ, чтобы не только обеспечить лучшую электропроводность (в зависимости от их хиральности), но и потенциально ограничить изменение объема. оксидов металлов во время циклов заряда / разряда.

Для обоих типов симметричных суперконденсаторов активация углеродных материалов играет роль в повышении эффективности материала за счет увеличения площади его поверхности для обеспечения более высоких значений емкости. Кроме того, введение микропор, которое также может быть предпринято путем активации, в пористые углеродные структуры с размерами микропор, которые соответствуют размерам микропор выбранного электролита, положительно влияет на электрохимические характеристики. В ПК активация пористых углеродных структур также вводит функциональные группы с добавленной псевдоемкостью.Шаблонные угли, хотя и имеют высокую стоимость из-за сложной подготовки, могут быть специально адаптированы для определения оптимального соотношения размера пор и результирующих характеристик микропористой структуры электрода. Очень важно, чтобы после обработки микропоры были доступны для электролита, чтобы этот процесс был эффективным.

Еще одно усовершенствование углеродных материалов — инициирование активных центров с переносом заряда, что потенциально увеличивает их электрическую проводимость.Этого можно добиться с помощью легирования гетероатомом, и, таким образом, также было замечено, что это увеличивает емкость устройства. Кроме того, обработка материалов в наномасштабе может привести к более короткой длине диффузии ионов.

Еще один интересный подход к улучшению свойств материала — намеренное создание дефектов в структуре материала. В графене, например, ионный перенос обычно происходит вдоль листов и, таким образом, представляет собой гораздо более длинные пути для переноса ионов.Введение дырчатых графеновых или графеновых сеток, где дырки вводятся в структуру решетки, позволило осуществить межплоскостной ионный перенос после того, как слои подвергаются сжимающим силам, что привело к сокращению пути переноса заряда (Xu et al . , 2014).

Примечательно, что синергетический эффект объединения различных углеродных материалов вместе может также привести к улучшенным электрохимическим характеристикам. Например, сетки ОСУНТ, образующие мезопористую углеродную структуру, могут быть вставлены вместе с листами восстановленного оксида графена, легированными азотом, для получения микроволокна, показанного на рис.12. Выровненные ОУНТ имеют относительно низкую емкость двойного электрического слоя, но обладают исключительной электропроводностью и способствуют быстродействию, тогда как восстановленный оксид графена имеет большую площадь поверхности и, следовательно, демонстрирует высокую емкость двойного электрического слоя. Это привело к увеличению площади поверхности, а также электропроводности электрода.

Рис. 12. СЭМ-изображения волокна изображены как (а) площадь поперечного сечения волокна, выделенная на (b), и при большем увеличении на (c) жгуты SWCNT можно увидеть прикрепленными к краям восстановленная поверхность оксида графена на шкале (а) 15 мкм, (б) 0.5 мкм и (в) 300 нм. Шоу

Воспроизведено Yu, D., Goh, K., Wang, H., et al. ., 2014. Масштабируемый синтез иерархически структурированных волокон УНТ-графен для емкостного накопления энергии. Nat. Nanotechnol. 9, 555–562. Авторское право Springer Nature, 2014 г.

Дополнительные исключительные механические свойства углеродных материалов, таких как УНТ, углеродные нановолокна и графен, позволяют использовать их в гибких суперконденсаторах для носимых технологий (He et al ., 2013). Конденсаторы могут быть в форме проволоки или пленки и могут быть отдельно стоящими или с подложкой.Ожидается, что гибкие электроды сохранят структурную стабильность и будут способны выдерживать длительные механические нагрузки с оптимальной химической стабильностью с электролитами. Предполагается, что электроды для медицинских целей также будут биосовместимыми.

Интересно, что прозрачные EDLC привлекают большое внимание в приложениях, требующих визуальной тенденции. ОУНТ в данном случае используются в качестве электродов с оптической прозрачностью 92% (Kanninen et al ., 2016).

В целом, поддержание высоких значений энергии и плотности мощности с соответствующей механической и химической стабильностью, а также высоких скоростей заряда / разряда с длительным сроком службы и низким затуханием емкости важно контролировать с появлением новых концепций электрохимических устройств.

Суперконденсаторы — жизнеспособная альтернатива технологии литий-ионных батарей?

11 ноя 2020

11914 Просмотры

8 мин чтения

Введение

Суперконденсаторы

, также называемые ультраконденсаторами, двухслойными конденсаторами или электрохимическими конденсаторами, представляют собой тип системы накопления энергии, привлекающий в последние годы многих экспертов.Проще говоря, их можно представить как нечто среднее между обычным конденсатором и батареей; тем не менее, они отличаются от обоих.

Прежде чем мы углубимся в нюансы того, могут ли суперконденсаторы сами по себе влиять на то, как можно хранить энергию в будущем, стоит узнать больше о том, как они работают и чем они отличаются от литий-ионных аккумуляторов.

Суперконденсаторы и батареи, они оба являются методами хранения. Если мы посмотрим на литий-ионные батареи, они полностью зависят от химических реакций.Они состоят из положительной и отрицательной стороны, технически называемых анодом и катодом. Эти две стороны погружены в жидкий электролит и разделены микроперфорированным сепаратором, через который проходят только ионы. Во время зарядки и разрядки аккумуляторов ионы имеют тенденцию перемещаться взад-вперед между анодом и катодом. В процессе переноса ионов батарея нагревается, расширяется, а затем сжимается. Эти реакции постепенно разрушают батарею, что приводит к сокращению срока ее службы.Однако существенным преимуществом аккумуляторной технологии является то, что она имеет очень высокую удельную энергию или плотность энергии для хранения энергии для последующего использования.

Но суперконденсаторы разные; они не полагаются на химическую игру, чтобы функционировать. Вместо этого они накапливают в себе потенциальную энергию электростатически. В суперконденсаторах между пластинами используется диэлектрик или изолятор, чтобы разделить совокупность положительных (+ ve) и отрицательных (-ve) зарядов на пластинах с каждой стороны. Именно такое разделение позволяет устройству накапливать энергию и быстро ее высвобождать.Он в основном улавливает статическое электричество для использования в будущем. Самым значительным преимуществом этого является то, что конденсатор 3 В теперь по-прежнему будет конденсатором 3 В через 15-20 лет. Напротив, с другой стороны, аккумулятор может терять емкость по напряжению со временем и при повторном использовании.

Кроме того, в отличие от батареи, они имеют более высокую пропускную способность, что означает, что они могут заряжаться и разряжаться за меньшее время. Тем не менее, они имеют очень низкую удельную энергию по сравнению с батареями. Суперконденсаторы лучше всего подходят для очень небольших всплесков мощности.

Сама концепция «суперконденсатора » вовсе не нова. Первый суперконденсатор был создан GE (General Electric) в 1957 году. Standard Oil, случайно в 1966 году обнаружила двухслойный конденсатор при работе с топливными элементами. Тем не менее, только в конце 1970-х годов японская компания NEC начала коммерчески предлагать первый «суперконденсатор» для резервного копирования памяти компьютера.

Мы находимся на этапе, когда применение суперконденсаторов только начинается.В целом было обнаружено, что суперконденсаторы обладают наибольшим потенциалом для применения в гибридных транспортных средствах (намекает на приобретение Tesla — Maxwell).

Peugeot-Citroen, Toyota, Mazda и даже Lamborghini выпустили модели автомобилей, в которых используется определенная комбинация суперконденсаторов и обычных литий-ионных аккумуляторов. Такие автомобили, как концепт Toyota Hybrid-R и мощный Sian от Lamborghini, используют суперконденсаторы для определенной роли. Например, они использовали его в системах рекуперации энергии во время замедления автомобиля.Проще говоря, когда автомобили замедляются, энергия, генерируемая в результате этого действия, накапливается бортовыми суперконденсаторами и позже используется для ускорения. Приводит к экономии батарей для менее напряженных действий, чем ускорение и замедление. В нем используется превосходная пропускная способность суперконденсаторов.

Интересно, что Илон Маск недавно заявил, что приобретение Tesla компании Maxwell окажет значительное влияние на батареи . Это было связано с объявлением Tesla о приобретении компании Maxwell, производящей ультраконденсаторы и аккумуляторы из Сан-Диего, за более чем 200 миллионов долларов.Было неясно, было ли это для основного бизнеса компании, суперконденсаторов, или для ее новейшей технологии аккумуляторов, такой как новая технология сухих электродов для аккумуляторных элементов.

В Швейцарии можно увидеть фантастический пример того, насколько эффективны суперконденсаторы. Парк автобусов имеет зарядные станции на различных остановках на своем ежедневном коммутационном маршруте. Всего за 15 секунд можно зарядить аккумулятор, а для полной зарядки хватит всего нескольких минут. За счет частых дозаправок он восполняет недостаток плотности и накопления энергии.А поскольку суперконденсаторы потребляют более низкий ток в течение нескольких минут за раз, это снижает нагрузку на сеть.

Почему суперконденсаторы вызывают большой интерес и чем они отличаются, например, от литий-ионных батарей?

Ответ на этот вопрос может во многом зависеть от приложений, для которых они могут использоваться. У каждой технологии действительно есть несколько явных преимуществ и недостатков. Как упоминалось ранее, батареи имеют гораздо более высокую плотность энергии , чем суперконденсаторы.

Это означает, что аккумуляторы больше подходят для приложений с более высокой плотностью энергии, например, для приложений, в которых устройство должно работать в течение длительных периодов времени на одной зарядке. С другой стороны, суперконденсаторы имеют гораздо более высокую удельную мощность, чем батареи. Это делает их идеальными для приложений с высоким энергопотреблением, таких как питание электромобиля. Пожалуйста, обратитесь к выставке ниже для сравнительного обзора.

Суперконденсаторы

также имеют гораздо больший срок службы, чем батареи. Обычная батарея может выдерживать около 2000-3000 циклов зарядки и разрядки, в то время как ультраконденсаторы обычно выдерживают более 1000000 циклов.Это может дать значительную экономию материалов и затрат.

Волнение действительно кажется заслуженным. Суперконденсаторы могут перезаряжаться за секунды, и в отличие от батарей, которые зависят от внутренних химических реакций и, следовательно, быстро изнашиваются, суперконденсаторы не разлагаются с течением времени. Суперконденсатор на 2,7 В сегодня будет суперконденсатором на 2,7 В через 15 лет. Для сравнения, все современные конструкции аккумуляторов постепенно теряют производительность, что означает, что ваша 12-вольтовая батарея сегодня может быть 11-вольтовой.Аккумулятор на 4 вольта всего за три года.

Возможно, все еще существует некоторая распространенная путаница с точки зрения хранения энергии. Таблица 6, показанная ниже, может прояснить, как эти две технологии сравниваются по характеристикам плотности мощности и плотности энергии, включая некоторые другие формы накопления энергии.

Хотя суперконденсатор с таким же весом, как батарея, может выдерживать большую мощность, его ватт / кг (удельная мощность) до 10 раз лучше, чем у литий-ионных батарей. Однако неспособность суперконденсаторов медленно разряжаться означает, что их количество ватт-часов / кг (плотность энергии) — это лишь небольшая часть того, что предлагает литий-ионный аккумулятор.

Впереди захватывающие времена для суперконденсаторов в будущем — следите!

С учетом приведенных выше сравнений и всех примеров различных приложений суперконденсаторов, исследуемых многочисленными производителями оригинального оборудования, похоже, не наблюдается какого-либо массового движения к замене батарей на суперконденсаторы. Итак, почему все это волнение?

Суперконденсаторы

превосходят традиционные конденсаторы благодаря своей способности накапливать и выделять энергию; однако они не смогли заменить обычные литий-ионные батареи.Это происходит главным образом потому, что литий-ионные аккумуляторы обладают такой мощностью, которую суперконденсаторы не могут дать в виде удельной энергии или плотности энергии (литий-ионные ~ 250 Втч / кг по сравнению с суперконденсаторами ~ 20 Вт-час / кг).

Основываясь на недавних исследованиях суперконденсаторов, можно сделать прорыв в суперконденсаторах на основе графена, что приведет к значительному прогрессу в суперконденсаторах. Результатом исследования Квинслендского технологического университета и Университета Райса стали две статьи, опубликованные в журналах Journal of Nanotechnology и Power Sources .Исследователи из этих университетов предложили решение, состоящее из двух слоев графена со слоем электролита между ними. Эта пленка получается прочной, тонкой и может выделять большое количество энергии за короткое время. Эти факторы даны как данность — в конце концов, это суперконденсатор. Это исследование делает это исследование уникальным и интересным, потому что исследователи предполагают, что новые, более тонкие суперконденсаторы могут заменить более громоздкие батареи в будущих электромобилях.

Даже такие компании, как Skeleton Technologies, которые в значительной степени сосредоточились на технологии суперконденсаторов, признают, что гибридизация литий-ионных систем и систем, управляемых суперконденсаторами, может продвинуть электрические технологии в новую эру.

Соавтор исследования

Цзиньчжан Лю говорит, что «ожидается, что в будущем суперконденсаторы можно будет модифицировать для хранения большего количества энергии, чем литий-ионный аккумулятор, при этом сохраняя способность выделять свою энергию в 10 раз быстрее. Это означает, что суперконденсаторы в его кузовных панелях могут полностью питать автомобиль ». Он добавляет, что «после одной полной зарядки этот автомобиль должен иметь возможность проехать до 500 км (310 миль) — аналогично автомобилю с бензиновым двигателем и более чем вдвое превышает лимит тока электромобиля.”

Для технологии, которой почти 65 лет, суперконденсаторы еще не нашли свое место в электрических технологиях. Но похоже, что вместе с литий-ионными батареями и с более широким применением графена суперконденсаторы постепенно становятся жизненно важной ролью в гибридно-электрических технологиях. Суперконденсаторы могут сыграть роль в создании литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии, более полезных в течение более продолжительных периодов времени.

Список литературы

1. Разница между батареей и суперконденсатором
2. Как работают суперконденсаторы?
3. Суперконденсатор и батарея — сравнение и практический пример
4. Могут ли суперконденсаторы заменить батареи?
5. Суперконденсаторы против батарей: выдержат ли батареи испытание временем?
6. Заменят ли батареи конденсаторы?
7. Новые материалы делают суперконденсаторы лучше аккумуляторов
8. Узнайте, как суперконденсатор может улучшить аккумулятор
9. Могут ли ультраконденсаторы заменить батареи в электромобилях будущего?

BU-209: Как работает суперконденсатор?

Узнайте, как суперконденсатор может улучшить аккумулятор.

Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора очень высокой емкостью. Конденсатор накапливает энергию за счет статического заряда, в отличие от электрохимической реакции. Применение разности напряжений на положительной и отрицательной обкладках заряжает конденсатор. Это похоже на накопление электрического заряда при ходьбе по ковру. Прикосновение к объекту высвобождает энергию через палец.

Существует три типа конденсаторов, самый простой из которых — электростатический конденсатор с сухим сепаратором.Этот классический конденсатор имеет очень низкую емкость и в основном используется для настройки радиочастот и фильтрации. Размер варьируется от нескольких пикофарад (пФ) до низких микрофарад (мкФ).

Электролитический конденсатор обеспечивает более высокую емкость, чем электростатический конденсатор, и рассчитан на микрофарады (мкФ), что в миллион раз больше, чем пикофарад. Эти конденсаторы используют влажный сепаратор и используются для фильтрации, буферизации и передачи сигналов. Подобно батарее, электростатическая емкость имеет положительный и отрицательный стороны, которые необходимо учитывать.

Третий тип — это суперконденсатор , измеренный в фарадах, что в тысячи раз выше, чем у электролитического конденсатора. Суперконденсатор используется для накопления энергии, подвергаясь частым циклам зарядки и разрядки при высоком токе и короткой продолжительности.

Фарад — единица измерения емкости, названная в честь английского физика Майкла Фарадея (1791–1867). Один фарад сохраняет один кулон электрического заряда при приложении одного вольта. Один микрофарад в миллион раз меньше фарада, а один пикофарад снова в миллион раз меньше микрофарада.

Инженеры General Electric впервые экспериментировали с ранней версией суперконденсатора в 1957 году, но коммерческих приложений не было. В 1966 году Standard Oil вновь открыла эффект двухслойного конденсатора случайно, работая над экспериментальными конструкциями топливных элементов. Двойной слой значительно улучшил способность накапливать энергию. Компания не стала коммерциализировать изобретение и передала его по лицензии NEC, которая в 1978 году представила технологию как «суперконденсатор» для резервного копирования памяти компьютера.Только в 1990-х годах достижения в области материалов и методов производства привели к повышению производительности и снижению стоимости.

Суперконденсатор эволюционировал и перешел в аккумуляторную технологию с использованием специальных электродов и электролита. В то время как базовый электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC) зависит от электростатического воздействия, асимметричный электрохимический двухслойный конденсатор (AEDLC) использует электроды, подобные батареям, для получения более высокой плотности энергии, но это имеет более короткий срок службы и другие проблемы, которые разделяются с аккумулятор.Графеновые электроды обещают усовершенствовать суперконденсаторы и батареи, но до таких разработок еще 15 лет.

Было опробовано несколько типов электродов, и наиболее распространенные сегодня системы построены на электрохимическом двухслойном конденсаторе на основе углерода, с органическим электролитом и простом в производстве.

Все конденсаторы имеют ограничения по напряжению. В то время как электростатический конденсатор можно сделать так, чтобы он выдерживал высокое напряжение, суперконденсатор ограничен 2,5–2.7В. Возможны напряжения 2,8 В и выше, но с сокращенным сроком службы. Чтобы получить более высокие напряжения, несколько суперконденсаторов соединены последовательно. Последовательное соединение снижает общую емкость и увеличивает внутреннее сопротивление. Для цепочек из более чем трех конденсаторов требуется балансировка напряжения, чтобы предотвратить перенапряжение любой ячейки. Литий-ионные аккумуляторы имеют аналогичную схему защиты.

Удельная энергия суперконденсатора колеблется от 1 Втч / кг до 30 Втч / кг, что в 10–50 раз меньше, чем у литий-ионных.Кривая нагнетания — еще один недостаток. В то время как электрохимическая батарея обеспечивает стабильное напряжение в используемом диапазоне мощности, напряжение суперконденсатора уменьшается в линейном масштабе, сокращая спектр полезной мощности. (См. BU-501: Основные сведения о разрядке.)

Возьмите источник питания 6 В, который может разрядиться до 4,5 В до отключения оборудования. К тому времени, когда суперконденсатор достигает этого порога напряжения, линейный разряд дает только 44% энергии; остальные 56% зарезервированы.Дополнительный преобразователь постоянного тока в постоянный помогает восстановить энергию, находящуюся в диапазоне низкого напряжения, но это увеличивает затраты и приводит к потерям. Для сравнения, батарея с плоской кривой разряда обеспечивает от 90 до 95 процентов своего запаса энергии до достижения порогового значения напряжения.

На рисунках 1 и 2 показаны вольт-амперные характеристики при заряде и разряде суперконденсатора. При зарядке напряжение линейно увеличивается, а ток по умолчанию падает, когда конденсатор полон, без необходимости в схеме обнаружения полного заряда.Это верно для источника постоянного тока и предельного напряжения, подходящего для номинального напряжения конденсатора; превышение напряжения может повредить конденсатор.

Рисунок 1: Профиль заряда суперконденсатора. Напряжение линейно увеличивается во время заряда постоянным током. Когда конденсатор заполнен, по умолчанию ток падает. Источник: PPM Power

Рисунок 2: Профиль разряда суперконденсатора. Напряжение линейно падает при разряде. Дополнительный преобразователь постоянного тока в постоянный поддерживает уровень мощности, потребляя более высокий ток при падении напряжения. Источник: PPM Power

Время заряда суперконденсатора составляет 1–10 секунд. Зарядная характеристика аналогична электрохимической батарее, а зарядный ток в значительной степени ограничен способностью зарядного устройства выдерживать ток. Первоначальная зарядка может быть произведена очень быстро, а дополнительная зарядка займет дополнительное время.Необходимо предусмотреть ограничение пускового тока при зарядке пустого суперконденсатора, так как он будет всасывать все, что может. Суперконденсатор не подлежит перезарядке и не требует обнаружения полного заряда; ток просто перестает течь, когда он наполняется.

В таблице 3 сравнивается суперконденсатор с типичным литий-ионным.

Функция	Суперконденсатор	Литий-ионный (общий)
Время зарядки Срок службы батареи 9333 Вт / ч Вт / час Удельная мощность (Вт / кг) Стоимость 1 кВтч Срок службы (промышленный) Температура заряда Температура нагнетания	1–10 секунд 1 миллион или 30 000 часов 2.От 3 до 2,75 В 5 (номинал) До 10,000 10,000 долларов (типичный) 10-15 лет от –40 до 65 ° C (от –40 до 149 ° F) от –40 до 65 ° C (от –40 до 149 ° F)	10–60 минут 500 и выше Номинальное напряжение 3,6 В 120–240 1000–3000 250–1000 долларов США (большая система) от 5 до 10 лет от 0 до 45 ° C (от 32 ° до 113 ° F) от –20 до 60 ° C (от –4 до 140 ° F)

Таблица 3: Сравнение характеристик суперконденсатора и Li- ион.
Источник: Maxwell Technologies, Inc.

Суперконденсатор можно заряжать и разряжать практически неограниченное количество раз. В отличие от электрохимической батареи, которая имеет определенный срок службы, при циклической работе суперконденсатора происходит небольшой износ. Возраст также благоприятнее для суперконденсатора, чем для батареи. В нормальных условиях суперконденсатор теряет свою первоначальную 100-процентную емкость до 80 процентов за 10 лет. Применение более высокого напряжения, чем указано, сокращает срок службы.Суперконденсатор не боится высоких и низких температур, а батареи не могут удовлетворить его одинаково хорошо.

Саморазряд суперконденсатора существенно выше, чем у электростатического конденсатора, и несколько выше, чем у электрохимической батареи; Этому способствует органический электролит. Суперконденсатор разряжается от 100 до 50 процентов за 30-40 дней. Для сравнения, свинцовые и литиевые батареи саморазряжаются примерно на 5 процентов в месяц.

Суперконденсатор vs.Батарея

Сравнение суперконденсатора с батареей имеет достоинства, но полагаться на сходство не позволяет более глубокому пониманию этого отличительного устройства. Вот уникальные различия между батареей и суперконденсатором.

Химический состав батареи определяет рабочее напряжение; заряд и разряд — это электрохимические реакции. Для сравнения, конденсатор не является электрохимическим, и максимально допустимое напряжение определяется типом диэлектрического материала, используемого в качестве разделителя между пластинами.Присутствие электролита в некоторых конденсаторах увеличивает емкость, что может вызвать путаницу.

Так как суперконденсатор нехимический, напряжение может расти до тех пор, пока диэлектрик не выйдет из строя. Часто это происходит в виде короткого замыкания. Избегайте повышения напряжения выше указанного.

Приложения

Суперконденсатор часто понимают неправильно; это не замена батареи для длительного хранения энергии. Если, например, время зарядки и разрядки превышает 60 секунд, используйте аккумулятор; если короче, то суперконденсатор становится экономичным.

Суперконденсаторы идеальны, когда требуется быстрая зарядка для удовлетворения кратковременной потребности в электроэнергии; в то время как батареи выбраны для длительного использования энергии. Объединение этих двух аккумуляторов в гибридную батарею удовлетворяет обе потребности и снижает нагрузку на аккумулятор, что отражается на более длительном сроке службы. Такие батареи стали доступны сегодня в семействе свинцово-кислотных аккумуляторов.

Суперконденсаторы наиболее эффективны для устранения перерывов в питании, длящиеся от нескольких секунд до нескольких минут, и их можно быстро перезаряжать.Маховик предлагает аналогичные качества, и приложение, в котором суперконденсатор конкурирует с маховиком, — это испытание Long Island Rail Road (LIRR) в Нью-Йорке. LIRR — одна из самых загруженных железных дорог Северной Америки.

Чтобы предотвратить провал напряжения во время разгона поезда и снизить потребление пиковой мощности, батарея суперконденсаторов мощностью 2 МВт проходит испытания в Нью-Йорке против маховиков, обеспечивающих мощность 2,5 МВт. Обе системы должны обеспечивать непрерывное питание в течение 30 секунд при соответствующей мощности в мегаваттах и ​​одновременно полностью заряжаться.Цель состоит в том, чтобы добиться регулирования в пределах 10 процентов от номинального напряжения; обе системы не требуют особого обслуживания и прослужат 20 лет. (Власти считают, что маховики более надежны и энергоэффективны для этого применения, чем батареи. Время покажет.)

В Японии также используются большие суперконденсаторы. Системы мощностью 4 МВт устанавливаются в коммерческих зданиях, чтобы снизить потребление энергии в сети в периоды пиковой нагрузки и облегчить загрузку. Другие приложения — запускать резервные генераторы во время перебоев в подаче электроэнергии и обеспечивать питание до стабилизации переключения.

Суперконденсаторы также широко используются в электрических силовых агрегатах. Благодаря сверхбыстрой зарядке во время рекуперативного торможения и выдаче большого тока при ускорении суперконденсатор идеально подходит в качестве усилителя пиковой нагрузки для гибридных транспортных средств, а также для приложений на топливных элементах. Его широкий температурный диапазон и длительный срок службы дают преимущество перед батареей.

Суперконденсаторы имеют низкую удельную энергию и дороги с точки зрения стоимости ватта. Некоторые инженеры-конструкторы утверждают, что деньги на суперконденсатор лучше потратить на батарею большего размера.В таблице 4 приведены преимущества и ограничения суперконденсатора.

Преимущества	Практически неограниченный срок службы; можно повторять миллионы раз Высокая удельная мощность; низкое сопротивление обеспечивает высокие токи нагрузки Заряжается за секунды; окончание зарядки не требуется Простая зарядка; рисует только то, что ему нужно; не подлежит завышению Сейф; простительно при неправильном использовании Отличные характеристики заряда и разряда при низких температурах
Ограничения	Низкая удельная энергия; удерживает долю обычного аккумулятора Линейное напряжение разряда не позволяет использовать весь энергетический спектр Высокий саморазряд; выше, чем у большинства батарей Низкое напряжение элементов; требует последовательного подключения с балансировкой напряжения Высокая стоимость ватта

Таблица 4: Преимущества и ограничения суперконденсаторов.

Суперконденсаторы становятся гибридными для повышения производительности и эффективности

Суперконденсаторы — это устройства, которые накапливают плотный электрический заряд в электрическом поле, которое обеспечивает электронику или энергосистему быстрой подачей энергии по запросу. Их емкость намного выше, чем у типичных конденсаторов, но за счет более низких пределов напряжения. В отличие от обычных конденсаторов, суперконденсаторы не используют обычный твердый диэлектрик (изолятор) — они используют электростатическую емкость с двойным слоем (обычно из углерода) и электромеханическую псевдоемкость (оксид металла или проводящий полимер).Оба они вносят свой вклад в общую емкость конденсатора и рассчитаны на множество быстрых циклов заряда / разряда при длительном хранении энергии. Гибридные суперконденсаторы увеличивают эту емкость, плотность энергии и рабочее напряжение (максимум 3,8 В) до 10 раз по сравнению с симметричными суперконденсаторами.

Типы конденсаторов

Здесь важно отметить, что существует три типа конденсаторов, самым основным из которых является электростатический конденсатор, снабженный сухим сепаратором. Этот тип конденсатора имеет очень низкую емкость и в основном используется для настройки радиочастот и фильтрации и имеет размер от нескольких пикофарад (пФ) до низких микрофарад (мкФ).

Второй конденсатор обладает электролитическими качествами и обеспечивает более высокую емкость, чем электростатический конденсатор, и рассчитан на микрофарады, что значительно больше пикофарад. Эти конденсаторы используют влажный сепаратор и используются для фильтрации, буферизации и передачи сигналов. Как и в случае с батареями, у электростатической емкости есть положительный и отрицательный стороны, которые необходимо учитывать. Гибридные конденсаторы

обладают большей плотностью энергии, чем EDLC, и перекрывают зазор между суперконденсаторами и литий-ионными аккумуляторными элементами с использованием такой среды, как активированный уголь, погруженный в жидкий электролит.(Изображение предоставлено Taiyo Yuden)

Третий тип, суперконденсатор, измеряется в фарадах, что в тысячи раз выше, чем у электролитического конденсатора. Этот тип широко используется для накопления энергии, подвергающегося частым циклам заряда / разряда при высоком токе с короткой продолжительностью.

Электрические двухслойные конденсаторы (EDLC) являются наиболее распространенными конденсаторами, которые используются сегодня. Несмотря на то, что они обладают высокой емкостью, звездной плотностью мощности и впечатляющей эффективностью, у них есть некоторые недостатки; в частности, «саморазряд», означающий, что накопленная энергия будет истекать, если она не разряжалась в течение короткого периода времени, что обостряется при более высоких температурах.Эта проблема смягчается за счет соединения суперконденсатора с литий-ионным аккумулятором, что обеспечивает повышенную плотность при минимальном саморазряде. Хотя включение батареи с конденсатором является отличным временным решением, оно также сопряжено со своими проблемами, включая повышенный износ во время циклов зарядки / разрядки и тепловой разгон, который может быть катастрофическим.

Гибридные или литий-ионные конденсаторы разработаны, чтобы предложить лучшие характеристики EDLC и литий-ионных аккумуляторов в одном корпусе, по сути объединяя обе технологии для повышения производительности и безопасности.В то время как EDLC накапливают энергию с помощью электростатического заряда, а литий-ионные батареи используют электрохимический метод, в гибридных конденсаторах используется один электростатический электрод и один электрохимический. Результатом является решение для хранения энергии, которое обеспечивает более высокую плотность по сравнению с EDLC, но без утечки, теплового разгона, перезарядки / короткого замыкания и других проблем безопасности, которые мешают перезаряжаемым батареям. Компоненты конденсатора

Taiyo Yuden отличаются низким ESR и широким диапазоном рабочих температур, которые подходят для большинства сред.(Изображение предоставлено Taiyo Yuden) Гибридные суперконденсаторы

также имеют гораздо более низкий ток саморазряда и тока в режиме ожидания. Напротив, традиционные суперконденсаторы имеют более высокую мощность из-за более низкого ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) и более широкий диапазон рабочих температур. В целях безопасности традиционные суперконденсаторы можно разряжать до нуля вольт. Для сравнения, гибридный суперконденсатор нельзя полностью разрядить, что может нанести вред тем, кто прикоснется к нему без защиты.

Конструкция гибридного конденсатора

Гибридные конденсаторы обычно конструируются с использованием положительного электрода, сделанного из активированного угля, погруженного в жидкий электролит, аналогичный солевому раствору, содержащемуся в литий-ионных батареях.Отрицательный электрод, сделанный из материала на основе углерода, легированного ионами лития, также подвешен в электролите вместе с сепаратором, который предотвращает прямой контакт между электродами. Предварительное легирование отрицательного электрода ионами лития снижает электрический потенциал конденсаторов, обеспечивая более высокое выходное напряжение, чем может быть достигнуто без высокого потенциала на положительном электроде, максимум 3,8 В. Как и литий-ионные батареи, некоторые гибридные конденсаторы содержат токсичные и легковоспламеняющиеся электролиты.

Сравнение производительности EDLC и гибридных конденсаторов с литий-ионными батареями.

Учитывая, что плотность энергии пропорциональна квадрату напряжения, гибридные конденсаторы в несколько раз более энергоемкие, чем EDLC с аналогичной плотностью мощности, что означает, что такое же количество энергии может храниться в более компактной конструкции по сравнению с традиционными EDLC. Предварительно легированные электроды также стабилизируют свой потенциал, уменьшая любую потенциальную утечку при длительном хранении. Вместо интеркаляции или деинтеркаляции (вставки или извлечения) ионов в углеродную решетку, как в литий-ионных батареях, гибридные конденсаторы поглощают / десорбируют эти ионы на поверхности электрода без каких-либо кристаллических изменений во время процесса.Это увеличивает количество циклов заряда / разряда, которые могут проходить гибридные конденсаторы без потери напряжения для каждого цикла.

С появлением новой технологии все больше компаний и производителей обращаются к гибридным конденсаторам из-за их повышенной плотности и эффективности, включая компоненты литий-ионных конденсаторов от Taiyo Yuden, которые имеют внутреннее сопротивление (DCR) всего 60 мОм и входят в цилиндрические, компактные металлические корпуса с наименьшими размерами всего 30 × 10 мм. Они также имеют диапазон рабочих температур от -25 до +70 ° C, который можно расширить до +85 ° C, снизив напряжение с 3.От 8 до 3,5 В. при необходимости.

Области применения

Как упоминалось ранее, свойства каждого типа конденсатора определяют их идеальное применение. Литий-ионные или гибридные конденсаторы, например, лучше всего подходят для приложений, требующих высокой энергии и удельной мощности, с низкой утечкой и повышенной долговечностью, долговечностью и безопасностью. Они также превосходят стандартные EDLC, включая вспомогательные, импульсные и гибридные системы питания, в высоких рабочих температурах.

Другой ключевой областью применения литий-ионных (гибридных) конденсаторов являются источники питания для устройств сбора энергии, таких как солнечные панели, поскольку они могут использовать преимущества новых технологий преобразования энергии с минимальным утечкой энергии.Они также могут накапливать произведенную энергию и отпускать ее по запросу. Кроме того, гибридные конденсаторы имеют длительный срок службы, что снижает затраты на обслуживание при сохранении эффективности. Мы можем ожидать, что в ближайшие месяцы и годы многие производители создадут новые приложения для сбора энергии, использующие эту инновационную технологию.

Эту статью написал Мартин Кинан, технический директор Avnet Abacus, Уолтем, Великобритания. Для получения дополнительной информации посетите здесь .

---

Tech Briefs Magazine

Эта статья впервые появилась в июньском 2021 году выпуске журнала Tech Briefs Magazine.

Читать статьи в этом выпуске здесь.

Другие статьи из архивов читайте здесь.

ПОДПИСАТЬСЯ

Суперконденсатор

Суперконденсаторы обычно используются как энергия устройства хранения данных.Суперконденсаторы хранят большое количество электрический заряд по сравнению с электролитическим конденсаторы и все другие типы обычных конденсаторы.

суперконденсатор состоит электродов с большой площадью поверхности и очень тонкого диэлектрика что позволяет добиться очень большой емкости (большой зарядный накопитель). Суперконденсаторы обычно хранят от 10 до В 100 раз больше заряда на единицу объема, чем у электролитического конденсаторы.

Суперконденсатор определение

Суперконденсатор является электронное устройство, хранящее большое количество электрических плата. Эти конденсаторы также известны как ультраконденсаторы или электрические двойные слоистые конденсаторы.

Как чем суперконденсаторы отличаются от обычных конденсаторов?

Материал, используемый для Конструкция суперконденсаторов отличается от обычных конденсаторы.Обычный конденсатор состоит из двух токопроводящие электроды разделены изоляционным материалом. В проводящие пластины конденсатора являются хорошими проводниками электричество, поэтому они легко пропускают электрический ток через их. С другой стороны, диэлектрический материал (изолирующий материал) плохо проводит электричество, поэтому не пропустить через него электрический ток.

Когда напряжение подается на конденсатор таким образом, чтобы положительный полюс аккумуляторной батареи подключен к левой стороне электрод или пластина, а отрицательный полюс батареи подключенный к правой боковой пластине, положительные заряды накапливаются на левый боковой электрод и отрицательные заряды накапливаются на правый боковой электрод.

В простыми словами, когда напряжение подается на обычный конденсатор, противоположные заряды накапливаются на поверхности электроды.

В общепринятый конденсаторы, емкость (накопление заряда) напрямую пропорционально площади поверхности каждого электрода или пластины и обратно пропорционально расстоянию между электроды.Проще говоря, конденсатор с большой площадью площадь электродов и очень тонкий диэлектрик обеспечивает большую емкость (хранит большое количество электрического заряда), тогда как конденсаторы с электродами малой площади и очень толстый диэлектрик обеспечивает меньшую емкость (сохраняет небольшие количество электрического заряда). Вот как обычный конденсаторы хранят электрический заряд.

конденсаторы и батареи различаются по двум параметрам: количество заряда и как быстро доставляется энергия (заряд). Батареи может хранить больше заряда, чем обычный конденсаторы, но главный недостаток аккумуляторов в том, что они не могут доставить энергию (заряд) очень быстро.

Вкл. с другой стороны, конденсаторы передают энергию (заряжают) очень быстро (разряжается очень быстро) но главный недостаток конденсаторы, потому что они не могут хранить большое количество заряда, так как магазин аккумуляторов.

Эти два недостатка (большой накопитель заряда и доставка заряда быстро) можно преодолеть с помощью суперконденсаторов.

суперконденсаторы также работают как обычные конденсаторы. Однако суперконденсаторы отличаются от обычные конденсаторы двумя способами: суперконденсаторы имеют электроды с большой площадью поверхности и очень тонкий диэлектрик (расстояние между электродами очень мало) по сравнению с обычными конденсаторами.Это делает это можно достичь большей емкости (больший накопитель заряда) чем обычные конденсаторы.

суперконденсаторы хранит большое количество заряда, поскольку аккумуляторы хранят и доставляют энергии или заряжаются очень быстро, как обычные конденсаторы доставлять.

Типы суперконденсаторы

Суперконденсаторы находятся в основном подразделяется на три типа:

• Двойной слоистые конденсаторы
• Псевдо -конденсаторы
• Гибрид конденсаторы

Двухслойный конденсаторы

А двухслойный конденсатор состоит из двух электродов, разделителя, и электролит.Электролит представляет собой смесь положительных ионы и отрицательные ионы, растворенные в воде. Два электрода разделены разделителем.

поверхность левого электрода контактирует с жидкостью с левой стороны электролит аналогично; правильная поверхность электрода делает контакт с правой стороной жидкого электролита. Дело в которой соответствует жидкий электролит и поверхность электрода, будет образуют общую границу для жидкого электролита и нерастворимого поверхность твердого электрода.

Два напротив заряды накапливаются в области, где поверхность электрода и раствор электролита встречается. Эти противоположные обвинения представлен в виде двух слоев электрического заряда или двойного электрического заряда зарядовые слои. Каждый электрод суперконденсатора генерирует два слоя электрического заряда.

Один зарядовый слой формируется на поверхности электрода с одна полярность (положительная или отрицательная) и другой слой заряда образуется в растворе электролита возле электрода поверхность с противоположной полярностью (отрицательной или положительной).Эти два зарядовых слоя разделены монослоем (слой с одним толщиной молекулы) растворителя или молекул воды.

молекулы растворителя плотно прилегают к электроду поверхности и разделяют противоположно заряженные ионы. Растворитель молекулы, которые разделяют противоположные заряды, действуют как диэлектрик (молекула диэлектрика).

молекулы растворителя не пропускают через себя электрические заряды. Следовательно, между электродом и электродом не протекают электрические заряды. электролит.

Когда напряжение подается на конденсатор таким образом, чтобы положительный полюс аккумуляторной батареи подключен к левой стороне электрод и отрицательный полюс батареи подключен к правому боковому электроду, двойной слой конденсатор начинает заряжаться.

Потому что этого напряжения питания большое количество положительных зарядов построить на левой боковой поверхности электрода и большое количество отрицательные заряды накапливаются на правом боковом электроде поверхность. Эти заряды действуют как заряды первого слоя.

отрицательные ионы в электролите испытывают сильное сила притяжения от положительно заряженного электрода.Как в результате отрицательные ионы движутся к положительно заряженным электрод. Аналогичным образом положительные ионы в электролит испытывает сильную притягивающую силу со стороны отрицательно заряженный электрод. В результате положительные ионы перемещаются к отрицательно заряженному электроду.

Когда эти отрицательные ионы или положительные ионы подошли ближе к электрод, они испытывают сильное сопротивление со стороны растворителя молекулы.Следовательно, заряд не передается от электролита к электрод или электрод к электролиту. Однако эти противоположные заряды оказывают друг на друга электростатическую силу. Таким образом, большой количество заряда накапливается на общей границе электрода и электролит.

наиболее часто используемые электродные материалы для двойного слоя конденсаторы или суперконденсаторы — активированный уголь, уголь аэрогель, углеродное волокно и углеродные нанотрубки.

Псевдоконденсаторы

псевдоконденсаторы хранить электрическую энергию за счет передачи электронного заряда между электрод и электролит (электроны от электролита к катод или от катода к электролиту). Это можно сделать Редокс (окислительно-восстановительная реакция).

Сокращение: Снижение происходит, когда атом приобретает электрон и становится более отрицательным.

Окисление: Окисление происходит, когда атом теряет электрон и становится более положительным.

Восстановление-окисление: Восстановление-окисление происходит, когда один атом получает (или теряет) электрон, а другой атом теряет (или получает) электрон. В псевдоконденсаторах окислительно-восстановительная реакция происходит между электродом и раствор электролита.

В псевдоконденсаторы, накопление заряда (емкость) является результатом заряда перенос между электролитом и электродом.

Когда на псевдоконденсатор подается напряжение, заряженные атомы или ионы в электролите движутся к противоположно заряженным электрод. Между поверхностью электрода и соседний электролит, два электрических слоя или двойной электрический слои формируются. Эти два электрических слоя разделены молекулы электролита.

заряженные атомы электролита в двойном слое действуют как доноры электронов и переносит электроны на атомы электрод.В результате атомы в электроде заряжаются. Таким образом, заряд сохраняется в двойных электрических слоях.

псевдоконденсаторы в качестве электродов используйте проводящие полимеры или оксиды металлов. В количество электрического заряда, хранящегося в псевдоконденсаторе, составляет прямо пропорционально приложенному напряжению. В псевдоемкость измеряется в фарадах.

Гибрид конденсаторы

гибридные конденсаторы разработаны с использованием методов конденсаторы с двойным слоем и псевдоконденсаторы.В гибриде конденсаторы, как емкостные, так и псевдослойные. емкость достигается.

Преимущества суперконденсаторы

• Магазины большой заряд по сравнению с обычным конденсаторы (высокая емкость).
• Доставляет энергия или очень быстрая зарядка (высокая удельная мощность)
• Длинный срок службы
• Низкая стоимость
• Суперконденсаторы делать не взорваться, как аккумуляторы, даже если они перезаряжены.

Приложения суперконденсаторов

• Вспышка легкие приложения
• Солнечная силовые приложения
• Суперконденсаторы находятся используется в электронных устройствах, таких как портативные компьютеры, портативные медиаплееры, портативные устройства и фотоэлектрические системы стабилизации электроснабжения.
• Суперконденсаторы находятся используется как временные накопители энергии для энергии системы уборки урожая.
• Суперконденсаторы находятся используется в дефибрилляторах (инструменте, который контролирует нерегулярное сердцебиение из-за подачи электрического тока на грудная клетка).

Зарядные устройства для суперконденсаторов | Analog Devices

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности.Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.

Принять и продолжить Принять и продолжить

Файлы cookie, которые мы используем, можно разделить на следующие категории:

Строго необходимые файлы cookie:

Это файлы cookie, которые необходимы для работы аналога.com или предлагаемые конкретные функции. Они либо служат единственной цели передачи данных по сети, либо строго необходимы для предоставления онлайн-услуг, явно запрошенных вами.

Аналитические / рабочие файлы cookie:

Эти файлы cookie позволяют нам выполнять веб-аналитику или другие формы измерения аудитории, такие как распознавание и подсчет количества посетителей и наблюдение за тем, как посетители перемещаются по нашему веб-сайту.

No related posts.