Superkondenzátor: co to je, kde jej použít a jak jej použít jako zdroj stejnosměrného proudu

Superkondenzátory jsou novou třídou zdrojů, které se funkčně blíží výkonným kondenzátorům a ve skutečnosti - zabírající mezeru mezi kondenzátory a zdroji konstantního proudu. Ne každý ví, co to je. Superkondenzátory, ultrakondenzátory jsou míněny superkondenzátory. Mezinárodní označení EDLC - Elektrický dvouvrstvý kondenzátor, na elektrických obvodech je označen jako R1.

Historický odkaz

V roce 1957 vyvinuli inženýři v General Electric rané verze superkondenzátorů, ale kvůli nízké účinnosti neměly komerční aplikace. V roce 1966 společnost Standard Oil náhodně objevila efekt dvouvrstvého kondenzátoru při práci na palivových článcích, což umožnilo superkondenzátoru efektivně fungovat. Společnost vynález nekomercializovala, ale získala licenci od NEC. V roce 1978 prodala tuto technologii jako „superkondenzátor“ pro počítače. V SSSR byly EDLC poprvé představeny v roce 1978 v publikaci časopisu Radio No. 5 řady KI1-1 s kapacitou 0,2 až 50,0 F.

První superkondenzátory pro těžká zařízení byly vytvořeny v roce 1982 firmou PRI Ultracapacitor. Teprve v 90. letech 20. století došlo k pokroku v materiálech a výrobních metodách, což vedlo ke zvýšení produktivity a nižším nákladům na superkondenzátory. Pokračují ve vývoji a přecházejí do technologie průmyslových baterií pomocí speciálních elektrod a elektrolytu.

Účel elektronického zařízení

Superkondenzátory (EDLC) jsou elektronická zařízení, která se používají k ukládání extrémně velkého množství elektrického náboje. Jsou také známé jako superkondenzátory, dvouvrstvé kondenzátory nebo ultrakondenzátory. Namísto použití konvenčního dielektrika využívá EDLC mechanismus pro ukládání elektrické energie – dvouvrstvý kondenzátor. To znamená, že kombinují práci běžných kondenzátorů s prací běžných baterií. Kapacita dosažená pomocí této technologie může dosahovat až 12 000 F. Pro srovnání, kapacita celé Země je jen asi 710 μF, což je více než 15 milionkrát méně než kapacita EDLC.

Zatímco typický elektrostatický kondenzátor může mít vysoké maximální provozní napětí, typické maximální nabíjecí napětí EDLC je mezi 2,5 a 2,7 volty. EDLC jsou polarizovaná zařízení, což znamená, že musí být správně připojeny k obvodu, jako jsou elektrolytické kondenzátory. Elektrické vlastnosti těchto zařízení, zejména jejich rychlé nabíjení a vybíjení, jsou velmi slibné pro mnoho průmyslových odvětví, kde mohou zcela nahradit baterie.

Konstrukce a materiály superkondenzátoru

Podívejme se na to podrobněji je superkondenzátor. Konstrukce EDLC je podobná jako u elektrolytických kondenzátorů v tom, že se skládá ze dvou fóliových elektrod, elektrolytu, separátoru a fólie. Separátor je vložen mezi elektrody, fólie je srolována nebo složena do tvaru, obvykle válcového nebo obdélníkového. Tato skládaná forma je umístěna v hermeticky uzavřené skříni napuštěné elektrolytem. Elektrolyt v provedení EDLC, stejně jako elektrody, se liší od elektrolytu používaného v běžných elektrolytických kondenzátorech.

Pro zachování elektrického náboje používá EDLC porézní materiály jako spacery pro ukládání iontů v pórech na atomové úrovni. Nejběžnějším materiálem v moderních EDLC je aktivní uhlí. Skutečnost, že uhlík není dobrý izolant, omezuje maximální provozní napětí na 3 V.

Aktivní uhlí není ideální materiál: nosiče náboje jsou velikostí srovnatelné s póry uvnitř materiál a některé z nich nemohou proniknout do menších pórů, což vede k netěsnostem a snížení kapacity úložný prostor.

Jeden ze zajímavějších použitých materiálů EDLC výzkum, je grafen. Je to látka složená z čistého uhlíku v plochém plátu o tloušťce pouze jednoho atomu. Je extrémně porézní a působí jako iontová houba. Hustota energie dosažená pomocí grafenu v EDLC je srovnatelná s hustotou energie získanou v bateriích.

Zatímco prototypy grafenových EDLC byly vyrobeny jako důkaz budoucí koncepce, ano jsou drahé a obtížně vyrobitelné v průmyslovém měřítku a tato okolnost výrazně zpomaluje jejich použití technologií. Navzdory tomu je grafen EDLC nejslibnějším kandidátem na budoucí technologii superkondenzátorů.

Výhody a nevýhody

Mezi výhody zařízení je třeba zdůraznit následující:

1. Doba nabíjení. EDLC mají doby nabíjení a vybíjení srovnatelné s konvenčními kondenzátory. Díky nízkému vnitřnímu odporu lze dosáhnout vysokých nabíjecích a vybíjecích proudů. Dosažení plně nabité baterie obvykle trvá až několik hodin. Například jako baterie mobilního telefonu, zatímco EDLC lze nabít za méně než dvě minuty.
2. Specifická síla. Specifická kapacita baterie neboli EDLC je míra používaná k porovnání různých technologií z hlediska výkonu vyděleného celkovou hmotností zařízení. EDLC mají hustotu energie 5-10krát vyšší než baterie. Například, zatímco lithium-iontové baterie mají měrný výkon 1-3 kW/kg, měrný výkon typického EDLC je asi 10 kW/kg. Tato vlastnost je zvláště důležitá v aplikacích, které vyžadují rychlý odběr energie z úložných zařízení.
3. Životaschopnost a bezpečnost cyklu. Baterie EDLC jsou při nesprávném zacházení bezpečnější než běžné baterie. Zatímco baterie mohou vlivem nadměrného tepla při zkratu explodovat, EDLC se díky nízkému vnitřnímu odporu tolik nezahřívají.
4. EDLC lze nabíjet a vybíjet milionkrát a mají prakticky neomezenou životnost, zatímco baterie mají životnost 500krát nebo méně. Díky tomu je EDLC velmi užitečné v aplikacích, kde je vyžadováno časté ukládání a uvolňování energie.
5. EDLC má životnost 10 až 20 let, přičemž kapacita se během 10 let sníží ze 100 % na 80 %.
6. Díky své nízké ekvivalentní impedanci poskytují EDLC vysokou hustotu výkonu a vysoké zatěžovací proudy pro dosažení téměř okamžitého nabití během několika sekund. Teplotní výkon je také silný a poskytuje energii až do -40 C °.

EDLC mají nějaké nevýhody:

1. Jednou z nevýhod je relativně nízká specifická energie. Měrná energie EDLC je měřítko celkového množství energieuložené v zařízení děleno jeho hmotností. Zatímco lithium-iontové baterie běžně používané v mobilních telefonech mají specifickou energii 100-200 Wh/kg, EDLC mohou uložit pouze 5 W/kg. To znamená, že EDLC se stejnou kapacitou jako běžná baterie bude vážit 40krát více.
2. Lineární vybíjecí napětí. Například baterie se jmenovitým napětím 2,7 V bude při 50% nabití stále vystupovat napětí blízké 2,7 V. EDLC dimenzované na 2,7 V při 50% nabití poskytuje přesně polovinu svého maximálního nabití 1,35 V. To znamená, že výstupní napětí klesne pod minimální provozní napětí zařízení napájeného EDLC a musí se vypnout před vyčerpáním veškerého náboje v kondenzátoru. Řešením tohoto problému je použití DC měničů. Tento přístup však přináší nové výzvy, jako je účinnost a hluk.
3. Nelze je použít jako trvalé napájení. Jeden článek je typicky 2,7 ​​V a pokud je požadováno vyšší napětí, musí být články zapojeny do série.
4. Cena konvenčních EDLC je 20krát vyšší než u Li-ion baterií. Může se však snížit díky novým technologiím a hromadné výrobě superkondenzátorů.

Průmyslová aplikace

Protože EDLC zabírají oblast mezi bateriemi a kondenzátory, lze je použít v široké škále aplikací. Kde je superkondenzátor použit, lze předpokládat na základě jeho účelu. Zajímavým využitím je akumulace energie v dynamických brzdových systémech v automobilovém průmyslu. Je k použití elektrický generátor, který přeměňuje kinetickou energii na elektrickou a ukládá ji do EDLC. Tato energie může být poté znovu použita k zajištění akcelerační energie.

Dalším příkladem jsou aplikace s nízkou spotřebou energie, kde není vyžadována velká šířka pásma, ale důležitá je dlouhá životnost nebo rychlé dobíjení. Aplikace zahrnují fotografický blesk, MP3 přehrávače, statické úložiště zařízení, která pro údržbu vyžadují zdroj konstantního napětí s nízkým výkonem informace atd.

Možnými budoucími aplikacemi pro EDLC jsou mobilní telefony, notebooky, elektrická vozidla a všechna další zařízení, která v současnosti fungují na baterie. Nejzajímavější výhodou z praktického hlediska je jejich velmi vysoká rychlost nabíjení – to znamená by dokázal nabíjet elektromobil v nabíječce pár minut, dokud nebude plně nabitý baterie.

EDLC se používají v mnoha aplikacích správy napájení, které vyžadují velký počet cyklů rychlého nabíjení/vybíjení krátkodobé potřeby v energetice. Některé z těchto aplikací se používají v následujících oblastech:

• stabilizace napětí v systémech start/stop;
• elektronické dveřní zámky v případě výpadku proudu;
• rekuperační brzdové systémy;
• distribuční čip;
• lékařské vybavení;
• akumulátory energie;
• spotřební elektronika;
• kuchyňské spotřebiče;
• zálohování dat hodin v reálném čase;
• pohotovostní napájení;
• větrná energie:
• energetická účinnost a regulace frekvence;
• dálkové napájení pro senzory, LED diody, spínače;
• zálohovací paměť;
• napájení v burst režimu.

Směry vývoje superkondenzátorů

Nový slibný vývoj superkondenzátorů:

• Superkondenzátory Graphene Skeleton Technology budou klíčovými hráči v EDLC. V nových zkouškách ve vozovém parku Spojeného království se používají k přeměně dieselových vozů na hybridy využívající energii z rekuperačního brzdění. Hybridní automobilový systém vyvinutý společnostmi Adgero a Skeleton Technologies s názvem UltraBoost. Během brzdění se zařízení stává generátorem, který rekuperuje kinetickou energii, která by se jinak ztratila ve formě těla. Srdcem této technologie je skupina pěti výkonných superkondenzátorů na bázi grafenu známých jako SkelMod.
• Zap & Go, britský startup, uvádí na trh nový typ nabíječky speciálně pro obchodní cestující. K nabíjení telefonů po dobu pěti minut využívá grafenové superkondenzátory.
• Eaton nabízí řešení pro superkondenzátory velikosti mince, velké články, malé válcové články a moduly. Například jeho modul Supercapacitor XLR 48V poskytuje úložiště energie pro vysokovýkonové frekvenční nabíjecí/vybíjecí systémy v hybridních nebo elektrická vozidla, veřejná doprava, zařízení pro manipulaci s materiálem, těžká zařízení a námořní lodě systémy. XLR moduly se skládají z 18 jednotlivých superkondenzátorů Eaton XL60 navržených tak, aby poskytovaly 48, 6 V a 166 F s 5 mA pro připojení k systémům vyžadujícím až 750 V.

• Superkondenzátory Maxwell Technologies se používají pro regenerativní akumulaci brzdné energie v systému pekingského metra. China Railway Rolling Stock Corp. (CRRC - SRI) využívá moduly Maxwell 48 - V ve dvou sadách energeticky úsporných regeneračních zařízení brzdění pro trať č.8 systému, městskou železniční síť, která prochází severojižním hlavním městem Čína. Moduly Maxwell s 48V poskytují dlouhou životnost až 10 let a rychlé nabíjení / vybíjení. Vishay nabízí 220 EDLC ENYCAP se jmenovitým napětím 2,7V. Může být použit ve více aplikacích, včetně zálohování napájení, podpory přepětí napájení, zařízení pro ukládání energie pro shromažďování energie, zdroje napájení micro-UPS a obnova energie.
• Lineární technologie nabízí LTC3350, pohotovostní regulátor napájení, který dokáže nabíjet a ovládat sériovou jednotku až čtyř superkondenzátorů. LTC3350, navržený pro automobilové a jiné dopravní aplikace, nabízí následující funkce:
  • Záloha napájení nabitím banky až čtyřmi superkondenzátory v případě výpadku proudu. Může pracovat se vstupním napětím 4,5 až 35 V a více než 10 A pohotovostního proudu.
  • Vyvážení a ochrana přepěťová ochrana pro řadu superkondenzátorů.
  • Sledování napětí, proudu a teploty v systému.
  • Vnitřní vyrovnávače napětí kondenzátoru, které eliminují potřebu vyrovnávacích odporů.

Vývojáři superkondenzátorů se je snaží neustále modernizovat a zvyšovat jejich měrnou kapacitu. Je zřejmé, že v budoucnu baterie zcela nahradí superkondenzátory. Výsledky výzkumu kalifornských vědců ukázaly, že nový typ ionistorů je již ve funkčnosti několikanásobně lepší než jeho protějšky.