Superkondensator: was es ist, wo man es verwendet und wie man es als Gleichstromquelle verwendet

Superkondensatoren sind eine neue Klasse von Quellen in der Nähe von leistungsstarken Kondensatoren, und tatsächlich - eine Nische zwischen Kondensatoren und Konstantstromquellen besetzen. Nicht jeder weiß, was es ist. Superkondensatoren, Ultrakondensatoren sind mit Superkondensatoren gemeint. Internationale Bezeichnung EDLC - Elektrischer Doppelschichtkondensator, auf den Stromkreisen wird er als R1 bezeichnet.

Historische Referenz

1957 wurden von Ingenieuren bei General Electric frühe Versionen von Superkondensatoren entwickelt, die jedoch aufgrund ihres geringen Wirkungsgrads keine kommerzielle Anwendung fanden. 1966 entdeckte Standard Oil bei der Arbeit an Brennstoffzellen zufällig den Doppelschichtkondensatoreffekt, der es dem Superkondensator ermöglichte, effizient zu funktionieren. Das Unternehmen hat die Erfindung nicht kommerzialisiert, sondern eine Lizenz an NEC erhalten. 1978 verkaufte sie diese Technologie als "Superkondensator" für Computer. In der UdSSR wurden EDLCs erstmals 1978 in der Veröffentlichung der Zeitschrift Radio Nr. 5 der KI1-1-Serie mit einer Kapazität von 0,2 bis 50,0 F vorgestellt.

Die ersten Superkondensatoren für Hochleistungsgeräte wurden 1982 von PRI Ultracapacitor entwickelt. Erst in den 1990er Jahren gab es Fortschritte bei Materialien und Herstellungsverfahren, die zu einer erhöhten Produktivität und niedrigeren Kosten von Superkondensatoren führten. Sie entwickeln sich weiter und steigen mit speziellen Elektroden und Elektrolyten in die industrielle Batterietechnologie ein.

Zweck des elektronischen Geräts

Superkondensatoren (EDLCs) sind elektronische Geräte, die verwendet werden, um extrem große Mengen an elektrischer Ladung zu speichern. Sie werden auch als Superkondensatoren, Doppelschichtkondensatoren oder Ultrakondensatoren bezeichnet. Anstelle eines herkömmlichen Dielektrikums verwendet EDLC einen Mechanismus zum Speichern elektrischer Energie - einen Zweischichtkondensator. Das bedeutet, dass sie die Arbeit konventioneller Kondensatoren mit der Arbeit konventioneller Batterien kombinieren. Die mit dieser Technologie erreichten Kapazitäten können bis zu 12.000 F betragen. Zum Vergleich: Die Kapazität der gesamten Erde beträgt nur etwa 710 μF, was mehr als 15 Millionen Mal weniger ist als die Kapazität des EDLC.

Während ein typischer elektrostatischer Kondensator eine hohe maximale Betriebsspannung aufweisen kann, liegt die typische maximale Ladespannung eines EDLC zwischen 2,5 und 2,7 Volt. EDLCs sind polarisierte Geräte, dh sie müssen wie Elektrolytkondensatoren korrekt an den Stromkreis angeschlossen werden. Die elektrischen Eigenschaften dieser Geräte, insbesondere ihre schnellen Lade- und Entladezeiten, sind für viele Branchen vielversprechend, in denen sie Batterien vollständig ersetzen können.

Superkondensator-Design und -Materialien

Betrachten wir das genauer ist ein Superkondensator. Der Aufbau von EDLC ähnelt dem von Elektrolytkondensatoren darin, dass er aus zwei Folienelektroden, einem Elektrolyten, einem Separator und einer Folie besteht. Der Separator wird zwischen Elektroden eingelegt, die Folie wird gerollt oder gefaltet, in der Regel zylindrisch oder rechteckig. Diese gefaltete Form ist in einem hermetisch dichten, mit Elektrolyt imprägnierten Gehäuse untergebracht. Der Elektrolyt im EDLC-Design sowie die Elektroden unterscheiden sich von dem in herkömmlichen Elektrolytkondensatoren verwendeten Elektrolyten.

Um die elektrische Ladung zu erhalten, verwendet EDLC poröse Materialien als Abstandshalter, um Ionen in Poren auf atomarer Ebene zu speichern. Das häufigste Material in modernen EDLCs ist Aktivkohle. Die Tatsache, dass Kohle kein guter Isolator ist, begrenzt die maximale Betriebsspannung auf 3 V.

Aktivkohle ist kein ideales Material: Ladungsträger sind vergleichbar groß wie die Poren in Material, und einige von ihnen können nicht in kleinere Poren eindringen, was zu Undichtigkeiten und einer Verringerung der Kapazität führt Lagerung.

Eines der interessanteren Materialien, die in verwendet werden EDLC-Forschung ist Graphen. Es ist eine Substanz, die aus reinem Kohlenstoff in einer flachen Schicht besteht, die nur ein Atom dick ist. Es ist extrem porös und wirkt wie ein ionischer Schwamm. Die mit Graphen in EDLC erreichte Energiedichte ist vergleichbar mit der Energiedichte in Batterien.

Obwohl Graphen-EDLC-Prototypen als Beweis für das zukünftige Konzept erstellt wurden, sind sie jedoch sind teuer und schwer im industriellen Maßstab herstellbar, und dieser Umstand verlangsamt den Einsatz erheblich Technologien. Trotzdem ist Graphen-EDLC der vielversprechendste Kandidat für die zukünftige Superkondensatortechnologie.

Vorteile und Nachteile

Unter den Vorteilen des Geräts sind folgende hervorzuheben:

1. Aufladezeit. EDLCs haben Lade- und Entladezeiten, die mit denen konventioneller Kondensatoren vergleichbar sind. Durch den geringen Innenwiderstand können hohe Lade- und Entladeströme erreicht werden. Es dauert in der Regel bis zu mehreren Stunden, bis ein vollständig geladener Akku erreicht ist. Zum Beispiel wie ein Handy-Akku, während ein EDLC in weniger als zwei Minuten aufgeladen werden kann.
2. Spezifische Leistung. Die batteriespezifische Kapazität oder EDLC ist ein Maß, das verwendet wird, um verschiedene Technologien in Bezug auf die Leistungsabgabe geteilt durch das Gesamtgewicht des Geräts zu vergleichen. EDLCs haben eine Leistungsdichte, die 5-10 mal höher ist als die von Batterien. Während beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien eine spezifische Leistung von 1-3 kW/kg haben, beträgt die spezifische Leistung eines typischen EDLC etwa 10 kW/kg. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig bei Anwendungen, die einen schnellen Stromverbrauch von Speichergeräten erfordern.
3. Fahrradtauglichkeit und Sicherheit. EDLC-Batterien sind bei falscher Handhabung sicherer als herkömmliche Batterien. Während Batterien bei Kurzschluss durch zu hohe Hitze explodieren können, erwärmen sich EDLCs aufgrund ihres geringen Innenwiderstands nicht so stark.
4. EDLCs können millionenfach geladen und entladen werden und haben eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer, während Batterien eine Zykluslebensdauer von 500 mal oder weniger haben. Dies macht EDLC sehr nützlich in Anwendungen, bei denen eine häufige Energiespeicherung und -abgabe erforderlich ist.
5. EDLC hat eine Lebensdauer von 10 bis 20 Jahren, wobei die Kapazität über 10 Jahre von 100 % auf 80 % sinkt.
6. Dank ihrer niedrigen Äquivalenzimpedanz bieten EDLCs eine hohe Leistungsdichte und hohe Lastströme, um eine nahezu sofortige Aufladung in Sekunden zu erreichen. Die Temperaturleistung ist ebenfalls stark und liefert Energie bis zu -40 ° C.

EDLC haben einige nachteile:

1. Einer der Nachteile ist die relativ niedrige spezifische Energie. Die spezifische Energie des EDLC ist ein Maß für die Gesamtenergiemengeim Gerät gespeichert, geteilt durch sein Gewicht. Während Lithium-Ionen-Akkus, die üblicherweise in Handys verwendet werden, eine spezifische Energie von 100-200 Wh/kg haben, können EDLCs nur 5 W/kg speichern. Dies bedeutet, dass ein EDLC mit der gleichen Kapazität wie ein normaler Akku 40-mal mehr wiegt.
2. Lineare Entladungsspannung. Zum Beispiel wird eine Batterie mit einer Nennspannung von 2,7 V bei 50 % Ladung immer noch eine Spannung nahe 2,7 V ausgegeben. Ein EDLC mit 2,7 V bei 50 % Ladung liefert genau die Hälfte seiner maximalen Ladung von 1,35 V. Dies bedeutet, dass die Ausgangsspannung unter die minimale Betriebsspannung des EDLC-betriebenen Geräts fällt und es herunterfahren muss, bevor die gesamte Ladung im Kondensator verbraucht wird. Die Lösung dieses Problems besteht in der Verwendung von DC-Wandlern. Dieser Ansatz bringt jedoch neue Herausforderungen wie Effizienz und Lärm mit sich.
3. Sie können nicht als permanente Stromversorgung verwendet werden. Eine Zelle hat typischerweise 2,7 V und wenn eine höhere Spannung benötigt wird, müssen die Zellen in Reihe geschaltet werden.
4. Die Kosten herkömmlicher EDLCs sind 20-mal höher als die von Li-Ionen-Batterien. Sie kann jedoch durch neue Technologien und die Massenproduktion von Superkondensatoren reduziert werden.

Industrielle Anwendung

Da EDLCs den Bereich zwischen Batterien und Kondensatoren einnehmen, können sie in den unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt werden. Wo der Superkondensator verwendet wird, kann aufgrund seines Verwendungszwecks angenommen werden. Eine interessante Anwendung ist die Energiespeicherung in dynamischen Bremssystemen der Automobilindustrie. Ist zu verwenden Stromgenerator, das kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt und im EDLC speichert. Diese Energie kann dann wiederverwendet werden, um Beschleunigungsleistung bereitzustellen.

Ein weiteres Beispiel sind Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, bei denen keine hohe Bandbreite erforderlich ist, aber eine hohe Lebensdauer oder schnelles Wiederaufladen wichtig ist. Zu den Anwendungen gehören Blitzlicht, MP3-Player, statische Speicherung Geräte, die eine Konstantspannungsquelle mit niedriger Leistung benötigen, um die Informationen usw.

Mögliche zukünftige Anwendungen für EDLC sind Mobiltelefone, Laptops, Elektrofahrzeuge und alle anderen Geräte, die derzeit mit Batterien betrieben werden. Der spannendste Vorteil aus praktischer Sicht ist ihre sehr schnelle Nachladegeschwindigkeit - das bedeutete ein Elektroauto in einem Ladegerät für einige Minuten aufladen können, bis es vollständig aufgeladen ist Batterie.

EDLCs werden in vielen Power-Management-Anwendungen verwendet, die eine große Anzahl von schnellen Lade-/Entladezyklen erfordern, um kurzfristiger Bedarf im Energiebereich. Einige dieser Anwendungen werden in den folgenden Bereichen verwendet:

• Spannungsstabilisierung in Start/Stopp-Systemen;
• elektronische Türschlösser bei Stromausfall;
• regenerative Bremssysteme;
• Verteilungs-Chip;
• medizinische Ausrüstung;
• Energiespeicher;
• Unterhaltungselektronik;
• Küchengeräte;
• Echtzeituhr-Datensicherung;
• Standby-Leistung;
• Windenergie:
• Energieeffizienz und Frequenzregulierung;
• Fernspeisung für Sensoren, LEDs, Schalter;
• Backup-Speicher;
• Stromversorgung im Burst-Modus.

Entwicklungsrichtungen von Superkondensatoren

Neue vielversprechende Entwicklungen von Superkondensatoren:

• Superkondensatoren mit Graphen-Skelett-Technologie werden eine Schlüsselrolle bei EDLC spielen. In neuen Versuchen in der britischen Transportflotte werden sie verwendet, um Dieselautos in Hybride umzuwandeln, die die Energie aus regenerativem Bremsen nutzen. Von Adgero und Skeleton Technologies entwickeltes Hybridautosystem genannt UltraBoost. Beim Bremsen wird das Gerät zu einem Generator, der kinetische Energie zurückgewinnt, die sonst in Form eines Körpers verloren gehen würde. Das Herzstück dieser Technologie ist eine Bank aus fünf leistungsstarken Superkondensatoren auf Graphenbasis, die als SkelMod bekannt sind.
• Zap & Go, ein britisches Startup, bringt eine neue Art von Ladegerät speziell für Geschäftsreisende auf den Markt. Es verwendet Graphen-Superkondensatoren, um Telefone fünf Minuten lang aufzuladen.
• Eaton bietet Lösungen für Superkondensatoren in Münzgröße, große Zellen, kleine zylindrische Zellen und Module. Zum Beispiel bietet sein Supercapacitor XLR 48V-Modul Energiespeicher für Hochfrequenz-Lade-/Entladesysteme in Hybrid oder Elektrofahrzeuge, öffentliche Verkehrsmittel, Flurförderzeuge, schwere Geräte und Marine Systeme. XLR-Module bestehen aus 18 einzelnen Eaton XL60-Superkondensatoren, die 48, 6 V und 166 F mit 5 mA für den Anschluss an Systeme mit bis zu 750 V bereitstellen.

• Superkondensatoren von Maxwell Technologies werden für die regenerative Bremsenergiespeicherung in der Pekinger U-Bahn eingesetzt. China Railway Rolling Stock Corp. (CRRC - SRI) verwendet Maxwell 48 - V-Module in zwei Sätzen von energiesparenden regenerativen Geräten Bremsen für die Linie 8 des Systems, ein Stadtbahnnetz, das von Nord nach Süd durch die Hauptstadt verläuft China. Maxwell Module mit 48V bieten eine lange Lebensdauer von bis zu 10 Jahren und schnelles Laden/Entladen. Vishay bietet 220 EDLC ENYCAP mit einer Nennspannung von 2,7 V. Es kann in mehreren Anwendungen verwendet werden, einschließlich Strom-Backup, Überspannungsunterstützung Strom, Energiespeicher zum Sammeln von Energie, Mikro-USV-Netzteile und -Rückgewinnung Energie.
• Linear Technology bietet mit dem LTC3350 einen Standby-Leistungsregler, der eine serielle Einheit von bis zu vier Superkondensatoren laden und steuern kann. Der LTC3350 wurde für Automobil- und andere Transportanwendungen entwickelt und bietet die folgenden Funktionen:
  • Strom-Backup durch Aufladen der Bank mit bis zu vier Superkondensatoren bei Stromausfall. Es kann mit einer Eingangsspannung von 4,5 bis 35 V und einer Standby-Ladung von mehr als 10 A betrieben werden.
  • Ausgleich und Schutz Überspannungsschutz für eine Reihe von Superkondensatoren.
  • Überwachung von Spannung, Strom und Temperatur im System.
  • Interne Kondensatorspannungsausgleicher, die den Bedarf an Ausgleichswiderständen überflüssig machen.

Die Entwickler von Superkondensatoren versuchen ständig, diese zu modernisieren und ihre spezifische Kapazität zu erhöhen. Es liegt auf der Hand, dass Batterien in Zukunft Superkondensatoren vollständig ersetzen werden. Die Forschungsergebnisse kalifornischer Wissenschaftler haben gezeigt, dass der neuartige Ionistor seinen Pendants in der Funktionalität bereits um ein Vielfaches überlegen ist.