Superkondensaator: mis see on, kus kasutada ja kuidas seda alalisvooluallikana kasutada

Superkondensaatorid on uus allikate klass, mis on oma funktsioonilt lähedal võimsatele kondensaatoritele ja tegelikult - hõivates niši kondensaatorite ja püsivooluallikate vahel. Mitte igaüks ei tea, mis see on. Superkondensaatorite all mõeldakse superkondensaatoreid, ultrakondensaatoreid. Rahvusvaheline tähis EDLC – elektriline kahekihiline kondensaator, elektriahelatel on tähistatud kui R1.

Ajalooline viide

1957. aastal töötasid General Electricu insenerid välja superkondensaatorite varased versioonid, kuid neil ei olnud nende madala efektiivsuse tõttu kaubanduslikku rakendust. 1966. aastal avastas Standard Oil kütuseelementide kallal töötades kogemata kahekihilise kondensaatori efekti, mis võimaldas superkondensaatoril tõhusalt töötada. Ettevõte leiutist ei turustanud, vaid sai NEC-ile litsentsi. 1978. aastal müüs ta selle tehnoloogia arvutite "superkondensaatorina". NSV Liidus esitleti EDLC-sid esmakordselt 1978. aastal ajakirja Raadio nr 5 väljaandes KI1-1 seerias mahuga 0,2–50,0 F.

Esimesed superkondensaatorid raskeveokite seadmete jaoks lõi 1982. aastal PRI Ultracapacitor. Alles 1990. aastatel tehti edusamme materjalide ja tootmismeetodite vallas, mis tõi kaasa tootlikkuse suurenemise ja superkondensaatorite kulude vähenemise. Nad jätkavad arendamist ja üleminekut tööstuslikule akutehnoloogiale, kasutades spetsiaalseid elektroode ja elektrolüüte.

Elektroonilise seadme eesmärk

Superkondensaatorid (EDLC) on elektroonilised seadmed, mida kasutatakse ülisuure elektrilaengu salvestamiseks. Neid nimetatakse ka superkondensaatoriteks, kahekihilisteks kondensaatoriteks või ultrakondensaatoriteks. Tavapärase dielektriku asemel kasutab EDLC elektrienergia salvestamise mehhanismi – kahekihilist kondensaatorit. See tähendab, et nad ühendavad tavaliste kondensaatorite töö tavaliste akude tööga. Selle tehnoloogiaga saavutatav võimsus võib ulatuda 12 000 F. Võrdluseks, kogu Maa võimsus on vaid umbes 710 μF, mis on enam kui 15 miljonit korda väiksem kui EDLC võimsus.

Kui tüüpilise elektrostaatilise kondensaatori maksimaalne tööpinge võib olla kõrge, siis EDLC tüüpiline maksimaalne laadimispinge on vahemikus 2,5–2,7 volti. EDLC-d on polariseeritud seadmed, mis tähendab, et need peavad olema vooluringiga õigesti ühendatud, nagu elektrolüüdi kondensaatorid. Nende seadmete elektrilised omadused, eriti nende kiire laadimis- ja tühjenemisajad, on paljutõotavad paljudele tööstusharudele, kus need võivad patareisid täielikult asendada.

Superkondensaatori disain ja materjalid

Vaatleme seda üksikasjalikumalt on superkondensaator. EDLC konstruktsioon sarnaneb elektrolüütkondensaatorite omaga, kuna see koosneb kahest fooliumelektroodist, elektrolüüdist, separaatorist ja fooliumist. Eraldaja asetatakse elektroodide vahele, foolium rullitakse või volditakse tavaliselt silindriliseks või ristkülikukujuliseks. See volditud vorm asub hermeetiliselt suletud korpuses, mis on immutatud elektrolüüdiga. EDLC konstruktsioonis olev elektrolüüt ja ka elektroodid erinevad tavalistes elektrolüütkondensaatorites kasutatavast elektrolüüdist.

Elektrilaengu säästmiseks kasutab EDLC poorseid materjale vahetükkidena ioonide säilitamiseks poorides aatomitasandil. Tänapäevaste EDLC-de kõige levinum materjal on aktiivsüsi. Asjaolu, et süsinik ei ole hea isolaator, piirab maksimaalse tööpinge 3 V-ni.

Aktiivsüsi ei ole ideaalne materjal: laengukandjad on suuruselt võrreldavad nende pooridega materjalist ja mõned neist ei suuda tungida väiksematesse pooridesse, mis põhjustab lekkeid ja mahu vähenemist ladustamine.

Üks huvitavamaid materjale, mida kasutatakse EDLC-uuringud on grafeen. See on aine, mis koosneb puhtast süsinikust vaid ühe aatomi paksuses lamedas lehes. See on äärmiselt poorne ja toimib nagu ioonne käsn. Grafeeniga saavutatud energiatihedus EDLC-s on võrreldav akudes saadava energiatihedusega.

Kuigi grafeeni EDLC prototüübid on tehtud tulevikukontseptsiooni tõestuseks, on need on kallid ja tööstuslikus mastaabis raskesti valmistatavad ning see asjaolu aeglustab oluliselt selle kasutamist tehnoloogiaid. Sellest hoolimata on grafeen EDLC tulevase superkondensaatoritehnoloogia kõige lootustandvam kandidaat.

Eelised ja miinused

Seadme eeliste hulgas tuleks esile tõsta järgmist:

1. Laadimisaeg. EDLC-de laadimis- ja tühjenemisajad on võrreldavad tavaliste kondensaatorite omadega. Madala sisetakistuse tõttu on võimalik saavutada kõrgeid laadimis- ja tühjendusvoolusid. Tavaliselt kulub täislaetud akuni jõudmiseks mitu tundi. Näiteks nagu mobiiltelefoni aku, samas kui EDLC-d saab laadida vähem kui kahe minutiga.
2. Spetsiifiline võimsus. Battery Specific Capacity ehk EDLC on mõõt, mida kasutatakse erinevate tehnoloogiate võrdlemiseks väljundvõimsuse jagamisel seadme kogumassiga. EDLC-de võimsustihedus on 5–10 korda suurem kui patareidel. Näiteks kui liitiumioonakude erivõimsus on 1–3 kW / kg, siis tüüpilise EDLC erivõimsus on umbes 10 kW / kg. See omadus on eriti oluline rakendustes, mis nõuavad salvestusseadmetelt kiiret energiatarve.
3. Tsükli elujõulisus ja ohutus. EDLC-akud on vale käsitsemise korral ohutumad kui tavalised akud. Kui akud võivad lühistamisel liigse kuumuse tõttu plahvatada, siis EDLC-d ei kuumene nende madala sisetakistuse tõttu nii palju.
4. EDLC-sid saab laadida ja tühjendada miljoneid kordi ning nende eluiga on peaaegu piiramatu, samas kui akude eluiga on 500 korda või vähem. See muudab EDLC väga kasulikuks rakendustes, kus on vaja sagedast energia salvestamist ja vabastamist.
5. EDLC eluiga on 10–20 aastat, võimsus väheneb 10 aasta jooksul 100%-lt 80%-le.
6. Tänu madalale ekvivalenttakistusele tagavad EDLC-d suure võimsustiheduse ja suure koormusvoolu, et saavutada peaaegu hetkeline laadimine sekunditega. Temperatuuri jõudlus on samuti tugev, pakkudes energiat kuni -40 C °.

EDLC-l on mõned puudused:

1. Üheks puuduseks on suhteliselt madal erienergia. EDLC erienergia on energia koguhulga mõõtjagatuna seadme kaaluga. Kui mobiiltelefonides tavaliselt kasutatavate liitiumioonakude erienergia on 100–200 Wh / kg, siis EDLC-d suudavad salvestada ainult 5 W / kg. See tähendab, et tavalise akuga sama mahutavusega EDLC kaalub 40 korda rohkem.
2. Lineaarne tühjenduspinge. Näiteks 2,7 V nimipingega aku väljastatakse 50% laadimisel ikkagi 2,7 V lähedast pinget. EDLC, mille nimipinge on 2,7 V 50% laadimise juures, annab täpselt poole maksimaalsest 1,35 V laadimisest. See tähendab, et väljundpinge langeb alla EDLC-toitega seadme minimaalse tööpinge ja see peab enne kondensaatori kogu laengu kasutamist välja lülituma. Selle probleemi lahenduseks on alalisvoolumuundurite kasutamine. Selline lähenemine toob aga kaasa uusi väljakutseid, nagu tõhusus ja müra.
3. Neid ei saa kasutada püsiva toiteallikana. Üks element on tavaliselt 2,7 V ja kui on vaja kõrgemat pinget, tuleb elemendid ühendada järjestikku.
4. Tavaliste EDLC-de maksumus on 20 korda kõrgem kui liitiumioonakudel. Seda saab aga vähendada tänu uutele tehnoloogiatele ja superkondensaatorite masstootmisele.

Tööstuslik rakendus

Kuna EDLC-d hõivavad akude ja kondensaatorite vahelise ala, saab neid kasutada väga erinevates rakendustes. Kus superkondensaatorit kasutatakse, võib eeldada selle otstarbest lähtuvalt. Üks huvitav kasutusala on energia salvestamine dünaamilistes pidurisüsteemides autotööstuses. Kas kasutada elektrigeneraator, mis muundab kineetilise energia elektrienergiaks ja salvestab selle EDLC-sse. Seda energiat saab seejärel taaskasutada kiirendusjõu saamiseks.

Teine näide on väikese võimsusega rakendused, kus suurt läbilaskevõimet ei nõuta, kuid oluline on pikk elutsükkel või kiire laadimine. Rakenduste hulka kuuluvad fotovälklamp, MP3-mängijad, staatiline salvestusruum seadmed, mille hooldamiseks on vaja väikese võimsusega konstantse pinge allikat info jne.

EDLC võimalikud tulevased rakendused on mobiiltelefonid, sülearvutid, elektrisõidukid ja kõik muud seadmed, mis praegu töötavad akudega. Praktilisest küljest on kõige põnevam eelis nende väga kiire taaslaadimiskiirus – see tähendas suudaks elektriautot mõne minuti laadijas laadida, kuni see on täielikult laetud aku.

EDLC-sid kasutatakse paljudes toitehaldusrakendustes, mille jaoks on vaja palju kiireid laadimis- ja tühjendustsükleid lühiajalised vajadused energias. Mõnda neist rakendustest kasutatakse järgmistes valdkondades:

• pinge stabiliseerimine käivitus-/seiskamissüsteemides;
• elektroonilised ukselukud elektrikatkestuse korral;
• regeneratiivsed pidurisüsteemid;
• jaotuskiip;
• meditsiiniseadmed;
• energiaakud;
• Koduelektroonika;
• köögitehnika;
• reaalajas kella andmete varundamine;
• ooterežiimi toide;
• tuuleenergia:
• energiatõhususe ja sageduse reguleerimine;
• Andurite, LED-ide, lülitite kaugtoiteallikas;
• varumälu;
• toiteallikas sarivõtte režiimis.

Superkondensaatorite arendamise suunad

Superkondensaatorite uued paljulubavad arendused:

• Graphene Skeleton Technology superkondensaatorid on EDLC võtmeisikud. Uutes katsetes Ühendkuningriigi transpordipargis kasutatakse neid diiselmootoriga autode hübriidideks muutmiseks, kasutades regeneratiivpidurduse jõudu. Hübriidauto süsteem, mille on välja töötanud Adgero ja Skeleton Technologies nimega UltraBoost. Pidurdamisel muutub seade generaatoriks, mis taastab kineetilise energia, mis muidu keha kujul kaduma läheks. Selle tehnoloogia keskmes on viie võimsa grafeenipõhise superkondensaatori pank, mida tuntakse nime all SkelMod.
• Ühendkuningriigi idufirma Zap & Go toob turule uut tüüpi laadija, mis on mõeldud spetsiaalselt ärireisijatele. See kasutab telefonide viieks minutiks laadimiseks grafeeni superkondensaatoreid.
• Eaton pakub lahendusi mündisuuruste superkondensaatorite, suurte elementide, väikeste silindriliste elementide ja moodulite jaoks. Näiteks pakub selle Supercapacitor XLR 48V moodul energiasalvestust suure võimsusega sagedusega laadimis-/tühjendussüsteemide jaoks hübriidsüsteemides. või elektrisõidukid, ühistransport, materjalikäitlusseadmed, rasketehnika ja meresõidukid süsteemid. XLR-moodulid koosnevad 18 individuaalsest Eaton XL60 superkondensaatorist, mis on loodud pakkuma 48, 6 V ja 166 F pinget 5 mA-ga ühendamiseks süsteemidega, mis nõuavad kuni 750 V.

• Maxwell Technologies superkondensaatoreid kasutatakse Pekingi metroosüsteemis regeneratiivse pidurdusenergia salvestamiseks. China Railway Rolling Stock Corp. (CRRC - SRI) kasutab Maxwell 48 - V mooduleid kahes energiasäästlikes regeneratiivsetes seadmetes pidurdamine süsteemi liinil nr 8, linna raudteevõrgustik, mis kulgeb põhja-lõuna suunas läbi pealinna Hiina. Maxwelli 48V moodulid tagavad pika kasutusea kuni 10 aastat ja kiire laadimise/tühjenemise. Vishay pakub 220 EDLC ENYCAP-i nimipingega 2,7 V. Seda saab kasutada mitmes rakenduses, sealhulgas toitevarunduses, ülepingetoetuses võimsus, energiasalvestusseadmed energia kogumiseks, mikro-UPS-i toiteallikad ja taaskasutamine energiat.
• Lineaartehnoloogia pakub LTC3350, ooterežiimi toitekontrollerit, mis suudab laadida ja juhtida kuni neljast superkondensaatorist koosnevat jadaseadet. Auto- ja muude transpordirakenduste jaoks mõeldud LTC3350 pakub järgmisi funktsioone:
  • Toiteallika varundamine, laadides elektrikatkestuse korral panka kuni nelja superkondensaatoriga. See võib töötada sisendpingega 4,5 kuni 35 V ja ooterežiimi laenguga üle 10 A.
  • Tasakaalustamine ja kaitse superkondensaatorite seeria ülepingekaitse.
  • Pinge, voolu ja temperatuuri jälgimine süsteemis.
  • Sisekondensaatori pinge tasakaalustajad, mis välistavad vajaduse tasakaalustavate takistite järele.

Superkondensaatorite arendajad püüavad neid pidevalt moderniseerida ja nende erivõimsust suurendada. On ilmne, et tulevikus asendavad akud täielikult superkondensaatorid. California teadlaste uurimistulemused on näidanud, et uut tüüpi ionistorid on juba oma funktsionaalsuselt mitu korda paremad kui oma kolleegid.