Supercondensatore: cos'è, dove applicarlo e come usarlo come fonte di alimentazione DC

I supercondensatori sono una nuova classe di sorgenti vicine ai potenti condensatori in funzione, e infatti - occupando una nicchia tra condensatori e sorgenti di corrente costante. Non tutti sanno cosa sia. Supercondensatori, ultracondensatori si intendono per supercondensatori. La designazione internazionale EDLC è Condensatore elettrico a doppio strato, sui circuiti elettrici è designato come R1.

Riferimento storico

Nel 1957, le prime versioni dei supercondensatori furono sviluppate dagli ingegneri della General Electric, ma non avevano applicazioni commerciali a causa della loro bassa efficienza. Nel 1966, Standard Oil scoprì accidentalmente l'effetto del condensatore a doppio strato mentre lavorava su celle a combustibile, che consentiva al supercondensatore di funzionare in modo efficiente. La società non ha commercializzato l'invenzione, ma ha ricevuto una licenza da NEC. Nel 1978 vendette questa tecnologia come "supercondensatore" per computer. In URSS, gli EDLC sono stati presentati per la prima volta nel 1978 nella pubblicazione della rivista Radio No. 5 della serie KI1-1 con una capacità da 0,2 a 50,0 F.

I primi supercondensatori per apparecchiature pesanti sono stati creati nel 1982 da PRI Ultracapacitor. Solo negli anni '90 sono stati compiuti progressi nei materiali e nei metodi di produzione, che hanno portato a un aumento della produttività e alla riduzione dei costi dei supercondensatori. Continuano a sviluppare e passare alla tecnologia delle batterie industriali utilizzando elettrodi ed elettroliti speciali.

Scopo del dispositivo elettronico

I supercondensatori (EDLC) sono dispositivi elettronici utilizzati per immagazzinare quantità estremamente elevate di carica elettrica. Sono anche conosciuti come supercondensatori, condensatori a doppio strato o ultracondensatori. Invece di utilizzare un dielettrico convenzionale, EDLC utilizza un meccanismo per immagazzinare energia elettrica: un condensatore a due strati. Ciò significa che combinano il lavoro dei condensatori convenzionali con il lavoro delle batterie convenzionali. Le capacità raggiunte utilizzando questa tecnologia possono raggiungere i 12.000 F. Per fare un confronto, la capacità dell'intera Terra è solo di circa 710 μF, che è più di 15 milioni di volte inferiore alla capacità dell'EDLC.

Mentre un tipico condensatore elettrostatico può avere un'elevata tensione operativa massima, la tipica tensione di carica massima di un EDLC è compresa tra 2,5 e 2,7 volt. Gli EDLC sono dispositivi polarizzati, il che significa che devono essere collegati correttamente al circuito, come i condensatori elettrolitici. Le proprietà elettriche di questi dispositivi, in particolare i loro rapidi tempi di carica e scarica, sono molto promettenti per molti settori in cui possono sostituire completamente le batterie.

Design e materiali del supercondensatore

Consideriamo più in dettaglio che è un supercondensatore. Il design dell'EDLC è simile a quello dei condensatori elettrolitici in quanto consiste di due elettrodi a foglio, un elettrolita, un separatore e un foglio. Il separatore è inserito tra gli elettrodi, la lamina è arrotolata o piegata in una forma, solitamente cilindrica o rettangolare. Questo stampo piegato è alloggiato in un involucro ermeticamente sigillato impregnato di elettrolita. L'elettrolita nel design EDLC, così come gli elettrodi, è diverso dall'elettrolita utilizzato nei condensatori elettrolitici convenzionali.

Per conservare la carica elettrica, l'EDLC utilizza materiali porosi come distanziatori per immagazzinare ioni nei pori a livello atomico. Il materiale più comune nei moderni EDLC è il carbone attivo. Il fatto che il carbonio non sia un buon isolante limita la massima tensione di esercizio a 3 V.

Il carbone attivo non è un materiale ideale: i portatori di carica sono di dimensioni paragonabili ai pori in materiale e alcuni di essi non possono penetrare nei pori più piccoli, il che porta a perdite e una diminuzione della capacità Conservazione.

Uno dei materiali più interessanti utilizzati in La ricerca EDLC, è il grafene. È una sostanza composta da carbonio puro in una lamina piatta dello spessore di un solo atomo. È estremamente poroso e agisce come una spugna ionica. La densità di energia ottenuta con il grafene in EDLC è paragonabile alla densità di energia ottenuta nelle batterie.

Tuttavia, mentre i prototipi EDLC di grafene sono stati realizzati come prova del concetto futuro, essi sono costosi e difficili da produrre su scala industriale, e questa circostanza ne rallenta notevolmente l'utilizzo tecnologie. Nonostante ciò, il grafene EDLC è il candidato più promettente per la futura tecnologia dei supercondensatori.

Vantaggi e svantaggi

Tra i vantaggi del dispositivo, vanno evidenziati i seguenti:

1. Tempo di ricarica. Gli EDLC hanno tempi di carica e scarica paragonabili a quelli dei condensatori convenzionali. A causa della bassa resistenza interna, è possibile ottenere elevate correnti di carica e scarica. Di solito sono necessarie diverse ore per raggiungere una batteria completamente carica. Ad esempio, come la batteria di un telefono cellulare, mentre un EDLC può essere caricato in meno di due minuti.
2. Potenza specifica. La capacità specifica della batteria, o EDLC, è una misura utilizzata per confrontare diverse tecnologie in termini di potenza in uscita divisa per il peso totale del dispositivo. Gli EDLC hanno una densità di potenza 5-10 volte quella delle batterie. Ad esempio, mentre le batterie agli ioni di litio hanno una potenza specifica di 1-3 kW/kg, la potenza specifica di un tipico EDLC è di circa 10 kW/kg. Questa proprietà è particolarmente importante nelle applicazioni che richiedono un rapido consumo di energia dai dispositivi di archiviazione.
3. Agibilità e sicurezza del ciclo. Le batterie EDLC sono più sicure delle batterie convenzionali se maneggiate male. Mentre le batterie possono esplodere a causa del calore eccessivo quando vengono cortocircuitate, gli EDLC non si riscaldano tanto a causa della loro bassa resistenza interna.
4. Gli EDLC possono essere caricati e scaricati milioni di volte e hanno una durata quasi illimitata, mentre le batterie hanno un ciclo di vita di 500 volte o meno. Ciò rende EDLC molto utile nelle applicazioni in cui sono richiesti frequenti immagazzinamenti e rilascio di energia.
5. EDLC ha una durata di vita da 10 a 20 anni, con una capacità che diminuisce dal 100% all'80% in 10 anni.
6. Grazie alla loro bassa impedenza equivalente, gli EDLC forniscono un'elevata densità di potenza e correnti di carico elevate per ottenere una carica quasi istantanea in pochi secondi. Anche le prestazioni termiche sono elevate, fornendo energia fino a -40 C°.

EDLC ha alcuni svantaggi:

1. Uno degli svantaggi è l'energia specifica relativamente bassa. L'energia specifica dell'EDLC è una misura della quantità totale di energiamemorizzato nel dispositivo diviso per il suo peso. Mentre le batterie agli ioni di litio comunemente utilizzate nei telefoni cellulari hanno un'energia specifica di 100-200 Wh/kg, gli EDLC possono immagazzinare solo 5 W/kg. Ciò significa che un EDLC con la stessa capacità di una batteria normale peserà 40 volte di più.
2. Tensione di scarica lineare. Ad esempio, una batteria con una tensione nominale di 2,7 V, quando al 50% di carica, verrà comunque emessa una tensione vicina a 2,7 V. Un EDLC valutato a 2,7 V con una carica del 50% fornisce esattamente la metà della sua carica massima di 1,35 V. Ciò significa che la tensione di uscita scenderà al di sotto della tensione operativa minima del dispositivo alimentato da EDLC e deve spegnersi prima di utilizzare tutta la carica nel condensatore. La soluzione a questo problema è utilizzare convertitori DC. Tuttavia, questo approccio introduce nuove sfide come l'efficienza e il rumore.
3. Non possono essere utilizzati come alimentazione permanente. Una cella è in genere 2,7 V e se è richiesta una tensione maggiore, le celle devono essere collegate in serie.
4. Il costo degli EDLC convenzionali è 20 volte superiore a quello delle batterie agli ioni di litio. Tuttavia, può essere ridotto a causa delle nuove tecnologie e della produzione di massa di supercondensatori.

Applicazione industriale

Poiché gli EDLC occupano l'area tra batterie e condensatori, possono essere utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni. Dove viene utilizzato il supercondensatore si può presumere in base al suo scopo. Un uso interessante è l'accumulo di energia nei sistemi di frenatura dinamica nell'industria automobilistica. è da usare generatore elettrico, che converte l'energia cinetica in energia elettrica e la immagazzina in EDLC. Questa energia può quindi essere riutilizzata per fornire potenza di accelerazione.

Un altro esempio sono le applicazioni a bassa potenza in cui non è richiesta un'elevata larghezza di banda, ma è importante un ciclo di vita elevato o una ricarica rapida. Le applicazioni includono flash fotografico, lettori MP3, archiviazione statica dispositivi che richiedono una sorgente di tensione costante a bassa potenza per mantenere informazioni, ecc.

Possibili applicazioni future per EDLC sono telefoni cellulari, laptop, veicoli elettrici e tutti gli altri dispositivi che attualmente funzionano a batterie. Il vantaggio più entusiasmante, da un punto di vista pratico, è la loro velocità di ricarica molto veloce - questo significava sarebbe in grado di caricare un'auto elettrica in un caricabatterie per alcuni minuti fino a quando non è completamente carica batteria.

Gli EDLC sono utilizzati in molte applicazioni di gestione dell'alimentazione che richiedono un numero elevato di cicli di carica/scarica rapidi per esigenze a breve termine nell'energia. Alcune di queste applicazioni sono utilizzate nelle seguenti aree:

• stabilizzazione della tensione nei sistemi di avviamento/arresto;
• serrature elettroniche in caso di mancanza di corrente;
• sistemi di frenata rigenerativa;
• chip di distribuzione;
• attrezzature mediche;
• accumulatori di energia;
• elettronica di consumo;
• elettrodomestici da cucina;
• backup dei dati dell'orologio in tempo reale;
• alimentazione in standby;
• energia eolica:
• efficienza energetica e regolazione della frequenza;
• alimentazione remota per sensori, led, interruttori;
• memoria di riserva;
• alimentazione in modalità burst.

Direzioni di sviluppo dei supercondensatori

Nuovi promettenti sviluppi dei supercondensatori:

• I supercondensatori Graphene Skeleton Technology saranno i protagonisti chiave di EDLC. In nuove prove nella flotta di trasporto del Regno Unito, vengono utilizzati per convertire le auto diesel in ibride utilizzando la potenza della frenata rigenerativa. Sistema di auto ibrida sviluppato da Adgero e Skeleton Technologies chiamato UltraBoost. Durante la frenata, il dispositivo diventa un generatore, recuperando energia cinetica che altrimenti andrebbe persa sotto forma di un corpo. Al centro di questa tecnologia c'è una banca di cinque potenti supercondensatori a base di grafene noti come SkelMod.
• Zap & Go, una startup britannica, sta lanciando un nuovo tipo di caricabatterie specifico per i viaggiatori d'affari. Utilizza supercondensatori al grafene per caricare i telefoni per cinque minuti.
• Eaton offre soluzioni per supercondensatori delle dimensioni di una moneta, celle grandi, piccole celle cilindriche e moduli. Ad esempio, il suo modulo Supercondensatore XLR 48V fornisce l'accumulo di energia per i sistemi di carica/scarica ad alta frequenza in sistemi ibridi o veicoli elettrici, trasporti pubblici, attrezzature per la movimentazione dei materiali, attrezzature pesanti e marine sistemi. I moduli XLR sono costituiti da 18 singoli supercondensatori Eaton XL60 progettati per fornire 48, 6 V e 166 F con 5 mA per il collegamento a sistemi che richiedono fino a 750 V.

• I supercondensatori Maxwell Technologies sono utilizzati per l'immagazzinamento dell'energia di frenata rigenerativa nel sistema della metropolitana di Pechino. China Railway Rolling Stock Corp. (CRRC - SRI) utilizza moduli Maxwell 48 - V in due serie di dispositivi rigenerativi a risparmio energetico frenata per la linea n.8 del sistema, una rete ferroviaria urbana che attraversa la capitale in direzione nord-sud Cina. I moduli Maxwell con 48V garantiscono una lunga durata fino a 10 anni e una carica/scarica rapida. Vishay offre 220 EDLC ENYCAP con una tensione nominale di 2,7 V. Può essere utilizzato in più applicazioni, incluso il backup dell'alimentazione, il supporto per le sovratensioni alimentazione, dispositivi di accumulo dell'energia per raccogliere energia, alimentatori e ripristino micro-UPS energia.
• La tecnologia lineare offre l'LTC3350, un controller di alimentazione in standby in grado di caricare e controllare un'unità seriale con un massimo di quattro supercondensatori. Progettato per applicazioni automobilistiche e di trasporto, l'LTC3350 offre le seguenti caratteristiche:
  • Backup dell'alimentazione caricando la banca con un massimo di quattro supercondensatori in caso di interruzione di corrente. Può funzionare con una tensione di ingresso da 4,5 a 35 V e più di 10 A di corrente di carica in standby.
  • Equilibrio e protezione protezione da sovratensione per una serie di supercondensatori.
  • Monitoraggio di tensione, corrente e temperatura nel sistema.
  • Bilanciatori di tensione del condensatore interno che eliminano la necessità di resistori di bilanciamento.

Gli sviluppatori di supercondensatori cercano costantemente di modernizzarli e aumentare la loro capacità specifica. È ovvio che in futuro le batterie sostituiranno completamente i supercondensatori. I risultati della ricerca degli scienziati californiani hanno dimostrato che il nuovo tipo di ionisti è già diverse volte superiore in termini di funzionalità ai suoi omologhi.