Superkondensator: co to jest, gdzie używać i jak używać go jako źródła prądu stałego

Superkondensatory to nowa klasa źródeł zbliżona w działaniu do potężnych kondensatorów, a tak naprawdę - zajmując niszę między kondensatorami a źródłami prądu stałego. Nie wszyscy wiedzą, co to jest. Superkondensatory, ultrakondensatory to superkondensatory. Międzynarodowe oznaczenie EDLC - Elektryczny kondensator dwuwarstwowy, w obwodach elektrycznych jest oznaczony jako R1.

Odniesienie historyczne

W 1957 roku inżynierowie General Electric opracowali wczesne wersje superkondensatorów, ale nie miały one zastosowań komercyjnych ze względu na ich niską sprawność. W 1966 roku Standard Oil przypadkowo odkrył efekt dwuwarstwowego kondensatora podczas pracy nad ogniwami paliwowymi, co pozwoliło superkondensatorowi działać wydajnie. Firma nie skomercjalizowała wynalazku, ale otrzymała licencję do NEC. W 1978 roku sprzedała tę technologię jako „superkondensator” do komputerów. W ZSRR EDLC zostały po raz pierwszy zaprezentowane w 1978 roku w publikacji magazynu Radio nr 5 serii KI1-1 o pojemności od 0,2 do 50,0 F.

Pierwsze superkondensatory do sprzętu ciężkiego zostały stworzone w 1982 roku przez PRI Ultracapacitor. Dopiero w latach 90. nastąpił postęp w materiałach i metodach wytwarzania, co doprowadziło do wzrostu wydajności i obniżenia kosztów superkondensatorów. Nadal się rozwijają i przechodzą w technologię akumulatorów przemysłowych przy użyciu specjalnych elektrod i elektrolitu.

Cel urządzenia elektronicznego

Superkondensatory (EDLC) to urządzenia elektroniczne służące do przechowywania bardzo dużych ilości ładunku elektrycznego. Znane są również jako superkondensatory, kondensatory dwuwarstwowe lub ultrakondensatory. Zamiast tradycyjnego dielektryka, EDLC wykorzystuje mechanizm magazynowania energii elektrycznej – dwuwarstwowy kondensator. Oznacza to, że łączą one pracę konwencjonalnych kondensatorów z pracą konwencjonalnych baterii. Pojemności osiągane przy użyciu tej technologii mogą sięgać nawet 12 000 F. Dla porównania pojemność całej Ziemi wynosi tylko około 710 μF, czyli ponad 15 milionów razy mniej niż pojemność EDLC.

Podczas gdy typowy kondensator elektrostatyczny może mieć wysokie maksymalne napięcie robocze, typowe maksymalne napięcie ładowania EDLC wynosi od 2,5 do 2,7 woltów. EDLC są urządzeniami spolaryzowanymi, co oznacza, że ​​muszą być prawidłowo podłączone do obwodu, podobnie jak kondensatory elektrolityczne. Właściwości elektryczne tych urządzeń, a zwłaszcza ich szybki czas ładowania i rozładowania, są bardzo obiecujące dla wielu branż, w których mogą całkowicie zastąpić akumulatory.

Konstrukcja i materiały superkondensatorów

Rozważmy bardziej szczegółowo, że jest superkondensatorem. Konstrukcja EDLC jest podobna do konstrukcji kondensatorów elektrolitycznych, ponieważ składa się z dwóch elektrod foliowych, elektrolitu, separatora i folii. Separator umieszcza się pomiędzy elektrodami, folię zwija się lub składa w kształt, zwykle cylindryczny lub prostokątny. Ta złożona forma jest umieszczona w hermetycznie zamkniętej obudowie impregnowanej elektrolitem. Elektrolit w konstrukcji EDLC, podobnie jak elektrody, różni się od elektrolitu stosowanego w konwencjonalnych kondensatorach elektrolitycznych.

Aby zachować ładunek elektryczny, EDLC wykorzystuje materiały porowate jako przekładki do przechowywania jonów w porach na poziomie atomowym. Najpopularniejszym materiałem w nowoczesnych EDLC jest węgiel aktywny. Fakt, że węgiel nie jest dobrym izolatorem, ogranicza maksymalne napięcie pracy do 3 V.

Węgiel aktywny nie jest idealnym materiałem: nośniki ładunku mają rozmiar porównywalny z porami w materiał, a niektóre z nich nie mogą wnikać w mniejsze pory, co prowadzi do nieszczelności i spadku pojemności składowanie.

Jeden z ciekawszych materiałów użytych w Badania EDLC, to grafen. Jest to substancja składająca się z czystego węgla w płaskim arkuszu o grubości zaledwie jednego atomu. Jest niezwykle porowaty i działa jak gąbka jonowa. Gęstość energii osiągnięta za pomocą grafenu w EDLC jest porównywalna do gęstości energii uzyskanej w bateriach.

Jednak chociaż prototypy grafenu EDLC zostały wykonane jako dowód przyszłej koncepcji, są drogie i trudne do wyprodukowania na skalę przemysłową, a ta okoliczność znacznie spowalnia ich wykorzystanie technologie. Mimo to grafen EDLC jest najbardziej obiecującym kandydatem do przyszłej technologii superkondensatorów.

Zalety i wady

Wśród zalet urządzenia należy wyróżnić:

1. Czas ładowania. EDLC mają czasy ładowania i rozładowania porównywalne z konwencjonalnymi kondensatorami. Dzięki niskiej rezystancji wewnętrznej można osiągnąć wysokie prądy ładowania i rozładowania. Osiągnięcie pełnego naładowania baterii zajmuje zwykle do kilku godzin. Na przykład jak bateria telefonu komórkowego, podczas gdy EDLC można naładować w mniej niż dwie minuty.
2. Moc właściwa. Pojemność właściwa baterii lub EDLC to miara używana do porównywania różnych technologii pod względem mocy wyjściowej podzielonej przez całkowitą wagę urządzenia. EDLC mają gęstość mocy 5-10 razy większą niż baterie. Na przykład, podczas gdy akumulatory litowo-jonowe mają moc właściwą 1-3 kW/kg, moc właściwa typowego EDLC wynosi około 10 kW/kg. Ta właściwość jest szczególnie ważna w aplikacjach, które wymagają szybkiego poboru energii z urządzeń pamięci masowej.
3. Żywotność i bezpieczeństwo cyklu. Baterie EDLC są bezpieczniejsze niż zwykłe baterie, gdy są niewłaściwie obsługiwane. Podczas gdy baterie mogą eksplodować z powodu nadmiernego ciepła w przypadku zwarcia, EDLC nie nagrzewają się tak bardzo ze względu na ich niską rezystancję wewnętrzną.
4. Akumulatory EDLC mogą być ładowane i rozładowywane miliony razy i mają praktycznie nieograniczoną żywotność, podczas gdy żywotność akumulatorów wynosi 500 razy lub mniej. To sprawia, że ​​EDLC jest bardzo przydatny w zastosowaniach, w których wymagane jest częste magazynowanie i uwalnianie energii.
5. EDLC ma żywotność od 10 do 20 lat, a pojemność spada od 100% do 80% w ciągu 10 lat.
6. Dzięki niskiej impedancji zastępczej EDLC zapewniają wysoką gęstość mocy i wysokie prądy obciążenia, aby osiągnąć niemal natychmiastowe ładowanie w ciągu kilku sekund. Wydajność temperaturowa jest również silna, dostarczając energię do -40 C°.

EDLC mają pewne wady:

1. Jedną z wad jest stosunkowo niska energia właściwa. Energia właściwa EDLC to miara całkowitej ilości energiiprzechowywane w urządzeniu podzielone przez jego wagę. Podczas gdy baterie litowo-jonowe powszechnie stosowane w telefonach komórkowych mają energię właściwą 100-200 Wh/kg, EDLC mogą przechowywać tylko 5 W/kg. Oznacza to, że EDLC o takiej samej pojemności jak zwykła bateria będzie ważyć 40 razy więcej.
2. Liniowe napięcie rozładowania. Na przykład akumulator o napięciu znamionowym 2,7 V, przy 50% naładowaniu, nadal będzie wyprowadzane napięcie zbliżone do 2,7 V. EDLC o napięciu 2,7 V przy 50% naładowaniu zapewnia dokładnie połowę maksymalnego naładowania 1,35 V. Oznacza to, że napięcie wyjściowe spadnie poniżej minimalnego napięcia roboczego urządzenia zasilanego przez EDLC i musi ono zostać wyłączone przed zużyciem całego ładunku w kondensatorze. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie przetwornic DC. Jednak takie podejście wprowadza nowe wyzwania, takie jak wydajność i hałas.
3. Nie mogą być używane jako stałe źródło zasilania. Jedno ogniwo ma typowo 2,7 V i jeśli wymagane jest wyższe napięcie, ogniwa muszą być połączone szeregowo.
4. Koszt konwencjonalnych akumulatorów EDLC jest 20 razy wyższy niż akumulatorów litowo-jonowych. Można go jednak zmniejszyć dzięki nowym technologiom i masowej produkcji superkondensatorów.

Aplikacja na skalę przemysłową

Ponieważ EDLC zajmują obszar między bateriami a kondensatorami, mogą być używane w wielu różnych zastosowaniach. W przypadku zastosowania superkondensatora można założyć na podstawie jego przeznaczenia. Jednym z interesujących zastosowań jest magazynowanie energii w dynamicznych układach hamulcowych w przemyśle motoryzacyjnym. jest w użyciu generator elektryczny, który zamienia energię kinetyczną na energię elektryczną i przechowuje ją w EDLC. Ta energia może być następnie ponownie wykorzystana do zapewnienia mocy przyspieszenia.

Innym przykładem są aplikacje o niskim poborze mocy, w których nie jest wymagana duża przepustowość, ale ważny jest długi cykl życia lub szybkie ładowanie. Zastosowania obejmują fotograficzną lampę błyskową, odtwarzacze MP3, pamięć statyczną urządzenia wymagające do utrzymania stałego źródła napięcia o małej mocy informacje itp.

Możliwe przyszłe zastosowania EDLC to telefony komórkowe, laptopy, pojazdy elektryczne i wszystkie inne urządzenia, które obecnie działają na bateriach. Najbardziej ekscytującą zaletą z praktycznego punktu widzenia jest bardzo duża szybkość przeładowania - to oznaczało będzie w stanie ładować samochód elektryczny w ładowarce przez kilka minut, aż do pełnego naładowania bateria.

EDLC są używane w wielu aplikacjach zarządzania energią, które wymagają dużej liczby szybkich cykli ładowania / rozładowania, aby potrzeby krótkoterminowe w energię. Niektóre z tych aplikacji są używane w następujących obszarach:

• stabilizacja napięcia w układach start/stop;
• elektroniczne zamki do drzwi w przypadku awarii zasilania;
• regeneracyjne układy hamulcowe;
• chip dystrybucyjny;
• wyposażenie medyczne;
• akumulatory energii;
• elektroniki użytkowej;
• Urządzenia kuchenne;
• kopia zapasowa danych zegara czasu rzeczywistego;
• moc czuwania;
• Energia wiatrowa:
• efektywność energetyczna i regulacja częstotliwości;
• zdalne zasilanie czujników, diod LED, przełączników;
• pamięć zapasowa;
• zasilanie w trybie burst.

Kierunki rozwoju superkondensatorów

Nowe obiecujące osiągnięcia superkondensatorów:

• Superkondensatory Graphene Skeleton Technology będą kluczowymi graczami w EDLC. W nowych próbach we flocie transportowej Wielkiej Brytanii są one wykorzystywane do przekształcania samochodów z silnikiem Diesla w hybrydy, wykorzystując moc hamowania rekuperacyjnego. Hybrydowy system samochodowy opracowany przez Adgero i Skeleton Technologies o nazwie UltraBoost. Podczas hamowania urządzenie staje się generatorem, odzyskując energię kinetyczną, która w innym przypadku zostałaby utracona w postaci ciała. Sercem tej technologii jest bank pięciu potężnych superkondensatorów na bazie grafenu, znanych jako SkelMod.
• Zap & Go, brytyjski startup, wprowadza na rynek nowy typ ładowarki specjalnie dla osób podróżujących służbowo. Wykorzystuje superkondensatory grafenowe do ładowania telefonów przez pięć minut.
• Eaton oferuje rozwiązania dla superkondensatorów wielkości monety, dużych ogniw, małych ogniw cylindrycznych i modułów. Na przykład jego moduł Superkondensator XLR 48V zapewnia magazynowanie energii dla systemów ładowania/rozładowania o wysokiej częstotliwości w pojazdach hybrydowych lub pojazdów elektrycznych, transportu publicznego, sprzętu przeładunkowego, sprzętu ciężkiego i morskiego systemy. Moduły XLR składają się z 18 pojedynczych superkondensatorów Eaton XL60 zaprojektowanych do dostarczania 48, 6 V i 166 F z prądem 5 mA do podłączenia do systemów wymagających napięcia do 750 V.

• Superkondensatory firmy Maxwell Technologies są wykorzystywane do magazynowania energii z odzysku energii hamowania w pekińskim metrze. China Railway Tabor kolejowy Corp. (CRRC - SRI) wykorzystuje moduły Maxwell 48 - V w dwóch zestawach energooszczędnych urządzeń regeneracyjnych hamowanie dla linii 8 systemu, miejskiej sieci kolejowej biegnącej z północy na południe przez stolicę Chiny. Moduły Maxwell z napięciem 48V zapewniają długą żywotność do 10 lat oraz szybkie ładowanie/rozładowywanie. Vishay oferuje 220 EDLC ENYCAP o napięciu znamionowym 2,7 V. Może być używany w wielu aplikacjach, w tym do zasilania awaryjnego, obsługi przepięć zasilanie, zasobniki energii do gromadzenia energii, zasilacze micro-UPS i odzyskiwanie energia.
• Technologia liniowa oferuje LTC3350, rezerwowy kontroler mocy, który może ładować i sterować jednostką szeregową z maksymalnie czterema superkondensatorami. Zaprojektowany z myślą o motoryzacji i innych zastosowaniach transportowych, LTC3350 oferuje następujące funkcje:
  • Podtrzymanie zasilania poprzez ładowanie banku do czterech superkondensatorów w przypadku awarii zasilania. Może pracować z napięciem wejściowym od 4,5 do 35 V i prądem czuwania powyżej 10 A.
  • Równoważenie i ochrona ochrona przeciwprzepięciowa dla serii superkondensatorów.
  • Monitoring napięcia, prądu i temperatury w systemie.
  • Wewnętrzne stabilizatory napięcia kondensatorów, które eliminują potrzebę równoważenia rezystorów.

Konstruktorzy superkondensatorów nieustannie starają się je unowocześniać i zwiększać ich pojemność właściwą. Oczywiście w przyszłości akumulatory całkowicie zastąpią superkondensatory. Wyniki badań kalifornijskich naukowców wykazały, że nowy typ jonizatorów jest już kilkakrotnie lepszy pod względem funkcjonalności od swoich odpowiedników.