Superkondenzátor: čo to je, kde ho použiť a ako ho použiť ako zdroj jednosmerného prúdu

Superkondenzátory sú novou triedou zdrojov, ktoré sú svojou funkciou blízke výkonným kondenzátorom a v skutočnosti - zaberajúce medzeru medzi kondenzátormi a zdrojmi konštantného prúdu. Nie každý vie, čo to je. Superkondenzátory, ultrakondenzátory sú myslené superkondenzátory. Medzinárodné označenie EDLC - Elektrický dvojvrstvový kondenzátor, na elektrických obvodoch je označený ako R1.

Historický odkaz

V roku 1957 inžinieri General Electric vyvinuli skoré verzie superkondenzátorov, ktoré však nemali komerčné využitie kvôli svojej nízkej účinnosti. V roku 1966 Standard Oil náhodne objavil efekt dvojvrstvového kondenzátora pri práci na palivových článkoch, čo umožnilo efektívne fungovanie superkondenzátora. Spoločnosť vynález nekomercializovala, ale získala licenciu od NEC. V roku 1978 predala túto technológiu ako „superkondenzátor“ pre počítače. V ZSSR boli EDLC prvýkrát predstavené v roku 1978 v publikácii časopisu Radio No. 5 série KI1-1 s kapacitou 0,2 až 50,0 F.

Prvé superkondenzátory pre vysokovýkonné zariadenia boli vytvorené v roku 1982 spoločnosťou PRI Ultracapacitor. Až v 90. rokoch sa dosiahol pokrok v materiáloch a výrobných metódach, čo viedlo k zvýšeniu produktivity a zníženiu nákladov na superkondenzátory. Pokračujú vo vývoji a presúvajú sa do technológie priemyselných batérií pomocou špeciálnych elektród a elektrolytu.

Účel elektronického zariadenia

Superkondenzátory (EDLC) sú elektronické zariadenia, ktoré sa používajú na ukladanie extrémne veľkého množstva elektrického náboja. Sú tiež známe ako superkondenzátory, dvojvrstvové kondenzátory alebo ultrakondenzátory. Namiesto použitia konvenčného dielektrika využíva EDLC mechanizmus na uchovávanie elektrickej energie – dvojvrstvový kondenzátor. To znamená, že kombinujú prácu bežných kondenzátorov s prácou bežných batérií. Kapacity dosiahnuté pomocou tejto technológie môžu byť až 12 000 F. Pre porovnanie, kapacita celej Zeme je len asi 710 μF, čo je viac ako 15 miliónov krát menej ako kapacita EDLC.

Zatiaľ čo typický elektrostatický kondenzátor môže mať vysoké maximálne prevádzkové napätie, typické maximálne nabíjacie napätie EDLC je medzi 2,5 a 2,7 voltmi. EDLC sú polarizované zariadenia, čo znamená, že musia byť správne pripojené k obvodu, ako napríklad elektrolytické kondenzátory. Elektrické vlastnosti týchto zariadení, najmä ich rýchle nabíjanie a vybíjanie, sú veľmi sľubné pre mnohé odvetvia, kde dokážu úplne nahradiť batérie.

Dizajn a materiály superkondenzátora

Uvažujme o tom podrobnejšie je superkondenzátor. Konštrukcia EDLC je podobná ako pri elektrolytických kondenzátoroch v tom, že pozostáva z dvoch fóliových elektród, elektrolytu, separátora a fólie. Separátor je vložený medzi elektródy, fólia je zrolovaná alebo zložená do tvaru, zvyčajne valcového alebo obdĺžnikového. Táto skladaná forma je umiestnená v hermeticky uzavretom obale impregnovanom elektrolytom. Elektrolyt v prevedení EDLC, ako aj elektródy, sa líšia od elektrolytu používaného v bežných elektrolytických kondenzátoroch.

Na zachovanie elektrického náboja používa EDLC porézne materiály ako rozpery na ukladanie iónov v póroch na atómovej úrovni. Najbežnejším materiálom v moderných EDLC je aktívne uhlie. Skutočnosť, že uhlík nie je dobrým izolantom, obmedzuje maximálne prevádzkové napätie na 3 V.

Aktívne uhlie nie je ideálny materiál: nosiče náboja majú veľkosť porovnateľnú s pórmi materiálu a niektoré z nich nedokážu preniknúť do menších pórov, čo vedie k netesnostiam a zníženiu kapacity skladovanie.

Jeden z najzaujímavejších použitých materiálov Výskum EDLC je grafén. Je to látka zložená z čistého uhlíka v plochom plechu s hrúbkou iba jedného atómu. Je extrémne porézny a pôsobí ako iónová špongia. Hustota energie dosiahnutá pomocou grafénu v EDLC je porovnateľná s hustotou energie získanou s batériami.

Avšak zatiaľ čo prototypy grafénu EDLC boli vyrobené ako dôkaz budúceho konceptu, oni sú drahé a ťažko sa vyrábajú v priemyselnom meradle a táto okolnosť výrazne spomaľuje ich používanie technológie. Napriek tomu je grafén EDLC najsľubnejším kandidátom na budúcu technológiu superkondenzátorov.

Výhody a nevýhody

Medzi výhody zariadenia je potrebné zdôrazniť:

1. Čas nabíjania. EDLC majú časy nabíjania a vybíjania porovnateľné s konvenčnými kondenzátormi. Vďaka nízkemu vnútornému odporu je možné dosiahnuť vysoké nabíjacie a vybíjacie prúdy. Dosiahnutie úplne nabitej batérie zvyčajne trvá až niekoľko hodín. Napríklad ako batéria mobilného telefónu, zatiaľ čo EDLC sa dá nabiť za menej ako dve minúty.
2. Špecifická sila. Špecifická kapacita batérie alebo EDLC je miera používaná na porovnanie rôznych technológií z hľadiska výkonu vydeleného celkovou hmotnosťou zariadenia. EDLC majú hustotu energie 5-10 krát väčšiu ako batérie. Napríklad, zatiaľ čo lítium-iónové batérie majú špecifický výkon 1-3 kW/kg, špecifický výkon typického EDLC je približne 10 kW/kg. Táto vlastnosť je obzvlášť dôležitá v aplikáciách, ktoré vyžadujú rýchly odber energie z úložných zariadení.
3. Životaschopnosť a bezpečnosť cyklu. Batérie EDLC sú pri nesprávnom zaobchádzaní bezpečnejšie ako bežné batérie. Zatiaľ čo batérie môžu pri skrate v dôsledku nadmerného tepla explodovať, EDLC sa vďaka nízkemu vnútornému odporu až tak nezahrievajú.
4. EDLC možno nabiť a vybiť miliónkrát a majú prakticky neobmedzenú životnosť, zatiaľ čo batérie majú životnosť 500-krát alebo menej. Vďaka tomu je EDLC veľmi užitočný v aplikáciách, kde sa vyžaduje časté ukladanie a uvoľňovanie energie.
5. EDLC má životnosť 10 až 20 rokov, pričom kapacita sa počas 10 rokov zníži zo 100 % na 80 %.
6. Vďaka nízkej ekvivalentnej impedancii poskytujú EDLC vysokú hustotu výkonu a vysoké zaťažovacie prúdy na dosiahnutie takmer okamžitého nabitia v priebehu niekoľkých sekúnd. Teplotný výkon je tiež silný a poskytuje energiu až do -40 C °.

EDLC majú niektoré nevýhody:

1. Jednou z nevýhod je relatívne nízka merná energia. Špecifická energia EDLC je miera celkového množstva energieuložené v zariadení vydelené jeho hmotnosťou. Zatiaľ čo lítium-iónové batérie bežne používané v mobilných telefónoch majú špecifickú energiu 100-200 Wh/kg, EDLC dokážu uložiť len 5 W/kg. To znamená, že EDLC s rovnakou kapacitou ako bežná batéria bude vážiť 40-krát viac.
2. Lineárne vybíjacie napätie. Napríklad batéria s menovitým napätím 2,7 V, keď pri 50% nabití bude stále na výstupe napätie blízke 2,7 V. EDLC s menovitým napätím 2,7 V pri 50 % nabití poskytuje presne polovicu svojho maximálneho nabitia 1,35 V. To znamená, že výstupné napätie klesne pod minimálne prevádzkové napätie zariadenia napájaného EDLC a zariadenie sa musí vypnúť pred spotrebovaním všetkého náboja v kondenzátore. Riešením tohto problému je použitie jednosmerných meničov. Tento prístup však prináša nové výzvy, akými sú účinnosť a hluk.
3. Nemožno ich použiť ako trvalé napájanie. Jeden článok je typicky 2,7 ​​V a ak je potrebné vyššie napätie, články musia byť zapojené do série.
4. Náklady na konvenčné EDLC sú 20-krát vyššie ako náklady na lítium-iónové batérie. Môže sa však znížiť vďaka novým technológiám a masovej výrobe superkondenzátorov.

Priemyselná aplikácia

Keďže EDLC zaberajú oblasť medzi batériami a kondenzátormi, môžu byť použité v širokej škále aplikácií. Kde sa superkondenzátor použije, možno predpokladať na základe jeho účelu. Jedným zaujímavým využitím je skladovanie energie v dynamických brzdových systémoch v automobilovom priemysle. Je na použitie elektrický generátor, ktorý premieňa kinetickú energiu na elektrickú energiu a ukladá ju do EDLC. Táto energia sa potom môže znova použiť na poskytnutie akceleračnej sily.

Ďalším príkladom sú aplikácie s nízkou spotrebou energie, kde nie je potrebná vysoká priepustnosť, ale dôležitý je vysoký životný cyklus alebo rýchle dobíjanie. Aplikácie zahŕňajú fotografický blesk, MP3 prehrávače, statické úložisko zariadenia, ktoré na údržbu vyžadujú zdroj konštantného napätia s nízkym výkonom informácie a pod.

Možné budúce aplikácie pre EDLC sú mobilné telefóny, notebooky, elektrické vozidlá a všetky ostatné zariadenia, ktoré v súčasnosti bežia na batérie. Najzaujímavejšou výhodou z praktického hľadiska je ich veľmi vysoká rýchlosť nabíjania – to znamená by dokázal nabiť elektromobil v nabíjačke niekoľko minút, kým sa úplne nenabije batérie.

EDLC sa používajú v mnohých aplikáciách správy napájania, ktoré vyžadujú veľké množstvo cyklov rýchleho nabíjania / vybíjania krátkodobé potreby v energetike. Niektoré z týchto aplikácií sa používajú v nasledujúcich oblastiach:

• stabilizácia napätia v systémoch štart / stop;
• elektronické zámky dverí v prípade výpadku prúdu;
• regeneratívne brzdové systémy;
• distribučný čip;
• medicínske vybavenie;
• akumulátory energie;
• spotrebná elektronika;
• kuchynské spotrebiče;
• zálohovanie údajov hodín v reálnom čase;
• pohotovostný režim;
• veterná energia:
• energetická účinnosť a regulácia frekvencie;
• Diaľkové napájanie pre senzory, LED diódy, spínače;
• zálohovacia pamäť;
• napájanie v nárazovom režime.

Smery vývoja superkondenzátorov

Nový sľubný vývoj superkondenzátorov:

• Superkondenzátory Graphene Skeleton Technology budú kľúčovými hráčmi v EDLC. V nových testoch v britskej dopravnej flotile sa používajú na premenu dieselových áut na hybridy využívajúce energiu z regeneratívneho brzdenia. Hybridný automobilový systém vyvinutý spoločnosťami Adgero a Skeleton Technologies s názvom UltraBoost. Počas brzdenia sa zo zariadenia stáva generátor, ktorý rekuperuje kinetickú energiu, ktorá by sa inak stratila vo forme tela. Srdcom tejto technológie je skupina piatich výkonných superkondenzátorov na báze grafénu známych ako SkelMod.
• Zap & Go, britský startup, uvádza na trh nový typ nabíjačky špeciálne pre obchodných cestujúcich. Na päťminútové nabíjanie telefónov využíva grafénové superkondenzátory.
• Eaton ponúka riešenia pre superkondenzátory veľkosti mince, veľké články, malé valcové články a moduly. Napríklad jeho modul Supercapacitor XLR 48V poskytuje akumuláciu energie pre vysokovýkonné frekvenčné systémy nabíjania/vybíjania v hybridnom alebo elektrických vozidiel, verejnej dopravy, zariadení na manipuláciu s materiálom, ťažkých zariadení a námornej dopravy systémov. XLR moduly pozostávajú z 18 samostatných superkondenzátorov Eaton XL60 navrhnutých tak, aby poskytovali napätie 48, 6 V a 166 F s 5 mA na pripojenie k systémom vyžadujúcim napätie až 750 V.

• Superkondenzátory Maxwell Technologies sa používajú na regeneratívne ukladanie energie pri brzdení v systéme pekinského metra. China Railway Rolling Stock Corp. (CRRC - SRI) využíva moduly Maxwell 48 - V v dvoch súpravách energeticky úsporných regeneračných zariadení brzdenie pre linku č.8 systému, mestskú železničnú sieť, ktorá vedie severojužným smerom cez hlavné mesto Čína. Moduly Maxwell s 48V poskytujú dlhú životnosť až 10 rokov a rýchle nabíjanie / vybíjanie. Vishay ponúka 220 EDLC ENYCAP s menovitým napätím 2,7V. Môže byť použitý vo viacerých aplikáciách, vrátane zálohovania napájania, podpory prepätia napájanie, zariadenia na ukladanie energie na zhromažďovanie energie, napájanie micro-UPS a rekuperáciu energie.
• Lineárna technológia ponúka LTC3350, pohotovostný regulátor napájania, ktorý dokáže nabíjať a ovládať sériovú jednotku až štyroch superkondenzátorov. LTC3350, navrhnutý pre automobilové a iné dopravné aplikácie, ponúka nasledujúce funkcie:
  • Zálohovanie energie nabitím banky až štyrmi superkondenzátormi v prípade výpadku prúdu. Môže pracovať so vstupným napätím 4,5 až 35 V a viac ako 10 A pohotovostného nabíjacieho prúdu.
  • Vyváženie a ochrana prepäťová ochrana pre sériu superkondenzátorov.
  • Monitorovanie napätia, prúdu a teploty v systéme.
  • Vnútorné vyrovnávače napätia kondenzátora, ktoré eliminujú potrebu vyrovnávacích odporov.

Vývojári superkondenzátorov sa ich neustále snažia modernizovať a zvyšovať ich špecifickú kapacitu. Je zrejmé, že v budúcnosti batérie úplne nahradia superkondenzátory. Výsledky výskumu kalifornských vedcov ukázali, že nový typ ionistorov už niekoľkonásobne prevyšuje funkčnosť svojich kolegov.