Использование суперконденсаторов CAP-XX в устройствах с питанием от солнечных батарей
На портале Унитера мы уже знакомили наших читателей с ультратонкими суперконденсаторами от компании CAP-XX. Некоторые из опубликованных статей рассказывали о практических результатах использования этих компонентов в реальных схемах. В частности были рассмотрены преимущества их применения в качестве буферных элементов в мобильных устройствах с аккумуляторным питанием. В данной статье мы рассмотрим потенциал использования суперконденсаторов в системах с питанием от солнечных батарей.
Рис. 1. Сверхтонкие суперконденсаторы от CAP-XX
По своим характеристикам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между аккумуляторами и обычными конденсаторами. Например, сверхтонкие суперконденсаторы компании CAP-XX при минимальной толщине (от 0,6 мм) обладают удельной емкостью, приближающейся к аккумуляторам. С другой стороны, они способны обеспечивать высокие разрядные токи и отличаются малым значением последовательного активного сопротивления (ESR), что роднит их с обычными конденсаторами.
Стоит отметить, что ярко выраженным импульсным характером потребления отличается большинство современных портативных устройств с аккумуляторным питанием (рис. 2). Это значит, что электроника в таких системах находится в активном состоянии с высоким потреблением не постоянно, а периодически. Оставшееся время проходит в режиме сна, в котором питающий ток имеет минимальное значение.
Рис. 2. Импульсный характер потребления современных устройств
Если разница между пиковым и средним значением тока достаточно велика, то для продления жизни аккумуляторов рекомендуется использовать суперконденсаторы, о чем рассказывалось в одной из прошлых статей Унитеры. Примерами устройств с ярко выраженным импульсным потреблением являются светодиодные вспышки фотоаппаратов, устройства с GSM и GPRS приемопередатчиками, системы с картами памяти (PC и CF+).
Смена батареек или заряд аккумуляторов в автономных устройствах является весьма затратным мероприятием. По этой причине все большее распространение получают системы питания с различными харвестерами энергии, в частности с использованием солнечных батарей. Однако, из-за высоких значений импульсных токов в таких устройствах прямое использование маломощных солнечных батарей затруднено. Они могут легко обеспечить ток покоя, но не справляются с пиковыми нагрузками (рис. 3). Впрочем, эту проблему можно решить с помощью суперконденсаторов.
Рис. 3. Солнечные батареи не подходят для прямого питания импульсной нагрузки
Суть решения заключается в том, что солнечная батарея постоянно подзаряжает буферный суперконденсатор (рис. 4). Таким образом, энергия света не пропадает впустую, а накапливается, и при необходимости может быть передана в нагрузку.
Суперконденсатор в данном случае подходит идеально, так как имеет минимальное значение последовательного сопротивления и способен обеспечить высокий импульсный ток.
Рис. 4. Использование суперконденсаторов для накопления солнечной энергии
Именно такой подход при построении системы питания использовали в своем макете Джулия Лим и Джин Марс (рис. 5). Данное устройство представляет собой датчик Sensor Puck BLE с радиопередающим интерфейсом BLE, который питается от ультраконденсатора и солнечной батареи.
Рис. 5. Опытный макет для работы с Bluetooth-датчикомПредложенная принципиальная схема имеет ряд особенностей (рис. 6). Во-первых, для заряда ультраконденсатора от солнечной батареи используется дополнительный регулятор AEM10940. Он преобразует выходной ток солнечной батареи в зарядный ток ультраконденсатора и контролирует выходное напряжение на уровне 2,5 В. Во-вторых, контроль выходного напряжения производится с помощью триггера Шмитта, который построен на базе компаратора TLV3012.
Компаратор управляет коммутацией нагрузки посредством транзистора BSP171P (M1). Благодаря этому звену обеспечивается гистерезис напряжения питания. Рассмотрим более подробно выбор компонентов.
Рис. 6. Схема тестового макета на базе суперконденсатора GA109 от CAP-XX
По замыслу разработчиков работа BLE-датчика должна обеспечиваться уже при силе света в 100 лк. Исходными данными к расчету являются параметры датчика. Используемый сенсор Sensor Puck BLE предназначен для измерения температуры, влажности, освещенности и передачи этих значений по Bluetooth на смартфон один раз в секунду. Допустимый диапазон напряжений питания для датчика составляет 2,0…3,0 В. Осциллограмма тока потребления (рис. 7) имеет несколько пиков: два всплеска с током до 22 мА и длительностью около 1 мс, один импульс продолжительностью 120 мс и средним значением 4,5 мА, еще один импульс длительностью 1 мс и амплитудой 15 мА.
Рис.
7. Просадка напряжения при недостаточном уровне освещения
Для питания датчика выбран ультратонкий призматический суперконденсатор GA109 с номинальным напряжением 2,5 В, ESR 40 мА, емкостью 170 мФ и пиковым током до 30 А. С учетом этих значений можно определить просадку напряжения в течение периодов активности датчика.
Для импульсов 22 мА: ΔV (22 мА) = 22мА * 1мс / 170мФ + 22мА * 40мОм = 1мВ
Для импульсов 4,5 мА: ΔV (4,5 мА) = 4,5мА * 120мс / 170мФ + 4,5мА * 40мОм = 5мВ
Для импульсов 15 мА: ΔV (15 мА) = 15мА * 1мс / 170мФ + 15мА * 40мОм = 0,7мВ
Таким образом, суммарная просадка напряжения составит около 7,7 мВ за период. Эти расчеты подтверждаются осциллограммами, полученными в процессе тестирования (рис. 7).
Для заряда ультраконденсатора применяется солнечная батарея с выходным током до 420 мкА. Если посчитать средний ток системы, то окажется, что он равен почти 600 мкА, что больше, чем способна обеспечить солнечная батарея при заданном уровне освещенности.
В результате напряжение на конденсаторе постепенно снижается (рис. 7). Чтобы не допустить критического разряда, используется триггер Шмитта, который отключает нагрузку при проседании напряжения. Однако при этом приходится учитывать начальный бросок тока при включении и инициализации датчика.
При включении BLE-датчика наблюдается бросок тока амплитудой 12 мА и длительностью 2,1 с. Не сложно посчитать, что просадка напряжения составит ΔV = 12мА * 2,1с / 170мФ + 12мА * 40мОм = 117мВ. Чтобы гарантировать не только начальную инициализацию сенсора, но и обеспечить передачу нескольких сообщений, гистерезис выбирается с запасом и составляет 200 мВ.
В рассматриваемой схеме триггер Шмитта включает транзистор M1, когда напряжение на суперконденсаторе достигнет 2,4 В. Если напряжение уменьшится до 2,2 В, то нагрузка будет отключена.
Такой подход позволяет использовать схему при разных уровнях освещенности, в том числе и при заданном значении в 100 лк (рис. 8). Даже при таком скудном освещении заряд суперконденсатора с 0 В произойдет за 45 часов, после чего датчик сможет повторно перезаряжаться от 2,2 В до 2,4 В за 2,6 часов.
Рис. 8. Зарядная кривая суперконденсатора GA109 при силе света 100 лк
В случае с типовыми помещениями следует ожидать более высокого уровня освещения. Например, для офисов, супермаркетов и квартир освещение составляет ориентировочно 650 лк. В таких условиях заряд суперконденсатора от 0 В произойдет за 31 минуту, а повторный перезаряд от 2,2 В до 2,4 В произойдет и вовсе за 2 минуты 5 секунд (рис. 9).
Рис. 9. Зарядная кривая суперконденсатора GA109 при силе света 650 лк
Представленное решение имеет очень высокий интерес для комнатных приложений и устройств с питанием от солнечных батарей, работающих в офисах, торговых залах и аналогичных помещениях. Благодаря суперконденсаторам удается обеспечить работу беспроводных устройств даже при малом выходном токе солнечных батарей и при минимальном уровне освещенности.
Характеристики суперкондесатора GA109:
- номинальное напряжение: 2,5 В;
- максимальное номинальное напряжение: 2,75 В;
- типовая емкость: 170 мФ;
- типовое активное последовательное сопротивление: 40 мОм;
- типовой ток утечки (23 °С): 1 мкА;
- максимальный среднеквадратичный ток (23 °С): 4,5 А;
- максимальный пиковый ток (23 °С): 30 А;
- диапазон рабочих температур: -40…+70 °C;
- толщина корпуса: 1,1 мм.
Суперконденсаторы вместо аккумулятора в автомобиле
Суперконденсатор или ионистор — это что-то нечто среднее между аккумулятором и обычным конденсатором. У него много плюсов, которыми не обладает аккумуляторная батарея. Поэтому, я познакомлю вас с полностью рабочим прототипом батареи для машины на ионисторах. С помощью него можно не просто завести двигатель пару раз, а вполне полноценно эксплуатировать автомобиль неограниченное время.
Понадобится
Этого хватит для первого опытного образца.
Первое испытание с запуском двигателя
Я купил 6 суперконденсаторов и плату балансовой защиты, бывают они продаются индивидуально под каждый ионистор, а бывает и цельная линейка под шесть штук.
Собрал все воедино.
Плата защиты исключает перезаряд суперконденсаторов напряжением выше 2,7В, поэтому использовать ее практически обязательно нужно, если включение элементов производится последовательно.
Далее я припаял клеммы и установил эту батарею на авто.
Но предварительно ее необходимо зарядить небольшим током 5-7 А до рабочего напряжения. На это ушло 10-15 минут времени.После подключения автомобиль завелся без лишних сложностей, двигатель работал стабильно, напряжение в бортовой сети держалось на должном уровне.
В ходе этого эксперимента выяснились следующие плюсы и минут: батарея из ионисторов быстро разряжалась при выключенном зажигании, а именно где-то через 5-6 часов напряжение падало до 10 В. Это был минус, а плюс был в том, что даже при этом напряжении автомобиль все ещё заводился, так как для ионистора любое напряжение рабочее, в отличии от аккумулятора.
В итоге запустить двигатель по прошествии одних суток уже не представлялось возможным. И я решил исправить данный недостаток в следующей конструкции.
Схема
Вот схема второго прототипа батареи.
Оговорюсь сразу: солнечной панели и второго аккумулятора в ней нет. Тут также используется линейка из суперконденсаторов с балансной платой. Также добавлен контроллер заряда аккумулятора, пара переключателей, вольтметр и сам небольшой аккумулятор емкостью 7,5АЧ.
Работа устройства такова: перед запуском авто открываем капот и счелкаем верхний по схеме переключатель. Через мощный 50 Ваттный резистор сопротивлением 1 Ом, ионистор начинает заряжаться от аккумулятора. Заряжать напрямую без этого резистора нельзя, так как для аккумулятора это будет равносильно короткому замыканию.
На все про все уходит 15 минут времени. Для меня это не критично. После этого можно заводить авто и ехать. Также парально резистору воткнут диод Шоттки. Он служит для зарядки аккумулятора после того как двигатель запущен.
А заряжается аккумуляторная батарея через контроллер зарядки.
Он нужен для того, чтобы каждый раз не щелкать переключатель включения, а один раз включить и ехать: встать у магазина и уйти на пару часов. И если ионистор начнет тянуть из аккумулятора ток, и разряжать его ниже 11,4 В, то контроллер зарядки тут же его отключит. Тем самым защитит батарею от полного разряда, что может ее погубить раньше срока.
Нижний по схеме переключатель служит для подключения вольтметра либо к ионисторам, либо к батарее.
Полностью рабочий экземпляр батареи на суперконденсаторах
Собрал всю схему в пластиковой коробке. Временно естественно, чисто покататься и испробовать новшество.
Вид устройства с верху.
Защитный контроллер.
Мощный токоограничивающий резистор.
Цифровой вольтметр виден через пластик.
Устанавливаем на автомобиль вместо штатной батареи.
Включаем зажигание и пробуем произвести пуск двигателя.
Мотор запустился быстро, без каких либо проблем.
Производится зарядка ионисторов и аккумуляторной батареи, о чем свидетельствуют показания вольтметра.
Заключение
Теперь поподробнее о достоинствах и недостатка:
Плюсы:
- В отличии от аккумулятора суперконденсаторы надежнее справляются с пиковым пусковым током. Пуск получается надежнее.
- Низкое напряжение вполне является рабочим.
- Имеет низкий вес, от чего всю коробку можно запросто таскать домой на всякий случай.
- Для пуска можно произвести зарядку даже от батареек и спокойно ехать в путь.
Минусы:
- Большой саморазряд. Передвигаться конечно можно, но если необходимо на короткий срок включить габариты или аварийную сигнализацию — мало на что хватит энергии, при заглушенном двигателе естественно.
Ну это то что пришло в голову. Теперь о стоимости. На Али Экспресс супер конденсаторы стоят не так уж и дорого. И если посчитать их 6 и балансную защиту, то выйдет дешевле чем кислотный аккумулятор.
На этом у меня все. Надеюсь мой эксперимент был для вас познавательным и интересным. Удачи всем!
Смотрите видео
Батарея 12В/100А на суперконденсаторах
Суперконденсатор (он же ионистор) — это почти тот же конденсатор, только большой емкости, сравнимой с аккумулятором.
Я сделал батарею 12 В из таких ионисторов, которою вполне можно использовать в различных устройствах. И будет она служить дольше в определенных режимах по сравнению с аккумуляторами любого типа, и вот почему суперконденсатор тут выигрывает:- — не боится полного разряда «в ноль»;
- — в 100, а может 1000 раз больше выдерживает циклов «заряд/разряд»;
- — не боится критических перегрузок по току.
И это ещё не все. Продолжу после сборки батареи.
Понадобится
Инструмент: паяльник, пинцет, кусачки.
Расходники: припой, флюс.
Изготовление батареи из ионисторов
Будем делать батарею из 8 ионисторов, включенных встречно-параллельно. А именно будет 4 пары из двух параллельно включенных конденсаторов, включенных последовательно.
Лакированную медную проволоку нужно выпрямить и очистить от лака. Сделать это можно с помощью канцелярского ножа.
Сгибаем проволоку в соединительные элементы.
Нужно сделать три квадрата и два полюса.
К полюсам, как на настоящей батареи, припаиваем гайки для подключения.
Лудим уголки квадратиков.
Собираем батарею, припаиваем соединители к ионисторам, не путая полярность.
Сначала собираем 4 группы.
А затем припаиваем полюса.
Заряжаем током 5 Ампер.
Через пять минут батарея полностью заряжена.
Проверяем лампой.
Замыкаем проволокой — раскалилось до красна.
Подключаем электродвигатель.
Где применить
А применить такую батарею можно там, где есть высокие и кратковременные нагрузки по току. Идеальный пример: накопительный конденсатор для сабвуфера в машину.
Также батарея пригодится там, где имеются частые циклы заряда и разряда: в виде аккумулятора для накопления энергии от солнечных батарей, и полной ее отдаче в ночное время фонарям.
Это лишь два варианта использования, но их гораздо больше.
Стоят они даже на Али Экспресс (ссылка) относительно не дорого, учитывая громадный срок их службы при использовании по назначению.
Смотрите видео
границ | Последние достижения в оксидах кобальта, оксидах марганца и их композите в качестве электродного материала для суперконденсатора: обзор
Введение
Хранение энергии имеет такое же значение, как и производство энергии. Чтобы противостоять глобальным вызовам, современному обществу в последнее время требуются легкие, гибкие, недорогие и экологически безопасные системы хранения энергии (Meng et al., 2010; Chodankar et al., 2015). Батарея и суперконденсатор являются основными накопителями энергии.Но низкая скорость заряда-разряда, короткие жизненные циклы и большой вес батареи ограничивают ее применение в портативных и носимых устройствах (Meng et al., 2010). В настоящее время суперконденсаторам уделяется большое внимание из-за их важных характеристик, таких как высокая плотность энергии, высокая удельная мощность, легкий вес, быстрая скорость зарядки-разрядки, безопасная работа и длительный срок службы (Jayalakshmi and Balasubramanian, 2008; Chodankar и др.
, 2015). Суперконденсатор также называют электрохимическим конденсатором.Это используется в различных приложениях, таких как гибридные автомобили, резервное питание, военные услуги и портативные электронные устройства, такие как ноутбуки, мобильные телефоны, наручные часы, носимые устройства, сворачиваемые дисплеи, электронные документы и т. Д. (Lee et al., 2011; Wang et al., 2012).
Классификация суперконденсатора
На основе механизма накопления заряда и материала, используемого в качестве электрода, суперконденсаторы делятся на две категории: электрохимические двухслойные суперконденсаторы (EDLC) и псевдоконденсаторы (Jayalakshmi and Balasubramanian, 2008).В EDLC удельная емкость возникает из-за нефарадеевского механизма накопления заряда между электродом и границей электролита (Jayalakshmi and Balasubramanian, 2008; Wang et al., 2012). Материалы, которые использовались в качестве электрода для EDLC, — это пористый углерод (Kang et al., 2015), SWNT (Liu et al., 2006), MWNT (Huang et al.
, 2014a), восстановленный оксид графина (Zhang and Zhao, 2012), аэрогель (Faraji and Ani, 2015) и т. Д. В псевдоконденсаторе удельная емкость возникает из-за реакции Фарадея на границе раздела электродов.Материалы, которые были изучены в качестве электродов для псевдоконденсаторов, — это оксиды переходных металлов и проводящие полимеры (Wang et al., 2012).
В частности, удельная емкость суперконденсаторов зависит от площади поверхности и распределения пор материала электродов по размерам. По сравнению с оксидами переходных металлов и проводящими полимерами углерод и его различные типы имеют большую площадь поверхности (3,270 м 2 г −1 ) (Kang et al., 2015). Однако эта большая площадь поверхности углерода не полностью доступна для электролита (Faraji and Ani, 2015).Чтобы преодолеть этот недостаток, большое внимание было уделено композитам углерода с оксидами переходных металлов или проводящим полимером. Эти композиты еще называют гибридными материалами. Использование гибридного материала в качестве электрода в суперконденсаторах приводит к появлению третьей категории суперконденсаторов, называемых гибридными суперконденсаторами.
В гибридных суперконденсаторах удельная емкость возникает из-за Фарадиевского, а также нефарадовского механизма накопления заряда на границе электрода и электролита (Zhang et al., 2013; Pardieu et al., 2015).
Параметры суперконденсатора
Удельная емкость ( C с ) (Fg −1 ), плотность энергии E (Вт · ч кг −1 ), удельная мощность P (кВт · кг −1 ) и удерживающая емкость или кулоновский КПД (η) являются ключевыми характеристиками суперконденсатора. ( C s ) (Fg -1 ) на единственном электроде устройства рассчитывается по формуле,
Cs = 1 мВ (Vc − Va) ∫vavcI (v) dV (1), где м — нанесенная масса (г · см -1 ), I ( v ) — ток отклика (мА) электродного материала на единицу площади, В — скорость сканирования, V c −V a — окно рабочего потенциала в ( V ), V a анодный ток и V c катодный ток.
Плотность энергии E (Вт · ч · кг −1 ) и плотность мощности P (Вт · кг −1 ) суперконденсатора рассчитываются с использованием следующих соотношений:,
, где C s — удельная емкость (Fg −1 ), V max и V min — максимальное и минимальное напряжение, достигаемое в процессе зарядки и разрядки соответственно, в вольтах ( В, ), а t D — время разрядки ( с, ) для цикла суперконденсатора.Сохранение удельной емкости рассчитывается с использованием соотношения
, где t C и t D — время заряда и разряда ( с, ), соответственно, для цикла суперконденсатора (Wang et al., 2010; Dubal et al., 2012) .
Последние достижения в области суперконденсаторов из оксида кобальта
Оксиды переходных металлов имеют большое научное значение.
Они являются основой множества функциональных материалов (Shinde et al., 2015). Среди различных материалов электродов суперконденсаторов оксиды переходных металлов обладают высокой электроотрицательностью, богатыми окислительно-восстановительными реакциями, низкой стоимостью, экологичностью и отличными электрохимическими характеристиками. Различные оксиды переходных металлов, такие как IrO 2 , RuO 2 , Co 3 O 4 , MnO 2 , Fe 2 O 3 , SnO 2 , NiO и т. Д. , были широко изучены в качестве электродного материала для суперконденсатора (Луо и др., 2014). Среди них RuO 2 был определен как доминирующий кандидат, поскольку он имеет высокую теоретическую удельную емкость (1,358 Фг -1 ), высокую электрическую проводимость (300 См · см -1 ) и высокую электрохимическую стабильность (Yu et al. др., 2013). Однако высокая стоимость и токсичность, связанные с RuO 2 , ограничивают его коммерческое применение (Deng et al.
, 2014).
Кроме того, оксиды кобальта вызвали значительный интерес в последние годы из-за их низкой стоимости, нетоксичности, легкости синтеза и экологичности.Оксиды кобальта обладают высокой теоретической емкостью (CoO: 4,292 Fg -1 , Co 2 O 4 : 3,560 Fg -1 ) (Cheng et al., 2010; He et al., 2012). Кроме того, оксиды кобальта демонстрируют отличные электрохимические свойства как в щелочном, так и в органическом электролите. Они обладают способностью взаимодействовать с ионами электролита на поверхности, а также через основную массу материала (Vijayakumar et al., 2013). Характеристики оксидов кобальта, такие как морфология, структура и размер, можно легко контролировать с помощью , регулируя подготовительные параметры, такие как температура реакции, время реакции, концентрация матричного раствора, комплексообразователь и т. Д.(Wei et al., 2015a).
Оптимальная микроструктура и контролируемая морфология материала улучшают удельную поверхность и распределение пор по размерам, что облегчает перенос ионов электролита в материале (Meher and Rao, 2011).
В последнее время для синтеза материалов оксида кобальта с мезо- и микропористыми наноструктурами успешно используется множество новых подходов, таких как гидротермальный метод (Meher and Rao, 2011), метод осаждения из химической ванны (Xu et al., 2010), метод гидротермального осаждения (Yu. и другие., 2009), метод сольвотермического синтеза (Yang et al., 2013), метод синтеза сжиганием (Deng et al., 2014), метод микроволнового синтеза (Vijayakumar et al., 2013) и др.
Удельная емкость оксида кобальта сильно зависит от морфологии, площади поверхности и распределения пор по размерам. В последнее время использование новых подходов к синтезу, модификаторов поверхности, комплексообразователей и структурообразователей приводит к высокой удельной емкости, которая равна теоретической удельной емкости оксида кобальта.В этой обзорной статье мы сосредоточили внимание на последних достижениях в области оксидов кобальта и их композитов в качестве электродного материала. В таблице 1 показано приготовление и суперемкостные характеристики суперконденсаторов на основе оксида кобальта и их композитов.
Таблица 1 . Co 3 O 4 Суперконденсаторы на основе .
Последние достижения в области суперконденсаторов из оксида марганца
Марганец (Mn) имеет разные степени окисления. Из них наиболее стабильными степенями окисления являются Mn (II) и Mn (IV).Mn (II) образует MnO, с другой стороны, Mn (IV) образует MnO 2 и Mn 2 O 3 . MnO 2 имеет полиморф α, β, γ и δ-типа (Chen et al., 2014; Salunkhe et al., 2015). К преимуществам оксидов металлов на основе марганца относятся низкая стоимость, низкая токсичность, естественное изобилие и экологичность по своей природе (Sui et al., 2015; Wei et al., 2015b). В водном и органическом электролите MnO, MnO 2 и Mn 2 O 3 могут образовывать различные степени окисления.Таким образом, достигается высокая удельная емкость. Наивысшая заявленная теоретическая удельная емкость MnO 2 составляет 1,370 Фг -1 (Guo et al.
, 2015a; Wei et al., 2015b). Однако низкая электропроводность и большое изменение объема во время процесса заряда-разряда приводят к неудовлетворительным скоростным характеристикам и циклической стабильности. Как следствие, это снижает удельную емкость суперконденсаторов на основе оксидов марганца (Cabana et al., 2010; Chen et al., 2010).Чтобы преодолеть такие препятствия, в последнее время исследователи применяют множество новых стратегий, таких как использование углеродсодержащих материалов для увеличения электропроводности и принятие объемных буферов для снятия внутренних напряжений (Yao et al., 2008; Sui et al., 2015). Оксиды марганца были получены различными методами синтеза, такими как метод импульсного лазерного осаждения (Xia et al., 2011), гидротермальный метод (Zhang et al., 2014), метод электрохимического синтеза (Jiang and Kucernak, 2002), метод окислительно-восстановительного осаждения. (Bordjiba, Bélanger, 2009), метод последовательного гидролиза – конденсации (Sawangphruk, Limtrakul, 2012) и др.
Кроме того, подробности синтеза MnO 2 и их суперемкостные характеристики показаны в таблице 2.
Таблица 2 . Суперконденсатор на основе MnO 2 .
Заключение и перспективы на будущее
В последнее время большое внимание уделяется оксидам металлов на основе кобальта и марганца в качестве электродных материалов для суперконденсаторов. Из последних отчетов он пришел к выводу, что
(1) Усовершенствованный химический метод, такой как гидротермальное, импульсное лазерное осаждение, обратная микроэмульсия, с помощью микроволнового излучения и т. Д., была оказана помощь в синтезе оксидов металлов на основе кобальта и марганца.
(2) Удельная емкость суперконденсатора на основе оксида кобальта и оксида металла на основе оксида марганца сильно де
Суперконденсатор на бумажной основе использует металлические наночастицы для повышения плотности энергии
Изображения показывают разницу между бумагой до металлизации (слева) и бумагой, покрытой проводящими наночастицами. Предоставлено: Ко и др., Опубликовано в Nature Communications .Используя простую технику послойного покрытия, исследователи из U.Южная Корея и Корея разработали гибкий суперконденсатор на бумажной основе, который может использоваться для питания носимых устройств. В устройстве используются металлические наночастицы для покрытия целлюлозных волокон в бумаге, создавая электроды суперконденсатора с высокой плотностью энергии и мощности и лучшими показателями среди суперконденсаторов на текстильной основе.
Путем имплантации в бумагу проводящих материалов и материалов, аккумулирующих заряд, создаются большие площади поверхности, которые функционируют как токосъемники и резервуары наночастиц для электродов.Тестирование показывает, что устройства, изготовленные с помощью этого метода, можно складывать тысячи раз, не влияя на проводимость.
«Этот тип гибкого накопителя энергии может предоставить уникальные возможности для связи между носимыми устройствами и устройствами Интернета вещей», — сказал Сеунг У Ли, доцент Школы машиностроения Вудраффа Технологического института Джорджии. «Мы могли бы поддержать эволюцию самой передовой портативной электроники. У нас также есть возможность объединить этот суперконденсатор с устройствами сбора энергии, которые могут питать биомедицинские датчики, бытовую и военную электронику и аналогичные приложения.«
Исследование, проведенное с сотрудниками из Корейского университета, было поддержано Национальным исследовательским фондом Кореи и опубликовано 14 сентября в журнале Nature Communications .
Устройства накопления энергии обычно оцениваются по трем параметрам: их удельная энергия, удельная мощность и устойчивость к циклам. Суперконденсаторы часто имеют высокую плотность мощности, но низкую плотность энергии — количество энергии, которое может быть сохранено — по сравнению с батареями, которые часто имеют противоположные свойства.
Разрабатывая свою новую технику, Ли и его коллега Джинхан Чо из факультета химической и биологической инженерии Корейского университета намеревались повысить плотность энергии суперконденсаторов при сохранении их высокой выходной мощности.
Исследователи начали с погружения образцов бумаги в химический стакан с раствором, содержащим поверхностно-активное вещество на основе амина, предназначенное для связывания наночастиц золота с бумагой. Затем они окунули бумагу в раствор, содержащий наночастицы золота. Поскольку волокна пористые, поверхностно-активные вещества и наночастицы проникают в волокна и прочно прикрепляются, создавая конформное покрытие на каждом волокне.
Повторяя шаги погружения, исследователи создали токопроводящую бумагу, на которую они добавили чередующиеся слои материалов для хранения энергии из оксидов металлов, таких как оксид марганца. Послойный подход, опосредованный лигандами, помог минимизировать контактное сопротивление между соседними металлами и / или наночастицами оксидов металлов.
Используя простой процесс, выполняемый при комнатной температуре, слои могут быть построены для обеспечения желаемых электрических свойств.
«По сути, это очень простой процесс», — сказал Ли. «Послойный процесс, который мы выполняли в чередующихся стаканах, обеспечивает хорошее конформное покрытие на целлюлозных волокнах. Мы можем сложить полученную металлизированную бумагу или иначе согнуть ее без ущерба для проводимости».
Хотя в исследовании были задействованы небольшие образцы бумаги, метод на основе раствора, вероятно, можно было бы расширить, используя более крупные резервуары или даже метод распыления. «Не должно быть никаких ограничений на размер образцов, которые мы можем произвести», — сказал Ли.«Нам просто нужно установить оптимальную толщину слоя, обеспечивающую хорошую проводимость при минимальном использовании наночастиц, чтобы оптимизировать компромисс между стоимостью и производительностью».
Исследователи продемонстрировали, что их метод самосборки улучшает несколько аспектов бумажного суперконденсатора, включая его поверхностные характеристики, что является важным фактором для измерения гибких электродов накопителя энергии.
Максимальная мощность и плотность энергии металлических суперконденсаторов на бумажной основе оцениваются в 15 единиц.1 мВт / см2 и 267,3 мкВт / см2 соответственно, что значительно превосходит характеристики обычных бумажных или текстильных суперконденсаторов.
Следующие шаги будут включать тестирование техники на гибких тканях и разработку гибких батарей, которые могут работать с суперконденсаторами. Исследователи использовали наночастицы золота, потому что с ними легко работать, но планируют испытать менее дорогие металлы, такие как серебро и медь, чтобы снизить стоимость.
Во время его докторской диссертации Работая, Ли разработал процесс послойной самосборки для накопления энергии с использованием различных материалов.Вместе со своими корейскими коллегами он увидел новую возможность применить это к гибким носимым устройствам с наночастицами.
«У нас есть наноразмерный контроль над покрытием, нанесенным на бумагу», — добавил он. «Если мы увеличим количество слоев, производительность продолжит расти.
И все это на основе обычной бумаги».
Бумажный суперконденсатор решает проблему компромисса между мощностью и плотностью энергии
Доп. Информация: физ.org / news / 2017-09-paper-su… ensity-tradeoff.html Предоставлено Технологический институт Джорджии
Ссылка :
Суперконденсатор на бумажной основе с использованием металлических наночастиц для увеличения плотности энергии (2017, 5 октября)
получено 26 декабря 2020
из https: // techxplore.
ru / news / 2017-10-paper-based-supercapacitor-metal-nanoparticles-boost.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
Высокопроизводительные и легкие электроды суперконденсатора будущего
Электроды суперконденсатора с высокими рабочими характеристиками.Слева: микрофотографии с автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа и просвечивающего электронного микроскопа; Справа: разрез моногибридной наноструктуры. Кредит: Ашутош К. Сингх и Кальян Мандал / С.
Н. Национальный центр фундаментальных наук Бозе, ИндияВ качестве нового устройства накопления энергии суперконденсаторы привлекли к себе значительное внимание в последние годы из-за их сверхвысокой скорости заряда и разряда, превосходной стабильности, длительного срока службы и очень высокой плотности мощности. Представьте, что вы заряжаете свой сотовый телефон всего за несколько секунд или заправляете электромобиль всего за несколько минут, которые являются частью многообещающего будущего, которое могут предложить суперконденсаторы.
Противодействует этому обещанию тот факт, что, хотя суперконденсаторы могут заряжаться быстрее и работать дольше, чем обычные батареи, они также должны быть намного больше по размеру и массе, чтобы удерживать ту же электрическую энергию, что и батареи. Таким образом, многие ученые работают над созданием экологически чистых, легких, недорогих суперконденсаторов с высокими характеристиками.
Теперь два исследователя из С.Национальный центр фундаментальных наук Н.
Бозе, Индия, разработал новый электрод суперконденсатора на основе гибридной наноструктуры, состоящей из гибридной внешней оболочки из оксида никеля-оксида железа и проводящего железо-никелевого сердечника.
В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Journal of Applied Physics от AIP Publishing, исследователи сообщают о технологии изготовления электрода с гибридной наноструктурой. Они также демонстрируют превосходные характеристики по сравнению с существующими негибридными электродами суперконденсаторов.Поскольку оксид никеля и оксид железа являются экологически чистыми и дешевыми материалами, широко доступными в природе, новый электрод обещает в будущем экологически чистые и недорогие суперконденсаторы.
«Этот гибридный электрод демонстрирует превосходные электрохимические характеристики с точки зрения высокой емкости [способности накапливать электрический заряд] почти 1415 фарад на грамм, высокой плотности тока 2,5 ампера на грамм, низкого сопротивления и высокой плотности мощности», — сказал Ашутош К.
Сингх, ведущий научный сотрудник отдела физики конденсированных сред и материаловедения в Институте им.Национальный центр фундаментальных наук Н. Бозе. «Он также имеет долгосрочную стабильность при циклическом воздействии, другими словами, электрод может сохранять почти 95 процентов начальной емкости после цикла или зарядки и разрядки 3000 раз».
Обещание суперконденсаторов
Суперконденсаторы — это электронные устройства, предназначенные для хранения очень большого количества электрических зарядов. Они также известны как электрохимические конденсаторы, и они обещают высокую удельную мощность, высокую производительность, превосходную стабильность цикла и высокую плотность энергии.
В устройствах накопления энергии накопление электрического заряда называется «плотностью энергии», в отличие от «плотности мощности», которая указывает на скорость доставки энергии.
Обычные конденсаторы имеют высокую плотность мощности, но низкую плотность энергии, что означает, что они могут быстро заряжаться, разряжаться и высвобождать всплеск электроэнергии за короткое время, но они не могут удерживать большое количество электрических зарядов.
Обычные батареи, напротив, наоборот. Они обладают высокой плотностью энергии или могут накапливать много электроэнергии, но для зарядки и разрядки могут потребоваться часы. Суперконденсаторы — это мост между обычными конденсаторами и батареями, сочетающий в себе выгодные свойства высокой мощности, высокой плотности энергии и низкого внутреннего сопротивления, которые могут заменить батареи в качестве быстрого, надежного и потенциально более безопасного источника питания для электрических и портативных электронных устройств в будущем, сказал он. Сингх.
В суперконденсаторах высокая емкость или способность накапливать электрический заряд имеет решающее значение для достижения более высокой плотности энергии.
Между тем, для достижения более высокой плотности мощности критически важно иметь большую электрохимически доступную площадь поверхности, высокую электропроводность и короткие пути диффузии ионов. Наноструктурированные активные материалы служат средством для достижения этих целей.
Как ученые создали новый электрод
Вдохновленные предыдущими исследованиями по улучшению проводимости за счет легирования различных оксидных материалов, Сингх и Калян Мандал, еще один исследователь и профессор в S.Национальный центр фундаментальных наук Н. Боса смешал оксид никеля и оксид железа в качестве гибридного материала и изготовил новый электрод с наноструктурой ядро / оболочка.
«Изменяя материалы и морфологию электрода, можно изменять характеристики и качество суперконденсаторов», — сказал Сингх.
В эксперименте Сингха гибридная наноструктура ядро / оболочка была изготовлена с помощью двухэтапного метода. Используя стандартную технику электроосаждения, исследователи вырастили массивы железоникелевых нанопроволок внутри пор шаблонов анодированного оксида алюминия, а затем растворили шаблоны, чтобы получить голые гибридные нанопроволоки.
После этого исследователи на короткое время экспонировали нанопроволоки в кислородной среде при высокой температуре (450 градусов Цельсия), в конечном итоге разработав высокопористую гибридную оболочку оксида железа-оксида никеля вокруг железоникелевого ядра.
«Преимущество этой гибридной наноструктуры ядро / оболочка состоит в том, что высокопористый нанослой оболочки обеспечивает очень большую площадь поверхности для окислительно-восстановительных реакций и уменьшает расстояние для процесса диффузии ионов», — сказал Сингх. Он объяснил, что суперконденсаторы накапливают заряды посредством химического процесса, известного как окислительно-восстановительная реакция, при которой материал отдает электроны и переносит ионы через другой материал на границе раздела между электродом и электролитом.Большие поверхности окислительно-восстановительной реакции необходимы для достижения более высокой плотности мощности суперконденсаторов.
«Более того, проводящий сердечник из Fe-Ni обеспечивает магистраль для ускорения транспортировки электронов к токосъемнику, что улучшит проводимость и электрохимические свойства электрода, создавая высокоэффективные суперконденсаторы», — отметил Сингх.
Как работает новый электрод
Используя методы циклической вольтамперометрии и гальваностатического заряда / разряда, Сингх и Мандал изучили электрохимические свойства электрода из гибридного материала.По сравнению с аналогами, негибридными электродами, такими как никель / оксид никеля и электроды с наноструктурой ядро / оболочка из оксида железа / железа, электрод из гибридного материала продемонстрировал более высокую емкость, более высокую плотность энергии и более длительное время зарядки / разрядки.
«Например, плотность тока гибридного электрода в три и 24 раза выше, чем у электродов из никеля / оксида никеля и железа / оксида железа, соответственно», — сказал Сингх. «Сравнительные результаты показывают значительное обогащение электрохимической активности электродов из никеля / оксида никеля и железа / оксида железа после их объединения, что свидетельствует о лучших сверхемкостных свойствах гибридного электрода.«
Одной из особенностей технологии изготовления Сингха является то, что она не требует дополнительных связующих материалов.
По словам Сингха, связующие материалы обычно используются при производстве суперконденсаторов на основе углерода или графена для прикрепления окислительно-восстановительного активного материала к коллектору тока. Без массы связующих материалов гибридный электрод — хороший кандидат для создания легких суперконденсаторов.
«Замечательные электрохимические характеристики и свойства материала позволяют предположить, что гибридная наноструктура ядро / оболочка из оксида железа и оксида никеля может быть надежным и многообещающим кандидатом для изготовления легких, недорогих и экологически чистых электродов суперконденсаторов следующего поколения для реального применения», сказал.
Следующий план исследователей — разработать целое устройство суперконденсатора на основе гибридного электрода и проверить его функциональные характеристики, что на шаг ближе к промышленному производству.
Улучшенные суперконденсаторы для супер аккумуляторных батарей, электромобилей
Доп.
Информация: «Разработка высокоэффективного электрода суперконденсатора на основе гибридных наноструктур Fe-Ni / Fe2O3-NiO / оболочка», автор — Ашутош К.Сингх и Калян Мандал, Журнал прикладной физики , 10 марта 2015 г. DOI: 10.1063 / 1.4913218 Предоставлено
Американский институт физики Ссылка :
Высокопроизводительные и легкие электроды суперконденсатора будущего (10 марта 2015 г.)
получено 26 декабря 2020
с https: // физ.org / news / 2015-03-high-lightweight-supercapacitor-electrodes-future.
html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
Компактный и гибкий суперконденсатор, разработанный с использованием простого метода нанесения покрытия распылением
Предоставлено: Индийский институт науки.Легкий, компактный и эффективный суперконденсатор, напечатанный на гибком пластиковом листе, был разработан исследователями Индийского института науки (IISc).
Суперконденсаторы — это устройства, которые однажды могут заменить батареи, используемые в электромобилях, сотовых телефонах или ноутбуках, поскольку они заряжаются очень быстро и работают с почти 100-процентной эффективностью.
Но они обычно громоздкие и могут хранить только ограниченное количество энергии. Уменьшение их размера без потери эффективности оказалось сложной задачей. Изготовление их с использованием существующих методов также является дорогостоящим и сложным.
В текущем исследовании команда IISc создала компактный суперконденсатор, используя простую технику нанесения покрытия распылением для нанесения чередующихся слоев гибридных нанокомпозитов на сгибаемый пластиковый лист. Послойное построение рисунка увеличило площадь поверхности и увеличило движение зарядов, что сделало устройство более эффективным, чем существующие суперконденсаторы.
«Мы действительно можем напечатать эти суперконденсаторы где угодно и на любой подложке; таким образом, их можно легко установить на любой поверхности, как простой аэрозоль на стенах», — говорит старший автор Абха Мисра, доцент кафедры приборостроения и прикладной физики. IISc.
Исследование было опубликовано в ACS Applied Materials and Interfaces .
полезны для быстрого высвобождения больших всплесков энергии, например, в фонарике камеры или в динамических тормозах в автомобилях, поездах и лифтах. Они не только быстро заряжаются, но и служат дольше и менее токсичны, чем батареи.
В отличие от батареи, в которой используются химические реакции, суперконденсатор использует статическое электричество для хранения заряда. Он имеет два электрода, погруженных в электролит и разделенных тонким изолятором.Когда электроды заряжены, между ними создается электрическое поле, которое позволяет накапливать энергию. Чем больше площадь поверхности электродов, тем больший заряд может храниться.
Суперконденсаторы, используемые в настоящее время, не могут конкурировать с батареями в накоплении энергии; суперконденсатор с такой же емкостью, как обычная батарея, будет весить до 40 раз больше. Чтобы сделать их легкими и эффективными, исследователи попытались использовать такие материалы, как углеродные нанотрубки или восстановленный оксид графена, для изготовления электродов.
Однако использование традиционной литографии для их изготовления создает объемные структуры с меньшей площадью поверхности для перемещения зарядов. К тому же процесс дорогостоящий и требует много времени.
Вместо этого команда Мисры использовала простую технику распыления для нанесения тонких чередующихся слоев углеродных нанотрубок (УНТ) с покрытием MnO 2 и восстановленного оксида графена (rGO). Эти слои были уложены поверх маски из нержавеющей стали, установленной на стандартном пластиковом листе ПЭТ. Этот тип рисунка не только увеличивал площадь поверхности, но и стратегически позиционировал материалы для эффективного перемещения зарядов.
Многослойный гибридный суперконденсатор показал гораздо большую емкость — меру того, сколько энергии можно было сохранить, — по сравнению со структурами, в которых были только УНТ, только rGO или случайное сочетание двух материалов. При том же размере он также показал большую емкость, чем существующие суперконденсаторы, о которых сообщалось на сегодняшний день.
Изгиб листа, напечатанного на суперконденсаторе, также не повлиял на его производительность, что сделало его полезным для гибких приложений хранения энергии.
Гибридные суперконденсаторы в качестве аккумуляторов будущего обладают сверхвысокой зарядкой.
Доп. Информация: Будда Дека Боруах и др.Гибкий массив микросуперконденсаторов для аддитивного накопления энергии на большой площади, ACS Applied Materials & Interfaces (2018). DOI: 10.1021 / acsami.8b02660 Предоставлено Индийский институт науки
Ссылка :
Компактный и гибкий суперконденсатор, разработанный простым методом распыления (9 июля 2018 г.
)
получено 26 декабря 2020
с https: // физ.org / news / 2018-07-compact-flexible-supercapacitor-simple-Coating.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
Внедрить общую модель суперконденсатора — Simulink
Simscape / Electrical / Specialized Power Systems / Electric Drives / Extra Sources
Description
Блок Supercapacitor реализует параметризованную общую модель
для представления наиболее популярных типов суперконденсаторов.
На рисунке показано
эквивалентная схема суперконденсатора:
Выходное напряжение суперконденсатора выражается с помощью уравнение:
VSC = NsQTdNpNeεε0Ai + 2NeNsRTFsinh − 1 (QTNpNe2Ai8RTεε0c) −RSC⋅iSC
с
Чтобы представить явление саморазряда, суперконденсатор электрический заряд изменяется следующим образом (когда i SC = 0):
, где
iself_dis = {CTα11 + sRSCCTift − toc≤t3CTα21 + sRSCCTift3≺t − toc≤t4CTα31 + sRSCCTift − toc≻t4
Константы α1 370370, , α2 и α3 — скорости изменения суперконденсатора напряжение во временных интервалах ( toc , t3 ), ( t3 , t4 ) и ( t4 , t5 ) соответственно, как показано на рисунке:
В
суперконденсатор подключен к понижающему / повышающему преобразователю и батарее
подключен к повышающему преобразователю. Напряжение на шине постоянного тока равно
42V. Конвертеры делают управление питанием. Аккумуляторная батарея
ограничен блоком ограничителя скорости, поэтому переходная мощность
подается на шину постоянного тока от суперконденсатора.
Типичные области применения варьируются от миллиамперных токов или милливатт мощности в течение нескольких минут до нескольких ампер тока или нескольких сотен киловатт в течение гораздо более коротких периодов.
После трех месяцев простоя он сохраняет 85% заряда.
Ветровые и фотоэлектрические системы демонстрируют колебания питания, вызванные порывами ветра или облаками, которые суперконденсаторы могут буферизовать за миллисекунды.Кроме того, подобно электролитическим конденсаторам, суперконденсаторы также размещаются вдоль линий электропередачи для потребления реактивной мощности и повышения коэффициента мощности переменного тока в цепи отстающего потока мощности. Это позволит более эффективно использовать реальную мощность для выработки электроэнергии и сделать сеть в целом более эффективной.
Суперконденсаторы лучше всего работают с химическими батареями. Они обеспечивают мгновенный буфер напряжения для компенсации быстро меняющихся силовых нагрузок из-за их высокой скорости заряда и разряда через активную систему управления.Как только напряжение буферизировано, оно пропускается через инвертор для подачи переменного тока в сеть. Важно отметить, что суперконденсаторы не могут обеспечить частотную коррекцию в такой форме непосредственно в сети переменного тока.
Собранная энергия затем использовалась для питания специализированной интегральной схемы (ASIC) в течение более 10 часов.
Система Mazda i-ELOOP накапливает энергию в суперконденсаторе во время замедления и использует ее для питания бортовых электрических систем, когда двигатель останавливается системой остановки-запуска.
Суперконденсаторы соответствуют этим требованиям и поэтому используются во многих приложениях на всех видах транспорта.
Подъем ящиков требует большого количества энергии. Часть энергии может быть возвращена при снижении нагрузки, что приведет к повышению эффективности.
Такой подход может позволить многим новым городским линиям легкорельсового транспорта заменить воздушные провода, которые слишком дороги для прокладки всего маршрута.
Во время испытаний, которые проводились между остановками Porte d’Italie и Porte de Choisy на линии T3 трамвайной сети в Париже, трамвай потреблял в среднем примерно на 16% меньше энергии.
Поставщик заявил, что поезда могут использоваться в 100 малых и средних городах Китая.В 2014 году в Гуанчжоу, Китай, планировалось ввести в эксплуатацию семь трамваев с суперконденсаторами. Суперконденсаторы заряжаются за 30 секунд с помощью устройства, расположенного между рельсами. Это позволяет трамваю проехать до 4 километров (2,5 мили). С 2017 года суперконденсаторные автомобили Чжучжоу также используются в новой системе трамвая в Нанкине и проходят испытания в Ухане.
Эта система рекламировалась как альтернатива системе наземного источника питания (APS) компании или может использоваться вместе с ней, как в случае сети VLT в Рио-де-Жанейро, Бразилия, которая открылась в 2016 году.
Другие преимущества включали сокращение выбросов CO 2 , тихий запуск двигателя без выбросов, снижение вибрации и снижение затрат на техническое обслуживание.
Было подсчитано, что автобус с суперконденсатором был дешевле, чем автобус с литиево-ионным аккумулятором, а стоимость энергии одного из его автобусов составляла одну десятую стоимости дизельного автобуса при пожизненной экономии топлива в размере 200000 долларов.
При использовании системы KERS можно достичь КПД около 20% от танка к колесу.
[обновление] Все автомобильные производители электромобилей или электромобилей разработали прототипы, в которых вместо аккумуляторов используются суперконденсаторы для хранения энергии торможения с целью повышения эффективности трансмиссии.Mazda 6 — единственный серийный автомобиль, в котором используются суперконденсаторы для рекуперации энергии торможения. Рекуперативное торможение, получившее название i-eloop, снижает расход топлива примерно на 10%.
