Суперконденсатор: . , – ultracapacitor.ru

По своим характеристикам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между стандартными конденсаторами и электрическими аккумуляторами. Они способны заряжаться и разряжаться гораздо быстрее аккумуляторов и обладают более высокой емкостью, чем обычные конденсаторы. Поэтому их активно используют для питания устройств, которые потребляют большое количество энергии за короткое время. К таким устройствам можно отнести, например, вспышки фотоаппаратов. Инженеры не забывают и о способности суперконденсаторов к очень быстрой зарядке. К примеру, беспроводная отвертка с суперконденсатором вместо аккумулятора заряжается всего за 90 секунд, хотя аккумуляторная версия проработает на одном заряде в два раза дольше.

Эластичные суперконденсаторы — главные претенденты на роль источников питания гибких электронных устройств. Ученые научились производить их из пленок, состоящих из углеродных нанотрубок (УНТ). Используя пленки из прямых УНТ лесов, исследователи создали суперконденсатор емкостью 100 Ф г

Лес прямых (слева) и «скомканных» (справа) УНТ.

Yihao Zhou et al./ Matter, 2020

Технологический процесс выглядит следующим образом. Заготовку кладут на предварительно натянутую эластомерную подложку, заполняют гелем и дают подложке сжаться до исходного состояния. Так физики запутывают нанотрубки и сминают золотой слой, который, помимо своей основной функции, помогает избежать растрескивания нанотрубок во время сжатия подложки. Полученные таким образом электроды заполняют гелевым электролитом и кладут друг на друга. Теперь приложив разницу потенциалов к двум электродам, суперконденсатор можно зарядить. Одного заряда такого суперконденсатора хватит, чтобы питать наручные часы на протяжении полутора часов.

Процесс производства электрода суперконденсатора.

Yihao Zhou et al. / Matter, 2020

Суперконденсатор из растительных материалов побил все рекорды удельной емкости

Устройства хранения энергии обычно выпускаются в виде батарей или суперконденсаторов, у которых есть существенные отличия друг от друга. Тогда как батареи запасают больше заряда на единицу объема, суперконденсаторы выдают намного большие токи за короткое время. Это позволяет им существенно сократить время зарядки устройств, по сравнению с аккумуляторами. Внутренняя архитектура суперконденсаторов больше похожа на обычные конденсаторы, но, в отличие от последних, они могут быть разных форм, размеров и конструкций, в зависимости от применения. Более того, их можно изготавливать из различных материалов, пишет Science Daily.

Ученые из Техасского университета выбрали в качестве материала для электродов суперконденсатора наночастицы диоксида марганца. По сравнению с другими оксидами металлов, из которых часто делают суперконденсаторы, например, с рутением или оксидом цинка, диоксид марганца дешевле, чаще встречается в природе и безопаснее. Однако его недостаток в том, что у него низкая электропроводность.

Прошлые исследования показали, что лигнин, природный полимер, склеивающий древесные волокна, в сочетании с оксидами металлов повышает электрохимические свойства электродов. Ученые обработали очищенный лигнин дезинфицирующими средствами, а затем воздействовали на него высокой температурой и давлением, чтобы запустить реакцию окисления, которая привела к отложению диоксида марганца на лигнине. Затем они покрыли этой смесью алюминиевую пластину, получив «зеленый» электрод. Наконец, они собрали суперконденсатор, поместив гель-электролит между этим электродом и другим, изготовленным из алюминия и активированного угля.

В ходе испытаний новый суперконденсатор продемонстрировал очень стабильные электрохимические свойства. В частности, удельная емкость, или способность устройства запасать электрический заряд, мало менялась даже после тысяч циклов зарядки и разрядки. Этот показатель был в 900 раз выше, чем у других суперконденсаторов.

Кроме того, отмечают разработчики, их суперконденсатор очень легкий и гибкий.

«Мы разработали экологически безопасное устройство для хранения энергии, которое обладает превосходными электрическими характеристиками и может быть изготовлено легко, безопасно и с гораздо меньшей стоимостью», — заявил доктор Хун Лян, руководивший командой исследователей.

Британские ученые разработали опытный образец суперконденсатора с высокой удельной мощностью и высокой плотностью энергии одновременно. Открытие позволит заменить суперконденсаторами современные аккумуляторы в электромобилях и смартфонах, сократив время их зарядки до нескольких минут.

SCMR22J105SSBA0, Суперконденсатор, 1 Ф, 8.1 В, Радиальные Выводы, 9.0V SCM Series, +30%, -10%, 11.5 мм

Емкость	1Ф
Высота	24мм
Минимальная Рабочая Температура	-40 C
Максимальная Рабочая Температура	65 C
Номинальное Напряжение	8.1В
Допуск Емкости	+30%, -10%
Стиль Выводов Конденсатора	Радиальные Выводы
Шаг Выводов	11.5мм
Эффективное Последовательное Сопротивление	0.35Ом
Срок Службы при Температуре	1000 часов при 60 C
Линейка Продукции	9. 0V SCM Series
Высота	24 mm
Допустимое отклонение	10 %, + 30 %
Другие названия товара №	SCMR22J105MSBA0
Ёмкость	1 F
Категория продукта	Суперконденсаторы
Максимальная рабочая температура	+ 65 C
Минимальная рабочая температура	40 C
Номинальное напряжение постоянного тока	8.1 VDC
Ориентация	Vertical
Подкатегория	Capacitors
Размер фабричной упаковки	180
Серия	SCM
Тип выводов	Radial
Тип продукта	Supercapacitors / Ultracapacitors
Ток утечки	12 uA
Торговая марка	AVX
Упаковка	Bulk
Ширина	9. 5 mm
Эффективное последовательное сопротивление	350 mOhms
Capacitance	1F
ECCN	EAR99
ESR (Equivalent Series Resistance)	350mOhm @ 1kHz
Height — Seated (Max)	1.004″» (25.50mm)
HTSUS	8532.22.0020
Lead Spacing	0.453″» (11.50mm)
Lifetime @ Temp.	2000 Hrs @ 65В°C
Moisture Sensitivity Level (MSL)	Not Applicable
Mounting Type	Through Hole
Operating Temperature	-40В°C ~ 65В°C
Package	Bulk
Package / Case	Radial, Can
RoHS Status	ROHS3 Compliant
Series	SCM ->
Size / Dimension	1. 047″» L x 0.374″» W (26.60mm x 9.50mm)
Termination	PC Pins
Tolerance	-10%, +30%
Voltage — Rated	8.1V
Вес, г	0.1

Сравнение суперконденсатора и аккумулятора

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям

Опубликовано 04.04.2016 02:39

Автор: Abramova Olesya

Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора тем, что имеет очень большую емкость. Конденсатор хранит энергию с помощью статического заряда, в противовес электрохимическим реакциям батареи. Применение дифференциального напряжения на положительную и отрицательную пластины заряжает конденсатор. Это похоже на накопление статического заряда при трении. Прикосновение же к пластине конденсатора высвободит энергию.

Существует три типа конденсаторов, основным среди них является электростатический конденсатор с сухим сепаратором. Эта классическая модель конденсатора имеет очень маленькую емкость и в основном используется в радиоэлектронике. Емкость конденсатора измеряется в фарадах и для электростатического колеблется в диапазоне пикофарад (пФ).

Следующий тип конденсатора — электролитический, он обеспечивает более высокую емкость в сравнении электростатическим и оценивается в микрофарадах (мкФ), что в миллион раз больше пикофарада. Сепаратор в таких конденсаторах влажного типа. Как и в электрических батареях, конденсаторы имеют разные полюса, которые необходимо соблюдать при использовании.

Третий тип – это суперконденсатор, его емкость оценивается в фарадах и в тысячи раз больше емкости электролитического. Суперконденсатор используется для хранения энергии, подвергающейся частым циклам заряда/разряда при высоких значениях силы тока и короткой длительности.

Единица измерения емкости фарад, названа так в честь английского физика Майкла Фарадея (1791-1867).

Инженеры General Electric начали экспериментировать с ранней версией суперконденсатора еще в 1957 году, но коммерческого интереса эти разработки не вызвали. В 1966 году Standart Oil заново случайно обнаружили эффект двухслойного конденсатора во время работы с экспериментальными конструкциями топливных элементов. Двухслойная структура значительно улучшала способность накапливать энергию. Технология снова не была коммерциализирована и лишь 1990-х нашла свое применение.

Развитие суперконденсаторов тесно переплетено с технологиями электрохимических источников тока, именно оттуда были позаимствованы специальные электроды и электролит. В то время как основной электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC) зависит от электростатического действия, асимметричный двухслойный электрохимический конденсатор (AEDLC) использует батарееподобные электроды для получения более высокой плотности энергии, но это ограничивает его жизненный цикл и наделяет ограничениями, схожими на ограничения электрохимического источника тока. Многообещающим выглядит использование графена в качестве материала электрода, но исследования в этом направлении пока только ведутся.

Было испробовано много типов электродов, и наиболее распространенной системой электрохимического двухслойного суперконденсатора сегодня является версия на основе углерода с органическим электролитом. Неоспоримым преимуществом такого суперконденсатора является простота изготовления.

Все конденсаторы имеют предел напряжения. В то время как электростатический конденсатор является высоковольтным, суперконденсатор ограничен напряжением в 2,5-2,7 В. Повышение значения напряжения выше этого уровня возможно, но негативно сказывается на продолжительности срока службы. Поэтому для получения более высокого напряжения используют последовательное соединение нескольких суперконденсаторов. В свою очередь, последовательное соединение уменьшает общую емкость и увеличивает внутреннее сопротивление. Такое соединение более чем трех конденсаторов требует дополнительной балансировки для избежания перенапряжения отдельной ячейки. Похожим образом реализована система защиты литий-ионного аккумулятора.

Удельная энергоемкость суперконденсатора колеблется от 1 до 30 Вт*ч/кг, что в 10-50 раз меньше показателя литий-ионного аккумулятора. Еще одним недостатком является кривая разряда. В то время как электрохимические батареи обеспечивают постоянное напряжение в полезном диапазоне мощности, напряжение суперконденсаторов уменьшается линейно, что сокращает спектр доступной мощности. (Смотрите: Базовые знания о разряде электрохимического источника тока).

Возьмите источник тока с номинальным напряжением 6 В и напряжением отсечки 4,5 В. Если этот источник тока – суперконденсатор, то из-за своего линейного характера разряда он достигнет точки отсечки еще в первой четверти цикла, остальные три четверти энергетического резерва будут недоступными для использования. Можно конечно дополнительно использовать преобразователь напряжения — он позволит пользоваться источником питания и с низким значением напряжения, но это добавляет дополнительные расходы и приводит к потерям энергии. Электрическая же батарея имеет график разряда в виде относительно прямой линии, что позволяет использовать от 90 до 95 % накопленной в ней энергии.

На рисунках 1 и 2 показаны характеристики тока и напряжения при заряде и разряде суперконденсатора. При зарядке напряжение увеличивается линейно, а ток проседает, когда конденсатор полностью зарядился, вследствие этого даже отпадает необходимость использования системы детектирования полного заряда. При разрядке напряжение уменьшается также линейно. Для поддержания постоянного уровня потребляемой мощности при падении напряжения, преобразователь напряжения будет потреблять все большую силу тока. Разряд будет достигнут, когда нагрузочные требования больше не могут быть удовлетворены.

Рисунок 1: Зарядные характеристики суперконденсатора. Напряжение линейно растет при постоянном уровне тока заряда. При полном заполнении конденсатора зарядный ток падает.

Рисунок 2: Разрядные характеристики суперконденсатора. При разряде напряжение снижается линейно. Опциональный преобразователь напряжения может поддерживать определенный показатель напряжения, но это увеличивает показатель силы тока разряда.

Время зарядки суперконденсатора составляет от 1 до 10 секунд. Зарядные характеристики аналогичны характеристикам электрохимических батарей, и в значительной степени ограничены допустимой силой тока зарядного устройства. Суперконденсатор невозможно зарядить сверх его емкости, вследствие этого ему не нужна система детектирования полного заряда — ток просто перестает течь в него.

В таблице 3 сравниваются суперконденсатор и стандартный литий-ионный аккумулятор.

Таблица 3: Сравнение производительности суперконденсатора и литий-ионного аккумулятора.

Суперконденсатор может заряжаться и разряжаться практически неограниченное число раз. В отличии от электрохимической батареи, в которую заложен жизненный цикл определенного размера, суперконденсатор практически нечувствителен к воздействию циклического режима работы. Также слабее на него действуют и возрастные изменения, связанные с деградацией материалов. При нормальных условиях емкость суперконденсатора после 10 лет эксплуатации сохраняется на уровне 80% от номинальной. Но работа с высокими напряжениями может снизить его срок жизни. Также стоит отметить преимущество суперконденсатора по температурным показателях — слабым местом всех электрохимических источников тока.

Аккумуляторы EverExceed

OPzS	NI-CD	OPzV
20 лет / 1500 циклов	25 лет / 2000 циклов	20 лет / 1500 циклов
для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т. д.

Саморазряд суперконденсатора значительно выше у обычных конденсаторов и немного превышает показатель электрохимической батареи. Причиной такого высокого саморазряда, главным образом, выступают свойства органического электролита. Для сравнения, суперконденсатор теряет половину запасенной энергии за 30-40 дней, а свинцовые и литиевые аккумуляторы саморазряжаются всего на 5% в месяц.

Суперконденсаторы являются идеальным выбором в случаях, где возникает краткосрочная потребность в питании и есть возможность быстрой зарядки. В противовес этому, электрохимические батареи оптимизированы для обеспечения относительно долгосрочного электропитания. Объединение этих двух систем в гибридный источник питания позволяет использовать сильные стороны каждой. Такие гибриды уже существуют, например, в виде союза суперконденсатора и свинцово-кислотной электрохимической системы.

Суперконденсаторы находят свое применение в системах, где необходимо обеспечение питания продолжительностью от нескольких секунд до нескольких минут, и также могут быть быстро заряжены. Подобными качествами располагает и маховик (инерционный аккумулятор), поэтому суперконденсатор может выступать ему альтернативой в определенных процессах, например, транспортной сфере.

Сегодня продолжаются испытания системы суперконденсаторов мощностью 2 мВт и системы маховиков мощностью 2,5 мВт для обеспечения движения Нью-Йоркской железной дороги (Long Island Rail Road — LIRR). Целью этих испытаний является поиск решения проблемы проседания напряжения при разгоне. Обе системы должны обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии определенной мощности в течение 30 секунд, а также заряжаться за такой же период времени. Главными требованиями являются колебание напряжения в диапазоне не более 10 %, низкие эксплуатационные расходы и долговечность не менее 20 лет. (Пока что больший интерес вызывали маховики, так как считается, что они более прочные и экономичные, но испытания еще продолжаются).

Япония также активно исследует и развивает использование суперконденсаторов. Уже существуют 4 мВт системы, установленные в зданиях, предназначение которых заключается в уменьшении нагрузки на электросети в часы пик. Также существуют системы, обеспечивающие кратковременное электропитание в моменты между отключением электричества и запуском резервных генераторов.

Технологии суперконденсаторов также смогли проникнуть в область электротранспорта. Возможность зарядки за счет сил торможения и способность обеспечения высоких показателей силы тока для ускорения делают суперконденсаторы крайне интересными для гибридных и электрических транспортных средств. Широкий диапазон рабочих температур и долговечность дают преимущество над электрохимическими батареями в этой сфере.

Но недостатки суперконденсаторов, такие как низкая удельная энергоемкость и высокая стоимость, побуждают некоторых разработчиков делать выбор в пользу более емкого аккумулятора за ту же стоимость. В таблице 4 приведены преимущества и недостатки суперконденсаторов.

Таблица 4: Преимущества и недостатки суперконденсаторов.

Последнее обновление 2016-02-29

Суперконденсатор GS Group прошел испытания

GS Group получил заключение лаборатории «ТЕСТПРИБОР» о тестировании уникальной разработки холдинга — водно-щелочного суперконденсатора на основе наноуглеродной ткани. Испытания, которые продолжались на протяжении почти 2,5 месяца, подтвердили соответствие устройства техническим характеристикам, заявленным производителем.

Суперконденсаторы — элементы накопления электроэнергии, которые в отличие от электрохимических аккумуляторов практически мгновенно заряжаются и отдают электроэнергию, кратковременно компенсируя мощности в десятки мегаватт. Они работают в более широком диапазоне температур (–60… +125 °С и выше) без обслуживания в течение всего срока эксплуатации — не менее 15 лет. Циклы заряда и разряда устройств — не меньше 100 000 раз без значительного ухудшения характеристик, в отличие от 7500 циклов для Li-Ion-аккумуляторов.

Устройство тестировалось по ряду параметров, в том числе:

• номинальная емкость: 25,72 Ф;
• внутреннее сопротивление: 0,0259 Ом;
• удельная емкость: 2,27 Ф/см²;
• удельное сопротивление: 0,293 Омсм²;
• максимальный пиковый ток: 530 А
• накопленная энергия: 18,52 Втч;
• накопленная энергия: 66 кДж;
• максимальная мощность: 50 кВт;
• последовательная индуктивность: 40 мкГн.

Суперконденсаторы и накопители GS Group — результат многолетних научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области наноуглеродных материалов. Устройства обладают возможностью аккумулировать больший заряд и обеспечивать высокую скорость отдачи электроэнергии — от 0,3 с. GS Group разрабатывает и производит суперконденсаторы и накопители с двойным электрическим слоем в инновационном кластере «Технополис GS» (инвестиционный проект холдинга в г. Гусеве Калининградской обл.). Суперконденсаторы и накопители GS Group имеют два типа электролитов: водно-щелочной и водно-солевой. В отличие от органических электролитов, которые используются в большинстве представленных на мировом рынке устройств, водные — экологичные, пожаро- и взрывозащищенные. Благодаря этому суперконденсаторы и накопители GS Group безопасны для здоровья людей и окружающей среды и не требуют специальных условий для утилизации. Водный электролит превосходит органические по проводимости и в сочетании с углеродным наноматериалом обеспечивает высокую скорость работы устройства.

Особая конструкция ячеек суперконденсаторов и накопителей вместе с модулем силовой электроники разработки GS Group позволяют выравнивать электрическое напряжение на элементах батареи и стабилизировать выходные характеристики тока и напряжения. Использование неметаллических электродов собственной разработки решает проблему коррозии и значительно снижает стоимость устройства.

Все компоненты суперконденсаторов и накопителей GS Group разрабатываются и производятся в России из отечественного сырья и имеют невысокую себестоимость. Устройства не зависят от добычи редкоземельных металлов.

Обычный кирпич можно превратить в высокотехнологичную замену аккумулятора. И это не шутка

Американские исследователи предложили использовать красные кирпичи из обожженной глины в качестве суперконденсаторов, способных часами питать осветительные приборы и бытовую технику. Технология проста и может работать даже под водой.

Команда ученых из Университета Вашингтона (США) придумала способ по превращению обычного строительного кирпича в устройство для накопления заряда. Свою статью, описывающую весь процесс, они опубликовали в журнале Nature Communications. Авторы идеи – специалисты химического факультета Университета Вашингтона Хунминь Ван (Hongmin Wang), Хаожу Ян (Haoru Yang), Кеннет Хрулски (Kenneth Chrulski) и Джулио д’Арси (Julio D’Arcy), а также сотрудники Института материаловедения и инженерии Вашингтонского университета Ифань Дяо (Yifan Diao), Ян Лу (Yang Lu) и Цинцзюнь Чжоу (Qingjun Zhou).

Ученые предложили идею по использованию красных кирпичей из обожженной глины в качестве не аккумулятора, а суперконденсатора, способного накапливать в себе заряд. По их словам, по их схеме можно превращать в суперконденсаторы стены целых домов, чтобы в дальнейшем использовать хранящееся в них электричество, к примеру, для питания домашней техники в случае отключения света или для работы аварийного освещения.

В будущем кирпичи смогут заменить центральное энергоснабжение

Суперконденсаторы способны хранить большие запасы энергии в небольшом объеме. В них можно мгновенно «закачать» энергию, и извлечь ее из них можно так же быстро. Срок эксплуатации суперконденсаторов практически неограничен.

Как это работает в теории

Изобретатели предложили использовать пористую структуру кирпича в качестве так называемой «обкладки» конденсатора. Они утверждают, что насыщенность красных кирпичей оксидом железа будет способствовать запуску и протеканию химических реакций, необходимых для получения энергии.

Процесс создания суперконденсатора из обычного кирпича

Согласно их идее, кирпич, чтобы он начал накапливать энергию, необходимо обработать специальным проводящим полимером «поли(3,4-этилендиокситиофен)» (poly(3,4-ethylenedioxythiophene, PEDOT). Полимер проникнет в многочисленные поры красного кирпича и заполнит их, тем самым превратив простой строительный материал, используемый при возведении стен и других конструкций на протяжении 5000 лет, в суперконденсатор. Сам PEDOT будет выступать в качестве электролита и взаимодействовать с оксидом железа. Останется лишь подключить к кирпичу, к примеру, лампочку или иной потребитель энергии.

После обработки PEDOT кирпич теряет свой исходный оттенок, становясь практически черным. В остальном свои свойства он не меняет.

Проверка идеи на практике

Авторы идеи с покрытием кирпичей PEDOT в своей статье привели результаты опытов по использованию кирпичей в качестве суперконденсаторов. Согласно этим данным, один красный кирпич может заряжаться до 3 В за десять секунд. Этой энергии ему хватило для питания обычного зеленого светодиода в течение десяти минут.

По утверждению ученых, «строительные» суперконденсаторы могут работать даже под водой, что говорит о возможности их использования, к примеру, когда идет дождь. Однако для этого необходимо нанести на кирпичи дополнительное изолирующее покрытие – ученые предложили использовать для этого обычную эпоксидную смолу.

Светодиод подключен к кирпичу и при этом горит

Один кирпич с электричеством внутри способен выдерживать 10 тыс. циклов заряда без ухудшения своих свойств. По подсчетам изобретателей, после такого числа циклов он потерял в пределах 10% от своей первоначальной емкости.

CIO и СTO: как меняется влияние ИТ-руководителей в компаниях?

Итоговую емкость одного красного кирпича, покрытого полимером PEDOT, проникшего в его структуру, экспериментаторы не сообщают. Они утверждают лишь, что кладки из 50 кирпичей будет достаточно для работы аварийного освещения в течение пяти часов.

Потенциал разработки

Ученые отметили, что превратить в суперконденсатор можно не только новый кирпич, ни разу не использовавшийся в строительстве, но также и тот, что уже является частью построенного дома. Таким образом, дома, из красного кирпича, возведенные несколько лет назад, тоже способны накапливать электричество в своих стенах.

Авторы идеи предложили несколько вариантов подзарядки «аккумуляторных» кирпичей, в том числе и за счет возобновляемых источников энергии. Это могут быть, к примеру, солнечные панели, установленные на крыше дома.

На момент публикации материала разработчики не называли сроки коммерциализации технологии. Она находится на ранней стадии разработки и требует значительного числа улучшений и тестов.

Тем временем в России

Пока американские ученые пытаются выжать электричество из кирпичей, их российские коллеги из Национального исследовательского технологического университета (НИТУ) МИСиС научились использовать борщевик в качестве основного материала при производстве электродов для суперконденсаторов (СК). Созданная ими технология, как сообщал CNews, была протестирована в лабораторных условиях, и эксперимент завершился успехом.

Суперконденсаторы с электродами из борщевика не уступают по своим основным характеристикам аналогам с электродами из многих других материалов. Для изготовления электродов требуются только стебли этого растения – они подвергаются обработке по особой технологии, включающей в себя ряд этапов.

Преимущество использования борщевика при производстве суперконденсаторов в том, что это сорное растение, которое может быть опасным для людей и животных. Его сок при попадании на кожу и воздействии солнечных лучей может вызывать серьезные ожоги, а при попадании в глаза может стать причиной полной или частичной слепоты. Борщевик очень неприхотлив в плане условий для его произрастания. Он очень быстро покрывает большие площади как общего, так и сельскохозяйственного назначения, что позволяет в больших объемах использовать его в качестве сырья для производства электродов.

Графеновый суперконденсатор Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

В. В. Стюхин, Э. В. Лапшин

ГРАФЕНОВЫЙ СУПЕРКОНДЕНСАТОР

Аннотация. Рассмотрены сравнительные характеристики обыкновенного конденсатора с ионистором. Представлена возможность использования конденсатора в гибридных источниках питания и применение в суперконденсаторах твердых электролитов. Рассмотрен графеновый суперконденсатор его преимущества перед предшественниками. Показан совокупный темп годового прироста мирового рынка суперконденсаторов.

Ключевые слова: суперконденсатор, ионистор, двухслойный конденсатор, гибридные источники тока, твердый электролит, графеновый суперконденсатор, энергетическая плотность.

Abstract. Examined the comparative characteristics of an ordinary capacitor with ionistorom. The ability to use a capacitor in the hybrid power sources and application in supercapacitors solid electrolytes. Considered graphene supercapacitor its advantages over its predecessors. Shows a cumulative annual growth rate of the global market supercapacitors.

Keywords: supercapacitor, ionistor, double-layer capacitors, hybrid power sources, solid electrolyte, graphene supercapacitors, the energy density.

Конденсатор — это устройство, с помощью которого можно запасти определенный электрический заряд. Одна из разновидностей

конденсаторов — суперконденсаторы (ионисторы), также известные как электрохимические конденсаторы, принцип действия которых основан на формировании двойного электрического слоя на границе между

полупроводником и электролитом при условии приложенного внешнего напряжения [1].

Рис. 1 — На рисунке показана принципиальная схема устройства суперконденсатора, Aluminium foil -алюминиевая фольга, Carbon Coating-угольные электроды, Separator — диэлектрическая мембрана, Binder -корпус

Суперконденсаторы, ультраконденсаторы, электрохимические

конденсаторы, двухслойные конденсаторы — так называют электрохимические конденсаторы, которые отличаются от обычных большими значениями удельной мощности, более низкими токами потерь, практически неограниченной долговечностью, и все это при значительно меньших габаритах, по плотности запасаемой энергии, достигающей 30 кВтхч/кг, СК близки аккумуляторам [2].

Мировой рынок СК можно разделить на два основных сегмента: суперконденсаторы большой емкости для транспортных и промышленных систем и СК для электронной аппаратуры, в основном малогабаритной. В последнем сегменте с уменьшением габаритов и повышением мобильности техники все больше требуются автономные источники питания с высокой плотностью энергии и мощности. И по мере совершенствования СК, переходу к нанотехнологии при их изготовлении суперконденсаторы все активнее дополняют стандартные источники питания во множестве малогабаритных изделий широкого применения — от компьютеров до видеокамер, мобильных телефонов и т.п. [2]

По сути суперконденсатор представляет собой очень «большой» поляризованный электрохимический конденсатор. Правда, прилагательное «большой» относится не к физическому размеру прибора, а к его основному параметру — емкости. Емкость СК, так же, как обычного конденсатора, пропорциональна площади обкладок и диэлектрической проницаемости диэлектрика и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. Но на этом сходство двух конденсаторов кончается [2].

В обычном конденсаторе заряд концентрируется на поверхностях обкладок, а энергия электрического поля — в объеме межэлектродного диэлектрика. В СК реализована предложенная в 1879 году Г. Гельмгольцем идея формирования с двух сторон границы раздела металл — жидкий электролит при подаче напряжения слоев с избыточными носителями различной полярности. Формирование двух разнополярных слоев

обусловлено тем, что перенос зарядов через межфазную границу раздела в интервале потенциалов электродов с точки зрения термодинамики невозможен или кинетически затруднен. Таким образом, заряженные слои образуют «обкладки» конденсатора, а граница раздела металл — электролит толщиной в несколько нанометров или даже долей нанометра служит его диэлектриком. Отсюда и название — двухслойный конденсатор (Electrochemical Double-Layer Capacitor — EDLC) [2].

При построении электрохимического двухслойного конденсатора в водный или органический электролит с высокой концентрацией подвижных ионов между электродами помещают проницаемый ионами разделитель. При подаче постоянного напряжения на электроды такой структуры на границах

раздела электролит — электрод формируются разнополярно заряженные области, разделенные границей раздела, т. е. двойной электрический слой (ДЭС). На одном электроде этот слой формируется его отрицательно заряженной поверхностью и притянутыми к ней катионами электролита, на другом — положительно заряженной поверхностью и притянутыми к ней анионами. Оба ДЭС соединены последовательно через разделитель и электролит и концентрируют заряд, напряжение и энергию. Большое значение емкости СК, которое на два-три порядка превосходит значение емкости традиционных электролитических конденсаторов, достигнуто за счет применения одного (или обоих) электрода из высокопористого материала и благодаря весьма малой толщине диэлектрика (граница раздела двойного слоя) [2]. 3 В) [3].

Уступая химическим источникам тока по удельной энергии, суперконденсаторы значительно превосходят последние по удельной мощности и стабильности зарядно — разрядных характеристик в широком температурном интервале, что открывает возможности для создания гибридных источников энергии и мощности. Активная стадия работы гибридного источника, требующая высокой мощности, например, запуск двигателя автомобиля или передача информации в импульсном режиме в сотовых GSM-телефонах, обеспечивается суперконденсатором, после чего он перезаряжается в слаботочном режиме от аккумулятора или батареи гальванических элементов. В случае микроэлектромеханических систем (МЭМС) в качестве автономных миниатюрных слаботочных источников могут использовать пьезоэлементы, пленочные термобатареи, топливные микрореакторы и фотоэлементы. Использование гибридных источников позволяет значительно снизить вес автономных источников, например, в автомобилях. С помощью гибридных источников может быть продлен срок службы химических источников тока и доведен почти до единицы коэффициент их использования [3]. Но при этом зачастую из вида упускаются такие важные различия между химическим источником тока и суперконденсатором, как:

1 батареи накапливают энергию, измеряемую в киловатт-часах, тогда как конденсаторы концентрируют мощность, измеряемую в ваттах;

2 работа батареи зависит от относительно длительно протекающих химических реакций. Батареи заряжаются достаточно долго, и время их заряда зависит от тока. Скорость зарядки конденсатора в основном зависит

от сопротивления внешнего включенного последовательно с ним сопротивления;

3 батареи обеспечивают подачу постоянного напряжения в течение довольно продолжительного времени, тогда как конденсаторы разряжаются очень быстро, и их напряжение резко уменьшается;

4 число циклов заряда — разряда батарей невелико (200 — 1000) и зависит от глубины разряда. Суперконденсаторы допускают до сотен тысяч циклов заряда — разряда;

5 размеры и масса батарей, особенно большой мощности, велики, тогда как габариты и масса суперконденсаторов аналогичной мощности значительно меньше [2].

К суперконденсаторам иногда относят также электрохимические ячейки, в которых энергия запасается при протекании фарадеевских процессов: электроадсорбции (underpotential deposition) на электроде

водорода, тяжелых металлов или некоторые окислительно —

восстановительные реакции, но заряд Q, необходимый для выделения вещества или структурных изменений на электроде, непрерывно изменяется с потенциалом V (производную dQ/dV можно назвать псевдоемкостью). Рассматриваемые ячейки являются разновидностью аккумуляторов, хотя в идеальных аккумуляторах при изменении заряда С потенциал электрода V ~ const. Они превосходят суперконденсаторы с двойным электрическим слоем по энергии, но уступают по мощности, поскольку в них, как в аккумуляторах, на электродах протекают сравнительно медленные, диффузионные по природе, процессы массопереноса и химических превращений [3].

Применение твердых электролитов вместо жидких в

суперконденсаторах даст ряд преимуществ. Для целей микросистемной техники (МСТ) и наноэлектроники достаточно указать на два решающих:

1 возможность создания тонкопленочных конденсаторов на кремнии или других полупроводниках с использованием развитых в

микроэлектронике технологий;

2) широкий интервал температур функционировании и сохранения годности компонентов.

В конденсаторах на основе твердых электролитов, также как в конденсаторах с жидкими электролитами, энергия электрического поля запасается в двойном электрическом слое молекулярной толщины. Вызываемые проникающими ионизирующими излучениями токи утечки конденсаторов повышаются с увеличением объема, занимаемого

электрическим полем. Поэтому конденсаторы с двойным электрическим слоем должны значительно превосходить сегнетоэлектрические в отношении сохранности заряда и энергии в условиях облучения. Радиационно

устойчивые суперконденсаторы необходимы для создания объектов МСТ, предназначенных действовать в условиях сильных космических излучений и на территориях с высокими концентрациями радионуклидов [2].

Еще в 2006 году была предложена идея суперконденсаторов из графена, материала, представляющего собой одноатомные листы углерода, формирующего гексагональную кристаллическую решетку. С тех пор ученые с разных концов планеты предлагают различные конструкции устройств, позволяющие увеличить плотность запасаемой энергии [1].

Новая конструкция суперконденсатора, предложенная специалистами из Nanotek Instruments Inc. (США), имеет электроды, состоящие из графена с примесями повышающего проводимость ацетилена и связующего вещества PTFE. В качестве электролита использовалось вещество, известное в электрохимии как EMIMBF4 [1].

Энергетическая плотность полученного устройства по порядку сравнима с никель-металлогидридными батареями. Если говорить о цифрах, то плотность энергии в созданном устройстве — порядка 85,6 Вт*час/кг при комнатной температуре и порядка 136 Вт*час/кг при 80 градусах по шкале Цельсия. Однако, как было отмечено выше, устройство имеет громадное преимущество по сравнению с привычными батареями, заключающееся в том, что оно может быть заряжено и разряжено чрезвычайно быстро. Сами разработчики считают свое творение настоящим технологическим прорывом. Возможность быстрого заряда означает, что в будущем подобная конструкция может использоваться для питания мобильных телефонов и другой пользовательской портативной техники [1].

В настоящее время группа продолжает работу. Основная цель ученых -дальнейшее повышение плотности запасенной энергии. Их цель — создать устройства, способные хранить как минимум столько энергии, сколько запасают литий-ионные батареи (при том же весе), но для которых возможна перезарядка всего за несколько минут [1].

Рис. 2 — графеновый суперконденсатор

Согласно данным компании Lux Research, совокупные темпы годового прироста мирового рынка суперконденсаторов за 2008-2014 годы составят 27%, и объем их продаж возрастет с 208 млн. до 877 млн. долл. По мнению аналитиков компании, рынок суперконденсаторов разделен на два сектора:

1 сектор СК для электронных устройств (PCMCIA-карт, флеш-карт, сотовых телефонов, беспроводных сенсорных сетей, цифровых фотокамер, ноутбуков, плееров, игрушек, е-книг, пультов дистанционного управления), на котором действуют большие транснациональные компании;

2 сектор больших СК для промышленного применения (в пультах дистанционного управления, ридерах средств радиоидентификации, медицинском оборудовании, промышленных лазерах, транспортных системах, выпрямителях, источниках бесперебойного питания, системах наблюдения и контроля и т. п.), на котором представлены компании, производящие в основном только СК. Развитию первого сегмента рынка СК способствует потребность сотовых телефонов и цифровых фотокамер в источниках импульсной мощности, которую не могут обеспечить аккумуляторы и обычные конденсаторы. Этот прогноз согласуется с мнением компании, специализирующейся в области маркетинговых исследований рынка, Strategy Analytics. Согласно ее оценкам, использование СК в беспроводных системах зарядки коренным образом изменит способы питания и применения сотовых телефонов. В итоге продажи СК для бытовых систем за рассматриваемый период увеличатся со 122 млн. до более 550 млн. долл. [2].

Литература. Итернет ресурс

1 Nano news net сайт о нанотехнологиях #1 в России

(http://www.nanonewsnet.ru/news/201 0/samyi-emkii-grafenovyi-superkondensator-0).

2 В. Шурыгина. Суперконденсаторы помощники или возможные конкуренты батарейным источникам питания/Электроника: Наука, Технология, Бизнес.-2003.- №3.

3 Деспотули, А. Л. Создание новых типов тонкопленочных

твердоэлектролитных суперконденсаторов для микросистемой техники и микро(нано)электроники./ А. Л. Деспотули, А. В. Андреева//

Микросистемная техника, №11, 2003.

Сведения об авторах

Стюхин, Валентин Вячеславович — студент гр. 06ЕК1 каф. КиПРА ПГУ Лапшин Эдуард Владимирович — д.т.н., проф. каф. КиПРА, ПГУ

Выбор подходящего суперконденсатора для вашего приложения

Батареи и суперконденсаторы часто сравнивают по их энергии и мощности . Батареи имеют более высокую плотность (что означает, что они могут хранить больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (что означает, что они могут выделять энергию быстрее). Это делает суперконденсаторы лучшими для более быстрого хранения и высвобождения большого количества энергии, но батареи по-прежнему являются мастерами для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.

имеют гораздо более высокие значения емкости по сравнению с другими конденсаторами (но более низкие пределы напряжения), поэтому они, по сути, являются мостом между конденсаторами и батареями. Они могут хранить намного больше энергии на единицу массы по сравнению с конденсаторами. Благодаря тому, что они работают электростатически, их можно заряжать и разряжать любое количество раз. Поскольку они имеют низкое внутреннее сопротивление по сравнению с батареями, они работают с эффективностью около 98%.

Лучше всего подходят суперконденсаторы для резервных устройств для отключения питания микрокомпьютеров и RAM, интеллектуальных счетчиков, сетевых устройств POE, систем сигнализации, насосов нагревателя и т. Д.В зависимости от резервного тока источника питания суперконденсаторы имеют разное время поддержки. На рисунке ниже показано основное приложение.

Решение KEMET

Перед выбором конденсатора необходимо определить следующие параметры.

• необходимое время поддержки
• требуется резервный ток
• минимальное и максимальное рабочее напряжение
• рабочая температура
• требуемые размеры
• тип монтажа (поверхностный или сквозной)

Пример проекта

Заказчику потребуется суперконденсатор, способный выдержать 150 часов автономной работы при следующих условиях:

➢ 𝑽𝒎𝒊𝒏 = 2.5 В
➢ 𝑽𝒎𝒂𝒙 = 5,5 В
➢ 𝑰𝒃𝒂𝒄𝒌𝒖𝒑 = 540𝑛𝐴
➢ требуемое время поддержки T> 150 часов,
➢ Температура окружающей среды 85 ° C + дополнительная система охлаждения (-15 ° C) ➢ Требуется суперконденсатор SMD

Основное уравнение для требуемой емкости:

После расчета всех остальных параметров заказчику, похоже, понадобится суперконденсатор с емкостью около 0,1Ф.
Kemet предлагает суперконденсаторы следующей серии:

Поскольку наша серия FC — единственная серия с монтажом SMD, нам придется выбрать эту серию.

Согласно нашему каталогу, максимальное рабочее напряжение для этой серии составляет 5,5 В постоянного тока, что соответствует максимальному рабочему напряжению.
Поскольку серия FC имеет температуру до 70 ° C, необходимо будет применить дополнительное охлаждение к системе.

Наиболее логично выбрать FC0h204ZFTBR24 с разрядным конденсатором 0,1Ф.

НО !!

Есть дополнительные параметры, которые необходимо учитывать при выборе правильного суперконденсатора.

➢ Падение напряжения

Падение напряжения суперконденсатора определяется сопротивлением постоянному току и резервным током.Значения сопротивления постоянному току для каждого номера детали приведены в наших таблицах данных.

Приблизительное падение напряжения можно рассчитать по следующей формуле:

Где 𝑹𝑫𝑪 — сопротивление суперконденсатора постоянному току [Ом], 𝑰𝒃𝒂𝒄𝒌𝒖𝒑 — резервный ток [𝑨]

Когда резервный ток составляет 1 мА и ниже, нет потенциального падения напряжения, это означает, что мы можем пренебречь падением напряжения в этом случае, поскольку резервный ток составляет всего 540 нА.

Ток утечки

Рабочая температура должна быть фактором, который больше всего влияет на срок службы суперконденсаторов.Как показано на приведенном ниже графике (графики доступны для всех частей), ток утечки значительно возрастает с увеличением рабочей температуры.

Поскольку ток утечки является дополнительным потребляемым током, вам нужно будет взять сумму резервного тока и тока утечки при вычислении времени поддержки.

Поскольку в приложении возможно охлаждение, мы будем считать, что рабочая температура будет 70C. Мы видим, что ток утечки в этом случае составляет 4 мкА.

Затем вы можете рассчитать, как долго хватит энергии, используя расчет ниже:

Теперь, принимая во внимание ток утечки, мы видим, что вместо требуемых 150 часов время поддержки будет значительно сокращено до 18 часов.При этом необходимо будет выбрать конденсатор с более высоким значением емкости (почти в 10 раз).
Выбрав FC0h205ZFTBR44, значение емкости разряда которого составляет 1Ф, мы можем пересчитать время поддержки:

Время поддержки в этом случае составляет 183 часа, что больше запрошенных 150 часов. Даже если рассчитать запас в 15% по емкости, мы получаем почти 155 часов автономной работы.

Не стоит также забывать об «оценке срока службы» суперконденсаторов. Срок службы суперконденсатора определяется как точка, в которой емкость снижается до 70% от начального значения, как показано на графике ниже:

Заключение

Требуемая необходимая емкость суперконденсатора должна быть рассчитана с помощью приведенного ниже уравнения с учетом падения напряжения, тока утечки и 15% допуска емкости.

Суперконденсатор — обзор | Темы ScienceDirect

Фарадеевские суперконденсаторы

FS или псевдоконденсаторы отличаются от электростатических конденсаторов или конденсаторов EDLS. Когда к ПС прикладывается потенциал, на материалах электродов происходят быстрые и обратимые фарадеевские реакции (окислительно-восстановительные реакции), которые включают прохождение заряда через двойной слой, аналогично процессам зарядки и разрядки, которые происходят в батареях, что приводит к Фарадееву. ток, проходящий через ячейку суперконденсатора.Материалы, претерпевающие такие окислительно-восстановительные реакции, включают проводящие полимеры (CP) и несколько оксидов металлов, включая RuO ₂ , MnO ₂ и Co ₃ O ₄ . На электродах ФС происходят три типа фарадеевских процессов: обратимая адсорбция (например, адсорбция водорода на поверхности платины или золота), окислительно-восстановительные реакции оксидов переходных металлов (например, RuO ₂ ) и обратимое электрохимическое легирование-дедопирование в электроды на основе проводящего полимера. В них электрохимические процессы происходят как на поверхности, так и в объеме вблизи поверхности твердого электрода.FS демонстрирует более высокие значения емкости и плотности энергии, чем EDLS. FS обычно страдает от относительно более низкой плотности мощности, чем EDLS, потому что фарадеевские процессы обычно медленнее нефарадеевских процессов. Более того, поскольку на электроде происходят окислительно-восстановительные реакции, FS часто теряет стабильность во время цикла, как и батареи. Кроме того, гибридные ЭС с асимметричной конфигурацией электродов (например, один электрод состоит из электростатического углеродного материала, а другой — из материала фарадеевской емкости) были тщательно изучены, чтобы извлечь выгоду из преимуществ обоих электродных материалов в улучшении общего напряжения ячейки, энергии и плотности мощности.

По сравнению с обычными конденсаторами, у которых емкость составляет порядка пикофарад и микрофарад, емкость и плотность энергии, запасенные в суперконденсаторе двойным электрохимическим слоем, выше. Для достижения большей емкости площадь поверхности электрода дополнительно увеличивается за счет использования пористых электродов.

Существует несколько методов определения удельной емкости, таких как испытание единичной ячейки (двухэлектродная система), испытание половинной ячейки (трехэлектродная система) и испытание импеданса.Испытания элементарной ячейки и полуячейки в основном используются для определения удельной емкости суперконденсатора. Удельные емкости, указанные в литературе, не соответствуют друг другу, в основном из-за экспериментальных методов, используемых для их определения.

Важным компонентом суперконденсатора, помимо двух электродов, является электролит внутри сепаратора, а также внутри слоев активного материала. Эти электролиты должны обеспечивать широкий диапазон напряжений, электрохимическую стабильность, высокую концентрацию ионов и низкий радиус сольватированных ионов, низкое удельное сопротивление, низкую вязкость, низкую летучесть, низкую токсичность, низкую стоимость и высокую чистоту.Электролит, используемый в суперконденсаторах, можно разделить на три типа: водный электролит, органический электролит и ионные жидкости.

Водные электролиты, такие как H ₂ SO ₄ , KOH, Na ₂ SO ₄ и NH ₄ Cl, могут обеспечивать более высокую концентрацию ионов и более низкое сопротивление. Эти электролиты ограничены с точки зрения улучшения плотности энергии и мощности из-за их узкого окна напряжения.

По сравнению с водными электролитами, у органических электролитов более широкий диапазон напряжений, до 3.5 V. Обычно используемые растворители — ацетонитрил и пропиленкарбонат. Одним из ограничений содержания воды в этих электролитах является то, что оно должно быть ниже 3–5 частей на миллион.

Ионные жидкие электролиты имеют низкое давление пара, высокую термическую и химическую стабильность, низкую воспламеняемость, широкий диапазон электрохимической стабильности (около 4,5 В) и проводимость (10 мСм / см).

Когда недостаточно одного суперконденсатора; модули и балансировка — Блог пассивных компонентов

Источник: блог Capacitors Faks

Отправленный Энтони Кенни | 27 марта 2018 г.

Узнайте, что такое суперконденсаторы, их конструкция и полезные примечания по их последовательному соединению в модули.

, также известные как ультраконденсаторы или конденсаторы с двойным электрическим слоем (EDLC), представляют собой перезаряжаемые устройства хранения энергии, которые не требуют химических реакций для хранения энергии. По сравнению с обычными конденсаторами эти компоненты имеют более высокую плотность энергии и не содержат движущихся ионов. Суперконденсаторы не накапливают химическую энергию и обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными вторичными батареями.

Поскольку суперконденсаторы имеют более низкую энергетическую ценность по сравнению с традиционными батареями, они редко используются в качестве первичных накопителей электроэнергии.Они обычно используются во многих приложениях в качестве вспомогательных источников энергии в дополнение к топливным элементам и вторичным батареям. С развитием суперконденсаторных технологий удельная энергия этих компонентов увеличивается, что делает их потенциальными альтернативами аккумуляторным устройствам хранения энергии.

Конструкция и характеристики суперконденсаторов
В отличие от обычных конденсаторов, суперконденсатор не имеет диэлектрического материала между электродами. Двойной электрический слой, который образуется на поверхности двух электродов, работает как диэлектрический материал и обеспечивает номинальную емкость на несколько порядков выше, чем у алюминиевых электролитических конденсаторов. Кроме того, конденсаторы с двойным электрическим слоем имеют более высокую удельную мощность по сравнению с обычными батареями.

Элементарная конструкция суперконденсатора состоит из раствора электролита, двух электродов и сепаратора. Два электрода изготовлены из композитного материала, состоящего из части с высокой проводимостью (металлический коллектор) и части с большой площадью поверхности (активный материал). Для разделения этих двух электродов используется сепаратор. Этот сепаратор обеспечивает ионную проводимость между двумя электродами и предотвращает электронную проводимость через физический контакт между ними.Затем этот композит складывается и складывается в контейнер. Пространство между двумя электродами суперконденсатора заполнено жидким или твердым электролитом.

Характеристики суперконденсатора во многом зависят от свойств материала электрода и электролита. Электроды этого конденсатора изготовлены из пористого материала с большой площадью поверхности. Заряд накапливается вблизи границы между электролитом и материалом электрода или в микропорах. Углеродный аэрогель, технический углерод и углеродная ткань обычно используются для изготовления электродов для конденсаторов с двойным слоем.

В некоторых суперконденсаторах используется водный электролит, в других — органический. Водные электролиты, которые обычно используются в суперконденсаторах, включают серную кислоту и гидроксид калия. Водный электролит имеет низкое сопротивление, необходимое для большой удельной мощности. По сравнению с водными электролитами, органические электролиты имеют более высокое сопротивление и относительно небольшую удельную мощность.Наиболее часто используемые органические электролиты основаны на ацетонитриле или пропиленкарбонате.

Модули суперконденсаторов
При проектировании системы питания на основе ультраконденсаторов очень важно учитывать множество факторов, включая систему управления напряжением, модель суперконденсатора, топологию системы питания и динамическое поведение клемм. Многие производители разрабатывают индивидуальные модули суперконденсаторов для удовлетворения требований конкретного приложения.

Суперконденсаторы имеют низкое напряжение ячеек, обычно 0.От 9 до 3,3 В, и они обычно подключаются параллельно или последовательно для формирования модулей. При последовательном подключении суперконденсаторов важно обеспечить равномерное распределение напряжения ячеек.

В приложениях, требующих более высокой энергии и / или мощности, требуется более одного суперконденсатора. Для обеспечения необходимой энергии и / или мощности суперконденсаторы обычно подключаются параллельно. Параллельное подключение суперконденсаторов увеличивает емкость и снижает эквивалентное последовательное сопротивление (ESR).Это соединение подходит, когда требуется более высокая энергия и / или мощность.

Большинству систем требуется большее рабочее напряжение, чем может обеспечить один суперконденсатор. В системах, требующих высокого напряжения, суперконденсаторы обычно подключаются последовательно. Это соединение уменьшает емкость и увеличивает ESR. Как и параллельное соединение, последовательное соединение обеспечивает более высокую энергию.

При последовательном подключении суперконденсаторов важно убедиться, что используются только компоненты с одинаковым номером детали.Подключение разнородных частей может существенно повлиять на общую производительность модуля суперконденсатора. Кроме того, последовательно соединенные суперконденсаторы требуют наличия уравновешивающей цепи для обеспечения баланса напряжений.

Рассмотрим систему, в которой два суперконденсатора с одинаковым номером детали соединены последовательно. Несмотря на то, что компоненты схожи, их изолированное сопротивление и сопротивление около

Пример:

• Последовательное соединение 2 ячеек 400F 2,5 В с допуском крышки + 10 / -5%
• Худший сценарий: на борт попадают конденсаторы 380F и 440F
• Напряжение отдельных ячеек будет: 2,68 В: 2,32 В

Существует две категории балансировки напряжения: пассивная и активная. Схема пассивной балансировки — это простое и недорогое решение, состоящее из резисторов. Рекомендуется использовать компоненты с низкими значениями сопротивления, поскольку они обеспечивают более быструю балансировку по сравнению с компонентами с более высокими значениями сопротивления.Чем ниже значение сопротивления, тем выше скорость балансировки напряжения.

В приложениях, где потери в цепи являются ключевым фактором, можно использовать резисторы с более высокими значениями сопротивления. Хотя компоненты с более высокими значениями сопротивления имеют меньшие потери мощности, они снижают скорость балансировки напряжений. По мере увеличения сопротивления потери в цепи и скорость балансировки напряжений уменьшаются. Напряжение, подаваемое суперконденсатором, ограничивает максимальное значение сопротивления, которое можно использовать.Максимальное значение сопротивления уменьшается с увеличением приложенного напряжения. Пассивная балансировка напряжения в основном используется в системах с малым рабочим циклом.

Активная схема балансировки очень эффективна при выравнивании напряжения ячеек в модуле суперконденсатора. Эти схемы ведут себя нелинейно и могут быть реализованы различными способами. В большинстве схем активной балансировки для достижения баланса напряжений используется операционный усилитель.

Вообще говоря, активные балансировочные схемы обеспечивают отличную энергоэффективность.Мощность, потребляемая активной схемой балансировки, зависит от скорости нарастания напряжения усилителя. Хотя высокоскоростные усилители обеспечивают кратковременную балансировку, они не подходят для приложений, где потребление энергии является ключевым фактором.

Помимо обычных активных схем балансировки, существуют специальные интегральные схемы для балансировки напряжения суперконденсаторов. Эти ИС предназначены для достижения высокой эффективности при балансировке напряжений. Цепи активной балансировки обеспечивают более быструю балансировку напряжений и в основном используются в приложениях с большим рабочим циклом.

Некоторые приложения могут подвергать накопители энергии воздействию экстремальных температур. На производительность аккумуляторных устройств хранения энергии в значительной степени влияют экстремальные температуры. Модули суперконденсаторов могут работать в широком диапазоне температур с минимальным влиянием на их производительность и надежность.

Обычные батареи имеют более короткий срок службы по сравнению с устройствами накопления энергии на основе суперконденсаторов. Электрохимические реакции, происходящие в аккумуляторе во время циклов заряда / разряда, могут вызвать значительную деградацию.Это ухудшение ограничивает количество циклов. Для сравнения, модули суперконденсаторов обладают превосходной устойчивостью к циклическим нагрузкам, поскольку в них не участвуют электрохимические реакции.

напрямую влияет перенапряжение, поэтому выбор метода балансировки может быть критическим фактором для прогнозирования срока службы модуля суперконденсатора.

Эмпирическое правило по прогнозированию срока службы:

• С каждым уменьшением напряжения на 0,2 срок службы элемента увеличивается примерно в 2 раза в указанном диапазоне напряжений
• Через каждые 0.1 увеличение напряжения по сравнению со спецификацией V срок службы элемента уменьшается вдвое

Рис.1 Прогноз срока службы в зависимости от типа балансировки, источник: Eaton

Поскольку модули суперконденсаторов предлагают более высокую плотность мощности, чем обычные батареи, они могут разряжать больше энергии, и это делает их подходящим выбором для приложений, где требуется выравнивание высокой пиковой нагрузки и резервное копирование большой мощности.

Хотя суперконденсаторы имеют много преимуществ по сравнению с традиционными аккумуляторными накопителями энергии, у них есть некоторые недостатки.Начнем с того, что удельная энергия конденсаторов с двойным электрическим слоем ниже, чем у батарей. Во-вторых, несбалансированность напряжений в модулях суперконденсаторов может привести к значительному снижению доступной энергии и / или преждевременным необратимым повреждениям.

Значительное количество энергии теряется, когда электрическая энергия передается от источника к нагрузке. Поскольку суперконденсаторы имеют низкую удельную энергию, они требуют более эффективных средств передачи накопленной энергии, чтобы минимизировать потери.Ожидается, что усовершенствования в технологии суперконденсаторов устранят некоторые из этих недостатков.

Характеристики модулей суперконденсаторов делают их подходящим выбором для широкого спектра приложений. Эти модули широко используются в различных приложениях, включая гибридные системы питания, системы рекуперативного торможения, источники мгновенного резервного питания, системы запуска двигателей, светодиодные дисплеи, преобразователи постоянного тока в постоянный и гибридные электромобили (HEV).

Заключение
Модули суперконденсаторов предлагают лучшую кулоновскую эффективность, долговечность, низкотемпературные характеристики и мощность по сравнению с традиционными батареями, такими как свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-кадмиевые и никель-металлгидридные.Устройства накопления энергии на основе суперконденсаторов позволяют более легко оценить состояние заряда. В большинстве систем, где две или более ячейки суперконденсатора соединены последовательно, для предотвращения дисбаланса напряжений требуется схема выравнивания напряжения. Цепи балансировки напряжения в целом подразделяются на пассивные и активные цепи балансировки. Характеристики суперконденсаторных модулей делают их подходящим выбором для широкого спектра применений, включая гибридные электромобили (HEV), электромобили с аккумуляторным приводом (BEV) и различные промышленные применения.

избранный источник изображения: Wikimedia

ученых разработали высокоэффективный суперконденсатор, способный конкурировать с батареями

Технический университет Мюнхена

Инженеры из Технического университета Мюнхена создали новый суперконденсатор, который отличается высокой эффективностью и надежностью. Суперконденсатор был разработан из гибридного графенового материала, который является мощным, стабильным и устойчивым.Это новое нововведение предлагает производительность, сравнимую с современными батареями.

все чаще и чаще используются в самых разных технологиях, включая ноутбуки и мобильные телефоны. Суперконденсаторы имеют преимущество перед батареями в том, что они могут быстро и эффективно накапливать и выделять большое количество энергии. Обратной стороной этой технологии является отсутствие плотности энергии. Плотность энергии суперконденсаторов может достигать лишь одной десятой плотности энергии, предлагаемой литиевыми аккумуляторами.

Новая конструкция от TUM работает как положительный электрод в суперконденсаторе, что позволяет ему быть одновременно мощным и устойчивым. Затем инженеры комбинируют экологически чистый гибридный материал графена с отрицательным электродом, состоящим из углерода и титана.

Этот накопитель энергии способен достигать удельной энергии до 73 Втч / кг. Это примерно то же самое, что и плотность энергии в гибридной никель-металлической батарее. Кроме того, он предлагает намного лучшие характеристики по сравнению с другими суперконденсаторами с удельной мощностью 16 кВт / кг.Новый суперконденсатор преуспевает там, где другие не справляются из-за очень специфической комбинации различных материалов.

«Природа полна очень сложных, эволюционно оптимизированных гибридных материалов, например, кости и зубы. Их механические свойства, такие как твердость и эластичность, были оптимизированы благодаря сочетанию различных материалов по своей природе ».

Роланд Фишер, профессор неорганической и металлоорганической химии Мюнхенского технического университета (TUM)

Исследовательская группа взяла идею комбинирования неожиданных материалов и воплотила ее в создании суперконденсатора высшего качества.Они взяли химически модифицированный графен из нового положительного электрода блока хранения и объединили его с металлоорганическим наноструктурированным каркасом. Характеристики улучшаются за счет контролируемого размера пор, большой удельной поверхности и высокой электропроводности.

Конечным результатом является мощное, надежное и устойчивое устройство, которое может привести к созданию более эффективных суперконденсаторов во многих из наших наиболее часто используемых устройств. Команда инженеров продолжает работать над совершенствованием своей конструкции, исследуя возможности массового производства и коммерциализации.

Связанные термины:

batteriesenergy & powerupercapacitor

Об авторе

Что вам необходимо знать

Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор, представляет собой конденсатор большой емкости, который обладает меньшей плотностью энергии, чем батареи, но более высокой, чем у обычных конденсаторов. В гонке за продление срока службы смартфонов аккумуляторы не достигли такого большого прогресса в области емкости, как полупроводники в области энергоэффективности.Однако полупроводники быстро приближаются к тому моменту, когда они могут получить меньшую дополнительную энергоэффективность по сравнению с затратами. Одна из целей состояла в том, чтобы когда-нибудь заменить батареи суперконденсаторами, благодаря способности суперконденсатора заряжаться и разряжаться за секунды и способности сохранять зарядную емкость с течением времени.

В отличие от аккумуляторных батарей, которые в конечном итоге испытывают «усталость при зарядке», суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться на сотни или тысячи циклов больше, чем аккумуляторные батареи.Это связано с тем, что суперконденсаторы накапливают энергию в электрическом поле, тогда как батареи используют химические реакции для хранения и высвобождения энергии.

Большим недостатком суперконденсаторов является то, что они не имеют достаточной продолжительной мощности батарей, поскольку для современных суперконденсаторов полный разряд происходит максимум за несколько минут, а не часов. Тем не менее, новые открытия с использованием новых материалов дают большие надежды «сделать литий-ионные батареи устаревшими».

Зарядные пластины конденсатора имеют изолирующий материал, который отделяет пластины друг от друга, называемый диэлектриком.Диэлектрики — это изоляторы и очень плохие проводники. Однако диэлектрики поддерживают электростатическое поле — механизм, с помощью которого конденсаторы накапливают энергию. Суперконденсаторы сами по себе не имеют диэлектрика; они имеют двойной электрический слой, разделяющий пластины, и поэтому когда-то их называли конденсаторами с двойным электрическим слоем (EDLC).

Джон Берд в книге «Теория и технология электрических цепей» утверждает, что «расстояние между зарядами в двойном слое составляет порядка нескольких Ангстрем (0.3 — 0,8 нм) и имеет статическое происхождение ». [I] Следовательно, толщина зарядового расстояния находится на молекулярном уровне.

Рис. 1: Суперконденсаторы быстро заряжаются и разряжаются. Батареи разряжаются с постоянной, равномерной скоростью до почти полного разряда, после чего падение энергии увеличивает скорость. (Источник: Elcap, Creative Commons CC0 1.0, универсальное общественное достояние)

Все конденсаторы накапливают заряд, подобный статической энергии, в материале между двумя противоположными электродами. Несколько факторов влияют на емкость (значения в фарадах) суперконденсаторов, включая размер, композитные материалы и геометрию.

Таблица 1: Суперконденсаторы и аккумуляторы

[i] Берд, Дж. О. Теория и технология электрических цепей . Тейлор и Фрэнсис, 2014. Печать.

Суперконденсатор

Суперконденсаторы обычно используются как энергия устройства хранения данных. Суперконденсаторы хранят большое количество электрический заряд по сравнению с электролитическим конденсаторы и все другие типы обычных конденсаторы.

суперконденсатор состоит электродов с большой площадью поверхности и очень тонкого диэлектрика что позволяет добиться очень большой емкости (большой зарядный накопитель). Суперконденсаторы обычно хранят от 10 до В 100 раз больше заряда на единицу объема, чем у электролитического конденсаторы.

Суперконденсатор определение

Суперконденсатор является электронное устройство, хранящее большое количество электрических заряжать.Эти конденсаторы также известны как ультраконденсаторы или электрические двойные слоистые конденсаторы.

Как чем суперконденсаторы отличаются от обычных конденсаторов?

Материал, используемый для Конструкция суперконденсаторов отличается от обычных конденсаторы. Обычный конденсатор состоит из двух токопроводящие электроды разделены изоляционным материалом.В проводящие пластины конденсатора являются хорошими проводниками электричество, поэтому они легко пропускают электрический ток через их. С другой стороны, диэлектрический материал (изолирующий материал) плохо проводит электричество, поэтому не пропустить через него электрический ток.

Когда напряжение подается на конденсатор таким образом, чтобы положительный полюс аккумуляторной батареи подключен к левой стороне электрод или пластина, а отрицательный полюс батареи подключен к правой боковой пластине, положительные заряды накапливаются на левый боковой электрод и отрицательные заряды накапливаются на правый боковой электрод.

В простыми словами, когда напряжение подается на обычный конденсатор, противоположные заряды накапливаются на поверхности электроды.

В общепринятый конденсаторы, емкость (накопление заряда) напрямую пропорционально площади поверхности каждого электрода или пластины и обратно пропорционально расстоянию между электроды.Проще говоря, конденсатор с большой поверхностью электроды и очень тонкий диэлектрик обеспечивают большую емкость (хранит большое количество электрического заряда), тогда как конденсаторы с электродами малой площади и очень толстый диэлектрик обеспечивает меньшую емкость (сохраняет небольшие количество электрического заряда). Вот как обычный конденсаторы хранят электрический заряд.

конденсаторы и аккумуляторы различаются по двум параметрам: количество накопленного заряда и как быстро доставляется энергия (заряд). Батареи может хранить больше заряда, чем обычный конденсаторы, но главный недостаток аккумуляторов в том, что они не могут доставить энергию (заряд) очень быстро.

Вкл. с другой стороны, конденсаторы передают энергию (заряжают) очень быстро (разряжается очень быстро) но главный недостаток конденсаторы, потому что они не могут хранить большое количество заряда, так как магазин аккумуляторов.

Эти два недостатка (большой накопитель заряда и доставка заряда быстро) можно преодолеть с помощью суперконденсаторов.

суперконденсаторы также работают как обычные конденсаторы. Однако суперконденсаторы отличаются от обычные конденсаторы двумя способами: суперконденсаторы имеют электроды с большой площадью поверхности и очень тонкий диэлектрик (расстояние между электродами очень мало) по сравнению с обычными конденсаторами.Это делает это можно достичь большей емкости (больший накопитель заряда) чем обычные конденсаторы.

суперконденсаторы хранит большое количество заряда, поскольку аккумуляторы хранят и доставляют энергии или заряжаются очень быстро, как обычные конденсаторы доставлять.

Типы суперконденсаторы

Суперконденсаторы находятся в основном подразделяется на три типа:

• Двухместный слоистые конденсаторы
• Псевдо -конденсаторы
• Гибрид конденсаторы

Двойной слой конденсаторы

А двухслойный конденсатор состоит из двух электродов, разделителя, и электролит.Электролит представляет собой смесь положительных ионы и отрицательные ионы, растворенные в воде. Два электрода разделены разделителем.

поверхность левого электрода контактирует с жидкостью с левой стороны электролит аналогично; правильная поверхность электрода делает контакт с правой стороной жидкого электролита. Дело в которой соответствует жидкий электролит и поверхность электрода, будет образуют общую границу для жидкого электролита и нерастворимого поверхность твердого электрода.

Два напротив заряды накапливаются в области, где поверхность электрода и раствор электролита встречается. Эти противоположные обвинения представлен в виде двух слоев электрического заряда или двойного электрического заряда зарядовые слои. Каждый электрод суперконденсатора генерирует два слоя электрического заряда.

Один зарядовый слой формируется на поверхности электрода с одна полярность (положительная или отрицательная) и другой слой заряда образуется в растворе электролита возле электрода поверхность с противоположной полярностью (отрицательной или положительной).Эти два зарядовых слоя разделены монослоем (слой с одним толщиной молекулы) растворителя или молекул воды.

молекулы растворителя плотно прилегают к электроду поверхность и разделяют противоположно заряженные ионы. Растворитель молекулы, которые разделяют противоположные заряды, действуют как диэлектрик (молекула диэлектрика).

молекулы растворителя не пропускают через себя электрические заряды. Следовательно, между электродом и электродом не протекают электрические заряды. электролит.

Когда напряжение подается на конденсатор таким образом, чтобы положительный полюс аккумуляторной батареи подключен к левой стороне электрод и отрицательный полюс батареи подключен к правому боковому электроду, двойной слой конденсатор начинает заряжаться.

Потому что этого напряжения питания большое количество положительных зарядов построить на левой боковой поверхности электрода и большое количество отрицательные заряды накапливаются на правом боковом электроде поверхность. Эти заряды действуют как заряды первого слоя.

отрицательные ионы в электролите испытывают сильное сила притяжения от положительно заряженного электрода.Как в результате отрицательные ионы движутся к положительно заряженным электрод. Аналогичным образом положительные ионы в электролит испытывает сильную притягивающую силу со стороны отрицательно заряженный электрод. В результате положительные ионы перемещаются к отрицательно заряженному электроду.

Когда эти отрицательные ионы или положительные ионы подошли ближе к электрод, они испытывают сильное сопротивление со стороны растворителя молекулы.Следовательно, заряд не передается от электролита к электрод или электрод к электролиту. Однако эти противоположные заряды оказывают друг на друга электростатическую силу. Таким образом, большой количество заряда накапливается на общей границе электрода и электролит.

наиболее часто используемые электродные материалы для двойного слоя конденсаторы или суперконденсаторы — активированный уголь, уголь аэрогель, углеродное волокно и углеродные нанотрубки.

Псевдоконденсаторы

псевдоконденсаторы хранить электрическую энергию за счет передачи электронного заряда между электрод и электролит (электроны от электролита к катод или от катода к электролиту). Это можно сделать Редокс (окислительно-восстановительная реакция).

Сокращение: Снижение происходит, когда атом приобретает электрон и становится более отрицательным.

Окисление: Окисление происходит, когда атом теряет электрон и становится более положительным.

Восстановление-окисление: Восстановление-окисление происходит, когда один атом получает (или теряет) электрон, а другой атом теряет (или получает) электрон. В псевдоконденсаторах окислительно-восстановительная реакция происходит между электродом и раствор электролита.

В псевдоконденсаторы, накопление заряда (емкость) возникает в результате заряда перенос между электролитом и электродом.

Когда на псевдоконденсатор подается напряжение, заряженные атомы или ионы в электролите движутся к противоположно заряженным электрод. Между поверхностью электрода и соседний электролит, два электрических слоя или двойной электрический слои формируются. Эти два электрических слоя разделены молекулы электролита.

заряженные атомы электролита в двойном слое действуют как доноры электронов и переносит электроны на атомы электрод.В результате атомы в электроде заряжаются. Таким образом, заряд сохраняется в двойных электрических слоях.

псевдоконденсаторы в качестве электродов используйте проводящие полимеры или оксиды металлов. В количество электрического заряда, хранящегося в псевдоконденсаторе, составляет прямо пропорционально приложенному напряжению. В псевдоемкость измеряется в фарадах.

Гибрид конденсаторы

гибридные конденсаторы разработаны с использованием методов конденсаторы с двойным слоем и псевдоконденсаторы.В гибридном конденсаторы, как емкостные, так и псевдослойные. емкость достигается.

Преимущества суперконденсаторы

• Магазины большой заряд по сравнению с обычным конденсаторы (высокая емкость).
• Доставляет энергия или очень быстрая зарядка (высокая удельная мощность)
• длинный срок службы
• Низкая стоимость
• Суперконденсаторы делать не взорваться, как аккумуляторы, даже если они перезаряжены.

Приложения суперконденсаторов

• Вспышка легкие приложения
• Солнечная силовые приложения
• Суперконденсаторы находятся используется в электронных устройствах, таких как портативные компьютеры, портативные медиаплееры, портативные устройства и фотоэлектрические системы стабилизации электроснабжения.
• Суперконденсаторы находятся используется как временные накопители энергии для энергии системы уборки урожая.
• Суперконденсаторы находятся используется в дефибрилляторах (инструменте, который контролирует нерегулярное сердцебиение из-за подачи электрического тока на грудная клетка).

Зарядные устройства для суперконденсаторов | Analog Devices

Некоторые файлы cookie необходимы для безопасного входа в систему, но другие необязательны для функциональной деятельности.Сбор наших данных используется для улучшения наших продуктов и услуг. Мы рекомендуем вам принять наши файлы cookie, чтобы обеспечить максимальную производительность и функциональность нашего сайта. Для получения дополнительной информации вы можете просмотреть сведения о файлах cookie. Узнайте больше о нашей политике конфиденциальности.