Суперконденсаторы: принцип работы и алгоритм выбора

принцип работы и алгоритм выбора

Все чаще в составе современных электронных устройств можно встретить суперконденсаторы. Суперконденсаторы способны выступать как в качестве основных элементов питания, так и в качестве буферных элементов для сглаживания провалов напряжения аккумуляторов при работе с импульсной нагрузкой.

Наравне с термином «суперконденсатор» в литературе часто применяют альтернативные названия, например, «ультраконденсатор» или «ионистор». Все эти именования используются для обозначения одного и того же компонента – конденсатора с двойным электронным слоем. Впервые суперконденсатор был создан в далеком 1957 году компанией General Electric. Позднее аналогичные компоненты выпускались различными производителями по всему миру, в том числе и в СССР (например, ионисторы КИ1-1).

Принцип работы суперконденсатора

Структура и принцип работы суперконденсатора поясняются на рис. 1. Суперконденсатор состоит из электродов, графитового сепаратора и электролита. При приложении внешнего напряжения носители заряда образуют два электронных слоя на границе сепаратора и электролита. Чем больше площадь поверхности сепаратора, тем больше будет накапливаемый заряд. Из рисунка видно, что в отличие от аккумуляторов в суперконденсаторе отсутствуют химические реакции, а энергия накапливается в виде статического заряда, как и в обычных конденсаторах.

Рис. 1. Структура и принцип действия суперконденсатора

Основные характеристики суперконденсаторов

По своим характеристикам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между аккумуляторами и обычными конденсаторами. В последнее время, благодаря большой емкости, суперконденсаторы становятся отличной альтернативой для аккумуляторов в широком спектре малопотребляющих устройств. Сравнение некоторых параметров суперконденсаторов и аккумуляторов приведено в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение параметров суперконденсаторов и аккумуляторов

Параметр	Суперконденсатор	Литий-ионный аккумулятор
Время заряда	1–10 с	10–60 мин
Срок службы (циклов)	1 миллион циклов или 30 000ч	500 и более
Напряжение	2,3…2,75 В (тип)	3,6 В (ном)
Удельная энергия (Вт·ч/кг)	5 (тип)	120–240
Удельная мощность (Вт/кг)	До 10 000	1 000…3 000
Стоимость кВт·ч	$10,000 (тип)	$250–$1,000
Время наработки на отказ)	10-15 лет	5-10 лет
Диапазон температур заряда	–40…65 °C	0…45 °C
Диапазон температур разряда	–40 to 65 °C	–20…60 °C

Емкость – один из важнейших параметров для любого накопителя энергии. По величине удельной емкости на единицу массы суперконденсаторы значительно превосходят обычные конденсаторы (в том числе, электролитические), но в свою очередь так же сильно уступают аккумуляторам (рис. 2). По этой же причине стоимость единицы емкости для суперконденсаторов оказывается существенно выше, чем для аккумуляторов.

Рис. 2. Сравнение удельной емкости накопителей энергии

Вторым по важности параметром накопителя энергии является разрядный ток. По этому показателю лидируют обычные конденсаторы, которые из-за низкого собственного сопротивления способны выдерживать огромные импульсы тока. Аккумуляторы наоборот отличаются высоким сопротивлением и чрезвычайно чувствительны к большим разрядным токам. Например, литий-ионные аккумуляторы склонны к перегреву и разрушению при быстром разряде. Суперконденсаторы характеризуются более высоким последовательным сопротивлением, чем простые конденсаторы, однако существуют модели, способные выдерживать разрядные токи до сотен ампер.

Высокое сопротивление создает проблемы не только с точки зрения разогрева, но и с точки зрения просадки напряжения при импульсной нагрузке. Импульсное потребление характерно для большинства современных систем, но особенно ярко оно проявляется в устройствах с беспроводными радиопередатчиками. На рис. 3 представлен пример преждевременного отключения системы с аккумуляторным питанием из-за просадки напряжения. При передаче данных по беспроводному каналу потребление системы существенно возрастает, однако аккумулятор не способен выдать требуемую мощность мгновенно. Из-за этого напряжение на нагрузке проседает и может опуститься ниже порогового значения. Пороговое значение ограничивает минимально допустимое напряжение питания, ниже которого происходит отключение устройства. На рис. 3 пороговое значение составляет 1 В. В результате просадки напряжения устройство отключается, несмотря на то, что уровень заряда аккумулятора на самом деле остается высоким. Во многих случаях с данной проблемой не могут справиться даже развязывающие конденсаторы.

Рис. 3. Провалы напряжения из-за высокого внутреннего сопротивления аккумулятора

Суперконденсаторы способны выдавать достаточно высокую импульсную мощность и позволяют решить проблему просадки напряжения (рисунок 4). Для этого суперконденсатор включается параллельно с аккумулятором. В данном случае ультраконденсатор не только предотвращает ложные выключения системы, но и защищает аккумулятор от пиковых токов, которые негативно влияют на срок его службы и могут в некоторых случаях банально вызвать его перегрев и разрушение. Таким образом, режим буферного элемента является одним из основных вариантов использования суперконденсаторов. Подробнее об этом вопросе рассказывается в статье «Расстояние не помеха. Эффективный радиус действия суперконденсаторов CAP-XX».

Рис. 4. Суперконденсатор не только предотвращает ложные выключения, но и защищает аккумулятор от пиковых токов

В последнее время наблюдается бурное развитие малопотребляющей электроники. Современные электронные системы могут потреблять всего лишь сотни мкА в активном режиме и доли мкА в режиме ожидания. Очень часто для питания таких устройств используют различные маломощные харвестеры энергии: солнечные батареи, виброхарвестеры, термогенераторы и т.д. Для накопления энергии этих преобразователей не всегда можно использовать конденсаторы. Например, устройство может накапливать энергию несколько часов, после чего выполнять быструю отправку данных по радиоканалу и снова засыпать. Высокий саморазряд конденсаторов не позволит работать в таком режиме. В то же время суперконденсатор окажется вполне приемлемым вариантом на роль накопителя энергии. Пример такого режима работы рассматривается в статье «Использование суперконденсаторов CAP-XX в устройствах с питанием от солнечных батарей».

Однако при использовании суперконденсатора в качестве основного элемента питания необходимо учитывать две важные особенности. Во-первых, суперконденсаторы обладают низким рабочим напряжением 2,3…2,75 В (хотя на рынке присутствуют модели с напряжением 3 В, например, суперконденсаторы от VINATech). Этого не всегда достаточно, а значит, может потребоваться последовательное включение нескольких элементов, что приведет к уменьшению суммарной емкости. В то же время у литий-ионных аккумуляторов номинальное напряжение составляет 3,6 В, что является оптимальным значением для большинства современных микросхем.

Во-вторых, еще одним недостатком суперконденсаторов становится линейный характер разряда. Разумеется, предсказуемая форма разряда это хорошо, но не всегда. На рис. 5 представлен пример, в котором система достигает граничного напряжения (минимально допустимое напряжение питания) в тот момент, когда суперконденсатор разряжен всего лишь на 50%. По этой причине для нормальной работы устройства может потребоваться дополнительный повышающий регулятор. В то же время аккумуляторы характеризуются относительно небольшим уменьшением напряжения в рабочем диапазоне.

Рис. 5. Разрядные характеристики аккумуляторов и суперконденсаторов

Еще одним преимуществом суперконденсаторов перед аккумуляторами является широкий диапазон рабочих температур. Это касается как процесса заряда, так и процесса разряда. На рынке присутствуют модели суперконденсаторов, которые способны работать при отрицательных температурах до -40°С и при положительных до +125 °С. В качестве примера можно привести ультраконденсторы от компания FastCAP (рис. 6). Разумеется, на рынке присутствуют и аккумуляторы с широким диапазоном рабочих температур, однако речь идет о специализированных решениях.

Рис. 6. Существуют модели ультарконденсаторов, способные работать в широком диапазоне температур, например, ультраконденсторы от компания FastCAP

Примеры суперконденсаторов

В заключение краткого экскурса по суперконденсатором приведем некоторые конкретные примеры.

Широкий спектр суперконденсаторов выпускает компания LS Mtron, которая была создана на базе одного из подразделений LG Electronics. В номенклатуре LS Mtron можно найти модели с традиционной рулонной и прямоугольной конструкцией, а также суперконденсаторные батареи и модули (рис. 7).

Рис. 7. Суперконденсаторы FastCAP отличаются широким диапазоном рабочих температур -40…+125 °С

Еще одним известным производителем суперконденсаторов является компания SPSCAP, которая предлагает несколько серий одноячеечных суперконденсаторов с диапазоном выходных токов 0,9…250 А (рис. 8). SPSCAP также выпускает ультраконденсаторные батареи.

Рис. 8. Суперконденсаторы от компании SPSCAP

Интересный модельный ряд суперконденсаторов предлагает корейская компания VINATech. Кроме того, это один из немногих производителей, который выпускает суперконденсаторы с рабочим напряжением 3,0 В.

Рис. 9. Суперконденсаторы и суперконденсаторные батареи от VINATech с рабочим напряжением до 3 В

На портале УНИТЕРа мы также неоднократно рассказывали и о некоторых уникальных решениях, к числу которых можно отнести и сверхтонкие суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0 от компании Murata. Эти суперконденсаторы имеют толщину всего 0,4 мм (рис. 10).

Рис. 10. Сверхтонкие суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0 имеют толщину всего 0,4 мм

В одной из статей мы также рассказывали о суперконденсаторах от компании FastCAP , которые отличаются широким диапазоном рабочих температур -40…+125 °С (рис. 11).

Рис. 11. Суперконденсаторы от компании FastCAP с широким диапазоном рабочих температур

Алгоритм выбора суперконденсаторов

Как уже отмечалось выше, суперконденсаторы могут использоваться либо в качестве основного накопителя энергии, либо в качестве буферного элемента при работе в связке с основным аккумулятором. Разумеется, алгоритм выбора суперконденсатора в этих случаях будет отличаться, однако основные шаги будут примерно одинаковыми.

Для начала следует определиться с основными параметрами суперконденсатора – с рабочим напряжением и с максимальным выходным током.

Суперконденсаторы не любят перенапряжений, по этой причине при выборе подходящего накопителя следует позаботиться о согласовании рабочего напряжения. Для увеличения рабочего напряжения можно использовать последовательное включение суперконденсаторов, однако не стоит забывать, что в таком случае емкость будет уменьшаться. Кроме того, при необходимости следует предусмотреть защитные цепи для ограничения напряжения.

Далее следует рассчитать величину емкости. Рассмотрим алгоритм расчета, предложенный компанией SPSCAP. Для начала необходимо выбрать сценарий разряда суперконденсатора. Разряд может происходить либо с постоянным током, либо с постоянным напряжением.

Разряд с постоянным током. При таком сценарии ток разряда имеет фиксированное значение, а емкость будет рассчитываться по формуле:

C = It / (Vwork -Vmin),

где Vwork – номинальное рабочее напряжение, Vmin – минимально допустимое напряжение, I – ток разряда (постоянная величина в данном случае), t – время разряда.

Например, если Vwork=5 В, Vmin=4,2 В, t = 10 с, I =100 мА = 0,1 А, тогда:

C = 0,1 * 10 / (5 -4,2) = 1,25 Ф.

При выборе конкретной модели суперконденсатора необходимо предусмотреть некоторый запас по емкости. Кроме того, следует учесть температурную зависимость емкости. После выбора конкретной модели суперконденсатора следует свериться с температурной характеристикой, чтобы убедиться в том, что емкость превышает рассчитанное значение во всем диапазоне рабочих температур.

Разряд с постоянной мощностью. В таком случае мощность разряда остается фиксированной, а  емкость будет рассчитываться по формуле:

C = 2Pt/ (Vwork² -Vmin²)

где Vwork – номинальное рабочее напряжение, Vmin – минимально допустимое напряжение, P – мощность разряда (постоянная величина в данном случае), t – время разряда.

Например, если предполагается разряд суперконденсатора в течение 10 секунд при постоянной мощности 200 кВт, а диапазон рабочего напряжения составляет 450 В — 750 В, тогда требуемая емкость составит:

С = 2 * 200 кВт * 10 / (750²-450²) = 11 Ф

В данном случае вновь следует предусмотреть некоторый запас и температурную зависимость емкости.

Источник:

Суперконденсаторы. Устройство и применение. Виды и работа

Суперконденсаторы — это электрохимические конденсаторы, которые существенно отличаются от обычных практически неограниченной долговечностью, более низкими потерями тока и большими значениями удельной мощности. При этом они имеют на порядок меньшие габариты. То есть это батарея нового поколения, которая сможет открыть многочисленные перспективы в энергетике. В первую очередь большой интерес к суперконденсаторам вызван возможностью замены ими батарей, а также создания гибких источников питания большой мощности.

Стратегической задачей для ученых является создание батарей высокой емкости, которые можно было бы использовать в разных областях, к примеру, для электромобилей. Это позволит обеспечить поездки на длительные дистанции и быструю зарядку батарей. Также это гарантирует более экономичную работу возобновляемых источников энергии путем аккумулирования избытков энергии: ветроэнергетические установки, солнечные батареи и так далее.

Виды

Суперконденсатор – это тот же аккумулятор, но на порядок с лучшими свойствами. В первую очередь это относится к существенно более быстрому заряду и разряду. Суперконденсатор представляет элемент с двумя электродами, между ними располагается электролит. Электроды выполнены в виде пластины из определенного материала. Для улучшения электрических параметров суперконденсатора, пластины могут дополнительно покрываться пористым материалом, к примеру, активированным углем. В качестве электролита может применяться неорганическое или органическое вещество.

В целом суперконденсатор – это гибрид химической аккумуляторной батареи и обычного конденсатора:

• Главное отличие суперконденсатора от привычного конденсатора — в наличии у первого не просто диэлектрика между электродами, а двойного электрического слоя. В результате между электродами образуется очень маленькое расстояние, а его возможность накапливать электрическую энергию (электрическая емкость) получается намного выше.
• Кроме этого суперконденсатор от аккумуляторной батареи отличается скоростью накапливания, а также степенью отдачи электрического заряда. Благодаря применению двойного электрического слоя повышается площадь поверхности электродов при тех же общих габаритах. То есть в устройстве сочетаются лучшие электрические характеристики – существенная емкость аккумулятора и скорость конденсатора.

Впервые о суперконденсаторе заговорили в 1962 году. Именно тогда химик американской компании Standard Oil Company Роберт Райтмаер подал заявку на патент, где подробно расписывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, который обладал «двойным электрическим слоем». В предлагаемом варианте акцент делался на материал обкладок. У электродов должна быть различная проводимость: один электрод должен иметь электронную проводимость, а другой – ионную. В результате при заряде конденсатора происходило разделение положительных центров и электронов в электронном проводнике, а также разделение анионов и катионов в ионном проводнике.

В 1971 году лицензия досталась японской компании NEC, которая к этому времени занималась всеми направлениями электронной коммуникации. NEC удалось успешно продвинуть технологию под названием «Суперконденсатор». Затем суперконденсаторами стали заниматься и другие компании. С 2000-х годов активное развитие технологии началось во многих странах мира.

Суперконденсаторы сегодня подразделяются на:

• Двойнослойные конденсаторы (ДСК).
• Псевдоконденсаторы.
• Гибридные конденсаторы.

Двойнослойный суперконденсатор предполагает наличие двух пористых электродов, выполненных из электропроводящих материалов, а также разделенных заполненным электролитом сепаратором. Здесь процесс запасания энергии идет за счет разделения заряда на электродах с весьма большой разностью потенциалов между ними. Электрический заряд двойнослойных конденсаторов определяется непосредственно емкостью двойного электрического слоя, то есть отдельного конденсатора на поверхности каждого электрода. Между собой они соединяются последовательно посредством электролита, который является проводником с ионной проводимостью.

Псевдоконденсаторы уже ближе к перезаряжаемым аккумуляторам. В них имеются два твердых электрода. Принцип действия сочетает два механизма сохранения энергии: фарадеевские процессы, которые схожи с процессами, происходящими в батареях и аккумуляторах, а также электростатическое взаимодействие, свойственное конденсаторам с двойным электрическим слоем. Приставка «псевдо» появилась вследствие того, что емкость ДЭС зависит не только от электростатических процессов, но и быстрых фарадеевских реакций с переносом заряда.

Гибридные конденсаторы – это переходный вариант между конденсатором и аккумулятором. Слово «гибридные» обусловлено тем, что электроды в гибридных конденсаторах производятся из различных материалов, а накопление заряда осуществляется по разным механизмам. Большинством случаев в гибридных конденсаторах катодом является материал с псевдоемкостью. В результате аккумулирование заряда на катоде осуществляется вследствие окислительно-восстановительных реакций, что увеличивает удельную емкость конденсатора, а также расширяет область рабочих напряжений.

В гибридных конденсаторах часто применяют комбинацию электродов из допированных проводящих полимеров и смешанных оксидов. Весьма перспективными могут стать композиционные материалы, которые состоят из оксидов металлов, осажденных на проводящие полимеры или углеродные носители.

Принцип действия

Суперконденсаторы, как высокоемкие конденсаторы, производят накопление энергии электростатическим способом, поляризуя раствор электролита. При накоплении энергии в суперконденсаторе химические реакции не задействуются, хотя суперконденсатор является электрохимическим устройством. В силу высокой обратимости механизма накопления энергии, конденсаторы способны тысячи раз заряжаться и разряжаться.

Суперконденсатор – электрохимический конденсатор, который имеет способность накапливать чрезвычайно большое количество энергии по отношению к его размеру, а также в сравнении с традиционным конденсатором. Данное свойство суперконденсатора особенно интересно в создании гибридных транспортных средств в автомобильной промышленности, в том числе в производстве машин на аккумуляторной электротяге, в которых суперконденсаторы применяются в виде дополнительного накопителя энергии.

В большинстве случаев, в суперконденсаторе действуют два активных электрода, которые разделены непроводящим материалом, размещенным между металлическими токовыми коллекторами. Органический или водный электролит пропитывает пористые электроды, обеспечивая появление носителей заряда в устройстве с последующим его накоплением.

Применения и особенности

Области применения суперконденсаторов могут быть поделены на следующие направления:

• Накопительные устройства для источников возобновляемой энергии, к примеру, топливных элементов, океанской волны, ветра и солнца.
• Транспортные средства, к примеру, устройства запуска двигателя машин, гибридные электрические транспортные средства, автомобили на водородном топливе, локомотивы поездов.
• Как накопители энергии в жилищном секторе, к примеру, в зданиях с солнечными фотоэлектрическими системами, в которых имеется необходимость в аккумуляторах с повышенными характеристиками.
• Благодаря высокой плотности энергии и удельной емкости, суперконденсаторы применяются в электронных устройствах в виде источника кратковременного электропитания.
• В системах бесперебойного электропитания. Достоинством является то, что они в критических областях применения обеспечивают мгновенную мощность.
• Среди развивающихся областей суперконденсаторы находят применение в системах бесперебойного электропитания с топливными элементами.
• В устройствах демпфирования пиковой нагрузки, а также запуска двигателя.
• Электроэнергетика с критическими нагрузками, коммуникации аэропортов, вышки беспроводной связи, банковские центры, больницы.
• Источник резервного питания для материнских плат, микропроцессоров и запоминающих устройств.
• Мобильные телефоны.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств суперконденсаторов можно отметить:

• Низкая стоимость устройства накопления энергии в расчете на 1 фарад.
• Высочайшая плотность емкости.
• Высокий кпд цикла, который достигает 95% и выше.
• Длительный срок службы.
• Надежность устройства.
• Экологическая безопасность.
• Бесперебойная эксплуатация.
• Весьма высокая удельная энергия и удельная мощность.
• Широкий диапазон рабочих температур.
• Большое количество циклов практически с неизменными параметрами.
• Высокая скорость заряда и разряда.
• Сниженная токсичность применяемых материалов.
• Отличная обратимость механизма накопления энергии.
• Допустимость разряда до нуля.
• Малый вес в сравнении с электролитическими конденсаторами.

Среди недостатков суперконденсаторов можно отметить:

• Относительно малая энергетическая плотность.
• Не способность обеспечить достаточное накопление энергии.
• Весьма низкое напряжение на одну единицу элемента.
• Высокая степень саморазряда.
• Недостаточное развитие технологий.

Суперконденсаторы в перспективе

В ближайшем будущем суперконденсаторы станут применять повсеместно. Многообещающими областями для суперконденсаторов могут стать медицинская и авиакосмическая промышленность, военная техника:

• При разработке суперконденсаторов все больше повышается их удельная емкость. В результате во многих технических сферах произойдет полная замена аккумуляторов на конденсаторы.
• Произойдет интегрирование суперконденсаторов в самые разные структуры: от электроники до всевозможных настроек. Появится умная одежда с использованием этих устройств. Конденсаторы обеспечивают экологически чистый метод экономии энергии, поэтому они имеют больше возможностей для передачи и хранения энергии в сравнении с иными энергосберегающими технологиями.
• Повсеместное использование суперконденсаторов: автомобили, трамваи, автобусы, электроника, в особенности смартфоны и другая мобильная техника. Зарядка будет занимать секунды, а запасаемой энергии будет хватать надолго.

Похожие темы:

что это, зачем и где применяется / Хабр

Энергетика — крайне интересная сфера, которая развивается бурными темпами много лет подряд. На Хабре публикуются самые разные статьи об альтернативных источниках энергии, аккумуляторных батареях от Маска, электромобилях и т.п.

Но есть одна тема, которая затрагивается не так уж и часто. Речь идет о суперконденсаторах. Им как раз посвящена эта статья, в ней раскрывается суть суперконденсатора, сферы применения, плюс описываются кейсы из разных отраслей — промышленности, транспорта и т.п., где используются эти системы.

Суперконденсатор, что ты такое?

Все мы знаем, что такое аккумулятор — это источник постоянной мощности, ограниченный током разряда. Батареи бывают большие и маленькие, применяются они крайне широко — от транспорта до игрушек.

Но эта статья посвящена суперконденсаторам, так что пришло время рассказать о них. Так вот, любой суперконденсатор — это источник не постоянной, а импульсной мощности. Она ограничена лишь эквивалентным внутренним сопротивлением, которое позволяет элементу работать, фактически, на токах короткого замыкания.

Но при этом, в отличие от аккумулятора, это источник кратковременных, хотя и мощных импульсов энергии. Соответственно, и используются суперконденсаторы там, где нужна большая мощность на небольшой срок.

Суперконденсаторы называют еще ионисторами. Эти элементы состоят обычно из двух погруженных в электролит электродов и сепаратора. Последний нужен для того, чтобы не допустить перемещение заряда между двумя электродами с противоположной полярностью.

У суперконденсаторов два положительных свойства — высокая мощность и низкое внутренне сопротивление, чем они и отличаются от конденсаторов и аккумуляторных батарей. Чаще всего материал электрода суперконденсаторов — активный углерод, у которого две важные особенности, включая очень большую площадь поверхности и небольшое расстояние между разделенными зарядами.

Еще один положительный момент — длительный срок хранения и продолжительный срок службы суперконденсаторов. Все это — благодаря особенностям накопления энергии. Так, суперконденсаторы работают за счет разделения зарядов. Этот процесс легко обратим, так что отдавать энергию суперконденсаторы могут действительно быстро.

Теперь немного об определении характеристик суперконденсаторов. В отличие от аккумуляторов, где основная характеристика — это емкость, измеряемая в Ампер-часах, у суперконденсаторов это Фарад. Вот формула, которая позволяет определить энергию суперконденсатора:
Энергия (Дж) = 1/2*Емкость (Ф) * Напряжение в квадрате (В)

Есть несколько видов суперконденсаторов:

• Двойнослойные, или ДСК.
• Псевдоконденсаторы.
• Гибридные конденсаторы.

В первом случае система состоит из двух пористых электродов, разделенных заполненным электролитом сепаратором. Запас энергии идет за счет разделения заряда на электродах с очень большой разностью потенциалов.

Во втором — система включает два твердых электрода и базируется на двух механизмах сохранения энергии. Это фарадеевские процессы и электростатическое взаимодействие.

Третий вариант — переходный между конденсаторами и аккумуляторами. Электроды здесь выполнены из разных материалов, а накопление заряда осуществляется благодаря разным механизмам.

Где могут использоваться суперконденсаторы?

Вполне логичный ответ — в отраслях, где нужно отдавать энергию быстро и в большом объеме. В частности, это может быть:

• Альтернативная энергетика, накопление энергии при помощи топлива, волн ветра и солнца.
• Транспортные системы — это может быть запуск двигателя машин, гибридные электрические транспортные средства, локомотивы и т.п.
• Накопители энергии в домохозяйствах — например, там, где используются фотоэлементы или ветрогенераторы.
• Электронные устройства, где суперконденсаторы используются в качестве источника кратковременного питания.
• ИБП — как небольшого размера, так и очень большие. В системах бесперебойного электропитания суперконденсаторы можно использовать совместно с топливными элементами и другими источниками.
• Традиционная энергетика, в сферах, где неизбежны критические нагрузки, но где требуется бесперебойная работа всего и вся. Это могут быть аэропорты, вышки связи, больницы и т.п.
• Электронные устройства разного размера и мощности.

Что касается ветроэнергетики и солнечной энергетики, то суперконденсаторы здесь стоит использовать для развертывания гибридных систем накопления энергии, которые включают в себя как накопитель на Li-Ion батареях, так и накопитель на основе суперконденсаторов.

Примеры

Их можно привести большое количество, но разумно будет ограничиться тремя наиболее показательными.

Частотно-регулируемый электропривод. Здесь суперконденсаторы нужны при просадках напряжения и кратковременном, не более 10 секунд, блэкауте. Такие приводы используются на участках непрерывного технологического цикла на производственных объектах. Кроме того, суперконденсаторы стоит использовать на предприятии и в системах, которые снабжают объект газом, водой, теплом и энергией, т.п. на компрессорных станциях, в котельных, насосных станциях и т.п.

Источник бесперебойного питания. В этом случае суперконденсаторы дают возможность компенсировать провалы напряжения, которые приводят к проблемам с непрерывностью технологических процессов. Здесь речь идет о крупных объектах, включая промышленность и разного рода инфраструктуру — например, транспортную.

Суперконденсаторы, в частности, используются на заводе Skoda в Чехии, а именно — роботизированном цехе по покраске корпусов автомобилей. Если процесс окрашивания по какой-либо причине остановится, потом корпус придется возвращать в начало цикла.

Регулирование выходной мощности турбин ветрогенераторов. Большая проблема альтернативной энергетики — сложность поддержания выходной мощности турбин на одном уровне. Чем выше скорость ветра и сам он мощнее, тем больше вырабатывается энергии. Чем ниже, соответственно — тем энергии меньше. В итоге выходная мощность турбин может меняться, и очень значительно.

В этом случае суперконденсатор может помочь, причем сразу несколькими способами:

• Поддержание электропитания на прежнем уровне на время кратковременного пропадания напряжения.
• Обеспечение стабилизации частоты и напряжения в передающих и распределительных сетях с высокой концентрацией возобновляемых источников энергии.

Производят ли суперконденсаторы в России?

Да, на Хабре еще несколько лет назад публиковалась новость о том, что в НИТУ «МИСис» разработала технологию, которая открыла возможность отечественной компании запустить производство суперконденсаторов.

Так, в 2017 году компания ТЭЭМП запустила в г. Химки производство высокоэффективных суперконденсаторов и модулей на их основе. При этом все это — чисто российские разработки. ТЭЭМП, к слову, производит плоские единичные элементы в ламинированном корпусе, который может использоваться в химических источниках тока с органическими электролитами: суперконденсаторах, литий-ионных аккумуляторах, металло-воздушных источниках тока.

При этом, ТЭЭМП производит ячейки собственной запатентованной конструкции – призматическая ячейка с токосъемом по всей ее поверхности. И сделано это не для того, чтобы показать свою уникальность, а чисто с практической точки зрения – распределенный по всей поверхности токосъем обеспечивает равномерность тепловых полей, тем самым замедляя процесс деградации и продлевая срок службы суперконденсатора.

Продукция «ТЭЭМП» уникальна по многим параметрам. Суперконденсаторные модули компании успешно работают при температурах до -60°С. Они отличаются низким внутренним сопротивлением, а значит, способны обеспечить большие импульсные токи. Собственная конструкция ячеек и модулей позволяет снизить массу и размер суперконденсаторной сборки на 30% по сравнению с аналогичными устройствами.

В сухом остатке

В качестве вывода можно подвести итоги, указав преимущества и недостатки суперконденсаторов. Некоторые из них упоминались выше, но сейчас стоит перечислить все это отдельно.

Итак, достоинства:

• Относительно невысокая стоимость устройства накопления энергии в расчете на 1 Фарад.
• Крайне высокая плотность мощности.
• Высокий КПД цикла, который достигает 95% и выше.
• Надежность, длительный срок службы.
• Широкий диапазон рабочих температур.
• Огромное количество циклов с неизменными параметрами.
• Высокая скорость заряда и разряда.
• Допустимость разряда до нуля.
• Относительно небольшой вес.

Недостатки:

• Относительно небольшая энергетическая плотность.
• Высокая степень саморазряда. Небольшое напряжение из расчета на единицу элемента.

Достоинств все же больше, чем недостатков, и благодаря этому технология активно внедряется во все большее количество отраслей. Сейчас удельная емкость суперконденсаторов увеличивается, а время заряда — наоборот, снижается. При достижении определенного предела можно будет говорить о полной замене аккумуляторов на суперконденсаторов в некоторых сферах, что, в целом, уже и происходит.

есть ли смысл и перспективы? — Дмитрий Заруцкий — Хайп

© Gigaom

Основным видом устройств для хранения электрической энергии сейчас являются химические источники – аккумуляторы. Однако существует еще как минимум один интересный вид устройств, суперконденсаторы или ионисторы. В отличие от батарей, принимающих и вырабатывающих электроэнергию за счет химических реакций между электродами, они ничего не вырабатывают, а запасают и отдают заряд в готовом виде.

Обычный конденсатор, как правило, имеет емкость от нескольких пико- (триллионных долей) до единиц милли- (тысячных долей) фарад. Энергоемкость такого заряда ничтожна в сравнении с аккумуляторами. У ионисторов эта величина на порядки больше. В продаже можно встретить суперконденсаторы, способные накапливать заряд в 5000 фарад (5 кФ). Это немало, примерно 18,2 кДж или 5,15 Втч, что сравнимо с емкостью литиевых ячеек.

Суперконденсатор 5000 Ф © Alibaba

Плюсы суперконденсаторов

В сравнении с аккумуляторами, у суперконденсаторов имеются преимущества. В первую очередь, это скорость зарядки. Литиевые батареи не очень хорошо переносят токи величиной порядка 1C (C – емкость в Ач), при таких токах они склонны перегреваться, быстро деградировать и могут даже взорваться. Из-за этого проблематично зарядить батарею меньше, чем за час.

Суперконденсатор может заряжаться очень быстро. Нередко на практике скорость процесса ограничена возможностями источника (розетки) и кабелей, которые подают ток. Это значит, что питаемое ионистором устройство можно очень быстро зарядить полностью.

Второе преимущество заключается в долговечности. Литиевые ячейки демонстрируют срок службы порядка 1000 циклов заряда/разряда без существенной потери емкости. Суперконденсатор способен пережить и 10, и 100 тысяч, и даже миллион циклов без последствий.

Суперконденсаторы мало боятся температур, слабо зависят от них. Они не очень токсичны, большинство используемых в конструкции веществ химически не так активны, как литий, а потому безопаснее. То есть, большинства минусов аккумуляторов у ионисторов нет. Но, к сожалению, есть другие.

Минусы суперконденсаторов

Главный минус суперконденсаторов – удельная емкость. Она пока что намного ниже, чем у аккумуляторов. Упомянутые в начале ионисторы на 5000 Ф имеют длину 21 см, диаметр 6 см, и весят 800 грамм. Для сравнения, литиевая ячейка схожей емкости, формата 18500, имеет длину 5, диаметр 1,8 см, и весит около 30-35 грамм. Разница по объему – почти в 50 раз, по весу – около 25.

Вторым минусом является цена. Ценник на упомянутые суперконденсаторы на 5000 Ф в начале 2019 доходит до $100, что при емкости 5 Втч дает удельную стоимость $20/Втч. Удельная стоимость емкости лития уже опустилась до уровня чуть ниже $200/кВтч или $0,2/Втч. Разница – в 100 раз. То есть, если батарея современного электромобиля на литиевых элементах стоит $10 тыс., то при использовании ионисторов – подорожает до миллиона. Кроме того, она будет в 50 раз больше и в 25 – тяжелее.

Такая сборка имеет емкость, сравнимую с емкостью батареи ноутбука, но имеет размеры порядка 40х20х15 см и весит до 15 кило © TechSpot

Можно использовать сборки конденсаторов меньшей емкости (например, 500 Ф), и тогда цена может упасть на порядок-два. Удельная емкость будет почти не дороже лития. Но в таком случае объем и масса сборки окажутся еще внушительнее, ни в какой автомобиль такая батарея, имеющая хотя бы 100 кВтч емкости, не влезет.

Третий ключевой минус – зависимость напряжения на суперконденсаторе от остаточного заряда. У литиевых батарей, по мере разрядки, вольтаж падает примерно от 4,2 до 3 вольт. Ионистор же разряжается до нуля, а это значит, что для получения стабильного напряжения для питания устройств требуется повышающий преобразователь-стабилизатор, который занимает место и приводит к потерям части энергии (из-за КПД <100%).

Кажется, что при таких недостатках у ионисторов нет никакого шанса стать заменой аккумуляторам. Ведь смартфон или ноутбук с дорогой батареей, весящей несколько кило, никому не нужен, а в авто суперконденсаторы вообще не поместить. Но не все так печально.

Перспективы для суперконденсаторов

Несмотря на все имеющиеся недостатки, не позволяющие использовать ионисторы для питания авто или портативной электроники, у них есть право на жизнь. Конечно, ни автомобиля, способного проехать сотни километров, ни смартфона, заражающегося за 5 минут и работающего неделю, сделать с ними не выйдет. Но если взглянуть шире, есть и другие сферы применения суперконденсаторов.

Ученые уже не один год проводят исследования графеновых технологий, которые позволят увеличить емкость суперконденсаторов на порядок и больше. Вряд ли это произойдет в ближайшие год или два, но когда технологию освоят, отставание от аккумуляторов уже не будет столь существенным.

Графен позволит повысить удельную емкость ионисторов © Nanotech Magazine

Да, суперконденсаторы не заменят литий, потому что аккумуляторы тоже прогрессируют, а ионисторы вряд ли станут на пару порядков вместительнее в обозримом будущем. Но они способны выполнять роль буферного источника питания, а также могут использоваться в городском транспорте. Подобные решения уже разрабатываются и выпускаются.

Белорусский «Белкоммунмаш» в 2017 представил электробус АКСМ-Е433 Vitovt, оборудованный ионисторами. Он способен пройти на одном заряде 12 км, а время полной зарядки батареи из суперконденсаторов составляет 7 минут. Учитывая, что городской автобус останавливается через каждые несколько сотен метров, а его маршрут редко превышает пару десятков километров – можно заряжать его на конечных остановках (белорусы так и сделали).

АКСМ-Е433 © Белкоммунмаш

Батарея АКСМ-Е433 весит около 1,5 тонн, что много по меркам авто. Но если ученые добьются повышения емкости ионисторов на порядок, то аналогичная сборка ионисторов сможет проехать не 12, а 120 км, или же иметь прежнюю дальность, но при массе до 150 кг. Это откроет перспективы перед электрическим внутригородским и междугородным транспортом ближнего сообщения, а также электромобилями для города.

Появление суперконденсаторов с на порядок большей удельной емкостью скажется позитивно и на электронике. В ноутбук или смартфон такой ионистор, все равно, вряд ли поместится, но в роли буферного накопителя энергии (внешнего аккумулятора) ионистор сгодится. Можно будет перед выходом из дома за зарядить его за минуту, положить в сумку, и уже в пути передать энергию носимому электронному устройству.

---

Безусловно, в нынешнем виде ионистор – весьма узкоспециализированное устройство, которое имеет ограниченное применение. Пока что суперконденсаторы можно использовать только там, где надежность, долговечность и скорость зарядки гораздо важнее автономности и цены. Городской автобус – как раз такой случай. Но если ученым удастся воплотить в реальность свои планы, а промышленность сможет наладить массовый выпуск суперконденсаторов по новым технологиям, нас ждет серьезное соперничество на рынке накопителей энергии.

Даже если ионисторы и не смогут вытеснить химические источники, превзойдя их по параметрам (или хотя бы сравнившись по удельной емкости), в некоторых сферах они составят существенную конкуренцию. Определенно, в таком случае суперконденсаторам – быть. И на транспорте, и в области портативной электроники.

Графеновые суперконденсаторы. Быстрая зарядка электромобилей и рекуперация энергии

Николай Макаренко

29 февраля 2020, 04:39

Китайские и британские ученые утверждают, что нашли способ накапливать в 10 раз больше энергии на единицу объема, чем разработанные ранее суперконденсаторы, используя графен.

Суперконденсаторы могут заряжаться практически мгновенно и при необходимости разряжать огромное количество энергии за короткий промежуток времени. Они могли бы полностью стереть ахиллесову пяту электромобилей — их продолжительное время зарядки, если бы они могли хранить больше энергии.

 

Классический принцип работы суперконденсатора

 

Суперконденсаторы, также известные как EDLC (электрические двухслойные конденсаторы), содержат две металлические пластины, покрытые пористым материалом (активированный уголь) могут хранить значительное количество энергии. Они погружены в электролит из положительных и отрицательных ионов, находящихся в растворителе. Одна пластинка положительна, а другая отрицательна. Во время заряда ионы из электролита накапливаются на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием.

 

Кроме того, суперконденсаторы хранят энергию также в электрическом поле, которое образуется между двумя противоположно заряженными электродами, поскольку имеется электролит, в котором равномерно распределено равное количество положительных и отрицательных ионов. Таким образом, во время зарядки каждый электрод имеет два слоя покрытия заряда (электрический двухслойный).

Во время заряда суперконденсатора ионы из электролита накапливаются не только на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием, а также сохраняются в электрическом поле. Таким образом, во время зарядки каждый электрод имеет два слоя покрытия заряда

 

Аккумуляторы и суперконденсаторы

 

В отличие от конденсаторов и суперконденсаторов, аккумуляторы накапливают энергию в процессе химической реакции. При этом ионы вставляются в атомную структуру электрода, а не просто цепляются за него, как в суперконденсаторах. Это позволяет суперконденсаторам заряжаться и разряжаться намного быстрее (поскольку энергия храниться без химических реакций), чем батареи. Из-за того, что суперконденсатор не подвержен такому износу, как аккумуляторная батарея, принцип работы которой основанная на химической реакции, он может выдержать сотни тысяч циклов заряда и разряда.

 

Суперконденсаторы обладают высокой емкостью накопления энергии по сравнению с обычными конденсаторами, но они все еще отстают от батарей в этой области. Суперконденсаторы также обычно дороже на единицу емкости, чем батареи.

 

Графеновые суперконденсаторы

 

Графен предлагается в качестве замены активированного угля в суперконденсаторах, частично из-за его высокой относительной площади поверхности (которая более значительна, чем у активированного угля). Площадь поверхности является одним из ограничений емкости, а более высокая площадь поверхности означает большее накопление электростатического заряда. Кроме того, суперконденсаторы на основе графена будут использовать его малый вес, упругие свойства и механическую прочность.

Графен представляет собой тонкий слой чистого углерода, плотно упакованный и связанный в шестиугольную сотовую решетку. Он широко известен как «чудодейственный материал», потому что он наделен множеством удивительных черт: это самое тонкое соединение, известное человеку с толщиной в один атом, а также самый известный проводник. Он также обладает удивительными характеристиками прочности и поглощения света и даже считается экологически чистым и устойчивым, так как углерод широко распространен в природе и даже в человеческом теле.

 

Суперконденсаторы на основе графена накапливают почти столько же энергии, сколько простые литий-ионные аккумуляторы, заряжаются и разряжаются за считанные секунды и поддерживают все это в течение десятков тысяч циклов зарядки. Одним из способов достижения этого является использование высокопористой формы графена с большой площадью внутренней поверхности (изготовленной путем упаковки порошка графена в ячейку в форме монеты, а затем высушивания и прессования).

Графеновые суперконденсаторы, основанные на быстром накоплении ионов, обеспечивают высокую мощность, длительную стабильность и эффективное накопление энергии с использованием высокопористых электродных материалов. Используя масштабируемый метод синтеза нанопористого графена, включающий процесс отжига в водороде, суперконденсаторы с высокопористыми графеновыми электродами, способны достигать не только высокой плотности мощности 41 кВт кг-1 и кулоновского КПД 97,5%, но также высокой плотность энергии 148,75 Вт.ч. кг-1. Устройства могут сохранять 100% емкость даже после 7000 циклов заряда/разряда при плотности тока 8 А г-1 . Превосходные характеристики суперконденсаторов обусловлены их идеальным размером пор, однородностью пор и хорошей ионной доступностью синтезированного графена.

 

 

 

В 10 раз больше энергии на единицу объема!

 

Команда Университетского колледжа Лондона и Китайской академией наук, выпустила исследование и доказательство концепции нового дизайна суперконденсатора с использованием пленок графенового ламината и сосредоточения внимания на расстоянии между слоями. Исследователи обнаружили, что они могут радикально повысить плотность энергии, подогнав размеры пор в мембранах точно к размеру ионов электролита.

Общий дизайн и технологический процесс изготовления суперконденсатора на основе электрохимически адаптированных трехмерных восстановленных сеток из оксида графена

Используя эту конструкцию, команда утверждает, что достигнуто значительное увеличение объемной плотности энергии. В то время как аналогичные коммерческие технологии с быстрой зарядкой обычно предлагают около 5-8 ватт-часов на литр, новая разработка была протестирована при рекордных 88,1 Вт.ч / л. Команда заявляет, что это «самая высокая из когда-либо зарегистрированных плотностей энергии для углеродных суперконденсаторов».

Графеновые суперконденсаторы очень гибкие. При тестировании суперконденсатор мог функционировать практически одинаково, лежал ли он горизонтально или был согнут на 180 градусов.

 

 

Последние исследования и инновации 

 

Исследователи LLNL (Лоуренс Ливермор) разработали новые суперконденсаторные электроды из модифицированных графеновых аэрогелей. Эти электроды имеют высокую площадь поверхности, отличную электрическую проводимость, химическую инертность и долговременную стабильность при большом количестве циклов заряда/разряда.

Исследователи сообщают, что графеновый аэрогель может улучшить эксплуатационные характеристики электродов на основе углерода на суперконденсаторах более чем на 100%, а также иметь лучшую плотность, распределение пор и повышенную проводимость.

Исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что мятая графеновая бумага (изготовленная из листов графена, соединенных вместе) приводит к получению недорогого материала, который полезен для чрезвычайно растяжимых суперконденсаторов для гибких устройств. Мятую графеновую бумагу, «хаотическую массу складок», используют в суперконденсаторе, который можно сгибать, складывать или растягивать до 80% от исходного размера . Его можно смять и сгладить много раз без значительной потери производительности.

 

Исследователи из Калифорнийского университета разработали новый материал на основе графена, который может значительно повысить плотность энергии суперконденсаторов. Они называют новый материал дырявым графеновым каркасом. Это 3D материал, в котором есть крошечные отверстия. Дырочный графен обладает превосходной электрической проводимостью, исключительной механической гибкостью и уникальной иерархической пористостью. Это позволило исследователям создать конденсатор с беспрецедентной плотностью энергии 35 ватт-часов на килограмм (49 ватт-часов на литр), что в 10 раз выше, чем у современных коммерческих суперконденсаторов.

Обычная сложенная геометрия, используемая для материала электрода на основе углерода (вверху) и конфигурации суперконденсатора в плоскости, изготовленной из графеновых электродов (внизу). На схеме изображены механизмы увеличения протекания электролита для повышения производительности

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!

Email*

Подписаться

Суперконденсатор GS Group успешно прошел испытания в лаборатории «ТЕСТПРИБОР»

Холдинг GS Group выходит на рынок решений для электроэнергетики с портфелем продуктов под брендом GS Electric. Флагманский продукт нового направления бизнеса – суперконденсатор на базе собственных инновационных разработок, произведенный из российских компонентов, – и другие компетенции в области электроэнергетики холдинг представил на Петербургском Международном Экономическом Форуме 2018.

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 месяцев, 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 службы — не менее 15 лет. Циклы заряда и разряда устройств — не меньше 100 000 раз без значительного ухудшения характеристик, в отличие от 7 500 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 Ом*см2
• Максимальный пиковый ток 530 А
• Накопленная энергия 18,52 Вт*ч
• Накопленная энергия 66 кДж
• Максимальная мощность 50 кВт
• Последовательная индуктивность 40 мкГн

«Официальное подтверждение соответствия заявленным характеристикам позволяет нам перейти на новый этап внедрения технологии, а именно к реализации конкретных продуктовых решений. Уже есть наработки и интерес к проекту со стороны сетевых и генерирующих компаний, производителей лифтового оборудования и электрической спецтехники, систем генерации электроэнергии на базе возобновляемых источников. Устройства также эффективно интегрируются в разнообразные централизованные источники аварийного и бесперебойного питания, например, в медицинских учреждениях, производственных предприятиях, узловых телекоммуникационных объектах.»

Федор Боярков

Директор по развитию производства холдинга GS Group

Суперконденсаторы и накопители GS Group — результат многолетних научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области наноуглеродных материалов. Суперконденсаторы обладают возможностью аккумулировать больший заряд и обеспечивать высокую скорость отдачи электроэнергии — от 0,3 секунды. 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 взрывобезопасные. 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.

Аверин А.И. Суперконденсаторы и их применение в блоках рекуперации энергии в производстве современных лифтов

Аверин Андрей Игоревич
Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева
Студент 5 курса факультета электронной техники специальности автоматизированные системы обработки информации и управления

Averin Andrey Igorevitch
Mordovia State University N. P. Ogareva
5th year students of the Faculty of Electronic Engineering specialty automated information processing and control system

Библиографическая ссылка на статью:
Аверин А.И. Суперконденсаторы и их применение в блоках рекуперации энергии в производстве современных лифтов // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 6. Ч. 2 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2015/06/54602 (дата обращения: 25.04.2021).

1.      Значение и экономическое обоснование суперконденсаторов

Развитие международной экономической науки и повышение качества жизни прямо пропорционально связано с увеличением потребляемой энергии. Если сопоставить эти зависимости в разрезе времени, то невооруженным взглядом можно заметить, что на единицу прироста ВВП и показателя уровни жизни приходится всё большее количество потребляемой энергии. Что в свою очередь ставит вопрос о поисках энергосберегающих технологии, разработке новых источников энергии и их разумном использовании, так как запасы энергоресурсов конечны, а их стоимость довольно высока.

Одним из способов обеспечения прироста энергоресурсов является переработка потребленной электроэнергии. В самом деле, энергоресурсы, которые могут быть получены в процессе утилизации можно рассчитать по формуле:

где Eутил —  энергия, получаемая при утилизации;

Eпотр -потребляемая энергия;

Хотя научно-технический прогресс не стоит на месте, но на сегодняшний день ещё не найден надежный, а главное экономически обоснованный метод утилизации тепловой энергии, зато существует уникальная инженерная разработка для превращения кинетической энергии движущихся тел в режиме торможения. И название такого решения – суперконденсатор.

Суперконденсатор – это устройство, которое занимает промежуточное место между аккумуляторами, способными запасать высокую электрическую энергию, и диэлектрическими конденсаторами, способными отдавать высокую мощность в течение нескольких миллисекунд. Он способен в течении десятых долей секунд подхватить тормозную энергию движущегося объекта с массой от электрокарта до многотонного железнодорожного состава [2].

В следствии чего, суперконденсатор является единственным техническим решением, которое дает возможность рекуперировать энергию торможения движущегося тела и утилизировать до 25% потребленной энергии [6].

2.      Отличительные особенности

Суперконденсаторы (ионисторы) представляют собой сверхвысокоемкие конденсаторы с двойным электрическим слоем. Обычный конденсатор имеет большую мощность, но довольно таки слабую способность к накоплению энергии [3]. А ионистор, отличается уникальностью характеристик, позволяющих совмещать достаточно высокую мощность и значительную энергию.

Главным его достоинством является способность в считаные доли секунд, приобретает и отдает заряд, выдерживая огромное количество циклов заряда-разряда без потери рабочих свойств [4].

Всем известные химические источники тока, например, свинцово-цинковые, заряжаются тогда, когда внутри них происходит химическая реакция. Они отдают запасенную энергию, или разряжаются, в результате химической реакции, протекающей в обратном направлении [5]. В суперконденсаторе же какие-либо химические реакции полностью отсутствуют. Накопление энергии происходит в результате концентрации электронов на поверхности электродов. Вследствие чего энергия освобождается в течение интервала времени от миллисекунд до минут, в зависимости от емкости суперконденсатора.

Огромным преимуществом суперконденсаторов по сравнению с обычными электролитическими конденсаторами является гораздо более высокие значения плотности запасаемой энергии в расчете на единицу объема. Энергия, которую может вписать конденсатор, напрямую зависит от его емкости. Если емкость, а значит, способность запасать энергию, обычного электролитического конденсатора несколько микрофарад, то суперконденсатор такого же размера обладает емкостью в несколько фарад, а емкость больших ионисторов достигает 5000 Фарад. Такие высокие показатели, получены благодаря конструкции электродов, которые, изготавливаются из пористого активированного угля, что позволяет получить поверхность электродов в десятки и сотни раз больше, чем у обычных конденсаторов [1].

Преимущества суперконденсаторов:

—        Суперконденсаторы пожаро- и взрывобезопасны;

—        обладают высокой механической прочностью;

—        устойчивы к кратковременным воздействиям высоких перенапряжений и токам короткого замыкания;

—        отсутствие обслуживания в процессе эксплуатации, высокая надежность, большой срок службы;

—        диапазон рабочих температур -45°C …+50°C.

Суперконденсаторы не содержат токсических веществ, их строение достаточно просто, эксплуатируемые материалы приемлемые по цене, используемые технологии высокопроизводительны. Это позволяет серийно производить новые суперконденсаторы по относительно не дорогой стоимости.

3.      Применение суперконденсаторов

Варианты применения ионисторов поражают своими неожиданными решениями. В радио и микроэлектронике они используются как кратковременные и комбинированные источники тока: в вычислительной, звуковой и видеотехнике, мобильных телефонах, в аппаратуре проводной связи, в медицинских и бытовых электроприборах, в часах, электронных играх, в ксеноновых вспышках фотоаппаратов [7]. Широкое распространение они получили в компьютерах, где используются, в качестве источников питания для модулей памяти. Характеристики суперконденсаторов делают их незаменимыми устройствами в качестве накопителей энергии, например, в качестве источников бесперебойного питания, звеньев силовых импульсных устройств и в иных приборах, где возникает потребность быстродействующего источника энергии.

Ионисторы используются для замены батарей в многочисленных областях. Миниатюрные модели устанавливаются в мобильные телефоны, мощные суперконденсаторы применяются в автомобилях с электрическими или гибридными двигателями. Несмотря на пока еще более низкую плотность запасаемой энергии по сравнению с химическими источниками тока, преимущество их неоспоримо. Например, химические батареи имеют весьма ограниченное число циклов заряда-разряда, требуют много времени для заряда и разряда, химическая реакция, протекающая в процессе циклов заряда-заряда, идет с непостоянной скоростью и проходит с выделением тепла. Вышедшие из строя химические батареи представляют угрозу для окружающей среды. Суперконденсторы уже вытеснили или вытеснят в ближайшее время аккумуляторы, применяемые в системах запуска больших дизельных генераторов, танковых двигателей, двигателей локомотивов и даже подводных лодок.

4.      Применение суперконденсаторов в лифтах

Широкое применение суперконденсаторы получили в лифтах. А конкретно в блоках рекуперации энергии. Применение блока рекуперации энергии для безредукторного привода лифта, позволяет высвобождать дополнительную энергию во время движения загруженной кабины вниз или пустой кабины вверх, а также во время торможения кабины лифта. Безредукторный привод в такие моменты работает в генераторном режиме, преобразует кинетическую энергию движения кабины в электрический ток, который запасает суперконденсатор и возвращает её обратно в сеть, для использования в других целях. Тем самым происходит экономия энергии до 20% [8].

Количество экономии энергии зависит от разных факторов, таких как: загрузка кабины, скорость, высота подъема. Энергетическая эффективность пассажирского лифта приведена на рисунке 1.

Рисунок. 1 — Энергетическая эффективность пассажирского лифта

Данный график отражает экономию энергии для лифта грузоподъёмностью 1000 кг. Красный цвет отражает энергопотребление при использовании обычной двух скоростной редукторной лебедки. Зеленым цветом выделено потребление электроэнергии безредукторным приводом с частотным преобразователем, что значительно сокращает потребление энергии. Максимальная же экономия электроэнергии достигается за счет установки блока рекуперации, в основе которого лежат суперконденсаторы, показана голубым цветом.

5.Типовая схема блока рекуперации

Блок рекуперации энергии независимо от кинематических особенностей схем построения электроустановок включает в свой состав батарею суперконденсаторов, устройство их разряда и заряда, преобразователя постоянного тока в переменный и его выпрямителя, а также системы контроля, диагностики и управления. Структура системы накопления энергии представлена на Рисунке 2.

Рисунок 2 – Структура системы накопления энергии с применением суперконденсаторов

В режиме трогания кабины лифта с места и последующего разгона в качестве резервуара для накопления электроэнергии выступает батарея суперконенсаторов. Она обеспечивает равномерное движение кабины и рекуперацию кинетической энергии движения в электрическую при её торможении.

AC-DC выпрямитель переменного тока, а также DC-AC преобразователь постоянного тока в переменный обеспечивают рабочий режим функционирования батареи суперконденсаторов среди агрегатов, работающих на переменном токе.  Эти устройства обладают особенностью работы в широком диапазоне напряжений и частот используемого переменного тока.

Устройство заряда обеспечивает накопление энергии в батарее суперконденсаторов. Это происходит в момент непрерывно понижающегося напряжения источника заряда, что характерно для осуществления рекуперации энергии в режиме торможения.

В качестве устройства для оптимизации процесса отдачи электроэнергии при разряде выступает устройство разряда.

Система управления диагностики и обеспечения контроля, служит для функционирования системы накопления энергии в автоматическом режиме опираясь на оперативный анализ информации о текущих значениях параметров устройств системы аккумуляции энергии следствием создания управляющих воздействий по определенным заданным алгоритмам.

Выводы

Делая выводы можно сказать о том, что суперконденсаторы в наше время являются особо перспективным инженерным решением, которое применимо в различных отраслях науки, промышленности и техники. Благодаря совершенствованию нано технологий, в ближайшее будущее суперконденсаторы значительно увеличат объём запасаемой ими энергии при уменьшении   своей стоимости, тем самым спектр их применения возрастет в разы.

Библиографический список

1. Von Helmholt H. Studien uber elektrische Grenzshichten.— Ann. der Physik und Chernie, 1879, Bd VII, № 7
2. Lewandowski A., Galinski M. Practical and theoretical limits for electrochemical double-layer capacitor // Journal of Power Sources. 2007. 173. P. 822–828
3. Иванов А.М., Герасимов А.Ф. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя. Электричество, №8, 1991г., с. 16 -19.
4. Kotz R., Carlen M. Principles and applications of electrochemical capacitors,  Electrochimica Acta. 2000. 45. P. 2483-2498.
5. K. Denshchikov, Stacked Supercapacitor Technology – New Perspectives & Chances, Supercaps Europe – European Meeting on Supercapacitors: Development and Implementation in Energy and Transportation Techniques,Berlin,Germany, Nov.2005.
6. Denshchikov K.K., Zhuk A.Z., Izmaylova M.Y, Gerasimov A.F., New Generation of Stacked Supercapacitors, First International Symposium on Enhanced Electrochemical Capacitors, Universite de Nantes, France, June 30^th – July 2^nd 2009.
7. K.Denshchkov,  A.Zhuk, M. Izmaylova, Specific features of energy storage of supercapacitors with ionic liquid electrolyte, COST Action 542 High Performance Energy Storages for Mobile and Stationary Applications, INRETS, Paris, France, June 5 -7, 2008.
8. Богницкий И.Я., Герасимов А.Ф., Ефимов С.Е., Иванов А.М.,  Фомин А.В., Чижевский С.В., Патент Ru №2041518, Конденсатор с двойным электрическим слоем, Бюллетень изобретений  Комитета РФ по патентам и товарным знакам, 1995, #22.

---

Количество просмотров публикации: Please wait

Все статьи автора «averin1102»

Графеновые суперконденсаторы: Введение и новости

Графеновые суперконденсаторы

Графен представляет собой тонкий слой чистого углерода, плотно упакованный и связанный вместе в гексагональной сотовой решетке. Его широко называют «чудо-материалом», потому что он наделен множеством удивительных свойств: это самое тонкое соединение, известное человеку, толщиной в один атом, а также самый известный проводник. Он также обладает удивительной прочностью и светопоглощением и даже считается экологически чистым и устойчивым, поскольку углерод широко распространен в природе и является частью человеческого тела.

Графен часто предлагается в качестве замены активированного угля в суперконденсаторах, отчасти из-за его большой относительной площади поверхности (которая даже больше, чем у активированного угля). Площадь поверхности является одним из ограничений емкости, а более высокая площадь поверхности означает лучшее накопление электростатического заряда. Кроме того, суперконденсаторы на основе графена будут использовать его легкий вес, эластичные свойства и механическую прочность.

Графеновый суперконденсатор может накапливать почти столько же энергии, сколько и литий-ионный аккумулятор, заряжаться и разряжаться за секунды и поддерживать все это в течение десятков тысяч циклов зарядки.Один из способов добиться этого — использовать высокопористую форму графена с большой площадью внутренней поверхности (полученную путем упаковки порошка графена в ячейку в форме монеты, а затем высушивания и прессования его).

Что такое суперконденсаторы?

Суперконденсаторы, также известные как EDLC (электрические двухслойные конденсаторы) или ультраконденсаторы, отличаются от обычных конденсаторов тем, что они могут хранить огромное количество энергии.

Основной конденсатор обычно состоит из двух металлических пластин, разделенных изолятором (например, воздухом или пластиковой пленкой).Во время зарядки электроны накапливаются на одном проводе и отходят от другого. Одна сторона получает отрицательный заряд, а другая — положительный. Изолятор нарушает естественное притяжение отрицательного заряда к положительному, и это напряжение создает электрическое поле. Как только электроны переходят на другую сторону, происходит разряд.

Суперконденсаторы также содержат две металлические пластины, покрытые только пористым материалом, известным как активированный уголь. Они погружены в электролит, состоящий из положительных и отрицательных ионов, растворенных в растворителе.Одна пластина положительная, а другая отрицательная. Во время зарядки ионы электролита накапливаются на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием. Суперконденсаторы также накапливают энергию в электрическом поле, которое формируется между двумя противоположно заряженными частицами, только у них есть электролит, в котором равномерно распределено равное количество положительных и отрицательных ионов. Таким образом, во время зарядки каждый электрод имеет два слоя зарядового покрытия (двойной электрический слой).

Батареи и суперконденсаторы

В отличие от конденсаторов и суперконденсаторов, батареи накапливают энергию в химической реакции.Таким образом, ионы вставляются в атомную структуру электрода, а не просто цепляются за нее, как в суперконденсаторах. Это позволяет суперконденсаторам (и хранению энергии в целом без химических реакций) заряжаться и разряжаться намного быстрее, чем аккумуляторы. Благодаря тому, что суперконденсатор не подвержен такому же износу, как батарея на основе химической реакции, он может выдержать еще сотни тысяч циклов зарядки и разрядки.

Суперконденсаторы могут похвастаться высокой емкостью накопления энергии по сравнению с обычными конденсаторами, но они все еще отстают от батарей в этой области.Суперконденсаторы также обычно дороже в расчете на единицу, чем батареи. Технически можно заменить аккумулятор сотового телефона на суперконденсатор, и он будет заряжаться намного быстрее. Увы, долго заряжаться не будет. Однако суперконденсаторы очень эффективны при приеме или передаче внезапного всплеска энергии, что делает их подходящим партнером для батарей. Первичные источники энергии, такие как двигатели внутреннего сгорания, топливные элементы и батареи, хорошо работают как непрерывный источник малой мощности, но не могут эффективно справляться с потребляемой пиковой мощностью или возвращать энергию, поскольку они медленно разряжаются и перезаряжаются.Суперконденсаторы обеспечивают быстрые выбросы энергии во время пиковых нагрузок, а затем быстро накапливают энергию и улавливают избыточную мощность, которая в противном случае теряется. В примере с электромобилем суперконденсатор может обеспечивать необходимую мощность для ускорения, в то время как батарея обеспечивает запас хода и заряжает суперконденсатор между скачками напряжения.

Общие приложения суперконденсаторов

Суперконденсаторы в настоящее время используются для сбора энергии от систем рекуперативного торможения и высвобождения энергии, чтобы помочь гибридным автобусам разгоняться, обеспечивать пусковую мощность и стабилизацию напряжения в системах старт / стоп, резервную и пиковую мощность для автомобильных приложений, помогать при ускорении поезда открывать двери самолета в случае сбоев питания, помогать повысить надежность и стабильность энергосистемы систем шага лопастей, улавливать энергию и обеспечивать импульсную мощность для помощи при подъемных операциях, обеспечивать энергией центры обработки данных между сбоями питания и инициированием резервных систем питания, таких как дизельные генераторы или топливные элементы, и обеспечивают накопление энергии для увеличения выработки возобновляемых источников энергии и повышения устойчивости сети.

Соперничающие материалы

Существует несколько материалов, которые исследованы и предложены для увеличения суперконденсаторов на столько же (или даже больше) графена. Среди этих материалов: конопля, которая использовалась канадскими исследователями для разработки конопляных волокон, которые по крайней мере так же эффективны, как и графеновые, в электродах суперконденсатора, сигаретные фильтры, которые использовались корейскими исследователями для подготовки материала для электродов суперконденсатора, который демонстрирует лучшие характеристики. пропускная способность и более высокая удельная емкость, чем у обычного активированного угля, и даже выше, чем у электродов из легированного N графен или УНТ.

Коммерциализация графеновых суперконденсаторов

Графеновые суперконденсаторы уже представлены на рынке, и несколько компаний, включая Skeleton Technology, CRRC, ZapGoCharger и Angstron Materials, разрабатывают такие решения. Прочтите наш отчет о рынке графеновых суперконденсаторов, чтобы узнать больше об этом захватывающем рынке и о том, как графен повлияет на него.

Дополнительная литература

Как работают суперконденсаторы? — Объясни, что материал

Криса Вудфорда.Последнее изменение: 22 июля 2020 г.

Если вы думаете, что электричество играет сегодня большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили и системы отопления, работающие на ископаемом топливе, должны будут перейти на электроэнергию. также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофический климат менять. Электричество — чрезвычайно универсальный вид энергии, но он имеет один большой недостаток: в спешке складировать относительно сложно. Батареи могут удерживать большое количество энергии, но на то, чтобы заряжать.Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь крошечные количества энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и выделять большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров. Какие они и как работают? Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Стек суперконденсаторов Maxwell, используемых для хранения энергии в электромобилях. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Как можно хранить электрический заряд?

Фото: В типичной угольно-цинковой батарее на заводе хранится электричество, и ее можно разрядить только один раз, прежде чем ее придется выбросить. Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды выбрасываются во всем мире каждый год.

Батареи и конденсаторы выполняют аналогичную работу — накапливают электричество, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество, называемое электролитом.Когда вы включаете питание, химические реакции происходят с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции преобразуют химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти. Как только химические вещества будут исчерпаны, реакции прекращаются, и аккумулятор разряжен. В перезаряжаемой батарее, например, в литий-ионном блоке питания. в портативном компьютере или MP3-плеере реакция может с радостью бегите в любом направлении — так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз перед заменой батареи.

Фотография: Типичный конденсатор в электронной схеме. В нем хранится меньше энергии, чем в аккумуляторе, но его можно заряжать и разряжать мгновенно, почти любое количество раз. В отличие от батареи, положительный и отрицательный заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы заставить его приклеиться.На пластинах накапливаются положительные и отрицательные электрические заряды, и разделение между ними, предотвращающее их соприкосновение, — это то, что сохраняет энергию. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, поэтому можно сказать, что это делает конденсатор более эффективным в качестве устройства для хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не имеют содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать и разряжался бесчисленное количество раз без износа.Но они есть и большой недостаток: килограмм на килограмм, их базовая конструкция не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества электрическая энергия в виде батарей.

Что мы можем с этим поделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо за счет использования лучшего материала для диэлектрика или с помощью металлических пластин большего размера. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно колоссальные тарелки. Грозовые облака, например, это по сути сверхгигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! Какие об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между тарелками? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.

Artwork: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными способами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик.Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, есть разница: они обычно построены из разных материалов и имеют несколько разную структуру, поэтому они хранят разное количество энергии. В целях этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных обкладок. Пластины сделаны из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда.Представьте на мгновение, что электричество — это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вытереть только крошечные пятна, пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсатора — это электрические губки!

А как насчет разделителя между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как шкала настройки внутри радио).Когда конденсатор заряжен, на одной пластине формируются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в линию, противоположную полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это проиллюстрировано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Изображение: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком (серый).Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору сохранять больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых материалов, обычно на основе углерода, пропитанных электролитом.Пластины имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность накапливать гораздо больше заряда.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, по обе стороны от сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый двойной электрический слой толщиной, возможно, всего одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму рисунка, вы увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают свою гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, сделанных из таких вещей, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Фото: Суперконденсаторы иногда можно использовать как прямую замену батареям.Вот аккумуляторная дрель на базе суперконденсаторов для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавтам-космическим астронавтам не всегда удается дождаться ночи, когда они начнут учения! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Основная единица электрической емкости называется фарад (F) в честь британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электричества (они обычно измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).В отличие от этого типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (измеренный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это по-прежнему составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор. Но большим преимуществом суперконденсатора является то, что он может хранить и высвобождать энергия почти мгновенно — намного быстрее, чем батарея.Это потому, что суперконденсатор работает за счет накопления статического электричества. заряжается на твердых телах, в то время как батарея полагается на заряды, медленно производимые в результате химических реакций, часто с жидкостями.

Вы часто видите батареи и суперконденсаторы, сравниваемые с точки зрения их энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова используются как синонимы; в науке мощность — это количество энергии, использованное или произведенное за определенный период времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут быстрее выделять энергию).Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и выделения большого количества энергии, но батареи по-прежнему являются королем для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 В), их можно подключать последовательно (как батареи) для получения более высоких напряжений для использования в более мощном оборудовании.

Так как суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и разряжены любое количество раз (спецификации для коммерческих суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).У них мало или нет внутреннего сопротивления, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. без особых затрат энергии — и работать на очень близких к 100 процентный КПД (обычно 97–98 процентов).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам нужно сохранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы храните в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно тем, что вам нужно.Суперконденсаторы были широко используется в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергия резервуары », сглаживающие подачу питания на электрические и электронное оборудование. Суперконденсаторы также можно подключать к батареи, чтобы регулировать подачу питания.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для хранения энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко используемых в электромобилях. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать прерывистую мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, это означает, что сотни суперконденсаторов, соединенных последовательно, необходим для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А Отчет Allied за 2020 год Маркетинговые исследования оценили мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказали, что достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

Как работают суперконденсаторы? — Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 22 июля 2020 г.

Если вы думаете, что электричество играет сегодня большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили и системы отопления, работающие на ископаемом топливе, должны будут перейти на электроэнергию. также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофический климат менять.Электричество — чрезвычайно универсальный вид энергии, но он имеет один большой недостаток: в спешке складировать относительно сложно. Батареи могут удерживать большое количество энергии, но на то, чтобы заряжать. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь крошечные количества энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и выделять большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров.Какие они и как работают? Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Стек суперконденсаторов Maxwell, используемых для хранения энергии в электромобилях. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Как можно хранить электрический заряд?

Фото: В типичной угольно-цинковой батарее на заводе хранится электричество, и ее можно разрядить только один раз, прежде чем ее придется выбросить.Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды выбрасываются во всем мире каждый год.

Батареи и конденсаторы выполняют аналогичную работу — накапливают электричество, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество, называемое электролитом. Когда вы включаете питание, химические реакции происходят с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции преобразуют химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти.Как только химические вещества будут исчерпаны, реакции прекращаются, и аккумулятор разряжен. В перезаряжаемой батарее, например, в литий-ионном блоке питания. в портативном компьютере или MP3-плеере реакция может с радостью бегите в любом направлении — так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз перед заменой батареи.

Фотография: Типичный конденсатор в электронной схеме. В нем хранится меньше энергии, чем в аккумуляторе, но его можно заряжать и разряжать мгновенно, почти любое количество раз.В отличие от батареи, положительный и отрицательный заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы заставить его приклеиться.На пластинах накапливаются положительные и отрицательные электрические заряды, и разделение между ними, предотвращающее их соприкосновение, — это то, что сохраняет энергию. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, поэтому можно сказать, что это делает конденсатор более эффективным в качестве устройства для хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не имеют содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать и разряжался бесчисленное количество раз без износа.Но они есть и большой недостаток: килограмм на килограмм, их базовая конструкция не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества электрическая энергия в виде батарей.

Что мы можем с этим поделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо за счет использования лучшего материала для диэлектрика или с помощью металлических пластин большего размера. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно колоссальные тарелки. Грозовые облака, например, это по сути сверхгигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! Какие об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между тарелками? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.

Artwork: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными способами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик.Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, есть разница: они обычно построены из разных материалов и имеют несколько разную структуру, поэтому они хранят разное количество энергии. В целях этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных обкладок. Пластины сделаны из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда.Представьте на мгновение, что электричество — это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вытереть только крошечные пятна, пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсатора — это электрические губки!

А как насчет разделителя между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как шкала настройки внутри радио).Когда конденсатор заряжен, на одной пластине формируются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в линию, противоположную полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это проиллюстрировано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Изображение: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком (серый).Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору сохранять больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых материалов, обычно на основе углерода, пропитанных электролитом.Пластины имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность накапливать гораздо больше заряда.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, по обе стороны от сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый двойной электрический слой толщиной, возможно, всего одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму рисунка, вы увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают свою гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, сделанных из таких вещей, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Фото: Суперконденсаторы иногда можно использовать как прямую замену батареям.Вот аккумуляторная дрель на базе суперконденсаторов для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавтам-космическим астронавтам не всегда удается дождаться ночи, когда они начнут учения! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Основная единица электрической емкости называется фарад (F) в честь британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электричества (они обычно измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).В отличие от этого типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (измеренный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это по-прежнему составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор. Но большим преимуществом суперконденсатора является то, что он может хранить и высвобождать энергия почти мгновенно — намного быстрее, чем батарея.Это потому, что суперконденсатор работает за счет накопления статического электричества. заряжается на твердых телах, в то время как батарея полагается на заряды, медленно производимые в результате химических реакций, часто с жидкостями.

Вы часто видите батареи и суперконденсаторы, сравниваемые с точки зрения их энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова используются как синонимы; в науке мощность — это количество энергии, использованное или произведенное за определенный период времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут быстрее выделять энергию).Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и выделения большого количества энергии, но батареи по-прежнему являются королем для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 В), их можно подключать последовательно (как батареи) для получения более высоких напряжений для использования в более мощном оборудовании.

Так как суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и разряжены любое количество раз (спецификации для коммерческих суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).У них мало или нет внутреннего сопротивления, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. без особых затрат энергии — и работать на очень близких к 100 процентный КПД (обычно 97–98 процентов).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам нужно сохранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы храните в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно тем, что вам нужно.Суперконденсаторы были широко используется в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергия резервуары », сглаживающие подачу питания на электрические и электронное оборудование. Суперконденсаторы также можно подключать к батареи, чтобы регулировать подачу питания.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для хранения энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко используемых в электромобилях. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать прерывистую мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, это означает, что сотни суперконденсаторов, соединенных последовательно, необходим для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А Отчет Allied за 2020 год Маркетинговые исследования оценили мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказали, что достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

Как работают суперконденсаторы? — Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 22 июля 2020 г.

Если вы думаете, что электричество играет сегодня большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили и системы отопления, работающие на ископаемом топливе, должны будут перейти на электроэнергию. также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофический климат менять.Электричество — чрезвычайно универсальный вид энергии, но он имеет один большой недостаток: в спешке складировать относительно сложно. Батареи могут удерживать большое количество энергии, но на то, чтобы заряжать. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь крошечные количества энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и выделять большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров.Какие они и как работают? Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Стек суперконденсаторов Maxwell, используемых для хранения энергии в электромобилях. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Как можно хранить электрический заряд?

Фото: В типичной угольно-цинковой батарее на заводе хранится электричество, и ее можно разрядить только один раз, прежде чем ее придется выбросить.Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды выбрасываются во всем мире каждый год.

Батареи и конденсаторы выполняют аналогичную работу — накапливают электричество, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество, называемое электролитом. Когда вы включаете питание, химические реакции происходят с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции преобразуют химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти.Как только химические вещества будут исчерпаны, реакции прекращаются, и аккумулятор разряжен. В перезаряжаемой батарее, например, в литий-ионном блоке питания. в портативном компьютере или MP3-плеере реакция может с радостью бегите в любом направлении — так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз перед заменой батареи.

Фотография: Типичный конденсатор в электронной схеме. В нем хранится меньше энергии, чем в аккумуляторе, но его можно заряжать и разряжать мгновенно, почти любое количество раз.В отличие от батареи, положительный и отрицательный заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы заставить его приклеиться.На пластинах накапливаются положительные и отрицательные электрические заряды, и разделение между ними, предотвращающее их соприкосновение, — это то, что сохраняет энергию. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, поэтому можно сказать, что это делает конденсатор более эффективным в качестве устройства для хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не имеют содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать и разряжался бесчисленное количество раз без износа.Но они есть и большой недостаток: килограмм на килограмм, их базовая конструкция не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества электрическая энергия в виде батарей.

Что мы можем с этим поделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо за счет использования лучшего материала для диэлектрика или с помощью металлических пластин большего размера. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно колоссальные тарелки. Грозовые облака, например, это по сути сверхгигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! Какие об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между тарелками? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.

Artwork: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными способами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик.Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, есть разница: они обычно построены из разных материалов и имеют несколько разную структуру, поэтому они хранят разное количество энергии. В целях этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных обкладок. Пластины сделаны из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда.Представьте на мгновение, что электричество — это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вытереть только крошечные пятна, пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсатора — это электрические губки!

А как насчет разделителя между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как шкала настройки внутри радио).Когда конденсатор заряжен, на одной пластине формируются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в линию, противоположную полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это проиллюстрировано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Изображение: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком (серый).Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору сохранять больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых материалов, обычно на основе углерода, пропитанных электролитом.Пластины имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность накапливать гораздо больше заряда.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, по обе стороны от сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый двойной электрический слой толщиной, возможно, всего одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму рисунка, вы увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают свою гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, сделанных из таких вещей, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Фото: Суперконденсаторы иногда можно использовать как прямую замену батареям.Вот аккумуляторная дрель на базе суперконденсаторов для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавтам-космическим астронавтам не всегда удается дождаться ночи, когда они начнут учения! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Основная единица электрической емкости называется фарад (F) в честь британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электричества (они обычно измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).В отличие от этого типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (измеренный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это по-прежнему составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор. Но большим преимуществом суперконденсатора является то, что он может хранить и высвобождать энергия почти мгновенно — намного быстрее, чем батарея.Это потому, что суперконденсатор работает за счет накопления статического электричества. заряжается на твердых телах, в то время как батарея полагается на заряды, медленно производимые в результате химических реакций, часто с жидкостями.

Вы часто видите батареи и суперконденсаторы, сравниваемые с точки зрения их энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова используются как синонимы; в науке мощность — это количество энергии, использованное или произведенное за определенный период времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут быстрее выделять энергию).Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и выделения большого количества энергии, но батареи по-прежнему являются королем для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 В), их можно подключать последовательно (как батареи) для получения более высоких напряжений для использования в более мощном оборудовании.

Так как суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и разряжены любое количество раз (спецификации для коммерческих суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).У них мало или нет внутреннего сопротивления, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. без особых затрат энергии — и работать на очень близких к 100 процентный КПД (обычно 97–98 процентов).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам нужно сохранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы храните в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно тем, что вам нужно.Суперконденсаторы были широко используется в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергия резервуары », сглаживающие подачу питания на электрические и электронное оборудование. Суперконденсаторы также можно подключать к батареи, чтобы регулировать подачу питания.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для хранения энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко используемых в электромобилях. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать прерывистую мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, это означает, что сотни суперконденсаторов, соединенных последовательно, необходим для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А Отчет Allied за 2020 год Маркетинговые исследования оценили мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказали, что достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

Суперконденсаторы — обзор | ScienceDirect Topics

Суперконденсаторы на основе углерода доказали свой потенциал для обеспечения исключительно высокой плотности мощности при длительном сроке службы.Однако их удельная энергия слишком мала для коммерческого использования во многих жизненно важных приложениях. Проводящие полимеры и псевдоемкостные оксиды переходных металлов могут быть полезными активными материалами для приложений с высокими плотностями энергии, поскольку материалы этого типа продемонстрировали более высокие емкостные характеристики. В этих двух подразделах будут подробно обсуждаться оксиды переходных металлов и проводящие полимеры.

Оксиды переходных металлов

Плотность энергии суперконденсаторных устройств определяется либо их емкостными характеристиками, либо рабочим напряжением, как указано в формуле.(2). Рабочее напряжение зависит от типа используемого электролита (водный, органический, ионные жидкости комнатной температуры или твердотельные электролиты), тогда как удельная емкость является внутренним свойством активного материала электрода. Электродные материалы на основе оксидов переходных металлов, такие как оксид рутения (RuO ₂ ) (Lee et al ., 2019), оксид / гидроксид никеля (NiO / Ni (OH) ₂ ) (Brisse et al ., 2018), оксид марганца (MnO ₂ ) (Hu et al ., 2018) среди других оксидов переходных металлов широко используются из-за их выдающихся свойств, таких как высокая удельная емкость, отличная обратимость и высокая плотность энергии.

В отличие от двойной электрической емкости, когда емкость возникает из-за образования двойного электрического слоя на границе электрод / электролит, что является чисто физическим явлением, псевдоемкость сопровождается быстрой и полностью обратимой передачей электронного заряда, которая происходит между оксидами переходных металлов и ионами электролита. на интерфейсе.

Рутений — многовалентный редкий металл, входящий в группу металлов платины, и один из самых редких металлов, что делает его чрезвычайно дорогостоящим. Однако рутений обладает некоторыми необычными свойствами, такими как высокая природная стабильность, очень сильная коррозионная стойкость и высокая электронная проводимость (Li et al ., 2018). Чрезвычайно высокие емкостные характеристики оксида рутения делают его наиболее изученным материалом на основе оксидов переходных металлов для его применения в качестве активного материала в суперконденсаторах.О самой высокой удельной емкости до 788 Фг ^-1 сообщалось при использовании электродов из тонкопленочного оксида рутения в 0,5 M H ₂ SO ₄ (Park et al ., 2004). Оксид рутения может быть получен с использованием разнообразных методов, таких как золь-гель (Calegaro et al ., 2006), химическое осаждение в ванне (Patake and Lokhande, 2008) и методы катодного электроосаждения (Zheng et al ., 2008). ). Благодаря исключительно высокой удельной емкости, элементы суперконденсаторов, в которых используются электродные материалы из оксида рутения, отображают плотности энергии на уровне батареи; однако низкая плотность мощности и повышенная стоимость материалов делают материалы на основе оксида рутения менее подходящими для коммерческого применения.

Как обсуждалось ранее, типичные оксиды металлов, такие как оксид рутения, могут иметь финансовые последствия, препятствующие их практическому применению. Однако другие оксиды переходных металлов, такие как оксид марганца, могут быть предпочтительным выбором, поскольку он может характеризоваться высоким емкостным выходом, экологичностью и низкой стоимостью (поскольку доступен в большом количестве) (Arul et al ., 2018; Chi et al. al ., 2018; Jadhav et al ., 2019). Ли и Гуденаф первоначально опубликовали свои выводы в 1999 году, в которых они использовали оксид марганца в качестве электродного материала в 2-молярном водном электролите KCL (Ли и Гуденаф, 1999).Дополнительные пересекающиеся свойства, такие как его доступность в различных степенях окисления (MnO, Mn ₃ O ₄ , MnO ₂ и Mn ₂ O ₃ ), более высокое рабочее напряжение в водном электролите и очень высокое Теоретическая емкость делает его перспективным материалом для использования в качестве электрода в суперконденсаторах (Argüello et al ., 2019; Dong et al ., 2019). Для производства активного материала на основе оксида марганца использовался широкий спектр методов синтеза, таких как анодное / катодное электроосаждение, окисление пленок Mn и электрофоретическое осаждение.Исключительно высокая емкость достигается при использовании электродных материалов на основе оксида марганца, исключительно высокая удельная емкость 530 Фг ^-1 была достигнута Букмушом и др. . (2014), в водном растворе электролита Na ₂ SO ₄ . Хотя оксид марганца сохраняет эти превосходные свойства, оксид марганца и его производные страдают от плохой стабильности при циклических нагрузках и удельной мощности, что ограничивает их практическое использование.

Оксид никеля также привлек серьезное внимание в связи с его принятием в качестве активного материала в суперконденсаторах благодаря своим превосходным электрохимическим характеристикам, низкому уровню токсичности и естественному распространению (Lokhande et al ., 2011; Navale et al ., 2015; Zhu et al ., 2012). Кроме того, оксид никеля имеет наивысшее теоретическое значение емкости, составляющее около 2573 Fg ^-1 , по сравнению с оксидами металлов, такими как оксид рутения (примерно 2200 Fg ^-1 ) и оксид магния (примерно 1300 Fg ^-1 ) (Vidhyadharan et al ., 2014). Оксиды никеля, подобные другим материалам на основе оксидов металлов, могут быть получены с использованием широкого диапазона методов синтеза, таких как золь-гель метод (Taylor et al ., 2002), химическое осаждение (Sk et al ., 2016), электрохимическое осаждение (Wu et al ., 2008) и реактивное радиочастотное распыление (Lee et al ., 2004). Удельная емкость 750 Фг ⁻¹ была достигнута, когда высокопористая (удельная поверхность 153,2 м ² г ⁻¹ ) нанопроволока использовалась в качестве электрода вместе с электролитом, состоящим из раствора изопропанола (20 мл). с растворенным нитратом никеля (4 мг) (Paravannoor et al ., 2013). Хотя оксид никеля показал многообещающие результаты, его циклическая способность и химические характеристики требуют дальнейшего улучшения, которое может быть достигнуто путем производства композитов на основе оксида металла и углерода, в которых высокоразвитая пористая структура будет способствовать увеличению емкости двойного электрического слоя, а оксиды никеля будут способствовать реакции Фарадика.

Множество других оксидов металлов, как правило, на основе различных оксидов ванадия, железа, меди, цинка, титана, олова и кобальта, были приняты в качестве активных материалов в исследованиях накопления энергии с участием суперконденсаторов.Использование материалов на основе оксидов металлов в качестве электродов в коммерческих приложениях в ближайшем будущем выглядит менее вероятным, поскольку электродные материалы на основе оксидов металлов являются новой областью исследований и требуют дальнейших исследований.

Проводящие полимеры

Электропроводящие полимеры представляют собой еще один интересный класс электродных материалов, поскольку материалы этого типа могут демонстрировать высокую электронную проводимость (низкое эквивалентное последовательное сопротивление ESR) и емкостные характеристики в сочетании с такими свойствами, как низкая стоимость и большая плотность заряда.Наиболее часто используемые активные материалы на основе проводящих полимеров включают полианилин (PANi) (Mitchell et al ., 2015), полипиррол (PPy) (Chen et al ., 2015) и производные политиофена (PTh) (Gnanakan et al. al ., 2009) из-за их свойств, таких как превосходная псевдоемкость, высокая электрическая проводимость и низкая стоимость, которые жизненно важны для любого материала, который может быть использован в качестве электрода в суперконденсаторе на коммерческой основе. Проводящие полимеры являются предпочтительными активными материалами в гибких суперконденсаторах благодаря простоте их производства и гибкости.Пористая структура материалов на основе проводящих полимеров, синтезированных в широком диапазоне форм и структур, таких как насыпные порошки, наностержни, нанопроволоки и наностенки, которые играют ключевую роль в производительности ячеек суперконденсаторов (Ma et al ., 2019; Менг и др. ., 2017; Ван и др. ., 2019b). Полианилин (PANi) является наиболее часто используемым электродным материалом из-за его исключительно высокой теоретической емкости около 2000 Фг ^-1 ; однако практически достигаемые значения намного ниже из-за небольшого вклада PANi в зависимости от диффузии ионов электролита и его проводимости.Исключительно высокая удельная емкость 608 Fg ^-1 , что составляет всего 30% от теоретического значения, была достигнута при плотности тока 1 Ag ^-1 , что можно объяснить ограниченной доступностью электролита (Li et al . , 2009).

Высокая электронная проводимость, лицевой синтез, экономичность производства и экологичность — вот некоторые из выдающихся свойств проводящих полимеров на основе полипиррола (PPy), которые существуют благодаря расширенной системе π-связей, унаследованной от его структуры (Pron and Rannou, 2002) .Благодаря этим исключительным характеристикам проводящие полимеры на основе полипропилена широко исследуются в приложениях, как правило, в системах доставки лекарств (Song et al ., 2015; Wang et al ., 2013), биосенсорах (Ates, 2013), исполнительных механизмах и, в частности, в качестве электрода в суперконденсаторах (Huang et al ., 2016; Zhang et al ., 2018). Проводящие полимеры на основе полипиррола (PPy) могут быть синтезированы с использованием методов химической полимеризации и электрохимической полимеризации, где электрохимическая полимеризация является более широко используемой техникой, поскольку она обеспечивает контролируемую нагрузку полимеризованного PPy на электрод (Huang et al ., 2016). Проводящие полимеры на основе PPy обладают очень высокими емкостными характеристиками, удельная емкость 480 Фг ^-1 была достигнута при 200 мВ · с ^-1 с использованием 1 М КОН в качестве циклического электролита с превосходной циклической способностью.

Вышеуказанные свойства делают проводящий полимер PPy главным претендентом на применение в суперконденсаторах; тем не менее, устойчивость материалов на основе PPy к циклическому изменению относительно раздражает с потерей емкости более 10% после всего лишь 1000 циклов зарядки / разрядки (Fu et al ., 2013). Эти емкостные потери объясняются структурным разрушением, происходящим из-за повторяющегося процесса зарядки / разрядки (Kumar et al ., 2014).

Проводящие полимеры сохраняют превосходные свойства, такие как исключительные емкостные характеристики и плотность энергии наряду с исключительной стабильностью, характеристики, обычно связанные с оксидами переходных металлов, при более низкой стоимости по сравнению с оксидами металлов, например оксидом рутения (Aradilla et al ., 2019) . Такие свойства, как улучшенные электрохимические характеристики и более высокая стабильность, достижимы благодаря увеличенной заряженной емкости за счет полностью обратимой реакции Фарадиева и лучшей кинетики переноса электронов, соответственно.Материалы на основе политиофена (PT) являются предпочтительным выбором среди других проводящих полимеров для их применения в качестве активных материалов в суперконденсаторах, поскольку они имеют более высокую проводимость и стабильность в окисленной форме по сравнению с PANI и PPy (Vijeth et al ., 2019). Высокая удельная емкость 300 Фг ^-1 была достигнута при плотности энергии и мощности 11,43 Вт · ч · кг 903 · 10 -1 при плотности мощности 1,14 кВт · кг 903 · 10 -1 , когда тонкие пленки PT были приготовлены методом химического осаждения в ванне, где 01 M LiClO4 / PC использовался в качестве электролита (Patil et al ., 2014).

Несмотря на вышеупомянутые выдающиеся свойства, материалы на основе проводящих полимеров страдают сравнительно низкой механической стабильностью и циклической способностью, что приводит к ограничению их характеристик и ограничению их более широкого использования.

Что такое суперконденсаторы? — ES Components

Суперконденсаторы (SC) ,. Включают семейство электрохимических конденсаторов. Суперконденсатор, иногда называемый суперконденсатором . — это общий термин для электрических двухслойных конденсаторов (EDLC), псевдоконденсаторов и гибридных конденсаторов.У них нет обычного твердого диэлектрика. Значение емкости электрохимического конденсатора определяется двумя принципами накопления, оба из которых вносят вклад в общую емкость конденсатора.

• Двухслойная емкость — накопление достигается разделением заряда в двойном слое Гельмгольца на границе между поверхностью проводника и раствором электролита. Расстояние разделения зарядов в двойном слое составляет порядка нескольких ангстрем (0.3–0,8 нм). Этот накопитель имеет электростатическое происхождение.

• Псевдоемкость — Хранение достигается за счет окислительно-восстановительных реакций, электросорбции или интеркаляции на поверхности электрода или за счет специально адсорбированных ионов, что приводит к обратимому фарадеевскому переносу заряда. Псевдоемкость имеет фарадеевское происхождение.

Коэффициент накопления, обусловленный каждым принципом, может сильно варьироваться в зависимости от конструкции электродов и состава электролита. Псевдоемкость может увеличить значение емкости на порядок величины по сравнению с двойным слоем самого по себе.

Суперконденсаторы делятся на три семейства в зависимости от конструкции электродов:

• Двухслойные конденсаторы — с угольными электродами или производными с гораздо более высокой статической двухслойной емкостью, чем фарадеевская псевдоемкость

• Псевдоконденсаторы — с электродами из оксидов металлов или проводящих полимеров с большим количеством фарадеевской псевдоемкости

• Гибридные конденсаторы — конденсаторы со специальными и асимметричными электродами, которые демонстрируют как значительную емкость двойного слоя, так и псевдоемкость, такую ​​как ионная емкость конденсаторы

Суперконденсаторы перекрывают разрыв между обычными конденсаторами и аккумуляторными батареями.Они имеют самые высокие доступные значения емкости на единицу объема и самую большую плотность энергии среди всех конденсаторов. Они поддерживают до 12 000 фарад / 1,2 В при значениях емкости до 10 000 раз больше, чем у электролитических конденсаторов. Хотя существующие суперконденсаторы имеют плотность энергии, которая составляет примерно 10% от обычной батареи, их плотность мощности обычно в 10-100 раз больше. Плотность мощности определяется как произведение плотности энергии, умноженное на скорость, с которой энергия передается в нагрузку.Более высокая удельная мощность приводит к гораздо более коротким циклам зарядки / разрядки, чем способна батарея, и большей устойчивости к многочисленным циклам зарядки / разрядки. Это делает их подходящими для параллельного подключения к батареям и может улучшить характеристики батареи с точки зрения удельной мощности.

В электрохимических конденсаторах электролит представляет собой проводящее соединение между двумя электродами, что отличает их от электролитических конденсаторов, в которых электролит образует только катод, второй электрод.

Суперконденсаторы поляризованы и должны работать с правильной полярностью. Полярность контролируется конструкцией с асимметричными электродами или, для симметричных электродов, потенциалом, прикладываемым во время производственного процесса.

Суперконденсаторы поддерживают широкий спектр приложений для требований к мощности и энергии, в том числе:

• Низкий ток потребления в течение длительного времени для резервного копирования памяти в (SRAM) в электронном оборудовании

• Силовая электроника, требующая очень короткого, высокого тока , как в системе KERSsystem в автомобилях Формулы 1

• Восстановление энергии торможения для транспортных средств, таких как автобусы и поезда

Суперконденсаторы редко взаимозаменяемы, особенно с более высокой плотностью энергии.Стандарт МЭК 62391-1 Фиксированные электрические двухслойные конденсаторы для использования в электронном оборудовании определяет четыре класса приложений:

• Класс 1, резервная память, ток разряда в мА = 1 • C (F)

• Класс 2, Накопитель энергии, ток разряда в мА = 0,4 • C (F) • В (В)

• Класс 3, мощность, ток разряда в мА = 4 • C (F) • В (В)

• Класс 4 , Мгновенная мощность, ток разряда в мА = 40 • C (F) • В (В)

Исключением для электронных компонентов, таких как конденсаторы, являются различные торговые марки или названия серий суперконденсаторов, такие как: APowerCap, BestCap, BoostCap, CAP-XX, DLCAP, EneCapTen, EVerCAP, DynaCap, Faradcap, GreenCap, Goldcap, HY-CAP, Каптонный конденсатор, Суперконденсатор, SuperCap, PAS Capacitor, PowerStor, PseudoCap, Ultracapacitor , что затрудняет классификацию этих конденсаторов для пользователей.

Источник: Википедия

Суперконденсаторы в качестве альтернативы батареям

Представьте, что вы заряжаете свой мобильный телефон всего за несколько секунд. Или подумайте, как изменился бы транспорт, если бы заправка электромобиля занимала всего несколько минут.

Технология быстрого включения питания существует уже несколько десятилетий — в суперконденсаторах. Суперконденсаторы не только заряжаются быстрее, чем батареи, но и служат дольше, потому что не страдают от физических потерь при зарядке и разрядке, которые изнашивают батареи.У них также есть ряд преимуществ в плане безопасности. Однако суперразмер суперконденсаторов — они должны быть намного больше, чтобы удерживать ту же энергию, что и батареи, — и их сверхвысокая стоимость сдерживают их.

Но ряд ученых считает, что недавние открытия сделали быстрый, надежный и потенциально более безопасный накопитель энергии в суперконденсаторах, иногда называемых ультраконденсаторами, в пределах досягаемости, позволяя лучше конкурировать с батареями.

«Ультраконденсаторы похожи на молнию в бутылке, если хотите, — сказал Майкл Сунд, вице-президент Maxwell Technologies, ведущего производителя новой технологии, который продает тысячи единиц для зарядки автобусов в Китае.

Проблемы с безопасностью аккумуляторов

Любой, у кого закончился заряд во время важного телефонного разговора или кто пытался успокоить ребенка, чей игрушечный грузовик внезапно остановился, знает пределы заряда аккумуляторов. Аккумуляторы заряжаются долго, они относительно тяжелые — большая проблема для рынка электромобилей — и их безопасность часто возникает как проблема.

Этим летом крупному розничному торговцу пришлось отозвать тысячи запасных батарей для ноутбуков, произведенных Apple, только одним из многих производителей ноутбуков и сотовых телефонов, у которых были отозваны собственные батареи из соображений безопасности.(См. Соответствующий тест: «Что вы не знаете о батареях».)

Пожары с батареями в начале этого года также помогли временно заземлить новый Dreamliner Boeing. В одной из самых страшных трагедий, связанных с отказом аккумуляторной батареи, два члена экипажа погибли в 2010 году в результате крушения самолета UPS в Дубае, которое следователи связали с пламенем, поднимающимся из груза батарей. (См. Статью по теме: «Преобразование полета для повышения топливной эффективности: пять технологий на взлетно-посадочной полосе».)

Опасные подводные камни использования батарей являются частью того, что способствует возобновлению интереса к суперконденсаторам.

Безопасность — это гораздо большая проблема, чем это было в прошлом, сказал Питер Харроп, председатель IDTechEx, компании по исследованию рынка, базирующейся в Кембридже, Великобритания. Он и другие поклонники новых технологий утверждают, что суперконденсаторы будут процветать по мере того, как компании будут искать новые. и более надежные источники питания, которые к тому же более безопасны, чем современные батареи.

Вместо химических веществ, которые затрудняют управление батареями, суперконденсаторы используют своего рода статическое электричество для хранения энергии. Это означает, что их характеристики более предсказуемы, их материалы более надежны и менее уязвимы к перепадам температуры, и они могут быть полностью разряжены для более безопасной транспортировки, сказал Харроп.(См. Соответствующие фотографии: «Семь ингредиентов для улучшения аккумуляторов электромобилей».)

Открытие для суперконденсаторов?

Ученым давно известно, что энергия может храниться в виде электрического заряда, а не в химических реактивах, как в батареях. Знаменитый эксперимент Бенджамина Франклина с рядами лейденских сосудов, которые он назвал «батареей» после военного термина, обозначающего совместное функционирование оружия, на самом деле был ранней версией конденсатора.

Но недавний прорыв в материалах суперконденсаторов может сделать их конкурентами батареям в большем количестве приложений.«Суперконденсаторы улучшаются намного быстрее, чем батареи», — сказал Харроп.

С другой стороны, суперконденсаторы уже много лет находятся на грани коммерческого успеха. Заголовок 1995 года, например, предполагал, что ультраконденсаторы «рвутся вперед». Но они остались небольшим бизнесом по сравнению с аккумуляторными батареями — в первую очередь потому, что они хранят относительно мало энергии по сравнению с обычными элементами.

В аккумуляторах накопление электрического заряда называется «плотностью энергии», в отличие от «плотности мощности» или скорости доставки энергии.

Плотность энергии суперконденсаторов бледнеет по сравнению с литий-ионными батареями — технологией, которая сегодня обычно используется в телефонах и ноутбуках. Литий-ионные аккумуляторы хранят в 20 раз больше энергии, чем суперконденсаторы для данного веса и размера. Это означает, что iPhone 5, возможно, должен быть на два или три дюйма толще, чтобы удерживать суперконденсатор, что делает устройство едва ли стройным.

Суперконденсаторы, с другой стороны, выделяются, когда дело доходит до удельной мощности. Они обладают огромной мощностью — их можно быстро заряжать и высвобождать эту мощность быстрыми всплесками тока.Подумайте о тех резких электрических ударах, которые могут возникнуть, если неправильно натереть ворсистое ковровое покрытие. Или, может быть, лучше подумайте о разрядах электричества, которые зажигают летнюю бурю.

Производитель суперконденсаторов Maxwell Technologies сообщил, что наибольшие продажи идут производителям автобусов. Операторы используют суперконденсаторы для улавливания энергии, генерируемой при торможении автобуса на одной из своих многочисленных остановок, а затем разряжают энергию, чтобы помочь автобусу начать движение с полной остановки. С этой целью суперконденсаторы могут полностью заменить батареи в гибридных автобусах, в то время как полностью электрические автобусы требуют меньше батарей.

Это, вероятно, лучший способ продолжить продажу суперконденсаторов в качестве дополнения к батареям или двигателям, работающим на топливе, сказал Сунд. «Суперконденсаторы часто дополняют батареи», — сказал он. «Поэтому мы стараемся держаться подальше от того, что мы называем« вышибанием батарей »».

Тем не менее, есть и другие места, где суперконденсаторы полностью заменяют батареи. Один из примеров — ветряные турбины, особенно расположенные на море и труднодоступные. Суперконденсаторы могут обеспечить, например, всплески мощности, необходимые для регулировки лопастей турбины при изменении ветровых условий.

Аккумуляторы традиционно удовлетворяли эту потребность. Но батареи изнашиваются, потому что их химические вещества со временем теряют свою эффективность. Поскольку они не используют химические вещества для хранения электроэнергии, конденсаторы служат намного дольше, что является важным фактором для турбин, чья высота и удаленное расположение делают их обслуживание дорогостоящим.

Некоторые европейские автомобили также используют суперконденсаторы аналогично автобусам. Европейские «микрогибридные» автомобили выключаются, когда обычно работают на холостом ходу. Эта технология «старт-стоп» обычно работает только от батарей, но французский автопроизводитель PSA использует суперконденсаторы Maxwell в некоторых своих автомобилях Citroen и Peugeot.

Аккумуляторы, тем не менее, продолжают занимать большую часть рынка микрогибрид, потому что суперконденсаторы и сопутствующая электроника могут добавить пару сотен долларов к стоимости автомобиля. Сторонники технологии утверждают, что в долгосрочной перспективе суперкапсы стоят меньше, потому что они служат дольше, чем батареи, и экономят больше топлива, поскольку работают более надежно.

Тем не менее, когда дело доходит до микрогибридных автомобилей, начальная цена покупки пока превосходит эффективность и долгосрочную стоимость владения, сказал Сунд.

Преодолеть препятствия

Новые материалы могут помочь суперконденсаторам лучше конкурировать по плотности энергии. Многие ученые сосредотачиваются на графене, углероде толщиной всего в один атом, который вызвал большое волнение с тех пор, как он был усовершенствован около десяти лет назад. Производство графена оказалось дорогим. Но недавно лаборатория показала, что дешевое обычное бытовое устройство может производить графен в недорогих высококачественных листах. Аспирант использовал записывающее устройство DVD, чтобы сделать графен в химической лаборатории, которой руководит Рик Канер, профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

DVD-привод имеет функцию под названием LightScribe, которая наносит изображения на поверхность DVD-дисков. Оказывается, лазер также преобразует обычный материал, оксид графита, в листы графена. Открытие было описано в прошлом году в журнале Science.

Лазер производит графен с характеристикой, которая делает его особенно перспективным для суперконденсаторов: он выходит с отверстиями или порами. Этот высокопористый графен можно уложить в несколько слоев, при этом обе стороны каждого слоя остаются доступными.В экспериментах это удвоило или утроило плотность энергии суперконденсаторов, сделанных из графена.

Диск размером с DVD из лаборатории Рика Канера содержит микроконденсаторы.

Фотография любезно предоставлена ​​Аргоннской национальной лабораторией

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Один слой атомов углерода не хранит много энергии, сказал Канер. «Это когда вы можете складывать сотни или даже тысячи слоев — и это то, что мы делаем.«

Он не предсказывает, когда новый материал может появиться в коммерческих суперконденсаторах, кроме как надеется, что это произойдет не через десять или даже пять лет. Даже в этом случае суперконденсаторы, вероятно, будут работать в тандеме с батареями». «пока они не заменят батареи», — сказал Канер.

Но если они в конечном итоге смогут накапливать достаточно энергии, чтобы конкурировать с батареями, суперконденсаторы имеют ключевые преимущества, в том числе то, что они могут обеспечивать высокую мощность и использоваться в течение миллионов циклов, Канер сказал.«Кроме того, в отличие от батарей, они не перезаряжаются и не перегреваются».

По словам Харропа из IDTechEX, преимущества суперконденсаторов в области безопасности будут расти по мере роста спроса на портативную энергию.