Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИСТОРОВ В СИСТЕМЕ ЗАПУСКА ДВС | Опубликовать статью ВАК, elibrary (НЭБ)

Головин Д.В.1, Горбунов А.А.2

1Студент, 2Старший преподаватель, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИСТОРОВ В СИСТЕМЕ ЗАПУСКА ДВС

Аннотация

В работе проведено исследование применения батареи последовательно соединенных ионисторов в системе электростартерного пуска автомобиля с целью снижения нагрузки на аккумуляторную батарею.

Ключевые слова: аккумуляторная батарея, запуск ДВС, ионистор.

Golovin D.V.1, Gorbunov A. A.2

1Student, 2Senior lecturer, Perm National Research Polytechnic University

THE USE OF SUPERCAPACITORS IN ENGINE START SYSTEM

Abstract

In the work carried out research of the use supercapacitors battery in electric starter system of vehicle with a view to reduce load of battery storage.

Keywords: battery storage, engine start, supercapacitors.

Свинцово-кислотные аккумуляторы являются основой систем электростартерного пуска двигателей современных автомобилей. Преимуществом свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (АБ) является высокая удельная энергоемкость, компактность, простота обслуживания, невысокая стоимость и высокая надежность. Однако есть и недостаток который не удалось преодолеть, один из них это зависимость характеристик АБ от температуры. При снижении температуры увеличивается внутреннее сопротивление R0 батареи, и процесс заряда сопровождается уменьшением зарядного тока. При температуре ниже – 10ºС процесс заряда ухудшается на столько, что разряженная на 50% АБ может зарядиться только до 70% [1].

Исследования АБ на прием заряда при отрицательных температурах показывают, что при прочих равных условиях для заряда АБ на одинаковую величину при температуре ниже – 15ºС, потребуется в 10 раз больше времени, чем при температуре 0ºС.

А эксплуатация АБ в автомобиле при условиях низких температур и коротких поездок (5-20 км) приводит к отрицательному зарядному балансу. Батарея испытывает недозаряд, влекущий за собой дальнейший не запуск двигателя автомобиля, и сокращение срока службы батареи [2, 3].

В результате литературного обзора и измерений в момент пуска были получены различные значения стартерных токов от 200 А при 0 °С, до 440 А при – 30 °С. [2,3,4,5]. Полученные значения энергий пуска, в диапазоне температур от +5°С до -30°С, составили от 2 до 12 кДж (изменяется в 6 раз). На графике (рисунок 1) проиллюстрировано, что при понижении температуры энергия пуска возрастает по закону близкому к экспоненциальному. Данные факты свидетельствуют о повышенных нагрузках на стартерную батарею.

Рис. 1 – График зависимости энергии запуска от температуры

В настоящее время для снижения нагрузки АБ в момент пуска при отрицательных температурах многие исследователи предлагают использование молекулярных накопителей энергии [6].

Молекулярный накопитель или ионистор функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока. Он относится к классу электрохимических устройств, и, по факту, является конденсатором с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. К преимуществам данных источников энергии можно отнести такие факторы как: возможность мгновенной отдачи энергии, быстрая зарядка, малый вес, большой ресурс по циклам разряда-заряда, без заметного ухудшения параметров, возможность эксплуатации в широком интервале температур ( от -60°С до +125°С)[7]. Основным недостатком, из-за которого они не используются в системе электрооборудования автомобилей, является меньшая по сравнению с АБ удельная энергоемкость.

Рис. 2 – Напряжения и силы токов при запуске ДВС от АБ совместно с блоком ионисторов

 

I – изменение тока протекающего в цепи стартера автомобиля, Iи – ток отдаваемый батареей ионисторов, U – напряжение.

Были проведены испытания по запуску ДВС с использованием накопителей совместно с АБ. В ходе измерений были использованы ионисторы с максимальным напряжением 2,5 В, емкостью 700 Ф каждый, соединенные последовательно в батарею из 6 штук, номинальное напряжение батареи составило 15 В, энергия блока 11 кДж. Батарея имеет следующие массо-габаритные показатели: 1,2 кг, 110×70×110 мм

Результаты испытаний представлены в виде графика на рисунке 2. Кривая с индексом I показывает изменение тока протекающего в цепи стартера автомобиля. Кривая с индексом I

и показывает силу тока отдаваемую батареей ионисторов. Кривая с индексом U показывает изменение напряжения. Анализ графика показывает, что за период запуска ДВС энергия отдаваемая батареей ионисторов составляет до 50% необходимой.

В результате работы был проведен обзор литературных источников по вопросу применения ионисторов в системе электростартерного пуска автомобилей. Экспериментально установлена зависимость энергии пуска ДВС от температуры окружающей среды. Экспериментально проверена возможность использования батареи последовательно соединенных ионисторов в системе электростартерного пуска ДВС. Результаты работы показали снижение нагрузки на АБ, этот факт благоприятно скажется на сохранении положительного зарядного баланса батареи, уменьшится количество отказов АБ при эксплуатации автомобиля в условиях отрицательных температур и поездок на короткие расстояния, увеличится срок службы АБ.

Литература

  1. Акимов С.В., Чижков Ю.П. Электрооборудование автомобилей. Учебник для ВУЗов. – М.: ЗАО «КЖИ За рулем», 2004 – 384с.: ил.
  2. Евдокимов Е.В. Система электрического пуска двигателя вездехода с молекулярным накопителем энергии: дисс. … канд. техн. наук: 05.09.03 Количество страниц: 148 с. ил. Благовещенск, 2009
  3. Макарихин А. В. Разработка методики расчета и совершенствование систем пуска автомобилей семейства ЗиЛ: дисс. … канд. техн. наук: 05.09.03 Количество страниц: 177 с. ил. Москва, 2006
  4. Поляков Н. А. Система электростартерного пуска транспортных средств с применением комбинированного источника электрической энергии: дисс. … канд. техн. наук: 05.09.03 Количество страниц: 170 с. ил.
  5. Кошкин В.В. Надежность и эффективность электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания при использовании суперконденсатора: автореф. дисс. … канд. техн. наук: 05.20.01/ Моск. гос. анроинженер. Ун-т им. В.П. Горячкина Количество страниц: 17 с. Москва, 2004
  6. Клепцов Е.И., Пономарев В.М. Оценка возможности применения накопителей энергии в системах электроснабжения и электрического пуска транспортных средств. Инновации и исследования в транспортном комплексе: Материалы II Международной научно-практической конференции. – Курган, 2014. – С. 30-33.
  7. Кузнецов В., Панькина О., Мачковская Н., Шувалов Е., Востриков И. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработка и производство. Журнал Компоненты и технологии №6, 2005. C. 12-16.

References

  1. Аkimov S. V., CHizhkov YU.P. EHlektrooborudovanie avtomobilej. Uchebnik dlya VUZov. – M.: ZАO «KZHI Za rulem», 2004 – 384s.: il.
  2. Evdokimov E.V. Sistema ehlektricheskogo puska dvigatelya vezdekhoda s molekulyarnym nakopitelem ehnergii: diss. … kand. tekhn. nauk: 05.09.03 Kolichestvo stranits: 148 s. il. Blagoveshhensk, 2009
  3. Makarikhin А. V. Razrabotka metodiki rascheta i sovershenstvovanie sistem puska avtomobilej semejstva ZiL: diss. … kand. tekhn. nauk: 05.09.03 Kolichestvo stranits: 177 s. il. Moskva, 2006
  4. Polyakov N. А. Sistema ehlektrostarternogo puska transportnykh sredstv s primeneniem kombinirovannogo istochnika ehlektricheskoj ehnergii: diss. … kand. tekhn. nauk: 05.09.03 Kolichestvo stranits: 170 s. il.
  5. Koshkin V.V. Nadezhnost’ i ehffektivnost’ ehlektrostarternogo puska dvigatelej vnutrennego sgoraniya pri ispol’zovanii superkondensatora: avtoref. diss. … kand. tekhn. nauk: 05.20.01/ Mosk. gos. anroinzhener. Un-t im. V.P. Goryachkina Kolichestvo stranits: 17 s.
    Moskva, 2004
  6. Kleptsov E.I., Ponomarev V.M. Otsenka vozmozhnosti primeneniya nakopitelej ehnergii v sistemakh ehlektrosnabzheniya i ehlektricheskogo puska transportnykh sredstv. Innovatsii i issledovaniya v transportnom komplekse: Materialy II Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferentsii. – Kurgan, 2014. – S. 30-33.
  7. Kuznetsov V., Pan’kina O., Machkovskaya N., SHuvalov E., Vostrikov I. Kondensatory s dvojnym ehlektricheskim sloem (ionistory): razrabotka i proizvodstvo. ZHurnal Komponenty i tekhnologii №6, 2005. C. 12-16.

Суперконденсаторы, что это такое

Ионистор (суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор) — электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита.

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы – история создания и развития технологии

7 июня 1962 года, Роберт Райтмаер, химик американской компании Standard Oil Company (SOHIO), располагавшейся в городе Кливленд, штата Огайо, подал заявку на получение патента, где подробно описывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, обладающем «двойным электрическим слоем».

Если в обычном конденсаторе алюминиевые обкладки, традиционно, были изолированы слоем диэлектрика, то в предлагаемом изобретателем варианте акцент делался непосредственно на материал обкладок. Электроды должны были иметь различную проводимость: один электрод должен был обладать ионной проводимостью, а другой – электронной.

Таким образом, в процессе заряда конденсатора происходило бы разделение электронов и положительных центров в электронном проводнике, и разделение катионов и анионов в ионном проводнике.

Электронный проводник предлагалось сделать из пористого углерода, тогда ионным проводником мог бы быть водный раствор серной кислоты. Заряд в таком случае сохранялся бы на границе раздела этих особых проводников (тот самый двойной слой). Разность потенциалов этих первых ионисторов могла достигать значения в 1 вольт, а емкость – единиц фарад, ведь теперь расстояние между обкладками было меньше 5 нанометров.

В 1971 году лицензия была передана японской компании NEC, занимающейся к тому моменту всеми направлениями электронной коммуникации. Японцам удалось успешно продвинуть технологию на рынок электроники под названием «Суперконденсатор».

Спустя семь лет, в 1978 году, компания Panasonic, в свою очередь, выпустила «Золотой конденсатор» («Gold Cap»), так же завоевавший успех на этом рынке. Успех был обеспечен удобством применения ионисторов для питания энергозависимой памяти SRAM. Однако эти ионисторы обладали высоким внутренним сопротивлением, которое ограничивало возможность быстрого извлечения энергии, а значит, сильно сужала диапазон сфер применения.

В 1982 году специалисты американского Научно-исследовательского Института Pinnacle (PRI), расположенного в городе Лос-Гатос, штат Калифорния, работая над улучшением материалов электродов и электролитов, разработали ионисторы с чрезвычайно высокой плотностью энергии, которые появились на рынке под названием «PRI Ultracapacitor».

Спустя 10 лет, в 1992 году, компания Maxwell Laboratories (позже сменившая название на Maxwell Technologies, г. Сан-Диего, штат Калифорния, США) начала развивать технологию PRI под названием “Boost Caps”. Целью теперь стало создание конденсаторов высокой емкости с низким сопротивлением, чтобы получить возможность питания мощного электрооборудования.

Рис. 1. Суперконденсатор DH5U308W60138TH фирмы SAMWHA ELECTRIC

В 1999 году тайванская компания UltraCap Technologies Corp. также начала сотрудничество с PRI, которые разработали к тому времени электродную керамику чрезвычайно большой площади, и к 2001 году на рынок вышел первый высокоемкостной ультраконденсатор производства Тайваня. С этого момента началось активное развитие технологии во многих НИИ мира.

На Российском рынке тоже присутствуют свои игроки, так компания «Ультраконденсаторы Феникс» (ООО “УКФ”) является инжиниринговой компанией, специализирующейся на проектировании, разработке, производстве и практическом применении решений и систем на базе суперконденсаторов/ионисторов. Компания работает в плотной связке с лучшими мировыми производителями и активно перенимает их опыт.  

Применение ионисторов

Ионисторы на единицы фарад получили заслуженное применение в качестве источников резервного питания во множестве устройств. Начиная с питания таймеров телевизоров и СВЧ-печей, и заканчивая сложными медицинскими приборами. На платах памяти, как правило, установлены ионисторы.

При смене батареи в видео или фотокамере, ионистор поддерживает питание схем памяти, отвечающих за настройки, это же касается музыкальных центров, компьютеров и другой подобной техники. Телефоны, электронные счетчики электроэнергии, охранные системы сигнализации, электронные измерительные приборы и приборы медицинского применения – везде нашли применение суперконденсаторы.

Рис. 2. Суперконденсаторы (ионисторы)

Малые ионисторы на основе органических электролитов обладают максимальным напряжением около 2,5 вольт. Для получения более высоких допустимых напряжений, ионисторы соединяют в батареи, обязательно применяя шунтирующие резисторы.

К преимуществам ионисторов относится: высокая скорость заряда-разряда, устойчивость к сотням тысяч циклов перезаряда по сравнению с аккумуляторами, малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами, низкий уровень токсичности, допустимость разряда до нуля.

Рис. 3. Источник бесперебойного питания на суперконденсаторах

Рис. 4. Суперконденсаторные автомобильные модули

Перспективы

При разработке ионисторов все более и более повышается их удельная емкость, и по всей вероятности, рано или поздно это приведет к полной замене аккумуляторов на суперконденсаторы во многих технических сферах.

Последние исследования группы ученых Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что новый тип ионисторов на основе пористой структуры, где частицы оксида рутения нанесены на графен, превосходят лучшие аналоги почти в два раза.

Исследователи обнаружили, что поры «графеновой пены» обладают наноразмерами, подходящими для удержания частиц оксидов переходных металлов. Суперконденсаторы на основе оксида рутения теперь являются самым перспективным из вариантов. Безопасно работающие на водном электролите, они обеспечивают увеличение запасаемой энергии и повышают допустимую силу тока вдвое по сравнению с самыми лучшими из доступных на рынке ионисторов.

Они запасают больше энергии на каждый кубический сантиметр своего объёма, поэтому ими целесообразно будет заменить аккумуляторы. Прежде всего, речь идёт о носимой и имплантируемой электронике, но в перспективе новинка может обосноваться и на персональном электротранспорте.

На частицы никеля послойно осаживают графен, выступающий опорой для углеродных нанотрубок, которые вместе с графеном формируют пористую углеродную структуру. В полученные нанопоры последней из водного раствора проникают частицы оксида рутения диаметром менее 5 нм. Удельная ёмкость ионистора на основе полученной структуры составляет 503 фарад на грамм, что соответствует удельной мощности 128 кВт/кг.

Рис. 4. Зарядное устройство на графеновом суперконденсаторе

Возможность масштабирования этой структуры уже положила начало и создала основу на пути создания идеального средства хранения энергии. Ионисторы на основе «графеновой пены» прошли успешно первые тесты, где показали способность к перезаряду более восьми тысяч раз без ухудшения характеристик.

Ранее ЭлектроВести писали, что АО “Турбоатом” (Харьков) изготовит конденсатор блочно-модульного исполнения с трубными системами из коррозийно-стойкого материала турбоустановки К-1000-60/1500-2 для энергоблока №2 Запорожской АЭС.

По материалам: electrik.info.

1.9.5. Практическое применение ионисторов в электронных схемах

Читайте также

Применение удобрений

Применение удобрений На каждом этапе развития растений необходимо обеспечить им оптимальный режим питания и при этом избегать накопления избыточного количества удобрений, что может вызвать повреждение корневой системы. Питательные вещества должны поступать к

Применение гипсокартона для выравнивания пола и стен

Применение гипсокартона для выравнивания пола и стен Стяжка и оштукатуривание отнюдь не являются единственными способами подготовки основания для укладки керамической плитки. Еще один весьма распространенный метод, популярность которого постепенно увеличивается,

Применение уплотнителей и герметиков

Применение уплотнителей и герметиков Отдельного рассмотрения заслуживают различные материалы, которые могут использоваться в некоторых случаях как вместо затирки, так и наряду с ней.Так, при заделке швов, которые либо разделяют значительные по площади поверхности (так

1.9. Перспективные радиоэлементы – ионисторы и их практическое применение в электронных схемах

1.9. Перспективные радиоэлементы – ионисторы и их практическое применение в электронных схемах Об ионисторах сегодня говорят много, и сфера их применения расширяется. Как одна из альтернатив аккумуляторам (особенно малой емкости и напряжения) ионистор вполне пригоден к

1.

9.2. Достоинства ионисторов

1.9.2. Достоинства ионисторов • Очень высокая емкость.• Низкое внутреннее сопротивление.• Высокая проводимость.• Быстрый разряд.• Длительный срок эксплуатации.• Практически неограниченное количество циклов разряда.• Низкая стоимость.• Простота зарядки.При этом

3.27. Полезное применение шумомера в деревне

3.27. Полезное применение шумомера в деревне Согласно статистике, около 80 % жителей мегаполиса живут в зоне с опасным для здоровья уровнем шума. На селе – совсем другое дело. Так ли это на самом деле?С помощью детектора акустического шума DVM401 мною проведены замеры

Применение принципа золотого сечения

Применение принципа золотого сечения Главной задачей в поисках художественного образа или идеи являются размеры и пропорции. Говоря о пропорциях (соотношении размерных величин), мы учитываем их в формате плоского изображения (картина, маркетри), в соотношениях

Как узнать отправителя электронных писем?

Как узнать отправителя электронных писем? Собственный адрес электронной почты есть у каждого активного пользователя Интернета. Но далеко не всегда на этот адрес приходят письма желанные. Если вдруг в ваш почтовый ящик пришло письмо подозрительного содержания, то вы

Применение радиоэлектронных средств для вызова помощи

Применение радиоэлектронных средств для вызова помощи С помощью зарегистрированного официальным порядком радиоэлектронного средства вы сможете показывать фокусы, описанные ранее (зажигать никуда не вкрученные лампы или несанкционированно включать свет у соседей,

Ионистор 3F 2.

7V d8 h30 Описание товара Ионистор 3F 2.7V d8 h30

Ионистор 3F 2.7V d8 h30 – уникальный пассивный радиокомпонент. Ионисторы совмещают в себе свойства, как обычных конденсаторов высокой емкости, так и аккумуляторов, то есть, они могут накапливать определенный заряд энергии.

Технические характеристики Ионистора 3F 2.7V d8 h30:
  • Емкость: 3F;
  • Напряжение: 2.7V;
  • Диаметр: d8мм;
  • Высота: h30мм.
Особенности ионистора 3F 2.7V d8 h30

Ионистор, или же, как его еще называю – суперконденсатор – уникальный радиокомпонент. Ионисторы, по сути, являются двуслойными конденсаторами, которые благодаря своим уникальным конструктивным особенностям способны накапливать большой электрический заряд. При этом, при высокой емкости, ионисторы гораздо меньше, компактнее и легче, чем аналогичные, электролитические конденсаторы.

Кроме того, благодаря уникальной конструкции, ионисторы можно применять в качестве источников питания. Ионисторы могут длительное время сохранять накопленный заряд. Также, данные компоненты имеют очень долгий срок службы.

Отличительные особенности ионисторов:
  • Очень долгий срок службы. Даже при числе циклов разряда-заряда более 100000, свойства ионисторов не ухудшаются;
  • Ионисторы довольно компактные и легкие, если сравнить их с аналогичными по емкости электролитическими конденсаторами;
  • Ионисторы с полимерным электролитом не токсичные.
Применение ионисторов

Ионистор 3F 2.7V d8 h30 может применяться в различных цифровых и высокотехнологичных устройствах. Также его можно применять как источник автономного питания, или же в качестве источника питания для энергозависимой памяти.

Техника безопасности

Используя ионисторы, достаточно соблюдать простые правила техники безопасности. При подключении ионистора соблюдайте полярность, чтобы не допустить его повреждение. Также соблюдайте простые правила электробезопасности.

Автор на +google

Самый емкий конденсатор в мире.

Каким образом применяют суперконденсаторы в гибридных автомобилях. Использование двойного электрического слоя

Суперконденсатор или ионистор является устройством для накопления энергетических масс, аккумулирование заряда происходит на границе, между электродом и электролитом. Полезный энергетический объём сохраняется как заряд статического типа. Накопительный процесс сводится к взаимодействию с постоянным напряжением, когда ионистор получает разность потенциалов на свои обкладки. Технологическая реализация, как и сама идея создания подобных приборов, появилась относительно недавно, однако они успели получить опытное применение для решения определённого ряда задач. Деталь может заменить источники тока химического происхождения, будучи резервным или основным средством энергообеспечения в часах, вычислительных калькуляторах, разнообразных микросхемах.

Элементарная конструкция конденсатора состоит из обкладки, материалом для изготовления которой служит фольга, разграниченной сухим сепарирующим веществом. Ионистор состоит из целого ряда конденсаторов с зарядным устройством электрохимического типа. Для его изготовления применяют особые электролиты. Обкладки могут быть нескольких разновидностей. Активированный уголь используется для изготовления обкладок больших параметров. Также могут применяться оксиды металлов и полимерные материалы с высокими показателями проводимости. Для достижения необходимых показателей емкостной плотности, рекомендуется использовать высокопористые угольные материалы. К тому же, такой подход позволяет сделать ионистор внушительно низкой себестоимости. Такие детали относятся к разряду DLC-конденсаторов, которые производят накопление заряда в двойном отделении, образованном на обкладке.

Конструктивное решение, когда ионистор скомбинирован базе водяного электролита характеризуется малым сопротивлением внутренних элементов, при этом ограничение напряжённости заряда составляет 1 В. Применение органических проводников гарантирует показатели напряжения около 2…3 В и повышенным сопротивлением.

Электронные схемы функционируют с более высокими энергетическими потребностями. Решением такой задачи является увеличение количества используемых точек питания. Ионистор устанавливается не один, а в количестве 3-4х штук, дающем необходимое количество заряда.

Сравнительно с никель-металлгидридным аккумулятором, ионистор способен содержать десятую часть энергетического запаса, при этом его напряжение спадает линейным образом, исключая зоны плоскостной разрядки. Данные факторы влияют на способность полного удержания заряда в ионисторе. Уровень зарядки напрямую зависит от технологического предназначения элемента.

Довольно часто ионистор применяется для подпитки микросхем памяти, включают в состав фильтрующих цепей и фильтров сглаживания. Их также могут комбинировать с батареями различных образцов, для борьбы с последствиями резких скачков величины тока: во время подачи низкого тока происходит подзарядка ионистора, в обратном случае он отдаёт часть энергии, чем снижает величину общей нагрузки.

Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?

Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.

Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.

При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственнен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности – гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.

Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.

Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.

Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.

Использование двойного электрического слоя

На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой – электролит, а изоляцией между обкладками – окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.

Сравнение конструкций разных типов конденстаторов (Источник: Википедия)

Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.



Суперконденсаторы различной емкости производства Maxwell

Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии – с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».

Техническая реализация

Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.

Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.

Параметры суперконденсаторов

Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.

Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.



Принципиальная схема источника бесперебойного питания
напряжением на суперконденсаторах, основные узлы реализованы
на одной микосхеме производства LinearTechnology

Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае – емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.

Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.

Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.

Накапливаемая энергия

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:

E = CU 2 /2,
где C – емкость, выраженная в фарадах, U – напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:

W = CU 2 /7200000

Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.

Применение суперконденсаторов

Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.



Грунтовый светодиодный светильник с питанием
от солнечных батарей, накопление энергии
в котором осуществляется в суперконденсаторе

Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.

Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.

Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.

Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.

Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе – их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.

Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.

В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.

Электрическая емкость земного шара, как известно из курса физики, составляет примерно 700 мкФ. Обычный конденсатор такой емкости можно сравнить по весу и объему с кирпичом. Но есть и конденсаторы с электроемкостью земного шара, равные по своим размерам песчинке – суперконденсаторты.

Появились такие приборы сравнительно недавно, лет двадцать назад. Их называют по-разному: ионисторами, иониксами или просто суперконденсаторами.

Не думайте, что они доступны лишь каким-то аэрокосмическим фирмам высокого полета. Сегодня можно купить в магазине ионистор размером с монету и емкостью в одну фараду, что в 1500 раз больше емкости земного шара и близко к емкости самой большой планеты Солнечной системы – Юпитера.

Любой конденсатор запасает энергию. Чтобы понять, сколь велика или мала энергия, запасаемая в ионисторе, важно ее с чем-то сравнить. Вот несколько необычный, зато наглядный способ.

Энергии обычного конденсатора достаточно, чтобы он мог подпрыгнуть примерно на метр-полтора. Крохотный ионистор типа 58-9В, имеющий массу 0,5 г, заряженный напряжением 1 В, мог бы подпрыгнуть на высоту 293 м!

Иногда думают, что ионисторы способны заменить любой аккумулятор. Журналисты живописали мир будущего с бесшумными электромобилями на суперконденсаторах. Но пока до этого далеко. Ионистор массой в один кг способен накопить 3000 Дж энергии, а самый плохой свинцовый аккумулятор – 86 400 Дж – в 28 раз больше. Однако при отдаче большой мощности за короткое время аккумулятор быстро портится, да и разряжается только наполовину. Ионистор же многократно и без всякого вреда для себя отдает любые мощности, лишь бы их могли выдержать соединительные провода. Кроме того, ионистор можно зарядить за считаные секунды, а аккумулятору на это обычно нужны часы.

Это и определяет область применения ионистора. Он хорош в качестве источника питания устройств, кратковременно, но достаточно часто потребляющих большую мощность: электронной аппаратуры, карманных фонарей, автомобильных стартеров, электрических отбойных молотков. Ионистор может иметь и военное применение как источник питания электромагнитных орудий. А в сочетании с небольшой электростанцией ионистор позволяет создавать автомобили с электроприводом колес и расходом топлива 1-2 л на 100 км.

Ионисторы на самую разную емкость и рабочее напряжение есть в продаже, но стоят они дороговато. Так что если есть время и интерес, можно попробовать сделать ионистор самостоятельно. Но прежде чем дать конкретные советы, немного теории.

Из электрохимии известно: при погружении металла в воду на его поверхности образуется так называемый двойной электрический слой, состоящий из разноименных электрических зарядов – ионов и электронов. Между ними действуют силы взаимного притяжения, но заряды не могут сблизиться. Этому мешают силы притяжения молекул воды и металла. По сути своей двойной электрический слой не что иное, как конденсатор. Сосредоточенные на его поверхности заряды выполняют роль обкладок. Расстояние между ними очень мало. А, как известно, емкость конденсатора при уменьшении расстояния между его обкладками возрастает. Поэтому, например, емкость обычной стальной спицы, погруженной в воду, достигает нескольких мФ.

По сути своей ионистор состоит из двух погруженных в электролит электродов с очень большой площадью, на поверхности которых под действием приложенного напряжения образуется двойной электрический слой. Правда, применяя обычные плоские пластины, можно было бы получить емкость всего лишь в несколько десятков мФ. Для получения же свойственных ионисторам больших емкостей в них применяют электроды из пористых материалов, имеющих большую поверхность пор при малых внешних размерах.

На эту роль были перепробованы в свое время губчатые металлы от титана до платины. Однако несравненно лучше всех оказался… обычный активированный уголь. Это древесный уголь, который после специальной обработки становится пористым. Площадь поверхности пор 1 см3 такого угля достигает тысячи квадратных метров, а емкость двойного электрического слоя на них – десяти фарад!

Самодельный ионистор На рисунке 1 изображена конструкция ионистора. Он состоит из двух металлических пластин, плотно прижатых к «начинке» из активированного угля. Уголь уложен двумя слоями, между которыми проложен тонкий разделительный слой вещества, не проводящего электроны. Все это пропитано электролитом.

При зарядке ионистора в одной его половине на порах угля образуется двойной электрический слой с электронами на поверхности, в другой – с положительными ионами. После зарядки ионы и электроны начинают перетекать навстречу друг другу. При их встрече образуются нейтральные атомы металла, а накопленный заряд уменьшается и со временем вообще может сойти на нет.

Чтобы этому помешать, между слоями активированного угля и вводится разделительный слой. Он может состоять из различных тонких пластиковых пленок, бумаги и даже ваты.
В любительских ионисторах электролитом служит 25%-ный раствор поваренной соли либо 27%-ный раствор КОН. (При меньших концентрациях не сформируется слой отрицательных ионов на положительном электроде.)

В качестве электродов применяют медные пластины с заранее припаянными к ним проводами. Их рабочие поверхности следует очистить от окислов. При этом желательно воспользоваться крупнозернистой шкуркой, оставляющей царапины. Эти царапины улучшат сцепление угля с медью. Для хорошего сцепления пластины должны быть обезжирены. Обезжиривание пластин производится в два этапа. Вначале их промывают мылом, а затем натирают зубным порошком и смывают его струей воды. После этого прикасаться к ним пальцами не стоит.

Активированный уголь, купленный в аптеке, растирают в ступке и смешивают с электролитом до получения густой пасты, которой намазывают тщательно обезжиренные пластины.

При первом испытании пластины с прокладкой из бумаги кладут одна на другую, после этого попробуем его зарядить. Но здесь есть тонкость. При напряжении более 1 В начинается выделение газов Н2, О2. Они разрушают угольные электроды и не позволяют работать нашему устройству в режиме конденсатора-ионистора.

Поэтому мы должны заряжать его от источника с напряжением не выше 1 В. (Именно такое напряжение на каждую пару пластин рекомендовано для работы промышленных ионисторов.)

Подробности для любознательных

При напряжении более 1,2 В ионистор превращается в газовый аккумулятор. Это интересный прибор, тоже состоящий из активированного угля и двух электродов. Но конструктивно он выполнен иначе (см. рис. 2). Обычно берут два угольных стержня от старого гальванического элемента и обвязывают вокруг них марлевые мешочки с активированным углем. В качестве электролита употребляется раствор КОН. (Раствор поваренной соли применять не следует, поскольку при ее разложении выделяется хлор.)

Энергоемкость газового аккумулятора достигает 36 000 Дж/кг, или 10 Вт-ч/кг. Это в 10 раз больше, чем у ионистора, но в 2,5 раза меньше, чем у обычного свинцового аккумулятора. Однако газовый аккумулятор – это не просто аккумулятор, а очень своеобразный топливный элемент. При его зарядке на электродах выделяются газы – кислород и водород. Они «оседают» на поверхности активированного угля. При появлении же тока нагрузки происходит их соединение с образованием воды и электрического тока. Процесс этот, правда, без катализатора идет очень медленно. А катализатором, как выяснилось, может быть только платина… Поэтому, в отличие от ионистора, газовый аккумулятор большие токи давать не может.

Тем не менее, московский изобретатель А.Г. Пресняков (http://chemfiles.narod .r u/hit/gas_akk.htm) успешно применил для запуска мотора грузовика газовый аккумулятор. Его солидный вес – почти втрое больше обычного – в этом случае оказался терпим. Зато низкая стоимость и отсутствие таких вредных материалов, как кислота и свинец, казалось крайне привлекательным.

Газовый аккумулятор простейшей конструкции оказался склонен к полному саморазряду за 4-6 часов. Это и положило конец опытам. Кому же нужен автомобиль, который после ночной стоянки нельзя завести?

И все же «большая техника» про газовые аккумуляторы не забыла. Мощные, легкие и надежные, они стоят на некоторых спутниках. Процесс в них идет под давлением около 100 атм, а в качестве поглотителя газов применяется губчатый никель, который при таких условиях работает как катализатор. Все устройство размещено в сверхлегком баллоне из углепластика. Получились аккумуляторы с энергоемкостью почти в 4 раза выше, чем у аккумуляторов свинцовых. Электромобиль мог бы на них пройти около 600 км. Но, к сожалению, пока они очень дороги.

Суперконденсаторы можно назвать ярчайшей разработкой последних лет. В сравнении с конденсаторами обычными они, при тех же габаритах, отличаются на три порядка большей емкостью. За это конденсаторы и получили свою приставку – «супер». За малый промежуток времени они могут отдавать огромное количество энергии.

Выпускаются они различных размеров и форм: от совсем маленьких, крепятся которые на поверхности приборов, не больше монетки по размерам, до очень крупных цилиндрических и призматических. Основным их назначением является дублирование источника основного (батареи) в случае падения напряжения.

Энергоемкие современные электронные и электрические системы к источникам питания выдвигают высокие требования. Появившееся оборудование (от цифровых камер до электронных портативных устройств и электрических трансмиссий транспортных средств) нуждается в аккумулировании и подаче необходимой энергии.

Решается эта задача современными разработчиками двумя путями:

  • Использованием аккумулятора, способного обеспечивать высокий импульс тока
  • Присоединением параллельно батарее в качестве страховки суперконденсаторов, т. е. «гибридное» решение.

В последнем случае суперконденсатор выполняет функцию источника питания при падении напряжения на аккумуляторе. Обусловлено это тем, что батареи обладают высокой плотностью энергии и малой плотностью мощности, в то время как суперконденсаторы, наоборот, характеризуются малой плотностью энергии, но высокой плотностью мощности, т.е. они обеспечивают ток разрядки на нагрузку. Включив суперконденсатор параллельно батарее, можно ее использовать более эффективно, следовательно, продлить срок службы.

Где используют суперконденсаторы

Видео: Тест суперконденсатора 116,6F 15V (6* 700F 2,5В), вместо стартерного аккумулятора в автомобиле

В автомобильных электронных системах их используют для запуска моторов , тем самым сокращая нагрузку на аккумулятор. Также они позволяют уменьшить массу, сократив монтажные схемы. Широкое применение они находят в гибридных авто, где генератором управляет ДВС, а электрический мотор (или моторы) приводят автомобиль в движение, т. е. суперконденсатор (энергетический кэш) используется в качестве источника тока при ускорении и начале движения, а во время торможения происходит его «подзарядка». Перспективно применение их не только в легковом, но и в городском транспорте, поскольку новый вид конденсаторов позволяет на 50% сократить потребление топлива и на 90% сократить выброс вредных газов в окружающее пространство.

Заменить полностью батарею суперконденсаторы пока не могу, но это только вопрос времени. Использовать суперконденсатор вместо аккумулятора – вовсе не фантастика. Если ученые — нанотехнологи из университета QUT идут по правильному пути, то в скором будущее это станет реальностью. Выступать в качестве аккумуляторов смогут панели кузова, внутри которых стоят суперконденсаторы последнего поколения. Сотрудникам этого университета удалось объединить в новом устройстве преимущества батарей литий-ионных и суперконденсаторов. Состоит новый тонкий, легкий и мощный суперконденсатор из карбоновых электродов, находящегося между ними электролита. Новинку, как утверждают ученые, устанавливать можно в любом месте кузова.

Улучшить же благодаря большому крутящему моменту (пусковому) стартовые характеристики при низких температурах и расширить возможности системы питания, им под силу уже сейчас. Целесообразность их использования в системе питания объясняется тем, что время их зарядки/разрядки равно 5-60 секунд. Помимо этого использовать их можно системе распределительной некоторых приборов машины: соленоидов, систем регулировки дверных замков и положения оконных стекол.

Суперконденсатор своими руками

Можно изготовить суперконденсатор своими руками. Поскольку конструкция его состоит из электролита и электродов, нужно определиться с материалом для них. Для электродов вполне подойдет медь, нержавейка или латунь. Можно взять, к примеру, пятикопеечные старые монеты. Нужен будет еще угольный порошок (в аптеке можно купить активированный уголь и измельчить его). В качестве электролита «сгодится» обычная вода, в которой растворить нужно поваренную соль (100:25). Раствор смешивается с угольным порошком, чтобы получилась консистенция замазки. Теперь ее слоем в несколько миллиметров необходимо нанести на оба электрода.

Осталось подобрать прокладку, разделяющую электроды, сквозь поры которой свободно будет проходить электролит, но задерживаться будет угольный порошок. Подойдет для этих целей стеклоткань или поролон.

Электроды – 1,5; обмазка угольно-электролитная – 2,4; прокладка – 3.

В качестве кожуха использовать можно пластмассовую коробочку, просверлив в ней предварительно отверстия для проводов, припаянных к электродам. Подсоединив провода к батарейке, ожидаем, пока зарядится конструкция «ионикс», названная так потому, что на электродах образоваться должна разная концентрация ионов. Проверить заряд проще с помощью вольтметра.

Есть и другие способы. Например, используя оловянную бумагу (станиолевую фольгу – обертку от шоколадки), куски жести и парафинированную бумагу, изготовить которую можно самостоятельно, нарезав и погрузив на пару минут в расплавленный, но не кипящий, парафин полоски папиросной бумаги. Ширина полосок должна быть пятьдесят миллиметров, а длина от двухсот до трехсот миллиметров. Вынув полоски из парафина, необходимо соскоблить тупой стороной ножа парафин.

Пропитанную парафином бумагу складывают в виде гармошки (как на рисунке). С обеих стороны в промежутки вкладываются листы станиолевые, которые соответствуют размеру 45х30 миллиметров. Подготовив, таким образом, заготовку, ее складывают, затем, проглаживают теплым утюгом. Оставшиеся станиолевые концы снаружи соединяют между собой. Можно использовать для этого картонные пластинки и латунные с жестяными обоймами, к которым позже припаиваются проводники для того, чтобы при монтаже можно было припаять конденсатор.

Емкость конденсатора зависит от количества станиолевых листочков. Она равна, например, тысяче пикофарад при использовании десяти таких листков, и двум тысячам, если их количество увеличить вдвое. Такая технология пригодна для изготовления конденсаторов емкостью до пяти тысяч пикофарад.

Если же необходима большая емкость, то необходимо иметь старый микрофарадный бумажный конденсатор, представляет собой который, рулон из ленты, состоящей из полос парафинированной бумаги, между которыми проложена полоса фольги станиолевой.

Для определения длины полос, пользуются формулой:

l = 0,014 С/а, где емкость необходимого конденсатора в пФ — С; ширина полос в см – а: длина в см – 1.

Отмотав от старого конденсатора полоски нужной длины, обрезают со всех сторон на 10 мм фольгу, чтобы между собой не дать соединиться обкладкам конденсатора.

Вновь ленту нужно свернуть, но сначала припаяв многожильные провода к каждой полоске фольги. Сверху конструкцию обклеивают плотной бумагой, а на края бумаги, которые выступают, заделывают два монтажных провода (жестких), к которым припаиваются с внутренней стороны гильзы бумажной выводы от конденсатора (см. рисунок). Последний шаг – заливка конструкции парафином.

Преимущества карбоновых суперконденсаторов

Поскольку шествие электротранспорта по планете сегодня нельзя не замечать, ученые работают над вопросом, связанным с его быстрейшей зарядкой. Идей возникает множество, но претворяются в жизнь единицы. В Китае, например, в городе Нинбо запущен необычный маршрут городского транспорта. Автобус, курсирующий по нему, работает от электромотора, но на зарядку ему требуется всего десять секунд. На ней он преодолевает пять километров и вновь, во время высадки/посадки пассажиров, успевает подзарядиться.

Возможным стало это благодаря использованию нового типа конденсаторов – карбоновых.

Карбоновые конденсаторы выдерживают около миллиона циклов перезарядки, отлично работают в диапазоне температур от минус сорока до плюс шестидесяти пяти градусов. До 80% энергии они возвращают при рекуперации.

Они открыли новую эру в управлении питанием, сократив до наносекунд время разрядки и зарядки, снизив вес автомобиля. К этим достоинствам можно добавить невысокую стоимость, поскольку в изготовлении не применяются редкоземельные металлы и экологичность.

Шумиха вокруг строительства Элоном Маском «Гигафабрики аккумуляторов» по производству литий-ионных батарей еще не стихла, как появилось сообщение о событии, которое может существенно скорректировать планы «миллиардера-революционера».
Речь идет о недавнем пресс-релизе компании Sunvault Energy Inc ., которой совместно с Edison Power Company удалось создать крупнейший в мире графеновый суперконденсатор емкостью 10 тысяч (!) Фарад .
Цифра эта столь феноменальна, что у отечественных специалистов вызывает сомнение – в электротехнике даже 20 Микрофарад (то есть 0,02 Миллифарад), это немало. Сомневаться, однако, не приходится — директором Sunvault Energy является Билл Ричардсон, экс-губернатор штата Нью-Мексик и бывший министр энергетики США. Билл Ричардсон – человек известный и уважаемый: он служил послом США в ООН, проработал несколько лет в аналитическом центре Киссинджера и МакЛарти, а за свои успехи в освобождении американцев, оказавшихся в плену у боевиков в разных «горячих точках», даже выдвигался на Нобелевскую премию мира. В 2008 году он был одним из кандидатов от Демократической партии на пост президента США, но уступил Б.Обаме.

Сегодня Sunvault бурно развивается, создав совместное предприятие c Edison Power Company под названием Supersunvault, а в совет директоров новой фирмы вошли не только ученые (один из директоров – биохимик, еще один – предприимчивый онколог), но и известные люди с хорошей деловой хваткой. Отмечу, что только за последние два месяца фирма повысила емкость своих суперконденсаторов в десять раз – с тысячи до 10 000 Фарад, и обещает повысить ее еще больше, чтобы накопленной в конденсаторе энерги и хватало для электроснабжения целого дома, то есть – Sunvault готова выступить прямым конкурентом Элона Маска, планирующего выпуск супербатарей типа Powerwall с емкостью порядка 10 КВт-ч.

Преимущества графеновой технологии и конец «Гигафабрики».

Здесь нужно напомнить о главном отличии конденсаторов от аккумуляторов – если первые быстро заряжаются и разряжаются, но накапливают мало энерги и, то аккумуляторы – наоборот. Отметим основные преимуществоа графеновых суперконденсаторо в .

1. Быстрая зарядка — конденсаторы заряжаюются примерно в 100-1000 раз быстрее аккумуляторов.

2. Дешевизна : если обычные литий-ионные батареи стоят порядка 500 долларов за 1 КВт-ч накапливаемой энерги и, то суперконденсатор – всего 100, а к концу года создатели обещают снизить стоимость до 40 долларов. По своему составу это обычный углерод — один из самых распространенных на Земле химических элементов.

3. Компактность и плотность энерги и . Новый графеновый суперконденсатор поражает не только своей фантастической емкостью, превосходящей известные образцы примерно в тысячу раз, но и компактностью – по размерам он с небольшую книгу, то есть раз в сто компактнее использующихся ныне конденсаторов на 1 Фарад.

4. Безопасность и экологичность . Они значительно безопаснее аккумуляторов, которые греются, содержат опасную химию, а иногда еще и взрываются.Сам графен является биологически разложимым веществом, то есть на солнце он просто распадается и экологию не портит. Он химически неактивен и экологию не портит.

5. Простота новой технологии получения графена . Громадные территории и капиталовложения, масса рабочих, ядовитые и опасные вещества, используемые в технологическом процессе литий-ионных батарей – все это резко контрастирует с поразительной простотой новой технологии. Дело в том, что графен (то есть тончайшая, одноатомная пленка углерода) в компании Sunvault получают… с помощью обычного СD-диска, на который наливается порция взвеси графита. Затем диск вставляется в обычный DVD-привод, и прожигается лазером по специальной программе – и слой графена готов! Сообщается, что открытие это было сделано случайно – студентом Махером Эль-Кади, работавшим в лаборатории химика Ричарда Канера. Затем он прожег диск, используя программу LightScribe, и получил на выходе слой графена.
Более того, по заявлению исполнительного директора Sunvault Гэри Монахана на конференции на Уолл-Стрит, фирма работает над тем, чтобы графеновые накопители энерги и можно было изготавливать обычной печатью на 3Д-принтере – а это сделает их производство не только копеечным, но и практически общедоступным. А в сочетании с недорогими солнечными панелями (сегодня их стоимость снизилась до 1,3 доллара за Вт), графеновые суперконденсаторы дадут миллионам людей шанс обрести энергетическую независимость, вообще отключившись от сетей электроснабжения, и даже более того – самим стать поставщиками электроэнерги и, разрушая «естественные» монополии.
Таким образом, сомневаться не приходится: графеновые суперконденсаторы — это революционный прорыв в области накопления энерги и . И это плохая новость для Элона Маска – строительство завода в Неваде обойдется ему примерно в 5 миллиардов долларов, «отбить» которые даже без таких конкурентов было бы непросто. Похоже, что если строительство завода в Неваде уже ведется, и вероятно, будет завешено, то остальные три, которые запланировал Маск – вряд ли будут заложены.

Выход на рынок? Не так скоро, как хотелось бы.

Революционность подобной технологии очевидна. Неясно другое – когда она выйдет на рынок? Уже сегодня громоздкий и дорогостоящий проект «Гигафабрики» литий-ионных Элона Маска выглядит динозавром индустриализма. Однако какой бы революционной, нужной и экологически чистой ни бала новая технология, это еще не значит, что она придет к нам за год-два. Мир капитала не может избежать финансовых потрясений, но довольно успешно избегает технологических. В подобных случаях начинают работать закулисные договоренности между крупными инвесторами и политическими игроками. Стоит напомнить, что Sunvault – это фирма, расположенная в Канаде, а в совет директоров входят люди, которые хотя и обладают обширными связями в политической элите Соединенных Штатов, но все же не входят в ее нефтедолларовое ядро, более или менее явная борьба с которым, видимо, уже началась.
Что для нас наиболее важно, это возможности, которые открывают возникающие энергетические технологии: энергетическая независимость для страны, а в перспективе – и для каждого ее гражданина. Конечно, графеновые суперконденсаторы — это скорее «гибридная», переходная, технология, она не позволяет непосредственно получать энерги ю, в отличие от магнито-гравитационных технологий , которые обещают полностью изменить саму научную парадигму и облик всего мира. Наконец, есть революционные финансовые технологии , которые фактически табуированы глобальной нефтедолларовой мафией. И все же это весьма впечатляющий прорыв, тем более интересный, что он происходит в «логове нефтедолларового Зверя» — в Соединенных Штатах.
Всего полгода назад я писал об успехах итальянцев в технологии холодного ядерного синтеза, но за это время мы узнали о впечатляющей LENR-технологии американской компании SolarTrends, и о прорыве германской Gaya-Rosch, а теперь – и о действительно революционной технологии графеновых накопителей. Даже этот краткий перечень показывает, что проблема не в том, что у нашего, или у какого-либо иного правительства нет возможностей уменьшить счета, которые мы получаем за газ и электроэнерги ю, и даже не в непрозрачном расчете тарифов.
Корень зла – в неведении тех, кто платит по счетам, и нежелании что-то менять у тех, кто их выписывает . Лишь для обывателей энерги я, это электричество. В действительности энерги я — это власть.

Научное издание Science сообщило о технологическом прорыве, совершенном австралийскими учёными в области создания суперконденсаторов.

Сотрудникам Университета Монаша, расположенного в городе Мельбурн, удалось изменить технологию производства суперконденсаторов, изготавливаемых из графена, таким образом, что на выходе получены изделия с более высокой коммерческой привлекательностью, чем аналоги, существовавшие ранее.

Специалисты уже давно говорят о волшебных качествах суперконденсаторов на основе графена, а испытания в лабораториях не раз убедительно доказывали тот факт, что они лучше обычных. Такие конденсаторы с приставкой «супер» ждут создатели современной электроники, автомобильные компании и даже строители альтернативных источников электроэнерги и.

Огромнейший по срокам цикл жизнедеятельности, а также способность суперконденсатора зарядиться за максимально короткий промежуток времени позволяют конструкторам решать с их помощью сложные задачи при проектировании разных устройств. Но на пути триумфального шествия графеновых конденсаторов до этого времени стоял низкий показатель их удельной энерги и. В среднем ионистор или суперконденсатор имел показатель удельной энерги и порядка 5―8 Вт*ч/кг, что на фоне быстрой разрядки делало графеновое изделие зависимым от необходимости очень часто обеспечивать подзарядку.

Австралийские сотрудники кафедры изучения производства материалов из Мельбурна, руководимые профессором Дэном Ли, сумели 12-ти кратно увеличить удельную энергетическую плотность конденсатора из графена. Теперь этот показатель у нового конденсатора равен 60Вт*ч/кг, а это уже повод говорить о технической революции в данной сфере. Изобретатели сумели победить и проблему быстрой разрядки графенового суперконденсатора, добившись того, что он теперь разряжается медленнее, чем даже стандартный аккумулятор.


Добиться столь впечатляющего результата учёным помогла технологическая находка: они взяли адаптивн ую графено-гелевую плёнку и создали из неё очень маленький электрод. Пространство между листами из графена изобретатели заполнили жидким электролитом, дабы меж ними образовалось субнанометровое расстояние. Такой электролит присутствует и в обычных конденсаторах, где он выступает в роли проводника электричества. Здесь же он стал не только проводником, но и преградой для соприкосновения между собой графеновых листов. Именно такой ход позволил достичь более высокой плотности конденсатора с одновременным сохранением пористой структуры.

Сам же компактный электрод был создан по технологии, которая знакома производителям привычной нам всем бумаги . Данный способ достаточно дёшев и прост, что позволяет с оптимизмом смотреть на возможность коммерческого производства новых суперконденсаторов.

Журналисты поспешили заверить мир, что человечество получило стимул к разработке совершенно новых электронных устройств. Сами же изобретатели устами профессора Ли пообещали помочь графеновому суперконденсатору очень быстро преодолеть путь из лаборатории на завод.

Нравится вам это или нет, но эра электрических автомобилей неуклонно приближается. И в настоящее время только одна технология сдерживает прорыв и захват рынка электромобилями, технология аккумулирования электрической энерги и. Несмотря на все достижения ученых в этом направлении, большинство электрических и гибридных автомобилей имеют в своей конструкции литий-ионные аккумуляторные батареи, которые имеют свои положительные и отрицательные стороны, и могут обеспечить пробег автомобиля на одном заряде лишь на небольшую дистанцию, достаточную лишь для перемещений в городской черте. Все ведущие мировые автопроизводители понимают эту проблему и занимаются поисками методов увеличения эффективности электрических транспортных средств, что позволит увеличить дальность поездки на одном заряде аккумуляторных батарей.

Одним из направлений повышения эффективности электрических автомобилей является сбор и повторное использование энерги и, превращающейся в тепло при торможении автомобиля и при движении автомобиля по неровностям дорожного покрытия. Уже разработаны методы возврата такой энерги и, но эффективность ее сбора и повторного использования крайне низка из-за малой скорости работы аккумуляторных батарей. Времена торможения обычно исчисляются секундами и это слишком быстро для аккумуляторных батарей, на зарядку которых требуются часы времени. Поэтому для аккумулирования “быстрой” энерги и требуются другие подходы и аккумулирующие устройства, на роль которых больше всего походят конденсаторы большой емкости, так называемые суперконденсаторы.

К сожалению, суперконденсаторы еще не готовы выйти на “большую дорогу”, несмотря на то, что они способны быстро заряжаться и разряжаться, их емкость пока относительно низка. Помимо этого, надежность суперконденсаторов также оставляет желать лучшего, материалы, используемые в электродах суперконденсаторов, постоянно разрушаются в результате многократных циклов заряда-разрядки. А это вряд ли допустимо с учетом того, что за всю жизнь электрического автомобиля количество циклов работы суперконденсаторов должно составить много миллионов раз.

У Сэнтэкумэра Кэннэппэна (Santhakumar Kannappan) и у группы его коллег из Института науки и техники, Кванджу, Корея, имеется решение вышеописанной проблемы, основой которого является один из наиболее удивительных материалов современности – графен. Корейские исследователи разработали и изготовили опытные образцы высокоэффективных суперконденсаторов на основе графена, емкостные параметры которых не уступают параметрам литий-ионных аккумуляторных батарей, но которые способны очень быстро накапливать и отдавать свой электрический заряд. Помимо этого, даже опытные образцы графеновых суперконденсаторов способны выдержать без потери своих характеристик многие десятки тысяч рабочих циклов.
Уловка, которая позволила добиться столь внушительных показателей, заключается в получении особой формы графена, у которой имеется огромная площадь эффективной поверхности. Исследователи получили такую форму графена, смешав частицы окиси графена с гидразином в воде и размельчив все это с помощью ультразвука. Получившийся графеновый порошок был упакован в дискообразных таблеток и высушен при температуре 140 градусов по шкале Цельсия и при давлении 300 кг/см в течение пяти часов.

Получившийся материал получился очень пористым, у одного грамма такого графенового материала его эффективная площадь соответствует площади баскетбольной площадки. Помимо этого, пористая природа этого материала позволяет ионной электролитической жидкости EBIMF 1 M заполнить полностью весь объем материла, что приводит к увеличению электрической емкости суперконденсатора.

Измерение характеристик опытных суперконднсаторов показали, что их электрическая емкость составляет около 150 Фарад на грамм, плотность хранения энерги и составляет 64 ватта на килограмм, а плотность электрического тока равна 5 амперам на грамм. Все эти характеристики сопоставимы с аналогичными характеристиками литий-ионных аккумуляторов, плотность хранения энерги и которых составляет от 100 до 200 Ватт на килограмм. Но у этих суперконденсаторов имеется одно огромное преимущество, они могут полностью зарядиться или полностью отдать весь накопленный заряд всего за 16 секунд. И это время является самым быстрым временем заряда-разрядки на сегодняшний день.

Этот набор внушительных характеристик, плюс несложная технология изготовления графеновых суперконденсаторов могут послужить оправданием заявлению исследователей, которые написали, что их “графеновые суперконденсаторные устройства аккумулирования энерги и уже прямо сейчас готовы для массового производства и могут появиться в ближайших поколениях электрических автомобилей”.

Группа ученых из университета Райс (Rice University) приспособили разработанный ими метод производства графена при помощи лазера для изготовления электродов суперконденсаторов.

С момента его открытия графен, форма углерода, кристаллическая решетка которого имеет одноатомную толщину, помимо всего прочего рассматривался в качестве альтернативы электродам из активированного угля, используемым в суперконденсаторах, конденсаторах с большой емкостью и малыми токами собственной утечки. Но время и проведенные исследования показали, что графеновые электроды работают не намного лучше, чем электроды из микропористого активированного угля, и это послужило причиной снижения энтузиазма и сворачивания ряда исследований.

Тем не менее, графеновые электроды обладают некоторыми неоспоримыми преимуществами по сравнению с электродами из пористого углерода.

Графеновые суперконденсаторы могут работать на более высоких частотах, а гибкость графена позволяет создавать на его основе чрезвычайно тонкие и гибкие устройства аккумулирования энерги и, которые как нельзя лучше подходят для использования в носимой и гибкой электронике.

Два вышеупомянутых преимущества графеновых суперконденсаторов послужили причиной для проведения очередных исследований группой ученых из университета Райс (Rice University). Они приспособили разработанный ими метод производства графена при помощи лазера для изготовления электродов суперконденсаторов.

«То, чего нам удалось добиться, сопоставимо с показателями микросуперконденсаторов, которые имеются в наличии на рынке электронных приборов» – рассказывает Джеймс Тур (James Tour), ученый, руководивший исследовательской группой, – «При помощи нашего метода мы можем получать суперконденсаторы, имеющие любую пространственную форму. При необходимости упаковать графеновые электроды на достаточно малой площади, мы просто складываем их как лист бумаги ».

Для производства графеновых электродов ученые использовали лазерный метод (laser-induced grapheme, LIG), в котором луч мощного лазера нацеливается на мишень из недорогого полимерного материала.

Параметры лазерного света подобраны таким образом, что он выжигает из полимера все элементы, кроме углерода, который формируется в виде пористой графеновой пленки. Эта пористый графен, как показали исследования, обладает достаточно большим значением эффективной площади поверхности, что делает его идеальным материалом для электродов суперконденсаторов.

То, что делает результаты исследований группы из университета Райс столь привлекательными, это простота производства пористого графена.

«Графеновые электроды делаются очень просто. Для этого не требуется чистого помещения и в процессе используются обычные промышленные лазеры, которые успешно работают в цехах заводов и даже на открытом воздухе» – рассказывает Джеймс Тур.

Кроме простоты производства, графеновые суперконденсаторы показали весьма впечатляющие характеристики. Эти устройства накопления энерги и выдержали без потери электрической емкости тысячи циклов заряда-разряда. Более этого, электрическая емкость таких суперконденсаторов практически не изменилась после того, как гибкий суперконденсатор был деформирован 8 тысяч раз подряд.

«Мы продемонстрировали, что разработанная нами технология позволяет производить тонкие и гибкие суперконденсаторы, которые могут стать компонентами гибкой электроники или источниками энерги и для носимой электроники, которая может быть встроена прямо в одежду или в предметы повседневного использования» – рассказал Джеймс Тур.

Как работают суперконденсаторы? – Объясни, что это за штука

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 изменение. 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 – хранят электричество, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество называется 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 в направлении, противоположном 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?

Фотографии: 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 учиться! 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).Напротив, 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 все еще 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 вольта), 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 небольшое внутреннее сопротивление или оно отсутствует, 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 последовательно соединенных суперконденсаторов 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 предсказывали, что это будет достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году – пятикратный рост всего за несколько лет!

BU-209: Как работает суперконденсатор?

Узнайте, как суперконденсатор может улучшить аккумулятор.

Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора очень высокой емкостью.Конденсатор накапливает энергию за счет статического заряда, в отличие от электрохимической реакции. Применение разности напряжений на положительной и отрицательной обкладках заряжает конденсатор. Это похоже на накопление электрического заряда при ходьбе по ковру. Прикосновение к объекту высвобождает энергию через палец.

Существует три типа конденсаторов, самый простой из которых – электростатический конденсатор с сухим сепаратором. Этот классический конденсатор имеет очень низкую емкость и в основном используется для настройки радиочастот и фильтрации.Размер варьируется от нескольких пикофарад (пФ) до низких микрофарад (мкФ).

Электролитический конденсатор обеспечивает более высокую емкость, чем электростатический конденсатор, и рассчитан на микрофарады (мкФ), что в миллион раз больше, чем пикофарад. Эти конденсаторы используют влажный сепаратор и используются для фильтрации, буферизации и передачи сигналов. Подобно батарее, электростатическая емкость имеет положительный и отрицательный стороны, которые необходимо учитывать.

Третий тип – это суперконденсатор , измеренный в фарадах, что в тысячи раз выше, чем у электролитического конденсатора.Суперконденсатор используется для накопления энергии, подвергаясь частым циклам зарядки и разрядки при высоком токе и короткой продолжительности.

Фарад – единица измерения емкости, названная в честь английского физика Майкла Фарадея (1791–1867). Один фарад сохраняет один кулон электрического заряда при приложении одного вольта. Один микрофарад в миллион раз меньше фарада, а один пикофарад снова в миллион раз меньше микрофарада.

Инженеры General Electric впервые экспериментировали с ранней версией суперконденсатора в 1957 году, но коммерческого применения не было.В 1966 году Standard Oil вновь открыла эффект двухслойного конденсатора случайно, работая над экспериментальными конструкциями топливных элементов. Двойной слой значительно улучшил способность накапливать энергию. Компания не стала коммерциализировать изобретение и передала его по лицензии NEC, которая в 1978 году представила технологию как «суперконденсатор» для резервного копирования памяти компьютера. Только в 1990-х годах достижения в области материалов и методов производства привели к повышению производительности и снижению стоимости.

Суперконденсатор эволюционировал и перешел в аккумуляторную технологию с использованием специальных электродов и электролита.В то время как базовый электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC) зависит от электростатического воздействия, асимметричный электрохимический двухслойный конденсатор (AEDLC) использует электроды, подобные батареям, для получения более высокой плотности энергии, но это имеет более короткий срок службы и другие проблемы, которые разделяются с аккумулятор. Графеновые электроды обещают усовершенствовать суперконденсаторы и батареи, но до таких разработок еще 15 лет.

Было опробовано несколько типов электродов, и наиболее распространенные сегодня системы построены на электрохимическом двухслойном конденсаторе на основе углерода, с органическим электролитом и простом в производстве.

Все конденсаторы имеют ограничения по напряжению. В то время как электростатический конденсатор может быть выполнен так, чтобы выдерживать высокое напряжение, суперконденсатор ограничен 2,5–2,7 В. Возможны напряжения 2,8 В и выше, но с сокращенным сроком службы. Чтобы получить более высокие напряжения, несколько суперконденсаторов соединены последовательно. Последовательное соединение снижает общую емкость и увеличивает внутреннее сопротивление. Для цепочек из более чем трех конденсаторов требуется балансировка напряжения, чтобы предотвратить перенапряжение любой ячейки.Литий-ионные аккумуляторы имеют аналогичную схему защиты.

Удельная энергия суперконденсатора колеблется от 1 Втч / кг до 30 Втч / кг, что в 10–50 раз меньше, чем у литий-ионных. Кривая нагнетания – еще один недостаток. В то время как электрохимическая батарея обеспечивает стабильное напряжение в используемом диапазоне мощности, напряжение суперконденсатора уменьшается в линейном масштабе, сокращая спектр полезной мощности. (См. BU-501: Основные сведения о разрядке)

Возьмите источник питания 6 В, который может разряжаться до 4.5V до отключения оборудования. К тому времени, когда суперконденсатор достигает этого порога напряжения, линейный разряд дает только 44% энергии; остальные 56% зарезервированы. Дополнительный преобразователь постоянного тока в постоянный помогает восстановить энергию, находящуюся в диапазоне низкого напряжения, но это увеличивает затраты и приводит к потерям. Для сравнения, батарея с плоской кривой разряда обеспечивает от 90 до 95 процентов своего запаса энергии до достижения порогового значения напряжения.

На рисунках 1 и 2 показаны вольт-амперные характеристики при заряде и разряде суперконденсатора.При зарядке напряжение линейно увеличивается, а ток по умолчанию падает, когда конденсатор полон, без необходимости в схеме обнаружения полного заряда. Это верно для источника постоянного тока и предельного напряжения, подходящего для номинального напряжения конденсатора; превышение напряжения может повредить конденсатор.

Рисунок 1: Профиль заряда суперконденсатора
Напряжение линейно увеличивается во время заряда постоянным током. Когда конденсатор заполнен, по умолчанию ток падает. Рисунок 2: Разрядный профиль суперконденсатора
Напряжение линейно падает при разряде. Дополнительный преобразователь постоянного тока в постоянный поддерживает уровень мощности, потребляя более высокий ток при падении напряжения.

Время заряда суперконденсатора 1–10 секунд. Зарядная характеристика аналогична электрохимической батарее, а зарядный ток в значительной степени ограничен способностью зарядного устройства выдерживать ток. Первоначальная зарядка может быть произведена очень быстро, а дополнительная зарядка займет дополнительное время.Необходимо предусмотреть ограничение пускового тока при зарядке пустого суперконденсатора, так как он будет всасывать все, что может. Суперконденсатор не подлежит перезарядке и не требует обнаружения полного заряда; ток просто перестает течь, когда он наполняется.

В таблице 1 суперконденсатор сравнивается с типичным литий-ионным.

Функция Суперконденсатор Литий-ионный (общий)
Время зарядки 1–10 секунд 10–60 минут
Срок службы 1 миллион или 30 000 ч 500 и выше
Напряжение элемента 2.От 3 до 2,75 В 3,6 В номинальное
Удельная энергия (Втч / кг) 5 (типовая) 120–240
Удельная мощность (Вт / кг) До 10 000 1 000–3 000
Стоимость кВтч 10 000 долл. США (номинал) 250–1000 долларов (большая система)
Срок службы (производственный) 10-15 лет от 5 до 10 лет
Температура заряда от –40 до 65 ° C (от –40 до 149 ° F) от 0 до 45 ° C (от 32 ° до 113 ° F)
Температура нагнетания от –40 до 65 ° C (от –40 до 149 ° F) от –20 до 60 ° C (от –4 до 140 ° F)
Таблица 1: Сравнение характеристик суперконденсатора и литий-ионного аккумулятора [2]

Суперконденсатор можно заряжать и разряжать практически неограниченное количество раз.В отличие от электрохимической батареи, которая имеет определенный срок службы, при циклической работе суперконденсатора происходит небольшой износ. Возраст также благоприятнее для суперконденсатора, чем для батареи. В нормальных условиях суперконденсатор теряет свою первоначальную 100-процентную емкость до 80 процентов за 10 лет. Применение более высокого напряжения, чем указано, сокращает срок службы. Суперконденсатор не боится высоких и низких температур, а батареи не могут удовлетворить его одинаково хорошо.

Саморазряд суперконденсатора существенно выше, чем у электростатического конденсатора, и несколько выше, чем у электрохимической батареи; Этому способствует органический электролит.Суперконденсатор разряжается от 100 до 50 процентов за 30-40 дней. Для сравнения, свинцовые и литиевые батареи саморазряжаются примерно на 5 процентов в месяц.

Суперконденсатор и батарея

Сравнение суперконденсатора с батареей имеет свои достоинства, но полагаться на сходство мешает более глубокое понимание этого отличительного устройства. Вот уникальные различия между батареей и суперконденсатором.

Химический состав батареи определяет рабочее напряжение; заряд и разряд – это электрохимические реакции.Для сравнения, конденсатор не является электрохимическим, и максимально допустимое напряжение определяется типом диэлектрического материала, используемого в качестве разделителя между пластинами. Присутствие электролита в некоторых конденсаторах увеличивает емкость, что может вызвать путаницу.

Поскольку суперконденсатор не является химическим, напряжение может расти до тех пор, пока не сломается диэлектрик. Часто это происходит в виде короткого замыкания. Избегайте повышения напряжения выше указанного.

Приложения

Суперконденсатор часто понимают неправильно; это не замена батареи для длительного хранения энергии.Если, например, время зарядки и разрядки превышает 60 секунд, используйте аккумулятор; если короче, то суперконденсатор становится экономичным.

Суперконденсаторы

идеально подходят, когда требуется быстрая зарядка для удовлетворения кратковременной потребности в энергии; в то время как батареи выбраны для длительного использования энергии. Объединение этих двух аккумуляторов в гибридную батарею удовлетворяет обе потребности и снижает нагрузку на аккумулятор, что отражается на более длительном сроке службы. Такие батареи стали доступны сегодня в семействе свинцово-кислотных аккумуляторов.

Суперконденсаторы

наиболее эффективны для устранения перерывов в питании, длящиеся от нескольких секунд до нескольких минут, и их можно быстро перезаряжать. Маховик предлагает аналогичные качества, и приложение, в котором суперконденсатор конкурирует с маховиком, – это испытание Long Island Rail Road (LIRR) в Нью-Йорке. LIRR – одна из самых загруженных железных дорог Северной Америки.

Чтобы предотвратить провал напряжения во время разгона поезда и снизить потребление пиковой мощности, батарея суперконденсаторов мощностью 2 МВт проходит испытания в Нью-Йорке по сравнению с маховиками, обеспечивающими 2.5 МВт мощности. Обе системы должны обеспечивать непрерывное питание в течение 30 секунд при соответствующей мощности в мегаваттах и ​​одновременно полностью заряжаться. Цель состоит в том, чтобы добиться регулирования в пределах 10 процентов от номинального напряжения; обе системы не требуют особого обслуживания и прослужат 20 лет. (Власти считают, что маховики для этого применения более надежны и энергоэффективны, чем аккумуляторы. Время покажет.)

Япония также использует большие суперконденсаторы. Системы мощностью 4 МВт устанавливаются в коммерческих зданиях, чтобы снизить потребление энергии в сети в периоды пиковой нагрузки и облегчить загрузку.Другие приложения – запускать резервные генераторы во время перебоев в подаче электроэнергии и обеспечивать питание до стабилизации переключения.

Суперконденсаторы

также широко используются в электрических силовых агрегатах. Благодаря сверхбыстрой зарядке во время рекуперативного торможения и выдаче большого тока при ускорении суперконденсатор идеально подходит в качестве усилителя пиковой нагрузки для гибридных транспортных средств, а также для приложений на топливных элементах. Широкий температурный диапазон и долгий срок службы дают преимущество перед батареей.

Суперконденсаторы

имеют низкую удельную энергию и дороги с точки зрения стоимости ватта. Некоторые инженеры-конструкторы утверждают, что деньги на суперконденсатор лучше потратить на батарею большего размера. Таблица 2 суммирует преимущества и ограничения суперконденсатора.

Преимущества
  • Практически неограниченный срок службы; можно повторять миллионы раз
  • Высокая удельная мощность; низкое сопротивление обеспечивает высокие токи нагрузки
  • Заряжается за секунды; окончание зарядки не требуется
  • Простая зарядка; рисует только то, что ему нужно; не завышена
  • Сейф; прощение при злоупотреблении
  • Отличные характеристики заряда и разряда при низких температурах
Ограничения
Таблица 2: Преимущества и ограничения суперконденсаторов

Ссылки

[1] Источник: PPM Power

[2] Источник: Maxwell Technologies, Inc.

Использование суперконденсаторов в обороне и на транспорте

Суперконденсаторы – это устройства накопления энергии, которые перекрывают разрыв между электролитическими конденсаторами и аккумуляторными батареями. В этой статье объясняется их важность и использование в оборонном и транспортном секторах.

Электричество – чрезвычайно универсальная форма энергии, но у нее есть один серьезный недостаток; его относительно сложно хранить. Батареи могут хранить большое количество энергии, но для их зарядки требуется несколько часов.Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но сохраняют лишь крошечное количество энергии.

В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили и домашние обогреватели, работающие на ископаемом топливе, необходимо будет перевести на электроэнергию, если мы хотим предотвратить катастрофическое изменение климата. Кроме того, в современном оборонном оборудовании существует потребность в подаче импульсов высокой энергии. В нашем будущем с электроприводом, когда нам потребуется очень быстро накапливать и выделять большие объемы электроэнергии, вполне вероятно, что мы обратимся к суперконденсаторам, сочетающим в себе лучшее из обоих миров.

Что такое суперконденсатор?

Конструкция конденсатора довольно проста. Он состоит из двух электрических проводников, называемых пластинами, и изолирующего слоя между ними, называемого диэлектрической средой. Если эти две пластины подключены к постоянному напряжению, они становятся заряженными, и величина электрического заряда, накопленного на пластинах, становится пропорциональной величине напряжения. Чем больше заряда требуется при подаче напряжения, тем выше емкость. Суперконденсатор отличается от обычного конденсатора в основном двумя важными способами: его пластины имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик.

Подобно обычному конденсатору, суперконденсатор также имеет две разделенные обкладки. Пластины изготовлены из металла, покрытого пористым материалом, таким как активированный уголь, который обеспечивает пластинам большую площадь поверхности, позволяя накапливать гораздо больше заряда. Для лучшего понимания предположим, что электричество – это вода, где обычный конденсатор подобен ткани, которая может вытереть лишь крошечные пролитые воды, в то время как пористые пластины суперконденсатора могут впитать во много раз больше, потому что они больше похожи на толстую губку.Пористые суперконденсаторы – это большие губки для электричества.

В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком из слюды, пластмассы или даже просто воздуха. 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 в направлении, противоположном полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении.Это показано на рис. 1.

Рис.1: Принципиальная схема обычного конденсатора

Классификация суперконденсаторов

Суперконденсаторы

в основном подразделяются на три типа: двухслойные конденсаторы; Псевдоконденсаторы; Гибридные конденсаторы.

Двухслойный конденсатор (DLC)

Конденсатор состоит из двух электродов, сепаратора и электролита. Как показано на рис. 2, в двухслойном конденсаторе (DLC) нет диэлектрика как такового. Суперконденсаторы часто называют DLC.Электролит в DLC представляет собой смесь положительных и отрицательных ионов, растворенных в растворителе. Обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором из углерода, бумаги или пластика.

Рис. 2: Двухслойный суперконденсатор: (а) разряженный, (б) заряженный

Когда пластины заряжаются, на границе между проводящим электродом и соседним жидким электролитом появляется двойной электрический слой. На границе образуются два слоя заряда с противоположной полярностью, один на поверхности электрода и один в электролите.

Эти два слоя обычно разделены одним слоем молекул растворителя (обычно толщиной в одну молекулу), которые прилипают к поверхности электрода и действуют как диэлектрик, как в обычном конденсаторе. Молекулы растворителя действуют как барьер и предотвращают комбинацию противоположных зарядов. Следовательно, между электродом и электролитом не протекает электрический заряд. В обычных конденсаторах толщина диэлектрика может составлять от нескольких микрон до миллиметра и более.

Короче говоря, суперконденсаторы получают свою гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей площадью поверхности и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).Емкость суперконденсатора прямо пропорциональна площади двойного электрического слоя.

При приложении напряжения создается двойной электрический слой, который выравнивает как отрицательные, так и положительные заряды по границам электродов и электролитического раствора. Когда эти отрицательные или положительные ионы мигрируют близко к электроду, они испытывают сильное сопротивление со стороны молекул растворителя. Следовательно, перенос заряда между электролитом и электродом не происходит.

Однако эти противоположные заряды оказывают друг на друга электростатические силы.Таким образом, на общей границе электрода и электролита создается большой заряд. Слой активированного угля, нанесенный на электроды, очень пористый, обеспечивает поразительную площадь поверхности и служит хранилищем электрических зарядов во время зарядки.

Псевдоконденсатор

Псевдоконденсатор – это гибрид батареи и электрического двухслойного конденсатора. Он также состоит из двух электродов, разделенных электролитом. Накопление заряда происходит химическими и электростатическими способами.Химический процесс включает перенос заряда посредством восстановления-окисления, то есть окислительно-восстановительной реакции, когда большая часть заряда переносится вблизи поверхности электрода.

С другой стороны, в двухслойных конденсаторах положительный и отрицательный заряды находятся на двух поверхностях электродов. Хотя перенос заряда аналогичен переносу заряда в батарее, скорость переноса выше из-за использования более тонкого окислительно-восстановительного материала на электроде или меньшего проникновения ионов из электролита в структуру.

Из-за того, что для накопления заряда действуют несколько процессов, значения емкости выше. Псевдоемкость сопровождается переносом электронного заряда между электролитом и электродом, исходящим от десольватированного и адсорбированного иона. Адсорбированный ион не вступает в химическую реакцию с атомами электрода, поскольку имеет место только перенос заряда. В нем используются оксиды переходных металлов, такие как RuO2, IrO2 или MnO2, введенные путем легирования в проводящий материал, например активированный уголь, который покрывает электрод.Емкость как псевдоемкости, так и емкости двойного слоя неразрывно влияет на общую величину емкости.

Гибридный суперконденсатор

Гибридные суперконденсаторы – это устройства с повышенной способностью накопления энергии и повышенной емкостью. Он сочетает в себе двухслойный электрический конденсатор и литий-ионную технологию, в результате чего плотность энергии выше на 115 процентов. Гибридный конденсатор предлагает расширенные возможности хранения энергии, обеспечивая более быстрое и эффективное питание приложений.

Конструктивные особенности

Электроды

Внутреннее устройство цилиндрического суперконденсатора намотанного типа показано на рис. 3. Он состоит из активных слоев, сделанных из электродов из активированного угля, и разделителя с алюминиевыми выступами, вставленными между активными слоями. Алюминиевая фольга должна быть способна распределять пиковый ток 100 А и действовать как токоприемник. Они покрыты активированным углем, который подвергается электрохимическому травлению, так что площадь поверхности материала примерно в 100000 раз больше, чем гладкая поверхность.Электроды разделены очень тонким проницаемым для ионов сепаратором из пористых полимерных пленок или тканых керамических волокон.

Рис. 3: Покомпонентное изображение намотанного суперконденсатора

Практически все производители суперконденсаторов используют активированный уголь, сделанный из скорлупы кокосовых орехов, в качестве активного компонента электрода. Во время обработки зола удаляется и остается ниже одного процента, содержание железа ниже 100 частей на миллион и галогены удаляются, чтобы обеспечить продленный рабочий цикл. Высокая пористость этого материала позволяет обеспечить площадь электродов до 3000 кв.метр / грамм. Его емкость составляет 145 Ф / г. Активный материал составляет половину общей стоимости суперконденсатора. Поскольку активированный уголь дешевле, около 1050 фунтов стерлингов / кг, он широко используется.

Углеродные нанотрубки (молекулы углерода с цилиндрической наноструктурой) – еще один многообещающий активный материал, но его производство довольно дорогое. Углеродные нанотрубки стоят около 3500 фунтов стерлингов / кг, но имеют удвоенную плотность энергии и поэтому используются в суперконденсаторах специального назначения. Поверхность нанотрубок обеспечивает большую смачиваемость и высокую проводимость.Он может обеспечивать емкость до 180 Ф / г.

Графен, двумерный монослой углерода, является еще одним многообещающим кандидатом, стоимость которого варьируется от 350 до 2800 фунтов стерлингов / кг. Но его пушистость ограничивает плотность энергии суперконденсатора и не может быть конкурентоспособной, если не будет найден способ плотно упаковать его.

Для псевдоконденсаторов на основе окислительно-восстановительного потенциала в качестве электродов обычно используют диоксид рутения с емкостью 750 Ф / г, диоксид марганца с емкостью 350 Ф / г, IrO2 и т. Д.

Электролиты

Электролиты состоят из растворителя и растворенных химических веществ, которые распадаются на положительные катионы и отрицательные анионы. Водные кислотные или щелочные электролиты используются в суперконденсаторах с низкой удельной энергией и высокой удельной мощностью. Электролиты с органическими растворителями более дорогие, но могут давать более высокое напряжение конденсатора, равное 2,7 В.

Использование суперконденсаторов

Транспортные средства

Суперконденсаторы используются в транспортных средствах для рекуперативного торможения.У них гораздо более высокая удельная мощность, чем у аккумуляторов, и они могут заряжаться и разряжаться быстрее. Они также хранят гораздо больше энергии по сравнению с обычными электролитическими конденсаторами. Это делает их более подходящими для захвата кинетической энергии при замедлении транспортного средства и высвобождения ее для всплесков ускорения.

У них нет способности накапливать большое количество энергии, но они являются мощными устройствами, в первую очередь потому, что электроны могут очень быстро перемещаться вперед и назад.

Суперконденсаторы

могут обеспечивать дополнительную мощность до 34 л.Это устраняет любые резкие движения, которые могут возникнуть во время смены. Поскольку суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться симметрично и за секунды, они представляют собой невероятно эффективное средство обеспечения короткой, но сильной электрической помощи автомобилю во время вождения. Суперконденсатор разряжается во время ускорения и перезаряжается во время торможения, что означает, что гибридный двигатель или электромотор никогда не испытывает недостатка в мощности, необходимой ему во время движения, что в конечном итоге увеличивает эффективность транспортного средства.

Как показано на рис.4, в системе обычно используется генератор переменного тока 12-25 В, который вырабатывает электричество во время рекуперативного торможения с напряжением до 25 В перед тем, как отправить его на электрический двухслойный конденсатор с низким сопротивлением, который может быть полностью заряжен за секунды. Затем преобразователь постоянного тока в постоянный снижает напряжение с 25 В до 12 В перед подачей его на электрическую систему автомобиля.

Рис.4: Гибридный двигатель с суперконденсатором

Capa bus

Конденсаторное транспортное средство или транспортное средство с конденсатором, как показано на рис. 5, является тяговым транспортным средством, которое использует суперконденсаторы для хранения электроэнергии.В общем, суперконденсаторы могут хранить около 5 процентов энергии, которую могут заряжать литий-ионные аккумуляторные батареи. Это ограничение ограничивает дальность поездки парой км на одну зарядку. Но их можно зарядить за считанные секунды. Таким образом, в системах общественного транспорта, таких как автобусы, которые должны часто останавливаться в известных точках, где установлены зарядные устройства, использование суперконденсатора в качестве устройства накопления энергии вполне жизнеспособно.

Рис. 5: Автобус Capa

С 2010 года автобусы capa без особых проблем работают в Белграде в Сербии, Шанхае, Гонконге, Софии, Болгарии и Граце в Австрии.Эти автобусы оснащены суперконденсаторами из активированного угля и имеют типичную плотность энергии около 10 ватт-часов / кг по сравнению с 200 ватт-часами / кг высокопроизводительного литий-ионного аккумулятора. Эти автобусы потребляют энергию, которая составляет лишь одну десятую стоимости топлива, потребляемого дизельным автобусом, и могут обеспечить экономию топлива в течение всего срока службы в размере около 15 миллионов фунтов стерлингов на автобус.

Автобусы потребляют на 40 процентов меньше электроэнергии, даже по сравнению с электрическим троллейбусом, в основном потому, что они легче.Автобусы capa на 40 процентов дешевле, чем автобусы с литий-ионными аккумуляторами, и намного надежнее. Автобусы должны регулярно останавливаться каждые 5 км, чтобы обеспечить быструю подзарядку на зарядных станциях на автобусных остановках. Коллектор на крыше автобуса поднимается на несколько футов и касается воздушной линии зарядки на остановке. В течение нескольких минут батареи суперконденсаторов, хранящиеся под сиденьями автобуса, полностью заряжаются. Автобусы также улавливают энергию при торможении.

Зарядные станции могут быть оборудованы солнечными батареями. Разработан автобус третьего поколения, который может увеличить дальность полета до 32 км.В будущем в автобусах будут использоваться суперконденсаторы с вертикально расположенными углеродными нанотрубками в качестве активного элемента, плотность энергии которого будет составлять четверть от плотности энергии литий-ионной батареи. Будущие разработки включают использование индуктивной зарядки под улицей, чтобы избежать прокладки надземной проводки.

Пистолет для точечной сварки

Пистолеты для точечной сварки

обычно используются в существующих роботизированных системах на сборочных линиях для контактной сварки тонкой стали (около 0,8 мм). В этих машинах используется система нагнетания с пневматическим / электромеханическим приводом для приложения силы к электродам и источник питания для подачи энергии для сварки.Он весит около 50 кг, включая вес трансформатора, который составляет около 25 кг.

Эти сварочные горелки постепенно заменяются устройствами на основе суперконденсаторов, что приводит к снижению веса на 50 процентов за счет отказа от громоздких трансформаторов. Это дает снижение стоимости на 7 миллионов фунтов стерлингов за единицу, а также уменьшает масштаб автоматизации на сборочной линии. Эти машины нового поколения оснащены суперконденсаторами до 5000 Ф и работают при напряжении менее 10 В.

Заявка на защиту

Где использовать суперконденсаторы в устройствах военного назначения? В приложениях, где заряд может поддерживаться более или менее непрерывно, но иногда требуется импульсное получение огромного количества энергии за очень короткий период времени. Суперконденсаторы уже вошли в военную технику.

Лазерное оружие (LaWs)

Лазерное оружие больше не существует только в научной фантастике. США, Россия, Китай и Индия имеют системы, с помощью которых вражеские самолеты, баллистические ракеты, противокорабельные баллистические ракеты уничтожаются лазерным лучом.Бортовой генератор самолета или корабля вырабатывает электрическую энергию, которая хранится в батареях суперконденсаторов.

В случае быстро движущейся удаленной цели, такой как вражеский самолет, ракета и т. Д., Невозможно удерживать лазерный луч на цели. Следовательно, энергия, которая может разрушить цель, должна быть доставлена ​​в виде одиночного излучения мощностью 10–100 кВт за несколько миллисекунд. Только суперконденсаторы способны выполнять эту задачу. Системы лазерного оружия связаны с навигационным радаром корабля или самолета и могут управляться через центр боевой информации базовой машины.

Типичное расположение LaWs показано на рис. 6.

Рис.6: Лазерная пушка на эсминце

Railgun

Рельсотрон – это военное устройство, которое использует электромагнитную силу, известную как сила Лоренца, для запуска снарядов длиной 2 м и весом 100–120 кг на скоростях, превышающих 7–8 Маха, с использованием скользящего якоря, которое ускоряется вместе с парой токопроводящих рельсов. Снаряд обычно не содержит взрывчатых веществ, но полагается на высокую скорость снаряда для нанесения урона.

Рельсотрон использует пару параллельных проводов или рельсов, по которым скользящий якорь ускоряется электромагнитными эффектами тока, который течет вниз по одному рельсу в якорь, а затем обратно по другому рельсу. Он основан на принципах, аналогичных принципам униполярного двигателя. Однако проблема в том, что корабли, такие как авианосец или эсминец, которые могут генерировать мощность 25 МВт, подходят для его установки только из-за высоких требований к мощности рельсовой пушки.В устройстве используются суперконденсаторы для хранения огромной мощности и передачи ее в виде импульса за короткий период времени. На рис. 7 показано устройство рельсотрона.

Рис.7: Рейлган

Тяжелый мобильный грузовик

Heavy Expanded Mobility Tactical Truck (HEMTT) – это восьмиколесный тактический грузовик массой 9 100 кг с дизельным двигателем мощностью 470 л.с., который используется армией США и многих других стран для перевозки боевых машин и оружия. Этот дизель-электрический гибридный грузовик не использует аккумуляторы. Вместо этого он использует суперконденсаторы, которые принимают большую часть мощности, создаваемой рекуперативным торможением, и передают мощность на колеса во время ускорения.Это увеличивает эффективность до 20%. Эта гибридная технология обеспечивает мощность до 120 кВт для работы аэродрома, вооружения, радиолокационных систем, больниц или командного центра по оказанию помощи при бедствиях.

Импульсный линейный ускоритель оружия

Это футуристическое оружие направленной энергии, разработанное таким образом, чтобы при запуске любой вражеской ракеты в сторону страны она быстро испускала мощные импульсы релятивистского электронного луча, который преобразуется другими компонентами машины в Линия в вспышку рентгеновского излучения и микроволновую печь высокой мощности, которые уничтожают цель.В отличие от лазерных лучей, он не пробивает цель, а полностью разрушает бортовую электронную систему.

Рис. 8: Принципиальная схема импульсного линейного ускорительного оружия

Как показано на рис. 8, схема генерирует высоковольтный импульс генератором Маркса путем параллельной зарядки нескольких конденсаторов (вероятно, суперконденсаторов) от источника питания постоянного тока через резисторы. и разрядить их последовательно. Выход доступен в виде короткого импульса. У США, России, Китая и Индии есть это мощное оружие.Эта машина была разработана в Индии и получила название KALI (Килоамперный линейный инжектор) (см. Рис. 9). Система KALI 5000 может генерировать электронные импульсы длительностью около 100 нс с энергией около 1 МэВ, током 40 кА, мощностью 40 ГВт и микроволновым излучением с частотой 3-5 ГГц.

Рис. 9: Система KALI 5000

Ратиндра Нат Бисвас – выпускник химического факультета Университета Джадавпура, Калькутта, в 1964 году. Награжден грамотой «Гипрококс» за проектирование завода по производству бензола и Почетной грамотой Индийского института металлов.Он опубликовал 35 научных работ в различных журналах. Он ушел со службы в качестве главы – МЕКОН, Дургапур.

углеродистых суперконденсаторов – материалы сегодня

Углеродные элементы суперконденсаторов

были предметом обширных исследований за последние пару десятилетий. Углеродно-углеродные суперконденсаторы предлагают более высокую мощность, лучший срок службы и более высокую надежность, чем батареи, но имеют гораздо более низкую плотность энергии и более высокий саморазряд. Хотя доступная в настоящее время плотность энергии приемлема для таких приложений, как аварийные двери, резервное копирование памяти и рекуперация энергии, ограниченная плотность энергии обычно воспринимается как главное препятствие на пути роста рынка суперконденсаторов.Многие исследования и разработки были сосредоточены на увеличении плотности энергии углерода суперконденсаторов по более высокой цене. Однако рынок углеродных суперконденсаторов гораздо более чувствителен к цене, чем к характеристикам, из-за чего углеродные суперконденсаторы премиум-класса теряют свою актуальность.

Сегодня практически все производители суперконденсаторов используют активированный уголь из скорлупы кокосовых орехов в качестве активного материала. Активированный уголь получают путем обугливания прекурсора, а затем окисления обугленного тела с помощью такого агента, как пар или углекислый газ, для создания наноскопических пор.Суперконденсаторный уголь – это активированный уголь премиум-класса, который очищен для уменьшения содержания золы ниже 1% и содержания примесей галогена и железа ниже 100 ppm для обеспечения расширенного цикла. Kuraray поставляет большую часть этого продукта. Со временем цена этого продукта упала со 150–200 долларов за килограмм до 15 долларов за килограмм. Поскольку активированный уголь представляет собой примерно половину общей стоимости материала суперконденсатора, эта низкая цена является серьезным барьером для входа на рынок других видов углерода.

Многие другие пористые угли были разработаны для суперконденсаторов.Углеродные аэрогели, которые состоят из наноразмерных частиц, полученных путем пиролиза полимерных аэрогелей, и углерода, полученного из смолы, который представляет собой активированный уголь, полученный из полимеров, ранее использовались в суперконденсаторах. Они по-прежнему привлекают некоторое внимание, но в значительной степени были вытеснены углеродом из скорлупы кокосового ореха, поскольку его стоимость снизилась. Углеродные нанотрубки широко изучались как материалы суперконденсаторов, но однослойные нанотрубки остаются непомерно дорогими, в то время как многостенные нанотрубки предлагают сопоставимые характеристики с активированным углем при более высокой стоимости (более 50 долларов за килограмм).Углерод на основе карбидов, который получают травлением карбидов металлов газообразным хлором, показал удвоенную плотность энергии активированного угля. Однако его обработка дорога и трудна из-за коррозионной активности задействованных реагентов. Несмотря на разнообразие разработанных углеродных суперконденсаторов с высокой плотностью энергии, активированный уголь из скорлупы кокосовых орехов остается доминирующим.

В большинстве приложений суперконденсаторы малы по сравнению с тем, что они питают, что не дает большого стимула уменьшать размер и вес суперконденсатора при одновременном повышении стоимости.Как описано в журнале « Charged Electrical Vehicle Magazine », Максвелл уделяет основное внимание снижению затрат, и другие производители преследуют аналогичную цель. Кроме того, компания WL Gore and Associates прекратила выпуск своих электродов для суперконденсаторов. Это может быть связано с уменьшением прибыли в отрасли, что побудит производителей суперконденсаторов готовить электроды собственными силами, а не платить третьей стороне за их изготовление из пористого углерода. В приложениях, где надежность менее важна, а потребляемая энергия выше, чем могут обеспечить современные суперконденсаторы, конечные пользователи привыкли к вопросам срока службы батарей и чувствительны к затратам; Ватт-час за ватт-час, батареи намного дешевле суперконденсаторов.Суперконденсаторы также имеют гораздо более высокий саморазряд, чем батареи, что снижает их способность вытеснять батареи из многих приложений.

Цикличность – еще одна проблема, влияющая на углеродные соединения новых суперконденсаторов. Большинство исследований углерода суперконденсаторов описывает несколько сотен или несколько тысяч циклов испытаний из-за ограничений по времени и трудностей с получением хорошо герметичных ячеек в лабораторных условиях. Однако коммерческие суперконденсаторы рассчитаны на 100 000 циклов и более. Деградация часто становится очевидной только после продолжительной езды на велосипеде.Кроме того, в лабораторных испытаниях часто используются «лабораторные тесты», когда электроды суперконденсатора погружаются в стакан с электролитом во время тестирования. Это позволяет примесям в угле диффундировать в большой объем электролита во время испытаний, уменьшая их влияние на срок службы. Напротив, в практических устройствах электролит содержится внутри электродов и тонкого сепаратора, поэтому у примесей мало места для диффузии, и они могут повлиять на срок службы.

Сегодня большое внимание уделяется графену как перспективному материалу электродов суперконденсаторов.Он состоит из монослоев графита с теоретической площадью поверхности 2630 м² / г (по сравнению с примерно 2000 м² / г для углерода суперконденсатора из скорлупы кокосового ореха) и продемонстрировал впечатляющую гравиметрическую плотность энергии. Ряд стартапов работают над расширением производства графена; долгосрочные прогнозы затрат варьируются от примерно 5 до 40 долларов за килограмм. Процессы производства графена все еще разрабатываются, поэтому долгосрочные цифры неясны, но нижний предел ценового диапазона конкурентоспособен с активированным углем.Однако одна проблема, с которой, в частности, сталкивается графен, – это низкая объемная плотность энергии, которая также влияет на другие материалы, такие как некоторые высокоактивированные угли. Поскольку электроды легче взвесить, чем измерить их объем, гравиметрические числа энергии привлекают больше внимания ученых, чем объемные числа. Графен состоит из длинных тонких чешуек, что приводит к низкой плотности, когда частицы графена имеют форму электрода. Когда графеновый электрод низкой плотности заполняется электролитом, электролит действует как «мертвый» объем и вес.Таким образом, относительная «рыхлость» графена и других материалов с низкой плотностью ограничивает плотность энергии устройства на практике как на гравиметрической, так и на объемной основе, и суперконденсаторы на основе графена не могут быть конкурентоспособными, если не будет найден способ плотно упаковать графен.

На данный момент на рынке углеродных суперконденсаторов существуют две потенциальные возможности. Если будет обнаружен электрод с плотностью энергии вдвое большей, чем у обычного активированного угля, он может найти свою рыночную нишу.Существует также возможность получить суперконденсаторные активированные угли с характеристиками, сопоставимыми с используемыми в настоящее время углями из скорлупы кокосовых орехов, по более низкой цене. Существует значительный разрыв между стоимостью товарного активированного угля в 4 доллара за килограмм и стоимостью в 15 долларов за килограмм углерода суперконденсаторного качества. Хотя требования к управлению процессом и очистке могут увеличить стоимость производства углерода суперконденсатора, чтобы конкурировать с скорлупой кокосового ореха, такая возможность все еще существует; кроме того, как углеводороды, полученные из сахара, так и углеводороды, полученные из угля высокой чистоты, также могут быть жизнеспособными.Однако попытки разработать углеродный суперконденсатор премиум-класса в уже продемонстрированном диапазоне рабочих характеристик потерпят неудачу в будущем, как и в прошлом.

Обзор суперконденсаторов – Utmel

Суперконденсаторы, также известные как электрохимические конденсаторы, электрические двухслойные конденсаторы, золотые конденсаторы и конденсаторы Фарада, были разработаны между 1970-ми и 1980-ми годами и представляют собой электрохимический элемент, который использует поляризованные электролиты для хранения энергии. .Суперконденсатор отличается от традиционного химического источника питания. Это источник питания с особыми характеристиками между традиционным конденсатором и батареей, который в основном использует двойной электрический слой и заряд псевдоконденсатора окислительно-восстановительного потенциала для хранения электроэнергии. Однако в процессе накопления энергии не происходит никаких химических реакций. Этот процесс накопления энергии обратим, поэтому суперконденсаторы можно многократно заряжать и разряжать сотни тысяч раз.

Каталог

I Введение

Короче говоря, суперконденсатор – это очень большой поляризованный электролитический конденсатор.«Большой» здесь относится к емкости, а не к их физическому размеру.

Для обычных электролитических конденсаторов, чем больше значение емкости и напряжения, тем больше общий корпус. Электролитические конденсаторы обычно обеспечивают значения емкости порядка микрофарад, от примерно 0,1 мкФ до примерно 1 Ф, с номинальным напряжением до 1 кВ постоянного тока. Как правило, чем выше номинальное напряжение, тем меньше значение емкости; Чем больше значение емкости, тем больше корпус, и рабочее напряжение может снизиться.

Эти правила в основном применимы и к суперконденсаторам. Емкость суперконденсатора превышает 1 Ф, а рабочее напряжение колеблется от 1,5 В до 160 В или даже выше. По мере увеличения емкости и напряжения их объем увеличивается.

Ранние суперконденсаторы со значениями емкости около десяти Фарад были очень большими и использовались в основном в источниках питания большой мощности. Суперконденсаторы небольшого объема, способные работать при низком напряжении, часто используются в качестве источников кратковременного резервного питания в бытовых электронных устройствах.

Хотя суперконденсаторы и электролитические конденсаторы очень похожи, существуют также большие различия в электрических характеристиках и физических размерах. Например, размер обычного электролитического конденсатора с номинальным напряжением 10 мкФ и 25 В постоянного тока может быть немного меньше или даже эквивалентен суперконденсатору 2,7 В постоянного тока от 1 до 10 мкФ. Благодаря последнему техническому прогрессу, когда рабочее напряжение суперконденсатора увеличивается до 25 В постоянного тока, размер увеличивается менее чем в 1 раз. Это изменение громкости может быть не очень значительным в зависимости от конкретных приложений.

Внешний вид суперконденсатора и электролитического конденсатора

II Структура суперконденсаторов

В принципе, суперконденсатор можно рассматривать как перезаряжаемую батарею. Он может накапливать заряд, пропорциональный его емкости, и выпускать заряд, когда требуется разряд. Суперконденсаторы имеют электронную двухслойную структуру, что является самым большим отличием от электролитических конденсаторов и обеспечивает более высокую емкость.

Рис. 1. Структура стандартного конденсатора

Конструкция стандартного конденсатора представляет собой слой диэлектрика, зажатый между двумя электродами, прикрепленными к металлической пластине (Рис. 1). В зависимости от типа конденсатора диэлектриком может быть оксид алюминия, четырехокись тантала, оксид бария, титана или полиэфирный полипропилен. Разные материалы будут иметь разные характеристики емкости и напряжения. Количество диэлектрика и расстояние между полярными пластинами также влияют на емкость.Однако максимально допустимое расстояние между пластинами ограничивает количество диэлектриков.

Рис. 2. Характеристики емкости и напряжения для различных материалов

В этой однослойной структуре обычно возможно увеличить емкость за счет увеличения количества диэлектриков. В частности, существует три основных метода: увеличение ширины упаковки и размера пластины, увеличение длины упаковки и расстояния между пластинами или комбинация этих двух методов.Все три метода увеличивают объем конденсатора, что является жертвой, которую необходимо принести для увеличения емкости.

Электрический двухслойный конденсатор (EDLC) может решить указанную выше проблему. Он имеет второй диэлектрический слой в корпусе, который работает параллельно первому слою с обеих сторон промежуточного изолятора (рис. 3). EDLC также использует непористые диэлектрики, такие как активированный уголь, углеродные нанотрубки и гели сажи, а также проводящие полимеры.Его емкость намного выше, чем у стандартных электролитических материалов. Эта комбинация дополнительных слоев и более эффективных диэлектрических материалов может увеличить емкость почти на четыре порядка.

Рис. 3. Структура суперконденсаторов

Однако способность к напряжению является слабым местом суперконденсаторов из-за использования диэлектрических материалов. Диэлектрик в EDLC чрезвычайно тонкий, всего порядка нанометров, поэтому он имеет большую площадь поверхности и, таким образом, образует большую емкость.Однако эти тонкие слои не обладают идеальными изоляционными свойствами традиционных диэлектриков и поэтому могут использоваться только при более низких рабочих напряжениях.

III Принцип работы суперконденсаторов

Суперконденсатор – это новый тип компонента, который накапливает энергию через двухслойный интерфейс, образованный между электродами и электролитами. Когда электрод находится в контакте с электролитом, из-за кулоновской силы (рис. 4) и межмолекулярной силы граница раздела твердое тело-жидкость имеет стабильный двухслойный заряд с противоположными знаками.

Рис. 4. Кулоновская сила

Электрический двухслойный суперконденсатор можно рассматривать как две неактивные пористые пластины, подвешенные в электролите, и на две пластины подается напряжение. Потенциал, приложенный к положительной пластине, притягивает отрицательные ионы в электролите, а отрицательная пластина притягивает положительные ионы, тем самым формируя электрический двухслойный конденсатор на поверхностях двух электродов.

Электрическая энергия, запасенная в традиционных физических конденсаторах, происходит от разделения зарядов на двух пластинах, причем эти две пластины разделены вакуумом (относительная диэлектрическая проницаемость равна 1) или слоем диэлектрического вещества (относительная диэлектрическая проницаемость равна ε).

C (емкость) = ε · A / 3,6πd · 10-6 (мкФ)

A – площадь пластины, а d – толщина диэлектрика.

E (накопленная энергия) = C (ΔV) 2/2

, где C – значение емкости, а ΔV – падение напряжения между пластинами. Видно, что если вы хотите получить большую емкость и сохранить больше энергии, вы должны увеличить площадь пластины или уменьшить толщину диэлектрика. Однако гибкое пространство ограничено, что приводит к небольшому количеству хранимой электроэнергии и энергии.

Суперконденсатор сделан из активированного угля в пористом электроде, а раствор электролита заполняется между противоположными углеродными пористыми электродами. Когда напряжение прикладывается к обоим концам, положительные и отрицательные электроны собираются на противоположном пористом электроде, а положительные и отрицательные ионы в растворе электролита будут собираться на интерфейсах, противоположных положительной и отрицательной пластинам из-за эффекта электрическое поле, тем самым образуя два токосъемных слоя, что эквивалентно двум последовательно соединенным конденсаторам.

Активированный углеродный материал имеет сверхвысокую удельную поверхность более 1200 м 2 / г (получается очень большая площадь электрода A), а межфазное расстояние между электролитом и пористым электродом составляет менее 1 нм (a получается очень малое значение толщины диэлектрика d).

Согласно предыдущей формуле расчета, можно увидеть, что емкость этого электрического двухслойного конденсатора намного больше, чем у традиционных физических конденсаторов, а удельная емкость может быть увеличена более чем в 100 раз, так что емкость на единицу веса может достигать 100F / г, а внутреннее сопротивление конденсатора также может поддерживаться на очень низком уровне.

IV Классификация суперконденсаторов

Поскольку суперконденсатор является новым продуктом, в его структуру, материалы и характеристики были внесены различные обновления и корректировки.

В зависимости от содержания, метод классификации суперконденсаторов различается. В настоящее время суперконденсаторы классифицируются по двум основным элементам: принципу работы и типу электролита.

1. Классификация по принципу
(1) Двухслойные электрические конденсаторы

Он возникает в результате противостояния зарядов, вызванного выравниванием электронов или ионов на границе электрода или раствора.Двойной электрический слой образуется на границе раздела между электродом, где проводят электроны, и раствором электролита, где ионы проводят.

Когда к двум электродам прикладывают электрическое поле, анионы и катионы в растворе соответственно мигрируют к положительному и отрицательному электродам, и на поверхности электрода образуется двойной электрический слой. После снятия электрического поля положительные и отрицательные заряды на электродах притягиваются ионами с противоположными зарядами в растворе, что стабилизирует двойной электрический слой, и между положительной и отрицательной электроды.

Рисунок 5. Принцип работы электрических двухслойных конденсаторов

В это время на определенном расстоянии генерируется определенное количество ионных зарядов различной полярности, равных заряду на электроде (дисперсия слой), чтобы сохранить электрическую нейтраль. Когда два электрода подключены к внешней цепи, заряды на электродах перемещаются, создавая ток во внешней цепи. Ионы в растворе мигрируют в раствор и становятся электрически нейтральными.Это принцип зарядки и разрядки двухслойного электрического конденсатора.

(2) Квазиконденсаторы Фарадея

Теоретическая модель квазиконденсатора Фарадея была впервые предложена Конвеем. Его емкость создается на поверхности электрода и вблизи поверхности или в двумерном или квазидвумерном пространстве объемной фазы. Электроактивный материал выполняет осаждение при пониженном потенциале (UPD), что приводит к сильно обратимым окислительно-восстановительным реакциям химической адсорбции-десорбции, которые создают емкость, связанную с потенциалом зарядки электрода.

Рис. 6. Механизм пониженного потенциала (UPD)

Заряды квазиконденсатора Фарадея не только накапливаются на двойном электрическом слое, но также генерируются окислительно-восстановительными реакциями между ионами электролита и электродом. активные материалы. Ионы в электролите (такие как H +, OH-, K + или Li +) сначала диффундируют из раствора к границе раздела электрод / раствор под действием электрического поля, а затем входят в объемную фазу активации оксида на электроде. поверхность через окислительно-восстановительную реакцию на границе раздела, таким образом, большое количество зарядов накапливается в электроде.

Во время разряда эти ионы, попадающие в оксид, снова возвращаются в электролит посредством обратной реакции вышеупомянутой окислительно-восстановительной реакции, а накопленный заряд высвобождается через внешнюю цепь. Это механизм зарядки и разрядки квазиконденсатора Фарадея.

2. Классификация по электролиту

Электролиты – это соединения, которые обладают проводимостью при растворении в водном растворе. Электролиты в суперконденсаторах – это в основном водные электролиты и органические электролиты.

Водные электролиты подразделяются на кислотные, щелочные и нейтральные, а состав электролитов с разными характеристиками также различается. Например, кислотный электролит состоит из 36% водного раствора h3SO4, а щелочной электролит состоит из сильных оснований, таких как КОН и NaOH.

В органических электролитах обычно используются соли лития на основе LiClO4, соли четвертичных аминов на основе teABF4 и т. Д. В качестве электролитов, а иногда и соответствующие растворители, такие как PC, ACN, GBL, THL и т. Д., Могут быть добавлены в соответствии с потребностями, что значительно улучшит свойства суперконденсаторов.

Рис. 7. (a) CV, показывающие сравнение водного и органического электролита при 2 мВ 1.

(b) Графики Рагона пяти ячеек, обработанных в водном электролите (2 М КОН), и их сравнение с ячейкой, собранной в органическом электролите (TEABF 4 / PC).

В Основные параметры и характеристики суперконденсаторов

1.Основные параметры
(1) Срок службы

Если внутреннее сопротивление суперконденсатора увеличивается, емкость уменьшается в пределах указанного диапазона параметров. Его эффективное время службы может быть увеличено, что в основном связано с его характеристиками. Если утраченная живучесть утрачивается и внутреннее сопротивление увеличивается, рабочее время также сокращается. Когда способность накапливать электрическую энергию падает до 63,2%, суперконденсатор больше не может использоваться.

(2) Напряжение

Суперконденсатор имеет рекомендованное и оптимальное рабочее напряжение. Если используемое напряжение выше рекомендуемого, срок службы конденсатора сократится. Однако конденсатор может работать непрерывно в течение длительного времени в состоянии перенапряжения, а активированный уголь внутри конденсатора будет разлагаться и превращаться в газ, который полезен для хранения электрической энергии. Оно не может превышать 1,3-кратное рекомендуемое напряжение, в противном случае суперконденсатор будет поврежден из-за чрезмерного напряжения.

(3) Температура

Нормальная рабочая температура суперконденсатора составляет от -40 до 70 ° C. Температура и напряжение – важные факторы, влияющие на срок службы суперконденсаторов. Каждое повышение температуры на 5 ° C сокращает срок службы конденсатора на 10%. При низких температурах увеличение рабочего напряжения конденсатора не приведет к увеличению внутреннего сопротивления конденсатора, что может повысить эффективность конденсатора.

(4) Разряд

В технологии импульсной зарядки внутреннее сопротивление конденсатора является важным фактором; при малом токе разряда емкость также является важным фактором.

(5) Зарядка

Существует множество способов зарядки конденсаторов, например зарядка постоянным током, зарядка постоянным напряжением и зарядка импульсным током. В процессе зарядки подключение резистора последовательно с емкостной петлей снизит зарядный ток и увеличит срок службы батареи.

Рис. 8. Зарядка при постоянном токе и постоянном напряжении

2. Рабочие характеристики
(1) Преимущества

Суперконденсатор как новое энергетическое устройство имеет следующие основные преимущества:

1) Высокая плотность мощности

Внутреннее сопротивление суперконденсатора очень мало, и быстрое накопление и высвобождение зарядов может быть реализовано на границе раздела электрод / раствор и в теле материала электрода.Следовательно, его удельная мощность на выходе достигает нескольких киловатт / кг, что не может сравниться ни с одним химическим источником энергии, и в десятки раз больше, чем у обычных аккумуляторных батарей.

2) Длительный цикл зарядки и разрядки

В процессе зарядки и разрядки суперконденсатор переносит только ионы и заряды. Фазового перехода, вызванного электрохимической реакцией, не происходит. Поэтому его емкость практически не имеет затухания. Срок службы может достигать более 10 000 раз, что намного больше, чем время цикла зарядки и разрядки аккумулятора.

3) Короткое время зарядки

По результатам проведенных на данный момент тестов зарядки суперконденсаторов, когда плотность тока составляет 7 мА / см 2 (эквивалентно плотности тока зарядки обычного аккумулятора), Время полной зарядки составляет всего 10-12 минут, а аккумулятор не может быть полностью заряжен за такое короткое время.

4) Специальная плотность мощности и средняя плотность энергии

Для обычных аккумуляторных батарей, если плотность энергии высока, ее удельная мощность не будет слишком высокой; и если плотность мощности высока, ее плотность энергии не будет слишком высокой.Однако, хотя суперконденсатор обеспечивает высокую выходную удельную мощность от 1 до 5 кВт / кг, его удельная энергия может достигать от 5 до 20 Втч / кг. Если его объединить с аккумулятором, он образует систему накопления энергии с высокой плотностью энергии и высокой выходной мощностью.

Рис. 9. Зависимость мощности от плотности энергии

5) Длительный срок хранения

Во время хранения суперконденсатора после зарядки, несмотря на небольшой ток утечки, перемещение ионов или протонов То, что происходит внутри суперконденсатора, генерируется под действием электрического поля, а не химической или электрохимической реакции.Материал электрода также относительно стабилен в электролите, поэтому срок хранения суперконденсатора практически неограничен.

6) Широкий диапазон рабочих температур

Суперконденсатор может работать при температуре от -50 до + 75 ℃, и его характеристики лучше, чем у традиционных конденсаторов и батарей.

(2) Недостатки

По результатам испытаний суперконденсаторов этот новый тип конденсаторов также имеет недостатки.Например:

1) Утечка

Неправильное положение установки суперконденсатора легко вызовет такие проблемы, как утечка электролита и нарушение конструктивных характеристик конденсатора.

2) Цепь

Суперконденсаторы можно использовать только в цепях постоянного тока. По сравнению с алюминиевыми электролитическими конденсаторами суперконденсаторы имеют большее внутреннее сопротивление и не подходят для работы в цепях переменного тока.

Рис. 10. Алюминиевый электролитический конденсатор

3) Цена

Поскольку суперконденсатор представляет собой новое поколение высокотехнологичных продуктов, его цена была относительно высокой, когда он впервые был представлен на рынке , увеличивая стоимость эксплуатации оборудования.

VI Идентификация суперконденсаторов

Понятие суперконденсаторов на рынке очень запутанное, поэтому необходимо знать, как идентифицировать различные типы суперконденсаторов.

1. Идентификация суперконденсаторов и аккумуляторов

(1) На основе теории двойного электрического слоя электрохимические реакции в процессе заряда и разряда суперконденсатора отсутствуют. Следовательно, напряжение суперконденсатора может быть сброшено до нуля, и два конца суперконденсатора закорочены во время хранения, что означает, что суперконденсатор не будет иметь заряда или напряжения, когда он не используется.

Запрещается сбрасывать напряжение аккумулятора до нуля, а положительный и отрицательный электроды не могут быть закорочены.Это вызовет короткое замыкание и повредит аккумулятор.

Таким образом, мы можем легко отличить эти два электрода только по тому, закорочены ли два электрода. Конечно, также эффективно их дифференцировать, проверяя, может ли он разряжаться до нуля.

Батареи и суперконденсаторы

(2) Теоретически два электрода суперконденсатора симметричны, поэтому обратное напряжение может работать.Работа с обратным напряжением недопустима или невозможна для аккумуляторных батарей.

(3) Связь между напряжением и зарядом суперконденсатора во время процесса зарядки является линейной, а зависимость между напряжением батареи и зарядом не является линейной.

2. Идентификация электрического двухслойного суперконденсатора и электрохимического суперконденсатора

Потому что характеристики электрохимических суперконденсаторов очень похожи на характеристики батарей.Электрические двухслойные суперконденсаторы могут сбрасывать напряжение до нуля, а электрохимические суперконденсаторы не могут сбрасывать напряжение на клеммах до нуля. А ESR двухслойных суперконденсаторов намного ниже, чем у электрохимических суперконденсаторов.

Кроме того, из-за электрохимической реакции электрохимического суперконденсатора во время процесса заряда и разряда соответствующее накопление и высвобождение энергии выше, чем у двойного электрического суперконденсатора.Следовательно, эквивалентное число Фарад у электрохимического суперконденсатора больше, чем у суперконденсатора с двойным электрическим слоем.

3. Идентификация суперконденсаторов в водных и органических растворах

Номинальное напряжение суперконденсаторов органических систем составляет от 2,3 до 2,7 В, а суперконденсаторов на водной основе ниже 1,6 В. Для одиночных суперконденсаторов можно различать их только по их номинальному напряжению.А плотность энергии органических суперконденсаторов выше, чем у суперконденсаторов на водной основе. Кроме того, водные суперконденсаторы обычно относительно большие и тяжелые.

С точки зрения упаковки, упаковка органических суперконденсаторов малой емкости аналогична упаковке электродных конденсаторов или кнопочных батарей, в то время как суперконденсаторы на водной основе не имеют аналогичных форм упаковки.

Рис. 11. Батарейки-пуговицы

В аспекте ESR, ESR водяного суперконденсатора, основанного на принципе двойного электрического слоя, ниже, чем у органической системы, поэтому ток разряда суперконденсатора выше, чем в органической системе.

VII Меры предосторожности при использовании

Не все аспекты суперконденсаторов превосходны в процессе использования. Из-за ограничений технологии изготовления по-прежнему есть недостатки в установке и наладке. Многие сбои схемы вызваны слепым использованием суперконденсаторов, что влияет на производительность всего устройства. Меры предосторожности при использовании суперконденсаторов включают:

1. Суперконденсаторы имеют фиксированную полярность.Перед использованием проверьте полярность.

2. Суперконденсаторы должны использоваться при номинальном напряжении. Когда напряжение на конденсаторе превышает номинальное, электролит разлагается, при этом конденсатор нагревается, емкость уменьшается, а внутреннее сопротивление увеличивается, что сокращает срок службы.

3. Суперконденсаторы не должны использоваться в высокочастотных цепях зарядки и разрядки. Высокочастотная быстрая зарядка и разрядка нагревают конденсатор, что снижает емкость и увеличивает внутреннее сопротивление.

4. Температура окружающей среды оказывает большое влияние на срок службы суперконденсатора. Поэтому суперконденсаторы следует размещать как можно дальше от источников тепла.

5. Когда суперконденсатор используется в качестве резервного источника питания, в момент разряда возникает падение напряжения из-за его большого внутреннего сопротивления.

Рис. 12. Схема цепи резервного питания

6.Суперконденсаторы нельзя размещать в среде с относительной влажностью выше 85% или содержащей токсичные газы. В этих условиях провода и корпус конденсатора будут корродированы, что приведет к отключению.

7. Суперконденсаторы нельзя размещать в условиях высокой температуры и высокой влажности. Его следует хранить в среде с температурой от -30 до 50 ° C и относительной влажностью менее 60%.

8. Когда суперконденсатор используется на двухсторонней печатной плате, следует отметить, что соединение должно находиться вдали от мест, куда конденсатор может дотянуться, иначе это вызовет короткое замыкание.

Рис. 13. Двусторонняя печатная плата

9. Когда конденсатор припаян к печатной плате, корпус конденсатора не должен контактировать с печатной платой, иначе припой проникнет внутрь. в резьбовое отверстие конденсатора и влияют на производительность конденсатора.

10. После установки суперконденсатора не наклоняйте и не перекручивайте конденсатор с усилием. Это приведет к потере выводов конденсатора и ухудшению его характеристик.

11. Избегайте перегрева конденсаторов во время пайки. Если конденсатор перегреется во время сварки, это сократит срок службы конденсатора.

12. После пайки конденсатора монтажную плату и конденсатор необходимо очистить, поскольку некоторые загрязнения могут привести к короткому замыканию конденсаторов.

13. Когда суперконденсаторы используются последовательно, возникает проблема с балансом напряжений между мономерами.Простое последовательное соединение вызовет перенапряжение в одном или нескольких одиночных конденсаторах, что повредит эти конденсаторы и повлияет на общую производительность. Поэтому при последовательном использовании конденсаторов необходима техническая поддержка производителей.

14. Если во время использования суперконденсаторов возникают другие прикладные проблемы, мы должны проконсультироваться с производителем или обратиться к соответствующим техническим данным в инструкциях.

VIII Основные области применения суперконденсаторов

1.Применение в солнечной энергетической системе

Использование солнечной энергии в конечном итоге сводится к двум аспектам: использование солнечной энергии и использование солнечного света. Производство солнечной энергии подразделяется на производство фотоэлектрической энергии и производство солнечной тепловой энергии, при этом в фотоэлектрической генерации используются фотоэлектрические (PV) элементы для прямого преобразования солнечной энергии в электричество. Производство фотоэлектрической энергии намного лучше, чем производство солнечной тепловой энергии с точки зрения эффективности преобразования, стоимости оборудования и перспектив развития.С момента появления практических фотоэлектрических элементов из поликристаллического кремния в мире появилось применение солнечной фотоэлектрической генерации энергии.

Рис. 14. Основная работа фотоэлемента

В настоящее время солнечные фотоэлектрические системы выработки энергии имеют три направления развития: независимая работа, подключенные к сети и гибридные фотоэлектрические системы выработки энергии. В независимой операционной системе обычно требуется накопитель энергии, который может хранить оставшуюся электрическую энергию, излучаемую солнцем, для использования, когда солнечного света недостаточно или нет.В настоящее время спрос на международную фотоэлектрическую энергетику начал развиваться от удаленных сельских и специальных приложений до энергии, поставляемой за счет комбинации подключенной к сети генерации и строительства, а производство фотоэлектрической энергии перешло от дополнительной энергии к альтернативной энергии.

Система накопления энергии, состоящая из комплекта батарей, может сглаживать колебания электроэнергии, вызванные колебаниями интенсивности солнечного света, а также может компенсировать внезапные падения или скачки напряжения в системе электросети.Однако из-за ограниченного времени зарядки и разрядки и медленного времени зарядки и разрядки при высоких токах срок его службы невелик, а стоимость высока. Следовательно, использование батарей суперконденсаторов в солнечных фотоэлектрических системах производства электроэнергии сделает их производство электроэнергии, подключенное к сети, более целесообразным.

2. Применение в ветроэнергетике

Как самая быстрорастущая технология производства энергии из возобновляемых источников, ветровая энергия имеет широкие перспективы применения.Однако энергия ветра является источником энергии, изменяющимся случайным образом, и изменения скорости ветра вызовут колебания выходной мощности ветряных турбин, что повлияет на качество электроэнергии в энергосистеме.

Рис. 15. Традиционная ветроэнергетика

В настоящее время колебания активной мощности ветровой энергии в основном напрямую регулируют рабочее состояние ветряной турбины для сглаживания ее выходной мощности, но возможность регулирования мощности этого метод ограничен.Колебания реактивной мощности обычно используют параллельные устройства компенсации статической реактивной мощности для регулировки реактивной мощности, но это устройство не может подавить колебания активной мощности.

Добавляя дополнительное оборудование для аккумулирования энергии, можно регулировать реактивную мощность, можно стабилизировать напряжение на шине ветряной электростанции, а активную мощность можно регулировать в широком диапазоне.

Исследование ветроэнергетики показывает, что колебания мощности в диапазоне 0,01–1 Гц оказывают наибольшее влияние на качество электроэнергии в энергосистеме.Сглаживание колебаний мощности ветра в этой полосе частот оказывает наибольшее влияние на качество электроэнергии в энергосистеме, которое можно стабилизировать с помощью краткосрочного накопления энергии. Таким образом, оборудование для хранения энергии малой емкости, способное обеспечивать кратковременное хранение энергии, имеет большое прикладное значение для производства энергии ветра.

Благодаря тому, что срок службы заряда и разряда составляет десятки тысяч раз, а также характеристики сильноточного заряда и разряда, суперконденсаторы могут адаптироваться к большим колебаниям тока в энергии ветра.Он может поглощать энергию при наличии достаточного количества солнечного света или сильного ветра в течение дня и может разряжаться ночью или при слабом ветре, чтобы можно было сгладить колебания энергии ветра, что делает подключение к сети более эффективным.

3. Суперконденсаторы в разработке транспортных средств на новой энергии

В области транспортных средств на новой энергии суперконденсаторы могут использоваться вместе с вторичными батареями для хранения энергии и защиты аккумулятора. Обычно суперконденсаторы используются с литий-ионными батареями.Идеальное сочетание этих двух факторов образует стабильный, энергосберегающий и экологически чистый источник энергии для силовых транспортных средств, который можно использовать в гибридных и чисто электрических транспортных средствах.

Рис. 16. Транспортные средства на новой энергии

Литий-ионные аккумуляторы решают проблемы зарядки и хранения энергии в автомобиле и обеспечивают надежное питание автомобилей, а суперконденсаторы используются для обеспечения мощной вспомогательной энергии при запуске автомобиля и ускоряется, а также для сбора и хранения энергии при торможении или холостом ходу.

Суперконденсаторы могут быстро восстанавливать и накапливать энергию при торможении, спуске и торможении автомобиля. Он может безопасно преобразовывать избыточную нерегулярную мощность, генерируемую автомобилем, в энергию зарядки аккумулятора для обеспечения безопасной и стабильной работы. Когда автомобиль трогается с места или ускоряется, аккумулятор передает энергию суперконденсатору, и суперконденсатор может обеспечить необходимую пиковую энергию за короткое время.

Рекомендуемый артикул:

Что такое предохранительный конденсатор?

Введение в танталовые конденсаторы

Что такое разделительный конденсатор?

Накопитель энергии с использованием суперконденсаторов: насколько велик достаточно?

ВОПРОС:

Могу ли я использовать простой расчет энергии при выборе суперконденсатора для системы резервного копирования?

Ответ:

Простой расчет энергии не даст результатов, если вы не примете во внимание детали, которые влияют на доступный запас энергии в течение срока службы суперконденсатора.

Введение

В системе резервного питания или резервирования носитель энергии может составлять значительный процент от общей стоимости ведомости материалов (BOM) и часто занимает наибольший объем. Ключом к оптимизации решения является тщательный выбор компонентов, чтобы выдерживать время простоя, но при этом не допускать чрезмерного проектирования системы. То есть необходимо рассчитать запас энергии, необходимый для удовлетворения требований к задержке / резервному времени в течение всего срока службы приложения, без чрезмерного запаса.В этой статье представлена ​​стратегия выбора суперконденсатора и резервного контроллера для заданного времени задержки и мощности с учетом капризов суперконденсаторов в течение срока их службы.

Электростатические двухслойные конденсаторы (EDLC), или суперконденсаторы (supercaps), являются эффективными устройствами накопления энергии, которые устраняют разрыв в функциональности между более крупными и тяжелыми системами на основе батарей и конденсаторами большой емкости. Суперкапсы могут выдерживать значительно более быстрые циклы зарядки и разрядки, чем аккумуляторные батареи.Это делает суперконденсаторы более эффективными, чем батареи, для кратковременного хранения энергии в системах резервного питания с относительно низким энергопотреблением, кратковременной зарядки, буферных пиковых токов нагрузки и систем рекуперации энергии (см. Таблицу 1). Существуют существующие гибридные системы аккумулятор-суперконденсатор, в которых возможности суперконденсаторов с высоким током и кратковременным питанием дополняют долговечные и компактные возможности аккумуляторов.

Таблица 1. Сравнение EDLC и литий-ионных аккумуляторов
* Для сохранения разумного срока службы
Элемент Суперконденсаторы Литий-ионный аккумулятор
Время зарядки / разрядки <1 с до> 10 с от 30 мин до 600 мин
Прекращение действия / завышение платы Есть
Эффективность заряда / разряда от 85% до 98% от 70% до 85%
Срок службы 100 000+ 500+
Мин. До макс. Напряжения элемента (В) 0 до 2.3 * от 3 до 4,2
Удельная энергия (Втч / кг) от 1 до 5 от 100 до 240
Удельная мощность (Вт / кг) 10 000+ от 1000 до 3000
Температура (° C) от –40 ° C до + 45 ° C * от 0 ° C до + 45 ° C зарядка *
Скорость саморазряда Высокая Низкий
Искробезопасность Высокая Низкий

Важно отметить, что более высокие температуры и более высокие напряжения элементов в суперкапсах уменьшают срок его службы.Важно обеспечить, чтобы напряжения элементов не превышали номинальные значения температуры и напряжения и чтобы эти параметры оставались в пределах желаемых рабочих уровней в приложениях, где суперконденсаторы установлены друг над другом или когда входное напряжение не регулируется должным образом (см. Рисунок 1).

Рисунок 1. Пример слишком простой конструкции, приводящей к рискованной схеме зарядки суперконденсатора.

Может быть сложно получить надежное и эффективное решение с использованием дискретных компонентов. Напротив, интегрированные решения для зарядного устройства с суперконденсатором / резервного контроллера просты в использовании и обычно обеспечивают большинство или все из этих функций:

  • Хорошо стабилизированное напряжение ячейки независимо от колебаний входного напряжения
  • Активная балансировка напряжения отдельных ячеек, собранных в стопку для обеспечения согласования напряжения во всех рабочих условиях, независимо от рассогласования между ячейками
  • Низкие потери проводимости и низкое падение напряжения на ячейке, чтобы гарантировать, что система получает максимальное количество энергии для данного суперконденсатора
  • Ограничение пускового тока для подключения плат под напряжением
  • Связь с главным контроллером

Выбор правильного интегрированного решения

Analog Devices предлагает обширную линейку интегрированных решений, которые включают в себя все необходимые схемы, чтобы охватить основы вашей системы резервного копирования в единой ИС.В таблице 2 приведены характеристики некоторых зарядных устройств для суперконденсаторов Analog Devices.

Таблица 2. Обзор характеристик интегрированных зарядных устройств Supercap
* Может быть сконфигурирован для более чем четырех конденсаторов
LTC3110 LTC4041 LTC3350 LTC3351 LTC3355
V IN (V) 1.8 по 5,25 от 2,9 до 5,5
(60 В OVP)
от 4,5 до 35 от 4,5 до 35 от 3 до 20
Зарядное устройство
(V IN → V CAP )
Понижающее напряжение 2 А 2,5 А бак 10+ понижающий контроллер 10+ понижающий контроллер 1 А доллар
Количество ячеек 2 от 1 до 2 от 1 до 4 * от 1 до 4 * 1
Балансировка ячеек Есть Есть Есть Есть
V КРЫШКА (V) 0.От 1 до 5,5 от 0,8 до 5,4 1,2 к 20 1,2 к 20 от 0,5 до 5
DC-to-DC (V CAP → V OUT ) Понижающее напряжение 2 А Повышение 2,5 А Регулятор наддува 10+ А Контроллер наддува 10+ А , наддув, 5 А
В ВЫХ Диапазон (В) 1.8 по 5,25 от 2,7 до 5,5 от 4,5 до 35 от 4,5 до 35 2,7 к 5
PowerPath Внутренний полевой транзистор Внешний полевой транзистор Внешний полевой транзистор Внешний полевой транзистор Раздельное усиление
Ограничение пускового тока Есть
Мониторинг систем PWR fail, PG В, I, цоколь, ESR В, I, цоколь, ESR V IN , V OUT , V CAP
Упаковка 24-выводный TSSOP,
24-выводный QFN
4 мм × 5 мм, 24 вывода QFN 5 мм × 7 мм, 38 выводов QFN 5 мм × 7 мм, 38 выводов QFN 4 мм × 4 мм, 20-выводный QFN

Для приложений с 3.Шины питания 3 В или 5 В, учтите:

  • LTC3110: двунаправленный понижающе-повышающий стабилизатор постоянного тока и зарядное устройство / балансир на 2 А
  • LTC4041: суперконденсаторный регулятор резервного питания на 2,5 А

Для приложений с шинами питания 12 В или 24 В или если вам требуется резервное питание свыше 10 Вт, рассмотрите:

  • LTC3350: резервный контроллер сильноточного суперконденсатора и системный монитор
  • LTC3351: зарядное устройство суперконденсатора с горячей заменой, резервный контроллер и системный монитор

Если в вашей системе требуется основной понижающий регулятор для 3.Шины 3 В или 5 В со встроенным повышающим преобразователем для резервного копирования с использованием одного суперконденсатора или другого источника энергии для временного резервного или сквозного питания, вам следует учитывать:

  • LTC3355: понижающий преобразователь постоянного тока 20 В, 1 А со встроенным зарядным устройством суперконденсатора и резервным стабилизатором

Analog Devices также предлагает множество других решений с постоянным током / постоянным напряжением (CC / CV), которые можно использовать для зарядки одного суперконденсатора, электролитического конденсатора, литий-ионной батареи или никель-металлгидридной батареи.Вы можете найти больше решений для суперконденсаторов на сайте analog.com.

За дополнительной информацией о других решениях обращайтесь в местный FAE или в региональную службу поддержки.

Расчет времени простоя или резервного копирования

При разработке решения для накопления энергии на суперконденсаторах, насколько большой будет достаточно большой? Чтобы ограничить объем этого анализа, давайте сосредоточимся на классических приложениях для удержания / резервного копирования, используемых в высокопроизводительной бытовой электронике, портативном промышленном оборудовании, для измерения энергии и в военных приложениях.

Хорошей аналогией для этой дизайнерской задачи может быть турист, который хочет определить, сколько воды взять с собой в дневной поход. Меньшее количество воды в начале, безусловно, облегчает подъем в гору, но у него может закончиться вода слишком рано, особенно для сложного похода. С другой стороны, турист, несущий большую бутылку с водой, должен выдержать дополнительный вес, но, вероятно, будет оставаться гидратированным на протяжении всей поездки. Путешественнику, возможно, придется учитывать погоду: больше воды в жаркий день, меньше в прохладный.

Выбор суперконденсатора очень похож; Важны продолжительность задержки и нагрузка, а также температура окружающей среды. Кроме того, необходимо учитывать снижение срока службы номинальной емкости и собственного ESR суперконденсатора. Как правило, определение параметров окончания срока службы (EOL) для суперконденсаторов:

  • Номинальная (начальная) емкость уменьшилась до 70% от номинальной.
  • СОЭ увеличилось вдвое по сравнению с заданным начальным значением.

Эти два параметра важны для следующих расчетов.

Для определения размера компонентов питания важно понимать характеристики удерживаемой / резервной нагрузки. В случае сбоя питания, например, система может отключить некритические нагрузки, чтобы энергия могла быть направлена ​​в ключевые цепи, такие как те, которые сохраняют данные из энергозависимой в энергонезависимую память.

Сбои питания

бывают разных форм, но, как правило, резервное / резервное питание должно позволять системе плавно завершать работу в случае постоянного сбоя или продолжать работу после временного сбоя питания.

В любом из этих случаев размер компонента должен определяться на основе суммы нагрузок, требующих поддержки во время резервного копирования / удержания, и времени, в течение которого эти нагрузки должны поддерживаться.

Количество энергии, необходимое для удержания или резервного копирования системы:

Накопленная энергия в конденсаторе:

Здравый смысл подсказывает, что энергия, запасенная в конденсаторе, должна быть больше, чем требуется для удержания или резервного копирования:

Это приблизительный размер конденсатора, но этого недостаточно для определения размера действительно надежной системы.Необходимо определить ключевые детали, такие как различные источники потерь энергии, которые в конечном итоге приводят к увеличению требуемой емкости. Потери энергии делятся на две категории: потери из-за эффективности преобразователя постоянного тока и потери из самого конденсатора.

Эффективность преобразователя постоянного тока должна быть известна для условий, когда суперконденсатор питает нагрузку во время задержки или резервного питания. Эффективность зависит от условий рабочего цикла (линии и нагрузки) и может быть получена из технических данных контроллера.Устройства, указанные в таблице 2 выше, имеют пиковую эффективность от 85% до 95%, которая может изменяться в зависимости от тока нагрузки и рабочего цикла во время задержки или резервного питания.

Потери энергии суперконденсатора равны энергии, которую мы не можем извлечь из суперконденсатора. Эти потери определяются минимальным входным рабочим напряжением преобразователя постоянного тока. Это зависит от топологии преобразователя постоянного тока в постоянный и называется падением напряжения. Это важный параметр, который следует учитывать при сравнении интегрированных решений.

Взяв предыдущий расчет энергии конденсатора и вычтя энергию, недоступную ниже V Dropout , получим:

А как насчет конденсатора В ? Кажется очевидным, что установка V Capacitor почти на максимальное значение приведет к увеличению накопленной энергии, но эта стратегия имеет серьезные недостатки. Часто суперконденсаторы имеют абсолютное максимальное номинальное напряжение 2,7 В, но типичное значение составляет 2,5 В или меньше. Это связано с учетом срока службы устройства и заданной температуры окружающей среды при эксплуатации (см. Рисунок 2).При использовании конденсатора с более высоким напряжением V при более высокой температуре окружающей среды срок службы суперконденсатора снижается. Для надежных приложений, требующих длительного срока службы или работы при относительно высоких температурах окружающей среды, лучше всего подходит конденсатор с низким напряжением V . Отдельные поставщики суперконденсаторов обычно предоставляют характеристические кривые для расчетного срока службы на основе напряжения зажима и температуры.

Рис. 2. Диаграмма зависимости срока службы от напряжения зажима с использованием температуры в качестве ключевого параметра.

Теорема о максимальной передаче мощности

Третий эффект, который необходимо учитывать, не так очевиден: теорема о максимальной передаче мощности. Чтобы получить максимальную внешнюю мощность от источника суперконденсатора с эквивалентным последовательным сопротивлением (см. Рисунок 3), сопротивление нагрузки должно равняться сопротивлению источника. В этой статье слова out, backup или load взаимозаменяемы, поскольку все три в данном случае означают одно и то же.

Рисунок 3. Питание от конденсаторной батареи с последовательным сопротивлением.

Если мы возьмем диаграмму на рисунке 3 как эквивалентную схему Тевенина, мы можем легко вычислить количество мощности, рассеиваемой через нагрузку, с помощью:

Чтобы найти максимальную передаваемую мощность, мы можем взять производную от предыдущего уравнения и затем решить условие, когда оно равно нулю. Это тот случай, когда R STK = R НАГРУЗКА .

Допуская R STK = R НАГРУЗКА , получаем:

К этому можно подойти интуитивно.То есть, если сопротивление нагрузки больше, чем сопротивление источника, мощность нагрузки уменьшается, так как общее сопротивление цепи увеличивается. Аналогично, если сопротивление нагрузки ниже, чем сопротивление источника, то большая часть мощности рассеивается в источнике из-за более низкого общего сопротивления; аналогично уменьшается количество рассеиваемого в нагрузке. Следовательно, передаваемая мощность максимальна, когда полное сопротивление источника и нагрузки согласовано для заданного напряжения емкости и заданного сопротивления пакета (ESR суперконденсаторов).

Рисунок 4. График зависимости доступной мощности от тока в стеке.

Есть последствия в отношении полезной энергии в конструкции. Поскольку ESR пакетных суперконденсаторов фиксированы, единственное значение, которое изменяется во время операции резервного копирования, – это напряжение пакета и, конечно же, ток пакета.

Для удовлетворения требований к резервной нагрузке, когда напряжение стека уменьшается, требуемый ток для поддержки нагрузки увеличивается. К сожалению, увеличение токов сверх определенного оптимального уровня снижает доступную резервную мощность, поскольку увеличивает потери в ESR суперконденсаторов.Если этот эффект возникает до того, как преобразователь постоянного тока в постоянный достигает своего минимального входного напряжения, он приводит к дополнительной потере полезной энергии.

Рисунок 5. На этой диаграмме показано определение минимального напряжения V IN , необходимого для определенной выходной мощности.

На рисунке 5 показана доступная мощность в зависимости от V STK , при условии оптимального согласования сопротивления с нагрузкой, а также график резервной мощности 25 Вт. Этот график также можно рассматривать как безразмерную временную развертку: поскольку суперконденсаторы удовлетворяют 25 Вт требуемой резервной мощности, напряжение батареи уменьшается по мере того, как она разряжается в нагрузку.При 3 В существует точка перегиба, в которой ток нагрузки превышает оптимальный уровень, что снижает доступную резервную мощность для нагрузки. Это точка максимальной поставляемой мощности системы, и в этот момент потери в ESR суперконденсаторов увеличиваются. В этом примере 3 В значительно выше, чем падение напряжения преобразователя постоянного тока в постоянный, поэтому непригодная для использования энергия полностью связана с суперконденсатором, в результате чего регулятор используется недостаточно. В идеале суперконденсатор достигает напряжения падения, поэтому способность системы обеспечивать мощность максимальна.

Используя предыдущее уравнение для P BACKUP , мы можем решить для V STK (MIN) . Аналогичным образом, мы также можем принять во внимание эффективность повышающего преобразователя и добавить его в это уравнение:

С этим нижним пределом V STK (MIN) мы можем установить коэффициент использования конденсатора α B ​​, который получается из максимального и минимального напряжения элемента:

Не только емкость суперконденсатора жизненно важна для определения времени поддержки, но и ESR конденсатора.ESR суперконденсатора определяет, какая часть напряжения батареи может быть использована для резервной нагрузки, также известной как коэффициент использования.

Поскольку процесс резервного копирования является динамическим с точки зрения входного напряжения, выходного тока и рабочего цикла, полная формула для требуемой емкости стека не так проста, как в более ранних версиях. Можно показать, что окончательная формула:

где η = КПД преобразователя постоянного тока в постоянный.

Методология проектирования резервной системы суперконденсатора

Концепции и расчеты к этому моменту могут быть переведены в методологию проектирования системы резервного копирования supercap:

  • Определите требования к резервному копированию для P Backup и t Backup .
  • Определите максимальное напряжение ячейки, В STK (MAX) , для желаемого срока службы конденсатора.
  • Выберите количество конденсаторов в стеке (n).
  • Выберите желаемый коэффициент использования, α B ​​ для суперконденсатора (например, от 80% до 90%).
  • Решите для емкости C SC :
  • Найдите суперконденсатор с достаточным количеством C SC и проверьте, выполняется ли минимальная формула R SC :
    Если подходящий конденсатор недоступен, повторите, выбрав большую емкость, более высокое напряжение ячейки, больше конденсаторов в стопке или более низкий коэффициент использования.

Учет окончания срока службы суперконденсаторов

Для системы, которая должна достичь определенного срока службы, ранее описанная методология должна быть изменена с использованием значений EOL, обычно 70% от C NOM и 200% от ESR NOM . Это усложняет математику, но существующие инструменты для работы с электронными таблицами доступны на веб-страницах продуктов для большинства менеджеров суперконденсаторов ADI.

Давайте воспользуемся упрощенной методологией на примере LTC3350:

  • Требуемая резервная мощность составляет 36 Вт в течение четырех секунд.
  • В CELL (MAX) настроен на 2,4 В для увеличения срока службы / более высокой температуры окружающей среды.
  • Четыре конденсатора соединены последовательно.
  • КПД преобразования постоянного тока в постоянный (ŋ) составляет 90%.
  • Используя первоначальное предположение о емкости 25 Ф, инструмент для работы с электронными таблицами дает результат, показанный на рисунке 6.
    Рисунок 6. Расчет LTC3350 / LTC3351 для системы задержки 36 Вт, 4 с и емкости 25 Ф.

Исходя из первоначального предположения о емкости 25 Ф, мы получаем необходимое время резервного питания в четыре секунды (с дополнительным запасом 25%) с использованием номинальных значений.Однако, если мы рассмотрим значения ESR и емкости EOL, время автономной работы сократится почти вдвое. Чтобы получить четыре секунды со значениями EOL конденсаторов, мы должны изменить по крайней мере один из наших входных параметров. Поскольку большинство из них фиксированные, емкость – наиболее удобный параметр для увеличения.

  • Увеличивая емкость до 45 Ф, инструмент для работы с электронными таблицами дает результат, показанный на рисунке 7.
    Рис. 7. Расчет LTC3350 / LTC3351 с емкостью 45 Ф.

Необходимое увеличение до 45 F кажется большим, поскольку номинальные значения обеспечивают комфортные девять секунд резервного копирования. Однако с добавлением CAP EOL и ESR EOL и результирующим минимальным напряжением в стеке 6,2 В происходит резкое ухудшение до половины времени резервного питания в EOL. Тем не менее, это соответствует нашему четырехсекундному требованию для времени задержки с дополнительной 5% маржой.

Дополнительные функции Supercap Manager

LTC3350 и LTC3351 предлагают дополнительные функции телеметрии через встроенный АЦП.Эти части могут измерять системные напряжения, токи, емкость и ESR батареи суперконденсаторов. Измерения емкости и ESR выполняются с минимальным воздействием на систему, когда она находится в оперативном режиме. Конфигурация устройства и измерения передаются через I 2 C / SMBus. Это позволяет системному процессору отслеживать важные параметры в течение всего срока службы приложения, обеспечивая соответствие доступного резервного питания системным требованиям.

Способность LTC3350 и LTC3351 измерять емкость и ESR пакета суперконденсаторов в реальном времени позволяет пользователю снизить напряжение фиксации, когда конденсаторы новые, и легко удовлетворить требованиям резервного копирования.Процессор, получающий данные телеметрии, может быть запрограммирован на выполнение ранее показанных вычислений. Это позволило бы системе рассчитывать на лету минимально необходимое напряжение фиксации для обеспечения времени резервного питания с учетом емкости и ESR в реальном времени. Этот алгоритм еще больше увеличит срок службы резервной системы суперконденсатора, поскольку, как показано на рисунке 2, при повышенных температурах срок службы суперконденсаторов может быть значительно увеличен даже за счет небольшого уменьшения напряжения фиксации.

Наконец, LTC3351 имеет функцию контроллера горячей замены в целях защиты. Контроллер с горячей заменой использует N-канальные полевые МОП-транзисторы, соединенные спина к спине, для ограничения тока обратной связи, что снижает пусковой ток и защиту от короткого замыкания в высокодоступных приложениях.

Заключение

Расчет значений емкости, необходимых для соответствия спецификациям резервного копирования, можно рассматривать как простую задачу о потребляемой мощности и накопленной мощности, используя основы передачи энергии при номинальных значениях.К сожалению, этот простой подход не работает, если учесть влияние максимальной передаваемой мощности, емкости оконечного резистора конденсатора и ESR. Эти факторы сильно влияют на доступную энергию в системе в течение ее срока службы. Используя интегрированные решения ADI по суперконденсаторам и ряд доступных инструментов расчета времени резервного питания, инженеры-аналоговые инженеры должны иметь уверенность в проектировании и создании надежных решений для резервного копирования / удержания суперконденсаторов, которые соответствуют проектным требованиям в течение всего срока службы приложения с минимальным влиянием на стоимость.

Разница между конденсатором и суперконденсатором

Ключевое отличие: Конденсатор – это устройство, которое используется для хранения электрического заряда. По сути, это расположение проводников. Конденсатор накапливает электрическую энергию напрямую, поскольку между двумя металлическими «пластинами» создается электростатическое поле. Суперконденсатор также известен как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор. Суперконденсатор имеет тенденцию отличаться от обычного конденсатора своей очень большой емкостью.Суперконденсатор имеет промежуточные характеристики между обычными конденсаторами и батареями.

Конденсатор накапливает электрический заряд и способен при необходимости разряжать его. Он блокирует постоянный ток и позволяет переменному току проходить через него. По сути, это расположение проводников. Благодаря своим характеристикам конденсатор широко используется при формировании электронных схем. Конденсатор накапливает электрическую энергию напрямую, так как между двумя металлическими «пластинами» создается электростатическое поле. Конденсатор обычно состоит из двух металлических пластин или металлической фольги, разделенных изолятором, известным как диэлектрический материал.В качестве диэлектрического материала можно использовать любое непроводящее вещество. Однако обычно предпочтительны фарфор, майлар, тефлон, слюда, целлюлоза. Таким образом, конденсатор можно определить как набор двух проводящих поверхностей, разделенных диэлектрической средой.

Конденсатор определяется типом выбранного диэлектрика и материала электродов. Он также определяет применение конденсатора. Диэлектрический материал является основным веществом, которое помогает хранить электрическую энергию. Мера устройства для хранения заряда при заданном напряжении определяется термином «емкость».Он может быть подключен последовательно или параллельно индуктору для создания резонансного колебательного контура для индукционного нагрева.

Суперконденсатор также известен как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор. Суперконденсатор имеет тенденцию отличаться от обычного конденсатора своей очень большой емкостью. Эти конденсаторы имеют очень высокую плотность энергии по сравнению с обычными конденсаторами. Они весьма полезны для гибридных автомобилей.

Суперконденсатор на двухслойном механизме был разработан в 1957 году.Суперконденсатор можно использовать в приложениях, где используются батареи. Их можно заряжать и разряжать непрерывно. Основное различие между конденсатором и суперконденсатором заключается в том, что суперконденсаторы основаны на углеродной технологии. Благодаря этой углеродной технологии эти конденсаторы могут создавать очень большую площадь поверхности. Эта область существует даже при чрезвычайно малом расстоянии разделения. Эффективная толщина «диэлектрика» в суперконденсаторе чрезвычайно мала. Из-за пористой природы углерода площадь поверхности остается чрезвычайно высокой и обеспечивает очень высокую емкость.

Сравнение конденсатора и суперконденсатора:

Конденсатор

Суперконденсатор

Определение

В конденсаторах энергия хранится в их электрическом поле.

Суперконденсатор также известен как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор. Суперконденсатор имеет тенденцию отличаться от обычного конденсатора своей очень большой емкостью.

Плотность энергии

Сравнительно низкий

Сравнительно очень высокий

Диэлектрические материалы

Диэлектрические материалы, такие как керамика, полимерные пленки или оксид алюминия, используются для разделения электродов.

Активированный уголь используется в качестве физического барьера между электродами, поэтому при приложении электрического заряда к материалу создается двойное электрическое поле.Это электрическое поле действует как диэлектрик.

Стоимость

Сравнительно дешево

Сравнительно дорого

Преимущества

  • Меньше разряда батареи – батарея автомобиля не разряжается из-за конденсатора.
  • Мощные стереосистемы – Рабочий механизм усилителей и сабвуферов основан на конденсаторах
  • Меньше повреждений оборудования – помогает избежать чрезмерного потребления энергии.

  • Высокий накопитель энергии – По сравнению с традиционными конденсаторными технологиями, он обладает на несколько порядков большей плотностью энергии.
  • Низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) – по сравнению с батареями они имеют низкое внутреннее сопротивление. Таким образом, обеспечивается возможность высокой удельной мощности.
  • Быстрая зарядка / разрядка – их можно заряжать и разряжать без повреждения деталей.
  • Высоковольтный электролитик, используемый в источниках питания.
  • Аксиальный электролитический; меньшее напряжение меньшего размера для общего назначения, где требуются большие значения емкости.
  • Диск керамический высоковольтный; малый размер и значение емкости, отличные характеристики допуска.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *