Ионистор это: Ионистор. Что такое и зачем нужен?

Дополнительная информация. На автомобилях, работающих на жидком топливе, стали устанавливать ионисторы для обеспечения лёгкого пуска двигателя в условиях Крайнего Севера.

Суперконденсатор с АКБ для облегчённого пуска двигателя

Для пропаганды и рекламы автомобилей, работающих на ионисторах, ведущие автоконцерны постоянно проводят автогонки на таких автомашинах. Зрители на таких мероприятиях проявляют большой интерес к перспективе развития электрического индивидуального транспорта.

Суперконденсаторы стремительно ворвались в сферу бытовой электроники. Их можно заметить в блоках резервного питания ноутбуков, смартфонов. Ионисторы встроены в операционные блоки персональных компьютеров. Они предохраняют от потери данных во время аварийных отключений от постоянного источника электроэнергии.

Ионистор для бесперебойного питания ПК

Специалисты предсказывают повсеместную замену традиционного общественного транспорта на гибридные модели. Троллейбусы смогут преодолевать трудные участки дороги без троллей с использованием питания бортовых ионисторов. Учёные во всём мире ведут поиски новых материалов для изготовления сверхмощных суперконденсаторов.

Суперконденсаторы на схемах обозначают в виде прямоугольников или треугольников, в поле которых присутствуют две латинские литеры IC.

Обозначение ионистора на схеме

Для изготовления суперконденсатора своими руками потребуются:

• фольга, можно взять вкладку из пачки сигарет, она будет диэлектриком;
• таблетка активированного угля, это будет электрод;
• клей ПВА в качестве электролита.

Изготавливают простейший ионистор своими руками следующим образом:

1. Мелко размолотый уголь перемешивают с клеем ПВА.
2. Кистью наносят смесь на один отрезок фольги.
3. После каждой просушки наносят следующий клеевой слой. Трех слоев вполне достаточно для изготовления ионистора.
4. На высушенную поверхность накладывают второй отрезок фольги после обработки клеем ПВА.
5. Приложив с двух сторон модели проводки от батарейки, заряжают самодельный ионистор.

Самодельный ионистор

Продемонстрировать возможности самоделки можно, услышав сигнал подсоединённого маломощного динамика, или, если применить его для свечения светодиода.

Частота, с которой создаются новые модели суперконденсаторов, настолько большая, что порой трудно запоминать новые названия. Специалисты ожидают скорого появления высоковольтных иониксов, которые совершат технологическую революцию во всех сферах деятельности человека.

Что такое ионистор, его устройство область применения и характеристики | Энергофиксик

Ионистор или по-другому суперконденсатор – это своеобразный гибрид обычного конденсатора с аккумуляторной батареей. Давайте познакомимся с этим необычным элементом поближе и узнаем его принцип работы и область применения в современной электронике.

yandex.ru

Как устроен ионистор

За рубежом этот элемент именуется как EDLC (Electric Double Layer Capacitor), что переводится как “конденсатор с двойным электрическим слоем”. И работа изделия базируется на электрохимических процессах.

Ионистор от конденсатора отличается тем, что между электродами нет привычного диэлектрического слоя. Вместо этого сами электроды выполнены из веществ с противоположными типами носителей заряда.

Вы несомненно в курсе, что емкость конденсатора имеет прямую зависимость от площади обкладок. Именно поэтому в ионисторах использованы электроды из вспененного углерода либо же активированного угля.

Разделение электродов осуществляется сепаратором. И вся внутренняя область заполнена электролитом, производящийся на основе растворов кислот и щелочей и имеет кристаллическую и твердую структуру.

yandex.ru

Например, благодаря использованию твердого электролита RbAg4I5 (рубидий, серебро, йод) можно создать ионистор с крайне незначительным саморазрядом, повышенной емкостью и при этом изделие будет выдерживать низкие температуры.

Современные ионисторы, в основе которых используется электролит, из растворов щелочей и кислот не производятся по причине токсичности компонентов.

Принцип работы

yandex.ru

Протекающая электрохимическая реакция заставляет часть электронов оторваться от электродов, в результате чего электрод становится носителем положительного заряда.

Отрицательные ионы, расположенные в электролите, начинают притягиваться электродами с плюсовым зарядом.

Весь этот процесс является условием для формирования так называемого электрического слоя.

А накопленный заряд хранится в пограничной области раздела между электродом и электролитом. И толщина сформированного анионами и катионами слоя составляет от 1 до 5 нм.

Плюсы и минусы суперконденсаторов

yandex.ru

Итак, к плюсам такого изделия как суперконденсатор, можно отнести следующее:

1. Минимальное время зарядки и разрядки изделия. Иначе говоря ионистор можно зарядить за очень короткое время и применять накопленный заряд в то время как на накопление заряда в аккумуляторе уходит довольно продолжительное время.

2. Большое количество циклов заряд-разряд (более 100 000).

3. Нет необходимости обслуживать изделие.

4. Незначительный вес и скромные размеры.

5. Во время зарядки нет необходимости использовать сложные зарядные устройства.

6. Изделие нормально функционирует в температурном коридоре от –40 до +70 градусов по Цельсию.

yandex.ru

К минусам же ионисторов относят

1. Высокая стоимость изделия. До сих пор ионистор стоит существенно дороже обычных конденсаторов и аккумуляторов.

2. Низкое напряжение изделия, на которое рассчитан ионистор. Особенность суперконденсатора такова, что они рассчитаны на довольно низкое напряжение, величина которого зависит от вида применяемого электролита. Для увеличения напряжения ионисторы соединяют последовательно. Но помимо такого соединения необходимо каждый суперконденсатор шунтировать резистором по причине выравнивания напряжение на отдельном ионисторе.

3. Если превысить рабочую температуру в 70 градусов по Цельсию, то высока вероятность, что изделие просто разрушится.

4. Суперконденсатор – полярный элемент, поэтому при подключении необходимо соблюдать полярность.

Ионистор на схемах

На схемах ионистор обозначается точно так же как и электролитический конденсатор и различить их можно лишь по сопутствующей надписи. Так, например, если рядом со схематическим изображением будет написано 0,47F 5,5V, то сразу станет понятно, что перед вами суперконденсатор. Так как обычных конденсаторов на такую емкость не производят да и низкое напряжение помогает определить.

yandex.ru

Область применения

Суперконденсаторы стали активно применяться в современной цифровой аппаратуре. Например, они выступают в роли резервного питания для энергозависимой памяти, микроконтроллеров, электронных часов и т.д.. Так что можно сделать вывод, что они получили довольно широкое распространение.

Заключение

В этой статье мы поговорили об ионисторах, впервые появившихся в 1960 годах в США, а с 1978 года выпускающиеся уже в СССР под маркой К58 – 1. Надеюсь, статья оказалась вам интересна или полезна. Спасибо за ваше внимание и не забываем оценить материал.

ИОНИСТОР

   Ионисторы – это электрохимические приборы предназначенные для хранения электрической энергии. Они характеризуются большим числом заряда – разряда (до нескольких десятков тысяч раз), у них очень длительный срок службы в отличии от других элементов питания (аккумуляторные батареи и гальванические элементы), малый ток утечки, и самое главное – ионисторы могут иметь большую емкость и очень маленькие размеры. Ионисторы нашли широкое применение в персональных компьютерах, автомагнитолах, мобильных устройствах и так далее. Предназначены для хранения памяти когда оснавную батарейку вынимают или устройство отключено. В последнее время ионисторы очень часто стали применить в автономных системах питания на солнечных батарейках.

   Ионисторы также очень долго хранят заряд, независимо от погодных условий, они выносливы к морозам и к жаре, и на работу устройства это никак не повлияет. В некоторых электронных схемах для хранения памяти нужно иметь напряжение которое выше, чем напряжение ионистора, для решения этого вопроса ионисторы подключают последовательно, а для увеличения емкости ионистора их подключают параллельно. Последний вид подключения в основном используют для повышения времени работы ионистора, а также для увеличения тока отдаваемого в нагрузку, для балансировки тока в параллельном соединении каждому ионистору подключают резистор.

   Ионисторы часто используются с аккумуляторами питания и в отличии от них не боятся коротких замыканий и резкого перепада температур окружающей среды. уже сегодня разрабатываются специальные ионисторы с большой емкостью и силой ток которых доходит до 1 ампера, как известно ток ионисторов которые сегодня используют в технике для хранении памяти не превышает 100 миллиампер, это один и самый главный недостаток ионисторов но этот косяк компенсируется выше перечисленными достоинствами ионисторов. В интернете можно встретить немало конструкций на так называемых суперконденсаторах – они-же ионисторы. Ионисторы появились совсем недавно – 20 лет тому назад. 

   По словам ученых, электрическая емкость нашей планеты составляет 700 мкф, сравните с простым конденсатором… Ионисторы в основном делают из древесного угля, который в последствии активировки и специальной обработки становится пористым, две металлические пластинки плотно прижимаются к отсеку с углем. Сделать ионистор в домашних условиях очень просто, но достать пористый уголь почти не реально, нужна домашняя обработка древесного угля, а это несколько проблематично, так что проще купить ионистор и ставить интересные эксперименты на нем. Например параметры (мощность и напряжения) одного ионистора достаточно, чтобы ярко и длительно засветился светодиод или же работала простая мигалка на основе мультивибратора. До новой встречи – А. Касьян (АКА).

   Форум для начинающих

   Форум по обсуждению материала ИОНИСТОР

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.

Ионисторы – аккумуляторы будущего?

Статья о современных ионисторах. Их особенностью является способность отдавать большое количество энергии за очень небольшой временной интервал. Устройство уже широко применяется в различных отраслях. Возможно, что ионисторы скоро повсеместно заменят обычные химические элементы питания.

Ионистор (другие названия: 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. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.

Ионисторы или суперконденсаторы появились сравнительно недавно. Первое такое электрическое устройство запатентовала фирма General Electric в 1957 году. Особенностью ионистора является способность отдавать большое количество энергии за очень небольшой временной интервал. Обыкновенный конденсатор – это две пластины из металла, между которыми расположен слой диэлектрика. Причем электрическая ёмкость конденсатора напрямую зависит от площади пластин, которые исполняют роль электродов. А поскольку увеличение пластин в размерах приводило к увеличению самого прибора, долгое время повысить ёмкость конденсаторов не удавалось. Однако выход всё же нашелся. Благодаря применению для изготовления электродов пористых материалов. Площадь пор такой пластины в десятки раз больше площади поверхности электрода из обычного металла.

После долгих опытов был найден и наиболее подходящий пористый металл. Им оказался обычный активированный уголь. Следующим шагом от конденсатора к ионистору стала замена диэлектрика на кристаллический твёрдый электролит, сделанный на основе растворов кислот и щелочей. При взаимодействии пористого металла с электролитом на его поверхности образуется двойной электрический слой из ионов и электронов. Эти заряды не могут сблизиться из-за сопротивления молекул воды и ионов металла. Таким образом, получается устройство схожее по принципу действия с конденсатором.

Однако расстояние между зарядами, которые, по сути, являются электродами, гораздо меньше толщины диэлектрика, применяемого в обычном конденсаторе, поэтому и электрическая ёмкость такого устройства в десятки раз больше. Для сравнения: энергии обычного конденсатора хватит, чтобы поднять его в воздух примерно на полтора метра, а ионистор весом в 0,5 граммах может подпрыгнуть за счёт своего заряда на целых 293 метра. Во время зарядки ионистора на порах металла с одной стороны образуются положительные ионы, а с другой – накапливаются электроны. В процессе отдачи энергии они плавно перетекают друг к другу, образуя нейтральные атомы металла. Чтобы таким образом не произошла полная разрядка прибора, между слоями металла применяется разделительный слой из нейтрального вещества (пластика, бумаги, ваты и т.д.). Ионистор очень быстро накапливает заряд и также быстро его отдаёт. Кроме этого, у него есть ряд других преимуществ:

• неограниченное количество циклов заряда и разряда;
• накапливаемая энергия обладает высокой плотностью;
• прибор не нагревается в отличие от энергоносителей, в основу действия которых заложены химические реакции;
• удобство зарядки: когда ионистор заряжается полностью, он просто перестает принимать заряд;
• выдерживает температуру от –50 до +85 градусов Цельсия;
• ионистор экологически безопасен;
• коэффициент полезного действия может достигать 98%.

Все эти преимущества позволяют говорить о том, что масштабы применения ионисторов безграничны. Они получили широкое распространение в компьютерных устройствах в качестве источников питания для элементов памяти. В микроэлектронике и радиотехнике ионисторы применяют в качестве кратковременных мощных источников тока и источников бесперебойного питания. В популярных сегодня новых автомобилях с гибридной силовой установкой также используются суперконденсаторы для уменьшения нагрузки на аккумулятор. В качестве замены батарей ионисторы уже применяются во многих областях. Ионисторы малой емкости устанавливают в мобильные телефоны, а особо мощные – в автомобили. Если сравнивать их с обычными химическими батареями, то последние проигрывают по целому ряду показателей. Они экологически небезопасны, имеют ограниченное количество циклов заряда, долго заряжаются, склонны к перегреву. На сегодняшний день более широкому использованию ионисторов препятствует только их высокая цена. Однако компании-производители рассчитывают в течение ближайших 5 лет снизить ее вдвое, применяя нанотехнологии.

– Battery University

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 коммерческих приложений 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 разделяют 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 можно сделать так, чтобы он выдерживал высокое напряжение, суперконденсатор ограничен 2,5–2.7В. 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 разрядиться до 4,5 В 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 цепи обнаружения полного заряда.Это верно для источника постоянного тока и предельного напряжения, подходящего для номинального напряжения конденсатора; превышение напряжения может повредить конденсатор.

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 3 сравнивается суперконденсатор с типичным литий-ионным.

Таблица 3: Сравнение производительности классического суперконденсатора и литий-ионного.
Источник: Maxwell Technologies, Inc.

• Удельная энергия суперконденсаторов сверхвысокой плотности с электродами на основе графена имеет значение Втч / кг, аналогичное литий-ионному.

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 против батареи

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, и это может вызвать путаницу.

Поскольку суперконденсатор не является химическим, напряжение может расти до тех пор, пока не выйдет из строя 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 идеальны, когда требуется быстрая зарядка для удовлетворения кратковременной потребности в электроэнергии; 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 сегодня доступны в семействе свинцово-кислотных аккумуляторов.

Суперконденсаторы наиболее эффективны для устранения перебоев 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 против маховиков, обеспечивающих мощность 2,5 МВт. 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 должны не требовать особого обслуживания и прослужить 20 лет. (Власти считают, что маховики более надежны и энергоэффективны для этого применения, чем батареи. Время покажет.)

В Японии также используются большие суперконденсаторы. Системы мощностью 4 МВт устанавливаются в коммерческих зданиях, чтобы снизить энергопотребление 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.В таблице 4 приведены преимущества и ограничения суперконденсатора.

Таблица 4: Преимущества и недостатки суперконденсаторов.

Последнее изменение: 8 дек.2020 г.

*** Пожалуйста, прочтите комментарии ***

Комментарии предназначены для «комментирования», открытого обсуждения среди посетителей сайта. Battery University отслеживает комментарии и понимает важность выражения точек зрения и мнений на общем форуме. Однако при общении необходимо использовать соответствующий язык, избегая спама и дискриминации.

Если у вас есть предложение или вы хотите сообщить об ошибке, воспользуйтесь формой «свяжитесь с нами» или напишите нам по адресу: BatteryU @ cadex.com. Нам нравится получать от вас известия, но мы не можем ответить на все запросы. Мы рекомендуем размещать свой вопрос в разделах комментариев, чтобы Battery University Group (BUG) могла поделиться им.

Или перейти к другой артикуле

Как работают суперконденсаторы? – Объясни, что материал

Криса Вудфорда.Последнее изменение: 22 июля 2020 г.

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

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

Как можно хранить электрический заряд?

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

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

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество 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, противоположную полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это проиллюстрировано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

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

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

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

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

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

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

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 учения! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Основная единица электрической емкости называется фарад (F), в честь новаторского британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электроэнергии (обычно они измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).В отличие от этого типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (измеренный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это 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 мало или нет внутреннего сопротивления, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. без особых затрат энергии – и работать на очень близких к 100 процентный КПД (обычно 97–98 процентов).

Для чего используются суперконденсаторы?

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

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

Одно из распространенных применений – ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать прерывистую мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, Это означает, что сотни 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 предсказали, что это будет достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году – пятикратный рост всего за несколько лет!

Как работают суперконденсаторы? – Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 22 июля 2020 г.

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

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

Как можно хранить электрический заряд?

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

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

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество 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, противоположную полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это проиллюстрировано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

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

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

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

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

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

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

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 учения! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Основная единица электрической емкости называется фарад (F), в честь новаторского британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электроэнергии (обычно они измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).В отличие от этого типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (измеренный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это 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 мало или нет внутреннего сопротивления, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. без особых затрат энергии – и работать на очень близких к 100 процентный КПД (обычно 97–98 процентов).

Для чего используются суперконденсаторы?

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

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

Одно из распространенных применений – ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать прерывистую мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, Это означает, что сотни 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 предсказали, что это будет достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году – пятикратный рост всего за несколько лет!

Что такое суперконденсатор? – Определение из Техопедии

Что означает суперконденсатор?

Суперконденсатор – это тип конденсатора, который может хранить большое количество энергии, обычно от 10 до 100 раз больше энергии на единицу массы или объема по сравнению с электролитическими конденсаторами.Он предпочтительнее аккумуляторов из-за более быстрой и простой зарядки, а также более быстрой доставки заряда.

Суперконденсатор также известен как ультраконденсатор или двухслойный электролитический конденсатор.

Techopedia объясняет суперконденсатор

Суперконденсатор похож на конденсатор, за исключением большей площади пластин и меньшего расстояния между ними. Пластины металлические, пропитанные электролитом и разделены очень тонким изолятором. В суперконденсаторе создается двойной электрический слой, так как противоположные заряды образуются с обеих сторон сепаратора, когда пластины заряжаются.В результате получается суперконденсатор с большей емкостью. Другими словами, комбинация пластин и большая эффективная площадь поверхности позволяет суперконденсатору иметь большую емкость и более высокую плотность энергии. В отличие от батареи, суперконденсатор имеет неограниченный жизненный цикл с небольшим износом при длительном использовании. Таким образом, его можно заряжать и разряжать неограниченное количество раз.

Суперконденсатор имеет множество преимуществ. Благодаря низкому сопротивлению он может выдавать большую мощность и обеспечивать высокие токи нагрузки.Его механизм зарядки прост и быстр и не подвержен перезарядке. По сравнению с батареей суперконденсатор имеет превосходные характеристики заряда и разряда при высоких и низких температурах. Он также отличается высокой надежностью и низким сопротивлением.

Суперконденсатор имеет определенные ограничения, включая его высокую стоимость и высокий уровень саморазряда. Кроме того, в отличие от обычной батареи, она имеет низкую удельную энергию, а использование полного энергетического спектра затрудняется линейным напряжением разряда.

Благодаря своим свойствам суперконденсаторы используются во многих приложениях. Они широко используются для подачи питания и устранения перерывов в питании. Они заменяют батареи в определенных настройках, например, в устройствах без батареи.

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

Источник: блог Capacitors Faks

Отправленный Энтони Кенни | 27 марта 2018 г.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Пример:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Эмпирическое правило по прогнозированию срока службы:

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

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

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

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

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

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

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

избранный источник изображения: Викимедиа

Что такое суперконденсатор? Объяснение следующего шага для электромобилей и гибридов

► Суперконденсаторы имеют несколько преимуществ перед батареями
► Но в настоящее время есть и недостатки
► Они используются в новом Lamborghini Sian

В 2019 году электромобили широко рассматриваются как преемники автомобилей с ДВС, и производители спешат электрифицировать свои модельные ряды: на автосалоне во Франкфурте в 2019 году будут представлены готовые к производству электромобили от Porsche, VW и Honda, и это лишь некоторые из них.И легко понять почему.

Увеличенный запас хода, больше точек зарядки и общие усовершенствования теперь делают электромобили серьезным соперником бензиновых аналогов. Но для многих они все еще далеки от совершенства: требуется время на зарядку и по-прежнему отсутствует по-настоящему широко распространенная инфраструктура, по крайней мере, в Великобритании.

Хотя сейчас литий-ионная технология используется по умолчанию, она не может быть окончательным ответом, когда дело доходит до питания электромобилей. Суперконденсаторы позволяют решить некоторые давние проблемы, связанные с полностью электрическими автомобилями с батарейным питанием, а также имеют дополнительные преимущества для гибридов.Они могли бы стать толчком для мира электромобилей, но что такое суперконденсаторы, как они работают и настолько ли они научно-фантастические, как кажутся?

Что такое суперконденсатор?

Давайте сначала объясним, что такое суперконденсатор. Иногда называемый ультраконденсатором, суперконденсатор, как и батарея, является средством хранения и высвобождения электричества. Но вместо того, чтобы хранить энергию в виде химикатов, суперконденсаторы хранят электричество в статическом состоянии, что позволяет им быстрее заряжать и разряжать энергию.

В химическую лабораторию!

работают с использованием слоев ячеек с использованием положительных и отрицательных электродов, разделенных электролитом. Они генерируют заряд, поскольку ионы лития переходят от отрицательного к положительному положению при разряде, а при зарядке происходит обратное.

Как работают суперконденсаторы?

, с другой стороны, хранят электричество в статическом состоянии, а не оставляют его «запертым» в химических реакциях. Взломайте конденсатор, и вы обнаружите две проводящие пластины, называемые электродами, разделенные изоляционным материалом, известным как диэлектрик.Эти две пластины, одна положительная, а другая отрицательная, создают электрическое поле при подключении к электрической цепи, которая поляризует атомы в диэлектрике, поэтому положительные атомы сидят на стороне отрицательной пластины, а отрицательные атомы – на стороне положительной пластины. пластина, создавая таким образом заряд.

Во многих отношениях суперконденсатор – это просто конденсатор большего размера с большими электродными пластинами и меньшим расстоянием между ними, что позволяет хранить больший заряд в виде потенциальной электрической энергии.Суперконденсатор не использует диэлектрик; вместо этого пористые электродные пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким разделительным материалом. Когда заряд проходит через электроды, атомы в них становятся поляризованными, придавая электродам положительный или отрицательный заряд.

Затем они притягивают электроны противоположной полярности в электролите и, таким образом, создают двойной электрический слой, а это означает, что суперконденсаторы хранят намного больше энергии, чем их обычные конденсаторные аналоги.

В чем преимущества суперконденсаторов?

Суперконденсаторы уже существуют в автомобилях с системами рекуперативного торможения. Это связано с их большей удельной мощностью, чем у батарей, основанных на химических реакциях, что позволяет им быстро накапливать и разряжать электричество, что удобно для сбора энергии, генерируемой при торможении, а затем быстрого высвобождения ее при ускорении.

В автомобилях, полностью построенных на элементах, таких как Toyota FCHV, также используются суперконденсаторы для обеспечения дополнительной ускоряющей мощности, которую водородные топливные элементы не могут сделать в одиночку.

Им еще предстоит заменить литий-ионные батареи в качестве основного источника энергии, но электрические и гибридные автомобили развиваются из года в год, поэтому у суперконденсаторов есть большой потенциал, чтобы играть большую роль в электромобилях и автомобилях следующего поколения. зарядная инфраструктура для их поддержки.

Поскольку суперконденсаторы в значительной степени полагаются на физику, а не на химию, чтобы хранить свою энергию, они не разлагаются так же, как литий-ионные батареи. Это может предоставить огромные возможности для увеличения срока службы электромобиля, а также для снижения воздействия на окружающую среду использования литий-ионных элементов питания.

Но самым большим преимуществом суперконденсаторов перед литий-ионными и никель-кадмиевыми батареями является их способность быстро заряжаться и разряжаться; мы говорим о зарядке за минуты, а не за часы. Таким образом, суперконденсаторы могут стать панацеей для сокращения часов, которые в настоящее время уходит на перезарядку полностью электрического автомобиля, или могут повысить скорость гибридов, о чем мы расскажем позже в этой статье.

также очень хорошо справляются с беспроводной зарядкой, что в сочетании с их способностью заряжаться на высокой скорости может избавить от необходимости подключать электромобили к точкам питания и сделать процесс зарядки более плавным.

В чем недостатки суперконденсаторов?

В настоящее время с суперконденсаторами связаны две основные проблемы, и самая тревожная – это плотность энергии. Конечно, суперконденсаторы могут поглощать и отдавать большое количество энергии быстрее, чем литий-ионные батареи, но сейчас они не могут хранить столько энергии.

Это проблема, которая делает их менее подходящими для электромобилей в нынешних условиях, но не означает, что они должны быть исключены в будущем. Не забывайте, что потребовалось время, чтобы извлечь приемлемый диапазон пробега из литий-ионных аккумуляторных систем, поэтому есть возможности для повышения плотности энергии суперконденсаторов, если умные люди работают над повышением их эффективности.

Исследователи из Университета Суррея заявили о прорыве в материалах для суперконденсаторов, которые могут позволить им использовать весь диапазон бензиновых автомобилей, но это первые дни, и вы не увидите этого на современных суперконденсаторах.

Вторая проблема с суперконденсаторами в том виде, в каком они стоят, – это разрядка или время, в течение которого они могут удерживать заряд. В настоящее время суперконденсаторы не могут удерживать заряд так же долго, как литий-ионные батареи. Например, если вы оставите автомобиль с суперконденсаторным питанием в гараже на неделю, вы, вероятно, найдете его бесплатно, когда вернетесь.

Быстрая зарядка может решить эту проблему, но вам нужно убедиться, что у вас есть под рукой зарядное устройство, имеющее достаточную силу тока, чтобы обеспечить высокий заряд, с которым может справиться суперконденсатор. У вас вряд ли будет домашнее зарядное устройство на пару тысяч ампер в запасе.

По мере того, как в суперконденсаторах происходят прорывы, мы можем ожидать лучшего накопления энергии и способов предотвращения быстрой разрядки, которая в конечном итоге может привести к тому, что суперконденсаторы вытеснят литий-ионные аккумуляторные системы.Но это похоже на долгий путь.

Суперконденсаторы прямо сейчас? Рука помощи гибридам

По мере того, как в суперконденсаторах происходят прорывы, мы можем ожидать лучшего накопления энергии и способов предотвращения быстрой разрядки, которая в конечном итоге может привести к тому, что суперконденсаторы вытеснят литий-ионные аккумуляторные системы. Но это похоже на долгий путь.

Так что насчет теперь? Хотя суперконденсаторы какое-то время могут не использоваться в электромобилях, эта технология уже идеально подходит для гибридных силовых агрегатов.Суперконденсаторы уже используются для быстрой зарядки источников питания в гибридных автобусах при их движении от остановки к остановке, но такие производители автомобилей, как Lamborghini, обнаруживают, что они также могут добавить серьезную дополнительную производительность.

Когда гибридная энергия используется исключительно для повышения производительности, такие вопросы, как дальность полета и способность удерживать заряд, не так важны – и именно поэтому мы уже наблюдаем, как технологии проникают в мир гиперкаров.

Lamborghini Sian сочетает в себе электромотор мощностью 34 л.с. с питанием от суперконденсатора и двигатель Sant’Agata V12 для sub 3.0 с 0 до 100 км / ч.

В Сиане использование суперконденсатора является единственным методом хранения электроэнергии, но вполне возможно, что мы могли бы получить автомобили, которые также сочетают в себе суперконденсатор и литий-ионную технологию, используя преимущества обоих; литий-ионные батареи по-прежнему будут основным источником энергии, но суперконденсаторы могут их дополнить для более быстрого разряда и перезарядки энергии во время разгона и торможения.

Какое будущее у суперконденсаторов?

Мы просто обдумываем идею, но такая машина могла бы работать на суперконденсаторе вокруг города, где есть инфраструктура для поддержки быстрой зарядки, эффективно переключаясь с powerpoint на powerpoint.Затем для более длительных прогулок автомобиль может переключиться на литий-ионный аккумулятор с рекуперативным торможением, помогающим увеличить запас хода.

Учитывая, что Тесла купила Максвелла, специалиста по суперконденсаторам и батареям, в 2019 году, есть шанс, что именно производитель автомобилей сделает такой электромобиль реальностью; Время покажет, для чего Tesla использует технологию Максвелла.

уже используются для быстрой зарядки блоков питания в гибридных автобусах при их движении от остановки к остановке. В настоящее время такие зарядные устройства коммерчески нецелесообразны для массового производства, но по мере того, как все больше людей покупают электромобили, инфраструктура зарядки, вероятно, разовьется до такой степени, что широко распространенные зарядные устройства для суперконденсаторов станут реальностью.

Итак, мы можем ожидать увидеть точки зарядки суперконденсаторов и беспроводные зарядные устройства, питаемые от них на станциях, как электрический эквивалент бензонасоса, способного заправить автомобиль за считанные минуты.

Чтобы получить немного научной фантастики о вещах, такую ​​зарядку можно было бы расширить с помощью суперконденсаторов, встроенных в дороги, постоянно доставляющих энергию электромобилям, когда они мчатся и останавливаются на светофоре. За пределами выделенных полос на автомагистралях такое видение может показаться немного надуманным.

Но системы электромобилей, аккумуляторы, зарядка и технологии постоянно совершенствуются, поэтому возможности для суперконденсаторов для усиления будущих электромобилей огромны.

Суперконденсатор

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

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

Суперконденсатор определение

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

Как чем суперконденсаторы отличаются от обычных конденсаторов?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Типы суперконденсаторы

Суперконденсаторы находятся в основном подразделяется на три типа:

• Двухместный слойные конденсаторы
• Псевдо -конденсаторы
• Гибрид конденсаторы

Двойной слой конденсаторы

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Псевдоконденсаторы

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

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

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

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

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

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

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

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

Гибрид конденсаторы

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

Преимущества суперконденсаторы

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

Приложения суперконденсаторов

• Вспышка легкие приложения
• Солнечная силовые приложения
• Суперконденсаторы находятся используется в электронных устройствах, таких как портативные компьютеры, портативные медиаплееры, портативные устройства и фотоэлектрические системы стабилизации электроснабжения.