ионистор – это… Что такое ионистор?
Ионистор — Супер конденсаторы (ионисторы) серии MC2600 фирмы Maxwell Technologies, ёмкостью 2600 фар … Википедия
суперконденсатор — Термин суперконденсатор Термин на английском supercapacitor Синонимы Ионистор, супер конденсатор, ультра конденсатор, ultracapacitor, electric double layer capacitor Аббревиатуры Связанные термины пористый материал , углеродные наноматериалы… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
Список новых перспективных технологий — содержит некоторые из самых выдающихся текущих событий, достижений и инноваций в различных областях современной технологии. Новые технологии это те технические нововведения, которые представляют прогрессивные изменения в рамках области… … Википедия
Ultra-capacitor — Супер конденсаторы (ионисторы) серии MC2600 фирмы Maxwell Technologies, ёмкостью 2600 фарад. Ионистор (супер конденсатор, ультра конденсатор) конденсатор с органическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на… … Википедия
Ионистер — Супер конденсаторы (ионисторы) серии MC2600 фирмы Maxwell Technologies, ёмкостью 2600 фарад.
Ионистор (супер конденсатор, ультра конденсатор) конденсатор с органическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на… … Википедия
Ультраконденсатор — Супер конденсаторы (ионисторы) серии MC2600 фирмы Maxwell Technologies, ёмкостью 2600 фарад. Ионистор (супер конденсатор, ультра конденсатор) конденсатор с органическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на… … Википедия
Фарад — (обозначение: Ф, F; прежнее название фарада) единица измерения электрической ёмкости в Международной системе единиц (СИ), названа в честь английского физика Майкла Фарадея. 1 фарад равен ёмкости конденсатора, при которой заряд 1 кулон … Википедия
Электрический конденсатор — У этого термина существуют и другие значения, см. Конденсатор (значения). См. также: варикап Основа конструкции конденсатора две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик … Википедия
Рекуперативное торможение — Toyota Prius 2004 серийный (с 1997) автомобиль с системой рекуперативного торможения Рекуперативное торможение вид электрического торможения, при котором электроэнергия, вырабатываемая тяговыми эле … Википедия
Электрический аккумулятор — {б{redirect|Аккумулятор|Аккумулятор (значения)}} Никель кадмиевые (NiCd) аккумуляторы … Википедия
ИОНИСТОР
Ионисторы – это электрохимические приборы предназначенные для хранения электрической энергии.
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.
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 ИОНИСТОРСуперконденсаторы вместо аккумулятора в автомобиле
Суперконденсатор или ионистор – это что-то нечто среднее между аккумулятором и обычным конденсатором. У него много плюсов, которыми не обладает аккумуляторная батарея. Поэтому, я познакомлю вас с полностью рабочим прототипом батареи для машины на ионисторах.
С помощью него можно не просто завести двигатель пару раз, а вполне полноценно эксплуатировать автомобиль неограниченное время.Понадобится
Этого хватит для первого опытного образца.
Первое испытание с запуском двигателя
Я купил 6 суперконденсаторов и плату балансовой защиты, бывают они продаются индивидуально под каждый ионистор, а бывает и цельная линейка под шесть штук.
Собрал все воедино.
Плата защиты исключает перезаряд суперконденсаторов напряжением выше 2,7В, поэтому использовать ее практически обязательно нужно, если включение элементов производится последовательно.
Далее я припаял клеммы и установил эту батарею на авто. Но предварительно ее необходимо зарядить небольшим током 5-7 А до рабочего напряжения. На это ушло 10-15 минут времени.
После подключения автомобиль завелся без лишних сложностей, двигатель работал стабильно, напряжение в бортовой сети держалось на должном уровне.
В ходе этого эксперимента выяснились следующие плюсы и минут: батарея из ионисторов быстро разряжалась при выключенном зажигании, а именно где-то через 5-6 часов напряжение падало до 10 В.
Это был минус, а плюс был в том, что даже при этом напряжении автомобиль все ещё заводился, так как для ионистора любое напряжение рабочее, в отличии от аккумулятора.В итоге запустить двигатель по прошествии одних суток уже не представлялось возможным. И я решил исправить данный недостаток в следующей конструкции.
Схема
Вот схема второго прототипа батареи.
Оговорюсь сразу: солнечной панели и второго аккумулятора в ней нет. Тут также используется линейка из суперконденсаторов с балансной платой. Также добавлен контроллер заряда аккумулятора, пара переключателей, вольтметр и сам небольшой аккумулятор емкостью 7,5АЧ.
Работа устройства такова: перед запуском авто открываем капот и счелкаем верхний по схеме переключатель. Через мощный 50 Ваттный резистор сопротивлением 1 Ом, ионистор начинает заряжаться от аккумулятора. Заряжать напрямую без этого резистора нельзя, так как для аккумулятора это будет равносильно короткому замыканию.
На все про все уходит 15 минут времени.
Для меня это не критично. После этого можно заводить авто и ехать. Также парально резистору воткнут диод Шоттки. Он служит для зарядки аккумулятора после того как двигатель запущен.А заряжается аккумуляторная батарея через контроллер зарядки.
Он нужен для того, чтобы каждый раз не щелкать переключатель включения, а один раз включить и ехать: встать у магазина и уйти на пару часов. И если ионистор начнет тянуть из аккумулятора ток, и разряжать его ниже 11,4 В, то контроллер зарядки тут же его отключит. Тем самым защитит батарею от полного разряда, что может ее погубить раньше срока.
Нижний по схеме переключатель служит для подключения вольтметра либо к ионисторам, либо к батарее.
Полностью рабочий экземпляр батареи на суперконденсаторах
Собрал всю схему в пластиковой коробке. Временно естественно, чисто покататься и испробовать новшество.
Вид устройства с верху.
Защитный контроллер.
Мощный токоограничивающий резистор.
Цифровой вольтметр виден через пластик.
Устанавливаем на автомобиль вместо штатной батареи.
Включаем зажигание и пробуем произвести пуск двигателя.
Мотор запустился быстро, без каких либо проблем.
Производится зарядка ионисторов и аккумуляторной батареи, о чем свидетельствуют показания вольтметра.
Заключение
Теперь поподробнее о достоинствах и недостатка:
Плюсы:
- В отличии от аккумулятора суперконденсаторы надежнее справляются с пиковым пусковым током. Пуск получается надежнее.
- Низкое напряжение вполне является рабочим.
- Имеет низкий вес, от чего всю коробку можно запросто таскать домой на всякий случай.
- Для пуска можно произвести зарядку даже от батареек и спокойно ехать в путь.
Минусы:
- Большой саморазряд. Передвигаться конечно можно, но если необходимо на короткий срок включить габариты или аварийную сигнализацию – мало на что хватит энергии, при заглушенном двигателе естественно.
Ну это то что пришло в голову. Теперь о стоимости. На Али Экспресс супер конденсаторы стоят не так уж и дорого. И если посчитать их 6 и балансную защиту, то выйдет дешевле чем кислотный аккумулятор.
На этом у меня все. Надеюсь мой эксперимент был для вас познавательным и интересным. Удачи всем!
Смотрите видео
Саморазряд ионистора: electronik_irk — LiveJournal
Параллельно с тестированием электролитов тестировал свою сборку ионисторов. Тестирование проходило более двух месяцев, с 7 апреля по 10 июня.
Ёмкость ионисторов, напомню, 4 Фарада, напряжение 16,5В.
Зарядил до 15В, отключил блок питания, и начал каждый день измерять напряжение.
И вот результаты
1) График напряжения:
2) Ток утечки:
Ток около 1,5мкА. Электролит подобной ёмкости будет обладать в 6 раз большей утечкой – 9 мкА
3) Мощность саморазряда:
4) Сопротивление утечки в зависимости от напряжения
5) Саморазряд.
Ионисторы – это уже дело, в отличие от электролитов. Через 2 месяца в них осталось 74% энергии. Саморазряд 12,7%/мес. У обычных Ni-MH аккумуляторов где-то такой же саморазряд(хотя есть аккумуляторы с очень малым саморазрядом)
Исходные данные:
| Дата-время | Напряжение |
| 07.04.2010 0:00 | 15,02 |
| 07.04.2010 9:00 | 14,96 |
| 07.04.2010 21:45 | 14,92 |
| 08.04.2010 9:00 | 14,89 |
| 09.04.2010 15:00 | 14,81 |
| 10.04.2010 15:52 | 14,76 |
| 11.04.2010 13:11 | 14,72 |
12. 04.2010 21:13 | 14,66 |
| 14.04.2010 18:25 | 14,59 |
| 16.04.2010 1:13 | 14,55 |
| 16.04.2010 20:50 | 14,53 |
| 17.04.2010 13:02 | 14,51 |
| 18.04.2010 12:55 | 14,48 |
| 19.04.2010 15:00 | 14,44 |
| 20.04.2010 20:21 | 14,39 |
| 21.04.2010 18:38 | 14,36 |
| 22.04.2010 18:38 | 14,33 |
| 23.04.2010 21:20 | 14,3 |
| 24.04.2010 23:36 | 14,27 |
| 25.04.2010 17:57 | 14,24 |
| 26.04.2010 22:06 | 14,21 |
| 27.04.2010 21:54 | 14,17 |
| 28.04.2010 23:20 | 14,14 |
| 29.04.2010 22:06 | 14,1 |
| 30.04.2010 22:06 | 14,07 |
| 02.05.2010 0:28 | 14,04 |
| 02.05.2010 21:19 | 14,02 |
| 03.05.2010 19:24 | 13,98 |
05. 05.2010 18:32 | 13,91 |
| 06.05.2010 22:02 | 13,88 |
| 07.05.2010 22:52 | 13,85 |
| 09.05.2010 12:07 | 13,8 |
| 10.05.2010 18:13 | 13,76 |
| 12.05.2010 9:06 | 13,71 |
| 13.05.2010 8:38 | 13,68 |
| 13.05.2010 23:49 | 13,66 |
| 14.05.2010 16:52 | 13,63 |
| 15.05.2010 21:54 | 13,6 |
| 16.05.2010 23:46 | 13,57 |
| 17.05.2010 20:18 | 13,54 |
| 18.05.2010 20:56 | 13,51 |
| 20.05.2010 0:39 | 13,47 |
| 21.05.2010 0:01 | 13,44 |
| 22.05.2010 13:39 | 13,39 |
| 23.05.2010 10:23 | 13,36 |
| 24.05.2010 9:01 | 13,33 |
| 25.05.2010 8:57 | 13,3 |
| 26.05.2010 14:39 | 13,27 |
| 27.05.2010 22:11 | 13,24 |
30.05. 2010 12:45 | 13,18 |
| 31.05.2010 23:56 | 13,13 |
| 02.06.2010 14:46 | 13,07 |
| 04.06.2010 0:01 | 13,02 |
| 04.06.2010 14:49 | 12,99 |
| 06.06.2010 16:49 | 12,92 |
| 07.06.2010 14:48 | 12,88 |
| 10.06.2010 14:43 | 12,78 |
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
изменение. Электричество – чрезвычайно универсальный вид энергии, но он
имеет один большой недостаток: в спешке складировать относительно сложно.
Батареи могут удерживать большое количество энергии, но на то, чтобы
заряжать. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но
хранят лишь крошечные количества энергии. В нашем электрическом будущем
когда нам нужно хранить и выделять большое количество электроэнергии очень
быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам
(также известные как ультраконденсаторы), которые
объединить лучшее из обоих миров. Какие они и как работают?
Давайте посмотрим внимательнее!
Фото: Стек суперконденсаторов Maxwell, используемых для хранения энергии в электромобилях.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).
Как можно хранить электрический заряд?
Фото: В типичной угольно-цинковой батарее на заводе хранится электричество, и ее можно разрядить только один раз, прежде чем ее придется выбросить. Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды – миллиарды выбрасываются во всем мире каждый год.
Батареи и конденсаторы выполняют аналогичную работу – хранят электричество, но совершенно по-разному.
Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество называется электролитом. Когда вы включаете питание, химические реакции происходят с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции преобразуют химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти. Как только химические вещества будут исчерпаны, реакции прекращаются и аккумулятор разряжен. В перезаряжаемой батарее, например в литий-ионном блоке питания. в портативном компьютере или MP3-плеере реакция может с радостью бегите в любом направлении – так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз перед заменой батареи.
Фотография: Типичный конденсатор в электронной схеме. В нем хранится меньше энергии, чем в аккумуляторе, но его можно заряжать и разряжать мгновенно, почти любое количество раз.
В отличие от батареи, положительный и отрицательный заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.
В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними – это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы заставить его приклеиться.На пластинах накапливаются положительные и отрицательные электрические заряды, и разделение между ними, предотвращающее их соприкосновение, – это то, что сохраняет энергию. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, поэтому можно сказать, что это делает конденсатор более эффективным в качестве устройства для хранения заряда.
Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не имеют
содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать
и разряжался бесчисленное количество раз без износа.
Но они
есть и большой недостаток: килограмм на килограмм, их базовая конструкция
не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества
электрическая энергия в виде батарей.
Что мы можем с этим поделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо за счет использования лучшего материала для диэлектрика или с помощью металлических пластин большего размера. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно колоссальные тарелки. Грозовые облака, например, это по сути сверхгигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии – и все мы знаем, насколько они велики! Какие об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между тарелками? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.
Artwork: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов.
Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.
Что такое суперконденсатор?
Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными способами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик.Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, есть разница: они обычно построены из разных материалов и имеют несколько разную структуру, поэтому они хранят разное количество энергии. В целях этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.
Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных обкладок. Пластины сделаны из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда.
Представьте на мгновение, что электричество – это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вытереть только крошечные пятна, пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсатора – это электрические губки!
А как насчет разделителя между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как шкала настройки внутри радио).Когда конденсатор заряжен, на одной пластине формируются положительные заряды, а на другой – отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в линию в направлении, противоположном полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении.
Это проиллюстрировано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.
Изображение: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком (серый).Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору сохранять больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.
Внизу: суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых материалов, обычно на основе углерода, пропитанных электролитом.Пластины имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность накапливать гораздо больше заряда.
В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, по обе стороны от сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый двойной электрический слой толщиной, возможно, всего одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму рисунка, вы увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом.
Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают свою гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).
Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, сделанных из таких вещей, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.
Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?
Фотографии: Суперконденсаторы иногда можно использовать как прямую замену батареям.Вот аккумуляторная дрель на базе суперконденсаторов для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавтам-космическим астронавтам не всегда удается дождаться ночи, когда они начнут учиться! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).
Основная единица электрической емкости называется фарад (F), в честь новаторского британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867).
Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электричества (они обычно измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада),
или пикофарады (триллионные доли фарада).В отличие от этого типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (измеренный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это все еще составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в
аккумулятор. Но большим преимуществом суперконденсатора является то, что он может хранить и высвобождать
энергия почти мгновенно – намного быстрее, чем батарея.Это потому, что суперконденсатор работает за счет накопления статического электричества.
заряжается на твердых телах, в то время как батарея полагается на заряды, медленно производимые в результате химических реакций,
часто с жидкостями.
Вы часто видите батареи и суперконденсаторы, сравниваемые с точки зрения их энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова используются как синонимы; в науке мощность – это количество энергии, использованное или произведенное за определенный период времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут быстрее выделять энергию).Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и выделения большого количества энергии, но батареи по-прежнему являются королем для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.
Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольта), их можно подключать последовательно (как батареи) для получения более высоких напряжений для использования в более мощном оборудовании.
Так как суперконденсаторы работают электростатически, а не через
обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и
разряжены любое количество раз (спецификации для коммерческих
суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).
У них небольшое внутреннее сопротивление или оно отсутствует, что означает, что они накапливают и выделяют энергию.
без особых затрат энергии – и работать на очень близких к 100
процентный КПД (обычно 97–98 процентов).
Для чего используются суперконденсаторы?
Если вам нужно сохранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы храните в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно тем, что вам нужно.Суперконденсаторы были широко используется в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах – «энергия резервуары », сглаживающие подачу питания на электрические и электронное оборудование. Суперконденсаторы также можно подключать к батареи, чтобы регулировать подачу питания.
Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для хранения энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко используемых в электромобилях.
Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).
Одно из распространенных применений – ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать прерывистую мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, Это означает, что сотни последовательно соединенных суперконденсаторов необходим для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.
Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А Отчет Allied за 2020 год Маркетинговые исследования оценили мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказывали, что это будет достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году – пятикратный рост всего за несколько лет!
Суперконденсаторы – обзор | Темы ScienceDirect
Суперконденсаторы
Суперконденсаторы – это устройства, которые обладают высокой кулоновской эффективностью и высокой плотностью мощности в течение продолжительных циклов заряда / разряда.
Материал электрода сильно влияет на работу устройства. Поэтому важно использовать материалы, которые потенциально увеличивают плотность энергии суперконденсатора при сохранении высокой плотности мощности и стабильности цикла.
Конденсаторы с двойным электрическим слоем (EDLC) – это тип суперконденсаторов, которые похожи на традиционные конденсаторы в том, что они накапливают энергию за счет разделения зарядов. Следующее уравнение определяет емкость устройства:
(6) C = εrε0Ad
Где ε r – диэлектрическая проницаемость электролита, ε 0 диэлектрическая проницаемость вакуума, A – площадь поверхности электрод, а d – расстояние разделения зарядов.
Псевдоконденсаторы (ПК) используют фарадеевские окислительно-восстановительные процессы на границе раздела электрод / электролит. Во время зарядки также может наблюдаться поверхностная адсорбция или интеркаляция, в зависимости от структуры материала. Следовательно, электродные материалы также требуют большой площади поверхности и электропроводности.
ПК обычно демонстрируют более высокую плотность энергии, но быстро теряют емкость.
Гибридная форма обеих конфигураций приводит к суперконденсаторам, которые состоят из асимметричных электродов фарадеевских и нефарадеевских свойств, которые потенциально могут повысить плотность энергии, не ограничивая возможности устройства по плотности мощности.Для упомянутых типов суперконденсаторов материалы электродов, необходимые для обеспечения исключительных характеристик, должны иметь большую площадь поверхности и высокую электропроводность.
Структуры на основе углерода считаются большими конкурентами в EDLC и изучались в качестве потенциальных электродов. Они не только демонстрируют высокую площадь поверхности и электрическую проводимость, но и демонстрируют широкие окна потенциалов в водных средах, а также хорошую химическую стабильность во многих электролитических растворах с широким диапазоном рабочих температур.Широко известные углеродные материалы, которые используются для применения EDLC, включают, помимо прочего: активированный уголь, графен и УНТ с характеристиками, способными достигать прямоугольных циклических вольтамперограмм почти полной емкости и симметричных гальваностатических профилей заряда-разряда.
При правильной структуре чистые углеродные материалы, демонстрирующие доступные площади поверхности и хорошие электрические и механические свойства, такие как УНТ и графен, могут быть использованы в качестве потенциальных электродов в EDLC и показали хорошую циклическую стабильность и процессы накопления заряда с высокой степенью обратимости.Улучшения электродов все еще продолжаются для возможности создания EDLC с высокой плотностью энергии, а также свойствами с высокой плотностью мощности. Повышение объемной плотности энергии устройства EDLC при сохранении плотности мощности является основной целью текущих исследований для различных приложений. Этого можно добиться, увеличивая площадь поверхности для образования двойного электрического слоя, но этому может препятствовать перенос ионов с плохой связью между порами, которые могут захватывать ионы.Следовательно, также важно облегчить быструю передачу заряда на границе раздела электрод / электролит с длительной структурной стабильностью и эффективно соединенными порами во время циклов заряда / разряда.
В ПК углеродные материалы либо функционализированы, либо составлены для интеграции в качестве электрода. Функционализацию углеродных материалов, таких как УНТ, обычно получают с помощью кислотной и щелочной обработки, они, как видно, демонстрируют повышенную емкость, которая является результатом дополнительных фарадеевских окислительно-восстановительных реакций.В дополнение к улучшенным характеристикам функционализированные УНТ также обладают большой площадью поверхности и подходящими размерами пор для использования в качестве электродов для ПК. Однако функционализация может привести к снижению проводимости материала и потенциально может сделать его нестабильным для длительного использования.
В ПК большинство фарадеевских электродов, демонстрирующих поверхностную окислительно-восстановительную емкость и свойства интеркаляции ионов, также страдают от пониженной электропроводности (Liu et al. ., 2018a, b). По этой причине электроды, изготовленные из электрохимически превосходных оксидов или гидроксидов металлов, например, могут быть составлены из проводящих углеродов, таких как УНТ, чтобы не только обеспечить лучшую электропроводность (в зависимости от их хиральности), но и потенциально ограничить изменение объема.
оксидов металлов во время циклов заряда / разряда.
Для обоих типов симметричных суперконденсаторов активация углеродных материалов играет роль в повышении эффективности материала за счет увеличения площади его поверхности для обеспечения более высоких значений емкости. Кроме того, введение микропор, которое также может быть предпринято путем активации, в пористые углеродные структуры с размерами микропор, которые соответствуют размерам микропор выбранного электролита, положительно влияет на электрохимические характеристики. В ПК активация пористых углеродных структур также вводит функциональные группы с добавленной псевдоемкостью.Шаблонные угли, хотя и являются дорогостоящими из-за их сложной подготовки, могут быть специально адаптированы для определения оптимального соотношения размера пор и результирующих характеристик микропористой структуры электрода. Очень важно, чтобы после обработки микропоры были доступны для электролита, чтобы этот процесс был эффективным.
Еще одно усовершенствование углеродных материалов – инициирование активных центров с переносом заряда, что потенциально увеличивает их электрическую проводимость.
Этого можно добиться с помощью легирования гетероатомом, и, таким образом, также было замечено, что это увеличивает емкость устройства. Кроме того, обработка материалов в наномасштабе может привести к уменьшению длины диффузии ионов.
Еще один интересный подход к улучшению свойств материала – намеренное создание дефектов в структуре материала. В графене, например, ионный перенос обычно происходит вдоль листов и, таким образом, представляет собой гораздо более длинные пути для переноса ионов.Введение дырчатых графеновых или графеновых сеток, в которых дырки вводятся в структуру решетки, позволило осуществить межплоскостной ионный перенос после того, как слои подвергаются сжимающим силам, что привело к сокращению пути переноса заряда (Xu et al . , 2014).
Примечательно, что синергетический эффект объединения различных углеродных материалов вместе может также привести к улучшенным электрохимическим характеристикам. Например, сетки ОСУНТ, образующие мезопористую углеродную структуру, могут быть вставлены вместе с листами восстановленного оксида графена, легированными азотом, для получения микроволокна, показанного на рис.
12. Выровненные ОУНТ имеют относительно низкую емкость двойного электрического слоя, но обладают исключительной электропроводностью и способствуют быстродействию, тогда как восстановленный оксид графена имеет большую площадь поверхности и, следовательно, демонстрирует высокую емкость двойного электрического слоя. Это привело к увеличению площади поверхности, а также электропроводности электрода.
Рис. 12. СЭМ-изображения волокна изображены как (а) площадь поперечного сечения волокна, выделенная на (b), и при большем увеличении на (c) жгуты SWCNT можно увидеть прикрепленными к краям восстановленная поверхность оксида графена на шкале (а) 15 мкм, (б) 0.5 мкм и (в) 300 нм. Шоу
Воспроизведено Ю., Д., Го, К., Ван, Х., и др., , 2014. Масштабируемый синтез иерархически структурированных волокон УНТ-графен для емкостного накопления энергии. Nat. Nanotechnol. 9, 555–562. Авторское право Springer Nature, 2014 г. Дополнительные исключительные механические свойства углеродных материалов, таких как УНТ, углеродные нановолокна и графен, позволяют использовать их в гибких суперконденсаторах для носимых технологий (He et al .
, 2013). Конденсаторы могут быть в форме проволоки или пленки и могут быть отдельно стоящими или с подложкой.Ожидается, что гибкие электроды сохранят структурную стабильность и будут способны выдерживать длительные механические нагрузки с оптимальной химической стабильностью с электролитами. Предполагается, что электроды для медицинских целей также будут биосовместимыми.
Интересно, что прозрачные EDLC привлекают большое внимание в приложениях, требующих визуальной тенденции. ОУНТ в данном случае используются в качестве электродов с оптической прозрачностью 92% (Kanninen et al ., 2016).
В целом, поддержание высоких значений энергии и плотности мощности с соответствующей механической и химической стабильностью, а также высоких скоростей заряда / разряда с длительным сроком службы и низким спадом емкости важно контролировать с появлением новых концепций электрохимических устройств.
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 много преимуществ. Он может обеспечивать высокую мощность и обеспечивать высокие токи нагрузки благодаря низкому сопротивлению. 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.
Могут ли ультраконденсаторы заменить батареи в электромобилях будущего?
Ультраконденсаторы – это круто. Но смогут ли они заменить батареи в электромобилях будущего?
Ультраконденсаторы имеют значительные преимущества перед батареями, в конце концов, они намного легче, быстрее заряжаются, безопаснее и нетоксичны. Однако есть места, где батарейки протирают ими пол.По крайней мере на данный момент.
СВЯЗАННЫЕ С: TESLA ПРИСОЕДИНЯЕТСЯ К «ПРОРЫВНЫМ» ИННОВАЦИЯМ В БАТАРЕЯХ
С недавним приобретением таких производителей ультраконденсаторов, как Tesla, ультраконденсаторы могут оказаться на грани вытеснения аккумуляторов в качестве источника питания для электромобилей.
Что такое ультраконденсатор?
Ультраконденсаторы, также называемые суперконденсаторами, двухслойными конденсаторами или электрохимическими конденсаторами, представляют собой тип системы накопления энергии, который набирает популярность в последние годы.
Их можно рассматривать как нечто среднее между обычным конденсатором и батареей, но они отличаются от того и другого.
Ультраконденсаторы имеют очень высокую емкость по сравнению с их традиционными альтернативами – отсюда и название. Как и батарея, у ультраконденсаторных элементов положительный и отрицательный электроды разделены электролитом. Но в отличие от батарей ультраконденсаторы накапливают энергию электростатически (так же, как конденсатор), а не химически, как батарея.
Ультраконденсаторы также имеют диэлектрический разделитель, разделяющий электролит, как и конденсатор.Такая внутренняя структура ячеек позволяет ультраконденсаторам иметь очень высокую плотность хранения энергии, особенно по сравнению с обычными конденсаторами.
Ультраконденсаторы действительно потребляют меньше энергии, чем батареи аналогичного размера. Но они могут высвобождать свою энергию гораздо быстрее, поскольку разряд не зависит от протекающей химической реакции.
Еще одним большим преимуществом ультраконденсаторов является то, что их можно перезаряжать огромное количество раз с незначительной деградацией или без нее (более 1 миллион циклов зарядки / разрядки не редкость).
Это связано с тем, что при перезарядке не происходит никаких физических или химических изменений.
По этой причине суперконденсаторы часто используются в приложениях, требующих множества быстрых циклов зарядки / разрядки, а не в долговременных компактных накопителях энергии, таких как автомобильные бустерные блоки и блоки питания.
Источник: stantontcady / FlickrНаиболее часто используемым электродным материалом для ультраконденсаторов является углерод в различных формах, например активированный уголь, углеродное волокно-ткань, углерод на основе карбида, углеродный аэрогель, графит (графен) и углеродные нанотрубки ( УНТ).
Как заряжать ультраконденсатор?
Когда на положительную и отрицательную обкладки конденсатора подается разность напряжений, он начинает заряжаться. Согласно Battery University, «это похоже на накопление электрического заряда при ходьбе по ковру. Прикосновение к объекту высвобождает энергию через палец».
Некоторые из самых первых примеров этой технологии были разработаны в конце 1950-х годов в General Electric, но в то время не было жизнеспособных коммерческих приложений.
Потребовалось время до 1990-х годов, прежде чем достижения в области материаловедения и производства позволили улучшить характеристики ультраконденсаторов и снизить их стоимость настолько, чтобы они стали коммерчески жизнеспособными.
Как работают ультраконденсаторы?
Как упоминалось выше, ультраконденсаторы работают, доставляя быстрые всплески энергии в периоды пиковой нагрузки, а затем улавливают и быстро накапливают избыточную энергию, которая в противном случае может быть потеряна.
Источник: Учебники по электроникеПо этой причине они являются отличным дополнением к первичным источникам энергии, так как заряжаются и разряжаются очень быстро и эффективно.
Несмотря на то, что аккумуляторы могут удерживать большое количество энергии, на их перезарядку уходит несколько часов. Напротив, конденсаторы, и особенно ультраконденсаторы, заряжаются почти мгновенно, но они могут хранить только небольшое количество энергии.
По этой причине ультраконденсаторы являются идеальным решением, когда системе требуется быстрая зарядка и не нужно хранить электричество в течение длительного времени.
Они также весят меньше, чем батареи, стоят меньше и, как правило, не содержат токсичных металлов или вредных материалов.
Могут ли ультраконденсаторы заменять батареи?
Ответ на этот вопрос во многом зависит от того, для чего они будут использоваться. У каждого есть свои преимущества и недостатки. Как упоминалось ранее, батареи имеют гораздо более высокую плотность энергии , чем ультраконденсаторы.
Это означает, что они больше подходят для приложений с более высокой плотностью энергии или когда устройству необходимо работать в течение длительных периодов времени на одной зарядке. У суперконденсаторов мощность и плотность намного выше, чем у батарей.Это делает их идеальными для приложений с высоким энергопотреблением, таких как питание электромобиля.
Как упоминалось выше, ультраконденсаторы имеют гораздо больший срок службы, чем батареи. Обычная батарея может выдержать около циклов заряда и разряда 2000-3000 , в то время как ультраконденсаторы обычно выдерживают более 1000000 . Это может дать огромную экономию материалов и затрат.
Извлечено из: skeletontechУльтраконденсаторы также намного безопаснее и значительно менее токсичны.Они не содержат вредных химикатов или тяжелых металлов и с гораздо меньшей вероятностью взорвутся, чем батареи.
Кроме того, ультраконденсаторы имеют гораздо больший рабочий диапазон, чем батареи. Фактически, в этой области они безнадежно превосходят аккумуляторы, поскольку они могут работать в диапазоне от -40 до +65 градусов по Цельсию.
Ультраконденсаторы также могут заряжаться и разряжаться намного быстрее, чем батареи, обычно в течение нескольких секунд, и они намного эффективнее саморазряда, чем батареи.
Многие ультраконденсаторы также имеют гораздо более длительный срок хранения, чем батареи. Некоторые из них, такие как ячейки SkelCap, могут храниться до 15 лет одновременно с незначительным снижением емкости или без него.
Источник: Windell Oskay / FlickrКак и в случае с большинством других технологий, основным фактором, способствующим применению ультраконденсаторов, является их соотношение цены и качества. Ультраконденсаторы, как правило, являются более экономичным выбором в долгосрочной перспективе для приложений, требующих коротких всплесков энергии.
Батареи, однако, являются гораздо лучшим выбором для приложений, требующих постоянного низкого тока с течением времени.
Могут ли ультраконденсаторы заменить батареи в электромобилях будущего?
Как мы видели, ультраконденсаторы лучше всего подходят для ситуаций, когда требуется много энергии за короткий промежуток времени. Что касается электромобилей, это будет означать, что они будут иметь преимущества перед батареями, когда транспортному средству нужны всплески энергии – например, во время ускорения.
Фактически, это именно то, что Toyota сделала с концептуальным автомобилем Yaris Hybrid-R, который использует суперконденсатор для использования во время разгона.
PSA Peugeot Citroen также начала использовать ультраконденсаторы в составе своих систем экономии топлива start-stop. Это позволяет значительно ускорить начальное ускорение.
Система Mazda i-ELOOP также использует ультраконденсаторы для хранения энергии во время замедления. Сохраненная мощность затем используется для систем запуска и остановки двигателя.
Суперконденсаторы также используются для быстрой зарядки источников питания в гибридных автобусах при движении от остановки к остановке.
Когда гибридная энергия используется исключительно для повышения производительности, такие вопросы, как дальность действия и способность удерживать заряд, не так важны – и поэтому некоторые производители высокого класса, такие как Lamborghini, также начинают включать электронные двигатели с питанием от суперконденсаторов в их гибриды.
Однако ультраконденсаторы пока не заменяют батареи в большинстве электромобилей. Литий-ионные аккумуляторы, вероятно, станут основным источником питания для электромобилей в ближайшем или отдаленном будущем.
Многие полагают, что более вероятно, что ультраконденсаторы станут более обычным явлением в качестве систем рекуперации энергии во время замедления. Эту накопленную мощность можно затем повторно использовать в периоды ускорения, а не напрямую заменять батареи.
Источник: Mic / FlickrОднако, согласно этому исследованию, они могут также применяться в гибридных транспортных средствах вместо батарей, когда «потребляемая мощность меньше, чем мощность электродвигателя; когда потребляемая мощность транспортного средства превышает мощность электродвигателя, двигатель работает, чтобы удовлетворить потребность транспортного средства в мощности, а также обеспечить мощность для перезарядки блока суперконденсатора.«
Недавние исследования суперконденсаторов на основе графена могут также привести к прогрессу в использовании суперконденсаторов в электромобилях. Одно исследование, проведенное учеными из Университета Райса и Технологического университета Квинсленда, привело к появлению двух статей, опубликованных в журнале Journal of Power Sources и Nanotechnology
Они предложили решение, состоящее из двух слоев графена со слоем электролита между ними.Пленка получается прочной, тонкой и способной выделять большое количество энергии за короткое время.
Эти факторы даны как данность – в конце концов, это суперконденсатор. Что отличает это исследование, так это то, что исследователи предполагают, что новые, более тонкие ультраконденсаторы могут заменить более громоздкие батареи в будущих электромобилях.
Это также может включать в себя интеграцию ультраконденсаторов, например, в панели кузова, обшивку крыши, полы и даже двери. Теоретически это могло бы обеспечить транспортное средство всей необходимой энергией и сделать его значительно легче, чем электромобили с батарейным питанием.
Источник: DepositphotosТакой электромобиль также заряжался бы значительно быстрее, чем современные автомобили с батарейным питанием. Но, как и все ультраконденсаторы, это решение по-прежнему не может удерживать столько энергии, сколько стандартные батареи.
«В будущем есть надежда, что суперконденсатор будет разработан для хранения большего количества энергии, чем литий-ионный аккумулятор, сохраняя при этом способность выделять свою энергию в 10 раз быстрее – это означает, что автомобиль может полностью питаться от суперконденсаторы в его корпусных панелях », – сказал соавтор исследования Цзиньчжан Лю.
«После одной полной зарядки этот автомобиль должен быть в состоянии проехать до 500 км ( 310 миль ) – аналогично автомобилю с бензиновым двигателем и более чем вдвое превышает лимит тока электромобиля».
Кажется, впереди интересное время. Следите за этим пространством.
Энергозатратная Tesla выбирает производителя суперконденсаторов | Бизнес
Производитель электромобилей Tesla недавно заплатила более 200 миллионов долларов за американского производителя суперконденсаторов Maxwell Technologies. Применение суперконденсаторов (также называемых ультраконденсаторами) ) выросли за последние два десятилетия по мере развития технологий и, похоже, будут играть важную роль в будущем электромобилей и накопителей энергии на уровне энергосистемы, а также в других областях.
В транспортных средствах суперконденсаторы используются преимущественно для рекуперативного торможения. Суперконденсаторы имеют гораздо более высокую удельную мощность, чем батареи – они могут заряжаться и разряжаться быстрее. Они также хранят гораздо больше заряда, чем традиционные электролитические конденсаторы, хотя и при значительно более низком напряжении. Это делает их более подходящими для улавливания кинетической энергии при замедлении транспортного средства и высвобождения ее для всплесков ускорения. «У них нет возможности накапливать большое количество энергии, но они являются мощными устройствами, в первую очередь потому, что электроны могут очень быстро переходить туда и обратно», – объясняет Прия Бендейл, материаловед из Maxwell.
Суперконденсаторы обычно состоят из двух электродов из пористого активированного угля, разделенных органическим электролитом, и накапливают заряд электростатически. «Мы не вкладываем заряд в материал, а только на поверхность, поэтому он имеет более низкую плотность энергии», – объясняет Билли Ву, инженер-электрохимик из Имперского колледжа Лондона, Великобритания.
Лучшее из обоих миров
Литий-ионные батареимогут хранить примерно в 20 раз больше энергии для своего веса, чем суперконденсаторы, но им требуется время, чтобы разрядить эту энергию из-за сопротивления внутри устройства, ограничивающего их мощность.«Сейчас люди, возможно, ищут возможность объединить лучшее из обоих миров, имея вместе как батареи, так и суперконденсаторы», – говорит Ву.
Электромобиль может работать со средней мощностью около 20 кВт, но при быстром разгоне ему требуется пиковая мощность в 100 кВт. Несмотря на то, что такой уровень мощности необходим только на короткое время, это означает, что автомобилю нужны дополнительные аккумуляторные элементы. Суперконденсаторы могут обеспечивать мощность для ускорения, в то время как батарея обеспечивает среднюю мощность и заряжает суперконденсаторы, что означает, что в целом транспортному средству требуется меньшая аккумуляторная батарея.«Это позволит вам оптимизировать батарею», – говорит Ву. «Если вам нужен аккумулятор с большей мощностью, обычно приходится жертвовать энергией. С новой конфигурацией вы можете оптимизировать свою батарею по энергопотреблению и довести свои мощности до суперконденсаторов ».
Они не накапливают большое количество энергии, но являются мощными устройствами, в первую очередь потому, что электроны могут очень быстро переходить туда и обратно.
Для электромобилей суперконденсаторы «в первую очередь будут использоваться для снятия всех пиковых нагрузок с вашей батареи, поэтому батарея будет иметь увеличенный срок службы», – говорит Бендейл, стараясь подчеркнуть, что это общий принцип, который не обязательно отражает планы, касающиеся сделки с Tesla.Однако есть некоторые приложения, в которых суперконденсаторы могут полностью заменить батареи. В некоторых китайских городах суперконденсаторы электробусов заряжаются за секунды с помощью индукционных контуров на каждой остановке.
Впадать в крайности
Суперконденсаторытакже находят применение в более традиционных автомобилях. Maxwell говорит, что его суперконденсаторы используются в 2,5 миллионах современных систем останова-пуска двигателей, которые отключаются при остановке автомобиля, предотвращая холостой ход, экономя топливо и сокращая выбросы.Эстонская компания Skeleton Technologies поставляет системы рекуперации кинетической энергии для грузовиков, автобусов и поездов, а также управляет крупнейшим в Европе заводом по производству суперконденсаторов.
Одно из применений – замена свинцово-кислотных аккумуляторов при перезапуске больших дизельных двигателей. «По сравнению с батареями ультраконденсаторы работают очень эффективно при экстремальных температурах, в том числе при –40 ° C», – говорит Юсси Пиккарайнен из Skeleton. «Еще одно преимущество состоит в том, что срок их службы составляет более миллиона циклов [зарядки], в то время как литиевые батареи служат около 2000–3000 циклов.«Они особенно подходят для снабжения электроэнергией грузовиков в северных США, Канаде, Скандинавии и России. «Даже когда аккумулятор разряжен, когда он очень холодный, он работает», – говорит Пиккарайнен. Американская компания Ioxus предлагает продукт, который, по ее словам, может избавить от свинцово-кислотных аккумуляторов для запуска двигателей грузовиков и сэкономить более 1800 тонн переработанного свинца за 20 лет для типичного логистического парка.
Суперконденсаторыполезны там, где также много циклической нагрузки, чтобы быстро сбалансировать спрос и предложение в энергосистеме.Skeleton предоставляет суперконденсатор, который помогает стабилизировать микросеть на острове Эйгг в Шотландии, защищает резервные батареи и сглаживает пики и спады энергопотребления. «Они обеспечивают регулирование частоты и защищают сеть и аккумуляторы от внезапных скачков пиковой мощности», – говорит Пиккарайнен, который видит в этом еще одну область роста суперконденсаторов, особенно для непостоянных источников энергии, таких как солнечная и ветровая.
Заменить батареи?
Технология развивается, чтобы повысить производительность.Например, изменение химического состава электролита позволило Максвеллу увеличить максимальное напряжение с 2,7 В до 3 В. «Вы всегда ищете новые материалы или новый химический состав электролита, чтобы обеспечить более высокую стабильность и большую мощность. Вся идея состоит в том, чтобы двигаться к более высокой энергии, не жертвуя мощностью », – говорит Бендейл.
Ву считает, что Tesla в первую очередь заинтересована в Maxwell в технологии суперконденсаторов, особенно в предлагаемом полностью электрическом грузовике Tesla Semi. Однако Брендан Хаулин, ученый-материаловед из Университета Суррея, Великобритания, считает, что суперконденсаторы играют важную роль в сверхбыстрой зарядке электромобилей.
Howlin является частью группы, которая разработала электролиты из сшитых полимерных гелевых матриц, которые обладают значениями емкости более чем в 100 раз больше, чем у обычных электролитов. Новая компания SuperCapacitor Materials продолжает разработку и коммерциализацию технологии. Между тем, Хаулин оптимистично оценивает роль суперконденсаторов в производстве энергии, аэрокосмической промышленности, мобильных телефонах, биосенсорах и электронике с плоским экраном. «В будущем, вероятно, будет больше суперконденсаторов, чем батарей», – говорит он.
Не все согласны. «Лучшие литий-ионные батареи начинают приближаться к плотности мощности суперконденсатора, потому что мы так хорошо их спроектировали», – говорит Ву. «Есть аргумент, что нам не понадобятся две разные технологии».
суперконденсатор | Металлургия для чайников
Что такое суперконденсатор?
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 к положительной и отрицательной обкладкам заряжает конденсатор. Это похоже на накопление электрического заряда при ходьбе по ковру. Прикосновение к объекту высвобождает энергию через палец.
Суперконденсатор имеет очень большую емкость
Электрический двухслойный конденсатор (EDLC), также известный как суперконденсатор, суперконденсатор, электрохимический двухслойный конденсатор или ультраконденсатор, представляет собой электрохимический конденсатор с относительно высокой плотностью энергии.Их плотность энергии обычно в сотни раз больше, чем у обычных электролитических конденсаторов. Они также имеют гораздо более высокую удельную мощность, чем батареи или топливные элементы.
Типичный электролитический конденсатор размером с D-элемент может иметь емкость до десятков миллифарад. EDLC того же размера может достигать нескольких фарад, что на два порядка больше. По состоянию на 2011 год EDLC имели максимальное рабочее напряжение в несколько вольт (стандартные электролитические соединения могут работать при сотнях вольт) и емкость до 5000 фарад.В 2010 году максимальная доступная удельная энергия EDLC составляла 30 Втч / кг (0,1 МДж / кг). Количество энергии, накопленной на единицу массы, называется удельной энергией, которая часто измеряется в ватт-часах на килограмм (Втч / кг) или мегаджоулях на килограмм (МДж / кг). При комнатной температуре в лаборатории была достигнута мощность до 85 Вт · ч / кг, что ниже, чем у быстро заряжаемых литий-титанатных батарей.
Сравнение производительности суперконденсатора и литий-ионного аккумулятора
Инженеры General Electric впервые экспериментировали с электрическим двухслойным конденсатором, что привело к разработке первого типа суперконденсатора в 1957 году.Тогда еще не было известных коммерческих приложений. В 1966 году Standard Oil вновь открыла эффект двухслойного конденсатора случайно, работая над экспериментальными конструкциями топливных элементов. Компания не стала коммерциализировать изобретение, а 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.
Современный суперконденсатор не является батареей как таковой, но переходит границы аккумуляторной технологии за счет использования специальных электродов и электролита.Было опробовано несколько типов электродов, и мы сосредоточились на концепции двухслойных конденсаторов (DLC). Он основан на углероде, имеет органический электролит, который прост в производстве и является наиболее распространенной системой, используемой сегодня.
Инженеры General Electric, экспериментирующие с устройствами, использующими пористые углеродные электроды, впервые наблюдали эффект EDLC в 1957 году. Они полагали, что энергия накапливалась в углеродных порах, и устройство показало «исключительно высокую емкость», хотя механизм был неизвестен в то время.General Electric не сразу продолжила эту работу. В 1966 году исследователи из Standard Oil of Ohio разработали современную версию устройств после того, как они случайно повторно обнаружили эффект во время работы над экспериментальными конструкциями топливных элементов. В их конструкции ячеек использовались два слоя активированного угля, разделенные тонким пористым изолятором, и эта базовая механическая конструкция остается основой большинства электрических двухслойных конденсаторов.
КомпанияStandard Oil не стала коммерциализировать свое изобретение, предоставив лицензию на технологию компании NEC, которая в 1978 году продала результаты как «суперконденсаторы», чтобы обеспечить резервное питание для поддержания памяти компьютера.Какое-то время рынок расширялся медленно, но примерно с середины 1990-х годов различные достижения в области материаловедения и усовершенствования существующих систем привели к быстрому повышению производительности и столь же быстрому снижению стоимости.
Первые испытания суперконденсаторов в промышленных приложениях были проведены для обеспечения энергоснабжения роботов. В 2005 году компания Diehl Luftfahrt Elektronik GmbH, производящая аэрокосмические системы и средства управления, выбрала суперконденсаторы для питания систем аварийного срабатывания дверей и эвакуационных направляющих в авиалайнерах, включая новый реактивный самолет Airbus 380.В 2005 году рынок ультраконденсаторов составлял от 272 до 400 миллионов долларов США, в зависимости от источника.
По состоянию на 2007 год все твердотельные электрические двухслойные конденсаторы микрометрового масштаба на основе передовых суперионных проводников предназначались для низковольтной электроники, такой как наноэлектроника с глубоким пониженным напряжением и связанных с ними технологий (22-нм технологический узел CMOS и выше). Для повышения производительности проводится много исследований; например, в середине 2011 года в лаборатории было достигнуто повышение плотности энергии на порядок.Цены падают: конденсатор емкостью 3000 Ф, который десять лет назад стоил 5000 долларов, в 2011 году стоил 50 долларов. EDLC используются для хранения энергии, а не как компоненты схемы общего назначения. У них есть множество коммерческих приложений, особенно в устройствах «сглаживания энергии» и мгновенной нагрузки. Они используются в качестве накопителей энергии и устройств KERS, используемых в транспортных средствах, а также для небольших приложений, таких как домашние солнечные энергетические системы, где чрезвычайно быстрая зарядка является важной функцией.
Сравнение конструктивных схем трех конденсаторов.Слева: «нормальный» конденсатор, посередине: электролитический, справа: электрический двухслойный конденсатор
В обычном конденсаторе энергия накапливается за счет удаления носителей заряда, обычно электронов, с одной металлической пластины и осаждения их на другой. Это разделение зарядов создает потенциал между двумя пластинами, который можно использовать во внешней цепи. Общая энергия, накопленная таким образом, увеличивается как с количеством накопленного заряда, так и с потенциалом между пластинами.Количество заряда, накопленного на единицу напряжения, по существу зависит от размера, расстояния и свойств материала пластин и материала между пластинами (диэлектрика), в то время как потенциал между пластинами ограничен полем пробоя. прочность диэлектрика. Диэлектрик контролирует напряжение конденсатора. Оптимизация материала приводит к более высокой плотности энергии для конденсатора данного размера.
EDLCне имеют обычного диэлектрика.Вместо двух отдельных пластин, разделенных промежуточным изолятором, в этих конденсаторах используются виртуальные пластины, которые фактически являются двумя слоями одной и той же подложки.
Их электрохимические свойства, так называемый «двойной электрический слой», приводят к эффективному разделению зарядов, несмотря на исчезающе тонкое (порядка нанометров) физическое разделение слоев. Отсутствие необходимости в громоздком слое диэлектрика и пористость используемого материала позволяет упаковывать пластины с гораздо большей площадью поверхности в заданный объем, что приводит к высоким емкостям в корпусах практичных размеров.
Суперконденсаторно-аккумуляторные гибридные энергетические устройства на основе нанокомпозитных элементов. (а) Схема четырехконтактного гибридного энергетического устройства, показывающая расположение суперконденсатора и батареи в параллельной конфигурации. (b) График разряда батареи и суперконденсатора в зависимости от времени. Разряд батареи заряжает суперконденсатор, и впоследствии суперконденсатор разряжается. (c) Схема гибридного энергетического устройства с тремя выводами, которое может действовать как суперконденсатор и как батарея.Определены три клеммы, показаны сегменты батареи и суперконденсатора устройства. (d) Показаны разрядка батареи и последующий разряд суперконденсатора. Аккумулятор разряжен, клеммы 1 и 2 закорочены. Это одновременно заряжает суперконденсатор после образования двойного слоя на границе раздела электродов. Впоследствии суперконденсатор разряжается через клеммы 1 и 3. Для улучшения характеристик обычно добавляют дополнительный сепаратор (стекловолокно) вместе с избыточной целлюлозной прокладкой.
В двойном электрическом слое каждый слой сам по себе является достаточно проводящим, но физика на границе раздела, где слои эффективно контактируют, означает, что между слоями не может протекать значительный ток. Однако двойной слой может выдерживать только низкое напряжение, а это означает, что электрические двухслойные конденсаторы, рассчитанные на более высокие напряжения, должны быть изготовлены из согласованных последовательно соединенных отдельных EDLC, как и последовательно соединенные элементы в батареях с более высоким напряжением.
Все конденсаторы имеют ограничения по напряжению. В то время как электростатический конденсатор может быть выполнен так, чтобы выдерживать высокое напряжение, суперконденсатор ограничен 2,5–2,7 В. Для получения более высоких напряжений несколько суперконденсаторов подключаются последовательно. Последовательное соединение снижает общую емкость, а цепочки из более чем трех конденсаторов требуют балансировки напряжения, чтобы предотвратить перенапряжение любой ячейки.Хотя 30 Вт / кг и выше, чем у обычного конденсатора, это в пять раз меньше, чем у потребительской литий-ионной батареи.
В 2006 году на двух маршрутах коммерческих автобусов начали использоваться электрические двухслойные конденсаторные шины; один из них – маршрут 11 в Шанхае. В 2001 и 2002 годах компания VAG, оператор общественного транспорта в Нюрнберге, Германия, провела испытания гибридного автобуса, в котором используется система привода от дизель-электрической батареи с электрическими двухслойными конденсаторами. С 2003 года Mannheim Stadtbahn в Мангейме, Германия, эксплуатирует легкорельсовый транспорт (LRV), который использует EDLC для хранения энергии торможения.
Возможно вам понравится
Случайные столбики
- Подводная сварка
Подводная сварка – это процесс сварки при повышенных давлениях, обычно под водой. Подводная или гипербарическая сварка … - Явления включений в сталеплавильном производстве
Одна тонна стали, куб со стороной около 0,5 м, содержит от 1012 до 1015 включений, которые могут занимать до ab… - Композиционные материалы
Композиционные материалы образуются путем объединения двух или более материалов, которые имеют совершенно разные свойства. Разные ма … - Глоссарий по металлургии
Активность: функция химического потенциала системы. Сплав: металлическое вещество, состоящее из двух или более… - Хронология материаловедения
29 000–25 000 до н.э. – появляются первые керамические изделия. 3-е тысячелетие до нашей эры – изобретена медная металлургия, и медь используется для украшения …
Новые суперконденсаторы американской компании Nuclear и Grapheton могут заряжать
ЛОС-АНДЖЕЛЕС, Калифорния, 24 мая 2021 г. (GLOBE NEWSWIRE) – через NewMediaWire – Grapheton, партнер US Nuclear (OTCQB: UCLE), разработал следующее поколение суперконденсаторов с использованием специального запатентованного стеклоуглеродного материала.Обладая замечательной емкостью для накопления заряда и удельной мощностью, суперконденсаторы Grapheton могут использоваться для питания и быстрой зарядки систем электромобилей. Обычному электромобилю, работающему от литий-ионных аккумуляторов, требуется около 8 часов для полной зарядки, но система суперконденсаторов может быть полностью заряжена менее чем за минуту. Батареи по-прежнему сохраняют преимущество, когда дело доходит до более высокой плотности энергии (способности накапливать энергию), но новые достижения в технологии суперконденсаторов, например, сделанные Grapheton, могут позволить суперконденсаторам удерживать такое же количество заряда, что и батарея, и доставлять заряд. всего за секунды.Уникальные суперконденсаторы из стеклоуглерода Grapheton могут иметь в 3 миллиона раз большую емкость, чем стандартные конденсаторы.
Суперконденсаторы имеют множество преимуществ по сравнению с традиционными батареями, например:
- Суперконденсаторы можно заряжать практически без деградации (суперконденсаторы могут выдерживать более 1 миллиона циклов заряда / разряда по сравнению с 2000-3000 циклов с обычными батареями), что означает огромную экономия материалов и затрат
- Время почти мгновенной зарядки и разрядки
- Вес меньше, чем у традиционных аккумуляторов
- Суперконденсаторы экологически безопасны и не содержат токсичных металлов или вредных материалов, что позволяет избежать риска отравления рабочих, владельцев автомобилей или людей. среда.
Уже есть несколько электромобилей, работающих на суперконденсаторах, которые работают на суперконденсаторах, например, capabus , электрический автобус нового типа, работающий на суперконденсаторах (или, в некоторых версиях, на гибридных батареях и суперконденсаторах). Capabus работает без непрерывных воздушных линий и вместо этого быстро заряжает суперконденсаторы на каждой автобусной остановке по маршруту – коллектор поднимается с верхней части автобуса и касается воздушной линии зарядки, для полной зарядки которой требуется всего около 30-80 секунд.Подсчитано, что этот тип автобуса имеет 1/10 энергозатрат дизельного автобуса, что может привести к пожизненной экономии топлива в размере 200 000 долларов. Автобусы потребляют на 40% меньше электроэнергии, чем даже электрический троллейбус, и стоят примерно на 40% меньше, чем литий-ионный автобус. Автобусы – логичный выбор для систем суперконденсаторов на данный момент, поскольку они имеют предсказуемые маршруты и часто останавливаются. Повышение плотности энергии суперконденсаторов со временем может полностью заменить батареи и использоваться во всех формах портативной электроники.
Закон о безопасной гавани
Этот пресс-релиз включает «прогнозные заявления» в значении положений о безопасной гавани Закона США о реформе судебных разбирательств по частным ценным бумагам 1995 года. Фактические результаты могут отличаться от ожиданий, оценок и прогнозов. следовательно, вам не следует полагаться на эти прогнозные заявления как на предсказания будущих событий. Такие слова, как «ожидать», «оценка», «проект», «бюджет», «прогноз», «ожидать», «намереваться», «планировать», «может», «будет», «мог бы», «должен», «считает», «прогнозирует», «потенциал», «продолжить» и подобные выражения предназначены для обозначения таких прогнозных заявлений.Эти прогнозные заявления связаны со значительными рисками и неопределенностями, которые могут привести к тому, что фактические результаты будут существенно отличаться от ожидаемых.
