Чем отличаются конденсаторы от аккумуляторов. Какой принцип работы у этих устройств. Где применяются конденсаторы, а где аккумуляторы. Каковы преимущества и недостатки каждого типа накопителей энергии.
Принцип работы конденсаторов и аккумуляторов
Конденсаторы и аккумуляторы — это два основных типа устройств для накопления электрической энергии. Однако принцип их работы существенно различается:
- Конденсаторы накапливают энергию в электрическом поле между двумя проводящими пластинами, разделенными диэлектриком. Это чисто физический процесс без химических реакций.
- Аккумуляторы преобразуют электрическую энергию в химическую при зарядке и обратно при разрядке. В них происходят электрохимические реакции.
Из-за этого фундаментального различия конденсаторы и аккумуляторы имеют разные характеристики и области применения. Рассмотрим их подробнее.
Ключевые отличия конденсаторов от аккумуляторов
Можно выделить следующие основные различия между конденсаторами и аккумуляторами:
- Скорость заряда и разряда — у конденсаторов она намного выше.
- Плотность энергии — у аккумуляторов она значительно больше.
- Срок службы — конденсаторы выдерживают на порядки больше циклов заряда-разряда.
- Саморазряд — у конденсаторов он выше.
- Влияние температуры — конденсаторы менее чувствительны к перепадам температур.
Каковы же причины этих различий? Давайте разберем их подробнее.
Скорость заряда и разряда
Конденсаторы способны очень быстро заряжаться и разряжаться. Как быстро заряжается и разряжается конденсатор?
- Типичное время заряда/разряда — от микросекунд до миллисекунд
- Максимальные токи заряда/разряда могут достигать сотен и тысяч ампер
У аккумуляторов процессы идут намного медленнее:
- Время полного заряда — от 30 минут до нескольких часов
- Максимальные токи ограничены внутренним сопротивлением
Это связано с тем, что в аккумуляторах происходят относительно медленные химические реакции, а в конденсаторах — быстрые физические процессы перемещения зарядов.
Плотность энергии
По плотности запасаемой энергии аккумуляторы значительно превосходят конденсаторы. Сравним типичные значения:
- Литий-ионные аккумуляторы: 100-265 Вт·ч/кг
- Суперконденсаторы: 5-15 Вт·ч/кг
Почему такая большая разница? В аккумуляторах энергия запасается в химических связях на уровне атомов и молекул. А в конденсаторах — только за счет разделения зарядов на макроскопическом уровне.
Срок службы и количество циклов
Конденсаторы выдерживают гораздо большее количество циклов заряда-разряда, чем аккумуляторы. Сравним типичные значения:
- Суперконденсаторы: 500 000 — 1 000 000 циклов
- Литий-ионные аккумуляторы: 500 — 1500 циклов
Такая большая разница обусловлена тем, что в конденсаторах не происходит необратимых химических процессов, которые постепенно ухудшают характеристики аккумуляторов.
Влияние температуры
Конденсаторы менее чувствительны к перепадам температур, чем аккумуляторы. Типичные диапазоны рабочих температур:
- Суперконденсаторы: от -40°C до +65°C
- Литий-ионные аккумуляторы: от 0°C до +45°C
Это связано с тем, что химические процессы в аккумуляторах сильно зависят от температуры, а физические процессы в конденсаторах — гораздо меньше.
Области применения конденсаторов
Благодаря своим уникальным свойствам конденсаторы нашли применение во многих областях:
- Источники бесперебойного питания
- Системы рекуперации энергии торможения
- Стартерные системы двигателей
- Импульсные источники питания
- Системы стабилизации напряжения
Где еще могут применяться конденсаторы для накопления энергии? В системах аварийного освещения, портативных электронных устройствах с малым энергопотреблением, солнечных батареях и ветрогенераторах.
Области применения аккумуляторов
Аккумуляторы используются там, где требуется длительное автономное питание:
- Портативная электроника (смартфоны, ноутбуки)
- Электромобили и гибридные автомобили
- Системы бесперебойного питания
- Накопители энергии для возобновляемых источников
- Автономные системы электроснабжения
В каких еще сферах применяются аккумуляторы? В медицинском оборудовании, космических аппаратах, подводных лодках и других системах, требующих длительной автономной работы.
Перспективы развития технологий накопления энергии
Технологии конденсаторов и аккумуляторов продолжают активно развиваться. Какие основные тенденции наблюдаются?
- Создание гибридных накопителей, сочетающих преимущества конденсаторов и аккумуляторов
- Разработка новых материалов для повышения емкости и мощности
- Увеличение срока службы и количества циклов заряда-разряда
- Снижение стоимости накопителей энергии
Эти разработки позволят создавать более эффективные системы накопления энергии для различных применений — от портативной электроники до промышленных масштабов.
Заключение
Конденсаторы и аккумуляторы — это два разных подхода к накоплению электрической энергии, каждый со своими преимуществами и недостатками. Конденсаторы лучше подходят для быстрого накопления и отдачи энергии, а аккумуляторы — для длительного хранения большого количества энергии. В современной технике часто используются гибридные системы, сочетающие оба типа накопителей.
Конденсатор вместо аккумулятора | Публикации
Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?
Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.
Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.
При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственнен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности — гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах.
Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.
Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.
Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут.
В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.
Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.
Использование двойного электрического слоя
На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой — электролит, а изоляцией между обкладками — окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.
Сравнение конструкций разных типов конденстаторов (Источник: Википедия)
Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах.
Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.
Суперконденсаторы различной емкости производства Maxwell
Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии — с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».
Техническая реализация
Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом.
Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.
Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.
Параметры суперконденсаторов
Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В.
Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.
Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.
Принципиальная схема источника бесперебойного питания
напряжением на суперконденсаторах, основные узлы реализованы
на одной микосхеме производства LinearTechnology
Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае — емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.
Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.
Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита.
Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.
Накапливаемая энергия
Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:
E = CU2/2,
где C — емкость, выраженная в фарадах, U — напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.
Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:
W = CU2/7200000
Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.
Применение суперконденсаторов
Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш.
В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.
Грунтовый светодиодный светильник с питанием
от солнечных батарей, накопление энергии
в котором осуществляется в суперконденсаторе
Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.
Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.
Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени.
Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.
Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.
Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе — их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.
Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.
В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.
Алексей Васильев
В чем разница между конденсатором и батареей?-industry-news
-
Лучший литиевый аккумулятор 18650
-
Цилиндрическая литий-ионная батарея
-
Лучшее руководство по литиево-ионной батарее
-
Лучшее руководство по LiPo батареям
-
Лучшее руководство по батарее Lifepo4
-
Руководство по литиевой батарее 12 В
-
Литий-ионный аккумулятор 48 В
-
Подключение литиевых батарей параллельно и последовательно
-
Лучшая литий-ионная батарея 26650
Jul 03, 2019 Вид страницы：438
В чем разница между конденсатором и батареей?
Суперконденсатор представляет собой активный материал на основе углерода плюс проводящую углеродную сажу, смешанную со связующим в качестве материала полюсного наконечника, и поляризованный электролит, используемый для адсорбции положительных и отрицательных ионов в электролите, чтобы сформировать структуру двойного электрического слоя для хранения энергии, и Процесс накопления энергии практически не происходит.
Химическая реакция, поэтому цикл жизни очень долгий.
Для аккумулятора, например, свинцово-кислотный аккумулятор. Свинцово-кислотная батарея состоит из свинцовой пластины, заполненной губчатым свинцом в качестве отрицательного электрода, свинцовой пластины, заполненной диоксидом свинца, используемой в качестве положительного электрода, и 1,28% разбавленной серной кислоты, используемой в качестве электролита. При зарядке электрическая энергия преобразуется в химическую энергию, которая преобразуется в электрическую энергию при разряде. Когда аккумулятор разряжен, металлический свинец является отрицательным электродом, который подвергается реакции окисления и окисляется до сульфата свинца; диоксид свинца является положительным электродом, и происходит реакция восстановления, которая восстанавливается до сульфата свинца. Когда аккумулятор заряжается постоянным током, два полюса соответственно производят свинец и диоксид свинца. После отключения источника питания он возвращается в состояние до разряда, чтобы сформировать химический аккумулятор.
Их использование также отличается. Суперконденсатор имеет низкую плотность энергии, но его отличные циклические характеристики, защита окружающей среды и высокая мощность делают его широко используемым в резервном источнике питания, высокочастотном заряде и разрядке, высокой выходной мощности и т. Д. Хотя удельная энергия батареи высока, но сама по себе Принцип ограничивает его срок службы, а избыточный заряд и чрезмерный разряд вызовут необратимую травму, и он не является экологически чистым, но при отсутствии компонентов накопителя энергии, которые могут заменить такую высокую плотность энергии, будущее очень долгое. Время по-прежнему является миром аккумуляторов (литий-ионных батарей) и даже заменяет топливо, такое как бензин, чтобы стать основным направлением автомобильной кинетической энергии.
Взаимосвязь между ними заключается в том, что преимущества высокой выходной мощности суперконденсатора и способности выдерживать большой ток заряда и разряда, а также высокая плотность энергии батареи могут использоваться для увеличения срока службы батареи и экономии энергии электрической энергии.
транспортное средство.
Я просто пытаюсь тебе помочь. Если не поняли, можете спросить еще раз. Я только что об этом говорю. Если вы хотите что-то сказать, есть еще много вещей.
Суперконденсаторы и батареи являются компонентами накопителей энергии. Однако есть разница. Процесс накопления энергии в суперконденсаторах — это физический процесс, а накопление энергии в батареях — это процесс химической реакции. Между ними есть принципиальная разница.
Силовые характеристики суперконденсаторов лучше, чем у батарей, и их можно быстро заряжать и разряжать большими токами. Плотность энергии батарей выше, чем у суперконденсаторов, а запасенная в батареях того же объема энергия больше.
Благодаря физическому процессу зарядки суперконденсатора срок службы велик. Как правило, время зарядки и разрядки превышает 500 000 раз, а количество зарядов и разрядок аккумулятора намного меньше. Свинцово-кислотная батарея — 500 раз, а литиевая — 1000-1500 раз. У разных типов количество заряда и разряда разное;
Суперконденсаторы работают при температурах шире батареи, от -40 до 65 градусов.
В некоторых случаях, когда требуется разряд большой мощности и требуется более высокая энергия, можно использовать комбинацию суперконденсатора и батареи, чтобы использовать преимущества обоих.
Конденсатор — это накопитель заряда. Когда заряд накапливается до определенного количества, он имеет определенное количество энергии. Накопленная мощность, полученная от внешнего источника питания. Функция конденсатора очень похожа на функцию бассейна. Батарея представляет собой устройство преобразования электрической энергии, которое выводит электрическую энергию путем преобразования химической энергии в электрическую, а выходную электрическую энергию получают из химической энергии. Даже аккумулятор в процессе зарядки преобразует электрическую энергию в химическую энергию, которая накапливает химическую энергию, а не электрическую энергию. Батарея работает как «твердый» генератор без движущихся частей.
Два разных устройства, одно обеспечивает энергию, а другое удерживает заряд.
Конденсаторы могут накапливать заряд и в некоторых случаях могут заменить батарею, но должны заряжаться, например, конденсатор по фарадам.
Батареи обычно используют химическую реакцию для генерации напряжения.
Аккумуляторы также работают с использованием электрохимических реакций.
Батарея не может заменить конденсатор.
Все они являются электрическими компонентами, и все они являются компонентами накопителя энергии. Общая емкость состоит в том, что изоляционный материал разделяет два металлических электрода, а затем защищает структуру внешнего корпуса. Электролитический конденсатор также имеет электролит. Обычно конденсатор используется для связи, фильтрации, развязки и т. Д. Все они используются в качестве «мгновенного источника питания», поэтому выделяемая энергия не очень велика, поэтому для хранения конденсатора не требуется много энергии. Батарея также представляет собой два электрода, но обычно содержит большое количество электрохимического материала, который преобразует электрическую энергию в химическую энергию во время зарядки и преобразует химическую энергию в электрическую энергию во время разряда.
По характеристикам батарея и конденсатор немного близки.
Главное нет:
1. Батарея хранит много энергии, а конденсаторы — меньше.
2. Батарея работает медленнее, а конденсатор заряжается очень быстро.
3. Большинство конденсаторов могут заряжаться большим током, но батарея вряд ли будет заряжаться большим током.
С развитием электронных технологий емкость конденсатора теперь становится все больше и больше, и во многих местах постепенно заменяют батарею. Например, многие краны, которые промываются автоматически, теперь используют суперконденсаторы (конденсаторы очень большой емкости) вместо батарей и в режиме реального времени. Многие схемы часов (большинство из которых потребляют энергию на уровне микроампер) также используют суперконденсаторы вместо батарей. В прошлом году Китай также разработал суперконденсаторы для автомобильных источников питания, заменив батареи для питания автомобильных двигателей.
Емкость — это электрический компонент. Изготовлен из алюминиевой фольги; средняя пластина изготовлена из изолированных концов и проводов сквозного исполнения.
Это зависит от количества заряда и разряда двух пластин. Аккумулятор — это химическая реакция, при которой происходит поглощение заряда для хранения энергии. Батарея и конденсатор — два разных понятия
Страница содержит содержимое машинного перевода.
- Предыдущая статья： Каковы основные компоненты намотчика литиевых батарей?
- Следующая статья： Почему LG, Panasonic и Samsung строят заводы по производству литиевых батарей в Китае?
Самые популярные категории
Индивидуальные решения
-
Схема конструкции аккумулятора 11,1 В, 6600 мАч портативного сверхзвукового диагностического набора B
-
Схема резервного питания 7,4 В 10 Ач медицинского инфузионного насоса
-
Решения для литий-ионных аккумуляторов AGV 25,6 В, 38,4 Ач
Чем отличаются батареи и конденсаторы
Энергию можно накапливать разными способами.
Когда вы тянете рогатку назад, энергия ваших мышц накапливается в ее эластичных лентах. Когда вы заводите игрушку, энергия накапливается в ее пружине. Вода, удерживаемая за плотиной, в некотором смысле представляет собой накопленную энергию. Когда эта вода течет вниз по склону, она может приводить в действие водяное колесо. Или он может двигаться через турбину для выработки электроэнергии.
Когда речь идет о цепях и электронных устройствах, энергия обычно хранится в одном из двух мест. Первый, аккумулятор, хранит энергию в химических веществах. Конденсаторы являются менее распространенной (и, вероятно, менее знакомой) альтернативой. Они хранят энергию в электрическом поле.
В любом случае накопленная энергия создает электрический потенциал. (Одним из распространенных названий этого потенциала является напряжение.) Электрический потенциал, как следует из названия, может управлять потоком электронов. Такой поток называется электрическим током. Этот ток можно использовать для питания электрических компонентов в цепи.
Эти схемы можно найти во все большем количестве повседневных вещей, от смартфонов до автомобилей и игрушек. Инженеры выбирают аккумулятор или конденсатор в зависимости от схемы, которую они разрабатывают, и того, что они хотят, чтобы этот элемент делал. Они могут даже использовать комбинацию батарей и конденсаторов. Однако устройства не являются полностью взаимозаменяемыми. Вот почему.
Батарейки
Батарейки бывают разных размеров. Некоторые из самых маленьких устройств питания, таких как слуховые аппараты. Чуть большие идут на часы и калькуляторы. Еще более крупные управляют фонариками, ноутбуками и транспортными средствами. Некоторые из них, например те, что используются в смартфонах, специально разработаны для установки только на одно конкретное устройство. Другие, такие как батареи AAA и 9-вольтовые, могут питать любые предметы. Некоторые батареи предназначены для утилизации в первый раз, когда они разряжаются. Другие являются перезаряжаемыми и могут разряжаться много-много раз.
Типичная батарея состоит из корпуса и трех основных компонентов. Два электрода. Третий — электролит . Это липкая паста или жидкость, которая заполняет зазор между электродами.
Электролит может быть изготовлен из различных веществ. Но каким бы ни был его рецепт, это вещество должно быть способно проводить ионы — заряженные атомы или молекулы — не позволяя электронам проходить. Это заставляет электроны покидать батарею через клеммы , которые соединяют электроды с цепью.
Когда цепь не включена, электроны не могут двигаться. Это предотвращает химические реакции на электродах. Это, в свою очередь, позволяет сохранять энергию до тех пор, пока она не понадобится.
Отрицательный электрод батареи называется анодом (ANN-ода). При включении аккумулятора в действующую цепь (включенную) на поверхности анода происходят химические реакции.
В этих реакциях нейтральные атомы металла отдают один или несколько электронов. Это превращает их в положительно заряженные атомы или ионы. Электроны вытекают из батареи, чтобы выполнять свою работу в цепи. Тем временем ионы металла текут через электролит к положительному электроду, называемому 9.0017 катод (КАТХ-ода). На катоде ионы металла приобретают электроны, возвращаясь обратно в батарею. Это позволяет ионам металла снова стать электрически нейтральными (незаряженными) атомами.
Анод и катод обычно изготавливаются из разных материалов. Обычно анод содержит материал, который очень легко отдает электроны, например литий. Графит, форма углерода, очень сильно удерживает электроны. Это делает его хорошим материалом для катода. Почему? Чем больше разница в поведении захвата электронов между анодом и катодом батареи, тем больше энергии батарея может удерживать (и позже делиться).
По мере появления все более мелких продуктов инженеры стремились создавать более компактные, но все же мощные батареи.
И это означало, что нужно упаковать больше энергии в меньшие пространства. Одной из мер этой тенденции является плотность энергии . Это рассчитывается путем деления количества энергии, хранящейся в батарее, на объем батареи. Аккумулятор с высокой плотностью энергии помогает сделать электронные устройства легче и удобнее для переноски. Это также помогает им дольше работать без подзарядки.
Однако в некоторых случаях высокая плотность энергии также может сделать устройства более опасными. В новостях приводится несколько примеров. Некоторые смартфоны, например, загорелись. Иногда электронные сигареты взрывались. За многими из этих событий стояли взрывы аккумуляторов. Большинство аккумуляторов совершенно безопасны. Но иногда могут быть внутренние дефекты, которые вызывают взрывное выделение энергии внутри батареи. Такие же разрушительные последствия могут возникнуть, если батарея перезаряжена.
Вот почему инженеры должны быть осторожны при разработке схем, защищающих аккумуляторы. В частности, батареи должны работать только в том диапазоне напряжений и токов, для которых они были разработаны.
Со временем аккумуляторы могут потерять способность удерживать заряд. Это происходит даже с некоторыми перезаряжаемыми батареями. Исследователи всегда ищут новые конструкции для решения этой проблемы. Но как только батарея становится непригодной для использования, люди обычно выбрасывают ее и покупают новую. Поскольку некоторые батареи содержат вредные для окружающей среды химические вещества, их необходимо перерабатывать. Это одна из причин, по которой инженеры искали другие способы хранения энергии. Во многих случаях они начали рассматривать конденсаторы 9.0018 .
Конденсаторы
Конденсаторы могут выполнять различные функции. В цепи они могут блокировать поток постоянного тока (однонаправленный поток электронов), но пропускать переменный ток.
(Переменные токи, подобные тем, которые получают от бытовых электрических розеток, меняют направление много раз в секунду.) В некоторых цепях конденсаторы помогают настроить радиоприемник на определенную частоту. Но все больше и больше инженеров стремятся использовать конденсаторы для хранения энергии.
Конденсаторы имеют довольно простую конструкцию. Простейшие из них состоят из двух компонентов, которые могут проводить электричество, которые мы назовем проводниками. Зазор, который не проводит электричество, обычно разделяет эти проводники. При подключении к цепи под напряжением электроны втекают и выходят из конденсатора. Те электроны, которые имеют отрицательный заряд, хранятся на одном из проводников конденсатора. Электроны не будут течь через зазор между ними. Тем не менее, электрический заряд, который накапливается на одной стороне зазора, влияет на заряд на другой стороне. Тем не менее, конденсатор остается электрически нейтральным. Другими словами, проводники с каждой стороны зазора приобретают одинаковые, но противоположные заряды (отрицательные или положительные).
Количество энергии, которое может хранить конденсатор, зависит от нескольких факторов. Чем больше поверхность каждого проводника, тем больше заряда он может хранить. Кроме того, чем лучше изолятор в промежутке между двумя проводниками, тем больше заряда может быть сохранено.
В некоторых ранних конструкциях конденсаторов проводники представляли собой металлические пластины или диски, разделенные только воздухом. Но те ранние конструкции не могли удерживать столько энергии, сколько хотелось бы инженерам. В более поздних конструкциях стали добавлять непроводящие материалы в зазор между проводящими пластинами. Ранние примеры таких материалов включали стекло или бумагу. Иногда использовался минерал, известный как слюда (MY-kah). Сегодня дизайнеры могут выбирать керамику или пластик в качестве диэлектриков.
Преимущества и недостатки
Аккумулятор может хранить в тысячи раз больше энергии, чем конденсатор того же объема.
Батареи также могут поставлять эту энергию стабильным и надежным потоком. Но иногда они не могут дать энергию так быстро, как это необходимо.
Возьмем, к примеру, фотовспышку в фотоаппарате. Ему нужно много энергии за очень короткое время, чтобы произвести яркую вспышку света. Таким образом, вместо батареи в схеме насадки для вспышки используется конденсатор для хранения энергии. Этот конденсатор получает энергию от батарей медленным, но постоянным потоком. Когда конденсатор полностью заряжен, на лампе-вспышке загорается индикатор готовности. Когда делается снимок, этот конденсатор быстро высвобождает свою энергию. Затем конденсатор снова начинает заряжаться.
Поскольку конденсаторы хранят свою энергию в виде электрического поля, а не химических веществ, вступающих в реакции, их можно перезаряжать снова и снова. Они не теряют способность удерживать заряд, как обычно это делают аккумуляторы. Кроме того, материалы, используемые для изготовления простого конденсатора, обычно не токсичны.
Это означает, что большинство конденсаторов можно выбросить в мусорное ведро, когда устройства, которые они питают, выбрасываются.
Гибрид
В последние годы инженеры придумали компонент под названием суперконденсатор . Это не просто действительно хороший конденсатор. Скорее это какой-то гибрид из конденсатора и аккумулятора.
Итак, чем суперконденсатор отличается от батареи? Суперконденсатор имеет две проводящие поверхности, как конденсатор. Их называют электродами, как в батареях. Но в отличие от батареи, суперконденсатор накапливает энергию на поверхности каждого из этих электродов (как конденсатор), а не в химических веществах.
Между тем, у конденсатора обычно есть непроводящий промежуток между двумя проводниками. В суперконденсаторе этот промежуток заполнен электролитом. Это было бы похоже на зазор между электродами в батарее.
Суперконденсаторы могут хранить больше энергии, чем обычные конденсаторы.
Почему? Их электроды имеют очень большую площадь поверхности. (И чем больше площадь поверхности, тем больший электрический заряд они могут удерживать.) Инженеры создают большую площадь поверхности, покрывая электрод очень большим количеством очень мелких частиц. Вместе частицы образуют шероховатую поверхность, площадь которой намного больше, чем у плоской пластины. Это позволяет этой поверхности хранить гораздо больше энергии, чем обычный конденсатор. Тем не менее, суперконденсаторы не могут сравниться с плотностью энергии батареи.
ИСПРАВЛЕНИЕ: Эта статья была исправлена, чтобы исправить одно предложение, в котором непреднамеренно заменен термин катод на анод. История теперь читается правильно.
Силовые слова
Подробнее о сильных словах переменный ток (в электричестве) Переменный ток, часто обозначаемый аббревиатурой AC, представляет собой поток электронов, который меняет направление через равные промежутки времени много раз в секунду.
Большинство бытовых приборов работают от сети переменного тока. Но многие портативные устройства, такие как музыкальные плееры и фонарики, питаются от постоянного тока (DC), обеспечиваемого батареями.
анод Отрицательный полюс батареи и положительно заряженный электрод в электролитической ячейке. Он притягивает отрицательно заряженные частицы. Анод является источником электронов для использования вне батареи, когда она разряжается.
атом Основная единица химического элемента. Атомы состоят из плотного ядра, содержащего положительно заряженные протоны и нейтрально заряженные нейтроны. Вокруг ядра вращается облако отрицательно заряженных электронов.
батарея Устройство, которое может преобразовывать химическую энергию в электрическую.
конденсатор Электрический компонент, используемый для хранения энергии. В отличие от батарей, которые хранят энергию химически, конденсаторы хранят энергию физически, в форме, очень похожей на статическое электричество.
углерод Химический элемент с атомным номером 6. Является физической основой всей жизни на Земле. Углерод существует свободно в виде графита и алмаза. Он является важной частью угля, известняка и нефти и способен к самосвязыванию химическим путем с образованием огромного количества химически, биологически и коммерчески важных молекул.
катод Положительный полюс батареи и отрицательно заряженный электрод в электролитической ячейке. Он притягивает положительно заряженные частицы. Во время разряда катод притягивает электроны снаружи батареи.
керамика Твердый, но хрупкий материал, изготовленный путем обжига глины или другого неметаллического минерала при высокой температуре. Кирпичи, фарфор и другие виды фаянса являются примерами керамики. Многие высокоэффективные керамики используются в промышленности, где материалы должны выдерживать суровые условия.
химическое вещество Вещество, состоящее из двух или более атомов, которые объединяются (связываются вместе) в фиксированной пропорции и структуре.
Например, вода — это химическое вещество, состоящее из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. Его химический символ — H 2 O. Химический также может быть прилагательным, описывающим свойства материалов, которые являются результатом различных реакций между различными соединениями.
химическая реакция Процесс, включающий перестройку молекул или структуры вещества, в отличие от изменения физической формы (например, из твердого состояния в газообразное).
цепь Сеть, передающая электрические сигналы. В организме нервные клетки создают цепи, передающие электрические сигналы в мозг. В электронике провода обычно направляют эти сигналы для активации какой-либо механической, вычислительной или другой функции.
компонент Изделие, являющееся частью чего-либо еще, например, элементы, входящие в состав электронной платы.
проводник (в физике и технике) Материал, через который может протекать электрический ток.
текущий Жидкое тело, например, состоящее из воды или воздуха, которое движется в узнаваемом направлении. (в электричестве) Поток электричества или количество электричества, проходящего через некоторую точку в течение определенного периода времени.
плотность Мера плотности объекта, определяемая путем деления массы на объем.
постоянный ток (в электричестве) Часто сокращенно DC, постоянный ток представляет собой односторонний поток электронов. Энергия постоянного тока генерируется такими устройствами, как батареи, конденсаторы и солнечные элементы. Когда цепи требуется питание постоянного тока, некоторые электронные устройства могут преобразовывать мощность переменного тока (AC) в постоянный ток.
электронная сигарета Устройство с батарейным питанием, которое распыляет никотин и другие химические вещества в виде мельчайших частиц в воздухе, которые пользователи могут вдыхать.
Первоначально они были разработаны как более безопасная альтернатива сигаретам, которую могли использовать потребители, пытаясь постепенно избавиться от своей зависимости от никотина, содержащегося в табачных изделиях. Эти устройства нагревают ароматизированную жидкость до тех пор, пока она не испарится, образуя пары. Люди используют эти устройства, известные как вейперы.
электрический заряд Физическое свойство, отвечающее за электрическую силу; он может быть отрицательным или положительным.
электрический ток Поток электрического заряда, называемый электричеством, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.
электрическое поле Область вокруг заряженной частицы или объекта, в которой сила может действовать на другие заряженные частицы или объекты.
электричество Поток заряда, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.
электрический потенциал Известный как напряжение, электрический потенциал представляет собой движущую силу электрического тока (или потока электронов) в цепи. С научной точки зрения, электрический потенциал — это мера потенциальной энергии на единицу заряда (например, электрона или протона), хранящегося в электрическом поле.
электролит Неметаллическая жидкость или твердое вещество, проводящее ионы — электрически заряженные атомы или молекулы — для переноса электрических зарядов. (Некоторые минералы в крови или других телесных жидкостях могут служить ионами, которые перемещаются, чтобы нести заряд.) Электролиты также могут служить ионами, которые перемещают положительные заряды внутри батареи.
электрон Отрицательно заряженная частица, обычно вращающаяся вокруг внешних областей атома; также носитель электричества внутри твердых тел.
плотность энергии Количество энергии, хранящейся в батарее, конденсаторе или другом накопителе, деленное на его объем.
инженер Человек, который использует науку для решения проблем. Глагол «спроектировать» означает разработать устройство, материал или процесс, который решит какую-то проблему или неудовлетворенную потребность.
фактор Что-то, что играет роль в определенном состоянии или событии; вкладчик.
поле (в физике) Область пространства, в которой действуют определенные физические явления, такие как магнетизм (созданный магнитным полем), гравитация (гравитационное поле), масса (поле Хиггса) или электричество (поле Хиггса). электрическое поле).
частота Количество раз, когда указанное периодическое явление происходит в течение определенного интервала времени. (В физике) Количество длин волн, возникающее за определенный интервал времени.
графит Как и алмаз, графит — вещество, содержащееся в грифеле карандаша, — представляет собой форму чистого углерода.
В отличие от алмаза, графит очень мягкий. Основное различие между этими двумя формами углерода заключается в количестве и типе химических связей между атомами углерода в каждом веществе.
гибрид Организм, полученный путем скрещивания двух животных или растений разных видов или генетически различных популяций внутри вида. Такое потомство часто обладает генами, передаваемыми каждым родителем, что дает комбинацию черт, не известных в предыдущих поколениях. Этот термин также используется в отношении любого объекта, который представляет собой смесь двух или более вещей.
изолятор Вещество или устройство, плохо проводящее электричество.
ион Атом или молекула с электрическим зарядом из-за потери или приобретения одного или нескольких электронов.
литий Мягкий серебристый металлический элемент. Это самый легкий из всех металлов и очень реакционноспособный. Он используется в батареях и керамике.
слюда Семейство минералов, многие из которых легко распадаются на мелкие блестящие хлопья.
минерал Кристаллообразующие вещества, такие как кварц, апатит или различные карбонаты, входящие в состав горных пород. Большинство горных пород содержат смешанные вместе несколько различных минералов. Минерал обычно является твердым и стабильным при комнатной температуре и имеет определенную формулу или состав (с атомами, встречающимися в определенных пропорциях) и определенную кристаллическую структуру (это означает, что его атомы организованы в определенные регулярные трехмерные структуры).
диапазон Полный объем или распределение чего-либо. Например, ареал растения или животного — это территория, на которой оно существует в природе. (в математике или для измерений) Степень, в которой возможно изменение значений. Кроме того, расстояние, на котором что-то может быть достигнуто или воспринято.
Смартфон Сотовый (или мобильный) телефон, который может выполнять множество функций, включая поиск информации в Интернете.
суперконденсатор Конденсатор с двумя проводящими поверхностями или электродами (подобно другим конденсаторам), на которых накапливается заряд энергии. В отличие от обычных конденсаторов (но похожих на батареи), электролит разделяет два электрода. В этом смысле суперконденсатор, по сути, представляет собой гибрид батареи и конденсатора.
площадь поверхности Площадь поверхности некоторого материала. Как правило, материалы меньшего размера и материалы с более шероховатой или более завитой поверхностью имеют большую площадь внешней поверхности на единицу массы, чем более крупные предметы или материалы с более гладкой поверхностью. Это становится важным, когда на поверхности происходят химические, биологические или физические процессы.
терминал Конечная точка или последняя станция в некоторой системе, сети или процессе. Конец линии.
токсичный Ядовитый или способный повредить или убить клетки, ткани или целые организмы.
Мерой опасности такого яда является его токсичность.
настроить (в инженерном деле) Отрегулировать до нужного уровня.
турбина Устройство с вытянутыми лопатками (часто изогнутыми) для улавливания движущейся жидкости — от газа или пара до воды — и последующего преобразования энергии этого движения во вращательное движение. Часто это вращательное движение заставит систему вырабатывать электричество.
напряжение Сила, связанная с электрическим током, которая измеряется в единицах, известных как вольты. Энергетические компании используют высокое напряжение для передачи электроэнергии на большие расстояния.
Сид Перкинс — отмеченный наградами научный писатель, который живет в Кроссвилле, штат Теннеси, со своей женой, двумя собаками и тремя кошками. Ему нравится готовить и работать с деревом, и он действительно, действительно хочет стать лучше в гольфе.
Разница между батареей и конденсатором
Содержание
Аккумулятор и конденсатор аналогичны тем, что они хранят и выделяют электрическую энергию и рассчитаны на Ач.
Но между ними есть некоторые ключевые различия, которые обсуждались в следующем посте. Основное различие между батареей и конденсатором заключается в том, что Батарея хранит заряд в виде химической энергии и преобразует ее в электрическую энергию, тогда как конденсатор хранит заряд в виде электростатического поля .
- Связанная запись: Разница между конденсатором и суперконденсатором
Аккумулятор
Аккумулятор — это устройство, используемое в качестве источника энергии. Он состоит из трех основных частей, известных как катод (положительный вывод), анод (отрицательный вывод) и сепаратор, известный как электролит. Батарея хранит энергию в виде химических веществ и при необходимости преобразует ее обратно в электрическую энергию. Химическая реакция, называемая окислительно-восстановительной, происходит между катодом и анодом через сепаратор (электролит) во время зарядки и разрядки аккумулятора.
- Связанная запись: Разница между реле и автоматическим выключателем
Конденсатор
Конденсатор представляет собой устройство с двумя выводами, состоящее из двух или более параллельных слоев пластин, разделенных диэлектрической средой, известной как изолятор. Когда напряжение прикладывается к пластинам конденсатора, ток должен течь через него до тех пор, пока напряжение как на отрицательной, так и на положительной (анодной и катодной) пластинах не станет равным приложенному напряжению (источник). Изолирующая среда между двумя проводящими пластинами конденсатора препятствует протеканию тока. Это изменение создает эффект, который сохраняется в конденсаторе в виде электростатического поля.
- Связанный пост: Разница между контактором и пускателем
Суперконденсатор
Суперконденсатор также известен как Super Cap или Ultra-Capacitor. Это тип полярного конденсатора с высокой номинальной емкостью, но с низким номинальным напряжением. Емкость суперконденсатора варьируется от 100 F до 12000 F при низком напряжении приблизительно от 2,5 В до 2,7 В .
Суперконденсатор должен находиться между конденсатором и батареей. Эти типы конденсаторов заряжаются намного быстрее, чем батарея, и заряжаются больше, чем электролитический конденсатор на единицу объема. Вот почему суперконденсатор считается между батарея и электролитический конденсатор.
- Связанный пост: Разница между предохранителем и автоматическим выключателем
Основные различия между батареей и конденсатором
В следующей таблице показаны основные различия и сравнение между конденсаторами и батареями.
| Характеристики | Аккумулятор | Конденсатор |
| Символ | ||
| Определение | Батарея хранит потенциальную энергию в виде химической энергии , которая позже преобразуется в электрическую энергию. |
Конденсатор накапливает потенциальную энергию в виде эклектического поля (электростатического поля) и отдает в цепь в виде электрической энергии. |
| Строительство | Аккумуляторсостоит из трех частей, известных как катод (положительный (+ve), анод (отрицательный (-ve)) и сепаратор (известный как электролит). | Конденсатор представляет собой простое двухвыводное устройство. Выводы представляют собой металлические пластины, между которыми находится диэлектрический материал (изолятор). |
| Функция | Аккумуляторы обеспечивают питание подключенных цепей. т. е. батарея генерирует электроны и заряд. | Конденсаторы потребляют, хранят и выделяют энергию. то есть конденсатор хранит только заряженные электроны. |
| Принцип работы | Аккумулятор работает на основе химической реакции, называемой окислительно-восстановительной реакцией. | Когда на клеммы конденсатора подается напряжение, он начинает запасать в нем энергию. |
| Эксплуатация | Аккумулятор генерирует электроны. | Конденсаторный магазин электронов. |
| Типы | Типы батарей: щелочные, литиевые, оксидно-серебряные, воздушно-цинковые, угольно-цинковые, свинцово-кислотные, литий-ионные (Li-ion), никель-металлогидридные (Ni-MH), никель-кадмиевые (Ni-Cd) и т. д. | Электролитические, электростатические, электростатические, электрохимические, суперконденсаторы, гибридные суперконденсаторы, керамические конденсаторы, пленочные конденсаторы, танталовые, интегрированные конденсаторы. |
| Тип устройства | Аккумуляторявляется активным компонентом. | Конденсатор является пассивным компонентом. |
| Использование переменного и постоянного тока | Аккумулятор используется для подачи постоянного тока. | Конденсатор блокирует подачу постоянного тока и пропускает подачу переменного тока. |
| Поведение при напряжении | Аккумулятор обеспечивает почти постоянное напряжение при разрядке. |
A Напряжение разряда конденсатора быстро уменьшилось. т. е. скорость разряда очень высокая. |
| Разница потенциалов (P.d) | Константа | Увеличивается экспоненциально |
| Зарядка и разрядка | Время зарядки и разрядки аккумулятора медленное, т. е. 10–60+ минут. | Время зарядки и разрядки конденсатора очень быстрое, т.е. 1-10 секунд. |
| Температура зарядки | 0–45 °C (32 –113 °F) | от -40 до 65 °C (от -40 до 149 °F) |
| Жизненный цикл | 500+ часов | 1М – 3М часов. |
| Срок службы | 5-10 лет | 10-15 лет |
| Напряжение на ячейку | 3,6–3,7 В | 2,3–2,75 В. |
| Удельная номинальная мощность | Аккумулятор. Удельная номинальная мощность составляет около 1 000 – 3 000 000 (Вт/кг). | Конденсатор Удельная номинальная мощность составляет около 1M (Вт/кг). |
| Полярность | Перепутана полярность аккумулятора во время зарядки и разрядки. | Полярность конденсатора во время зарядки и разрядки должна совпадать. |
| Размер | При одинаковой зарядной емкости размер батареи меньше, чем у конденсатора. | Размер конденсатора больше по сравнению с батареей той же номинальной емкости. |
| Стоимость | Стоимость батареи выше. | Стоимость конденсатора меньше. |
| Преимущества |
|
|
| Недостатки |
|
|
| Приложения |
|
