Ультраконденсаторы: революционные накопители энергии для современных технологий

   Супер- или ультраконденсаторы, известные также как высокоёмкие конденсаторы, накапливают энергию электростатическим способом, поляризуя раствор электролита. В процессе накопления энергии в суперконденсаторе не задействованы химические реакции, хотя суперконденсатор – электрохимическое устройство. Высокоёмкие или суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться тысячи раз в силу высокой обратимости механизма накопления энергии. Суперконденсатор – электрохимический конденсатор, обладающий способностью накапливать чрезвычайно большое, по отношению к его размеру и в сравнении с традиционным конденсатором, количество энергии. Это свойство суперконденсатора представляет особый интерес для автомобильной промышленности в производстве гибридных транспортных средств, а также в производстве транспорта на аккумуляторной электротяге, где суперконденсатор используется в качестве дополнительного накопителя энергии.

   Виды суперконденсаторов

Свойства суперконденсаторов

   Среди свойств следует отметить:

• Самую высокую плотность емкости
• Самую низкую стоимость в расчете на 1 фараду
• Надежный, длительный срок службы
• Высокий кпд цикла (95% и выше)
• Бесперебойную эксплуатацию
• Экологическую безопасность
• Широкий диапазон рабочих температур
• Высокую удельную мощность и достаточно высокую удельную энергию
• Очень высокую скорость заряда/разряда
• Большое количество (тысячи) циклов с незначительным ухудшением параметров
• Хорошую обратимость механизма накопления энергии
• Сниженную токсичность используемых материалов
• Низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС)

   Суперконденсаторы, емкость которых обеспечивается их двухслойной структурой, накапливают энергию в поляризованном жидком слое толщиной всего несколько ангстрем, расположенном на границе между раствором электролита с ионной проводимостью и электродом с электронной проводимостью. По мнению специалистов в этой области, например, г-на Калерта (Dr. Kahlert), суперконденсаторами следует считать конденсаторы емкостью минимум 10 фарад. Суперконденсаторы – это преимущественно двухслойные конденсаторы; конденсаторы, изготовленные по другим технологиям, например, плёночные или керамические, суперконденсаторами не считают. Обычно, в суперконденсаторе два активных электрода, разделенные пористым непроводящим материалом, размещены между двумя металлическими токовыми коллекторами. Электролит, водный либо органический, пропитывает пористые электроды и обеспечивает возникновение носителей заряда с последующим его накоплением.

   Суперконденсатор обычно используют для обеспечения импульсной или пиковой мощности в каком-либо устройстве. Суперконденсатор также используется для кратковременного снабжения устройств энергией и для поглощения энергии из области своего применения. Примером применения пиковой мощности являются линии электропередачи, примером кратковременного снабжения энергией – сотовые телефоны/бытовая электроника и радиотехника, а примером поглощения энергии – устройства регенеративного торможения в гибридных/электрических транспортных средствах.

Область применения суперконденсаторов

   Области применения суперконденсаторов можно классифицировать, основываясь на существующем и потенциальном применении. Среди развивающихся областей применения: накопительные устройства для источников возобновляемой энергии, например, солнца, ветра и океанской волны, топливных элементов; транспортные средства, например, гибридные электрические транспортные средства, устройства запуска двигателя обычных транспортных средств, работающих на бензине, локомотивы поездов и транспортные средства, работающие на водородном топливе. Суперконденсаторы также могут использоваться как накопители энергии в жилищном секторе, например, в домах с солнечными фотоэлектрическими системами, где требуются не обычные аккумуляторные батареи, а иные накопительные устройства. В ближайшем будущем многообещающими областями применения могут стать военная техника, авиакосмическая и медицинская промышленность.

   Благодаря высокой удельной емкости и плотности энергии, суперконденсаторы используются как источник кратковременного электропитания в электронных устройствах. Их также очень широко используют в системах бесперебойного электропитания (UPS). Преимуществом является то, что они обеспечивают мгновенную мощность в критических областях применения. Среди развивающихся областей применения суперконденсаторов — кратковременное параллельное питание для стационарных систем бесперебойного электропитания с топливными элементами. В наибольшей степени они пригодны для использования в устройствах запуска двигателя, а также в устройствах демпфирования пиковой нагрузки.

   Среди существующих областей применения — электроэнергетика с критическими нагрузками (энергосистемы общего пользования), больницы, банковские центры, вышки беспроводной связи и коммуникации аэропортов. Суперконденсаторы обеспечивают критическую нагрузку в течение нескольких секунд и даже миллисекунд. Самое широкое применение они нашли на рынке бытовой электроники в виде источника резервного питания запоминающих устройств, микропроцессоров и материнских плат. На рынке потребительской электроники суперконденсаторы во всевозрастающем количестве используются в мобильных телефонах.

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы — история создания и развития технологии

   7 июня 1962 года, Роберт Райтмаер, химик американской компании Standard Oil Company (SOHIO), располагавшейся в городе Кливленд, штата Огайо, подал заявку на получение патента, где подробно описывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, обладающем «двойным электрическим слоем». Если в обычном конденсаторе алюминиевые обкладки, традиционно, были изолированы слоем диэлектрика, то в предлагаемом изобретателем варианте акцент делался непосредственно на материал обкладок. Электроды должны были иметь различную проводимость: один электрод должен был обладать ионной проводимостью, а другой – электронной. 

   Таким образом, в процессе заряда конденсатора происходило бы разделение электронов и положительных центров в электронном проводнике, и разделение катионов и анионов в ионном проводнике. Электронный проводник предлагалось сделать из пористого углерода, тогда ионным проводником мог бы быть водный раствор серной кислоты. Заряд в таком случае сохранялся бы на границе раздела этих особых проводников (тот самый двойной слой). Разность потенциалов этих первых ионисторов могла достигать значения в 1 вольт, а емкость – единиц фарад, ведь теперь расстояние между обкладками было меньше 5 нанометров.

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

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

   Gold Cap от Panasonic

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

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

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

Применение ионисторов

   Ионисторы получили заслуженное применение в качестве источников резервного питания во множестве устройств. Начиная с питания таймеров телевизоров и СВЧ-печей, и заканчивая сложными медицинскими приборами. На платах памяти, как правило, установлены ионисторы. При смене батареи в видео или фотокамере, ионистор поддерживает питание схем памяти, отвечающих за настройки, это же касается музыкальных центров, компьютеров и другой подобной техники. Телефоны, электронные счетчики электроэнергии, охранные системы сигнализации, электронные измерительные приборы и приборы медицинского применения – везде нашли применение суперконденсаторы.

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

   К преимуществам ионисторов относится:

• высокая скорость заряда-разряда
• устойчивость к сотням тысяч циклов перезаряда по сравнению с аккумуляторами
• малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами
• низкий уровень токсичности
• допустимость разряда до нуля

Разработки и перспективы

    При разработке ионисторов все более и более повышается их удельная емкость, и по всей вероятности, рано или поздно это приведет к полной замене аккумуляторов на суперконденсаторы во многих технических сферах. Последние исследования группы ученых Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что новый тип ионисторов на основе пористой структуры, где частицы оксида рутения нанесены на графен, превосходят лучшие аналоги почти в два раза. Исследователи обнаружили, что поры «графеновой пены» обладают наноразмерами, подходящими для удержания частиц оксидов переходных металлов. Суперконденсаторы на основе оксида рутения теперь являются самым перспективным из вариантов. Безопасно работающие на водном электролите, они обеспечивают увеличение запасаемой энергии и повышают допустимую силу тока вдвое по сравнению с самыми лучшими из доступных на рынке ионисторов. Они запасают больше энергии на каждый кубический сантиметр своего объёма, поэтому ими целесообразно будет заменить аккумуляторы. Прежде всего, речь идёт о носимой и имплантируемой электронике, но в перспективе новинка может обосноваться и на персональном электротранспорте.

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

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

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

устройство, принцип работы и область применения

Сегодня широко распространены высокомощные приборы, которые потребляют в короткий промежуток времени большой объем электроэнергии.

Для такой техники не всегда удобно использовать батареи или аккумуляторы, поэтому источником энергии для них могут выступать суперконденсаторы или ионисторы. Они также могут использоваться вместо либо в комплексе с аккумуляторными батареями.

Что такое ионистор – сфера применения

В отличие от стандартных конденсаторов ионистор не имеет диэлектрика, разделяющего электроды.

Электроды в комплексе с сепаратором и рабочей жидкостью (электролитом) установлены в герметично запакованном корпусе, к которому припаиваются точки вывода с указанием полярности. Форма и корпус ионистора может иметь разный размер и соответствовать параметрам обычных батареек. Такой модуль очень быстро теряет заряд и также быстро заряжается.

Применяют такие устройства в цифровых электронных приборах, в качестве дополнительного источника питания, что позволяет сохранить настройки аппаратуры при замене батареек.

Также суперконденсаторы применяют для работы таймеров на телевизоре, микроволновке и другой бытовой и аудиотехнике, а также медицинском оборудовании. Высокоемкостные ионисторы совместно с аккумуляторами способны питать электродвигатели.

Нередко ультраконденсаторы встраивают в микросхемы светодиодных фонарей. Заряжаться модуль может от солнечной энергии, накопленной в солнечных батарейках.

Как работает суперконденсатор

Принцип действия ультраконденсатора схож с обычным конденсатором, но комплектация внутреннего блока отличается материалами, из которых он изготовлен.

Контур делают из пористого материала, обладающего высокой электропроводимостью. Диэлектриком выступает электролит.

В электрохимическом конденсаторе  электрозаряд накапливается при помощи формирования двойного слоя напряжения на электроде в момент адсорбции ионов из рабочей жидкости (электролита).

В основу функционирования ионистора заложен принцип разложения разной полярности потенциалов – на катоде создаются ионы с отрицательным зарядом, а на аноде – с положительным.

Когда электролит проходит сквозь сепаратор, который разделяет полярность ионов, предотвращается замыкание. Напряжение сохраняется в устройстве статистическим методом.

В течение небольшого временного отрезка суперконденсаторы способны накопить большой объем электроэнергии, что снижает время для их подзарядки.

Отдают устройства до 90% энергии, в отличие от аккумуляторов, которые способны отдать не больше 60%.

Электрический модуль изготавливают с охлаждением нескольких видов:

• естественное;
• водяное;
• воздушное.

Виды устройств

Ультраконденсаторы производят нескольких видов:

1. Псевдоконденсаторы. Комплектуются твердым типом электродов.
2. Гибридные блоки. Это переходной вариант между батареями и традиционными конденсаторами. Накопление и отдача заряда происходит в двойном электрическом слое. В приборе ставят электроды из различных материалов, от этого зависит и механизм накопления электрозаряда.
   

   Катоды выполнены из графена, который представляет двумерную модификацию молекулы углерода с распределением атомов в один ряд. Данный материал отличается стойкостью к химическим реакциям.

3. Двухслойные модули. Состоят из электродов с пористой текстурой, которые разделены сепаратором. Электрозаряд определен емкостью двойного слоя. В модуле используется электролит.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества ультраконденсаторов:

1. В сравнении с аккумуляторами большее число циклов заряда/разряда.
2. Короткое время для заряда/разряда. Приборы устанавливаются там, где нет возможности использовать аккумулятор по причине длительного времени заряда.
3. Небольшая масса и габариты.
4. Для заряда не нужно применять специальное устройство, что упрощает эксплуатацию и обслуживание.
5. Период эксплуатации выше, чем батарей и конденсаторов.
6. Допустимый температурный режим при эксплуатации – от -40 до +70 градусов.

Основные недостатки ионистора:

1. Небольшая величина напряжения. Для увеличения номинального напряжения подсоединяют несколько приборов по последовательной схеме. Принцип соединения ультраконденсаторов идентичен с подключением гальванических элементов для повышения напряжения.
2. Высокая стоимость устройства. Данный недостаток скоро будет неактуальным, потому что техническое развитие не стоит на месте, разрабатываются новые материалы и технологии, что повлияет и на стоимость приборов.
3. Не накапливают энергии столько, сколько аккумуляторы, по причине небольшой энергетической плотности, что сказывается на ограниченности в применении.
4. Соблюдать полярность при подключении обязательно.
5. Не допускать короткого замыкания, которое выведет устройство из строя.
6. Применяются суперконденсаторы в цепи постоянного и пульсирующего тока, но при высокочастотном переменном токе устройство перегревается, что приводит к неисправности.

Ионисторы являются автономными источниками электропитания. Для микроэлектроники разрабатывают компактные устройства. В перспективе расширение сферы применения – автомобилестроение, мобильная техники, сфера связи.

Ионистор своими руками: его применение, срок службы

Часто бывает так, когда обеспечить питание сети на основе одного аккумулятора не получается. Связано это с образованием больших и быстрых токов. Для решения подобной проблемы все применяли высоковольтные конденсаторы с большой емкостью. Позже популярность обрел ионистор, который стал добавляться в схему вместо аккумуляторной батареи или вместе с ней. Работа этого прибора основана на создании двойного слоя электричества, что выгодно отличает его от элементов, использующих химические реакции для накопления заряда. Необходимо более детально рассмотреть, где применяют ионистор и как сделать его своими руками.

Что такое и ионистор

Ионисторы появились в массовой продаже сравнительно недавно. Также они могут называться суперконденсаторами или ультраконденсаторами. Внешне они похожи на обычные конденсирующие элементы, обладающие более внушительной емкостью. Если говорить проще, то это смесь аккумуляторной батареи и конденсатора. Техническое устройство прибора можно описать, как конденсирующий электролитический элемент с двойным электрическим слоем. В зарубежной литературе его принято обозначать EDLC, что расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor.

Внешний вид элемента

К сведению! Патент на производство приспособления, которое сохраняло электроэнергию с двойным электрическим слоем, получил американец К. Райтмаер еще в прошлом веке. Сегодня такие элементы стали крайне популярными и называются ионисторами.

Примерная схема строения

Несмотря на достаточно новую технологию преобразования и хранения электрической энергии, такие устройства сегодня доступны к продаже практически в любых магазинах электрики и электроники, а их производство налажено не только за рубежом, но и в России.

Принцип работы ионистора

Как уже было сказано, ионистор сильно напоминает конденсатор, но в отличие от него он не имеет диэлектрического слоя вокруг себя. Обкладки представляют собой особые вещества, которые копят заряды противоположных знаков.

Известно, что емкостные характеристики конденсаторов, как и ионисторов, зависят от величины обкладок. Рассматриваемый элемент обладает обкладками из активированного угля или специально подготовленного вспененного углерода. Это обеспечивает повышенную площадь обкладок.

Простая схема, демонстрирующая принцип работы

Ионистор обладает выводами, которые сепарированы разделителем, помещенным в электролиты. Нужно это для предотвращения вероятных коротких замыканий. Электролиты чаще всего представляют собой кислоты и щелочи в любом приемлемом агрегатном состоянии.

Обратите внимание! При использовании электролитического йода или серебра можно получить качественный ионистор со значительными емкостными характеристиками, способностью работать при низких температурах и малым саморазрядом.

Во время протекания электрических и химических реакций часть электронов отделяется от полюсов приспособления и обеспечивает создание положительного заряда. Отрицательно заряженные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются этими полюсами со знаком «плюс». В результате получается электрический слой.

Ионистор на плате магнитолы

Сам же заряд сосредотачивается на границах углеродных полюсов и электролитического вещества. Слой очень тонкий, всего 1-5 нанометров в толщину, а это значительно повышает емкость приспособления.

Технические характеристики

Основными техническими параметрами, на которые следует обратить внимание при ознакомлении с прибором и его покупке, являются следующие:

• емкость в фарадах;
• внутреннее сопротивление в омах;
• максимальный ток разряда в амперах;
• номинальное напряжение в вольтах;
• значения саморазряда и разряда.

Ионисторы вместо АКБ

Важно! Последний параметр крайне важен для изучения. Для его расчета нужно воспользоваться и другими величинами: t — временем разряда в секундах, С — емкостью в фарадах, V1 и V2 — начальным и конечным параметрами диапазона напряжений, а также I — силой тока.

Где применяют ионистор

Зачастую такие приспособления встречаются в схемах и платах различных цифровых девайсов. Нужны они там для создания автономного и резервного источников питания в случае разрядки или отказа основной батареи, а также для других целей. К примеру, от ионистора может питаться оперативная память, микроконтроллеры или электронные часы RTC. Это помогает держать в памяти программы и работать с системными часами даже при отключенном основном питании.

Например, при смене батареек на аудиоплеере он должен быть полностью обесточен, а это стирает все пользовательские настройки в виде любимых частот, громкости (если устройство цифровое) и т. д. Этого не происходит, так как внутри есть ионистор, предотвращающий сброс. Его емкостные характеристики несоизмеримо малы по сравнению с аккумуляторными, но их вполне хватает для поддержания питания основных микросхем в течение пары суток. Обычно за это время человек успевает вставить батарейки, и все продолжает работать, как положено.

Обратите внимание! Что касается самодельных схем, то такие приспособления можно подключать в качестве аварийного или резервного источника электроэнергии для небольших микросхем.

Элементы для солнечной батареи на основе ионисторов

В промышленных масштабах ионисторы применяются в:

• медицинском оборудовании;
• ветровых станциях;
• приборах резервирования мощности;
• элементах аккумулирования электрической энергии;
• бытовой технике и электронике;
• световых и осветительных приборах со светодиодами;
• электронных замках.

Аккумуляторные суперконденсаторы

Как зарядить ионистор

Для зарядки этого элемента нужен источник питания. Если он имеется в схеме, и прибор работает корректно, то ионистор заряжается сам по себе и поддерживает напряжение, передаваемое от аккумулятора или электрической сети. Если необходимо зарядить приспособление самостоятельно, то подойдет схема, описная ниже.

Пример подключения для зарядки

Прибор запитывают от 12-вольтного адаптера. Затем используется стабилизатор напряжения и тока для регулирования 5,5 В для зарядки элемента. Это напряжение подается на конденсатор через полевой MOSFET-транзистор, который действует в роли переключателя. Он замыкается только тогда, когда напряжение в ионисторе падает до 4,8 В.

Важно! Если напряжение повышается, то транзистор размыкается, и зарядка прекращается.

Какая полярность ионистора

Эти элементы не обладают характеристикой полярности в силу своих электротехнических свойств. К тому же отсутствие полярности — явный плюс. Иногда производители указывают на своих приспособлениях стрелочки для обозначения полюса или знаки «+» и «-». Это не полярность ионистора, а обозначение полярности остаточного напряжения после первой тестовой зарядки на заводе-изготовителе.

Обратите внимание! Это означает, что после разряда на нагрузку можно припаивать элемент с любыми включениями. На работоспособность схемы это никак не повлияет.

Как сделать ионистор своими руками

Делать ионистор самостоятельно — неэффективная трата времени, но ради эксперимента попробовать можно. Для него нужны две металлические пластинки (обычно это медь), которые плотно прилегают к слою из активированного угля с обеих сторон. Слой угля в равных долях делится тонкой пластинкой диэлектрика. Весь уголь пропитывают электролитами.

Результат самодеятельности — большой ионистор своими руками

На пластинки заранее припаивают провода, чтобы было через что заряжать. Двойной электрический слой при подаче питания начнет появляться на порах активированного угля. Готовят «начинку» просто: уголь толкут в пыль и смешивают с электролитическим составом до получения консистенции густой каши. Впоследствии ее намазывают на обезжиренные и очищенные пластины.

Срок службы ионистора

Рассматриваемые элементы обладают достаточно большими сроками службы. К примеру, при номинальном напряжении в 0,6 В прибор может работать до 40 000 ч. При этом за все это время будет наблюдаться лишь незначительное снижение емкости. Предполагаемый срок службы завит от заявленного производителем, но не следует исключать воздействие на ионистор фактора влажности, повышенного напряжения и перепадов температур.

Важно! Обычно указывают сроки для идеальных лабораторных условий.

Маркировка прибора и указание полярности

Таким образом, в этом материале было разобрано, как сделать ионистор своими руками, и где он нашел свое применение. Эти элементы, изобретенные сравнительно недавно, обсуждали, как источник альтернативной энергии и прорыв, но таковым они не стали. Несмотря на это, область применения их весьма широка.

Что такое суперконденсаторы? Обзор суперконденсаторов или ультраконденсаторов

Конденсатор представляет собой пассивный компонент с двумя выводами, который широко используется в электронике. Почти каждая схема, которую мы находим в электронике, использует один или несколько конденсаторов для различного использования. Конденсаторы являются наиболее используемым электронным компонентом после резисторов. Они обладают специальной способностью запасать энергию . На рынке доступны различные типы конденсаторов, но один из них, который в последнее время приобретает популярность и обещает замену или замену батарей в будущем, представляет собой суперконденсаторов или также известен как ультраконденсаторов .Суперконденсатор — это не что иное, как конденсатор большой емкости с емкостными значениями, намного превышающими обычные конденсаторы, но с более низкими пределами напряжения. Они могут хранить в 10-100 раз больше энергии на единицу объема или массы, чем электролитические конденсаторы, могут принимать и доставлять заряд намного быстрее, чем батареи, и выдерживают больше циклов зарядки-разрядки, чем аккумуляторы.

Суперконденсаторы или ультраконденсаторы

— это новая технология накопления энергии, которая получила широкое развитие в современную эпоху.Суперконденсаторы дают значительные производственные и экономические выгоды

Емкость конденсатора измеряется в Фараде (F), как 0,1 мкФ (микрофарад), 1 мФ (миллифарад). Однако, хотя конденсаторы с более низким значением довольно распространены в электронике, конденсаторы с очень высокими значениями также доступны, которые накапливают энергию с гораздо более высокой плотностью и доступны с очень высоким значением емкости, вероятно, в диапазоне Фарада.

На изображении выше показано локально доступное изображение суперконденсатора 2,7 В, 1 Фарад.Номинальное напряжение намного ниже, но емкость вышеупомянутого конденсатора довольно высока.

Преимущества суперконденсатора или ультраконденсатора

Спрос на суперконденсаторов растет день ото дня. Основная причина быстрого развития и спроса обусловлена ​​многими другими преимуществами суперконденсаторов, некоторые из них указаны ниже:

• Обеспечивает очень хороший срок службы около 1 миллиона циклов зарядки.
• Рабочая температура почти от -50 до 70 градусов, что делает его пригодным для использования в бытовых приложениях.
• Высокая удельная мощность до 50 раз, которая достигается за счет батарей.
• Вредные материалы, токсичные металлы не являются частью процесса производства суперконденсаторов или ультраконденсаторов, что делает его сертифицированным как одноразовый компонент.
• Это эффективнее, чем батареи.
• Не требует обслуживания по сравнению с батареями.

Суперконденсаторы хранят энергию в своем электрическом поле, но в случае батарей они используют химические соединения для хранения энергии.Кроме того, благодаря своей способности быстрой зарядки и разрядки, суперконденсаторы постепенно выходят на рынок аккумуляторов. Низкое внутреннее сопротивление с очень высокой эффективностью, отсутствие затрат на техническое обслуживание, более длительный срок службы являются основной причиной его высокого спроса на современном рынке источников питания.

Энергии в конденсаторе

Конденсатор хранит энергии в виде Q = C x V . Q обозначает заряд в кулонах, C — емкость в Фарадах, а V — напряжение в вольтах.Таким образом, если мы увеличим емкость, запасенная энергия Q также увеличится.

Единицей емкости является Фарад (F), который назван в честь М. Фарадея. Фарад — это единица измерения емкости в кулонах / вольт. Если мы скажем конденсатор с 1 Фарадом, то он создаст разность потенциалов в 1 вольт между своими пластинами в зависимости от заряда в 1 кулон.

1 Фарад — это конденсатор с очень большим значением для использования в качестве общего электронного компонента. В электронике, как правило, используется емкость от микрофарада до пикофарада.Микрофарад обозначается как uF (1/1 000 000 Фарад или 10 ^-6 F), нанофарад — nF (1/1 000 000 000 или 10 ^-9 F), а Пико Фарад — как pF (1/1 000 000 000 000 или 10 ^-12 F) )

Если значение становится намного выше, например, от mF до нескольких Фарад (обычно <10F), это означает, что конденсатор может удерживать гораздо больше энергии между его пластинами, этот конденсатор называется Ультраконденсатором или Суперконденсатором .

Энергия, запасенная в конденсаторе, равна E = ½ CV ² Дж.E — накопленная энергия в джоулях, C — емкость в Фараде, а V — разность потенциалов между пластинами.

Строительство Суперконденсатор

Суперконденсатор представляет собой электрохимическое устройство. Интересно, что нет никаких химических реакций, ответственных за хранение его электрических энергий, они имеют уникальную конструкцию, с большой проводящей пластиной или электродом, которые тесно расположены с очень маленькой площадью поверхности.Его конструкция такая же, как у электролитического конденсатора с жидким или влажным электролитом между электродами. Вы можете узнать о различных типах конденсаторов здесь.

Суперконденсатор действует как электростатическое устройство, сохраняющее его электрическую энергию как электрическое поле между проводящими электродами.

Электроды, красные и синие, имеют двустороннее покрытие . Они обычно изготавливаются из графитового углерода в форме углеродных нанотрубок или гелей или специального типа проводящих активированных углей.

Чтобы заблокировать большой поток электронов между электродами и пропускание положительного иона, используется пористая бумажная мембрана. Бумажная мембрана также разделяет электроды. Как видно на изображении выше, пористая бумажная мембрана расположена посередине зеленого цвета. Электроды и бумажный сепаратор пропитаны жидким электролитом. Алюминиевая фольга используется в качестве токосъемника, который устанавливает электрическое соединение.

Разделительная пластина и площадь пластин отвечают за значение емкости конденсатора.Отношение можно обозначить как

Где Ɛ — диэлектрическая проницаемость материала, присутствующего между пластинами

А — площадь пластины

D — разделение между пластинами

Таким образом, в случае суперконденсатора необходимо увеличить площадь контакта, но есть ограничение. Мы не можем увеличить физическую форму или размер конденсатора. Чтобы преодолеть это ограничение, используются специальные типы электролитов для увеличения проводимости между пластинами, таким образом увеличивая емкость.

Суперконденсаторы также называют двухслойными конденсаторами . За этим стоит причина. Очень небольшое разделение и большая площадь поверхности с помощью специального электролита, поверхностный слой электролитических ионов образуют двойной слой. Он создает две конденсаторные конструкции, по одной на каждом угольном электроде, и называется двухслойным конденсатором.

Эти конструкции имеют недостаток. Напряжение на конденсаторе стало очень низким из-за напряжения разложения электролита.Напряжение сильно зависит от материала электролита, материал может ограничивать емкость накопления электрической энергии конденсатора. Таким образом, из-за низкого напряжения на клеммах суперконденсатор может быть соединен последовательно для хранения электрического заряда на полезном уровне напряжения. Из-за этого суперконденсатор последовательно вырабатывает более высокое напряжение, чем обычно, и параллельно емкость становится больше. Это может быть ясно понято по методике построения массива суперконденсаторов.

Суперконденсаторная Массив

Для накопления заряда при необходимом необходимом напряжении суперконденсаторы должны быть подключены последовательно.А для увеличения емкости они должны быть подключены параллельно.

Давайте посмотрим конструкцию массива суперконденсатора.

На приведенном выше изображении напряжение элемента одного элемента или конденсатора обозначено как Cv, в то время как емкость одного элемента обозначено как Cc. Диапазон напряжений суперконденсатора составляет от 1 В до 3 В, соединения серии увеличивают напряжение, а параллельные конденсаторы увеличивают емкость .

Если мы создадим массив, напряжение в серии будет

  Общее напряжение = напряжение ячейки (Cv) x Количество рядов  

И емкость параллельно будет

  Общая емкость = Емкость ячейки (куб. См) x (Количество столбцов / Количество строк)  

Пример

Нам необходимо создать устройство резервного копирования, для чего требуется суперконденсатор 2.5F или суперконденсатор с номиналом 6 В.

Если нам нужно создать массив с использованием конденсаторов 1F с номиналом 3 В, то каков будет размер массива и количество конденсаторов?

  Общее напряжение = Напряжение элемента x Номер строки 
  Тогда номер строки = 6/3 
  Номер строки = 2  

Означает, что два последовательно соединенных конденсатора будут иметь разность потенциалов 6 В.

Теперь емкость

  Общая емкость = емкость элемента x (номер столбца / номер строки) 
  Тогда номер Колумна = (2.5 х 2) / 1  

Итак, нам нужно 2 строки и 5 столбцов.

Давайте построим массив,

Общая энергия, хранящаяся в массиве, составляет

Суперконденсаторы

хорошо накапливают энергию и там, где требуется быстрая зарядка или разрядка. Он широко используется в качестве резервных устройств, где требуется резервное питание или быстрая разрядка. Они также используются в принтерах, автомобилях и различных устройствах для питьевой электроники.

,

Могут ли ультраконденсаторы заменить батареи в будущих электромобилях?

Ультраконденсаторы потрясающие. Но смогут ли они заменить батареи в будущих электромобилях?

Ультраконденсаторы имеют существенные преимущества перед батареями, в конце концов, они намного легче, быстрее заряжаются, безопаснее и не токсичны. Тем не менее, есть области, где батареи протирают ими пол. По крайней мере на данный момент.

СВЯЗАННЫЕ: TESLA НАКЛАДЫВАЕТСЯ НА «ПРОРЫВ» БАТАРЕЙНЫХ ИННОВАЦИЙ

Благодаря недавним приобретениям производителей ультраконденсаторов, таких как Tesla, ультраконденсаторы могут оказаться на грани вытеснения батарей в качестве источника питания для электромобилей.

Что такое ультраконденсатор?

Ультраконденсаторы, также называемые суперконденсаторами, двухслойными конденсаторами или электрохимическими конденсаторами, представляют собой тип системы накопления энергии, которая набирает популярность в последние годы. Их можно рассматривать как нечто среднее между обычным конденсатором и аккумулятором, но они отличаются от обоих.

Ультраконденсаторы имеют очень высокую емкость по сравнению с их традиционными альтернативами — отсюда и название. Точно так же как батарея, ячейки ультраконденсатора имеют положительный и отрицательный электрод, разделенные электролитом.Но в отличие от батарей, ультраконденсаторы накапливают энергию электростатически (так же, как конденсатор), а не химически, как батарея.

Ультраконденсаторы также имеют диэлектрический сепаратор, разделяющий электролит — как конденсатор. Эта внутренняя структура ячейки позволяет ультраконденсаторам иметь очень высокую плотность накопления энергии, особенно по сравнению с обычным конденсатором.

Ультраконденсаторы накапливают меньше энергии, чем батареи аналогичного размера. Но они способны выделять свою энергию гораздо быстрее, поскольку разряд не зависит от происходящей химической реакции.

Еще одно большое преимущество ультраконденсаторов заключается в том, что их можно перезаряжать огромное количество раз практически без ухудшения качества (при превышении на 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 многих быстрых циклов зарядки / разрядки, а не для длительного компактного накопления энергии, таких как автомобильные бустерные пакеты и аккумуляторы.

Источник: stantontcady / Flickr

Наиболее часто используемым электродным материалом для ультраконденсаторов является углерод в различных формах, таких как активированный уголь, ткань из углеродного волокна, углерод, полученный из карбида, углеродный аэрогель, графит (графен) и углеродные нанотрубки. (УНТ).

Как зарядить ультраконденсатор?

Когда к положительным и отрицательным пластинам конденсатора приложен перепад напряжения, он начинает заряжаться. По данным Battery University, «это похоже на накопление электрического заряда при ходьбе по ковру».Прикосновение к объекту высвобождает энергию пальцем. «

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. Это заняло бы до 1990-х годов за достижения в области материаловедения и производства для улучшения характеристик ультраконденсаторов и снижения их стоимости, достаточной для их коммерческой жизнеспособности.

Как работают ультраконденсаторы? потребляемая мощность, затем собирать и быстро накапливать избыточную энергию, которая в противном случае может быть потеряна.

Источник: Электронные учебники

По этой причине они являются отличным дополнением для первичных источников энергии, поскольку они заряжают и разряжают очень быстро и эффективно.

Несмотря на то, что аккумуляторы могут удерживать большое количество энергии, им обычно требуется несколько часов для зарядки. Напротив, конденсаторы, и особенно ультраконденсаторы, заряжаются почти мгновенно, но они могут накапливать только небольшое количество энергии.

По этой причине ультраконденсаторы являются идеальным решением, когда системе требуется быстрая зарядка и нет необходимости хранить электроэнергию в течение длительного периода времени.Они также весят меньше батарей, стоят дешевле и, как правило, не содержат токсичных металлов или вредных материалов.

Могут ли ультраконденсаторы заменить 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 плотность энергии и плотность энергии , чем у ультраконденсаторов.

Это означает, что они больше подходят для приложений с более высокой плотностью энергии, или когда устройство должно работать в течение длительных периодов от одной зарядки.Ультраконденсаторы имеют гораздо более высокую плотность и , чем батареи. Это делает их идеальными для применений с высокими расходами, таких как питание электромобиля.

Как упоминалось выше, срок службы ультраконденсаторов также намного выше, чем у батарей. Обычная батарея может выдерживать около 2000-3000 циклов зарядки и разрядки, в то время как ультраконденсаторы обычно могут поддерживать более 1 000 000 . Это может представлять огромную экономию материалов и затрат.

Извлечено из: skeletontech

Ультраконденсаторы также намного безопаснее и значительно менее токсичны.Они не содержат вредных химических веществ или тяжелых металлов и имеют гораздо меньшую вероятность взрыва, чем батареи.

Кроме того, ультраконденсаторы имеют гораздо больший рабочий диапазон, чем батареи. Фактически, они бьют батареи в этой области, так как они могут работать в диапазоне от -40 до +65 градусов по Цельсию.

Ультраконденсаторы также можно заряжать и разряжать намного быстрее, чем батареи, обычно в течение нескольких секунд, и они гораздо эффективнее при саморазряде, чем батареи.

Многие ультраконденсаторы также имеют гораздо более длительный срок хранения, чем батареи. Некоторые из них, например ячейки SkelCap, могут храниться до 15 лет за один раз практически без снижения емкости.

Источник: Windell Oskay / Flickr

Как и в большинстве технологий, основной движущей силой применения ультраконденсаторов является соотношение цены и качества. Ультраконденсаторы, как правило, являются более экономичным выбором в долгосрочной перспективе для приложений, требующих коротких выбросов энергии.

Батареи, однако, являются гораздо лучшим выбором для применений, где требуется постоянный низкий ток во времени.

Могут ли ультраконденсаторы заменить батареи в будущих электромобилях?

Как мы уже 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 транспортное средство нуждается во вспышках энергии — как во время ускорения.

Фактически, это именно то, что Toyota сделала с концептуальным автомобилем Yaris Hybrid-R, который использует суперконденсатор для использования во время ускорения.

PSA Peugeot Citroen также начал использовать ультраконденсаторы как часть своих систем экономии топлива. Это позволяет намного быстрее начальное ускорение.

Система Mazda i-ELOOP также использует ультраконденсаторы для накопления энергии во время замедления. Затем накопленная мощность используется для систем остановки и запуска двигателя.

Суперконденсаторы также используются для быстрой зарядки блоков питания гибридных шин по мере их остановки от остановки к остановке.

Когда гибридная энергия используется исключительно для повышения производительности, такие проблемы, как диапазон и способность удерживать заряд, не так важны, и поэтому некоторые высококлассные производители, такие как Lamborghini, также начинают внедрять электронные двигатели на суперконденсаторах в их гибриды.

Тем не менее, ультраконденсаторы не заменяют батареи в большинстве электромобилей — пока. В ближайшем будущем литий-ионные аккумуляторы, вероятно, станут основным источником питания для электромобилей.

Многие считают, что более вероятно, что ультраконденсаторы станут более распространенными в качестве систем регенерации энергии во время замедления. Эта накопленная мощность может затем использоваться повторно в течение периодов ускорения, а не прямой замены батарей.

Источник: Mic / Flickr

Однако, согласно этому исследованию, они могут также применяться в гибридных транспортных средствах вместо аккумуляторов, когда «потребляемая мощность меньше мощности электродвигателя; когда мощность транспортного средства Потребность превышает потребность электродвигателя, двигатель работает для удовлетворения потребности в мощности транспортного средства плюс для обеспечения мощности для перезарядки блока суперконденсатора.

Недавние исследования суперконденсаторов на основе графена также могут привести к успехам в использовании суперконденсаторов в электромобилях. Одно исследование, проведенное учеными из Университета Райса и Технологического университета Квинсленда, привело к двум статьям, опубликованным в Журнале источников энергии и Нанотехнологии .

Они предложили решение, состоящее из двух слоев графена с электролитическим слоем между ними, в результате чего полученная пленка является прочной, тонкой и способной выделять большое количество энергии за короткое время.

Эти факторы даны — это ведь суперконденсатор. Отличительной чертой этого исследования является то, что исследователи предполагают, что новые, более тонкие ультраконденсаторы могут заменить более объемные батареи в будущих электромобилях.

Это может также включать интеграцию ультраконденсаторов, например, в панели кузова, панели крыши, полы и даже двери. Теоретически, это может обеспечить транспорт всей энергией, в которой он нуждается, и сделать его значительно легче, чем электромобили с батарейным питанием.

Источник: Depositphotos

Такой электромобиль также будет заряжаться значительно быстрее, чем современные автомобили с батарейным питанием. Но, как и все ультраконденсаторы, это решение по-прежнему не может содержать столько энергии, сколько стандартные батареи.

«В будущем надеются, что суперконденсатор будет разработан для хранения большего количества энергии, чем литий-ионная батарея, сохраняя при этом способность выделять свою энергию до в 10 раз быстрее — это означает, что автомобиль может полностью питаться от суперконденсаторы в панелях корпуса », — сказал соавтор исследования Цзиньчжан Лю.

«После одной полной зарядки этот автомобиль должен будет проехать до 500 км ( 310 миль ) — аналогично бензиновому автомобилю и более чем в два раза превышает предел тока электромобиля».

Интересные времена впереди, кажется. Смотрите это пространство.

.

Информация о суперконденсаторах — Battery University

Узнайте, как суперконденсатор может улучшить батарею.

Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора тем, что он имеет очень высокую емкость. Конденсатор накапливает энергию посредством статического заряда, а не электрохимической реакции. Применение разности напряжений на положительной и отрицательной пластинах заряжает конденсатор.Это похоже на накопление электрического заряда при ходьбе по ковру. Прикосновение к объекту высвобождает энергию через палец.

Существует три типа конденсаторов, и наиболее основным является электростатический конденсатор с сухим сепаратором. Этот классический конденсатор имеет очень низкую емкость и в основном используется для настройки радиочастот и фильтрации. Размер варьируется от нескольких пикофарад (pf) до низкого микрофарада (мкФ).

Электролитический конденсатор обеспечивает более высокую емкость, чем электростатический конденсатор, и рассчитывается в микрофарадах (мкФ), что в миллион раз больше, чем пикофарад.Эти конденсаторы используют влажный сепаратор и используются для фильтрации, буферизации и связывания сигналов. Подобно батарее, электростатическая емкость имеет положительные и отрицательные стороны, которые необходимо соблюдать.

Третий тип — суперконденсатор с номиналом в Фарадах, который в тысячи раз выше, чем электролитический конденсатор. Суперконденсатор используется для накопления энергии, подвергаясь частым циклам зарядки и разрядки при высоком токе и короткой продолжительности.

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

Инженеры General Electric впервые экспериментировали с ранней версией суперконденсатора в 1957 году, но не было известных коммерческих приложений. В 1966 году Standard Oil заново открыла эффект двухслойного конденсатора, работая над экспериментальными конструкциями топливных элементов.Двойной слой значительно улучшил способность накапливать энергию. Компания не стала коммерциализировать изобретение и лицензировала его NEC, который в 1978 году продал эту технологию как «суперконденсатор» для резервного копирования памяти компьютера. Лишь в 1990-х годах достижения в области материалов и методов производства привели к повышению производительности и снижению затрат.

Суперконденсатор развился и перешел на аккумуляторную технологию с использованием специальных электродов и электролита. В то время как основной электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC) зависит от электростатического действия, в асимметричном электрохимическом двухслойном конденсаторе (AEDLC) используются батарейоподобные электроды для получения более высокой плотности энергии, но это имеет более короткий срок службы и другие нагрузки, которые делятся с аккумулятор.Графеновые электроды обещают усовершенствования суперконденсаторов и батарей, но до таких разработок еще 15 лет.

Было опробовано несколько типов электродов, и наиболее распространенные на сегодняшний день системы построены на электрохимическом двухслойном конденсаторе на углеродной основе, с органическим электролитом и простым в изготовлении.

Все конденсаторы имеют ограничения по напряжению. В то время как электростатический конденсатор может выдерживать высокое напряжение, суперконденсатор ограничен 2,5–2.7В. Возможны напряжения 2,8 В и выше, но при уменьшенном сроке службы. Чтобы получить более высокое напряжение, несколько суперконденсаторов соединены последовательно. Последовательное соединение уменьшает общую емкость и увеличивает внутреннее сопротивление. Струны из более чем трех конденсаторов требуют балансировки напряжения для предотвращения перенапряжения любого элемента. Литий-ионные аккумуляторы имеют одинаковую схему защиты.

Удельная энергия суперконденсатора находится в диапазоне от 1 Вт / кг до 30 Вт / кг, что в 10–50 раз меньше, чем у Li-иона.Кривая разряда является еще одним недостатком. В то время как электрохимическая батарея обеспечивает постоянное напряжение в диапазоне полезной мощности, напряжение суперконденсатора уменьшается в линейной шкале, что снижает полезный спектр мощности. (См. BU-501: Основы разрядки.)

Возьмите источник питания 6 В, который может разрядиться до 4,5 В до отключения оборудования. К тому времени, когда суперконденсатор достигает этого порога напряжения, линейный разряд дает только 44% энергии; остальные 56% зарезервированы.Опциональный конвектор DC-DC

.