Суперконденсатор что такое: Суперконденсаторы. Устройство и применение. Виды и работа

Содержание

Суперконденсаторы. Устройство и применение. Виды и работа

Суперконденсаторы — это электрохимические конденсаторы, которые существенно отличаются от обычных практически неограниченной долговечностью, более низкими потерями тока и большими значениями удельной мощности. При этом они имеют на порядок меньшие габариты. То есть это батарея нового поколения, которая сможет открыть многочисленные перспективы в энергетике. В первую очередь большой интерес к суперконденсаторам вызван возможностью замены ими батарей, а также создания гибких источников питания большой мощности.

Стратегической задачей для ученых является создание батарей высокой емкости, которые можно было бы использовать в разных областях, к примеру, для электромобилей. Это позволит обеспечить поездки на длительные дистанции и быструю зарядку батарей. Также это гарантирует более экономичную работу возобновляемых источников энергии путем аккумулирования избытков энергии: ветроэнергетические установки, солнечные батареи и так далее.

Виды

Суперконденсатор – это тот же аккумулятор, но на порядок с лучшими свойствами. В первую очередь это относится к существенно более быстрому заряду и разряду. Суперконденсатор представляет элемент с двумя электродами, между ними располагается электролит. Электроды выполнены в виде пластины из определенного материала. Для улучшения электрических параметров суперконденсатора, пластины могут дополнительно покрываться пористым материалом, к примеру, активированным углем. В качестве электролита может применяться неорганическое или органическое вещество.

В целом суперконденсатор – это гибрид химической аккумуляторной батареи и обычного конденсатора:

Главное отличие суперконденсатора от привычного конденсатора — в наличии у первого не просто диэлектрика между электродами, а двойного электрического слоя. В результате между электродами образуется очень маленькое расстояние, а его возможность накапливать электрическую энергию (электрическая емкость) получается намного выше.
Кроме этого суперконденсатор от аккумуляторной батареи отличается скоростью накапливания, а также степенью отдачи электрического заряда. Благодаря применению двойного электрического слоя повышается площадь поверхности электродов при тех же общих габаритах. То есть в устройстве сочетаются лучшие электрические характеристики – существенная емкость аккумулятора и скорость конденсатора.

Впервые о суперконденсаторе заговорили в 1962 году. Именно тогда химик американской компании Standard Oil Company Роберт Райтмаер подал заявку на патент, где подробно расписывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, который обладал «двойным электрическим слоем». В предлагаемом варианте акцент делался на материал обкладок. У электродов должна быть различная проводимость: один электрод должен иметь электронную проводимость, а другой – ионную. В результате при заряде конденсатора происходило разделение положительных центров и электронов в электронном проводнике, а также разделение анионов и катионов в ионном проводнике.

В 1971 году лицензия досталась японской компании NEC, которая к этому времени занималась всеми направлениями электронной коммуникации. NEC удалось успешно продвинуть технологию под названием «Суперконденсатор». Затем суперконденсаторами стали заниматься и другие компании. С 2000-х годов активное развитие технологии началось во многих странах мира.

Суперконденсаторы сегодня подразделяются на:

Двойнослойные конденсаторы (ДСК).
Псевдоконденсаторы.
Гибридные конденсаторы.

Двойнослойный суперконденсатор предполагает наличие двух пористых электродов, выполненных из электропроводящих материалов, а также разделенных заполненным электролитом сепаратором. Здесь процесс запасания энергии идет за счет разделения заряда на электродах с весьма большой разностью потенциалов между ними. Электрический заряд двойнослойных конденсаторов определяется непосредственно емкостью двойного электрического слоя, то есть отдельного конденсатора на поверхности каждого электрода. Между собой они соединяются последовательно посредством электролита, который является проводником с ионной проводимостью.

Псевдоконденсаторы уже ближе к перезаряжаемым аккумуляторам. В них имеются два твердых электрода. Принцип действия сочетает два механизма сохранения энергии: фарадеевские процессы, которые схожи с процессами, происходящими в батареях и аккумуляторах, а также электростатическое взаимодействие, свойственное конденсаторам с двойным электрическим слоем. Приставка «псевдо» появилась вследствие того, что емкость ДЭС зависит не только от электростатических процессов, но и быстрых фарадеевских реакций с переносом заряда.

Гибридные конденсаторы – это переходный вариант между конденсатором и аккумулятором. Слово «гибридные» обусловлено тем, что электроды в гибридных конденсаторах производятся из различных материалов, а накопление заряда осуществляется по разным механизмам. Большинством случаев в гибридных конденсаторах катодом является материал с псевдоемкостью. В результате аккумулирование заряда на катоде осуществляется вследствие окислительно-восстановительных реакций, что увеличивает удельную емкость конденсатора, а также расширяет область рабочих напряжений.

В гибридных конденсаторах часто применяют комбинацию электродов из допированных проводящих полимеров и смешанных оксидов. Весьма перспективными могут стать композиционные материалы, которые состоят из оксидов металлов, осажденных на проводящие полимеры или углеродные носители.

Принцип действия

Суперконденсаторы, как высокоемкие конденсаторы, производят накопление энергии электростатическим способом, поляризуя раствор электролита. При накоплении энергии в суперконденсаторе химические реакции не задействуются, хотя суперконденсатор является электрохимическим устройством. В силу высокой обратимости механизма накопления энергии, конденсаторы способны тысячи раз заряжаться и разряжаться.

Суперконденсатор – электрохимический конденсатор, который имеет способность накапливать чрезвычайно большое количество энергии по отношению к его размеру, а также в сравнении с традиционным конденсатором. Данное свойство суперконденсатора особенно интересно в создании гибридных транспортных средств в автомобильной промышленности, в том числе в производстве машин на аккумуляторной электротяге, в которых суперконденсаторы применяются в виде дополнительного накопителя энергии.

В большинстве случаев, в суперконденсаторе действуют два активных электрода, которые разделены непроводящим материалом, размещенным между металлическими токовыми коллекторами. Органический или водный электролит пропитывает пористые электроды, обеспечивая появление носителей заряда в устройстве с последующим его накоплением.

Применения и особенности

Области применения суперконденсаторов могут быть поделены на следующие направления:

Накопительные устройства для источников возобновляемой энергии, к примеру, топливных элементов, океанской волны, ветра и солнца.
Транспортные средства, к примеру, устройства запуска двигателя машин, гибридные электрические транспортные средства, автомобили на водородном топливе, локомотивы поездов.
Как накопители энергии в жилищном секторе, к примеру, в зданиях с солнечными фотоэлектрическими системами, в которых имеется необходимость в аккумуляторах с повышенными характеристиками.
Благодаря высокой плотности энергии и удельной емкости, суперконденсаторы применяются в электронных устройствах в виде источника кратковременного электропитания.
В системах бесперебойного электропитания. Достоинством является то, что они в критических областях применения обеспечивают мгновенную мощность.
Среди развивающихся областей суперконденсаторы находят применение в системах бесперебойного электропитания с топливными элементами.
В устройствах демпфирования пиковой нагрузки, а также запуска двигателя.
Электроэнергетика с критическими нагрузками, коммуникации аэропортов, вышки беспроводной связи, банковские центры, больницы.
Источник резервного питания для материнских плат, микропроцессоров и запоминающих устройств.
Мобильные телефоны.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств суперконденсаторов можно отметить:

Низкая стоимость устройства накопления энергии в расчете на 1 фарад.
Высочайшая плотность емкости.
Высокий кпд цикла, который достигает 95% и выше.
Длительный срок службы.
Надежность устройства.
Экологическая безопасность.
Бесперебойная эксплуатация.
Весьма высокая удельная энергия и удельная мощность.
Широкий диапазон рабочих температур.
Большое количество циклов практически с неизменными параметрами.
Высокая скорость заряда и разряда.
Сниженная токсичность применяемых материалов.
Отличная обратимость механизма накопления энергии.
Допустимость разряда до нуля.
Малый вес в сравнении с электролитическими конденсаторами.

Среди недостатков суперконденсаторов можно отметить:

Относительно малая энергетическая плотность.
Не способность обеспечить достаточное накопление энергии.
Весьма низкое напряжение на одну единицу элемента.
Высокая степень саморазряда.
Недостаточное развитие технологий.

Суперконденсаторы в перспективе

В ближайшем будущем суперконденсаторы станут применять повсеместно. Многообещающими областями для суперконденсаторов могут стать медицинская и авиакосмическая промышленность, военная техника:

При разработке суперконденсаторов все больше повышается их удельная емкость. В результате во многих технических сферах произойдет полная замена аккумуляторов на конденсаторы.
Произойдет интегрирование суперконденсаторов в самые разные структуры: от электроники до всевозможных настроек. Появится умная одежда с использованием этих устройств. Конденсаторы обеспечивают экологически чистый метод экономии энергии, поэтому они имеют больше возможностей для передачи и хранения энергии в сравнении с иными энергосберегающими технологиями.
Повсеместное использование суперконденсаторов: автомобили, трамваи, автобусы, электроника, в особенности смартфоны и другая мобильная техника. Зарядка будет занимать секунды, а запасаемой энергии будет хватать надолго.

принцип работы и алгоритм выбора

Все чаще в составе современных электронных устройств можно встретить суперконденсаторы. Суперконденсаторы способны выступать как в качестве основных элементов питания, так и в качестве буферных элементов для сглаживания провалов напряжения аккумуляторов при работе с импульсной нагрузкой.

Наравне с термином «суперконденсатор» в литературе часто применяют альтернативные названия, например, «ультраконденсатор» или «ионистор». Все эти именования используются для обозначения одного и того же компонента – конденсатора с двойным электронным слоем. Впервые суперконденсатор был создан в далеком 1957 году компанией General Electric. Позднее аналогичные компоненты выпускались различными производителями по всему миру, в том числе и в СССР (например, ионисторы КИ1-1).

Принцип работы суперконденсатора

Структура и принцип работы суперконденсатора поясняются на рис. 1. Суперконденсатор состоит из электродов, графитового сепаратора и электролита. При приложении внешнего напряжения носители заряда образуют два электронных слоя на границе сепаратора и электролита. Чем больше площадь поверхности сепаратора, тем больше будет накапливаемый заряд. Из рисунка видно, что в отличие от аккумуляторов в суперконденсаторе отсутствуют химические реакции, а энергия накапливается в виде статического заряда, как и в обычных конденсаторах.

Рис. 1. Структура и принцип действия суперконденсатора

Основные характеристики суперконденсаторов

По своим характеристикам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между аккумуляторами и обычными конденсаторами. В последнее время, благодаря большой емкости, суперконденсаторы становятся отличной альтернативой для аккумуляторов в широком спектре малопотребляющих устройств. Сравнение некоторых параметров суперконденсаторов и аккумуляторов приведено в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение параметров суперконденсаторов и аккумуляторов

Параметр	Суперконденсатор	Литий-ионный аккумулятор
Время заряда	1–10 с	10–60 мин
Срок службы (циклов)	1 миллион циклов или 30 000ч	500 и более
Напряжение	2,3…2,75 В (тип)	3,6 В (ном)
Удельная энергия (Вт·ч/кг)	5 (тип)	120–240
Удельная мощность (Вт/кг)	До 10 000	1 000…3 000
Стоимость кВт·ч	$10,000 (тип)	$250–$1,000
Время наработки на отказ)	10-15 лет	5-10 лет
Диапазон температур заряда	–40…65 °C	0…45 °C
Диапазон температур разряда	–40 to 65 °C	–20…60 °C

Емкость – один из важнейших параметров для любого накопителя энергии. По величине удельной емкости на единицу массы суперконденсаторы значительно превосходят обычные конденсаторы (в том числе, электролитические), но в свою очередь так же сильно уступают аккумуляторам (рис. 2). По этой же причине стоимость единицы емкости для суперконденсаторов оказывается существенно выше, чем для аккумуляторов.

Рис. 2. Сравнение удельной емкости накопителей энергии

Вторым по важности параметром накопителя энергии является разрядный ток. По этому показателю лидируют обычные конденсаторы, которые из-за низкого собственного сопротивления способны выдерживать огромные импульсы тока. Аккумуляторы наоборот отличаются высоким сопротивлением и чрезвычайно чувствительны к большим разрядным токам. Например, литий-ионные аккумуляторы склонны к перегреву и разрушению при быстром разряде. Суперконденсаторы характеризуются более высоким последовательным сопротивлением, чем простые конденсаторы, однако существуют модели, способные выдерживать разрядные токи до сотен ампер.

Высокое сопротивление создает проблемы не только с точки зрения разогрева, но и с точки зрения просадки напряжения при импульсной нагрузке. Импульсное потребление характерно для большинства современных систем, но особенно ярко оно проявляется в устройствах с беспроводными радиопередатчиками. На рис. 3 представлен пример преждевременного отключения системы с аккумуляторным питанием из-за просадки напряжения. При передаче данных по беспроводному каналу потребление системы существенно возрастает, однако аккумулятор не способен выдать требуемую мощность мгновенно. Из-за этого напряжение на нагрузке проседает и может опуститься ниже порогового значения. Пороговое значение ограничивает минимально допустимое напряжение питания, ниже которого происходит отключение устройства. На рис. 3 пороговое значение составляет 1 В. В результате просадки напряжения устройство отключается, несмотря на то, что уровень заряда аккумулятора на самом деле остается высоким. Во многих случаях с данной проблемой не могут справиться даже развязывающие конденсаторы.

Рис. 3. Провалы напряжения из-за высокого внутреннего сопротивления аккумулятора

Суперконденсаторы способны выдавать достаточно высокую импульсную мощность и позволяют решить проблему просадки напряжения (рисунок 4). Для этого суперконденсатор включается параллельно с аккумулятором. В данном случае ультраконденсатор не только предотвращает ложные выключения системы, но и защищает аккумулятор от пиковых токов, которые негативно влияют на срок его службы и могут в некоторых случаях банально вызвать его перегрев и разрушение. Таким образом, режим буферного элемента является одним из основных вариантов использования суперконденсаторов. Подробнее об этом вопросе рассказывается в статье «Расстояние не помеха. Эффективный радиус действия суперконденсаторов CAP-XX».

Рис. 4. Суперконденсатор не только предотвращает ложные выключения, но и защищает аккумулятор от пиковых токов

В последнее время наблюдается бурное развитие малопотребляющей электроники. Современные электронные системы могут потреблять всего лишь сотни мкА в активном режиме и доли мкА в режиме ожидания. Очень часто для питания таких устройств используют различные маломощные харвестеры энергии: солнечные батареи, виброхарвестеры, термогенераторы и т.д. Для накопления энергии этих преобразователей не всегда можно использовать конденсаторы. Например, устройство может накапливать энергию несколько часов, после чего выполнять быструю отправку данных по радиоканалу и снова засыпать. Высокий саморазряд конденсаторов не позволит работать в таком режиме. В то же время суперконденсатор окажется вполне приемлемым вариантом на роль накопителя энергии. Пример такого режима работы рассматривается в статье «Использование суперконденсаторов CAP-XX в устройствах с питанием от солнечных батарей».

Однако при использовании суперконденсатора в качестве основного элемента питания необходимо учитывать две важные особенности. Во-первых, суперконденсаторы обладают низким рабочим напряжением 2,3…2,75 В (хотя на рынке присутствуют модели с напряжением 3 В, например, суперконденсаторы от VINATech). Этого не всегда достаточно, а значит, может потребоваться последовательное включение нескольких элементов, что приведет к уменьшению суммарной емкости. В то же время у литий-ионных аккумуляторов номинальное напряжение составляет 3,6 В, что является оптимальным значением для большинства современных микросхем.

Во-вторых, еще одним недостатком суперконденсаторов становится линейный характер разряда. Разумеется, предсказуемая форма разряда это хорошо, но не всегда. На рис. 5 представлен пример, в котором система достигает граничного напряжения (минимально допустимое напряжение питания) в тот момент, когда суперконденсатор разряжен всего лишь на 50%. По этой причине для нормальной работы устройства может потребоваться дополнительный повышающий регулятор. В то же время аккумуляторы характеризуются относительно небольшим уменьшением напряжения в рабочем диапазоне.

Рис. 5. Разрядные характеристики аккумуляторов и суперконденсаторов

Еще одним преимуществом суперконденсаторов перед аккумуляторами является широкий диапазон рабочих температур. Это касается как процесса заряда, так и процесса разряда. На рынке присутствуют модели суперконденсаторов, которые способны работать при отрицательных температурах до -40°С и при положительных до +125 °С. В качестве примера можно привести ультраконденсторы от компания FastCAP (рис. 6). Разумеется, на рынке присутствуют и аккумуляторы с широким диапазоном рабочих температур, однако речь идет о специализированных решениях.

Рис. 6. Существуют модели ультарконденсаторов, способные работать в широком диапазоне температур, например, ультраконденсторы от компания FastCAP

Примеры суперконденсаторов

В заключение краткого экскурса по суперконденсатором приведем некоторые конкретные примеры.

Широкий спектр суперконденсаторов выпускает компания LS Mtron, которая была создана на базе одного из подразделений LG Electronics. В номенклатуре LS Mtron можно найти модели с традиционной рулонной и прямоугольной конструкцией, а также суперконденсаторные батареи и модули (рис. 7).

Рис. 7. Суперконденсаторы FastCAP отличаются широким диапазоном рабочих температур -40…+125 °С

Еще одним известным производителем суперконденсаторов является компания SPSCAP, которая предлагает несколько серий одноячеечных суперконденсаторов с диапазоном выходных токов 0,9…250 А (рис. 8). SPSCAP также выпускает ультраконденсаторные батареи.

Рис. 8. Суперконденсаторы от компании SPSCAP

Интересный модельный ряд суперконденсаторов предлагает корейская компания VINATech. Кроме того, это один из немногих производителей, который выпускает суперконденсаторы с рабочим напряжением 3,0 В.

Рис. 9. Суперконденсаторы и суперконденсаторные батареи от VINATech с рабочим напряжением до 3 В

На портале УНИТЕРа мы также неоднократно рассказывали и о некоторых уникальных решениях, к числу которых можно отнести и сверхтонкие суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0 от компании Murata. Эти суперконденсаторы имеют толщину всего 0,4 мм (рис. 10).

Рис. 10. Сверхтонкие суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0 имеют толщину всего 0,4 мм

В одной из статей мы также рассказывали о суперконденсаторах от компании FastCAP , которые отличаются широким диапазоном рабочих температур -40…+125 °С (рис. 11).

Рис. 11. Суперконденсаторы от компании FastCAP с широким диапазоном рабочих температур

Алгоритм выбора суперконденсаторов

Как уже отмечалось выше, суперконденсаторы могут использоваться либо в качестве основного накопителя энергии, либо в качестве буферного элемента при работе в связке с основным аккумулятором. Разумеется, алгоритм выбора суперконденсатора в этих случаях будет отличаться, однако основные шаги будут примерно одинаковыми.

Для начала следует определиться с основными параметрами суперконденсатора – с рабочим напряжением и с максимальным выходным током.

Суперконденсаторы не любят перенапряжений, по этой причине при выборе подходящего накопителя следует позаботиться о согласовании рабочего напряжения. Для увеличения рабочего напряжения можно использовать последовательное включение суперконденсаторов, однако не стоит забывать, что в таком случае емкость будет уменьшаться. Кроме того, при необходимости следует предусмотреть защитные цепи для ограничения напряжения.

Далее следует рассчитать величину емкости. Рассмотрим алгоритм расчета, предложенный компанией SPSCAP. Для начала необходимо выбрать сценарий разряда суперконденсатора. Разряд может происходить либо с постоянным током, либо с постоянным напряжением.

Разряд с постоянным током. При таком сценарии ток разряда имеет фиксированное значение, а емкость будет рассчитываться по формуле:

C = It / (Vwork -Vmin),

где Vwork – номинальное рабочее напряжение, Vmin – минимально допустимое напряжение, I – ток разряда (постоянная величина в данном случае), t – время разряда.

Например, если Vwork=5 В, Vmin=4,2 В, t = 10 с, I =100 мА = 0,1 А, тогда:

C = 0,1 * 10 / (5 -4,2) = 1,25 Ф.

При выборе конкретной модели суперконденсатора необходимо предусмотреть некоторый запас по емкости. Кроме того, следует учесть температурную зависимость емкости. После выбора конкретной модели суперконденсатора следует свериться с температурной характеристикой, чтобы убедиться в том, что емкость превышает рассчитанное значение во всем диапазоне рабочих температур.

Разряд с постоянной мощностью. В таком случае мощность разряда остается фиксированной, а емкость будет рассчитываться по формуле:

C = 2Pt/ (Vwork² -Vmin²)

где Vwork – номинальное рабочее напряжение, Vmin – минимально допустимое напряжение, P – мощность разряда (постоянная величина в данном случае), t – время разряда.

Например, если предполагается разряд суперконденсатора в течение 10 секунд при постоянной мощности 200 кВт, а диапазон рабочего напряжения составляет 450 В — 750 В, тогда требуемая емкость составит:

С = 2 * 200 кВт * 10 / (750²-450²) = 11 Ф

В данном случае вновь следует предусмотреть некоторый запас и температурную зависимость емкости.

Источник:

https://www.spscap.com/choose-ultra-capacitor.html
http://www.patronicgroup.com/how-to-choose-super-capacitor—b5.html
https://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_role_of_the_supercapacitor

Автор: Вячеслав Гавриков, г. Смоленск

Разделы: Конденсаторы электролитические алюминиевые, Ионисторы

Опубликовано: 26.11.2019

Как работают суперконденсаторы? — Объясните это Stuff

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 4 апреля 2022 г.

Если вы считаете, что электричество сегодня играет большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили, работающие на ископаемом топливе, и отопление домов должны будут перейти на электроэнергию.
также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофические климатические
сдача. Электричество — чрезвычайно универсальная форма энергии, но
имеет один большой недостаток: его относительно трудно хранить в спешке.
Аккумуляторы могут хранить большое количество энергии, но на это уходят часы.
заряжать. Конденсаторы, напротив, заряжаются почти мгновенно, но
хранят лишь незначительное количество энергии. В нашем электрическом будущем
когда нам нужно хранить и высвобождать большое количество электроэнергии очень
быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам
(также известные как ультраконденсаторы), которые
объединить лучшее из обоих миров. Что они собой представляют и как они работают?
Давайте посмотрим поближе!

Фото: Стек суперконденсаторов Maxwell, используемых для накопления энергии в электромобилях. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии), NREL image id#46619.

Содержание

Как сохранить электрический заряд?
Что такое суперконденсатор?
Чем суперконденсаторы отличаются от батарей и обычных конденсаторов?
Для чего используются суперконденсаторы?
Узнать больше

Как сохранить электрический заряд?

Аккумуляторы и конденсаторы выполняют одинаковую работу — накапливают электроэнергию, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электрода), разделенные химическим
вещество, называемое электролитом. Когда вы включаете питание,
происходят химические реакции с участием как электродов, так и
электролит. Эти реакции превращают химические вещества внутри
батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они
идти. Как только все химические вещества будут израсходованы, реакции остановятся и
батарея разряжена. В перезаряжаемой батарее, такой как литий-ионный блок питания, используемый
в портативном компьютере или MP3-плеере реакции могут
с удовольствием бегают в любом направлении, так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни
раз, прежде чем батарея потребует замены.

Фото: Типичная угольно-цинковая батарея имеет накопленное на заводе электричество и может быть разряжена только один раз, прежде чем ее придется выбросить. Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — каждый год во всем мире выбрасываются миллиарды таких батарей.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик.
бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного напоминает трение воздушного шара о свитер.
чтобы он прилип. Положительные и отрицательные электрические заряды накапливаются на пластинах, а расстояние между ними, препятствующее их соприкосновению, накапливает энергию. Хороший диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, чем конденсатор с худшим качеством, поэтому можно сказать, что он делает конденсатор более эффективным в качестве устройства накопления заряда.

Фото: Типичные электролитические конденсаторы в электронной схеме. Каждая из них хранит в несколько раз меньше энергии, чем батарея, но может мгновенно заряжаться и разряжаться почти любое количество раз. В отличие от батареи, положительные и отрицательные заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не
содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать
и разряжался миллионы раз, не изнашиваясь. Но они
имеют и большой недостаток: килограмм за килограммом, их базовая конструкция
не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества
электрическая энергия в виде аккумуляторов.

Можем ли мы что-нибудь с этим сделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию
конденсатор будет хранить либо с использованием лучшего материала для
диэлектрика или с использованием больших металлических пластин. Для хранения значительного количества
энергии, вам нужно будет использовать абсолютно огромные тарелки. Грозовые тучи,
например, являются сверхгигантскими конденсаторами, которые хранят
огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! какая
об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала
между плитами? Изучение этого варианта привело ученых к разработке
суперконденсаторы в середине 20 века.

Художественное произведение: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто изготавливаются из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными моментами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик. Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, между ними есть разница: обычно они построены из разных материалов и структурированы немного по-разному, поэтому они хранят разное количество энергии. Для целей этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор имеет две разделенные пластины. Пластины изготовлены из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения большего количества заряда. Представьте на мгновение, что электричество — это вода: если обычный конденсатор похож на ткань, которая может убрать только крошечную каплю, то пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсаторов — электрические губки!

А разделитель между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как регулятор настройки внутри радиоприемника). Когда конденсатор заряжается, на одной пластине образуются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в направлении, противоположном полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это показано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

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

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

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

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

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

Чем суперконденсаторы отличаются от батарей и обычных конденсаторов?

Фотографии: Иногда суперконденсаторы могут использоваться в качестве прямой замены батарей. Вот беспроводная дрель, работающая от батареи суперконденсаторов, для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавты, выходящие в открытый космос, не всегда могут ждать всю ночь, чтобы начать свои тренировки! Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Основная единица измерения электрической емкости называется фарад (Ф) в честь британского химика и физика-первопроходца.
Майкл Фарадей (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электричества (их обычно измеряют в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарад), нанофарадами (миллиардными долями фарад),
или пикофарады (триллионные доли фарада). Напротив, типичный суперконденсатор может накапливать заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (оценивается в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют номинальную емкость до нескольких тысяч фарад. Это по-прежнему составляет лишь часть (может быть, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор.
батарея. Но большое преимущество суперконденсатора в том, что он может хранить и отдавать
энергию почти мгновенно — гораздо быстрее, чем батарея.
Это потому, что суперконденсатор работает, создавая статические электрические заряды.
заряды на твердых веществах, в то время как батарея основана на зарядах, которые медленно производятся в результате химических реакций,
часто с участием жидкостей.

Батареи и суперконденсаторы часто сравнивают по энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова взаимозаменяемы; в науке мощность — это количество энергии, используемой или произведенной за определенный промежуток времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут выделять энергию быстрее). Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого накопления и высвобождения больших объемов энергии, но батареи по-прежнему являются основными для хранения больших объемов энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низком напряжении (возможно, 2–3 вольта), их можно соединить последовательно (как батареи) для получения более высокого напряжения для использования в более мощном оборудовании.

Поскольку суперконденсаторы работают электростатически, а не через
обратимые химические реакции, они теоретически могут быть заряжены и
разряжаться любое количество раз (листы спецификаций для коммерческих
суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).
У них мало или нет внутреннего сопротивления, что означает, что они накапливают и выделяют энергию.
не потребляя много энергии и работая на скорости, близкой к 100
процентная эффективность (97–98% обычно).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам нужно хранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени.
времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы
хранить в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор,
суперконденсатор может быть именно то, что вам нужно. Суперконденсаторы были
широко используются в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергетические
резервуары», которые сглаживают подвод электроэнергии к электрическим и
электронное оборудование. Суперконденсаторы также могут быть подключены к
батареи для регулирования мощности, которую они обеспечивают.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для накопления энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко применяемых в электромобилях. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Одним из распространенных применений являются ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сгладить прерывистую мощность, подаваемую ветром. В электрических и гибридных
транспортные средства, суперконденсаторы все чаще используются в качестве временных
запасы энергии для рекуперативного торможения (где
Энергия, которую транспортное средство обычно расходует при остановке, ненадолго сохраняется и
затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Моторы, которые управляют
электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт,
что означает, что сотни суперконденсаторов, соединенных последовательно,
необходимо для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном
тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А
Отчет Allied за 2020 г.
Market Research оценил мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказал, что
достигнет 16,95 млрд долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

Подробнее

На этом сайте

Батарейки
Конденсаторы
Электричество
Рекуперативные тормоза

Books

Supercapacitors: Materials, Systems, and Applications by M. Aulice Scibioh, B. Viswanathan. Elsevier, 2020. Исследует проблему разработки суперконденсаторов через призму материаловедения: из каких материалов получаются лучшие электроды и электролиты?
Суперконденсаторы: материалы, системы и приложения Франсуа Бегена и Эльжбеты Фраковяк (редакторы). John Wiley & Sons, 2013. Всесторонний текущий обзор электрохимии и применения суперконденсаторов.
Электрохимические суперконденсаторы для хранения и доставки энергии: основы и применение Айпин Ю, Виктор Шабо и Цзюцзюнь Чжан. CRC Press, 2013. В этой книге большое внимание уделяется практическим применениям, а также истории, производству, будущим задачам и направлениям исследований.
Электрохимические суперконденсаторы: научные основы и технологические приложения, Б. Э. Конвей. Springer, 1999. Объясняет основы науки о двухслойных конденсаторах и различиях между суперконденсаторами и батареями, прежде чем рассматривать такие области применения, как электромобили и компьютерная память.

Статьи

Превращение кирпичей в суперконденсаторы Мария Галлуччи, IEEE Spectrum, 13 августа 2020 г. Как превратить обычные кирпичи в накопители энергии с помощью простого полимерного покрытия.
Мыло, моющие средства и даже слабительные могут зарядить альтернативу аккумулятору, СяоЧжи Лим, IEEE Spectrum, 22 августа 2019 г. Как новые электроды могут помочь суперконденсаторам увеличить их емкость накопления энергии.
Напечатанный на 3D-принтере графеновый аэрогель обеспечивает самую высокую емкость для суперконденсатора от Dexter Johnson. IEEE Spectrum, 23 октября 2018 г.
Прорыв в хранении энергии может сократить время зарядки электромобилей, Адам Вон, The Guardian, 26 февраля 2018 г. Могут ли суперконденсаторы с быстрой зарядкой революционизировать срок службы «батарей» в электромобилях?
Нановолокна могут придать аккумуляторным электродам необходимое ускорение от Декстера Джонсона. IEEE Spectrum, 29 сентября 2017 г.

Цветок можно использовать как суперконденсатор: Physics World, 28 февраля 2017 г. Шведские ученые, превратившие розу в транзистор, теперь использовали аналогичные идеи для создания суперконденсатора.
Как микроскопический суперконденсатор будет перезаряжать мобильную электронику Махер Ф. Эль-Кади и Ричард Б. Канер. IEEE Spectrum, 28 сентября 2015 г. Крошечные плоские графеновые суперконденсаторы могут привести к большому прогрессу в
микроэлектроники, что делает повседневные гаджеты меньше, дешевле и с гораздо более длительным временем автономной работы.
Суперконденсаторы делают огромный скачок в производительности Декстер Джонсон, IEEE Spectrum, 28 мая 2015 г. Корейские ученые добились четырехкратного увеличения плотности энергии для суперконденсаторов на основе графена.
Ученые должны перестать путать батареи и суперконденсаторы, утверждают эксперты, Прачи Патель, IEEE Spectrum, 18 марта 2014 г. Почему переупаковывать батареи в суперконденсаторы неправильно и бесполезно.
Графеновый суперконденсатор бьет рекорд хранения, Belle Dumé, Physics World, 26 ноября 2010 г. Как исследователи построили суперконденсатор на основе графена с плотностью энергии, аналогичной никель-металлогидридным батареям.
«UltraBattery» может поставить гибрид в каждый гараж, Мэтью Феникс, Wired, 25 января 2008 г. Как сочетание старомодных свинцово-кислотных аккумуляторов и суперконденсаторов может снизить эксплуатационные расходы в гибридных автомобилях.

Патенты

В патентах вы найдете более глубокие технические детали; вот небольшая, но репрезентативная подборка:

US20180197690A1: многослойные графеновые пленки, устройства накопления энергии с использованием многослойных графеновых пленок в качестве электродов, а также методы изготовления многослойных графеновых пленок и накопителей энергии Донг-Вук Ли и др. , Samsung, 12 июля 2018 г. Суперконденсатор на основе графена имеет электроды, которые тоньше, дешевле и более гибкие, чем электроды на основе более ранних материалов, таких как оксид индия-олова (ITO).
US6697249B2: Суперконденсатор и способ изготовления такого суперконденсатора, Юрий Малетин и др., FOC Frankenburg Oil Co, 24 февраля 2004 г. В этой конструкции электроды изготовлены из порошков наноструктурированного углерода (SNC).
US6187061: Структура суперконденсатора и способ ее изготовления, Гленн Г. Аматуччи и др., Telcordia, 13 февраля 2001 г. Суперконденсатор на основе композитных электродов с полимерной матрицей.
US5426561A: Ультраконденсаторы и суперконденсаторы с высокой плотностью энергии и высокой плотностью мощности, авторы Шиао-Пинг С. Йен и Кэрол Р. Льюис, НАСА, 20 июня 1995. Описано использование тонкополимерных электродов.