Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям Опубликовано 04.04.2016 02:39
Abramova Olesya
Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора тем, что имеет очень большую емкость.
Конденсатор хранит энергию с помощью статического заряда, в противовес электрохимическим реакциям батареи. Применение дифференциального напряжения на положительную и отрицательную пластины заряжает конденсатор. Это похоже на накопление статического заряда при трении.
Прикосновение же к пластине конденсатора высвободит энергию.
Существует три типа конденсаторов, основным среди них является электростатический конденсатор с сухим сепаратором. Эта классическая модель конденсатора имеет очень маленькую емкость и в основном используется в радиоэлектронике. Емкость конденсатора измеряется в фарадах и для электростатического колеблется в диапазоне пикофарад (пФ).
Следующий тип конденсатора — электролитический, он обеспечивает более высокую емкость в сравнении электростатическим и оценивается в микрофарадах (мкФ), что в миллион раз больше пикофарада. Сепаратор в таких конденсаторах влажного типа. Как и в электрических батареях, конденсаторы имеют разные полюса, которые необходимо соблюдать при использовании.
Третий тип – это суперконденсатор, его емкость оценивается в фарадах и в тысячи раз больше емкости электролитического. Суперконденсатор используется для хранения энергии, подвергающейся частым циклам заряда/разряда при высоких значениях силы тока и короткой длительности.
Единица измерения емкости фарад, названа так в честь английского физика Майкла Фарадея (1791-1867). Один фарад хранит один кулон электрического заряда при напряжении один вольт. Один микрофарад в миллион раз меньше фарада, а пикофарад в миллион раз меньше микрофарада.
Инженеры General Electric начали экспериментировать с ранней версией суперконденсатора еще в 1957 году, но коммерческого интереса эти разработки не вызвали.
В 1966 году Standart Oil заново случайно обнаружили эффект двухслойного конденсатора во время работы с экспериментальными конструкциями топливных элементов. Двухслойная структура значительно улучшала способность накапливать энергию.
Технология снова не была коммерциализирована и лишь 1990-х нашла свое применение.
Развитие суперконденсаторов тесно переплетено с технологиями электрохимических источников тока, именно оттуда были позаимствованы специальные электроды и электролит.
В то время как основной электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC) зависит от электростатического действия, асимметричный двухслойный электрохимический конденсатор (AEDLC) использует батарееподобные электроды для получения более высокой плотности энергии, но это ограничивает его жизненный цикл и наделяет ограничениями, схожими на ограничения электрохимического источника тока. Многообещающим выглядит использование графена в качестве материала электрода, но исследования в этом направлении пока только ведутся.
Было испробовано много типов электродов, и наиболее распространенной системой электрохимического двухслойного суперконденсатора сегодня является версия на основе углерода с органическим электролитом. Неоспоримым преимуществом такого суперконденсатора является простота изготовления.
Все конденсаторы имеют предел напряжения. В то время как электростатический конденсатор является высоковольтным, суперконденсатор ограничен напряжением в 2,5-2,7 В. Повышение значения напряжения выше этого уровня возможно, но негативно сказывается на продолжительности срока службы.
Поэтому для получения более высокого напряжения используют последовательное соединение нескольких суперконденсаторов. В свою очередь, последовательное соединение уменьшает общую емкость и увеличивает внутреннее сопротивление.
Такое соединение более чем трех конденсаторов требует дополнительной балансировки для избежания перенапряжения отдельной ячейки. Похожим образом реализована система защиты литий-ионного аккумулятора.
Удельная энергоемкость суперконденсатора колеблется от 1 до 30 Вт*ч/кг, что в 10-50 раз меньше показателя литий-ионного аккумулятора. Еще одним недостатком является кривая разряда.
В то время как электрохимические батареи обеспечивают постоянное напряжение в полезном диапазоне мощности, напряжение суперконденсаторов уменьшается линейно, что сокращает спектр доступной мощности.
(Смотрите: Базовые знания о разряде электрохимического источника тока).
Возьмите источник тока с номинальным напряжением 6 В и напряжением отсечки 4,5 В. Если этот источник тока – суперконденсатор, то из-за своего линейного характера разряда он достигнет точки отсечки еще в первой четверти цикла, остальные три четверти энергетического резерва будут недоступными для использования.
Можно конечно дополнительно использовать преобразователь напряжения — он позволит пользоваться источником питания и с низким значением напряжения, но это добавляет дополнительные расходы и приводит к потерям энергии.
Электрическая же батарея имеет график разряда в виде относительно прямой линии, что позволяет использовать от 90 до 95 % накопленной в ней энергии.
На рисунках 1 и 2 показаны характеристики тока и напряжения при заряде и разряде суперконденсатора.
При зарядке напряжение увеличивается линейно, а ток проседает, когда конденсатор полностью зарядился, вследствие этого даже отпадает необходимость использования системы детектирования полного заряда. При разрядке напряжение уменьшается также линейно.
Для поддержания постоянного уровня потребляемой мощности при падении напряжения, преобразователь напряжения будет потреблять все большую силу тока. Разряд будет достигнут, когда нагрузочные требования больше не могут быть удовлетворены.
Рисунок 1: Зарядные характеристики суперконденсатора. Напряжение линейно растет при постоянном уровне тока заряда. При полном заполнении конденсатора зарядный ток падает.
Рисунок 2: Разрядные характеристики суперконденсатора. При разряде напряжение снижается линейно. Опциональный преобразователь напряжения может поддерживать определенный показатель напряжения, но это увеличивает показатель силы тока разряда.
Время зарядки суперконденсатора составляет от 1 до 10 секунд. Зарядные характеристики аналогичны характеристикам электрохимических батарей, и в значительной степени ограничены допустимой силой тока зарядного устройства. Суперконденсатор невозможно зарядить сверх его емкости, вследствие этого ему не нужна система детектирования полного заряда — ток просто перестает течь в него.
В таблице 3 сравниваются суперконденсатор и стандартный литий-ионный аккумулятор.
| Характеристики | Суперконденсатор | Стандартный литий-ионный аккумулятор |
| Время зарядки | 1-10 секунд | 10-60 минут |
| Количество циклов | 1 миллион или 30 тысяч часов | 500 и выше |
| Напряжение ячейки | От 2,3 до 2,75 В | 3,6 В номинал |
| Удельная энергоемкость (Вт*ч/кг) | 5 (стандартно) | 120-240 |
| Удельная мощность (Вт/кг) | до 10 тысяч | 1000-3000 |
| Стоимость килограмм ватта | $ 10000 (стандартно) | $ 250-1000 (большие системы) |
| Время жизни | 10-15 лет | от 5 до 10 лет |
| Допустимый зарядный диапазон температур | от -40°С до 65°С | от 0°С до 45°С |
| Допустимый разрядный диапазон температур | от -40°С до 65°С | от -20°С до 60°С |
Таблица 3: Сравнение производительности суперконденсатора и литий-ионного аккумулятора.
Суперконденсатор может заряжаться и разряжаться практически неограниченное число раз. В отличии от электрохимической батареи, в которую заложен жизненный цикл определенного размера, суперконденсатор практически нечувствителен к воздействию циклического режима работы.
Также слабее на него действуют и возрастные изменения, связанные с деградацией материалов. При нормальных условиях емкость суперконденсатора после 10 лет эксплуатации сохраняется на уровне 80% от номинальной. Но работа с высокими напряжениями может снизить его срок жизни.
Также стоит отметить преимущество суперконденсатора по температурным показателях — слабым местом всех электрохимических источников тока.
Аккумуляторы EverExceed
| OPzS | NI-CD | OPzV |
 |
 |
 |
| 20 лет / 1500 циклов | 25 лет / 2000 циклов | 20 лет / 1500 циклов |
| для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т.д. |
Саморазряд суперконденсатора значительно выше у обычных конденсаторов и немного превышает показатель электрохимической батареи. Причиной такого высокого саморазряда, главным образом, выступают свойства органического электролита. Для сравнения, суперконденсатор теряет половину запасенной энергии за 30-40 дней, а свинцовые и литиевые аккумуляторы саморазряжаются всего на 5% в месяц.
Применение суперконденсаторов
Суперконденсаторы являются идеальным выбором в случаях, где возникает краткосрочная потребность в питании и есть возможность быстрой зарядки.
В противовес этому, электрохимические батареи оптимизированы для обеспечения относительно долгосрочного электропитания. Объединение этих двух систем в гибридный источник питания позволяет использовать сильные стороны каждой.
Такие гибриды уже существуют, например, в виде союза суперконденсатора и свинцово-кислотной электрохимической системы.
Суперконденсаторы находят свое применение в системах, где необходимо обеспечение питания продолжительностью от нескольких секунд до нескольких минут, и также могут быть быстро заряжены. Подобными качествами располагает и маховик (инерционный аккумулятор), поэтому суперконденсатор может выступать ему альтернативой в определенных процессах, например, транспортной сфере.
Сегодня продолжаются испытания системы суперконденсаторов мощностью 2 мВт и системы маховиков мощностью 2,5 мВт для обеспечения движения Нью-Йоркской железной дороги (Long Island Rail Road — LIRR). Целью этих испытаний является поиск решения проблемы проседания напряжения при разгоне.
Обе системы должны обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии определенной мощности в течение 30 секунд, а также заряжаться за такой же период времени. Главными требованиями являются колебание напряжения в диапазоне не более 10 %, низкие эксплуатационные расходы и долговечность не менее 20 лет.
(Пока что больший интерес вызывали маховики, так как считается, что они более прочные и экономичные, но испытания еще продолжаются).
Япония также активно исследует и развивает использование суперконденсаторов. Уже существуют 4 мВт системы, установленные в зданиях, предназначение которых заключается в уменьшении нагрузки на электросети в часы пик. Также существуют системы, обеспечивающие кратковременное электропитание в моменты между отключением электричества и запуском резервных генераторов.
Технологии суперконденсаторов также смогли проникнуть в область электротранспорта.
Возможность зарядки за счет сил торможения и способность обеспечения высоких показателей силы тока для ускорения делают суперконденсаторы крайне интересными для гибридных и электрических транспортных средств. Широкий диапазон рабочих температур и долговечность дают преимущество над электрохимическими батареями в этой сфере.
Но недостатки суперконденсаторов, такие как низкая удельная энергоемкость и высокая стоимость, побуждают некоторых разработчиков делать выбор в пользу более емкого аккумулятора за ту же стоимость. В таблице 4 приведены преимущества и недостатки суперконденсаторов.
| Преимущества | Практически неограниченный жизненный цикл; может быть перезаряжен миллионы разВысокая удельная мощность и низкое внутреннее сопротивление обеспечивают высокие токи нагрузкиПроцесс зарядки занимает секунды; сам прекращает процесс зарядкиПростой процесс и условия зарядкиБезопасный, устойчивый к неправильной эксплуатацииОтличные показатели работы при низких температурах |
| Недостатки | Низкая удельная энергоемкостьЛинейный характер снижения напряжения не позволяет использовать всю накопленную энергиюВысокий саморазряд, выше, чем у электрических батарейНизкое напряжение ячейки, необходимость последовательного соединения и балансировки систем из нескольких ячеекВысокая стоимость ватта энергии |
Таблица 4: Преимущества и недостатки суперконденсаторов.
Последнее обновление 2016-02-29
Суперконденсаторы — альтернатива аккумуляторам в беспроводной периферии | Технологии
Сергей Асмаков
За последние годы мы привыкли к стремительному темпу развития цифровой техники. Но если одни категории комплектующих (такие как микропроцессоры или модули памяти) действительно совершенствуются с поистине космической скоростью, то по ряду других направлений прогресс не столь заметен.
К числу последних относятся перезаряжаемые источники питания.
И это, безусловно, создает определенные проблемы, поскольку от характеристик этих компонентов зависят такие важные параметры, как продолжительность автономной работы, время восстановления заряда, а также размеры и вес конечного продукта.
Тонкости выбора источника питания
В настоящее время в портативных электронных устройствах применяются источники питания нескольких различных типов. Такое разнообразие не является капризом разработчиков, а имеет вполне логичное объяснение.
Например, в случае мобильных устройств — таких как смартфоны, планшеты или ноутбуки — приоритетное значение имеет удельная энергоемкость (то есть количество запасаемой электроэнергии на единицу объема аккумуляторной батареи). Чем выше этот показатель, тем больше будет емкость батареи при тех же физических габаритах.
Таким образом, установка батареи с более высокой удельной энергоемкостью позволит продлить время автономной работы мобильного устройства, не увеличивая его размеры — что крайне важно, учитывая нынешнюю моду на гаджеты в максимально тонких корпусах.
Именно поэтому в современных смартфонах и планшетах применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторные батареи, которые на данный момент лидируют в категории малогабаритных перезаряжаемых источников питания по удельной энергоемкости.
Однако при разработке беспроводных периферийных устройств приоритеты будут совершенно иными.
Поскольку уровень энергопотребления беспроводных мышей и клавиатур по сравнению с теми же смартфонами невелик, то и острой необходимости в использовании источников питания с рекордно высокой энергоемкостью в этом случае нет.
Кроме того, нет и жестких ограничений по массо-габаритным показателям. Таким образом, во многих случаях разработчики делают выбор в пользу пусть не самого компактного, но зато более легкого и/или менее дорогого источника питания.
Не случайно на протяжении уже многих лет наблюдается устойчивая тенденция к увеличению доли беспроводных периферийных устройств, рассчитанных на питание от стандартных батареек формата АА либо ААА.
Наиболее очевидными преимуществами данного решения являются доступность и максимальная простота использования. Стандартные элементы питания можно купить практически в любом магазине.
Кроме того, при полном разряде батарейки достаточно установить вместо нее новую, и можно сразу же продолжить работу. Не нужны дополнительные кабели, зарядные устройства и т.п. Как говорится, дешево и сердито.
Большинство ныне выпускаемых моделей беспроводных мышей рассчитаны на питание от стандартных батареек
С этих позиций использование аккумуляторных батарей в беспроводных периферийных устройствах выглядит менее удобным.
Для подзарядки требуется определенное время (обычно 2-3 часа), и при этом конструкция далеко не всех моделей позволяет продолжать работу при подключении внешнего источника питания.
Как следствие, пользователю необходимо следить за индикатором уровня заряда, чтобы беспроводная мышь или клавиатура не отключилось в самый неподходящий момент.
Еще одним фактором, ускорившим процесс перехода производителей беспроводной периферии на питание от батареек, стал значительный прогресс в области снижении уровня энергопотребления электронных компонентов, которого удалось достичь разработчикам в последние годы. Современные модели беспроводных мышей и клавиатур способны проработать на одном комплекте батареек как минимум несколько недель и даже месяцев. Таким образом, менять элементы питания даже при активном использовании приходится нечасто.
Естественно, имеет значение и цена. Установка весьма недешевых литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов неизбежно приводит к удорожанию устройства. А это крайне важно, когда речь идет о моделях стоимостью порядка 20-30 долл.
Кроме того, аккумуляторные батареи упомянутых типов имеют ограниченный ресурс — обычно от 500 до 1000 циклов заряда-разряда.
Таким образом, при интенсивном использовании именно ресурс аккумулятора становится критичным фактором, ограничивающим жизненный цикл устройства.
Итак, батарейки дешевы, доступны и удобны.
Чем не идеальный вариант для беспроводной клавиатуры или мыши? Однако не будем забывать, что у батареек есть и свои недостатки: они заметно утяжеляют устройства (что может быть критично, если речь идет о беспроводной мыши) и к тому же их пусть и редко, но необходимо время от времени менять. Что же могут предложить разработчики в качестве альтернативного варианта?
Еще не забытое старое
Одним из наиболее перспективных вариантов являются суперконденсаторы или, как их правильнее называть, ионисторы (англоязычные авторы для обозначения этих элементов часто используют аббревиатуру EDLC, которая расшифровывается как Electric double-layer capacitor). Первые образцы суперконденсаторов были созданы более 50 лет тому назад.
В настоящее время они применяются в ряде электроприборов (в частности, в карманных фонариках, фотовспышках и пр.) в качестве основных и резервных источников питания.
Кроме того, благодаря своим свойствам суперконденсаторы являются идеальным накопителем электроэнергии для систем рекуперации кинетической энергии, которыми оснащаются многие выпускаемые сейчас транспортные средства с электрическими и гибридными силовыми установками.
Внешне ионистор похож на электролитичекий конденсатор, однако при тех же размерах имеет значительно большую емкость (у образца, представленного на этой фотографии, она составляет 3000 фарад)
Важнейшими достоинствами суперконденсаторов в сравнении с литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами являются высокая скорость заряда, эффективность и огромный ресурс.
Суперконденсаторы способны запасать большое количество энергии в течение короткого промежутка времени, что позволяет сократить время подзарядки до минимума. Кроме того, ионисторы характеризуются высокой эффективностью. Если современные литий-ионные аккумуляторы способны отдать лишь порядка 60% электроэнергии, затраченной на их зарядку, то у суперконденсаторов этот показатель превышает 90%.
Еще одно важное преимущество — огромный ресурс. У литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов существенная деградация (снижение емкости относительно первоначального значения) наблюдается уже после нескольких сотен циклов заряда-разряда. А суперконденсаторы способны выдержать без заметной деградации порядка нескольких десятков тысяч циклов.
Образцы суперконденсаторов различной емкости
В числе прочих преимуществ можно отметить малый удельный вес и экологичность. Благодаря низкой токсичности материалов, из которых изготавливаются ионисторы, их гораздо проще и безопаснее утилизировать, чем литиевые, никель-кадмиевые, никель-металлгидридные и свинцово-кислотные аккумуляторы.
Возможно, здесь у читателей возникнет вполне закономерный вопрос: если уже более полувека известны такие замечательные источники питания, то почему они до сих пор не получили широкого распространения в цифровых устройствах? Дело в том, что наряду с перечисленными выше достоинствами у суперконденсаторов имеются и свои недостатки. Наиболее существенные из них — это довольно низкая удельная энергоемкость, нелинейная кривая разряда, а также большой ток саморазряда.
Показатель удельной плотности запасаемой энергии у современных суперконденсаторов составляет от 7 до 9 Вт•ч на литр объема. Для сравнения: у ныне выпускаемых литий-ионных аккумуляторов этот показатель варьируется в пределах 250-400 Вт•ч на литр.
Из-за большого тока саморазряда ионисторы не подходят для долговременного хранения электроэнергии. Кроме того, кривая разряда суперконденсаторов нелинейна: напряжение на выходе зависит от оставшегося заряда.
В силу вышеизложенных причин выпускаемые в настоящее время ионисторы непригодны для использования в мобильных устройствах, где первоочередное значение имеет соотношение размеров и энерогоемкости батареи. Однако для беспроводных периферийных устройств суперконденсаторы являются весьма интересной альтернативой одноразовым батарейкам.
В этом случае пригодятся такие свойства ионисторов, как высокая скорость заряда и высокая эффективность. Владельцу беспроводной мыши или клавиатуры не придется ждать 2-3 ч, как в случае устройств с литиевыми аккумуляторами: для восстановления заряда хватит всего нескольких минут.
За это время можно накопить запас энергии, которой хватит на несколько часов активной работы, а при не очень интенсивном использовании — даже на целый день.
Например, полный цикл заряда оборудованной встроенным суперконденсатором беспроводной мыши Genius DX-ECO, которую мы тестировали пару лет тому назад, составляет всего 5 минут, а накопленной за это время электроэнергии хватает на 4 ч работы.
Источником питания беспроводной мыши Genius DX-ECO служит встроенный суперконденсатор
Конечно, подзаряжать беспроводное устройство, оснащенное ионистором, придется ежедневно (а возможно, даже чаще).
Однако, как уже было упомянуто, данная процедура займет всего несколько минут — как раз хватит времени выпить чашечку кофе или просто немного отвлечься от компьютера.
А поскольку суперконденсаторы обладают огромным ресурсом, то даже при условии нескольких ежедневных подзарядок срок службы устройства составит не менее десяти лет.
Важным преимуществом суперконденсаторов в сравнении с литиевыми аккумуляторами и обычными батарейками является заметно меньший вес. А это значит, что та же беспроводная мышь, оборудованная ионистором, будет лишь немногим тяжелее проводного аналога.
Перспективы
Итак, суперконденсаторы обладают высокой скоростью заряда и энергоэффективностью, а также огромным ресурсом. Благодаря низкой токсичности материалов их гораздо проще и дешевле утилизировать, чем литиевые аккумуляторы.
Такое сочетание свойств делает суперконденсаторы весьма перспективным вариантом для использования в качестве перезаряжаемых источников автономного питания беспроводных периферийных устройств.
А что касается необходимости часто подключать кабель для подзарядки, то эту проблему нетрудно решить, применив беспроводное зарядное устройство — тем более, что подобные решения сейчас уже начинают появляться на массовом рынке.
Благодаря внедрению новых материалов в будущем станет возможным создание суперконденсаторов с гораздо более высокой (по сравнению с ныне выпускаемыми) удельной плотностью запасаемой энергии. Большие надежды специалисты возлагают на разработку графеновых суперконденсаторов.
Использование этого инновационного материала позволит уже в ближайшее время создать образцы с удельной плотностью запасаемой энергии порядка 60 Вт•ч на литр.
Конечно, это значительно меньше по сравнению с современными литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами, но уже вполне сопоставимо с характеристиками свинцово-кислотных батарей.
И можно не сомневаться в том, что развертывание серийного выпуска графеновых суперконденсаторов позволит значительно расширить сферу применения этих источников питания. Ими можно будет оснащать не только беспроводные манипуляторы и клавиатуры, но и портативные акустические системы, а также источники бесперебойного питания небольшой мощности.
Что такое ионистор (суперконденсатор)? Каковы его преимущества и область применения
Что такое ионисторы или, как их еще называют, суперконденсаторы или ультраконденсаторы? Возможно, вы слышали этот термин раньше или, возможно, у вас есть представление о том, как мы используем их в повседневной жизни.
Многие люди думают, что это устройства, родственные литий-ионным аккумуляторам. Но это не так. В данном материале мы рассмотрим основы суперконденсаторов и разберем их преимущества и недостатки в качестве носителя энергии.
Если говорить кратко, то суперконденсаторы являются конденсаторами большой емкости. Они имеют более высокую емкость и более низкие пределы напряжения, чем конденсаторы других типов, и функционально они находятся где-то между электролитическими конденсаторами и аккумуляторными батареями.
Особенности ионисторов (суперконденсаторов)
На практике это означает, что они:
- Заряжаются намного быстрее, чем аккумуляторные батареи
- Могут хранить гораздо больше энергии, чем электролитические конденсаторы
- Имеют срок службы (измеренный в циклах зарядки/разрядки) где-то между этими двумя устройствами (больше чем перезаряжаемые батареи и меньше чем электролитические конденсаторы).
Для сравнения срока службы учтите, что, хотя электролитические конденсаторы имеют неограниченное количество циклов зарядки, литий-ионные аккумуляторы в среднем характеризуются от 500 до 10000 циклами зарядки/разрядки. Однако срок службы суперконденсаторов составляет от 100000 до миллиона циклов.
Преимущества и недостатки ионисторов (суперконденсаторов)
К преимуществам суперконденсаторов относятся:
- Балансировка накопления энергии с учетом времени зарядки и разрядки. Хотя они не могут накапливать столько же энергии, сколько литий-ионная батарея сопоставимого размера (они накапливают примерно одну четвертую энергии от веса), суперконденсаторы могут компенсировать это скоростью заряда. В некоторых случаях эта скорость почти в 1000 раз быстрее, чем время зарядки аккумулятора аналогичной емкости. Некоторые электрические игрушки, в которых используются ионисторы, могут заряжаться практически мгновенно. Такие компании, как Nawa, стремятся реализовать ту же идею в реальных электромобилях. Представьте себе электрические автомобили, работающие на суперконденсаторах (а не на перезаряжаемых батареях), которые могут заряжаться полностью за меньшее время, чем требуется, чтобы заправить двигатель на ископаемом топливе бензином, а не часы, которые обычно требуются автомобилям с батарейным питанием.
- Широкий диапазон рабочих температур. Ионисторы имеют гораздо более широкий эффективный диапазон рабочих температур (примерно от -40С до + 65С).
С другой стороны, скорость обмена энергией является в некотором недостатком. Вот некоторые недостатки суперконденсаторов:
- Скорость саморазряда. Суперконденсаторы не подходят для длительного хранения энергии. Скорость разряда суперконденсаторов значительно выше, чем у литий-ионных аккумуляторов; они могут потерять до 10-20 процентов своего заряда в день из-за саморазряда.
- Постепенная потеря напряжения. В то время как батареи обеспечивают почти постоянное выходное напряжение до тех пор, пока оно не будет израсходовано, выходное напряжение конденсаторов линейно уменьшается с их зарядом.
Где применяются ионисторы (суперконденсаторы)
Ультраконденсаторы необычайно хорошо подходят для любого приложения, которое предполагает частые циклы зарядки и разрядки, экстремальные рабочие температуры или быстрый разряд большого количества энергии. Вот несколько интересных приложений для ионисторов:
- Общественный транспорт. Гибридные автобусы и другие транспортные средства (например, небольшие электромобили) могут использовать широкую рабочую температуру суперконденсаторов. Суперконденсаторы могут помочь гарантировать, что транспортные средства будут хорошо работать даже в разгар зимы или в жаркие дни лета. В Китае некоторые гибридные автобусы уже используют суперконденсаторы, а также суперконденсаторы помогают трамваям перемещаться от одной остановки к другой, перезаряжаясь на станциях.
- Гибридный суперконденсатор-аккумулятор. Эта схема будет сочетать быстрое накапливание энергии суперконденсаторов с возможностью длительного хранения у батареи, предлагая лучшее из обоих устройств. Успешное объединение этих технологий улучшит баланс между временем зарядки и диапазоном. Мы также увидим захватывающие возможности для повышения эффективности рекуперативного торможения во всем, от электромобилей до гибридных поездов и строительной техники.
- Стабилизация мощности. Суперконденсаторы полезны для различных приложений, стабилизирующих питание, таких как системы резервного хранения энергии и буферы питания. Они обеспечивают значительную экономию затрат на источники бесперебойного питания при замене электролитических конденсаторов.
Суперконденсаторы находятся где-то между традиционными электролитическими конденсаторами и перезаряжаемыми батареями по сроку службы, накоплению энергии и эффективной рабочей температуре.
Они эффективно перекрывают функциональный разрыв между этими двумя технологиями и набирают популярность, поскольку мы разрабатываем новые способы использования их уникальной комбинации возможностей обмена энергией и накопления.
Соединение суперконденсаторов с батареями в гибридных ячейках дает возможность получить лучшее из обоих миров.
© digitrode.ru
Суперконденсаторы (ионисторы) — Технология — Титан
Что такое суперконденсаторы (ионисторы)
Суперконденсатор – новый накопитель энергии и источник тока, по своим техническим характеристикам занимающий промежуточное положение между аккумуляторными батареями и традиционными конденсаторами.
Отличительными особенностями суперконденсаторов являются высокая мощность, способность быстро отдавать и накапливать энергию, устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды, долговечность, эксплуатационная надежность и экологичность.
Последнее время суперконденсаторы во всем мире играют всё возрастающую роль, темпы роста рынка суперконденсаторов составляют 30-40% в год.
Области применения суперконденсаторов постоянно расширяются, находя все новые и новые области применения во всех без исключения отраслях, от бытовой электроники, мобильных телефонов и компьютеров до гибридного транспорта, систем Smart Grid и космических технологий.
Суперконденсаторы уверенно занимают свое место в системах качественной энергии для промышленности и телекоммуникаций, а также в индустрии возобновляемых источников энергии. Применение суперконденсаторов в устройствах и системах уже стало не только технической необходимостью, но и символом инновационности и современности применяемых устройств, технологий и систем.
Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ДЭС)
Наиболее привлекательными с коммерческой точки зрения являются конденсаторы с двойным электрическим слоем (ДЭС), или как их называют EDLC (Electric Double-Layer Capacitor), которые имеют необычно высокую плотность энергии по сравнению с обычными конденсаторами.
По сравнению с аккумуляторными батареями, суперконденсаторы обладают в десятки раз большей мощностью и гораздо большим сроком службы. Это две основные причины, почему инженеры всё чаще выбирают суперконденсаторы для различных применений.
Суперконденсаторы ДЭС — это накопители энергии, которые могут заменить обычные конденсаторы или аккумуляторные батареи во многих приложениях, где требуются большая энергия по сравнению с той, которую способны обеспечить обычные конденсаторы и/или высокая мощность и длительный срок службы, которые не могут обеспечить аккумуляторные батареи.
Таблица сравнения
| Параметры | Традиционный конденсатор | Суперконденсатор | Аккумуляторная батарея |
| Время разряда | 10-6 ~ 10-3 сек. | 1 ~ 30 сек. | 0.3 ~ 3 ч. |
| Время заряда | 10-6 ~ 10-3 сек. | 1 ~ 30 сек. | 1 ~ 5 ч. |
| Плотность энергии (Вч*ч/кг) | < 0.1 | 1 ~ 10 | 20 ~ 100 |
| Плотность мощности (Вт/кг) | < 10,000 | 10,000 | 50 ~ 200 |
| Эффективность заряда/разряда | более 0,95 | 0,85 ~ 0,98 | 0.7 ~ 0.85 |
| Количество циклов заряда-разряда | Неограниченно | Более 500 тыс | 500 ~ 2,000 |
ДЭС — это два неактивных высокопористых угольных электрода и коллектор тока, погруженные в электролит с определенным потенциалом напряжения.
В ячейке конденсатора ДЭС положительный потенциал электрода притягивает отрицательно заряженные ионы, в то время когда тот же потенциал на отрицательном электроде привлекает положительно заряженные ионы.
Сепаратор не позволяет электродам создать короткое замыкание.
Большое количество энергии, которую может запасти ДЭС, достигается за счет огромной площади поверхности, которую обеспечивают пористые угольные электроды.
Накопление энергии в ДЭС — процесс физический и обратимый с минимальными потерями, что и обуславливает столь длительный срок службы ДЭС и их огромный циклический ресурс.
Поскольку скорость заряда и разряда зависит исключительно от физического перемещения ионов, ДЭС могут накапливать и отдавать энергию намного быстрее, чем аккумуляторные батареи, в которых процесс напрямую зависит от медленных химических реакций.
Этим же обусловлена возможность ДЭС выдавать на порядки более высокую мощность, чем аккумуляторные батареи.
Суперконденсаторы. Принцип работы суперконденсатора, состав ионистора – ultracapacitor.ru
Структура суперконденсаторовВ состав суперконденсатора (ионистора) входят два погруженных в электролит электрода, и сепаратор. Задача последнего заключается в предотвращении перемещения заряда между двумя электродами, имеющими противоположную полярность.
Принцип работы суперконденсатораСуперконденсатор запасает энергию за счет электростатических зарядов, которые создаются на противоположных поверхностях электродов, относящихся к двойному электрическому слою. Этот слой создается между электролитом и электродами.
В процессе зарядки распределенные случайным образом ионы электролита перемещаются в сторону поверхности электрода, имеющего противоположную полярность. Данный процесс имеет физическую, а не химическую природу. Кроме того, он полностью обратим.
Во многом именно этим определяется высокая мощность суперконденсаторов, их длительный срок эксплуатации, продолжительное время хранения и легкость технического обслуживания.
Суперконденсатор – это уникальное устройство для накопления энергии, которое одновременно имеет высокую мощность и высокую энергоемкость. Этим оно отличается от традиционных аккумуляторных батарей и конденсаторов.Высокая энергоемкость суперконденсаторов в сравнении с привычными электролитическими конденсаторами создается за счет материала электрода. В этом качестве выступает активный углерод, который имеет две важные особенности:- чрезвычайно большая площадь поверхности;- малое расстояние между разделенными зарядами.От традиционных батарей суперконденсаторы выгодно отличаются высокой мощностью, длительным сроком хранения и продолжительным сроком службы, который объясняется особым механизмом накопления энергии. В обычных аккумуляторах накопление и отдача энергии осуществляется за счет происходящей внутри электродного материала химической реакции. Многократное прохождение таких процессов неминуемо приводит к деградации данной системы.
Суперконденсаторы, как уже говорилось выше, работают на основе физического явления разделения зарядов, которое происходит между ионами электролита и зарядом на электроде.
Здесь осуществляется физический и легко обратимый процесс, поэтому ионисторы способны гораздо быстрее отдавать энергию. Кроме того, они делают это с большей мощностью в сравнении с батареями, в которых происходит медленная химическая реакция.
В результате суперконденсаторы готовы выдержать сотни тысяч циклов, и это не приведет к каким-либо значительным изменениям в их показателях.
Заряд и разряд ионистораСуперконденсаторы отличаются по своим зарядно-разрядным характеристикам от традиционных батарей. У аккумуляторов график напряжения обладает нелинейной формой с горизонтальным участком. У графика для ультраконденсаторов наблюдается постоянный наклон. Имеющееся линейное соотношение с напряжением с помощью специального преобразователя меняется на постоянное напряжение. Количество накопленной конденсатором энергии с легкостью вычисляется посредством измерения напряжения.
Формулы для определения энергии в конденсатореРабочие характеристики суперконденсаторов и аккумуляторов определяются в разных величинах измерения – Фарадах и Ампер-часах. При переходе на ионисторы это может смутить неподготовленного пользователя. Для легкого вычисления количества энергии в конденсаторе используется следующая формула:Энергия (Дж) = 1/2*Емкость (Ф) * Напряжение в квадрате (В)
Мы рекомендуем осуществлять разрядку суперконденсаторов со 100% до 50% от значения их номинального напряжения. При этом Вы получите 75% энергии хранящейся в накопителе.
- Интересные ссылки:
- Что такое диэлектрическая абсорбция
суперконденсатор — это… Что такое суперконденсатор?
- суперконденсатор — суперконденсатор … Орфографический словарь-справочник
- суперконденсатор — сущ., кол во синонимов: 3 • ионистор (2) • конденсатор (8) • ультраконденсатор … Словарь синонимов
- Суперконденсатор — … Википедия
- Ионистор — Супер конденсаторы (ионисторы) серии MC2600 фирмы Maxwell Technologies, ёмкостью 2600 фар … Википедия
- электрохимические суперконденсаторы — Термин электрохимические суперконденсаторы Термин на английском electrochemical supercapacitors Синонимы электрохимические конденсаторы, псевдоконденсаторы Аббревиатуры ЭК Связанные термины химический источник тока, суперконденсатор Определение… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
- пористый материал — Термин пористый материал Термин на английском porous material Синонимы Аббревиатуры Связанные термины анодирование, макропоры, мезопоры, микропоры, нанопористый материал, нанопоры, порометрия, молекулярные сита , молекулярно ситовой эффект ,… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
- углеродные наноматериалы — Термин углеродные наноматериалы Термин на английском carbon nanomaterials Синонимы Аббревиатуры Связанные термины волокна, углеродные, графан, наноалмаз, нановолокно, луковичная форма углерода, углепластики, углеродные нанотрубки, фуллерен,… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
- Интеркаляционные материалы и твердые электролиты для химических источников тока, конденсаторов и т.д. — Статьигибридные материалыинтеркаляциякриохимический синтезксерогельмикроморфологиянаноионикананореактор, 2Dнаностерженьнизкотемпературное спеканиепиролиз аэрозолейраспылительная сушкасуперконденсатор … Энциклопедический словарь нанотехнологий
- Объекты традиционных технологий («нанопорошки», нанопористые материалы, золи, гели, эмульсии, наногетерогенные полимеры и т.д.) — Статьи»мягкая» химияагломератагломерацияагрегатамбигельбиополимерыдезинтегратордиспергированиезользоль гель переходзоль гель переход, стимулированный замораживаниемзоль гель процесси … Энциклопедический словарь нанотехнологий
- конденсатор — холодильник, теплообменник, триммер, вариконд Словарь русских синонимов. конденсатор сущ., кол во синонимов: 8 • вариконд (1) • … Словарь синонимов
Что такое суперконденсаторы и зачем они нужны
Мы продолжаем серию материалов о технологиях, благодаря которым функционирует богатый мир транспортных средств вокруг нас.
Илон Маск уже запустил свой Falcon Heavy с Tesla на борту и вот-вот запустит Hyperloop, однако что кроется внутри этих и многих других удивительных машин, мало кто знает.
Эту несправедливость мы в партнерстве с НИТУ «МИСиС» и продолжим устранять, и, поговорив в прошлый раз об основе основ современного автотранспорта — асфальтовых и бетонных покрытиях, — в этот раз расскажем о суперконденсаторах.
О чем речь?
О химических источниках тока. Но с оговоркой, что это не привычные нам автомобильные аккумуляторы или «батарейки» смартфонов, а довольно специфичные устройства — суперконденсаторы или, по-другому, ионисторы.
Есть хорошо известное сравнение, объясняющее, чем аккумулятор отличается от суперконденсатора: тем же, чем большая бутылка с узким горлом от стакана. В бутылку влезает больше воды, но чтобы ее наполнить, требуется больше времени.
Тогда как стакан что наполнить, что опорожнить — вопрос пары секунд, но влезает в него меньше.
Если говорить более приземленно, список технических особенностей суперконденсаторов выглядит так: они обладают меньшим выходным напряжением, чем аккумуляторы (свинцовые или литий-ионные), а также меньшей удельной емкостью.
Это означает, что при одной и той же массе суперконденсатор содержит в себе значительно меньший заряд. Однако при этих недостатках ионисторы обладают огромным преимуществом: они быстро (или очень быстро) накапливают и отдают заряд и обладают большей мощностью.
А если вспомнить, что изменение заряда в единицу времени — это сила тока, то мы как раз получим основное конкурентное преимущество ионисторов — большой выходной ток.
Кроме того, в суперконденсаторах, как правило, не протекают химические реакции, а значит — они меньше подвержены деградации и выдерживают больше циклов перезарядки, чем аккумуляторы.
В 2011 году была основана компания ТЭЭМП, которая на базе разработок НИТУ «МИСиС» создала прототипы суперкоденсаторных ячеек, а в 2017 году запустила их крупномасштабное производство.
В самом начале пути авторы проекта сотрудничали с разработчиками Ё-мобиля, для которого как раз требовались суперконденсаторы.
Развитие этого проекта прекратилось в 2014 году, но ТЭЭМП продолжила начатое и в настоящий момент вышла на объемы производства до 200 тысяч ячеек в год.
Микроструктура углеродного композитного материала
Pacific Northwest National Laboratory
И какая там наука?
Основа суперконденсатора, — ионы, то есть раствор электролита. Давайте на секунду вспомним, как работает обычный конденсатор: это две обкладки, разделенные слоем диэлектрика.
Если к такой системе приложить разность потенциалов, на обкладках скопятся заряды разных знаков, но встретиться друг с другом им не дает диэлектрик. В таком состоянии конденсатор заряжен.
Если теперь внешнее напряжение снять, то конденсатор можно использовать в качестве краткодействующего источника тока: при подключении его в цепь, заряды перетекут по цепи с одной обкладки на другую, то есть конденсатор, разряжаясь, создает электрический ток.
Что определяет емкость конденсатора? То, сколько зарядов может поместиться на его обкладках при заданной разности потенциалов. А это, в свою очередь, зависит напрямую от площади обкладок. Теперь давайте вспомним, что существуют системы, обладающие колоссальной удельной площадью поверхности, и из них самый яркий пример — активированный уголь и другие, более совершенные углеродные материалы.
Чтобы создать конденсатор на этой основе, не хватает лишь второй обкладки. И тут на помощь приходит физическая химия, которая предсказывает, что в растворе электролита около любой заряженной поверхности будет образовываться двойной электрический слой — слой ионов противоположного знака, компенсирующий заряд поверхности. Эта тонкая оболочка фактически является второй обкладкой конденсатора.
Именно двойной электрический слой является «хранилищем» заряда в суперконденсаторах: при зарядке потенциал углеродного носителя внутри ионистора увеличивается, что заставляет ионы накапливаться в двойном электрическом слое.
При разрядке, наоборот, — заряд поверхности уменьшается, а ионы покидают поверхность и «уходят» обратно в раствор. В чем же отличия этой системы от химических аккумуляторов? В том, что в ионисторах ионы не вступают в химическую реакцию с углеродным носителем, их удерживает только электростатическая сила.
За счет этого суперконденсаторы заряжаются и разряжаются гораздо быстрее аккумуляторов, хотя и не так быстро, как обычные конденсаторы.
А что, раньше ничего такого не было?
Было, причем было с 50-х годов ХХ века. Тогда впервые появилась концепция ионисторов, выгодно отличавшихся от традиционных конденсаторов большей емкостью. К настоящему моменту это направление во всем мире выросло в самостоятельную отрасль, в рамках которой создаются все новые и новые конструкции суперконденсаторов и ячеек на их основе.
Но поскольку ионисторы уже давно не лабораторная экзотика, а востребованный компонент в самых разных областях производства, постоянно продолжается гонка за звание самого дешевого/емкого/надежного и так далее. Именно поэтому любое, даже небольшое на первый взгляд, улучшение в конструкции может привести к существенной экономической выгоде.
Суперконденсаторы, которые производит ТЭЭМП, созданы на основе углеродных «вискерсов», то есть материала, состоящего из длинных и тонких углеродных стержней заданного размера и плотности.
Такой материал стоит дешевле графена или нанотрубок, и, уступая им в удельной поверхности, выигрывает в прочности, что позволило создать ионисторы, работающие в экстремальных условиях — температурах от −60°С до +65°С.
Микроструктура углеродного композитного материала, который используется в качестве электродов для суперконденсаторов
Pacific Northwest National Laboratory
Кому это нужно?
Когда пытаешься понять, зачем может понадобиться устройство, выдающее большой ток, сразу вспоминается попытка завести автомобиль, простоявший неделю на 30-градусном морозе.
Это действительно богатая область применения для суперконденсаторов, так как зарядка — это разовый и кратковременный процесс, поэтому сравнительно небольшая емкость не является проблемой.
Причем речь необязательно идет о запуске двигателя автомобиля: холод создает проблемы и для локомотивов, и для самолетов. Особенно в условиях крайнего севера, где −30 — это еще «тепло».
Другая ниша для суперконденсаторов — это работа с системами энергоснабжения.
Так как нагрузка на сеть «скачет» гораздо быстрее и чаще, чем вырабатываемая мощность, электроэнергию необходимо запасать, когда нагрузка минимальна, и наоборот, отдавать быстрее, когда возникает потребительский пик.
Для этого суперконденсаторы подходят как нельзя лучше, причем независимо от масштабов: их можно внедрять как в крупные электросети, так и в «домашних» условиях, например, если на вашей крыше установлены солнечные батареи.
Наконец, существуют и вовсе футуристичные области, например, создание устройств для рекуперации энергии. Любители Формулы-1 наверняка помнят появление в болидах системы KERS (kinetic energy recovery system), которая запасает энергию во время торможения, а затем в течение короткого промежутка времени «возвращает» ее двигателю.
Думаем, вы уже догадались, какое устройство лежит в основе этой системы. Кстати, подобным образом можно запасать не только кинетическую энергию.
Так, складские погрузчики можно оборудовать устройствами рекуперации, запасающими потенциальную энергию в виде электрической во время опускания тяжелого груза, и возвращающими ее обратно во время подъема.
На этом можно заработать деньги?
Можно, ведь сейчас новые «электро-» устройства появляются чуть ли не каждый день, взять ту же Tesla и электрокары других производителей. Спрос на ионисторы есть, но есть и ограничения — высокая цена.
По словам представителя ТЭЭМП, руководителя лаборатории «Накопители электрической энергии» НИТУ «МИСиС» Владимира Туманова использованные в производстве решения позволили снизить себестоимость ионисторов почти в три раза.
Кроме того, суперконденсаторные ячейки, изготавливаемые компанией, «нацелены» в том числе и на экстремальные условия севера, где есть существенный спрос, но до сегодняшнего дня практически отсутствовало предложение.
Сколько такая штука может стоить?
Все зависит от предполагаемой сферы применения, но цена колеблется от 25 тысяч рублей до нескольких тысяч евро. Для замерзшего автомобиля на парковке многовато, а вот чтобы завести локомотив за полярным кругом — в самый раз.
Тарас Молотилин