Superkondensatory zamiast baterii: urządzenie, porównanie funkcji, korzyści z użytkowania, recenzje

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-02-19 18:17

Ideę wysokiej pojemności właściwej badano w latach 60-tych XX wieku, ale dziś pojawia się nowa fala zwiększonego zainteresowania tą technologią, ze względu na unikalne połączenie właściwości użytkowych produktu końcowego. Obecnie w oparciu o tę technologię produkowane są różne modyfikacje superkondensatorów i ultrakondensatorów, które z powodzeniem można uznać za pełnoprawny akumulator zasilający. Przedstawione poniżej koncepcje superkondensatorów pokazują, że ich przyszła konkurencja z konwencjonalnymi akumulatorami (baterie) nie jest tak fantastyczna.

Co to jest superkondensator?

W istocie jest to zoptymalizowany akumulator elektrochemiczny, wykonany w postaci kompaktowego kondensatora. Nawet przy pobieżnym porównaniu urządzenia z typowymakumulatora do samochodu można podkreślić ewidentną różnicę w wielkości, a w praktyce korzyści wyjdą również na powierzchnię w postaci dłuższej żywotności i mocy. Innymi słowy, zamiast akumulatorów można zastosować superkondensatory, choć z pewnymi zastrzeżeniami ze względu na ograniczenia w zakresie akumulacji potencjału energetycznego. Takie niuanse wciąż mają miejsce ze względu na niedoskonałość rozwoju technologicznego jonizatorów, jednak sytuacja zmienia się pod presją rynku z rosnącymi wymaganiami na baterie.

Projektowanie i projektowanie produktu

Podstawą tego kondensatora są dwie elektrody, pomiędzy którymi tradycyjnie umieszczony jest czynnik elektrolityczny. Różnice w stosunku do akumulatora można zaobserwować w strukturze materiałów do produkcji elektrod, których płytki pokryte są porowatym węglem aktywnym. Jeśli chodzi o elektrolit, w tym charakterze można stosować mieszaniny organiczne i nieorganiczne. Konstrukcyjnie wyróżnia się również techniczne rozwiązanie izolacji w konstrukcji superkondensatorów. Zamiast aluminiowych płyt akumulatorowych z warstwą dielektryczną zastosowano komponenty o optymalnych właściwościach przewodnictwa jonowego i elektronicznego. Jeśli będziemy kontynuować koncepcję możliwego zastosowania superkondensatora jako akumulatora, wówczas porowaty węgiel mógłby równie dobrze działać jako przewodnik elektroniczny, a roztwór kwasu siarkowego mógłby działać jako przewodnik jonowy. W ten sposób można zapewnić optymalną warstwę rozdzielającą ładunki między elektrodami bez dodatkowego włączania nieporęcznych izolatorów.

Odmiany superkondensatorów

Już dzisiaj istnieje kilka kierunków rozwoju jonizatorów. Najbardziej zauważalne i obiecujące są następujące typy urządzeń:

• Kondensatory dwuwarstwowe. Jako elektrolit zastosowano model standardowy, w którym zastosowano w/w elektrody wykonane z materiału przewodzącego prąd elektryczny oraz specjalny separator. Nagromadzenie potencjału energetycznego następuje w wyniku separacji ładunku na elektrodach.
• Pseudokondensatory. Akumulator wykonany z tego typu superkondensatora może być bardzo udanym rozwiązaniem, ponieważ oferuje bardziej zaawansowane sposoby przechowywania energii. Po pierwsze, uruchamiana jest zasada mechanizmu Faradaya związanego z procesami akumulacji energii w konwencjonalnych bateriach. Po drugie, zachowany jest również podstawowy schemat oddziaływania elektrostatycznego między elektrodami w podwójnej warstwie elektrycznej.
• Kondensatory hybrydowe. Koncepcja pośrednia, która łączy w sobie indywidualne pozytywne cechy akumulatorów i kondensatorów. Takie urządzenia zwykle wykorzystują kombinację elektrod wykonanych z mieszanych tlenków i domieszkowanych polimerów. Dalszy rozwój tego kierunku wiąże się z wykorzystaniem materiałów kompozytowych uzupełnionych nośnikami węglowymi i polimerami przewodzącymi.

Kluczowe funkcje

Dziś trudno mówić o ugruntowanych wskaźnikach wydajności jonizatorów, ponieważtechnologia jest stale udoskonalana i dostosowywana do ulepszania elektrochemicznych źródeł prądu. Ale jeśli weźmiemy uśrednione dane o głównych cechach superkondensatorów, to konkretne wskaźniki będą wyglądać tak:

• Czas ładowania - od 1 do 10 sekund
• Liczba cykli ładowania wynosi około 1 miliona, co odpowiada 30 000 godzin.
• Napięcie w komórce bloku - zakres od 2,3 do 2,75 V.
• Intensywność energii - wartość standardowa 5 Wh/kg.
• Moc - około 10 000 W/kg.
• Trwałość - do 15 lat.
• Temperatura robocza -40°C do 65°C.

Porównanie z konwencjonalnymi bateriami

Głównymi parametrami wyróżniającymi są szybkość akumulacji energii i stopień zwrotu ładunku elektrycznego. Dzięki zastosowaniu podwójnej warstwy potencjału elektrycznego w pobliżu superkondensatora o podobnych wymiarach zwiększa się pole powierzchni roboczej elektrod. Oznacza to, że możemy mówić o połączeniu najlepszych właściwości akumulatora i kondensatora jako takiego. Jeśli porównamy rozkład prądów akumulatora i superkondensatora z obciążeniem, to równomierność objętości pobieranego prądu będzie zasadniczo identyczna, ale z dwiema poprawkami. Podczas pracy akumulatora możliwe jest przesunięcie największego prądu w kierunku elementu znajdującego się w dolnej części bloku, a w przypadku jonizatorów w zasadzie potencjał będzie mniejszy ze względu na niskie napięcie. Istotnymi różnicami jest też różnica w zasobach roboczych - superkondensatory służą o około 25-30% dłużej w czasie, nie wspominającwyższy wskaźnik wykonalnych cykli pracy.

Zalety działających superkondensatorów

Jeśli ogólnie weźmiemy pod uwagę pozytywne skutki stosowania superkondensatorów zamiast baterii, na pierwszy plan wyjdą następujące cechy:

• Wysoka gęstość energii superkondensatorów pozwala na ich stosowanie w urządzeniach elektronicznych jako krótkotrwałe źródło zasilania.
• Bezpieczeństwo środowiska. Oczywiście elementy elektrochemiczne są nadal zachowane w projekcie, ale ich toksyczne działanie stale się zmniejsza.
• Możliwość wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych - wiatru, słońca, wody i ziemi.
• Rozszerzenie możliwości integracji strukturalnej akumulatorów - na przykład do konserwacji złożonych elektrowni, maszyn hybrydowych, pojazdów napędzanych wodorem, itp.

Warto zwrócić uwagę na niektóre zalety superkondensatora w porównaniu z kondensatorem konwencjonalnym. Jest ich niewiele, ale zasadnicze znaczenie ma duża pojemność magazynowania energii. Według tego wskaźnika nie wszystkie modyfikacje jonizatorów mogą konkurować z bateriami, jednak w porównaniu z kondensatorami w parametrze pojemności elektrycznej śmiało wygrywają.

Pozytywne recenzje superkondensatorów

Testowanie i częściowe stosowanie superkondensatorów odbywa się obecnie w różnych gałęziach przemysłu. Jak pokazują recenzje na temat działania tych urządzeń, potwierdzają one deklaracje producentów o wysokiejniezawodność, bezpieczeństwo środowiskowe i wysoka wydajność. Co szczególnie ważne z punktu widzenia porównania superkondensatorów i akumulatorów, te pierwsze nie są tak wymagające, aby stworzyć specjalne warunki podczas fizycznej obsługi. Częściowo wynika to z tak samo niskiej toksyczności komponentów, ale w większym stopniu ergonomia obsługi wynika z wysokiego stopnia ochrony obudowy. Oznacza to, że użytkownik nie musi zapewniać specjalnych urządzeń do konserwacji superkondensatorów w szczelnych warunkach. Niska waga i zoptymalizowane wymiary ułatwiają również przeprowadzanie rutynowych czynności konserwacyjnych.

Negatywne recenzje superkondensatorów

W tego rodzaju kondensatorach są też słabości, które również wyraźnie przejawiają się w praktyce. W szczególności użytkownicy zwracają uwagę na ich niską gęstość energii, niską wydajność i nie zawsze wystarczający poziom napięcia, co powoduje konieczność użycia kilku elementów do obsługi jednej docelowej jednostki odbiorczej. Pod wieloma względami te niedociągnięcia uniemożliwiają dziś stosowanie superkondensatorów zamiast baterii, chociaż ponownie rozwój technologiczny prawdopodobnie rozwiąże te problemy.

Perspektywy rozwoju kondensatorów

Według ekspertów i twórców akumulatorów, w niedalekiej przyszłości kondensatory nowej generacji będą stosowane wszędzie. Stanie się to możliwe dzięki aktywnemu zwiększaniu pojemności właściwej urządzeń. To jest tego wartedodawać i poprawiać parametry techniczne i konstrukcyjne superkondensatorów, co dotyczy przede wszystkim wymiarów i wagi. Jednocześnie już dziś organizowane są testy jonizatorów o mocy do 2,5 mW. W przyszłości takie systemy mogą znaleźć zastosowanie w utrzymaniu sieci transportowych, obiektów przemysłowych i kompleksów mieszkaniowych.

Wniosek

Koncepcja superkondensatora jest uważana za optymalne rozwiązanie w sytuacjach, w których istnieje krótkotrwałe zapotrzebowanie na zasilanie z ładowaniem pod napięciem. Po części jest to sprzeczność z ideą akumulatorów elektrochemicznych, które nastawione są na długotrwałe utrzymanie mocy o określonych parametrach. Ale czy możliwe jest użycie superkondensatora zamiast akumulatora w samochodzie, biorąc pod uwagę tę funkcję operacyjną? Z dużym prawdopodobieństwem zaawansowane koncerny samochodowe będą stosować kondensatory o dużej pojemności, ale tylko w specjalnych wersjach hybrydowych, które łączą pozytywne właściwości superkondensatorów jako takich i tradycyjnych komponentów elektrochemicznych. Na przykład dzisiaj takie rozwiązania są stosowane w postaci połączenia elektrochemicznej struktury kwasowo-ołowiowej i superkondensatora.