Superkondensator - Supercapacitor

Superkondensator
Schematyczna ilustracja superkondensatora
Schemat przedstawiający hierarchiczną klasyfikację superkondensatorów i kondensatorów powiązanych typów.

Kondensator ( SC ), zwany także ultracapacitor , to o dużej pojemności kondensator o wartości pojemności znacznie wyższe niż w innych kondensatorów, ale z niższych granicach napięcia, który wypełnia lukę pomiędzy kondensatorów elektrolitycznych i akumulatorów . Zwykle przechowuje od 10 do 100 razy więcej energii na jednostkę objętości lub masy niż kondensatory elektrolityczne, może przyjmować i dostarczać ładunek znacznie szybciej niż akumulatory i toleruje znacznie więcej cykli ładowania i rozładowania niż akumulatory .

Superkondensatory są stosowane w aplikacjach wymagających wielu szybkich cykli ładowania/rozładowania, a nie długoterminowego kompaktowego magazynowania energii - w samochodach, autobusach, pociągach, dźwigach i windach, gdzie są wykorzystywane do hamowania regeneracyjnego , krótkoterminowego magazynowania energii lub pękania- tryb dostarczania mocy. Mniejsze jednostki są używane jako zapasowe źródło zasilania dla statycznej pamięci o dostępie swobodnym (SRAM).

W przeciwieństwie do zwykłych kondensatorów, superkondensatory nie wykorzystują konwencjonalnego stałego dielektryka , ale raczej wykorzystują elektrostatyczną dwuwarstwową pojemność i elektrochemiczną pseudokondensację , które mają wpływ na całkowitą pojemność kondensatora, z kilkoma różnicami:

Elektrolit tworzy jonowo przewodzące połączenie między dwiema elektrodami, co odróżnia je od konwencjonalnych kondensatorów elektrolitycznych, w których zawsze występuje warstwa dielektryczna, a tak zwany elektrolit, np. MnO 2 lub polimer przewodzący, jest w rzeczywistości częścią drugiej elektrody ( katoda, a właściwie elektroda dodatnia). Superkondensatory są spolaryzowane przez elektrody asymetryczne lub, w przypadku elektrod symetrycznych, przez potencjał przyłożony podczas produkcji.

Historia

Opracowanie modeli dwuwarstwowych i pseudopojemnościowych (patrz Warstwa podwójna (interfejs) ).

Ewolucja komponentów

Na początku lat pięćdziesiątych inżynierowie General Electric zaczęli eksperymentować z porowatymi elektrodami węglowymi w projektowaniu kondensatorów, począwszy od projektowania ogniw paliwowych i akumulatorów . Węgiel aktywny jest przewodnikiem elektrycznym, który jest niezwykle porowatą „gąbczastą” formą węgla o dużej powierzchni właściwej . W 1957 roku H. Becker opracował „kondensator elektrolityczny niskiego napięcia z porowatymi elektrodami węglowymi”. Uważał, że energia jest magazynowana jako ładunek w porach węgla, podobnie jak w porach wytrawionych folii kondensatorów elektrolitycznych. Ponieważ mechanizm podwójnej warstwy nie był wówczas przez niego znany, napisał w patencie: „Nie wiadomo dokładnie, co dzieje się w komponencie, jeśli jest on używany do magazynowania energii, ale prowadzi to do wyjątkowo dużej pojemności. "

General Electric nie podjął od razu tej pracy. W 1966 roku badacze ze Standard Oil of Ohio (SOHIO) opracowali kolejną wersję komponentu jako „urządzenie do magazynowania energii elektrycznej”, pracując nad eksperymentalnymi projektami ogniw paliwowych . W tym patencie nie opisano charakteru elektrochemicznego magazynowania energii. Jeszcze w 1970 roku kondensator elektrochemiczny opatentowany przez Donalda L. Boosa został zarejestrowany jako kondensator elektrolityczny z elektrodami z węglem aktywnym.

Wczesne kondensatory elektrochemiczne wykorzystywały dwie folie aluminiowe pokryte węglem aktywnym – elektrody – które zostały nasączone elektrolitem i oddzielone cienkim porowatym izolatorem. Taka konstrukcja dała kondensator o pojemności rzędu jednego farada , znacznie wyższej niż kondensatory elektrolityczne o tych samych wymiarach. Ta podstawowa konstrukcja mechaniczna pozostaje podstawą większości kondensatorów elektrochemicznych.

SOHIO nie skomercjalizowało swojego wynalazku, licencjonując technologię firmie NEC , która w 1978 r. sprzedała wyniki jako „superkondensatory”, aby zapewnić zasilanie awaryjne pamięci komputera.

W latach 1975-1980 Brian Evans Conway prowadził szeroko zakrojone prace podstawowe i rozwojowe nad kondensatorami elektrochemicznymi z tlenkiem rutenu . W 1991 roku opisał różnicę między zachowaniem „superkondensatora” i „baterii” w elektrochemicznym magazynowaniu energii. W 1999 roku zdefiniował termin „superkondensator”, aby odnieść się do wzrostu obserwowanej pojemności w wyniku powierzchniowych reakcji redoks z transferem ładunku faradaicznego między elektrodami i jonami. Jego „superkondensator” magazynował ładunek elektryczny częściowo w podwójnej warstwie Helmholtza, a częściowo w wyniku reakcji faradaicznych z „pseudokondensacyjnym” transferem ładunku elektronów i protonów między elektrodą a elektrolitem. Mechanizmy działania pseudokondensatorów to reakcje redoks, interkalacja i elektrosorpcja (adsorpcja na powierzchni). Dzięki swoim badaniom Conway znacznie poszerzył wiedzę na temat kondensatorów elektrochemicznych.

Rynek rozwijał się powoli. Zmieniło się to około 1978 roku, kiedy Panasonic wprowadził na rynek swoją markę Goldcaps. Produkt ten stał się skutecznym źródłem energii do tworzenia kopii zapasowych pamięci. Konkurs rozpoczął się dopiero po latach. W 1987 roku na rynek weszła ELNA "Dynacap". EDLC pierwszej generacji miały stosunkowo wysoką rezystancję wewnętrzną, która ograniczała prąd rozładowania. Były używane do zastosowań niskoprądowych, takich jak zasilanie układów SRAM lub do tworzenia kopii zapasowych danych.

Pod koniec lat 80. ulepszone materiały elektrod zwiększyły wartości pojemności. Jednocześnie rozwój elektrolitów o lepszej przewodności obniżył równoważną rezystancję szeregową (ESR), zwiększając prądy ładowania/rozładowania. Pierwszy superkondensator o niskiej rezystancji wewnętrznej został opracowany w 1982 roku do zastosowań wojskowych przez Pinnacle Research Institute (PRI) i był sprzedawany pod marką „PRI Ultracapacitor”. W 1992 roku Maxwell Laboratories (później Maxwell Technologies ) przejęło ten rozwój. Maxwell zaadoptował termin Ultracapacitor od PRI i nazwał je „Boost Caps”, aby podkreślić ich zastosowanie w zastosowaniach energetycznych.

Ponieważ zawartość energii w kondensatorach wzrasta wraz z kwadratem napięcia, naukowcy szukali sposobu na zwiększenie napięcia przebicia elektrolitu . W 1994 roku David A. Evans opracował „Elektrolityczno-hybrydowy kondensator elektrochemiczny”, używając anody wysokonapięciowego kondensatora tantalowego o napięciu 200 V. Kondensatory te łączą w sobie cechy kondensatorów elektrolitycznych i elektrochemicznych. Łączą one wysoką wytrzymałość dielektryczną anody z kondensatora elektrolitycznego z wysoką pojemnością pseudopojemnościowej katody z tlenku metalu ( tlenek rutenu (IV)) z kondensatora elektrochemicznego, tworząc hybrydowy kondensator elektrochemiczny. Kondensatory Evansa, ukute Capattery, miały zawartość energii około 5 razy wyższą niż porównywalny elektrolityczny kondensator tantalowy o tej samej wielkości. Ich wysokie koszty ograniczały je do konkretnych zastosowań wojskowych.

Ostatnie osiągnięcia obejmują kondensatory litowo-jonowe . Te hybrydowe kondensatory zostały zapoczątkowane przez FDK firmy Fujitsu w 2007 roku. Łączą one elektrostatyczną elektrodę węglową ze wstępnie domieszkowaną elektrodą elektrochemiczną litowo-jonową. Ta kombinacja zwiększa wartość pojemności. Dodatkowo proces wstępnego domieszkowania obniża potencjał anodowy i skutkuje wysokim napięciem wyjściowym ogniwa, co dodatkowo zwiększa energię właściwą.

Działy badawcze działające w wielu firmach i uniwersytetach pracują nad poprawą parametrów, takich jak energia właściwa, moc właściwa i stabilność cyklu oraz nad obniżeniem kosztów produkcji.

Projekt

Podstawowy wygląd

Typowa konstrukcja superkondensatora: (1) źródło zasilania, (2) kolektor, (3) elektroda spolaryzowana, (4) podwójna warstwa Helmholtza, (5) elektrolit z jonami dodatnimi i ujemnymi, (6) separator.

Kondensatory elektrochemiczne (superkondensatory) składają się z dwóch elektrod oddzielonych membraną przepuszczalną dla jonów ( separator ) oraz elektrolitu łączącego jonowo obie elektrody. Gdy elektrody są spolaryzowane przez przyłożone napięcie, jony w elektrolicie tworzą podwójne warstwy elektryczne o przeciwnej polaryzacji do polaryzacji elektrody. Na przykład, elektrody spolaryzowane dodatnio będą miały warstwę jonów ujemnych na granicy faz elektroda/elektrolit wraz z równoważącą ładunek warstwą jonów dodatnich adsorbującą się na warstwie ujemnej. Odwrotnie jest w przypadku elektrody spolaryzowanej ujemnie.

Dodatkowo, w zależności od materiału elektrody i kształtu powierzchni, niektóre jony mogą przenikać przez podwójną warstwę, stając się specyficznie zaadsorbowanymi jonami i przyczyniać się z pseudopojemnością do całkowitej pojemności superkondensatora.

Dystrybucja pojemności

Obie elektrody tworząc połączenie szeregowe dwóch poszczególnych kondensatorów C 1 i C 2 . Całkowita pojemność C całkowita jest określona wzorem

Superkondensatory mogą mieć elektrody symetryczne lub asymetryczne. Symetria oznacza, że ​​obie elektrody mają tę samą wartość pojemności, co daje całkowitą pojemność o połowę mniejszą od wartości każdej pojedynczej elektrody (jeśli C 1  =  C 2 , to C total  = ½  C 1 ). W przypadku kondensatorów asymetrycznych, całkowitą pojemność można przyjąć jako pojemność elektrody o mniejszej pojemności (jeśli C 1 >> C 2 , to C total  ≈  C 2 ).

Zasady przechowywania

Kondensatory elektrochemiczne wykorzystują efekt dwuwarstwowy do przechowywania energii elektrycznej; jednak ta podwójna warstwa nie ma konwencjonalnego stałego dielektryka do oddzielania ładunków. Istnieją dwie zasady przechowywania w elektrycznej podwójnej warstwie elektrod, które przyczyniają się do całkowitej pojemności kondensatora elektrochemicznego:

Obie pojemności można rozdzielić tylko technikami pomiarowymi. Ilość ładunku przechowywanego na jednostkę napięcia w kondensatorze elektrochemicznym jest przede wszystkim funkcją rozmiaru elektrody, chociaż wielkość pojemności każdej zasady przechowywania może się bardzo różnić.

Elektryczna pojemność dwuwarstwowa

Uproszczony widok podwójnej warstwy jonów ujemnych w elektrodzie i solwatowanych jonów dodatnich w ciekłym elektrolicie, oddzielonych warstwą spolaryzowanych cząsteczek rozpuszczalnika.

Każdy kondensator elektrochemiczny posiada dwie elektrody oddzielone mechanicznie separatorem, które są ze sobą połączone jonowo poprzez elektrolit . Elektrolit jest mieszaniną jonów dodatnich i ujemnych rozpuszczonych w rozpuszczalniku, takim jak woda. Na każdej z dwóch powierzchni elektrod powstaje obszar, w którym ciekły elektrolit styka się z przewodzącą metaliczną powierzchnią elektrody. Ten interfejs tworzy wspólną granicę między dwiema różnymi fazami materii, takimi jak nierozpuszczalna powierzchnia elektrody stałej i sąsiadujący z nią ciekły elektrolit. W tym interfejsie występuje bardzo szczególne zjawisko efektu podwójnej warstwy .

Przyłożenie napięcia do kondensatora elektrochemicznego powoduje, że obie elektrody w kondensatorze generują podwójne warstwy elektryczne . Te podwójne warstwy składają się z dwóch warstw ładunków: jedna warstwa elektronowa znajduje się w powierzchniowej strukturze sieciowej elektrody, a druga, o przeciwnej polaryzacji, wyłania się z rozpuszczonych i solwatowanych jonów w elektrolicie. Dwie warstwy są oddzielone pojedynczą warstwą cząsteczek rozpuszczalnika , np. dla wody jako rozpuszczalnika cząsteczek wody, zwanej wewnętrzną płaszczyzną Helmholtza (IHP). Cząsteczki rozpuszczalnika przylegają poprzez fizyczną adsorpcję na powierzchni elektrody i oddzielają od siebie przeciwnie spolaryzowane jony i mogą być idealizowane jako dielektryk molekularny. W procesie nie dochodzi do przenoszenia ładunku między elektrodą a elektrolitem, więc siłami powodującymi adhezję nie są wiązania chemiczne, ale siły fizyczne, np . siły elektrostatyczne. Zaadsorbowane cząsteczki są spolaryzowane, ale ze względu na brak transferu ładunku między elektrolitem a elektrodą nie ulegają zmianom chemicznym.

Ilość ładunku w elektrodzie jest dopasowana do wielkości przeciwładunków w zewnętrznej płaszczyźnie Helmholtza (OHP). To zjawisko dwuwarstwowe przechowuje ładunki elektryczne jak w konwencjonalnym kondensatorze. Ładunek dwuwarstwowy tworzy statyczne pole elektryczne w warstwie molekularnej cząsteczek rozpuszczalnika w IHP, które odpowiada sile przyłożonego napięcia.

Budowa i funkcja idealnego kondensatora dwuwarstwowego. Po przyłożeniu napięcia do kondensatora na obu elektrodach utworzy się podwójna warstwa Helmholtza oddzielająca jony w elektrolicie w lustrzanym rozkładzie ładunku o przeciwnej polaryzacji

Podwójna warstwa służy w przybliżeniu jako warstwa dielektryczna w konwencjonalnym kondensatorze, aczkolwiek o grubości pojedynczej cząsteczki. W ten sposób do obliczenia ich pojemności można użyć standardowego wzoru dla konwencjonalnych kondensatorów płytowych:

.

W związku z tym pojemność C jest największa w kondensatorach wykonanych z materiałów o wysokiej przenikalności elektrycznej ε , dużych powierzchniach płyt elektrodowych A i małej odległości między płytami d . W rezultacie kondensatory dwuwarstwowe mają znacznie wyższe wartości pojemności niż kondensatory konwencjonalne, wynikające z wyjątkowo dużej powierzchni elektrod z węglem aktywnym i niezwykle cienkiej odległości dwuwarstwowej, rzędu kilku angströmów (0,3-0,8 nm), rzędu długości Debye .

Główną wadą elektrod węglowych dwuwarstwowych SC są małe wartości pojemności kwantowej, które działają szeregowo z pojemnością ładunku przestrzeni jonowej. Dlatego dalszy wzrost gęstości pojemności w SC można wiązać ze wzrostem pojemności kwantowej nanostruktur elektrod węglowych.

Ilość ładunku przechowywanego na jednostkę napięcia w kondensatorze elektrochemicznym jest przede wszystkim funkcją rozmiaru elektrody. Elektrostatyczne magazynowanie energii w podwójnych warstwach jest liniowe w stosunku do zmagazynowanego ładunku i odpowiada stężeniu zaadsorbowanych jonów. Ponadto, podczas gdy ładunek w konwencjonalnych kondensatorach jest przenoszony za pośrednictwem elektronów, pojemność kondensatorów dwuwarstwowych jest związana z ograniczoną prędkością ruchu jonów w elektrolicie i rezystancyjną porowatą strukturą elektrod. Ponieważ w elektrodzie lub elektrolicie nie zachodzą żadne zmiany chemiczne, ładowanie i rozładowywanie podwójnych warstw elektrycznych jest w zasadzie nieograniczone. Rzeczywiste czasy życia superkondensatorów są ograniczone jedynie efektem parowania elektrolitu.

Pseudokondensacja elektrochemiczna

Uproszczony widok podwójnej warstwy ze specyficznie zaadsorbowanymi jonami, które przekazały swój ładunek do elektrody, aby wyjaśnić faradaiczny transfer ładunku pseudopojemności.

Przyłożenie napięcia na zaciski kondensatora elektrochemicznego przesuwa jony elektrolitu do przeciwnej spolaryzowanej elektrody i tworzy podwójną warstwę, w której pojedyncza warstwa cząsteczek rozpuszczalnika działa jako separator. Pseudopojemność może powstać, gdy specyficznie zaadsorbowane jony z elektrolitu przenikają przez podwójną warstwę. Ta pseudopojemność magazynuje energię elektryczną za pomocą odwracalnych faradaicznych reakcji redoks na powierzchni odpowiednich elektrod w kondensatorze elektrochemicznym z podwójną warstwą elektryczną . Pseudopojemności towarzyszy przeniesienie ładunku elektronu między elektrolitem a elektrodą pochodzącego od zdesolwatowanego i zaadsorbowanego jonu, w którym uczestniczy tylko jeden elektron na jednostkę ładunku. Ten faradaiczny transfer ładunku pochodzi z bardzo szybkiej sekwencji odwracalnych procesów redoks, interkalacji lub elektrosorpcji . Zaadsorbowany jon nie wchodzi w reakcję chemiczną z atomami elektrody (nie powstają wiązania chemiczne), ponieważ zachodzi tylko przeniesienie ładunku.

Cykliczny woltamogram pokazuje podstawowe różnice między pojemnością statyczną (prostokątną) a pseudopojemnością (zakrzywioną)

Elektrony biorące udział w procesach faradaicznych są przenoszone do lub ze stanów elektronów walencyjnych ( orbitali ) odczynnika elektrody redoks. Wchodzą do elektrody ujemnej i przepływają przez obwód zewnętrzny do elektrody dodatniej, gdzie utworzyła się druga podwójna warstwa z taką samą liczbą anionów. Elektrony docierające do elektrody dodatniej nie są przenoszone do anionów tworzących podwójną warstwę, lecz pozostają w silnie zjonizowanych i „elektronogłodnych” jonach metali przejściowych powierzchni elektrody. W związku z tym pojemność pseudopojemności faradaicznej jest ograniczona przez skończoną ilość odczynnika na dostępnej powierzchni.

Pseudopojemność faradaiczna występuje tylko razem ze statyczną pojemnością dwuwarstwową , a jej wielkość może przekroczyć wartość pojemności dwuwarstwowej dla tego samego pola powierzchni o współczynnik 100, w zależności od rodzaju i struktury elektrody, ponieważ wszystkie pseudopojemności reakcje zachodzą tylko z jonami desolwatowanymi, które są znacznie mniejsze niż solwatowany jon z otoczką solwatującą. Ilość pseudopojemności pełni funkcję liniową w wąskich granicach określonych przez zależny od potencjału stopień pokrycia powierzchni adsorbowanych anionów.

Zdolność elektrod do osiągania efektów pseudopojemności poprzez reakcje redoks, interkalację lub elektrosorpcję silnie zależy od powinowactwa chemicznego materiałów elektrodowych do jonów adsorbowanych na powierzchni elektrody oraz od struktury i wymiarów porów elektrody. Materiały wykazujące zachowanie redoks do stosowania jako elektrody w pseudokondensatorach to tlenki metali przejściowych, takie jak RuO 2 , IrO 2 lub MnO 2 wprowadzone przez domieszkowanie materiału elektrody przewodzącej, takiego jak węgiel aktywny, a także polimery przewodzące, takie jak polianilina lub pochodne politiofenu pokrycie materiału elektrody.

Ilość ładunku elektrycznego zmagazynowanego w pseudopojemności jest liniowo proporcjonalna do przyłożonego napięcia . Jednostką pseudopojemności jest farad .

Dystrybucja potencjału

Zasady przechowywania ładunku różnych typów kondensatorów i ich wewnętrzny rozkład potencjału
Podstawowa ilustracja działania superkondensatora, rozkład napięcia wewnątrz kondensatora i jego uproszczony równoważny obwód prądu stałego
Zachowanie napięcia superkondensatorów i akumulatorów podczas ładowania/rozładowywania wyraźnie się różni

Kondensatory konwencjonalne (znane również jako kondensatory elektrostatyczne), takie jak kondensatory ceramiczne i kondensatory foliowe , składają się z dwóch elektrod oddzielonych materiałem dielektrycznym . Po naładowaniu energia jest magazynowana w statycznym polu elektrycznym, które przenika dielektryk między elektrodami. Całkowita energia wzrasta wraz z ilością zmagazynowanego ładunku, co z kolei koreluje liniowo z potencjałem (napięciem) pomiędzy płytkami. Maksymalna różnica potencjałów między płytkami (maksymalne napięcie) jest ograniczona przez siłę pola przebicia dielektryka . To samo magazynowanie statyczne dotyczy również kondensatorów elektrolitycznych, w których większość potencjału spada na cienkiej warstwie tlenkowej anody . Nieco rezystancyjny ciekły elektrolit ( katoda ) powoduje niewielki spadek potencjału „mokrych” kondensatorów elektrolitycznych, podczas gdy kondensatory elektrolityczne ze stałym przewodzącym elektrolitem polimerowym ten spadek napięcia jest znikomy.

Natomiast kondensatory elektrochemiczne (superkondensatory) składają się z dwóch elektrod oddzielonych membraną przepuszczalną dla jonów (separator) i połączonych elektrycznie przez elektrolit. Magazynowanie energii następuje w podwójnych warstwach obu elektrod jako mieszanina pojemności dwuwarstwowej i pseudopojemności. Gdy obie elektrody mają w przybliżeniu taką samą rezystancję ( rezystancja wewnętrzna ), potencjał kondensatora zmniejsza się symetrycznie na obu podwójnych warstwach, dzięki czemu osiągany jest spadek napięcia na równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) elektrolitu. W przypadku superkondensatorów asymetrycznych, takich jak kondensatory hybrydowe, spadek napięcia między elektrodami może być asymetryczny. Maksymalny potencjał na kondensatorze (napięcie maksymalne) jest ograniczony przez napięcie rozkładu elektrolitu.

Zarówno elektrostatyczne, jak i elektrochemiczne magazynowanie energii w superkondensatorach jest liniowe względem zmagazynowanego ładunku, podobnie jak w konwencjonalnych kondensatorach. Napięcie między zaciskami kondensatora jest liniowe w stosunku do ilości zmagazynowanej energii. Taki liniowy gradient napięcia różni się od ładowalnych akumulatorów elektrochemicznych, w których napięcie między zaciskami pozostaje niezależne od ilości zmagazynowanej energii, zapewniając względnie stałe napięcie.

Porównanie z innymi technologiami pamięci masowej

Superkondensatory konkurują z kondensatorami elektrolitycznymi i akumulatorami, zwłaszcza bateriami litowo-jonowymi . W poniższej tabeli porównano główne parametry trzech głównych rodzin superkondensatorów z kondensatorami elektrolitycznymi i bateriami.

Parametry wydajności superkondensatorów w
porównaniu z kondensatorami elektrolitycznymi i akumulatorami litowo-jonowymi
Parametr Kondensatory
elektrolityczne aluminiowe
Superkondensatory Litowo-jonowych
baterii

Kondensatory dwuwarstwowe
( podtrzymanie pamięci)
Pseudokondensatory Hybrydowy (Li-ion)
Zakres temperatur,
stopnie Celsjusza  (°C)
-40 ... +125 °C -40 ... +70 °C -20 ... +70 °C -20 ... +70 °C -20 ... +60 °C
Maksymalne ładowanie,
wolty  (V)
4 ... 630 V 1,2 ... 3,3 V 2,2 ... 3,3 V 2,2 ... 3,8 V 2,5 ... 4,2 V
Cykle ładowania,
tysiące (k)
< nieograniczony 100 tys ... 1 000 tys 100 tys ... 1 000 tys 20 tys ... 100 tys 0,5 tys ... 10 tys
Pojemność ,
farady  (F)
≤ 2,7 F 0,1 ... 470 F 100 ... 12 000 F 300 ... 3 300 F
Energia właściwa ,
watogodziny
na kilogram (Wh/kg)
0,01 ... 0,3
Wh/kg
1,5 ... 3,9
Wh/kg
4 ... 9
Wh/kg
10 ... 15
Wh/kg
100 ... 265
Wh/kg
Moc właściwa ,
waty na
gram  (W/g)
> 100 W/g 2 ... 10 W/g 3 ... 10 W/g 3 ... 14 W/g 0,3 ... 1,5 W/g

Czas samorozładowania w temp. pokojowej
krótki
(dni)
średni
(tygodnie)
średni
(tygodnie)
długi
(miesiąc)
długi
(miesiąc)
Efektywność (%) 99% 95% 95% 90% 90%
Żywotność w
temp. pokojowej, lata (r)
> 20 lat 5 ... 10 lat 5 ... 10 lat 5 ... 10 lat 3 ... 5 lat

Kondensatory elektrolityczne charakteryzują się niemal nieograniczoną liczbą cykli ładowania/rozładowania, wysoką wytrzymałością dielektryczną (do 550 V) i dobrą charakterystyką częstotliwościową jako reaktancja prądu przemiennego (AC) w dolnym zakresie częstotliwości. Superkondensatory mogą przechowywać od 10 do 100 razy więcej energii niż kondensatory elektrolityczne, ale nie obsługują aplikacji AC.

Jeśli chodzi o akumulatory, superkondensatory charakteryzują się wyższymi prądami szczytowymi, niskim kosztem cyklu, brakiem niebezpieczeństwa przeładowania, dobrą odwracalnością, niekorozyjnym elektrolitem i niską toksycznością materiału. Baterie oferują niższy koszt zakupu i stabilne napięcie podczas rozładowania, ale wymagają złożonego elektronicznego sprzętu sterującego i przełączającego, co w konsekwencji powoduje utratę energii i zagrożenie iskrą w przypadku zwarcia.

Style

Superkondensatory są wykonane w różnych stylach, na przykład płaskie z pojedynczą parą elektrod, nawinięte w cylindrycznej obudowie lub ułożone w stos w prostokątnej obudowie. Ponieważ obejmują one szeroki zakres wartości pojemności, rozmiary obudów mogą się różnić.

Szczegóły konstrukcyjne

Superkondensatory zbudowane są z dwóch metalowych folii (odbieraków prądu), z których każda jest pokryta materiałem elektrodowym, takim jak węgiel aktywny, które służą jako połączenie zasilania między materiałem elektrody a zewnętrznymi zaciskami kondensatora. W szczególności materiał elektrody ma bardzo dużą powierzchnię. W tym przykładzie węgiel aktywny jest trawiony elektrochemicznie, tak że pole powierzchni materiału jest około 100 000 razy większe niż powierzchnia gładka. Elektrody są odseparowane przez membranę przepuszczalną dla jonów (separator) służącą jako izolator chroniący elektrody przed zwarciami . Ta konstrukcja jest następnie zwijana lub składana w kształt cylindryczny lub prostokątny i może być ułożona w stos w aluminiowej puszce lub w adaptowalnej prostokątnej obudowie. Ogniwo jest następnie impregnowane ciekłym lub lepkim elektrolitem typu organicznego lub wodnego. Elektrolit, przewodnik jonowy, wchodzi do porów elektrod i służy jako przewodzące połączenie między elektrodami w separatorze. Wreszcie obudowa jest hermetycznie uszczelniona, aby zapewnić stabilne zachowanie przez określony czas życia.

Rodzaje

Drzewo genealogiczne typów superkondensatorów. Kondensatory dwuwarstwowe i pseudokondensatory, a także kondensatory hybrydowe są zdefiniowane w ich konstrukcjach elektrod.

Energia elektryczna jest magazynowana w superkondensatorach na dwóch zasadach: statycznej pojemności dwuwarstwowej i elektrochemicznej pseudokondensacji ; a rozkład tych dwóch typów pojemności zależy od materiału i struktury elektrod. Istnieją trzy rodzaje superkondensatorów oparte na zasadzie przechowywania:

  • Kondensatory dwuwarstwowe ( EDLC ) — z elektrodami z węglem aktywnym lub pochodnymi o znacznie większej pojemności elektrostatycznej dwuwarstwowej niż pseudopojemność elektrochemiczna
  • Pseudokondensatory  — z tlenkiem metalu przejściowego lub przewodzącymi elektrodami polimerowymi o wysokiej pseudokondensacji elektrochemicznej
  • Kondensatory hybrydowe  — z asymetrycznymi elektrodami, z których jeden wykazuje głównie pojemność elektrostatyczną, a drugi głównie elektrochemiczną, np. kondensatory litowo-jonowe

Ponieważ zarówno pojemność dwuwarstwowa, jak i pseudopojemność przyczyniają się nierozerwalnie do całkowitej wartości pojemności kondensatora elektrochemicznego, prawidłowy opis tych kondensatorów można podać tylko pod ogólnym terminem. Niedawno zaproponowano koncepcje superkondensatora i superkabaty, aby lepiej reprezentować te urządzenia hybrydowe, które zachowują się bardziej jak superkondensator i akumulator.

Wartość pojemności superkondensatora jest określona przez dwie zasady przechowywania:

Zarówno pojemność dwuwarstwowa, jak i pseudopojemność przyczyniają się nierozerwalnie do całkowitej wartości pojemności superkondensatora. Jednak stosunek tych dwóch może się znacznie różnić, w zależności od konstrukcji elektrod i składu elektrolitu. Pseudopojemność może zwiększyć wartość pojemności nawet o współczynnik dziesięciokrotny w stosunku do samej podwójnej warstwy.

Elektryczne kondensatory dwuwarstwowe (EDLC) to kondensatory elektrochemiczne, w których magazynowanie energii odbywa się głównie dzięki pojemności dwuwarstwowej. W przeszłości wszystkie kondensatory elektrochemiczne nazywano „kondensatorami dwuwarstwowymi”. We współczesnym zastosowaniu kondensatory dwuwarstwowe wraz z pseudokondensatorami stanowią część większej rodziny kondensatorów elektrochemicznych zwanych superkondensatorami. Znane są również jako ultrakondensatory.

Materiały

Właściwości superkondensatorów wynikają z interakcji ich materiałów wewnętrznych. W szczególności połączenie materiału elektrody i rodzaju elektrolitu określa funkcjonalność oraz właściwości cieplne i elektryczne kondensatorów.

Elektrody

Mikrofotografia na aktywnym węglu w jasnym polu oświetlenia w mikroskopie świetlnym . Zwróć uwagę na fraktalny kształt cząstek wskazujący na ich ogromną powierzchnię. Każda cząstka na tym zdjęciu, mimo że ma zaledwie około 0,1 mm średnicy, ma powierzchnię kilku centymetrów kwadratowych.

Elektrody superkondensatorowe są na ogół cienkimi powłokami nakładanymi i elektrycznie połączonymi z przewodzącym, metalowym kolektorem prądu . Elektrody muszą mieć dobrą przewodność, stabilność w wysokiej temperaturze, długotrwałą stabilność chemiczną ( obojętność ), wysoką odporność na korozję i duże pola powierzchni na jednostkę objętości i masy. Inne wymagania obejmują przyjazność dla środowiska i niski koszt.

Ilość podwójnej warstwy oraz pseudopojemności przechowywanej na jednostkę napięcia w superkondensatorze jest głównie funkcją pola powierzchni elektrody. Dlatego elektrody superkondensatorów są zwykle wykonane z porowatego, gąbczastego materiału o niezwykle dużej powierzchni właściwej , takiego jak węgiel aktywny . Dodatkowo zdolność materiału elektrody do przenoszenia ładunków faradaicznych zwiększa całkowitą pojemność.

Generalnie im mniejsze pory elektrody, tym większa pojemność i energia właściwa . Jednak mniejsze pory zwiększają równoważną rezystancję szeregową (ESR) i zmniejszają moc właściwą . Aplikacje z wysokimi prądami szczytowymi wymagają większych porów i niskich strat wewnętrznych, podczas gdy aplikacje wymagające wysokiej energii właściwej wymagają małych porów.

Elektrody do EDLC

Najbardziej powszechnie używanym materiałem na elektrodach przez superkondensatorów atom węgla w różnej postaci, takie jak węgiel aktywowany (AC), stałe węglowe włókna tkaniny (AFC), węglik pochodzące węgla (CDC), węglanu aerożelu , grafit ( grafenu ) grafan i nanorurek węglowych ( CNT).

Elektrody węglowe wykazują głównie dwuwarstwową pojemność statyczną, chociaż niewielka ilość pseudopojemności może również występować w zależności od rozkładu wielkości porów. Rozmiary porów w węglach zwykle wahają się od mikroporów (mniej niż 2 nm) do mezoporów (2-50 nm), ale tylko mikropory (<2 nm) przyczyniają się do pseudopojemności. Gdy rozmiar porów zbliża się do rozmiaru powłoki solwatacyjnej, cząsteczki rozpuszczalnika są wykluczone i tylko niesolwatowane jony wypełniają pory (nawet w przypadku dużych jonów), zwiększając gęstość upakowania jonów i zdolność przechowywania przez faradaic H
2
wtręt.

Węgiel aktywowany

Węgiel aktywny był pierwszym materiałem wybranym na elektrody EDLC. Mimo że jego przewodność elektryczna wynosi około 0,003% przewodności metali ( 1 250 do 2000 S/m ), jest wystarczająca dla superkondensatorów.

Węgiel aktywny jest niezwykle porowatą formą węgla o dużej powierzchni właściwej — powszechnie przyjmuje się, że 1 gram (0,035 uncji) (ilość wielkości gumki do ołówka) ma powierzchnię od około 1000 do 3000 metrów kwadratowych (11 000 do 32 000 stóp kwadratowych) — o wielkości od 4 do 12 kortów tenisowych . Postać sypka stosowana w elektrodach ma niską gęstość z wieloma porami, co zapewnia wysoką pojemność dwuwarstwową.

Stały węgiel aktywny, zwany także skonsolidowanym węglem amorficznym (CAC), jest najczęściej używanym materiałem elektrodowym w superkondensatorach i może być tańszy niż inne pochodne węgla. Produkowany jest z proszku węgla aktywnego sprasowanego w pożądany kształt, tworząc blok o szerokim rozkładzie wielkości porów. Elektroda o powierzchni około 1000 m 2 / Wyniki g w typowym dwuwarstwowej o pojemności 10 mF / cm 2 i w określonej pojemności 100 F / G.

Od 2010 r. praktycznie wszystkie komercyjne superkondensatory wykorzystują sproszkowany węgiel aktywny z łupin orzecha kokosowego. Łupiny orzecha kokosowego wytwarzają węgiel aktywny z większą liczbą mikroporów niż węgiel drzewny.

Włókna z węgla aktywnego

Włókna z węgla aktywnego (ACF) są produkowane z węgla aktywnego i mają typową średnicę 10 µm. Mogą mieć mikropory o bardzo wąskim rozkładzie wielkości porów, które można łatwo kontrolować. Powierzchnia ACF wpleciona w tkaninę wynosi około2500 m 2 / g . Zalety elektrod ACF to niski opór elektryczny wzdłuż osi włókna i dobry kontakt z kolektorem.

Jeśli chodzi o węgiel aktywny, elektrody ACF wykazują głównie pojemność dwuwarstwową z niewielką ilością pseudopojemności ze względu na mikropory.

Aerożel węglowy
Blok aerożelu krzemionkowego w dłoni

Aerożel węglowy to wysoce porowaty, syntetyczny , ultralekki materiał pochodzący z żelu organicznego, w którym ciekły składnik żelu został zastąpiony gazem.

Elektrody aerożelowe są wytwarzane w procesie pirolizy aerożeli rezorcynolowo - formaldehydowych i są bardziej przewodzące niż większość węgli aktywnych. Umożliwiają tworzenie cienkich i stabilnych mechanicznie elektrod o grubości w zakresie kilkuset mikrometrów (µm) i jednorodnej wielkości porów. Elektrody aerożelowe zapewniają również stabilność mechaniczną i wibracyjną superkondensatorów wykorzystywanych w środowiskach o wysokiej wibracji.

Naukowcy stworzyli węglową elektrodę aerożelową o gęstościach grawimetrycznych około 400–1200 m 2 /g i pojemności objętościowej 104 F/cm 3 , dającą energię właściwą rzędu325 kJ/kg (90 Wh/kg ) i moc właściwa20 W/g .

Standardowe elektrody aerożelowe wykazują głównie pojemność dwuwarstwową. Elektrody aerożelowe, które zawierają materiał kompozytowy, mogą dodać dużą ilość pseudopojemności.

Węgiel pochodzący z węglika
Rozkłady wielkości porów dla różnych prekursorów węglikowych.

Węgla węglików pochodzi (CDC), znany również jako przestrajalnego węgla nanoporowaty to rodzina materiałów węglowych otrzymanych z węglika prekursorów, takich jak binarnego węglik krzemu i węglik tytanu , które są przekształcane z czystego węgla poprzez fizyczne, na przykład , rozkładu termicznego lub chemicznego , na przykład , fluorowcowanie ) procesów.

Węgle pochodzące z węglików mogą wykazywać duże pole powierzchni i przestrajalne średnice porów (od mikroporów do mezoporów), aby zmaksymalizować wiązanie jonów, zwiększając pseudopojemność przez faradaiczne H
2
obróbka adsorpcyjna. Elektrody CDC z dopasowaną konstrukcją porów oferują aż o 75% większą energię właściwą niż konwencjonalne węgle aktywne.

Od 2015 roku superkondensator CDC oferował energię właściwą 10,1 Wh/kg, pojemność 3500 F i ponad milion cykli ładowania-rozładowania.

Grafen
Grafen to sieć o strukturze plastra miodu w skali atomowej, wykonana z atomów węgla.

Grafen to arkusz grafitu o grubości jednego atomu , z atomami ułożonymi w regularny sześciokątny wzór, zwany także „papierem nanokompozytowym”.

Graphene ma teoretyczną powierzchnię właściwą wynoszącą 2630 m 2 / g, który teoretycznie może prowadzić do pojemności 550 F / G. Ponadto przewagą grafenu nad węglem aktywnym jest jego wyższa przewodność elektryczna. Od 2012 roku nowe opracowanie wykorzystywało arkusze grafenowe bezpośrednio jako elektrody bez kolektorów do zastosowań przenośnych.

W jednym przykładzie wykonania superkondensator na bazie grafenu wykorzystuje zakrzywione arkusze grafenowe, które nie układają się na sobie, tworząc mezopory, które są dostępne i zwilżalne przez elektrolity jonowe przy napięciu do 4 V. 85,6 Wh/kg (308 kJ/kg ) uzyskuje się w temperaturze pokojowej równej temperaturze konwencjonalnej baterii niklowo-wodorkowej , ale o 100-1000 razy większej mocy właściwej.

Dwuwymiarowa struktura grafenu poprawia ładowanie i rozładowywanie. Nośniki ładunku w pionowo zorientowanych arkuszach mogą szybko migrować do lub z głębszych struktur elektrody, zwiększając w ten sposób prądy. Takie kondensatory mogą być odpowiednie do zastosowań z filtrami 100/120 Hz, które są nieosiągalne dla superkondensatorów wykorzystujących inne materiały węglowe.

Nanorurki węglowe
Obraz ze skaningowej mikroskopii tunelowej jednościennej nanorurki węglowej
Obraz SEM wiązek nanorurek węglowych o powierzchni około 1500 m 2 /g

Nanorurki węglowe (CNT), zwane również buckytubes, to cząsteczki węgla o cylindrycznej nanostrukturze . Mają pustą strukturę ze ściankami utworzonymi z arkuszy grafitu o grubości jednego atomu. Arkusze te są zwijane pod określonymi i dyskretnymi („chiralnymi”) kątami, a połączenie chiralnego kąta i promienia kontroluje takie właściwości, jak przewodność elektryczna, zwilżalność elektrolitu i dostęp jonów. Nanorurki są klasyfikowane jako nanorurki jednościenne (SWNT) lub nanorurki wielościenne (MWNT). Te ostatnie mają jedną lub więcej rurek zewnętrznych, które kolejno otaczają SWNT, podobnie jak rosyjskie lalki matrioszki . SWNT mają średnice w zakresie od 1 do 3 nm. MWNT mają grubsze współosiowe ściany, oddzielone odstępem (0,34 nm), który jest zbliżony do odległości międzywarstwowej grafenu.

Nanorurki mogą rosnąć pionowo na podłożu kolektora, takim jak płytka krzemowa. Typowe długości to 20 do 100 µm.

Nanorurki węglowe mogą znacznie poprawić wydajność kondensatora dzięki wysoce zwilżalnej powierzchni i wysokiej przewodności.

Superkondensator oparty na SWNT z wodnym elektrolitem był systematycznie badany na Uniwersytecie Delaware w grupie prof. Bingqing Wei. Li i inni po raz pierwszy odkryli, że efekt wielkości jonów i zwilżalność elektroda-elektrolit są dominującymi czynnikami wpływającymi na zachowanie elektrochemiczne elastycznych superkondensatorów SWCNT w różnych 1-molowych elektrolitach wodnych z różnymi anionami i kationami. Wyniki eksperymentalne wykazały również, że w przypadku elastycznego superkondensatora sugeruje się wywarcie wystarczającego nacisku między dwiema elektrodami, aby ulepszyć superkondensator CNT z wodnym elektrolitem.

CNT mogą przechowywać mniej więcej taki sam ładunek jak węgiel aktywny na jednostkę powierzchni, ale powierzchnia nanorurek jest ułożona w regularny wzór, co zapewnia większą zwilżalność. SWNT ma wysoką teoretycznego pola powierzchni właściwej 1315 m 2 / g, natomiast dla MWNT jest mniejsza i jest określona przez średnice rur i stopień zagnieżdżania, w porównaniu z powierzchni około 3000 m 2 / g węgla aktywowanego . Niemniej jednak CNT mają wyższą pojemność niż elektrody z węglem aktywnym, np. 102 F/g dla MWNT i 180 F/g dla SWNT.

MWNT mają mezopory, które umożliwiają łatwy dostęp jonów na granicy faz elektroda-elektrolit. Gdy rozmiar porów zbliża się do rozmiaru powłoki solwatacyjnej jonów, cząsteczki rozpuszczalnika są częściowo usuwane, co skutkuje większą gęstością upakowania jonów i zwiększoną zdolnością magazynowania faradaicznego. Jednak znaczna zmiana objętości podczas powtarzanej interkalacji i wyczerpywania zmniejsza ich stabilność mechaniczną. W tym celu trwają badania nad zwiększeniem pola powierzchni, wytrzymałości mechanicznej, przewodności elektrycznej i stabilności chemicznej.

Elektrody do pseudokondensatorów

MnO 2 i RuO 2 są typowymi materiałami stosowanymi jako elektrody w pseudokondensatorach, ponieważ mają elektrochemiczną sygnaturę elektrody pojemnościowej (liniowa zależność od krzywej prądu w funkcji napięcia), a także wykazują zachowanie faradaiczne. Ponadto magazynowanie ładunku pochodzi z mechanizmów przenoszenia elektronów, a nie z akumulacji jonów w elektrochemicznej warstwie podwójnej. Pseudokondensatory powstały w wyniku faradaicznych reakcji redoks zachodzących w materiałach elektrod aktywnych. Więcej badań skoncentrowano na tlenkach metali przejściowych, takich jak MnO 2 , ponieważ tlenki metali przejściowych mają niższy koszt w porównaniu do tlenków metali szlachetnych, takich jak RuO 2 . Ponadto mechanizmy magazynowania ładunku tlenków metali przejściowych opierają się głównie na pseudopojemności. Wprowadzono dwa mechanizmy zachowania ładunku MnO 2 . Pierwszy mechanizm zakłada interkalację protonów (H + ) lub kationów metali alkalicznych (C + ) w masie materiału po redukcji, a następnie deinterkalację po utlenieniu.

MnO 2 + H + (C + ) +e ⇌ MnOOH(C)

Drugi mechanizm opiera się na powierzchniowej adsorpcji kationów elektrolitu na MnO 2 .

(MnO 2 ) powierzchnia + C + +e ⇌ (MnO 2 C + ) powierzchnia

Nie każdy materiał, który wykazuje zachowanie faradaiczne, może być użyty jako elektroda dla pseudokondensatorów, takich jak Ni(OH) 2, ponieważ jest to elektroda typu akumulatorowego (nieliniowa zależność od krzywej prądu w funkcji napięcia).

Tlenki metali

Badania Briana Evansa Conwaya opisały elektrody z tlenków metali przejściowych, które wykazywały duże ilości pseudopojemności. Tlenki metali przejściowych, w tym rutenu ( RuO
2
), iryd ( IrO
2
), żelazo ( Fe
3
O
4
), mangan ( MnO
2
) lub siarczki, takie jak siarczek tytanu ( TiS
2
) samodzielnie lub w połączeniu generują silne reakcje przenoszenia elektronów faradaicznych w połączeniu z niską rezystancją. Dwutlenek rutenu w połączeniu z H
2
WIĘC
4
elektrolit zapewnia pojemność właściwą 720 F/g i wysoką energię właściwą 26,7 Wh/kg (96,12 kJ/kg ).

Ładowanie/rozładowanie odbywa się w oknie o napięciu około 1,2 V na elektrodę. Ta pseudopojemność wynosząca około 720 F/g jest w przybliżeniu 100 razy wyższa niż w przypadku pojemności dwuwarstwowej wykorzystującej elektrody z węglem aktywnym. Te elektrody z metali przejściowych zapewniają doskonałą odwracalność przy kilkuset tysiącach cykli. Ruten jest jednak drogi, a przedział napięcia 2,4 V dla tego kondensatora ogranicza ich zastosowanie do zastosowań wojskowych i kosmicznych. Das i in. zgłoszono najwyższą wartość pojemności (1715 F/g) dla superkondensatora na bazie tlenku rutenu z osadzonym elektrolitycznie tlenkiem rutenu na porowatej jednościennej elektrodzie z nanorurek węglowych. Zanotowano wysoką pojemność właściwą 1715 F/g, która jest zbliżona do przewidywanego teoretycznego maksimum RuO
2
pojemność 2000 F/g.

W 2014 r. RuO
2
superkondensator zakotwiczony na elektrodzie z pianki grafenowej zapewniał pojemność właściwą 502,78 F/g i pojemność powierzchniową 1,11 F/cm 2 ), co prowadziło do energii właściwej 39,28 Wh/kg i mocy właściwej 128,01 kW/kg przez 8000 cykli przy stałej wydajności. Urządzenie było trójwymiarową (3D ) architekturą grafenu uwodnionego zakotwiczonego w rutenu i nanorurki węglowej (CNT) o grubości poniżej 5 nm (RGM). Pianka grafenowa została konformalnie pokryta hybrydowymi sieciami RuO
2
nanocząstki i zakotwiczone CNT.

Tańsze tlenki żelaza, wanadu, niklu i kobaltu zostały przetestowane w wodnych elektrolitach, ale żaden z nich nie został zbadany tak bardzo jak dwutlenek manganu ( MnO
2
). Jednak żaden z tych tlenków nie jest wykorzystywany komercyjnie.

Polimery przewodzące

Inne podejście wykorzystuje polimery przewodzące elektrony jako materiał pseudopojemnościowy. Polimery przewodzące , mimo że są słabe mechanicznie, mają wysoką przewodność , co skutkuje niskim ESR i stosunkowo dużą pojemnością. Takie polimery przewodzące obejmują polianilinę , politiofen , polipirol i poliacetylen . W takich elektrodach stosuje się również domieszkowanie elektrochemiczne lub oddomieszkowanie polimerów anionami i kationami. Elektrody wykonane lub pokryte polimerami przewodzącymi mają koszty porównywalne z kosztami elektrod węglowych.

Przewodzące elektrody polimerowe generalnie cierpią z powodu ograniczonej stabilności cyklicznej. Jednak elektrody poliacenowe zapewniają do 10 000 cykli, znacznie lepiej niż baterie.

Elektrody do kondensatorów hybrydowych

Wszystkie komercyjne superkondensatory hybrydowe są asymetryczne. Łączą one elektrodę o dużej pojemności pseudopojemności z elektrodą o dużej pojemności dwuwarstwowej . W takich układach pseudopojemnościowa elektroda faradaiczna o większej pojemności zapewnia wysoką energię właściwą, podczas gdy niefaradaiczna elektroda EDLC zapewnia wysoką moc właściwą . Zaletą superkondensatorów typu hybrydowego w porównaniu z symetrycznymi EDLC jest ich wyższa wartość pojemności właściwej, a także wyższe napięcie znamionowe i odpowiednio wyższa energia właściwa.

Elektrody kompozytowe

Elektrody kompozytowe do superkondensatorów typu hybrydowego są zbudowane z materiału węglowego z wbudowanymi lub osadzonymi pseudopojemnościowymi materiałami aktywnymi, takimi jak tlenki metali i polimery przewodzące. Od 2013 r. większość badań nad superkondensatorami dotyczy elektrod kompozytowych.

Nanorurki węglowe stanowią podstawę jednorodnej dystrybucji tlenku metalu lub polimerów przewodzących prąd elektryczny (ECP), wytwarzając dobrą pseudopojemność i dobrą pojemność dwuwarstwową. Elektrody te osiągają wyższe pojemności niż elektrody z czystego węgla, tlenku metalu lub polimerów. Wynika to z dostępności splątanej struktury maty nanorurek, która umożliwia równomierne powlekanie materiałów pseudopojemnościowych i trójwymiarowy rozkład ładunku. Proces zakotwiczania materiałów pseudopojemnościowych zwykle wykorzystuje proces hydrotermalny. Jednak niedawny badacz, Li i in. z University of Delaware, znaleźli łatwe i skalowalne podejście do wytrącania MnO2 na warstwie SWNT w celu wytworzenia superkondensatora na bazie elektrolitu organicznego.

Innym sposobem ulepszenia elektrod CNT jest domieszkowanie pseudopojemnościowym domieszką, jak w kondensatorach litowo-jonowych . W tym przypadku stosunkowo małe atomy litu interkalują między warstwami węgla. Anoda wykonana jest z węgla domieszkowanego litem, co umożliwia obniżenie potencjału ujemnego przy katodzie wykonanej z węgla aktywnego. Powoduje to większe napięcie 3,8-4 V, które zapobiega utlenianiu elektrolitu. Od 2007 roku osiągnęli pojemność 550 F/g. i osiągnąć energię właściwą do 14 Wh/kg (50,4 kJ/kg ).

Elektrody bateryjne

Elektrody akumulatorowe wpłynęły na rozwój elektrod do nowych hybrydowych elektrod superkondensatorowych, jak i do kondensatorów litowo-jonowych . W połączeniu z węglową elektrodą EDLC w asymetrycznej konstrukcji oferuje tę konfigurację wyższą energię właściwą niż typowe superkondensatory o wyższej mocy właściwej, dłuższym cyklu życia oraz krótszym czasie ładowania i ładowania niż akumulatory.

Elektrody asymetryczne (pseudo/EDLC)

Ostatnio opracowano kilka asymetrycznych superkondensatorów hybrydowych, w których elektroda dodatnia była oparta na rzeczywistej pseudopojemnościowej elektrodzie z tlenku metalu (nie na elektrodzie kompozytowej), a elektroda ujemna na elektrodzie z węglem aktywnym EDLC.

Zaletą tego typu superkondensatorów jest ich wyższe napięcie i odpowiednio wyższa energia właściwa (do 10-20 Wh/kg (36-72 kJ/kg)).

Jak wiadomo, na rynku nie ma dostępnych na rynku superkondensatorów z tego rodzaju elektrodami asymetrycznymi.

Elektrolity

Elektrolity składają się z rozpuszczalnika i rozpuszczonych substancji chemicznych, które dysocjują na kationy dodatnie i aniony ujemne , dzięki czemu elektrolit jest przewodzący prąd elektryczny. Im więcej jonów zawiera elektrolit, tym lepsze jego przewodnictwo . W superkondensatorach elektrolity są elektrycznie przewodzącym połączeniem między dwiema elektrodami. Dodatkowo w superkondensatorach elektrolit dostarcza cząsteczki do rozdzielającej monowarstwy w podwójnej warstwie Helmholtza i dostarcza jony dla pseudopojemności.

Elektrolit określa charakterystykę kondensatora: jego napięcie robocze, zakres temperatur, ESR i pojemność. Przy tej samej elektrodzie z węglem aktywnym elektrolit wodny osiąga wartości pojemności 160 F/g, podczas gdy elektrolit organiczny osiąga tylko 100 F/g.

Elektrolit musi być chemicznie obojętny i nie atakować chemicznie innych materiałów w kondensatorze, aby zapewnić długotrwałą stabilność parametrów elektrycznych kondensatora. Lepkość elektrolitu musi być wystarczająco niska, aby zwilżyć porowatą, gąbczastą strukturę elektrod. Idealny elektrolit nie istnieje, co wymusza kompromis między wydajnością a innymi wymaganiami.

Wodny

Woda jest stosunkowo dobrym rozpuszczalnikiem dla chemikaliów nieorganicznych . Traktowane kwasami, takimi jak kwas siarkowy ( H
2
WIĘC
4
), zasady, takie jak wodorotlenek potasu (KOH) lub sole, takie jak czwartorzędowe sole fosfoniowe , nadchloran sodu ( NaClO
4
), nadchloran litu ( LiClO
4
) lub arsenian sześciofluorku litu ( LiAsF
6
), woda ma stosunkowo wysokie wartości przewodnictwa wynoszące około 100 do 1000 mS /cm. Elektrolity wodne mają napięcie dysocjacji 1,15 V na elektrodę (napięcie kondensatora 2,3 V) i stosunkowo niski zakres temperatur roboczych . Stosowane są w superkondensatorach o małej energii właściwej i dużej mocy właściwej.

Organiczny

Elektrolity z rozpuszczalnikami organicznymi, takimi jak acetonitryl , węglan propylenu , tetrahydrofuran , węglan dietylu , γ-butyrolakton i roztwory z czwartorzędowymi solami amoniowymi lub solami alkiloamoniowymi, takimi jak tetrafluoroboran tetraetyloamoniowy ( N(Et)
4
BF
4
) lub tetrafluoroboran trietylu (metylu) ( NMe(Et)
3
BF
4
) są droższe niż elektrolity wodne, ale mają wyższe napięcie dysocjacji, zwykle 1,35 V na elektrodę (napięcie kondensatora 2,7 V) i wyższy zakres temperatur. Niższa przewodność elektryczna rozpuszczalników organicznych (10 do 60 mS/cm) prowadzi do niższej mocy właściwej, ale ponieważ energia właściwa wzrasta wraz z kwadratem napięcia, wyższa energia właściwa.

joński

Elektrolity jonowe składają się z ciekłych soli, które mogą być stabilne w szerszym oknie elektrochemicznym , umożliwiając napięcie kondensatora powyżej 3,5 V. Elektrolity jonowe zazwyczaj mają przewodność jonową o kilka mS/cm, niższą niż elektrolity wodne lub organiczne.

Separatory

Separatory muszą fizycznie oddzielić dwie elektrody, aby zapobiec zwarciu przy bezpośrednim kontakcie. Może być bardzo cienki (kilka setnych części milimetra) i musi być bardzo porowaty dla jonów przewodzących, aby zminimalizować ESR. Ponadto separatory muszą być chemicznie obojętne, aby chronić stabilność i przewodność elektrolitu. Niedrogie komponenty wykorzystują otwarte papiery kondensatorów. Bardziej wyrafinowane projekty wykorzystują włókninowe porowate folie polimerowe, takie jak poliakrylonitryl lub Kapton , tkane włókna szklane lub porowate tkane włókna ceramiczne.

Kolektory i obudowy

Kolektory prądu łączą elektrody z zaciskami kondensatora. Kolektor jest natryskiwany na elektrodę lub jest metalową folią. Muszą być w stanie rozprowadzać prądy szczytowe do 100 A.

Jeśli obudowa jest wykonana z metalu (zwykle aluminiowego), kolektory powinny być wykonane z tego samego materiału, aby uniknąć tworzenia korozyjnego ogniwa galwanicznego .

Parametry elektryczne

Pojemność

Schematyczna ilustracja zachowania pojemności wynikającego z porowatej struktury elektrod
Równoważny obwód z kaskadowymi elementami RC
Częstotliwość zależna od wartości pojemności superkondensatora 50 F

Wartości pojemności dla kondensatorów komercyjnych są określone jako „pojemność znamionowa CR ”. Jest to wartość, dla której zaprojektowano kondensator. Wartość rzeczywistego składnika musi mieścić się w granicach określonych przez określoną tolerancję. Typowe wartości mieszczą się w zakresie faradów (F), trzy do sześciu rzędów wielkości większych niż w przypadku kondensatorów elektrolitycznych.

Wyniki Wartość pojemności z energię (wyrażoną w Joule ) załadowanego kondensator ładowany przez stałego napięcia V prądu stałego .

Ta wartość jest również nazywana „pojemnością DC”.

Pomiar

Konwencjonalne kondensatory są zwykle mierzone małym napięciem przemiennym (0,5 V) i częstotliwością 100 Hz lub 1 kHz w zależności od typu kondensatora. Pomiar pojemności AC zapewnia szybkie wyniki, ważne dla przemysłowych linii produkcyjnych. Wartość pojemności superkondensatora silnie zależy od częstotliwości pomiaru, co związane jest z porowatą strukturą elektrody i ograniczoną ruchliwością jonów elektrolitu. Nawet przy niskiej częstotliwości 10 Hz zmierzona wartość pojemności spada od 100 do 20 procent wartości pojemności DC.

Tę niezwykle silną zależność od częstotliwości można wytłumaczyć różnymi odległościami, jakie muszą pokonać jony w porach elektrody. Jony mają łatwy dostęp do obszaru na początku porów. Krótkiej odległości towarzyszy niski opór elektryczny. Im większą odległość muszą pokonać jony, tym wyższy opór. Zjawisko to można opisać szeregowym obwodem kaskadowych elementów RC (rezystor/kondensator) z szeregowymi stałymi czasowymi RC . Powoduje to opóźniony przepływ prądu, zmniejszając całkowitą powierzchnię elektrody, która może być pokryta jonami w przypadku zmiany polaryzacji – pojemność maleje wraz ze wzrostem częstotliwości prądu przemiennego. Tak więc całkowitą pojemność uzyskuje się dopiero po dłuższym czasie pomiaru.

Ilustracja warunków pomiarowych do pomiaru pojemności superkondensatorów

Ze względu na bardzo silną zależność pojemności od częstotliwości ten parametr elektryczny musi być mierzony specjalnym pomiarem prądu stałego ładowania i rozładowania, określonym w normach IEC 62391-1 i -2.

Pomiar rozpoczyna się od naładowania kondensatora. Należy przyłożyć napięcie i po osiągnięciu przez zasilacz stałoprądowy/stałonapięciowy napięcia znamionowego należy ładować kondensator przez 30 minut. Następnie kondensator należy rozładować stałym prądem rozładowania I rozładowania . Następnie czas T 1 i T 2 , na którym napięcie spada od 80% (V 1 ) do 40% (v 2 ) napięcia znamionowego jest mierzone. Wartość pojemności oblicza się jako:

Wartość prądu rozładowania jest określona przez aplikację. Norma IEC definiuje cztery klasy:

  1. Podtrzymanie pamięci, prąd rozładowania w mA = 1 • C (F)
  2. Magazynowanie energii, prąd rozładowania w mA = 0,4 • C (F) • V (V)
  3. Moc, prąd rozładowania w mA = 4 • C (F) • V (V)
  4. Moc chwilowa, prąd rozładowania w mA = 40 • C (F) • V (V)

Metody pomiarowe stosowane przez poszczególnych producentów są w większości porównywalne z metodami znormalizowanymi.

Wystandaryzowana metoda pomiaru jest zbyt czasochłonna, aby producenci mogli ją stosować podczas produkcji każdego pojedynczego komponentu. W przypadku kondensatorów produkowanych na skalę przemysłową wartość pojemności jest mierzona szybszym napięciem AC o niskiej częstotliwości, a do obliczenia pojemności znamionowej wykorzystywany jest współczynnik korelacji.

Ta zależność częstotliwości wpływa na działanie kondensatora. Szybkie cykle ładowania i rozładowania oznaczają, że ani znamionowa wartość pojemności ani energia właściwa nie są dostępne. W takim przypadku znamionowa wartość pojemności jest przeliczana dla każdego warunku aplikacji.

Napięcie robocze

Superkondensator 5,5 V jest zbudowany z dwóch pojedynczych ogniw, każde o napięciu co najmniej 2,75 V, połączonych szeregowo
Ultrakondensator Skelcap 2,4 V

Superkondensatory to elementy niskonapięciowe. Bezpieczna praca wymaga, aby napięcie pozostawało w określonych granicach. Napięcie znamionowe UR jest maksymalnym napięciem stałym lub szczytowym napięciem impulsowym, które może być przyłożone w sposób ciągły i pozostawać w określonym zakresie temperatur. Kondensatory nigdy nie powinny być poddawane napięciu stale przekraczającemu napięcie znamionowe.

Napięcie znamionowe zawiera margines bezpieczeństwa w stosunku do napięcia przebicia elektrolitu, przy którym elektrolit ulega rozkładowi . Napięcie przebicia rozkłada rozdzielające cząsteczki rozpuszczalnika w podwójnej warstwie Helmholtza, np. woda dzieli się na wodór i tlen . Cząsteczki rozpuszczalnika nie mogą wówczas oddzielić od siebie ładunków elektrycznych. Napięcia wyższe niż napięcie znamionowe powodują tworzenie się wodoru lub zwarcie.

Standardowe superkondensatory z wodnym elektrolitem mają zwykle napięcie znamionowe od 2,1 do 2,3 V, a kondensatory z rozpuszczalnikami organicznymi od 2,5 do 2,7 V. Kondensatory litowo-jonowe z elektrodami domieszkowanymi mogą osiągać napięcie znamionowe od 3,8 do 4 V, ale mają niski granica napięcia około 2,2 V. Superkondensatory z elektrolitami jonowymi mogą przekraczać napięcie robocze 3,5 V.

Praca superkondensatorów poniżej napięcia znamionowego poprawia długotrwałe zachowanie parametrów elektrycznych. Wartości pojemności i rezystancji wewnętrznej podczas cykli są bardziej stabilne, a żywotność i cykle ładowania/rozładowania mogą zostać wydłużone.

Wyższe napięcia aplikacyjne wymagają szeregowego łączenia ogniw. Ponieważ każdy element ma niewielką różnicę w wartości pojemności i ESR, konieczne jest ich aktywne lub pasywne zrównoważenie, aby ustabilizować przyłożone napięcie. Równoważenie pasywne wykorzystuje rezystory równolegle z superkondensatorami. Aktywne równoważenie może obejmować elektroniczne zarządzanie napięciem powyżej progu, który zmienia prąd.

Wewnętrzny opór

Rezystancję wewnętrzną prądu stałego można obliczyć ze spadku napięcia uzyskanego z przecięcia linii pomocniczej przedłużonej z odcinka prostego i podstawy czasu w momencie rozpoczęcia rozładowania

Ładowanie/rozładowywanie superkondensatora jest związane z ruchem nośników ładunku (jonów) w elektrolicie przez separator do elektrod i w ich porowatą strukturę. Podczas tego ruchu występują straty, które można zmierzyć jako wewnętrzną rezystancję prądu stałego.

W modelu elektrycznym kaskadowych, połączonych szeregowo elementów RC (rezystor/kondensator) w porach elektrody, rezystancja wewnętrzna wzrasta wraz ze wzrostem głębokości wnikania nośników ładunku w pory. Wewnętrzna rezystancja prądu stałego jest zależna od czasu i wzrasta podczas ładowania/rozładowania. W zastosowaniach często interesujący jest tylko zakres włączania i wyłączania. Rezystancję wewnętrzną R i można obliczyć ze spadku napięcia ΔV 2 w momencie rozładowania, zaczynając od stałego prądu rozładowania I rozładowania . Uzyskuje się go z przecięcia linii pomocniczej przedłużonej z odcinka prostego i podstawy czasu w momencie rozpoczęcia wyładowania (patrz rysunek po prawej). Opór można obliczyć za pomocą:

Prąd rozładowania I rozładowany do pomiaru rezystancji wewnętrznej można pobrać z klasyfikacji zgodnie z IEC 62391-1.

Ta wewnętrzna rezystancja DC R i nie powinna być mylona z wewnętrzną rezystancją AC zwaną równoważną rezystancją szeregową (ESR) zwykle określaną dla kondensatorów. Jest mierzony przy 1 kHz. ESR jest znacznie mniejszy niż rezystancja DC. ESR nie ma znaczenia przy obliczaniu prądów rozruchowych nadprzewodników lub innych prądów szczytowych.

R i określa kilka właściwości superkondensatorów. Ogranicza szczytowe prądy ładowania i rozładowania, a także czasy ładowania/rozładowania. R i i pojemność C dają stałą czasową

Ta stała czasowa określa czas ładowania/rozładowania. Na przykład kondensator 100 F o rezystancji wewnętrznej 30 mΩ ma stałą czasową 0,03 • 100 = 3 s. Po 3 sekundach ładowania prądem ograniczonym tylko rezystancją wewnętrzną kondensator ma 63,2% pełnego naładowania (lub jest rozładowany do 36,8% pełnego naładowania).

Standardowe kondensatory o stałej rezystancji wewnętrznej w pełni ładują się w czasie około 5 τ. Ponieważ rezystancja wewnętrzna wzrasta wraz z ładowaniem/rozładowaniem, rzeczywistych czasów nie można obliczyć za pomocą tego wzoru. Tak więc czas ładowania/rozładowania zależy od konkretnych indywidualnych szczegółów konstrukcyjnych.

Aktualne obciążenie i stabilność cyklu

Ponieważ superkondensatory działają bez tworzenia wiązań chemicznych, obciążenia prądowe, w tym prądy ładowania, rozładowania i szczytowe, nie są ograniczone ograniczeniami reakcji. Aktualne obciążenie i stabilność cyklu mogą być znacznie wyższe niż w przypadku akumulatorów. Obciążenia prądowe ograniczone są jedynie rezystancją wewnętrzną, która może być znacznie niższa niż w przypadku akumulatorów.

Rezystancja wewnętrzna „R i ” oraz prądy ładowania/rozładowania lub prądy szczytowe „I” generują wewnętrzne straty ciepła „P loss ” zgodnie z:

Ciepło to musi być uwalniane i rozprowadzane do otoczenia w celu utrzymania temperatur roboczych poniżej określonej temperatury maksymalnej.

Ciepło ogólnie określa żywotność kondensatora z powodu dyfuzji elektrolitu. Generowanie ciepła z obciążeń prądowych powinno być mniejsze niż 5 do 10  K przy maksymalnej temperaturze otoczenia (co ma tylko niewielki wpływ na oczekiwaną żywotność). Z tego powodu określone prądy ładowania i rozładowania dla częstych cykli są określane przez rezystancję wewnętrzną.

Określone parametry cyklu w warunkach maksymalnych obejmują prąd ładowania i rozładowania, czas trwania impulsu i częstotliwość. Są one określone dla określonego zakresu temperatur i pełnego zakresu napięcia przez określoną żywotność. Mogą się one znacznie różnić w zależności od kombinacji porowatości elektrody, wielkości porów i elektrolitu. Ogólnie rzecz biorąc, mniejsze obciążenie prądowe zwiększa żywotność kondensatorów i zwiększa liczbę cykli. Można to osiągnąć przez niższy zakres napięcia lub wolniejsze ładowanie i rozładowywanie.

Superkondensatory (z wyjątkiem tych z elektrodami polimerowymi) mogą potencjalnie obsługiwać ponad milion cykli ładowania/rozładowania bez znacznych spadków pojemności lub wzrostu rezystancji wewnętrznej. Pod wyższym obciążeniem prądowym jest to druga wielka zaleta superkondensatorów nad akumulatorami. Stabilność wynika z dwojakiej zasady przechowywania elektrostatycznego i elektrochemicznego.

Podane prądy ładowania i rozładowania można znacznie przekroczyć poprzez obniżenie częstotliwości lub pojedyncze impulsy. Ciepło generowane przez pojedynczy impuls może być rozłożone w czasie aż do pojawienia się następnego impulsu, aby zapewnić stosunkowo niewielki średni wzrost ciepła. Taki „szczytowy prąd mocy” w zastosowaniach energetycznych dla superkondensatorów powyżej 1000 F może zapewnić maksymalny prąd szczytowy około 1000 A. Takie wysokie prądy generują duże naprężenia termiczne i duże siły elektromagnetyczne, które mogą uszkodzić połączenie elektroda-kolektor, wymagające solidnej konstrukcji i budowa kondensatorów.

Zależność pojemności i rezystancji urządzenia od napięcia roboczego i temperatury

Mierzona pojemność urządzenia w napięciu roboczym EDLC

Parametry urządzenia, takie jak pojemność początkowa rezystancja i rezystancja w stanie ustalonym, nie są stałe, ale zmienne i zależne od napięcia roboczego urządzenia. Pojemność urządzenia będzie miała mierzalny wzrost wraz ze wzrostem napięcia roboczego. Na przykład: urządzenie 100F różni się o 26% od maksymalnej pojemności w całym zakresie napięcia roboczego. Podobna zależność od napięcia roboczego występuje w rezystancji stanu ustalonego (R ss ) i rezystancji początkowej (R i ).

Można również zauważyć, że właściwości urządzenia zależą od temperatury urządzenia. Ponieważ temperatura urządzenia zmienia się w wyniku działania zmiennej temperatury otoczenia, zmieniają się również właściwości wewnętrzne, takie jak pojemność i rezystancja. Obserwowano, że pojemność urządzenia wzrasta wraz ze wzrostem temperatury roboczej.

Pojemność energetyczna

Wykres Ragone'a przedstawiający moc właściwą vs. energię właściwą różnych kondensatorów i baterii

Superkondensatory zajmują lukę między dużej mocy / niskoenergetycznych kondensatorów elektrolitycznych i niska moc / wysokoenergetycznych ładowalnych baterii . Energia W max (wyrażona w dżulach ), jaka może być zmagazynowana w kondensatorze, wyrażona jest wzorem

Ten wzór opisuje ilość zmagazynowanej energii i jest często używany do opisywania nowych sukcesów badawczych. Jednak tylko część zmagazynowanej energii jest dostępna dla aplikacji, ponieważ spadek napięcia i stała czasowa na rezystancji wewnętrznej oznaczają, że część zmagazynowanego ładunku jest niedostępna. Efektywna realizowana ilość energii W eff jest pomniejszona o zastosowaną różnicę napięć pomiędzy Vmax i Vmin i może być przedstawiona jako:

Ten wzór reprezentuje również asymetryczne komponenty napięcia energii, takie jak kondensatory litowo-jonowe.

Energia właściwa i moc właściwa

Ilość energii, która może być zmagazynowana w kondensatorze na masę tego kondensatora, nazywana jest jego energią właściwą . Energia właściwa jest mierzona grawimetrycznie (na jednostkę masy ) w watogodzinach na kilogram (Wh/kg).

Ilość energii, którą można przechowywać w kondensatorze na objętość tego kondensatora, nazywa się jego gęstością energii (w niektórych literaturze nazywaną również wolumetryczną energią właściwą). Gęstość energii jest mierzona objętościowo (na jednostkę objętości) w watogodzinach na litr (Wh/l). Jednostki litry i dm 3 mogą być używane zamiennie.

Od 2013 r. komercyjna gęstość energii jest bardzo zróżnicowana, ale generalnie waha się od około 5 do 8 Wh/l . Dla porównania paliwo benzynowe ma gęstość energetyczną 32,4 MJ/l lub9000 Wh/l . Komercyjne specyficzne energie wahają się od około 0,5 do15 Wh/kg . Dla porównania aluminiowy kondensator elektrolityczny przechowuje zwykle 0,01 do0,3 Wh/kg , podczas gdy konwencjonalny akumulator kwasowo-ołowiowy przechowuje zwykle 30 do40 Wh/kg i nowoczesne akumulatory litowo-jonowe 100 do265 Wh/kg . Superkondensatory mogą zatem zmagazynować 10 do 100 razy więcej energii niż kondensatory elektrolityczne, ale tylko jedną dziesiątą więcej niż baterie. Dla porównania, paliwo benzynowe ma energię właściwą 44,4 MJ/kg lub12 300  Wh/kg .

Chociaż energia właściwa superkondensatorów jest niekorzystnie porównywana z bateriami, kondensatory mają istotną zaletę mocy właściwej . Moc właściwa opisuje prędkość, z jaką energia może być dostarczona do obciążenia (lub, podczas ładowania urządzenia, pochłonięta z generatora). Moc maksymalna P max określa moc teoretycznego prostokątnego pojedynczego maksymalnego szczytu prądu o danym napięciu. W rzeczywistych obwodach szczyt prądu nie jest prostokątny, a napięcie jest mniejsze, spowodowane spadkiem napięcia, więc norma IEC 62391-2 ustanowiła bardziej realistyczną moc efektywną P eff dla superkondensatorów do zastosowań energetycznych, która jest o połowę mniejsza od wartości maksymalnej i jest podana w następujący sposób formuły :

,

gdzie V = przyłożone napięcie i R i , wewnętrzna rezystancja kondensatora na prąd stały.

Podobnie jak energia właściwa, moc właściwa jest mierzona grawimetrycznie w kilowatach na kilogram (kW/kg, moc właściwa) lub objętościowo w kilowatach na litr (kW/l, gęstość mocy). Moc właściwa superkondensatora jest zwykle 10 do 100 razy większa niż w przypadku akumulatorów i może osiągać wartości do 15 kW/kg.

Wykresy Ragone wiążą energię z mocą i są cennym narzędziem do charakteryzowania i wizualizacji elementów magazynujących energię. Dzięki takiemu wykresowi można łatwo porównać położenie mocy właściwej i energii właściwej różnych technologii magazynowania, patrz diagram.

Dożywotni

Żywotność superkondensatorów zależy głównie od temperatury kondensatora i przyłożonego napięcia

Ponieważ superkondensatory nie polegają na zmianach chemicznych w elektrodach (z wyjątkiem tych z elektrodami polimerowymi), czas życia zależy głównie od szybkości parowania ciekłego elektrolitu. To parowanie jest generalnie funkcją temperatury, obciążenia prądowego, częstotliwości cyklu prądu i napięcia. Aktualne obciążenie i częstotliwość cyklu generują ciepło wewnętrzne, tak że temperatura decydująca o parowaniu jest sumą ciepła otoczenia i ciepła wewnętrznego. Temperaturę tę można zmierzyć jako temperaturę rdzenia w środku korpusu kondensatora. Im wyższa temperatura rdzenia, tym szybsze parowanie i krótsza żywotność.

Parowanie generalnie powoduje zmniejszenie pojemności i zwiększenie rezystancji wewnętrznej. Zgodnie z normą IEC/EN 62391-2, redukcje pojemności o ponad 30% lub rezystancja wewnętrzna przekraczająca czterokrotnie specyfikacje podane w arkuszu danych są uważane za „awarie związane ze zużyciem”, co oznacza, że ​​komponent osiągnął koniec okresu eksploatacji. Kondensatory są sprawne, ale mają ograniczone możliwości. To, czy aberracja parametrów ma jakikolwiek wpływ na prawidłowe działanie, czy też nie, zależy od zastosowania kondensatorów.

Tak duże zmiany parametrów elektrycznych określone w normie IEC/EN 62391-2 są zwykle niedopuszczalne w zastosowaniach o dużym obciążeniu prądowym. Komponenty obsługujące obciążenia wysokoprądowe wykorzystują znacznie mniejsze limity, np. 20% stratę pojemności lub podwojoną rezystancję wewnętrzną. Dla takich zastosowań istotna jest węższa definicja, ponieważ ciepło wzrasta liniowo wraz ze wzrostem rezystancji wewnętrznej i nie należy przekraczać maksymalnej temperatury. Temperatury wyższe niż określone mogą zniszczyć kondensator.

Rzeczywista żywotność superkondensatorów, zwana również „ żywotnością ”, „długością życia” lub „ okresem obciążenia”, może osiągnąć 10 do 15 lat lub więcej w temperaturze pokojowej. Tak długie okresy nie mogą być testowane przez producentów. Stąd określają oczekiwany czas życia kondensatorów w warunkach maksymalnej temperatury i napięcia. Wyniki są określone w arkuszach danych przy użyciu zapisu „testowany czas (godziny)/maksymalna temperatura (°C)”, np. „5000 h/65°C”. Dzięki tej wartości i wyrażeniom pochodzącym z danych historycznych można oszacować czas życia w warunkach niższych temperatur.

Specyfikacja żywotności arkusza danych jest testowana przez producentów przy użyciu testu przyspieszonego starzenia zwanego „testem wytrzymałości” z maksymalną temperaturą i napięciem w określonym czasie. W przypadku polityki produktu „zero defektów” podczas tego testu nie może wystąpić zużycie ani całkowita awaria.

Specyfikację żywotności z arkuszy danych można wykorzystać do oszacowania oczekiwanej żywotności dla danego projektu. W tych szacunkach stosowana jest „reguła 10 stopni” stosowana dla kondensatorów elektrolitycznych z niestałym elektrolitem i może być stosowana dla superkondensatorów. Zasada ta wykorzystuje równanie Arrheniusa , prosty wzór na zależność szybkości reakcji od temperatury. Na każde obniżenie temperatury roboczej o 10 °C szacowana żywotność podwaja się.

Z

  • L x = szacowana żywotność
  • L 0 = określona żywotność
  • T 0 = górna określona temperatura kondensatora
  • T x = rzeczywista temperatura pracy ogniwa kondensatora

Obliczone za pomocą tego wzoru, kondensatory określone na 5000 hw 65 °C mają szacowaną żywotność 20 000 hw 45 °C.

Żywotność zależy również od napięcia roboczego, ponieważ rozwój gazu w ciekłym elektrolicie zależy od napięcia. Im niższe napięcie, tym mniejszy rozwój gazu i dłuższa żywotność. Żaden ogólny wzór nie odnosi napięcia do żywotności. Przedstawione na rysunku krzywe zależne od napięcia są wynikiem empirycznym od jednego producenta.

Oczekiwana żywotność aplikacji zasilających może być również ograniczona przez bieżące obciążenie lub liczbę cykli. To ograniczenie musi być określone przez odpowiedniego producenta i jest silnie zależne od typu.

Samorozładowanie

Magazynowanie energii elektrycznej w warstwie podwójnej rozdziela nośniki ładunku w porach na odległości w zakresie cząsteczek. Na tej niewielkiej odległości mogą wystąpić nieregularności, prowadzące do niewielkiej wymiany nośników ładunku i stopniowego rozładowania. To samorozładowanie nazywa się prądem upływowym . Wyciek zależy od pojemności, napięcia, temperatury i stabilności chemicznej kombinacji elektroda/elektrolit. W temperaturze pokojowej przeciek jest tak niski, że określa się go jako czas do samorozładowania. Czas samorozładowania superkondensatora podawany jest w godzinach, dniach lub tygodniach. Jako przykład, „Goldcapacitor” firmy Panasonic o napięciu 5,5 V/F określa spadek napięcia w temperaturze 20°C z 5,5 V do 3 V w ciągu 600 godzin (25 dni lub 3,6 tygodnia) dla kondensatora dwuogniwowego.

Relaksacja napięcia po ładowaniu

Wykres przedstawiający napięcie w czasie po zastosowaniu ładunku

Zauważono, że gdy EDLC doświadczy ładowania lub rozładowania, napięcie będzie z czasem dryfować, zmniejszając się do poprzedniego poziomu napięcia. Obserwowana relaksacja może wystąpić przez kilka godzin i jest prawdopodobnie spowodowana długimi stałymi czasowymi dyfuzji porowatych elektrod w EDLC.

Biegunowość

Ujemny pasek na tulei izolacyjnej wskazuje zacisk katody kondensatora

Ponieważ elektrody dodatnia i ujemna (lub po prostu odpowiednio positroda i negatroda) symetrycznych superkondensatorów składają się z tego samego materiału, teoretycznie superkondensatory nie mają prawdziwej polaryzacji, a katastrofalne uszkodzenia zwykle nie występują. Jednak odwrotne ładowanie superkondensatora obniża jego pojemność, dlatego zaleca się zachowanie polaryzacji wynikającej z formowania się elektrod podczas produkcji. Superkondensatory asymetryczne są z natury polarne.

Superkondensatory pseudokondensatorowe i hybrydowe, które mają właściwości ładunku elektrochemicznego, nie mogą być eksploatowane z odwrotną polaryzacją, co wyklucza ich zastosowanie w pracy AC. To ograniczenie nie dotyczy jednak superkondensatorów EDLC

Pręt w tulei izolacyjnej oznacza biegun ujemny w spolaryzowanym elemencie.

W niektórych publikacjach terminy „anoda” i „katoda” są używane zamiast elektrody ujemnej i elektrody dodatniej. Używanie anody i katody do opisu elektrod w superkondensatorach (a także bateriach wielokrotnego ładowania, w tym bateriach litowo-jonowych) może prowadzić do nieporozumień, ponieważ polaryzacja zmienia się w zależności od tego, czy element jest uważany za generator, czy za odbiornik prądu. W elektrochemii katoda i anoda są powiązane odpowiednio z reakcjami redukcji i utleniania. Jednak w superkondensatorach opartych na elektrycznej pojemności dwuwarstwowej nie ma reakcji utleniania ani redukcji na żadnej z dwóch elektrod. Dlatego pojęcia katody i anody nie mają zastosowania.

Porównanie wybranych superkondensatorów komercyjnych

Asortyment dostępnych elektrod i elektrolitów zapewnia różnorodne komponenty odpowiednie do różnych zastosowań. Rozwój niskoomowych układów elektrolitowych, w połączeniu z elektrodami o wysokiej pseudopojemności, umożliwia wiele innych rozwiązań technicznych.

Poniższa tabela pokazuje różnice pomiędzy kondensatorami różnych producentów w zakresie pojemności, napięcia ogniwa, rezystancji wewnętrznej (wartość ESR, DC lub AC) oraz energii właściwej wolumetrycznej i grawimetrycznej.

W tabeli ESR odnosi się do komponentu o największej wartości pojemności danego producenta. Z grubsza dzielą superkondensatory na dwie grupy. Pierwsza grupa oferuje większe wartości ESR około 20 miliomów i stosunkowo małą pojemność od 0,1 do 470 F. Są to „kondensatory dwuwarstwowe” do tworzenia kopii zapasowych pamięci lub podobnych zastosowań. Druga grupa oferuje od 100 do 10 000 F ze znacznie niższą wartością ESR poniżej 1 milioma. Te komponenty są odpowiednie do zastosowań energetycznych. Korelację niektórych serii superkondensatorów różnych producentów z różnymi cechami konstrukcyjnymi podają Pandolfo i Hollenkamp.

W komercyjnych kondensatorach dwuwarstwowych, a dokładniej kondensatorach EDLC, w których magazynowanie energii odbywa się głównie dzięki pojemności dwuwarstwowej, energia jest magazynowana poprzez utworzenie elektrycznej podwójnej warstwy jonów elektrolitu na powierzchni elektrod przewodzących. Ponieważ EDLC nie są ograniczone przez kinetykę elektrochemicznego przenoszenia ładunku w akumulatorach, mogą one ładować i rozładowywać się ze znacznie większą szybkością, a ich żywotność przekracza 1 milion cykli. Gęstość energii EDLC jest określona przez napięcie robocze, a specyficzna pojemność (Farad / g lub Farad / cm 3 ) układu elektroda / elektrolit. Pojemność właściwa jest związana z powierzchnią właściwą (SSA) dostępną dla elektrolitu, jego pojemnością międzyfazową dwuwarstwową i gęstością materiału elektrody.

Komercyjne elektrody EDLC oparte są na dwóch symetrycznych elektrodach impregnowanych elektrolitami zawierającymi sole tetrafluoroboranu tetraetyloamoniowego w rozpuszczalnikach organicznych. Obecne EDLC zawierające elektrolity organiczne działają przy napięciu 2,7 V i osiągają gęstość energii około 5-8 Wh/kg i 7 do 10 Wh/l. Pojemność właściwa jest związana z powierzchnią właściwą (SSA) dostępną dla elektrolitu, jego pojemnością międzyfazową dwuwarstwową i gęstością materiału elektrody. Płytki krwi na bazie grafenu z mezoporowatym materiałem przekładkowym to obiecująca struktura zwiększająca SSA elektrolitu.

Normy

Klasyfikacja superkondensatorów na klasy zgodnie z normami IEC 62391-1, IEC 62567 i BS EN 61881-3

Superkondensatory różnią się na tyle, że rzadko są wymienne, zwłaszcza te o wyższej energii właściwej. Zastosowania obejmują zakres od niskich do wysokich prądów szczytowych, wymagających standardowych protokołów testowych.

Specyfikacje testowe i wymagania dotyczące parametrów są określone w specyfikacji ogólnej

  • IEC / EN 62391-1, Kondensatory elektryczne dwuwarstwowe stałe do stosowania w sprzęcie elektronicznym .

Norma definiuje cztery klasy aplikacji, zgodnie z poziomami prądu rozładowania:

  1. Kopia zapasowa pamięci
  2. Magazyny energii wykorzystywane głównie do napędu silników wymagają krótkiego czasu pracy,
  3. Moc, większe zapotrzebowanie na moc dla długiej pracy,
  4. Moc chwilowa, do zastosowań wymagających stosunkowo wysokich prądów lub prądów szczytowych dochodzących do kilkuset amperów nawet przy krótkim czasie pracy

Trzy kolejne normy opisują zastosowania specjalne:

  • IEC 62391-2, Stałe elektryczne kondensatory dwuwarstwowe do stosowania w sprzęcie elektronicznym - Pusta specyfikacja szczegółowa - Elektryczne kondensatory dwuwarstwowe do zastosowań energetycznych
  • IEC 62576, Elektryczne kondensatory dwuwarstwowe do użytku w hybrydowych pojazdach elektrycznych. Metody badań charakterystyk elektrycznych
  • BS/EN 61881-3, Zastosowania kolejowe. Wyposażenie taboru. Kondensatory do energoelektroniki. Elektryczne kondensatory dwuwarstwowe

Aplikacje

Superkondensatory nie obsługują aplikacji prądu przemiennego (AC).

Superkondensatory mają zalety w zastosowaniach, w których potrzebna jest duża moc przez stosunkowo krótki czas, gdzie wymagana jest bardzo duża liczba cykli ładowania/rozładowania lub dłuższa żywotność. Typowe zastosowania obejmują prądy miliamperowe lub miliwaty mocy przez kilka minut do kilku amperów lub kilkuset kilowatów mocy przez znacznie krótsze okresy.

Czas, w którym superkondensator może dostarczyć stały prąd I, można obliczyć jako:

gdy napięcie kondensatora spada od ładowania U do U min .

Jeśli aplikacja potrzebuje stałej mocy P przez pewien czas t, można to obliczyć jako:

przy czym również napięcie kondensatora spada od ładowania U do U min .

Ogólny

Elektroniki użytkowej

W zastosowaniach ze zmiennymi obciążeniami, takich jak laptopy , urządzenia PDA , GPS , przenośne odtwarzacze multimedialne , urządzenia ręczne i systemy fotowoltaiczne , superkondensatory mogą stabilizować zasilanie.

Superkondensatory zasilają błyski fotograficzne w aparatach cyfrowych oraz latarki LED, które można ładować w znacznie krótszych okresach czasu, np. 90 sekund.

Niektóre przenośne głośniki są zasilane superkondensatorami.

Narzędzia

Akumulatorowa wkrętarka elektryczna z superkondensatorami do magazynowania energii ma około połowę czasu pracy porównywalnego modelu akumulatora, ale można ją w pełni naładować w 90 sekund. Zachowuje 85% swojego ładunku po trzech miesiącach bezczynności.

Bufor mocy sieci

Liczne obciążenia nieliniowe, takie jak ładowarki EV , HEV , systemy klimatyzacyjne i zaawansowane systemy konwersji energii, powodują wahania prądu i harmoniczne. Te różnice prądowe powodują niepożądane wahania napięcia, a tym samym oscylacje mocy w sieci. Oscylacje mocy nie tylko zmniejszają sprawność sieci, ale mogą powodować spadki napięcia na wspólnej szynie sprzęgającej i znaczne wahania częstotliwości w całym systemie. Aby rozwiązać ten problem, superkondensatory można wdrożyć jako interfejs między obciążeniem a siecią, działając jako bufor między siecią a wysoką mocą impulsową pobieraną ze stacji ładującej.

Bufor mocy sprzętu o małej mocy

Superkondensatory zapewniają zasilanie awaryjne lub awaryjne wyłączanie urządzeń o niskim poborze mocy, takich jak pamięć RAM , SRAM , mikrokontrolery i karty PC . Są jedynym źródłem zasilania w zastosowaniach o niskim zużyciu energii, takich jak automatyczny odczyt liczników (AMR) lub powiadamianie o zdarzeniach w elektronice przemysłowej.

Superkondensatory buforują energię do iz akumulatorów , łagodząc skutki krótkich przerw w zasilaniu i wysokich szczytów prądu. Baterie uruchamiają się tylko podczas dłuższych przerw, np. w przypadku awarii zasilania sieciowego lub ogniwa paliwowego , co wydłuża żywotność baterii.

Zasilacze bezprzerwowe (UPS) mogą być zasilane z superkondensatorów, które mogą zastąpić znacznie większe baterie kondensatorów elektrolitycznych. Ta kombinacja zmniejsza koszt na cykl, oszczędza koszty wymiany i konserwacji, umożliwia zmniejszenie rozmiaru baterii i wydłuża żywotność baterii.

Wirnik z układem skoku turbiny wiatrowej

Superkondensatory zapewniają zasilanie awaryjne siłownikom w systemach nachylenia turbin wiatrowych , dzięki czemu można regulować nachylenie łopat nawet w przypadku awarii głównego zasilania.

Stabilizator napięcia

Superkondensatory mogą stabilizować wahania napięcia w liniach energetycznych , działając jako tłumiki. Systemy wiatrowe i fotowoltaiczne wykazują wahania zasilania wywołane przez porywy lub chmury, które superkondensatory mogą buforować w ciągu milisekund.

Mikrosiatki

Mikrosieci są zwykle zasilane czystą i odnawialną energią. Jednak większość tej energii nie jest stała w ciągu dnia i zwykle nie odpowiada zapotrzebowaniu. Superkondensatory mogą być wykorzystywane do magazynowania mikrosieci w celu natychmiastowego dostarczania mocy, gdy zapotrzebowanie jest wysokie, a produkcja chwilowo spada, oraz do magazynowania energii w warunkach odwrotnych. Są one przydatne w tym scenariuszu, ponieważ mikrosieci coraz częściej wytwarzają energię w prądzie stałym, a kondensatory można wykorzystywać zarówno w zastosowaniach prądu stałego, jak i przemiennego. Superkondensatory najlepiej działają w połączeniu z bateriami chemicznymi. Zapewniają natychmiastowy bufor napięcia, aby skompensować szybko zmieniające się obciążenia mocy ze względu na ich wysoką szybkość ładowania i rozładowania dzięki aktywnemu systemowi sterowania. Gdy napięcie jest buforowane, przechodzi przez falownik w celu dostarczenia prądu przemiennego do sieci. Należy zauważyć, że superkondensatory nie mogą zapewnić korekcji częstotliwości w tej postaci bezpośrednio w sieci prądu przemiennego.

Zbieranie energii

Superkondensatory są odpowiednimi urządzeniami do tymczasowego magazynowania energii w systemach pozyskiwania energii . W systemach zbierania energii energia jest pobierana z otoczenia lub źródeł odnawialnych, np. ruchu mechanicznego, pola światła lub pola elektromagnetycznego , i przekształcana w energię elektryczną w urządzeniu do magazynowania energii . Na przykład wykazano, że energia pobierana z pól RF ( częstotliwości radiowej ) (przy użyciu anteny RF jako odpowiedniego obwodu prostownika ) może być przechowywana w drukowanym superkondensatorze. Zebrana energia została następnie wykorzystana do zasilania obwodu scalonego specyficznego dla aplikacji ( ASIC ) przez ponad 10 godzin.

Wbudowanie w baterie

UltraBattery jest hybrydą ładowania akumulatorów kwasowo-ołowiowych i kondensator. Konstrukcja ogniwa zawiera standardową elektrodę dodatnią akumulatora kwasowo-ołowiowego, standardowy elektrolit kwasu siarkowego oraz specjalnie przygotowaną ujemną elektrodę węglową, która magazynuje energię elektryczną z pojemnością dwuwarstwową . Obecność elektrody superkondensatora zmienia chemię baterii i zapewnia jej znaczną ochronę przed zasiarczeniem w stanie częściowego naładowania z dużą szybkością, co jest typowym trybem awarii stosowanych w ten sposób ogniw kwasowo-ołowiowych regulowanych zaworami . Powstałe ogniwo działa z charakterystykami wykraczającymi poza ogniwo kwasowo-ołowiowe lub superkondensator, ze zwiększonymi szybkościami ładowania i rozładowania, żywotnością, sprawnością i wydajnością.

Medyczny

Superkondensatory są używane w defibrylatorach, które dostarczają energię 500 dżuli, aby przywrócić rytmowi zatokowemu rytm serca .

Transport

Lotnictwo

W 2005 roku firma Diehl Luftfahrt Elektronik GmbH zajmująca się systemami lotniczymi i sterowaniem wybrała superkondensatory do zasilania siłowników awaryjnych do drzwi i zjeżdżalni ewakuacyjnych stosowanych w samolotach pasażerskich , w tym w Airbusie 380 .

Wojskowy

Niska rezystancja wewnętrzna superkondensatorów wspiera aplikacje, które wymagają krótkotrwałych wysokich prądów. Wśród najwcześniejszych zastosowań były rozruchy silników (rozruchy zimnego silnika, szczególnie w przypadku silników Diesla) w dużych silnikach w czołgach i okrętach podwodnych. Superkondensatory buforują akumulator, obsługując krótkotrwałe szczyty prądu, redukując cykle i wydłużając żywotność akumulatora.

Inne zastosowania wojskowe, które wymagają dużej mocy, to anteny radarowe z układem fazowanym, zasilacze laserowe, wojskowa łączność radiowa, wyświetlacze i oprzyrządowanie awioniki, zasilanie awaryjne do rozmieszczania poduszek powietrznych oraz pociski i pociski kierowane przez GPS.

Automobilowy

Samochód koncepcyjny Toyoty Yaris Hybrid-R wykorzystuje superkondensator, aby zapewnić impulsy mocy. PSA Peugeot Citroën zaczął używać superkondensatorów w ramach swojego systemu oszczędzania paliwa stop-start, który umożliwia szybsze początkowe przyspieszenie. System i-ELOOP Mazdy magazynuje energię w superkondensatorze podczas zwalniania i wykorzystuje ją do zasilania pokładowych systemów elektrycznych, gdy silnik jest zatrzymywany przez system stop-start.

Autobus/tramwaj

Maxwell Technologies , amerykański producent superkondensatorów, twierdził, że ponad 20 000 autobusów hybrydowych wykorzystuje te urządzenia do zwiększenia przyspieszenia, szczególnie w Chinach. Guangzhou, w 2014 r. Chiny zaczęły używać tramwajów zasilanych superkondensatorami, które są ładowane w ciągu 30 sekund przez urządzenie umieszczone między szynami, przechowujące energię potrzebną do jazdy tramwaju na odległość do 4 km — to więcej niż potrzeba, aby dotrzeć do następnego przystanku, na którym rower może powtarzać. CAF oferuje również superkondensatory w swoich tramwajach Urbos 3 w formie systemu ACR .

Odzyskiwanie energii

Podstawowym wyzwaniem całego transportu jest zmniejszenie zużycia energii i zmniejszenie emisji CO
2
emisje. Odzyskiwanie energii hamowania ( rekuperacja lub regeneracja ) pomaga w obu przypadkach. Wymaga to komponentów, które mogą szybko magazynować i uwalniać energię przez długi czas z dużą szybkością cykli. Superkondensatory spełniają te wymagania i dlatego są wykorzystywane w różnych zastosowaniach w transporcie.

Kolej żelazna

Green Cargo obsługuje lokomotywy TRAXX firmy Bombardier Transportation

Superkondensatory mogą być wykorzystane do baterii suplement w układach rozruchowych w wysokoprężnych kolejowych lokomotyw z transmisją spalinowo-elektryczny . Kondensatory przechwytują energię hamowania pełnego zatrzymania i dostarczają prąd szczytowy do rozruchu silnika wysokoprężnego i przyspieszania pociągu oraz zapewniają stabilizację napięcia w sieci. W zależności od trybu jazdy możliwe jest nawet do 30% oszczędności energii dzięki odzyskowi energii hamowania. Niskie koszty utrzymania i materiały przyjazne dla środowiska zachęciły do ​​wyboru superkondensatorów.

Dźwigi, wózki widłowe i ciągniki

Plac kontenerowy z suwnicą bramową z gumowymi oponami

Komórka hybrydowy diesel -elektryczna gumy oponami suwnice przenieść i pojemniki stack w terminalu. Podnoszenie pudeł wymaga dużej ilości energii. Część energii może zostać odzyskana podczas obniżania obciążenia, co skutkuje poprawą wydajności.

Potrójny hybrydowy wózek widłowy wykorzystuje ogniwa paliwowe i akumulatory jako magazyn energii pierwotnej oraz superkondensatory do buforowania szczytów mocy poprzez magazynowanie energii hamowania. Zapewniają one wózkowi widłowemu moc szczytową powyżej 30 kW. System potrójnej hybrydy zapewnia ponad 50% oszczędności energii w porównaniu z systemami na olej napędowy lub ogniwami paliwowymi.

Zasilane superkondensatorami ciągniki terminalowe przewożą kontenery do magazynów. Stanowią ekonomiczną, cichą i wolną od zanieczyszczeń alternatywę dla terminalowych ciągników z silnikiem Diesla.

Tramwaje i tramwaje

Superkondensatory umożliwiają nie tylko zmniejszenie zużycia energii, ale także wymianę linii napowietrznych w historycznych obszarach miasta, zachowując w ten sposób dziedzictwo architektoniczne miasta. Takie podejście może pozwolić wielu nowym liniom miejskim kolei lekkiej na zastąpienie przewodów napowietrznych, których pełna trasa jest zbyt droga.

Lekki pojazd szynowy w Mannheim

W 2003 roku Mannheim zaadoptowało prototypowy pojazd szynowy (LRV) wykorzystujący system MITRAC Energy Saver firmy Bombardier Transportation do magazynowania energii hamowania mechanicznego za pomocą zamontowanej na dachu jednostki superkondensatora. Zawiera kilka jednostek, z których każda składa się ze 192 kondensatorów z 2700 F / 2,7 V połączonych w trzy równoległe linie. W wyniku tego obwodu powstaje system 518 V o zawartości energii 1,5 kWh. W celu przyspieszenia podczas rozruchu ten „pokładowy system” może zapewnić pojazdowi LRV moc 600 kW i może przejechać pojazdem do 1 km bez zasilania linią napowietrzną , dzięki czemu lepiej integruje pojazd LRV z otoczeniem miejskim. W porównaniu z konwencjonalnymi pojazdami LRV lub Metro, które zwracają energię do sieci, pokładowe magazynowanie energii pozwala zaoszczędzić do 30% i zmniejsza szczytowe zapotrzebowanie na sieć nawet o 50%.

Superkondensatory są używane do zasilania linii tramwajowej Paris T3 na odcinkach bez przewodów oraz do odzyskiwania energii podczas hamowania .

W 2009 r. superkondensatory umożliwiły LRV działanie w historycznym obszarze Heidelbergu bez przewodów napowietrznych, zachowując w ten sposób dziedzictwo architektoniczne miasta. Sprzęt SC kosztował dodatkowo 270 000 euro na pojazd, który miał zostać odzyskany w ciągu pierwszych 15 lat eksploatacji. Superkondensatory są ładowane na stacjach postojowych, gdy pojazd zatrzymuje się zgodnie z planem. W kwietniu 2011 r. niemiecki regionalny operator transportowy Rhein-Neckar, odpowiedzialny za Heidelberg, zamówił kolejne 11 jednostek.

W 2009 roku Alstom i RATP wyposażyły tramwaj Citadis w eksperymentalny system odzyskiwania energii o nazwie „STEEM”. System jest wyposażony w 48 montowanych na dachu superkondensatorów do magazynowania energii hamowania, co zapewnia tramwajom wysoki poziom autonomii energetycznej, umożliwiając jazdę bez napowietrznych linii energetycznych na części trasy, ładując się podczas jazdy na zasilanych stacjach postojowych. Podczas testów, które miały miejsce pomiędzy Porte d'Italie i Porte de Choisy zatrzymuje się na linii T3 do sieci tramwajowej w Paryżu The tramset wykorzystywane średnio około 16% mniej energii.

Tramwaj wyposażony w superkondensator na tramwaju miejskim w Rio de Janeiro

W 2012 r. operator tramwajowy Geneva Public Transport rozpoczął testy LRV wyposażonego w prototypową jednostkę superkondensatora montowaną na dachu w celu odzyskiwania energii hamowania.

Siemens dostarcza systemy transportu szynowego wzmocnione superkondensatorami, które obejmują mobilne magazynowanie.

Linia metra South Island w Hongkongu ma zostać wyposażona w dwa magazyny energii o mocy 2 MW, które mają zmniejszyć zużycie energii o 10%.

W sierpniu 2012 r. chińska korporacja CSR Zhuzhou Electric Locomotive zaprezentowała prototypowy dwuwagonowy lekki pociąg metra wyposażony w montowany na dachu zespół superkondensatorów. Pociąg może przejechać 2 km bez przewodów, ładując się w 30 sekund na stacjach za pomocą naziemnego pickupa. Dostawca twierdził, że pociągi mogą być używane w 100 małych i średnich chińskich miastach. Siedem tramwajów (samochodów ulicznych) zasilanych superkondensatorami zostało zaplanowanych do uruchomienia w 2014 roku w Guangzhou w Chinach. Superkondensatory są ładowane w ciągu 30 sekund przez urządzenie umieszczone między szynami. To zasila tramwaj do 4 kilometrów (2,5 mil). Od 2017 r. superkondensatorowe pojazdy Zhuzhou są również używane w nowym systemie tramwajowym w Nanjing i przechodzą testy w Wuhan .

W 2012 r. w Lyonie (Francja) SYTRAL (administracja transportu publicznego w Lyonie) rozpoczęła eksperymenty z systemem „regeneracji pobocza” zbudowanego przez Adetel Group, która opracowała własne urządzenie do oszczędzania energii o nazwie „NeoGreen” dla LRV, LRT i metra.

W 2015 roku Alstom ogłosił SRS, system magazynowania energii, który ładuje superkondensatory na pokładzie tramwaju za pomocą naziemnych szynoprzewodów umieszczonych na przystankach tramwajowych. Dzięki temu tramwaje mogą działać bez linii napowietrznych na krótkich dystansach. System był reklamowany jako alternatywa dla systemu zasilania naziemnego (APS) firmy lub może być używany w połączeniu z nim, jak w przypadku sieci VLT w Rio de Janeiro w Brazylii, która została otwarta w 2016 roku.

Autobusy

MAN Ultracapbus w Norymberdze, Niemcy

Pierwszy autobus hybrydowy z superkondensatorami w Europie pojawił się w 2001 roku w Norymberdze w Niemczech. Był to tak zwany „Ultracapbus” firmy MAN, który w latach 2001/2002 został przetestowany w praktyce. Pojazd testowy został wyposażony w napęd dieslowo-elektryczny w połączeniu z superkondensatorami. System został dostarczony z 8 modułami Ultracap 80 V, każdy zawierający 36 komponentów. System pracował pod napięciem 640 V i mógł być ładowany/rozładowywany przy 400 A. Jego zawartość energii wynosiła 0,4 kWh przy wadze 400 kg.

Superkondensatory odzyskały energię hamowania i dostarczyły energię rozruchową. Zużycie paliwa zostało zmniejszone o 10 do 15% w porównaniu do konwencjonalnych pojazdów z silnikiem Diesla. Inne zalety to redukcja CO
2
emisji, cichy i bezemisyjny rozruch silnika, niższe wibracje i niższe koszty konserwacji.

Autobus elektryczny na EXPO 2010 w Szanghaju (Capabus) ładowany na przystanku

Począwszy od 2002 roku w Lucernie , Szwajcaria elektryczny tabor autobusowy nazywa TOHYCO-Rider był testowany. Superkondensatory można było ładować za pomocą indukcyjnej bezstykowej szybkiej ładowarki po każdym cyklu transportu, w ciągu 3 do 4 minut.

Na początku 2005 r. Szanghaj przetestował nowy rodzaj autobusu elektrycznego o nazwie capabus, który działa bez linii energetycznych (działanie bez sieci trakcyjnej) przy użyciu dużych pokładowych superkondensatorów, które częściowo ładują się, gdy autobus stoi na przystanku (pod tak zwanymi parasolami elektrycznymi), a w pełni ładują się w końcowa . W 2006 roku z kapabusów zaczęły korzystać dwie komercyjne linie autobusowe; jedną z nich jest trasa 11 w Szanghaju. Oszacowano, że autobus z superkondensatorem był tańszy niż autobus z baterią litowo-jonową, a jeden z jego autobusów kosztował jedną dziesiątą energii w porównaniu z autobusem z silnikiem Diesla, przy oszczędnościach paliwa rzędu 200 000 USD w całym okresie eksploatacji.

Hybrydowy autobus elektryczny zwany tribrid został zaprezentowany w 2008 roku przez Uniwersytet Glamorgan w Walii do użytku jako transport studencki. Jest zasilany paliwem wodorowym lub ogniwami słonecznymi , bateriami i ultrakondensatorami.

Wyścigi motorowe

Mistrz świata Sebastian Vettel w Malezji 2010
Toyota TS030 Hybrid w 24h Le Mans 2012 wyścigu samochodowego

FIA , ciało zarządzające imprez wyścigowych, zaproponowany w Power Train rozporządzenia ramowego dla Formuły 1 Wersja 1.3 z dnia 23 maja 2007, że nowy zestaw napędowy regulacje wydawane że zawiera napęd hybrydowy do 200 kW wejścia i moc wyjściowa za pomocą „superbaterii” wykonanych z akumulatorów i superkondensatorów połączonych równolegle ( KERS ). Dzięki systemowi KERS można było osiągnąć około 20% sprawność „zbiornik-koło”.

Toyota TS030 Hybrid LMP1 samochód, samochód wyścigowy opracowany pod Le Mans Prototype zasad, wykorzystuje hybrydowy układ napędowy z superkondensatorów. W 24-godzinnym wyścigu Le Mans w 2012 roku TS030 zakwalifikował się z najszybszym okrążeniem tylko o 1,055 sekundy wolniejszy (3:24,842 w ​​porównaniu z 3:23,787) niż najszybszy samochód, Audi R18 e-tron quattro z magazynowaniem energii w postaci koła zamachowego . Komponenty superkondensatora i koła zamachowego, których zdolność szybkiego rozładowania energii pomaga zarówno w hamowaniu, jak i przyspieszaniu, sprawiły, że hybrydy Audi i Toyota są najszybszymi samochodami w wyścigu. W wyścigu Le Mans 2012 dwa konkurujące TS030, z których jeden prowadził przez część wyścigu, oba wycofały się z powodów niezwiązanych z superkondensatorami. TS030 wygrał trzy z ośmiu wyścigów w sezonie 2012 FIA World Endurance Championship . W 2014 roku Toyota TS040 Hybrid zastosowała superkondensator, aby dodać 480 koni mechanicznych z dwóch silników elektrycznych.

Hybrydowe pojazdy elektryczne

RAV4 HEV

Kombinacje superkondensatorów/akumulatorów w pojazdach elektrycznych (EV) i hybrydowych pojazdach elektrycznych (HEV) są dobrze zbadane. Odzyskując energię hamowania w pojazdach EV lub HEV osiągnięto zmniejszenie zużycia paliwa o 20 do 60%. Zdolność superkondensatorów do ładowania znacznie szybciej niż akumulatorów, ich stabilne właściwości elektryczne, szerszy zakres temperatur i dłuższa żywotność są odpowiednie, ale waga, objętość, a zwłaszcza koszt, łagodzą te zalety.

Niższa energia właściwa superkondensatorów sprawia, że ​​nie nadają się one do stosowania jako samodzielne źródło energii podczas jazdy na długich dystansach. Zmniejszenie zużycia paliwa między kondensatorem a rozwiązaniem akumulatorowym wynosi około 20% i jest dostępne tylko w przypadku krótszych podróży. Przy jeździe długodystansowej przewaga spada do 6%. Pojazdy łączące kondensatory i akumulatory jeżdżą tylko w pojazdach eksperymentalnych.

Od 2013 r. wszyscy producenci samochodów EV lub HEV opracowali prototypy wykorzystujące superkondensatory zamiast akumulatorów do przechowywania energii hamowania w celu poprawy wydajności układu napędowego. Mazda 6 jest tylko samochód produkcyjny, który wykorzystuje superkondensatory odzyskać energię hamowania. Oznakowane jako i-eloop hamowanie rekuperacyjne zmniejsza zużycie paliwa o około 10%.

Rosyjska seria Yo-cars Ё-mobile była koncepcyjnym i crossoverowym pojazdem hybrydowym, pracującym z napędzanymi benzynowymi obrotowymi łopatkami i generatorem elektrycznym do napędzania silników trakcyjnych. Superkondensator o stosunkowo niskiej pojemności odzyskuje energię hamowania do zasilania silnika elektrycznego podczas przyspieszania z zatrzymania.

Samochód koncepcyjny Toyoty Yaris Hybrid-R wykorzystuje superkondensator, aby zapewnić szybkie przypływy mocy.

PSA Peugeot Citroën montuje superkondensatory w niektórych swoich samochodach w ramach swojego systemu oszczędzania paliwa stop-start, który umożliwia szybsze rozruchy, gdy światła zmieniają się na zielone.

Gondole

Kolejka linowa w Zell am See , Austria

W Zell am See , Austria , antena wyciąg łączy miasto z Schmittenhöhe górskich. Gondole czasami kursują 24 godziny na dobę, wykorzystując energię elektryczną do oświetlenia, otwierania drzwi i komunikacji. Jedyny dostępny czas na ładowanie akumulatorów na stacjach to krótkie przerwy w załadunku i rozładunku gości, które są zbyt krótkie, aby naładować akumulatory. Superkondensatory oferują szybkie ładowanie, większą liczbę cykli i dłuższą żywotność niż akumulatory.

Emirates Air Line (kolejka linowa) , znana również jako kolejka linowa Tamizy, to 1-kilometrowa linia gondolowa, która przecina Tamizę z Półwyspu Greenwich do Royal Docks . Kabiny wyposażone są w nowoczesny system informacyjno-rozrywkowy, który zasilany jest superkondensatorami.

Rozwój

Od 2013 r. dostępne na rynku superkondensatory litowo-jonowe oferowały najwyższą dotychczas grawimetryczną energię właściwą, sięgającą 15 Wh/kg (54 kJ/kg ). Badania koncentrują się na poprawie określonej energii, zmniejszeniu rezystancji wewnętrznej, rozszerzeniu zakresu temperatur, wydłużeniu żywotności i obniżeniu kosztów. Projekty obejmują elektrody o dostosowanych rozmiarach porów, powłoki pseudopojemnościowe lub materiały domieszkujące oraz ulepszone elektrolity.

Ogłoszenia
Rozwój Data Specyficzna energia Moc właściwa Cykle Pojemność Uwagi
Arkusze grafenowe sprasowane przez kompresję kapilarną lotnej cieczy 2013 60  Wh /L Integracja elektrolitu w skali subnanometrowej stworzyła ciągłą sieć transportu jonów.
Pionowo ustawione elektrody z nanorurek węglowych 2007
2009
2013
13,50  Wh /kg 37,12  W /g 300 000 Pierwsza realizacja
Zakrzywione arkusze grafenowe 2010 85,6  Wh /kg 550  F /g Pojedyncze warstwy zakrzywionych arkuszy grafenowych, które nie są ponownie układane twarzą w twarz, tworząc mezopory, które są dostępne i zwilżalne przez przyjazne dla środowiska elektrolity jonowe przy napięciu do 4 V .
Restrukturyzowany tlenek grafitu KOH 2011 85  Wh /kg >10 000 200  F /g Wodorotlenek potasu zrestrukturyzował węgiel, tworząc trójwymiarową porowatą sieć
Węgle aktywowane na bazie grafenu jako elektrody superkondensatora z makro- i mezoporami 2013 74  Wh /kg Trójwymiarowe struktury porów w węglach pochodzących z grafenu, w których mezopory są zintegrowane z makroporowatymi rusztowaniami o powierzchni 3290  m 2 /g
Sprzężony polimer mikroporowaty 2011 53  Wh /kg 10 000 Mikroporowata struktura sprzężona z Aza, sprzężona z π
Elektroda kompozytowa SWNT 2011 990  W /kg Dopasowana struktura porów mezo-makro zawierała więcej elektrolitu, zapewniając łatwy transport jonów
Nanopłatek wodorotlenku niklu na elektrodzie kompozytowej CNT 2012 50,6  Wh /kg 3300  F /g Superkondensator asymetryczny wykorzystujący elektrodę Ni(OH) 2 /CNT/NF jako anodę zmontowaną z katodą z węglem aktywnym (AC) uzyskując napięcie ogniwa 1,8 V
Nanohybrydowa bateria-elektroda 2012 40  Wh /l 7,5  W /l 10 000 Li
4
Ti
5
O
12
(LTO) osadzony na anodzie z nanowłókien węglowych (CNF) i katodzie z węglem aktywnym
Niklowo- kobaltytowy osadzony na mezoporowatym aerożelu węglowym 2012 53  Wh /kg 2,25  W /kg 1700  F /g Niklowo-kobaltytowy, tani i przyjazny dla środowiska materiał superpojemnościowy
Nanopłatki interkalowane ditlenkiem manganu 2013 110  Wh /kg 1000  F /g Mokry proces elektrochemiczny interkalował jony Na(+) do MnO
2
międzywarstwy. Elektrody z nanopłatków wykazują szybszą dyfuzję jonową ze wzmocnionymi pikami redoks.
Porowata elektroda grafenowa 3D 2013 98  Wh /kg 231  F /g Pomarszczone jednowarstwowe arkusze grafenu o wielkości kilku nanometrów, z przynajmniej kilkoma wiązaniami kowalencyjnymi.
Planarne mikro-superkondensatory na bazie grafenu do przechowywania energii na chipie 2013 2,42  Wh /l Na filtrowaniu linii chipów
Kondensatory nanoarkuszowe 2014 27,5 μF cm- 2 Elektrody: Ru 0,95 O 2 0,2– Dielektryk: Ca 2 Nb 3 O 10 –. Procesy produkcyjne oparte na temperaturze pokojowej. Całkowita grubość poniżej 30 nm. 
LSG/dwutlenek manganu 2015 42 Wh/l 10 kW/l 10 000 Trójwymiarowa struktura grafenu znakowanego laserowo (LSG) dla przewodności, porowatości i pola powierzchni. Elektrody mają grubość około 15 mikronów.
Grafen indukowany laserem/elektrolit w stanie stałym 2015 0,02 mA / cm 2 9 mF/cm 2 Przetrwa powtarzające się zginanie.
Trójtlenek wolframu (WO 3 ) nanodruty i dwuwymiarowe otoczone powłokami dichalkogenku metalu przejściowego , dwusiarczek wolframu (WS 2 ) 2016 ~100 Wh/l 1 kW/l 30 000 Powłoki 2D otaczające nanodruty

Badania materiałów elektrod wymaga pomiaru poszczególnych części składowych, takich jak elektrody lub półogniwa. Stosując przeciwelektrodę, która nie wpływa na pomiary, można ujawnić właściwości tylko elektrody będącej przedmiotem zainteresowania. Energia i moc właściwa dla prawdziwych superkondensatorów ma tylko mniej więcej około 1/3 gęstości elektrod.

Rynek

Od 2016 r. światowa sprzedaż superkondensatorów wynosi około 400 mln USD.

Rynek baterii (oszacowany przez Frost & Sullivan ) wzrósł z 47,5 mld USD (76,4% lub 36,3 mld USD stanowiły akumulatory) do 95 mld USD. Rynek superkondensatorów to wciąż niewielka nisza, która nie nadąża za swoim większym rywalem.

W 2016 roku IDTechEx prognozuje, że sprzedaż wzrośnie z 240 milionów dolarów do 2 miliardów dolarów do 2026 roku, co stanowi roczny wzrost o około 24%.

Koszty superkondensatorów w 2006 r. wyniosły 0,01 USD za farada lub 2,85 USD za kilodżul, spadając w 2008 r. poniżej 0,01 USD za farada i oczekuje się dalszego spadku w perspektywie średnioterminowej.

Nazwy handlowe lub serii

Wyjątkowe dla komponentów elektronicznych, takich jak kondensatory, są różne nazwy handlowe lub seryjne superkondensatorów, takie jak APowerCap, BestCap, BoostCap, CAP-XX, C-SECH, DLCAP, EneCapTen, EVerCAP, DynaCap, Faradcap, GreenCap, Goldcap, HY-CAP , Kondensator kaptonowy, Superkondensator, SuperCap, PAS Kondensator, PowerStor, PseudoCap, Ultrakondensator utrudniający użytkownikom klasyfikację tych kondensatorów. (Porównaj z # Porównanie parametrów technicznych )

Zobacz też

Literatura

  • Abruna, HD; Kiya, Y.; Henderson, JC (2008). „Baterie i kondensatory elektrochemiczne” (PDF) . Fiz. Dzisiaj . 61 (12): 43–47. Kod Bibcode : 2008PhT....61l..43A . doi : 10.1063/1.3047681 .
  • Bockris, JOM; Devanathan, MAV; Muller, K. (1963). „O strukturze naładowanych interfejsów”. Proc. R. Soc. . 274 (1356): 55-79. Kod Bib : 1963RSPSA.274...55B . doi : 10.1098/rspa.1963.0114 . S2CID  94958336 .
  • Begina, Francois; Raymundo-Pineiro, E.; Frąckowiak, Elżbieta (2009). „8. Kondensatory dwuwarstwowe i pseudokondensatory elektryczne”. Węgle do elektrochemicznych systemów magazynowania i konwersji energii . CRC Prasa. s. 329–375. doi : 10.1201/9781420055405-c8 . Numer ISBN 978-1-4200-5540-5.
  • Conway, Brian Evans (1999). Superkondensatory elektrochemiczne: podstawy naukowe i zastosowania technologiczne . Springer . doi : 10.1007/978-1-4757-3058-6 . Numer ISBN 978-0306457364.
  • Zhang, J.; Zhang, L.; Liu, H.; Słońce, A.; Liu, R.-S. (2011). „8. Superkondensatory elektrochemiczne” . Technologie elektrochemiczne do magazynowania i konwersji energii . Weinheim: Wiley-VCH. s. 317–382. Numer ISBN 978-3-527-32869-7.
  • Leitner, KW; Zima, M.; Besenhard, JO (2003). „Kompozytowe elektrody superkondensatorowe”. J. Solid State Elektr . 8 (1): 15–16. doi : 10.1007/s10008-003-0412-x . S2CID  95416761 .
  • Kinoshita, K. (18 stycznia 1988). Węgiel: właściwości elektrochemiczne i fizykochemiczne . John Wiley & Synowie. Numer ISBN 978-0-471-84802-8.
  • Volfkovich, YM; Serdiuk, TM (2002). „Kondensatory elektrochemiczne”. Russ. J. Elektrochem . 38 (9): 935–959. doi : 10.1023/A:1020220425954 .
  • Palaniselvam, Thangavelu; Baek, Jong-Beom (2015). „Materiały 2D na bazie grafenu do superkondensatorów”. Materiały 2D . 2 (3): 032002. Kod bib : 2015TDM.....2c2002P . doi : 10.1088/2053-1583/2/3/032002 .
  • Ploehn, Harry (2015). „Kompozyt do magazynowania energii odbiera ciepło” . Natura . 523 (7562): 536-537. Kod Bib : 2015Natur.523..536P . doi : 10.1038/523536a . PMID  26223620 . S2CID  4398225 .
  • Li, Qui (2015). „Elastyczne wysokotemperaturowe materiały dielektryczne z nanokompozytów polimerowych”. Natura . 523 (7562): 576-579. Kod Bibcode : 2015Natur.523..576L . doi : 10.1038/nature14647 . PMID  26223625 . S2CID  4472947 .

Bibliografia

Zewnętrzne linki