Superkondensaattorit paristojen sijaan: laite, ominaisuuksien vertailu, käytön edut, arvostelut

2024 Kirjoittaja: Erin Ralphs | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-02-19 15:21

Ajatusta suuresta ominaiskapasitanssista tutkittiin 1960-luvulla, mutta nykyään tätä tekniikkaa kohtaan on lisääntynyt uusi a alto lopputuotteen suorituskykyominaisuuksien ainutlaatuisen yhdistelmän vuoksi. Nykyään tämän tekniikan perusteella valmistetaan erilaisia superkondensaattorien ja ultrakondensaattoreiden modifikaatioita, joita voidaan hyvin pitää täysimittaisena tehoakuna. Alla esitetyt superkondensaattorikonseptit osoittavat, että niiden tuleva kilpailu perinteisten akkujen (akkujen) kanssa ei ole niin fantastista.

Mikä on superkondensaattori?

Pohjimmiltaan tämä on optimoitu sähkökemiallinen akku, joka on valmistettu kompaktin kondensaattorin muodossa. Jopa pintapuolinen vertailu laitetta tyypilliseenauton akku, voit korostaa ilmeistä kokoeroa, ja käytännössä hyödyt tulevat pintaan myös pidemmän käyttöiän ja tehon muodossa. Toisin sanoen superkondensaattoreita voidaan käyttää akkujen sijasta, vaikkakin tietyin varauksin johtuen energiapotentiaalin kertymisen rajoituksista. Tällaisia vivahteita esiintyy edelleen ionistorien teknisen kehityksen epätäydellisyydestä johtuen, mutta tilanne on muuttumassa markkinoiden paineen alaisena, kun akkuvaatimukset kasvavat.

Suunnittelu ja tuotesuunnittelu

Tämän kondensaattorin perusta muodostuu kahdesta elektrodista, joiden väliin elektrolyyttiväliaine perinteisesti sijoitetaan. Erot akusta voidaan havaita elektrodien valmistukseen tarkoitettujen materiaalien rakenteessa, jonka levyt on päällystetty huokoisella aktiivihiilellä. Mitä tulee elektrolyyttiin, tässä ominaisuudessa voidaan käyttää orgaanisia ja epäorgaanisia seoksia. Rakenteellisesti erottuu myös superkondensaattorien rakenteen eristyksen tekninen ratkaisu. Dielektrisellä kerroksella varustettujen akkujen alumiinilevyjen sijaan käytetään komponentteja, joilla on optimaaliset ioni- ja elektronijohtavuusominaisuudet. Jos jatkamme ajatusta superkondensaattorin mahdollisesta käytöstä akkuna, niin huokoinen hiili voisi hyvin toimia elektronijohdona ja rikkihappoliuos voisi toimia ionijohtimena. Tällä tavalla voidaan aikaansaada optimaalinen varauksen erotuskerros elektrodien välille ilman, että tarvitaan lisää tilaa vieviä eristeitä.

Erilaiset superkondensaattorit

Jo nykyään ionistorien kehityksessä on useita suuntauksia. Huomattavimpia ja lupaavimpia ovat seuraavan tyyppiset laitteet:

• Kaksikerroksiset kondensaattorit. Elektrolyytinä käytetään vakiomallia, jossa käytetään edellä mainittuja sähköä johtavasta materiaalista valmistettuja elektrodeja ja erityistä erotinta. Energiapotentiaalin kerääntyminen tapahtuu elektrodien varauksen erottumisen seurauksena.
• Pseudokondensaattorit. Tämän tyyppisestä superkondensaattorista valmistettu ladattava akku voi olla erittäin onnistunut ratkaisu, koska se tarjoaa edistyneempiä tapoja varastoida energiaa. Ensinnäkin Faradayn mekanismin periaate, joka liittyy tavanomaisten akkujen energian kertymisprosesseihin, aktivoituu. Ja toiseksi, sähköstaattisen vuorovaikutuksen peruskaavio elektrodien välillä kaksinkertaisessa sähkökerroksessa säilyy.
• Hybridikondensaattorit. Välikonsepti, jossa yhdistyvät akkujen ja kondensaattorien yksittäiset positiiviset ominaisuudet. Tällaiset laitteet käyttävät tyypillisesti sekaoksideista ja seostetuista polymeereistä valmistettujen elektrodien yhdistelmää. Tämän suunnan edelleen kehittäminen liittyy hiilikantoaineilla ja johtavilla polymeereillä täydennettyjen komposiittimateriaalien käyttöön.

Pääominaisuudet

Tänään on vaikea puhua ionistorien vakiintuneista suorituskykyindikaattoreista, koskatekniikkaa parannetaan jatkuvasti ja mukautetaan sähkökemiallisten virtalähteiden parantamiseen. Mutta jos otamme keskimääräiset tiedot superkondensaattorien pääominaisuuksista, erityiset indikaattorit näyttävät tältä:

• Latausaika - 1-10 sekuntia
• Latausjaksojen määrä on noin miljoona, mikä vastaa 30 000 tuntia.
• Jännite lohkokennossa - vaihteluväli 2,3 - 2,75 V.
• Energiaintensiteetti - vakioarvo 5 Wh/kg.
• Teho - noin 10 000 W/kg.
• Kestävyys - jopa 15 vuotta.
• Käyttölämpötila -40°C - 65°C.

Vertailu perinteisiin akkuihin

Tärkeimmät erottavat parametrit ovat energian kertymisnopeus ja sähkövarauksen palautusaste. Koska samankokoisen superkondensaattorin lähellä käytetään kaksinkertaista sähköpotentiaalikerrosta, elektrodien työpinnan pinta-ala kasvaa. Eli voidaan puhua akun ja kondensaattorin parhaiden ominaisuuksien yhdistämisestä sellaisenaan. Jos vertaamme akun ja superkondensaattorin virtojen jakautumista kuormaan, kulutetun virran tilavuuksien tasaisuus on yleensä identtinen, mutta kahdella korjauksella. Akun toiminnan aikana on mahdollista siirtää suurin virta lohkon alaosassa olevaa elementtiä kohti ja ionistorien tapauksessa potentiaali on periaatteessa pienempi alhaisen jännitteen vuoksi. Merkittäviä eroja ovat myös ero käyttöresurssissa - superkondensaattorit palvelevat ajallisesti noin 25-30 % pidempään, puhumattakaansuurempi suoritettavien käyttöjaksojen määrä.

Superkondensaattorien käytön edut

Jos yleensä tarkastellaan superkondensaattorien käytön myönteisiä vaikutuksia akkujen sijasta, seuraavat ominaisuudet tulevat etusijalle:

• Superkondensaattorien korkea energiatiheys mahdollistaa niiden käytön elektronisissa laitteissa lyhytaikaisena virtalähteenä.
• Ympäristöturvallisuus. Tietenkin sähkökemialliset komponentit säilyvät suunnittelussa, mutta niiden myrkylliset vaikutukset vähenevät jatkuvasti.
• Mahdollisuus käyttää energiaa uusiutuvista lähteistä - tuuli, aurinko, vesi ja maa.
• Akkujen rakenteellisen integroinnin mahdollisuuksien laajentaminen - esimerkiksi monimutkaisten voimalaitosten, hybridisähkökoneiden, vetykäyttöisten ajoneuvojen jne. kunnossapitoon.

On syytä huomata joitakin superkondensaattorin etuja verrattuna tavanomaiseen kondensaattoriin. Niitä on vähän, mutta suuri energian varastointikapasiteetti on olennaisen tärkeä. Tämän indikaattorin mukaan kaikki ionistorien modifikaatiot eivät pysty kilpailemaan akkujen kanssa, mutta sähkökapasiteettiparametrin kondensaattoreihin verrattuna ne voittivat luottavaisesti.

Positiiviset arvostelut superkondensaattoreista

Superkondensaattorien testausta ja osittaista käyttöä tapahtuu nykyään useilla teollisuudenaloilla. Kuten arviot näiden laitteiden toiminnasta osoittavat, ne vahvistavat valmistajien lausunnot korkeastaluotettavuus, ympäristöturvallisuus ja korkea kapasiteetti. Mikä on erityisen tärkeää superkondensaattorien ja akkujen vertailun kann alta, ensimmäiset eivät ole niin vaativia luodakseen erityisiä olosuhteita fyysisen käsittelyn aikana. Tämä johtuu osittain komponenttien samasta alhaisesta myrkyllisyydestä, mutta suuremmassa määrin toiminnan ergonomia johtuu kotelon korkeasta suojausasteesta. Eli käyttäjän ei tarvitse toimittaa erityisiä laitteita superkondensaattorien huoltoon suljetuissa olosuhteissa. Kevyt paino ja optimoidut mitat helpottavat myös rutiinihuoltotoimenpiteitä.

Negatiiviset arvostelut superkondensaattoreista

Tällaisissa kondensaattoreissa on myös heikkouksia, jotka näkyvät selvästi myös käytännössä. Erityisesti käyttäjät korostavat alhaista energiatiheyttä, alhaista suorituskykyä ja ei aina riittävää jännitetasoa, mikä tekee välttämättömäksi käyttää useita elementtejä palvelemaan yhtä kohdekuluttajayksikköä. Nämä puutteet estävät monella tapaa superkondensaattorien käytön paristojen sijasta nykyään, vaikka taas teknologinen kehitys ratkaisee nämä ongelmat todennäköisemmin.

Kondensaattorien kehitysnäkymät

Akkujen asiantuntijoiden ja kehittäjien mukaan lähitulevaisuudessa uuden sukupolven kondensaattoreita tullaan käyttämään kaikkialla. Tämä tulee mahdolliseksi laitteiden ominaiskapasiteetin aktiivisen kasvun vuoksi. Se on sen arvoistalisätä ja parantaa superkondensaattorien teknisiä ja rakenteellisia ominaisuuksia, mikä koskee ensisijaisesti mittoja ja painoa. Samaan aikaan jopa 2,5 mW:n ionistorien testejä järjestetään jo tänään. Tällaisia järjestelmiä voidaan jatkossa käyttää liikenneverkkojen, teollisuuslaitosten ja asuinrakennusten kunnossapidossa.

Johtopäätös

Superkondensaattorikonseptia pidetään optimaalisena ratkaisuna tilanteissa, joissa on lyhytaikainen tarve jännitteensyötölle live-latauksella. Osittain tämä on ristiriidassa sähkökemiallisten akkujen ajatuksen kanssa, jotka keskittyvät pitkän aikavälin tehon ylläpitoon tietyillä parametreilla. Mutta onko mahdollista käyttää superkondensaattoria akun sijaan autossa, kun otetaan huomioon tämä toimintaominaisuus? Suurella todennäköisyydellä edistyneet autoyritykset käyttävät suurikapasiteettisia kondensaattoreita, mutta vain erityisissä hybridiversioissa, joissa yhdistyvät superkondensaattorien positiiviset ominaisuudet sellaisenaan ja perinteisten sähkökemiallisten komponenttien ominaisuudet. Esimerkiksi nykyään tällaisia ratkaisuja käytetään sähkökemiallisen lyijy-happorakenteen ja superkondensaattorin yhdistelmänä.