Ионистор вместо аккумулятора: наглядная сборка накопителя энергии

Ионистор вместо аккумулятора — практический обзор сборки суперконденсатора

---

Ионистор вместо аккумулятора (он же суперконденсатор, ультраконденсатор) — в принципе это тот же конденсатор, только имеющий большую емкость, которую можно сравнить с аккумулятором. Вот именно такое устройство рассчитанное на напряжение 12v я собрал для нужд в бытовом хозяйстве. Практически такой прибор способен работать во много раз дольше, чем аккумуляторы различных типов, конечно при условии эксплуатации в определенных режимах. Вот в чем особенность применения ионистора вместо аккумулятора и его преимущество:

• прибору не страшен полный разряд до нулевого значения;
• в несколько сотен раз больше способен выдержать моментов заряда/разряда;
• прибор не боится максимальных значений по току.

Но не только такие особенности имеются у ионистора использующегося вместо аккумулятора, о них я скажу после выполнения сборки накопителя.

Необходимые компоненты

• Суперконденсаторы в количестве восьми штук с номиналом 2,7v х 500F
• Одножильый провод сечением от 2 мм²
• Пару винтов и гаек

• Инструмент: паяльник, пинцет, кусачки.
• Расходники: припой, флюс.

Ионистор вместо аккумулятора — порядок сборки батареи

В данном обзоре я буду собирать накопитель энергии с применением восьми конденсаторов, включенных по встречно-параллельной схеме. В принципе будет организованно четыре пары по две емкости включенных параллельно, а пары в свою очередь соединены последовательно.

Эмалированный провод нужно выровнять и убрать с него лак. Выполняется это с помощью рабочего ножа или специального инструмента для зачистки проводов ( у кого он имеется).

Формируем медный провод в соединительные шины

Необходимо изготовить три квадратных элемента и пару полюсов для клемм «+» и «-«

К сформированным изделиям для контактов припаиваем гайки, к которым будут подключаться провода питания.

Залуживаем места соединения квадратов.

Соединяем емкости в батарею, припаиваем проводники к выводам конденсатора, соблюдая при этом полярность.

Вначале нужно собрать четыре группы.

Теперь припаиваем шины для подключения проводов питания.

На этом этапе нужно зарядить батарею током 5А.

По истечению пяти минут накопитель будет полностью заряжен.

Делаем испытательный тест лампой накаливания.

Делаем короткое замыкание выходных контактов — провод разогрелся до красного состояния.

Испытываем батарею подключением электромотора.

Где такая конструкцию используется

Использовать можно ионистор вместо аккумулятора, там где присутствуют большие и цикличные нагрузки по току. Классический пример: накопительная емкость для сабвуфера установленного в автомобиле. Кроме этого суперконденсатор может быть задействован в устройствах где происходят постоянные циклы зарядки/разрядки, например: устройства накопления солнечной энергии с последующей ее передачей фонарям освещения в ночное время.

Здесь приведены только два примера использования ионистора вместо аккумулятора, но на самом деле их существенно больше.
Стоимость компонентов для сборки такого прибора вполне приемлема, особенно если взять во внимание колоссальный срок их эксплуатации с учетом применения по назначению.

Сборка ионистора вместо аккумулятора 12v, 100A

Ионистор: устройство, применение и характеристики

Ионистор впервые появился еще в 20 веке.  Изобрел это устройство американец Райтмаер, химик по образованию. В различных источниках и научной литературе этот прибор называется по-разному – суперконденсатор или ультраконденсатор. По своему внешнему виду ионистор похож на электролитический конденсатор, единственное и существенное отличие – это его емкость, она намного превышает обычные значение для этих радиодеталей.

В странах ЕС и США они обозначаются аббревиатурой EDLC, что переводится как конденсатор с двойным слоем. В данной статье будет разобрано строение, структура, применение ионисторов, где они используются. В качестве дополнения статья содержит в себе скачиваемые материал с точными техническими характеристиками и два видеоролика.

Что такое ионистор

Ионистор (или суперконденсатор) – это энергонакопительный конденсатор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух сред – электрода и электролита. Энергия в ионисторе содержится в виде статического заряда. Накопление совершается, если к его обкладкам будет приложена разность потенциалов (постоянное напряжение).

Концепция создания ионисторов появилась недавно, и в настоящее время они заняли свою нишу применения. Ионисторы успешно могут заменять химические источники тока в качестве резервного (микросхемы памяти) или основного подзаряжаемого (часы, калькуляторы) источника питания.

Структура ионистора

Если обычный конденсатор представляет собой обкладки из фольги, разделенные сухим сепаратором, то ионистор – это комбинация конденсатора с электрохимической батареей. В нем применяются специальные обкладки и электролит.

В качестве обкладок используются материалы одного из трех типов: обкладки большой площади на основе активированного угля, оксиды металлов и проводящие полимеры. Использование высокопористых угольных материалов позволяет достичь плотности емкости порядка 10 Ф/см3 и больше.

Ионисторы на базе активированного угля наиболее экономичны в изготовлении. Их еще называют двухслойными или DLC-конденсаторами, потому что заряд сохраняется в двойном слое, образующемся на поверхности обкладки.

Электролит ионисторов может быть водным либо органическим. Ионисторы на основе водного электролита обладают небольшим внутренним сопротивлением, но напряжение заряда для них ограничено 1 В. А ионисторы на основе органических электролитов обладают более высоким внутренним сопротивлением, но обеспечивают напряжение заряда 2…3 В.

Для питания электронных схем нужны более высокие напряжения, чем обеспечивают ионисторы. Для получения нужного напряжения их включают последовательно. 3-4 ионистора обеспечивают напряжение достаточной величины.

Величина энергетической емкости конденсаторов измеряется в пикофарадах, нанофарадах и микрофарадах, в то время как емкость ионисторов (суперконденсаторов) на самом деле огромна и измеряется в фарадах (Ф). В ионисторах достижима энергетическая плотность от 1 до 10 Вт/кг. Она больше, чем у типичных конденсаторов, но меньше, чем у аккумуляторов. Относительно низкое внутреннее сопротивление ионисторов обеспечивает хорошую проводимость.

Ионистор

Параметры

Ионисторы отличаются следующими характеристиками:

1. Внутреннее сопротивление (измеряется в миллиОмах).
2. Максимальный ток. (А).
3. Номинальное напряжение (В).
4. Емкость (Ф).
5. Параметры саморазряда.

В качестве электродов в приборе применяется активированный уголь или углерод на вспененной основе. Эти компоненты помещаются в электролит. Сепаратор предназначен для защиты устройства от короткого замыкания электродов. В современных устройствах не используется электролит на основе кислоты или кристаллического раствора щелочи, так как данные компоненты обладают высоким уровнем токсичности.

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

Во внутренних полостях конструкции содержится электролит, запасающий электроэнергию при взаимодействии с пластинами. Первые электрохимические ионисторы (молекулярные накопители энергиибыли) разработаны более 50 лет назад. Они были изготовлены на основе пористых углеродных электродов. В настоящее время они используются в некоторых электрических приборах. По сравнению с литий – ионными аккумуляторами современные ионисторы характеризуются большим ресурсом и высокой скоростью разряда.

При использовании ионисторов можно добиться более экономичного режима работы за счет аккумулирования излишков энергии. Между обкладками конструкции располагается не стандартный слой диэлектрика, а более толстая прослойка, позволяющая получить тонкий зазор.

При этом прибор обеспечивает возможность получения электроэнергии в больших объемах. Суперконденсатор аккумулирует и расходует заряды быстрее, чем альтернативные варианты. Двойной слой диэлектрика увеличивает площадь электродов. Это позволяет улучшить электрические характеристики.

Связка из шести ионисторов

Отличия суперконденсаторов от аккумуляторов

Суперконденсаторы часто применяются вместо батарей. Стандартные конденсаторы способны хранить небольшое количество электроэнергии. Суперконденсаторы могут накапливать заряды в тысячи, миллионы и миллиарды раз больше.

Подобные приборы работают быстрее батарей. Это обусловлено тем, что суперконденсатор создает статистические заряды на твердых телах, а батареи зависят от медленно протекающих химических реакций.

Батареи характеризуются более высокой плотностью энергии, а ионисторы более высокой плотностью мощности. Суперконденсаторы способны функционировать при низких показателях напряжения, а для получения большего напряжения, их нужно последовательно соединить. Такой вариант необходим для более мощного оборудования.

Технология ионисторов может найти применение в энергетике и приборостроении. Одно из применений – использование в ветряных турбинах. Подобные приборы помогают сгладить прерывистое питание от ветра.

В портативных электронных приборах используются источники питания разнообразных типов. В таких устройствах, как планшеты, смартфоны и ноутбуки важное значение имеет удельная энергоемкость. Чем больше данный показатель, тем выше будет емкость устройства при тех же физических параметрах.

Преимущества

• Если сравнивать ультраконденсаторы с аккумуляторами, то первые из них способны обеспечить значительно большее число циклов заряда и разряда.
• Цикл заряда и разряда происходит за очень короткое время, что дает возможность применять их в таких ситуациях, когда нельзя установить аккумуляторы, ввиду их длительной зарядки.
• Устройства такого вида имеют намного меньшую массу и габаритные размеры.
• Для выполнения заряда не требуется специального зарядного устройства, что упрощает обслуживание.
• Срок работы ультраконденсаторов значительно выше, по сравнению с батареями аккумуляторов и силовыми конденсаторами.
• Широкий интервал эксплуатационной температуры от -40 до +70 градусов.

Недостатки

• Малая величина номинального напряжения. Этот вопрос решают путем соединения нескольких ультраконденсаторов по последовательной схеме, так же, как соединяют несколько гальванических элементов для увеличения напряжения.
• Повышенная цена на такие устройства способствует удорожанию изделий, в которых они используются. По заверению ученых, скоро эта проблема станет неактуальной, так как технологии постоянно развиваются, и стоимость подобных устройств снижается.
• Ионисторы не способны накопить большое количество энергии, так как имеют незначительную энергетическую плотность, и не могут обладать мощностью, сравнимой с аккумуляторами. Это негативно влияет на область их использования. Эта проблема может частично решиться путем подключения нескольких ионисторов вместе, по параллельной схеме.
• Необходимость соблюдения полярности при подключении.
• Не допускается короткое замыкание между электродами, так как от этого сильно возрастет температура ультраконденсатора, и он может выйти из строя.
• Ионисторы хорошо работают в цепях пульсирующего и постоянного тока. Но при высокочастотном пульсирующем токе они сильно нагреваются ввиду их большого внутреннего сопротивления, что часто приводит к выходу из строя.

Плоский ионистор

Применение

Ионисторы часто встречаются в устройстве цифрового оборудования. Они играют роль запасного источника питания микроконтроллера, микросхемы и т.д. С помощью такого источника при выключенном основном питании аппаратура способна сохранять настройки и обеспечивать питание встроенных часов. Например, в некоторых аудиоплеерах применяется миниатюрный ионистор.

В момент замены батареек или аккумуляторов в плеере могут сбиться настройки частоты радиостанции, часов. Благодаря встроенному ионистору этого не происходит. Он питает электронную схему.

Его емкость значительно меньше аккумулятора, но его хватает на несколько суток, чтобы сохранить работу часов и настроек. Также ультраконденсаторы используются для работы таймеров телевизора, микроволновой печи, сложного медицинского оборудования.

Были случаи опытного использования ионисторов, например, для проектирования электромагнитной пушки, которую называют Гаусс оружием. В быту ионисторы используются в схемах маломощных светодиодных фонариков. Его зарядка может выполняться от солнечных элементов.

Перспективы использования

Ионисторы с каждым годом становятся все совершенней. Важным параметром, которому ученые уделяют особое внимание – является увеличение удельной емкости. Через какое – то время планируется подобными приборами заменить аккумуляторы. Такие элементы позволяют заменить батареи в различных технических сферах. Специалисты возлагают большие надежды на разработку графеновых устройств. Применение инновационного материала поможет уже в ближайшее время создать изделия с высокими показателями запасаемой удельной энергии.

Ионистор нового образца в несколько раз превосходит альтернативные варианты. Данные элементы имеют в своей основе пористую структуру. Применяется графен, на котором распределяются частицы рутения. Преимуществом графеновой пены является способность удержания частиц оксидов переходных металлов. Подобные суперконденсаторы работают на водном электролите, что позволяет обеспечить безопасность эксплуатации.

Интересно почитать: что такое электрический ток.

В перспективе новинки будут применяться в сфере изготовления персонального электрического транспорта. Приборы на основе графеновой пены могут перезаряжаться до 8000 раз без ухудшения качественных характеристик. В сфере автомобильного строения проводятся разработки альтернативных разновидностей топлива и устройств накопления энергии высокой эффективности. Подобные приборы могут применяться для грузового транспорта, электрических автомобилей и поездов.

Батарея из суперконденсаторов

В автомобилестроении суперконденсаторные батареи находят следующие применения:

1. Пусковое устройство  подсоединяется параллельно стартерным батареям. Применяется для повышения эксплуатационного срока и улучшения пусковых характеристик двигателя.
2. Для стабильного питания акустических систем большой мощности в автомобиле.
3. Буферные батареи подходят для применения в гибридном транспорте. Они характеризуются небольшой емкостью и значительной выходной мощностью.
4. Тяговые батареи актуальны при использовании в качестве основного источника питания.

Суперконденсаторы обладают множеством преимуществ по сравнению с аккумуляторами в автомобильной промышленности. Они превосходно выдерживают перепады напряжения. Приборы характеризуются легкостью, поэтому можно устанавливать большое их количество. Для сферы микроэлектроники разрабатываются новые технологии по производству компактных суперконденсаторов.

При производстве электродов применяются специальные методы осаждения на тонкую подложку из диоксида кремния специальной углеродистой пленки. Использование суперконденсаторов позволяет внедрить в жизнь экологические технологии экономии энергии. В перспективе предусмотрено расширение сфер применения таких приспособлений для отраслей автотранспорта, мобильной техники и средств связи.

Заключение

Рейтинг автора

Автор статьи

Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.

Написано статей

Более подробно о том, что такое ионистор, рассказано в статье Ионистор в автономной электрической цепи Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. А также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.electrosam.ru

www.na-dostupnom.ru

www.ultracapacitor.ru

www.electrik.info

www.powerinfo.ru

Предыдущая

КонденсаторыФормула расчёта сопротивления конденсатора

Ионистор своими руками: его применение, срок службы

Часто бывает так, когда обеспечить питание сети на основе одного аккумулятора не получается. Связано это с образованием больших и быстрых токов. Для решения подобной проблемы все применяли высоковольтные конденсаторы с большой емкостью. Позже популярность обрел ионистор, который стал добавляться в схему вместо аккумуляторной батареи или вместе с ней. Работа этого прибора основана на создании двойного слоя электричества, что выгодно отличает его от элементов, использующих химические реакции для накопления заряда. Необходимо более детально рассмотреть, где применяют ионистор и как сделать его своими руками.

Что такое и ионистор

Ионисторы появились в массовой продаже сравнительно недавно. Также они могут называться суперконденсаторами или ультраконденсаторами. Внешне они похожи на обычные конденсирующие элементы, обладающие более внушительной емкостью. Если говорить проще, то это смесь аккумуляторной батареи и конденсатора. Техническое устройство прибора можно описать, как конденсирующий электролитический элемент с двойным электрическим слоем. В зарубежной литературе его принято обозначать EDLC, что расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor.

Внешний вид элемента

К сведению! Патент на производство приспособления, которое сохраняло электроэнергию с двойным электрическим слоем, получил американец К. Райтмаер еще в прошлом веке. Сегодня такие элементы стали крайне популярными и называются ионисторами.

Примерная схема строения

Несмотря на достаточно новую технологию преобразования и хранения электрической энергии, такие устройства сегодня доступны к продаже практически в любых магазинах электрики и электроники, а их производство налажено не только за рубежом, но и в России.

Принцип работы ионистора

Как уже было сказано, ионистор сильно напоминает конденсатор, но в отличие от него он не имеет диэлектрического слоя вокруг себя. Обкладки представляют собой особые вещества, которые копят заряды противоположных знаков.

Известно, что емкостные характеристики конденсаторов, как и ионисторов, зависят от величины обкладок. Рассматриваемый элемент обладает обкладками из активированного угля или специально подготовленного вспененного углерода. Это обеспечивает повышенную площадь обкладок.

Простая схема, демонстрирующая принцип работы

Ионистор обладает выводами, которые сепарированы разделителем, помещенным в электролиты. Нужно это для предотвращения вероятных коротких замыканий. Электролиты чаще всего представляют собой кислоты и щелочи в любом приемлемом агрегатном состоянии.

Обратите внимание! При использовании электролитического йода или серебра можно получить качественный ионистор со значительными емкостными характеристиками, способностью работать при низких температурах и малым саморазрядом.

Во время протекания электрических и химических реакций часть электронов отделяется от полюсов приспособления и обеспечивает создание положительного заряда. Отрицательно заряженные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются этими полюсами со знаком «плюс». В результате получается электрический слой.

Ионистор на плате магнитолы

Сам же заряд сосредотачивается на границах углеродных полюсов и электролитического вещества. Слой очень тонкий, всего 1-5 нанометров в толщину, а это значительно повышает емкость приспособления.

Технические характеристики

Основными техническими параметрами, на которые следует обратить внимание при ознакомлении с прибором и его покупке, являются следующие:

• емкость в фарадах;
• внутреннее сопротивление в омах;
• максимальный ток разряда в амперах;
• номинальное напряжение в вольтах;
• значения саморазряда и разряда.

Ионисторы вместо АКБ

Важно! Последний параметр крайне важен для изучения. Для его расчета нужно воспользоваться и другими величинами: t — временем разряда в секундах, С — емкостью в фарадах, V1 и V2 — начальным и конечным параметрами диапазона напряжений, а также I — силой тока.

Где применяют ионистор

Зачастую такие приспособления встречаются в схемах и платах различных цифровых девайсов. Нужны они там для создания автономного и резервного источников питания в случае разрядки или отказа основной батареи, а также для других целей. К примеру, от ионистора может питаться оперативная память, микроконтроллеры или электронные часы RTC. Это помогает держать в памяти программы и работать с системными часами даже при отключенном основном питании.

Например, при смене батареек на аудиоплеере он должен быть полностью обесточен, а это стирает все пользовательские настройки в виде любимых частот, громкости (если устройство цифровое) и т. д. Этого не происходит, так как внутри есть ионистор, предотвращающий сброс. Его емкостные характеристики несоизмеримо малы по сравнению с аккумуляторными, но их вполне хватает для поддержания питания основных микросхем в течение пары суток. Обычно за это время человек успевает вставить батарейки, и все продолжает работать, как положено.

Обратите внимание! Что касается самодельных схем, то такие приспособления можно подключать в качестве аварийного или резервного источника электроэнергии для небольших микросхем.

Элементы для солнечной батареи на основе ионисторов

В промышленных масштабах ионисторы применяются в:

• медицинском оборудовании;
• ветровых станциях;
• приборах резервирования мощности;
• элементах аккумулирования электрической энергии;
• бытовой технике и электронике;
• световых и осветительных приборах со светодиодами;
• электронных замках.

Аккумуляторные суперконденсаторы

Как зарядить ионистор

Для зарядки этого элемента нужен источник питания. Если он имеется в схеме, и прибор работает корректно, то ионистор заряжается сам по себе и поддерживает напряжение, передаваемое от аккумулятора или электрической сети. Если необходимо зарядить приспособление самостоятельно, то подойдет схема, описная ниже.

Пример подключения для зарядки

Прибор запитывают от 12-вольтного адаптера. Затем используется стабилизатор напряжения и тока для регулирования 5,5 В для зарядки элемента. Это напряжение подается на конденсатор через полевой MOSFET-транзистор, который действует в роли переключателя. Он замыкается только тогда, когда напряжение в ионисторе падает до 4,8 В.

Важно! Если напряжение повышается, то транзистор размыкается, и зарядка прекращается.

Какая полярность ионистора

Эти элементы не обладают характеристикой полярности в силу своих электротехнических свойств. К тому же отсутствие полярности — явный плюс. Иногда производители указывают на своих приспособлениях стрелочки для обозначения полюса или знаки «+» и «-». Это не полярность ионистора, а обозначение полярности остаточного напряжения после первой тестовой зарядки на заводе-изготовителе.

Обратите внимание! Это означает, что после разряда на нагрузку можно припаивать элемент с любыми включениями. На работоспособность схемы это никак не повлияет.

Как сделать ионистор своими руками

Делать ионистор самостоятельно — неэффективная трата времени, но ради эксперимента попробовать можно. Для него нужны две металлические пластинки (обычно это медь), которые плотно прилегают к слою из активированного угля с обеих сторон. Слой угля в равных долях делится тонкой пластинкой диэлектрика. Весь уголь пропитывают электролитами.

Результат самодеятельности — большой ионистор своими руками

На пластинки заранее припаивают провода, чтобы было через что заряжать. Двойной электрический слой при подаче питания начнет появляться на порах активированного угля. Готовят «начинку» просто: уголь толкут в пыль и смешивают с электролитическим составом до получения консистенции густой каши. Впоследствии ее намазывают на обезжиренные и очищенные пластины.

Срок службы ионистора

Рассматриваемые элементы обладают достаточно большими сроками службы. К примеру, при номинальном напряжении в 0,6 В прибор может работать до 40 000 ч. При этом за все это время будет наблюдаться лишь незначительное снижение емкости. Предполагаемый срок службы завит от заявленного производителем, но не следует исключать воздействие на ионистор фактора влажности, повышенного напряжения и перепадов температур.

Важно! Обычно указывают сроки для идеальных лабораторных условий.

Маркировка прибора и указание полярности

Таким образом, в этом материале было разобрано, как сделать ионистор своими руками, и где он нашел свое применение. Эти элементы, изобретенные сравнительно недавно, обсуждали, как источник альтернативной энергии и прорыв, но таковым они не стали. Несмотря на это, область применения их весьма широка.

Изготовление гибких графеновых ионисторов c помощью обычного DVD-привода / Хабр

Учёные из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали способ производства тонких и гибких графеновых суперконденсаторов (ионисторов) с помощью пишущего DVD-привода, поддерживающего LightScribe. Технология LightScribe изначально предназначена для нанесения рисунка на обратную сторону диска. Учёные покрыли диск слоем оксида графита на пластиковой подложке, а затем выжгли лазером привода очертания обкладок ионистора. Оксид графита под действием лазера превратился в графен, электропроводность которого на шесть порядков выше, чем у оксида графита. Эти графеновые дорожки и образовали обкладки.

Обкладки выполнены в форме двух «гребёнок» — зубцы одной вложены в промежутки другой. Чем тоньше зубцы, тем больше энергии может запасти такой плоский ионистор. Эта конструкция демонстрирует гораздо лучшие характеристики, чем более привычный «сэндвич» из двух листов графена с электролитом между ними. Кроме того, она гораздо технологичнее — обе обкладки создаются одновременно, после обработки лазером достаточно лишь покрыть их слоем электролита.

В лабораторных образцах удалось достичь плотности мощности в 200 ватт на кубический сантиметр. Как и обычные ионисторы, плоские суперконденсаотры из LSG (Laser Scribed Graphene) выдерживают огромное количество циклов заряда-разряда. Их характеристики практически не меняются при сгибе и скручивании. Создать такой суперконденсатор с помощью лазера можно практически на любой поверхности — не только на гибкой плёнке, но и прямо на кремниевом кристалле. В перспективе это позволит создавать микроэлектронные устройства с интегрированным прямо на чипе элементом питания.

Ссылки и видео

Статья в Nature (PDF).

Видео:

принцип работы и алгоритм выбора

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

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

Принцип работы суперконденсатора

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

Рис. 1. Структура и принцип действия суперконденсатора

Основные характеристики суперконденсаторов

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

Таблица 1. Сравнение параметров суперконденсаторов и аккумуляторов

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

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

Рис. 2. Сравнение удельной емкости накопителей энергии

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 5. Разрядные характеристики аккумуляторов и суперконденсаторов

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

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

Примеры суперконденсаторов

В заключение краткого экскурса по суперконденсатором приведем некоторые конкретные примеры.

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

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

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

Рис. 8. Суперконденсаторы от компании SPSCAP

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

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

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

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

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

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

Алгоритм выбора суперконденсаторов

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

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

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

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

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

C = It / (Vwork -Vmin),

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

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

C = 0,1 * 10 / (5 -4,2) = 1,25 Ф.

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

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

C = 2Pt/ (Vwork² -Vmin²)

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

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

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

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

Источник:

Суперконденсаторы вместо аккумуляторов: преимущества

По своим основным характеристикам суперконденсаторы значительно отличаются от простых привычных конденсаторов. В них применены современные технологии, которые позволяют добиться увеличения срока службы, а также снизить токовые потери в процессе эксплуатации. Основной задачей производителей данных устройств является разработка, и создание изделий способных заменить аккумуляторы во многих отраслях.

Применение двойного электрического слоя

Продолжительное время обладателями высоких значений внутренней емкости являлись конденсаторы электролитического вида. В различных устройствах изготавливались разнообразные обкладки, у одних они производились из металла, в других в виде электролита, где изоляцией являлся оксид используемого металла. Причем у обыкновенных конденсаторов внутренняя емкость имеет значение значительно ниже и равна долям фарада, чего на практике недостаточно для питания потребителей вместо аккумуляторных батарей.

Для обеспечения питания для электропотребителей были разработаны устройства на основе применения двойного электрического поля. Данное явление может возникать на границах материала или вещества при определенных условиях в жидком или твердом состоянии. В результате образуются два слоя разнополярных ионов одинакового размера, получается своеобразный конденсатор с электродами, между которыми образуется минимальное расстояние равное нескольким атомам.

Интересно знать! Устройства, полученные таким способом, называют ионисторами, а также суперконденсатор или ультраконденсатор.  

Техническая реализация

Ионистор или суперконденсатор представляет собой устройство в конструкции которого имеются два электрода или пластины, изготовленные из активированного угля. Пространство между ними заполнено специальным электролитом, также между обкладками располагается мембрана, благодаря которой не происходит перемещение частиц электродов, а электролит свободно проникает в данное пространство.

Причем стоит отметить, что самостоятельно данные устройства не имеют определения полярности заряда конкретных электродов. Это свойство является одним из главных отличий от конденсаторов электролитического вида, в которых несоблюдение правильного подключения приводило к преждевременному выходу из строя. Однако при производстве на ионисторах наносится маркировка с указанием полярности, в результате того, что в процессе производства данные накопители энергии уже выходят заряженные.

Разновидности суперконденсаторов

В настоящее время все ультраконденсаторы разделяют на три основных вида:

1. Двухслойные.
2. Гибридные.
3. Псевдоконденсаторы.

Двухслойные конденсаторы

Данные устройства представляют собой изделие в конструкции которых применяются электроды с наличием пор, покрытых углеродом повышенной проводимости между ними находится специальный сепаратор. Благодаря разделению зарядов на электродах происходит образование значительного значения потенциала, в результате чего происходит накопление энергии.

Интересно знать! На величину емкости оказывает непосредственное влияние значение двойного слоя.

Двойной слой в такой конструкции выполняет роль конденсатора поверхностного. Благодаря электролиту два слоя объединяются в последовательную цепочку.

Гибридный суперконденсатор

Данный вид накопителей электроэнергии считается промежуточным между аккумуляторами и конденсаторами. В конструкции таких устройств применяются электроды, изготовленные из различных материалов, в результате чего емкость заряд накапливается разными способами.

Непосредственно сам процесс восстановления заряда происходит благодаря реакции окислительно-восстановительного вида. Такая конструкция позволяет значительно увеличить внутреннюю емкость и повысить рабочее напряжение. Электроды состоят из соединения сложных проводящих полимеров, которые в сочетании между собой представляют материал повышенных электрических характеристик.

 Псевдоконденсаторы

Данные устройства представляют собой изделия несколько похожие по свои основным характеристикам на АКБ, они имеют два твердых электрода.

В результате чего стало возможным применять конденсатор вместо аккумулятора. Принцип действия состоит из двух основных механизмов:

• рабочие циклы заряд-разряд;
• электростатические реакции, которые наблюдаются в устройствах с двойным слоем.

Интересно знать! Емкость псевдоконденсаторов зависит от реакций переноса электролитических зарядов.

Основные параметры

К основным характеристикам суперконденсатора следует отнести:

• время заряда, имеет малое значение и равно от 1 с до 10 с;
• в сравнении с кислотными аккумуляторами имеют значительное число рабочих циклов, практически более 30000 часов;
• номинальное рабочее напряжение имеет значение до 2,75 В;
• срок службы до 15 лет;
• диапазон рабочих температур от -45°С до +65°С;
• удельная энергоемкость имеет значение до 5 Вт*ч/ кг.

Энергетическая плотность

Способность ионисторов накапливать энергию ниже, чем у кислотных аккумуляторных батарей. Значение энергии зависит от внутреннего сопротивления устройства, чем оно ниже, тем выше плотность энергии. Современные разработки позволяют применять такие материалы как азот и графен, благодаря которым удалось добиться значительного увеличения внутренней плотности энергии.

Преимущества и недостатки

Как и любое электронное устройство ионисторы в процессе эксплуатации имеют некоторые достоинства и недостатки. К преимуществам производители относят:

• Имеют пониженную удельную стоимость, если сравнивать емкость конденсатора и аккумулятора.
• Повышенные показатели внутренней емкости, в результате чего увеличивается количество рабочих циклов заряд-разряд.
• Более надежные, а также имеют большой срок службы в отличие от кислотных и литиевых аккумуляторов.
• Отличаются экологической чистотой, благодаря применяемым материалам.
• Повышенные значения номинальной мощности.
• Возможность эксплуатирования в широком температурном диапазоне. Низкие температуры не помеха при запуске оборудования любого вида.
• Значительно увеличенный временной промежуток при восполнении заряда и при рабочем разряде.
• В отличие от аккумуляторных батарей имеют возможность полного разряда практически до нулевого значения рабочего напряжения.

Интересно знать! Суперконденсаторы имеют сравнительно малые размеры относительно других подобных приборов.

Однако при наличии многих плюсов в процессе эксплуатации присутствуют и минусы. К недостаткам относят:

• Малая плотность энергетических накоплений относительно аналогичных устройств.
• Пониженное значение напряжение на единицу внутренней емкости одного элемента.
• Увеличенное показание самостоятельного разряда.
• Не окончательно проработанная технология производства ионисторов.

Особенности применения

Широкую популярность ионисторы приобрели благодаря стремлению человечества найти новые и более эффективные средства для того, чтобы накапливать и сохранять энергию длительное время. Основным достоинством, определившим его распространение, стала возможность суперконденсатора за короткий период времени импульсно выделять значительную энергию от 0,1 с до 10 с.

Ионисторы нашли применение в установках и технике, где необходим быстрый и качественный запуск электрооборудования в короткий промежуток времени даже при отрицательных температурах. При этом уменьшаются максимальные токовые нагрузки и приводит к экономии средств. Не исключено и применение для запуска двигателя внутреннего сгорания.

При соединении конденсаторов в батарею возможно добиться максимальной емкости сопоставимой с аккумуляторной для питания электромобилей. Однако при этом вес источника питания будет значительно выше чем у обычных аккумуляторов. Разработчикам практически удалось решить проблему превышающего веса, для этого необходим графен однако такое возможно пока только в лабораторных условиях.

В настоящее время одним самых наиболее удачных применений ионисторов стало использование в общественном электротранспорте. В конструкции такой техники применяются устройства бесперебойного питания в которых присутствуют суперконденсаторы.

Аварийное освещение в которых установлены конденсаторы большой емкости вместо аккумуляторов имеют значительное преимущество перед системами с обычными аккумуляторами.

Интересно знать! Некоторые зарубежные производители встраивают резервные источники питания на основе ионисторов в светодиодные лампы.

Перспективы развития

Современные технологии и разработки позволяют предположить, что ионисторы в скором времени будут применяться практически во всех энергоемких производствах, космической промышленности, медицине и военной технике. Постепенно будет увеличиваться внутренняя емкость суперконденсаторов, в результате чего станет возможным заменить старые свинцово-кислотные батареи.

Также станет возможным внедрение в различные электронные устройства с регулированием и управлением. Причем станет доступным производство экологически чистых источников экономии энергии, которые значительно превышают аналоги по характеристикам. А также суперконденсаторы находят широкое применение в автомобильном транспорте, мобильных и электронных устройствах.

Полное вытеснение обычных аккумуляторов пока не происходит так как суперконденсаторы используются только в определенных областях. Однако наука не стоит на месте и постоянно развивается, в результате чего в скором времени мы сможем увидеть данные устройства в автомобильной технике, мобильных и электронных устройствах.

Конденсатор вместо аккумулятора / Статьи и обзоры / Элек.ру

Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?

Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.

Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.

При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственнен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности — гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.

Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.

Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.

Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.

Использование двойного электрического слоя

На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой — электролит, а изоляцией между обкладками — окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.

Сравнение конструкций разных типов конденстаторов (Источник: Википедия)

Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.

Суперконденсаторы различной емкости производства Maxwell

Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии — с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».

Техническая реализация

Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.

Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.

Параметры суперконденсаторов

Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В.   Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.

Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.

Принципиальная схема источника бесперебойного питания
напряжением на суперконденсаторах, основные узлы реализованы
на одной микосхеме производства LinearTechnology

Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае — емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.

Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.

Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.

Накапливаемая энергия

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:

E = CU²/2,
где C — емкость, выраженная в фарадах, U — напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:

W = CU²/7200000

Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.

Применение суперконденсаторов

Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.

Грунтовый светодиодный светильник с питанием
от солнечных батарей, накопление энергии
в котором осуществляется в суперконденсаторе

Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.

Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.

Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.

Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.

Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе — их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.

Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.

В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.

Алексей Васильев

Информация о суперконденсаторах

— Battery University

Узнайте, как суперконденсатор может улучшить аккумулятор.

Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора очень высокой емкостью. Конденсатор накапливает энергию за счет статического заряда, в отличие от электрохимической реакции. Применение разности напряжений на положительной и отрицательной обкладках заряжает конденсатор.Это похоже на накопление электрического заряда при ходьбе по ковру. Прикосновение к объекту высвобождает энергию через палец.

Существует три типа конденсаторов, самый простой из которых — электростатический конденсатор с сухим сепаратором. Этот классический конденсатор имеет очень низкую емкость и в основном используется для настройки радиочастот и фильтрации. Размер варьируется от нескольких пикофарад (пФ) до низких микрофарад (мкФ).

Электролитический конденсатор обеспечивает более высокую емкость, чем электростатический конденсатор, и рассчитан на микрофарады (мкФ), что в миллион раз больше, чем пикофарад.Эти конденсаторы используют влажный сепаратор и используются для фильтрации, буферизации и передачи сигналов. Подобно батарее, у электростатической емкости есть положительный и отрицательный стороны, которые необходимо учитывать.

Третий тип — это суперконденсатор , измеренный в фарадах, что в тысячи раз выше, чем у электролитического конденсатора. Суперконденсатор используется для накопления энергии, подвергаясь частым циклам зарядки и разрядки при высоком токе и короткой продолжительности.

Фарад — единица измерения емкости, названная в честь английского физика Майкла Фарадея (1791–1867).Один фарад сохраняет один кулон электрического заряда при приложении одного вольта. Один микрофарад в миллион раз меньше фарада, а один пикофарад снова в миллион раз меньше микрофарада.

Инженеры General Electric впервые экспериментировали с ранней версией суперконденсатора в 1957 году, но коммерческих приложений не было. В 1966 году Standard Oil вновь открыла эффект двухслойного конденсатора случайно, работая над экспериментальными конструкциями топливных элементов.Двойной слой значительно улучшил способность накапливать энергию. Компания не стала коммерциализировать изобретение и передала его по лицензии NEC, которая в 1978 году представила технологию как «суперконденсатор» для резервного копирования памяти компьютера. Только в 1990-х годах достижения в области материалов и методов производства привели к повышению производительности и снижению затрат.

Суперконденсатор эволюционировал и перешел в аккумуляторную технологию за счет использования специальных электродов и электролита. В то время как базовый электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC) зависит от электростатического воздействия, асимметричный электрохимический двухслойный конденсатор (AEDLC) использует электроды, подобные батареям, для получения более высокой плотности энергии, но это имеет более короткий срок службы и другие проблемы, которые разделяются с аккумулятор.Графеновые электроды обещают усовершенствовать суперконденсаторы и батареи, но до таких разработок еще 15 лет.

Было опробовано несколько типов электродов, и наиболее распространенные в настоящее время системы построены на электрохимическом двухслойном конденсаторе на основе углерода, с органическим электролитом и простом в производстве.

Все конденсаторы имеют ограничения по напряжению. В то время как электростатический конденсатор можно сделать так, чтобы он выдерживал высокое напряжение, суперконденсатор ограничен 2,5–2.7В. Возможны напряжения 2,8 В и выше, но с сокращенным сроком службы. Чтобы получить более высокие напряжения, несколько суперконденсаторов подключаются последовательно. Последовательное соединение снижает общую емкость и увеличивает внутреннее сопротивление. Для цепочек из более чем трех конденсаторов требуется балансировка напряжения, чтобы предотвратить перенапряжение любой ячейки. Литий-ионные батареи имеют аналогичную схему защиты.

Удельная энергия суперконденсатора колеблется от 1 Втч / кг до 30 Втч / кг, что в 10–50 раз меньше, чем у литий-ионных.Кривая разряда — еще один недостаток. В то время как электрохимическая батарея обеспечивает стабильное напряжение в используемом диапазоне мощности, напряжение суперконденсатора уменьшается в линейном масштабе, сокращая спектр полезной мощности. (См. BU-501: Основы разрядки.)

Возьмите источник питания 6 В, который может разрядиться до 4,5 В до отключения оборудования. К тому времени, когда суперконденсатор достигает этого порога напряжения, линейный разряд дает только 44% энергии; остальные 56% зарезервированы.Дополнительный преобразователь постоянного тока в постоянный помогает восстановить энергию, находящуюся в диапазоне низкого напряжения, но это увеличивает затраты и приводит к потерям. Для сравнения, батарея с плоской кривой разряда обеспечивает от 90 до 95 процентов своего запаса энергии до достижения порога напряжения.

На рисунках 1 и 2 показаны вольт-амперные характеристики при заряде и разряде суперконденсатора. При зарядке напряжение линейно увеличивается, а ток по умолчанию падает, когда конденсатор полон, без необходимости в схеме обнаружения полного заряда.Это верно для источника постоянного тока и предельного напряжения, подходящего для номинального напряжения конденсатора; превышение напряжения может повредить конденсатор.

Рис. 1: Профиль заряда суперконденсатора. Напряжение увеличивается линейно во время заряда постоянным током. Когда конденсатор заполнен, ток по умолчанию падает. Источник: PPM Power

,

Что такое суперконденсаторы? Обзор суперконденсаторов или ультраконденсаторов

Конденсатор — это пассивный компонент с двумя выводами, который широко используется в электронике. Почти во всех схемах, которые мы находим в электронике, используются один или несколько конденсаторов для различных целей. Конденсаторы — наиболее часто используемый компонент электроники после резисторов. У них есть особая способность накапливать энергию . На рынке доступны различные типы конденсаторов, но тот, который в последнее время набирает популярность и обещает замену или альтернативу батареям в будущем, — это суперконденсаторы или также известные как суперконденсаторы .Суперконденсатор — это не что иное, как конденсатор большой емкости, значения емкости которого намного выше, чем у обычных конденсаторов, но более низкие пределы напряжения. Они могут хранить в 10-100 раз больше энергии на единицу объема или массы, чем электролитические конденсаторы, могут принимать и доставлять заряд намного быстрее, чем батареи, и выдерживают большее количество циклов зарядки-разрядки, чем аккумуляторные батареи.

Суперконденсаторы или ультраконденсаторы — это новая технология хранения энергии, которая активно развивается в наше время.Суперконденсаторы обеспечивают значительные промышленные и экономические преимущества

Емкость конденсатора измеряется в Фарадах (Ф), например, 0,1 мкФ (микрофарад), 1 мФ (миллифарад). Однако, в то время как конденсаторы более низкой стоимости довольно распространены в электронике, также доступны конденсаторы очень высокой емкости, которые накапливают энергию с гораздо большей плотностью и доступны с очень высоким значением емкости, вероятно, в диапазоне Фарадов.

На приведенном выше изображении показан локально доступный суперконденсатор 2,7 В, 1 Фарад.Номинальное напряжение намного ниже, но емкость вышеуказанного конденсатора довольно высока.

Преимущества суперконденсатора или сверхконденсатора

Спрос на суперконденсаторов растет день ото дня. Основная причина быстрого развития и спроса связана с множеством других преимуществ суперконденсаторов, некоторые из них указаны ниже:

• Он обеспечивает очень хороший срок службы — около 1 миллиона циклов зарядки.
• Рабочая температура составляет от -50 до 70 градусов, что делает его пригодным для использования в бытовых приложениях.
• Высокая удельная мощность до 50 раз, что достигается за счет батарей.
• Вредные материалы, токсичные металлы не являются частью производственного процесса суперконденсаторов или ультраконденсаторов, что делает их сертифицированным одноразовым компонентом.
• Он эффективнее аккумуляторов.
• Не требует обслуживания по сравнению с батареями.

Суперконденсаторы хранят энергию в своем электрическом поле, но в случае батарей они используют химические соединения для хранения энергии.Кроме того, благодаря своей способности к быстрой зарядке и разрядке суперконденсаторы постепенно входят на рынок аккумуляторов. Низкое внутреннее сопротивление при очень высокой эффективности, отсутствие затрат на техническое обслуживание, более длительный срок службы — основная причина его высокого спроса на современном рынке источников питания.

Энергия в конденсаторе

Конденсатор хранит энергию в виде Q = C x V . Q означает заряд в кулонах, C — емкость в фарадах, а V — напряжение в вольтах.Таким образом, если мы увеличим емкость, запасенная энергия Q также увеличится.

Единица измерения емкости — Фарад (Ф), названная в честь М. Фарадея. Фарад — единица измерения емкости кулон / вольт. Если мы говорим конденсатор на 1 Фарад, то он будет создавать разность потенциалов в 1 вольт между своими пластинами в зависимости от заряда в 1 кулон.

1 Фарад — конденсатор очень большой емкости для использования в качестве обычного электронного компонента. В электронике, как правило, используется емкость от микрофарад до пикофарад.Микрофарад обозначается как мкФ (1/1000000 Фарад или 10 ^-6 F), нанофарад — как нФ (1/1000000000 или 10 ^-9 F) и Пико фарад — как пФ (1/1000000000000 или 10 ^-12 F). )

Если значение становится намного выше, например, от мФ до нескольких фарад (обычно <10Ф), это означает, что конденсатор может удерживать гораздо больше энергии между своими пластинами, этот конденсатор называется конденсатором Ultra или суперконденсатором .

Энергия, накопленная в конденсаторе, составляет E = ½ CV ² Джоулей.E — запасенная энергия в джоулях, C — емкость в Фарадах, а V — разность потенциалов между пластинами.

Конструкция суперконденсатора

Суперконденсатор — это электрохимическое устройство. Интересно, что нет никаких химических реакций, отвечающих за сохранение его электрической энергии. Они имеют уникальную конструкцию с большой проводящей пластиной или электродом, которые расположены близко друг к другу с очень небольшой площадью поверхности.Его конструкция такая же, как у электролитического конденсатора с жидким или влажным электролитом между электродами. Здесь вы можете узнать о различных типах конденсаторов.

Суперконденсатор действует как электростатическое устройство, накапливая свою электрическую энергию в виде электрического поля между проводящими электродами.

Электроды красный и синий с двусторонним покрытием . Обычно они изготавливаются из графитового углерода в форме углеродных нанотрубок или гелей или из особого типа проводящих активированных углей.

Для блокирования большого потока электронов между электродами и прохождения положительного иона используется пористая бумажная мембрана. Бумажная мембрана также разделяет электроды. Как мы видим на изображении выше, пористая бумажная мембрана расположена посередине и имеет зеленый цвет. Электроды и бумажный разделитель пропитаны жидким электролитом. Алюминиевая фольга используется в качестве токоприемника, который обеспечивает электрическое соединение.

Разделительная пластина и площадь пластин отвечают за значение емкости конденсатора.Отношение можно обозначить как

Где — диэлектрическая проницаемость материала между пластинами

А — площадь пластины

D — расстояние между пластинами

Значит, в случае суперконденсатора площадь контакта нужно увеличить, но есть ограничение. Мы не можем увеличить физическую форму или размер конденсатора. Чтобы преодолеть это ограничение, используются специальные типы электролитов, которые увеличивают проводимость между пластинами, тем самым увеличивая емкость.

Суперконденсаторы, также называемые конденсаторами с двойным слоем . За этим есть причина. Очень маленькое разделение и большая площадь поверхности с использованием специального электролита, поверхностный слой электролитических ионов образует двойной слой. Он создает конструкцию из двух конденсаторов, по одному на каждом углеродном электроде и называемого конденсатором с двойным слоем.

У этих конструкций есть недостаток. Напряжение на конденсаторе стало очень низким из-за напряжения разложения электролита.Напряжение сильно зависит от материала электролита, материал может ограничивать способность конденсатора накапливать электрическую энергию. Таким образом, из-за низкого напряжения на клеммах суперконденсатор может быть подключен последовательно для хранения электрического заряда на полезном уровне напряжения. Из-за этого суперконденсатор, включенный последовательно, производит более высокое напряжение, чем обычно, а параллельно, емкость становится больше. Это можно четко понять с помощью описанной ниже техники построения массива суперконденсаторов.

Конструкция решетки суперконденсаторов

Для сохранения заряда при требуемом полезном напряжении суперконденсаторы должны быть подключены последовательно.А для увеличения емкости их следует подключать параллельно.

Давайте посмотрим на конструкцию массива Суперконденсатора.

На приведенном выше изображении напряжение отдельной ячейки или конденсатора обозначено как Cv, в то время как емкость одиночной ячейки обозначена как Cc. Диапазон напряжения суперконденсатора составляет от 1 В до 3 В, последовательные соединения увеличивают напряжение, а большее количество конденсаторов, включенных параллельно, увеличивает емкость .

Если мы создадим массив, последовательное напряжение будет

  Общее напряжение = Напряжение элемента (Cv) x Количество рядов  

А емкость параллельно будет

  Общая емкость = емкость ячейки (куб. См) x (количество столбцов / количество строк)  

Пример

Нам нужно создать устройство хранения резервных копий, и для этого требуется супер- или суперконденсатор 2,5F с номиналом 6V.

Если нам нужно создать массив с использованием конденсаторов 1F и номиналом 3V, то каковы будут размер массива и количество конденсаторов?

  Общее напряжение = Напряжение элемента x Номер строки 
  Тогда номер строки = 6/3 
  Номер строки = 2  

Означает, что два последовательно соединенных конденсатора будут иметь разность потенциалов 6 В.

Теперь емкость,

  Общая емкость = емкость элемента x (номер столбца / номер строки) 
  Тогда номер столбца = (2.5 х 2) / 1  

Итак, нам нужно 2 строки и 5 столбцов.

Построим массив,

Общее количество энергии, хранящейся в массиве, составляет

.

Суперконденсаторы

хороши для хранения энергии и там, где необходима быстрая зарядка или разрядка. Он широко используется в качестве резервного устройства, где требуется резервное питание или быстрая разрядка. Они также используются в принтерах, автомобилях и различных устройствах питьевой электроники.

,

Суперконденсатор: Суперконденсатор »Электроника

Суперконденсатор или суперконденсатор — это полезная форма конденсатора очень высокой емкости для использования в таких приложениях, как временное отключение питания.

---

Capacitor Tutorial:
Использование конденсатора Типы конденсаторов Электролитический конденсатор Керамический конденсатор Танталовый конденсатор Пленочные конденсаторы Серебряный слюдяной конденсатор Супер конденсатор Конденсатор SMD Технические характеристики и параметры Как купить конденсаторы — подсказки и подсказки Коды и маркировка конденсаторов Таблица преобразования

---

Суперконденсатор — это особая форма конденсатора, обеспечивающая чрезвычайно высокие уровни емкости — иногда до многих фарад.

Суперконденсаторы

могут также называться суперкапсами, ультраконденсаторами, а некоторые типы известны как двухслойные конденсаторы из-за их структуры.

Суперконденсатор или суперконденсатор

Основы технологии суперконденсаторов

Технология суперконденсаторов отличается от технологии обычных конденсаторов. Чтобы достичь сверхвысоких значений емкости, необходимо применить другой подход.

Существует несколько типов технологии суперконденсаторов или ультраконденсаторов, но наиболее широко распространенный из них известен как двухслойный конденсатор DLC.

В суперконденсаторе DLC используется углеродная технология с использованием органического электролита. Эту технологию легче производить, чем другие типы, и поэтому она получила более широкое распространение.

Как и традиционные конденсаторы, суперконденсаторы имеют две металлические пластины. Эти пластины покрыты активированным углем, который представляет собой пористый материал, напоминающий губку. Эти пластины погружены в электролит, содержащий положительные и отрицательные ионы. Одна пластина или электрод с углеродным покрытием является положительной, а другая — отрицательной.Во время зарядки ионы электролита накапливаются на поверхности каждой пластины с углеродным покрытием.

Базовая ячейка конденсатора с двойным слоем суперконденсатора

Когда происходит зарядка, углеродные электроды покрываются двумя слоями заряда, покрывающими их поверхность, и это дает название конденсаторам с двойным слоем. Расстояние между двумя заряженными слоями у электрода чрезвычайно мало, а это означает, что достигаются очень высокие уровни емкости. Кроме того, поскольку на каждом электроде есть слои заряда, в действительности суперконденсатор представляет собой два последовательно соединенных конденсатора, по одному на каждом электроде

Существует два типа конденсаторов с двойным слоем, возникающих в результате различных механизмов накопления заряда:

• Электрический двухслойный конденсатор: EDLC накапливает энергию в двойном слое на границе раздела электрод / электролит.В конденсаторах этого типа материал электрода, используемый для конструкции элемента для первого, в основном представляет собой углеродный материал.
• Электрохимический двухслойный конденсатор или супер / псевдоконденсатор: суперконденсатор поддерживает фарадеевскую реакцию между электродом и электролитом в подходящем потенциальное окно. В этом типе суперконденсатора материал электрода состоит либо из оксидов переходных металлов, либо из смесей углерода и оксидов / полимеров металлов

Для обоих типов конденсаторов электролиты могут быть водными или неводными, в зависимости от конструкции конденсаторной ячейки.

Именно по этой причине суперконденсаторы и конденсаторы с двойным слоем могут продаваться отдельно под разными названиями. Часто конденсаторы с двойным слоем не имеют такого высокого уровня емкости.

Применение суперконденсаторов

Очень высокая емкость суперконденсаторов делает их идеальными для множества различных применений, большинство из которых связаны с источниками питания.

Одно из основных применений — это запасные части для запоминающих устройств, где они позволяют запоминающим устройствам, которые могут зависеть от их источников питания, сохранять данные, даже если питание отключено.

Они также используются в источниках бесперебойного питания, ИБП, где они могут обеспечивать высокие уровни мощности в течение короткого промежутка времени — достаточного для поддержания работы оборудования до тех пор, пока не вернется питание или не начнется резервное питание.

Суперконденсаторы также начинают использоваться в транспортных средствах, чтобы обеспечить возможность увеличения пиковой нагрузки для источника питания. Они также используются в системах рекуперативного торможения, где они сохраняют энергию, рекуперированную во время торможения, для дальнейшего использования.

Суперконденсатор и сравнение батарей

Суперконденсатор и некоторые аккумуляторные технологии конкурируют за некоторые приложения. Стоит взглянуть на сравнение между типичным суперконденсатором и литий-ионной батареей большой емкости, используемой сегодня. Литий-ионная технология была взята для сравнения, потому что это технология аккумуляторов самой высокой плотности, широко распространенная сегодня.

Проведенные сравнения предназначены только для приблизительной оценки, и любое решение должно основываться на точных цифрах, полученных от производителей для рассматриваемых устройств, поскольку технологии в обеих областях стремительно развиваются.

Сравнение суперконденсатора и литий-ионной батареи
Параметр	Суперконденсатор	Литий-ионный
Напряжение элемента	2,3 — 2,7 В	3,6 В
Время зарядки	1–10 секунд	10-60 минут
Срок службы (циклы заряда / разряда)	~ 1 миллион	500–3000
Удельная энергия (Втч / кг)	~ 5	100–200
Удельная мощность (Вт / кг)	до 10 000	1000–3000
Поддержание выходного напряжения	Плохо	Хорошо
Безопасность	Относительно безопасно при злоупотреблении	Менее безопасен и, как известно, в редких случаях взрывается
Стоимость за 1 Втч	~ 20 шт.	~ 1 шт.
Срок службы	~ 10 лет	~ 5 лет
Диапазон рабочих температур	~ -40 до + 65 ° C	~ 0 до + 40 ° C

Суперконденсатор или суперконденсатор

Ограничения суперкапс

Суперконденсатор или ультраконденсатор широко используется во многих областях, а компоненты доступны у многих поставщиков и дистрибьюторов.Однако есть несколько моментов, на которые следует обратить внимание при рассмотрении возможности включения одного в новый дизайн:

• Максимальное напряжение: Максимальное напряжение для ультраконденсаторов. Могут быть изготовлены другие типы конденсаторов для работы при высоких напряжениях, но суперконденсаторы обычно ограничиваются рабочим напряжением в диапазоне 2,5–2,7 В. Их можно изготавливать для работы при напряжении выше 2,8 В, но обнаруживается, что срок службы сокращается.
• Последовательный режим работы: Для достижения более высоких рабочих напряжений суперконденсаторов их можно соединить последовательно. Это уменьшает общую емкость, как в случае с любыми конденсаторами, включенными последовательно. Также, если необходимо последовательно подключить более трех конденсаторов, необходимо применить методы балансировки напряжения. Поскольку токи утечки через конденсаторы, вероятно, будут разными, разделение напряжения на конденсаторах не будет равным, и один или несколько могут войти в положение перенапряжения.
• Саморазряд: Саморазряд суперконденсаторов может быть проблемой при некоторых обстоятельствах. Это происходит из-за используемого электролита, и это означает, что запасенная энергия может уменьшиться на 50% или более в течение примерно месяца. Для сравнения: никелевый аккумулятор (NiCd или NiMH) саморазряжается примерно на 10% или более в месяц, а литий-ионный аккумулятор примерно на 5% в месяц.

Обычно ограничения для суперкапсов не являются серьезной проблемой. Обычно их можно преодолеть в тех областях, где они являются проблемой, а в некоторых они могут не вызывать никаких проблем.

Сводка по конденсатору суперконденсатора

В таблице ниже представлены некоторые характерные особенности некоторых из наиболее широко используемых металлических пленочных конденсаторов, которые можно учитывать при проектировании схем или замене старых компонентов.

Суперконденсатор, сводка суперконденсатора
Параметр	Детали
Диапазон значений	~ 0,1 Фарад вверх
Рабочее напряжение	Обычно 2.5 — 2,8 В

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды транзистор Фототранзистор FET Типы памяти тиристор Соединители Разъемы RF Клапаны / трубки батареи Выключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты». , ,

.

Как работают суперконденсаторы? — Объясни этот материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 22 июля 2020 г.

Если вы думаете, что электричество играет сегодня большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили и системы отопления, работающие на ископаемом топливе, должны будут перейти на электроэнергию. также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофический климат изменение. Электричество — чрезвычайно универсальный вид энергии, но он страдает одним большим недостатком: в спешке складировать относительно сложно.Батареи могут удерживать большое количество энергии, но на то, чтобы заряжать. С другой стороны, конденсаторы заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь крошечные количества энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и отпускать большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров. Что они собой представляют и как работают? Рассмотрим подробнее!

Фото: Стек суперконденсаторов Maxwell, используемых для хранения энергии в электромобилях.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Как можно хранить электрический заряд?

Фото: В типичной угольно-цинковой батарее на заводе хранится электричество, и ее можно разрядить только один раз, прежде чем ее придется выбросить. Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды выбрасываются во всем мире каждый год.

Батареи и конденсаторы выполняют аналогичную работу — хранят электроэнергию, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество называется электролитом. Когда вы включаете питание, химические реакции происходят с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции преобразуют химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти. Как только химические вещества будут исчерпаны, реакции останавливаются и аккумулятор разряжен. В перезаряжаемой батарее, например в литий-ионном блоке питания. в портативном компьютере или MP3-плеере реакция может с радостью бегите в любом направлении — так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз перед заменой батареи.

Фотография: Типичный конденсатор в электронной схеме. В нем хранится меньше энергии, чем в аккумуляторе, но его можно заряжать и разряжать мгновенно, почти любое количество раз. В отличие от батареи, положительный и отрицательный заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы он прилип.Положительные и отрицательные электрические заряды накапливаются на пластинах, и разделение между ними, предотвращающее их соприкосновение, — это то, что сохраняет энергию. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, поэтому можно сказать, что это делает конденсатор более эффективным в качестве устройства для хранения заряда.

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

Что мы можем с этим поделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо за счет использования лучшего материала для диэлектрика или с помощью металлических пластин большего размера. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно колоссальные тарелки. Грозовые, например, это по сути сверхгигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! какой об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между тарелками? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.

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

Что такое суперконденсатор?

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

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных обкладок. Пластины изготовлены из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда.Представьте на мгновение, что электричество — это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вытереть только крошечные пятна, пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсатора — это электрические губки!

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

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

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

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

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

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

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Фотографии: Суперконденсаторы иногда можно использовать как прямую замену батареям.Вот аккумуляторная дрель на базе суперконденсаторов для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавтам-космическим астронавтам не всегда удается дождаться тренировок в течение ночи! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Основная единица электрической емкости называется фарад (F), в честь британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электроэнергии (обычно они измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).Напротив, типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (номинальный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это все еще составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор. Но большим преимуществом суперконденсатора является то, что он может хранить и высвобождать энергия почти мгновенно — намного быстрее, чем батарея.Это потому, что суперконденсатор работает за счет накопления статического электричества. заряжается на твердых телах, в то время как аккумулятор полагается на заряды, медленно производимые в результате химических реакций часто с жидкостями.

Часто сравнивают батареи и суперконденсаторы по их энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова используются как синонимы; В науке мощность — это количество энергии, использованное или произведенное за определенный период времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они запасают больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут быстрее выделять энергию).Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и высвобождения большого количества энергии, но батареи по-прежнему важны для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольта), их можно соединять последовательно (как батареи) для получения более высоких напряжений для использования в более мощном оборудовании.

Поскольку суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и разряжены любое количество раз (спецификации для коммерческих суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).У них небольшое внутреннее сопротивление или оно отсутствует, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. без особых затрат энергии — и работать на очень близких к 100 процентный КПД (обычно 97–98 процентов).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам нужно сохранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы храните в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно тем, что вам нужно.Суперконденсаторы были широко используется в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергия резервуары », сглаживающие подачу питания на электрические и электронное оборудование. Суперконденсаторы также можно подключать к батареи для регулирования мощности, которую они подают.

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

Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать скачкообразную мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно теряет при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, Это означает, что сотни последовательно соединенных суперконденсаторов необходим для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.

Благодаря подобным приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень светлым. Отчет Allied за 2020 год Маркетинговые исследования оценили мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказывали, что достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

,