Superkondenzatorji namesto baterij: naprava, primerjava funkcij, prednosti uporabe, ocene

2024 Avtor: Erin Ralphs | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-02-19 18:24

Zamisel o visoki specifični kapacitivnosti je bila raziskana v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, danes pa je zaradi edinstvene kombinacije zmogljivosti končnega izdelka nov val povečanega zanimanja za to tehnologijo. Danes se na podlagi te tehnologije proizvajajo različne modifikacije superkondenzatorjev in ultrakondenzatorjev, ki se lahko štejejo za polnopravno baterijo. Spodaj prikazani koncepti superkondenzatorjev kažejo, da njihova prihodnja konkurenca z običajnimi baterijskimi sklopi (baterije) ni tako fantastična.

Kaj je superkondenzator?

V bistvu je to optimizirana elektrokemična baterija, izdelana v obliki kompaktnega kondenzatorja. Tudi s površno primerjavo naprave s tipičnoakumulator za avto, lahko izpostavite očitno razliko v velikosti, v praksi pa bodo na plano prišle tudi prednosti v obliki daljše življenjske dobe in moči. Z drugimi besedami, namesto baterij je mogoče uporabiti superkondenzatorje, čeprav z nekaterimi zadržki zaradi omejitev glede akumulacije energetskega potenciala. Takšni odtenki se še vedno pojavljajo zaradi nepopolnosti tehnološkega razvoja ionistorjev, vendar se stanje spreminja pod pritiskom trga z naraščajočimi zahtevami po baterijah.

Oblikovanje in oblikovanje izdelkov

Osnovo tega kondenzatorja tvorita dve elektrodi, med katerimi je tradicionalno nameščen elektrolitski medij. Razlike od baterije je mogoče opaziti v strukturi materialov za izdelavo elektrod, katerih plošče so prevlečene s poroznim aktivnim ogljem. Kar zadeva elektrolit, se lahko v tej vlogi uporabljajo organske in anorganske mešanice. Konstrukcijsko izstopa tudi tehnična rešitev izolacije v strukturi superkondenzatorjev. Namesto baterijskih aluminijastih plošč z dielektrično plastjo se uporabljajo komponente z optimalnimi lastnostmi ionske in elektronske prevodnosti. Če nadaljujemo s konceptom možne uporabe superkondenzatorja kot baterije, bi lahko porozni ogljik deloval kot elektronski prevodnik, raztopina žveplove kisline pa bi lahko delovala kot ionski prevodnik. Na ta način je mogoče zagotoviti optimalno plast ločevanja naboja med elektrodami brez dodatnega vključevanja obsežnih izolatorjev.

Različice superkondenzatorjev

Že danes obstaja več smeri razvoja ionistov. Najbolj opazne in obetavne so naslednje vrste naprav:

• Dvoplastni kondenzatorji. Standardni model, ki uporablja zgoraj omenjene elektrode iz električno prevodnega materiala, in poseben separator se uporablja kot elektrolit. Kopičenje energetskega potenciala nastane kot posledica ločevanja naboja na elektrodah.
• Psevdokondenzatorji. Akumulatorska baterija iz tovrstnega superkondenzatorja je lahko zelo uspešna rešitev, saj ponuja naprednejše načine shranjevanja energije. Prvič, aktivira se načelo Faradayevega mehanizma, ki je povezan s procesi kopičenja energije v običajnih baterijah. In drugič, ohranjena je tudi osnovna shema elektrostatične interakcije med elektrodami v dvojni električni plasti.
• Hibridni kondenzatorji. Vmesni koncept, ki združuje posamezne pozitivne lastnosti baterij in kondenzatorjev. Takšne naprave običajno uporabljajo kombinacijo elektrod iz mešanih oksidov in dopiranih polimerov. Nadaljnji razvoj te smeri je povezan z uporabo kompozitnih materialov, dopolnjenih z ogljikovimi nosilci in prevodnimi polimeri.

Ključne funkcije

Danes je težko govoriti o dobro uveljavljenih kazalnikih delovanja ionistorjev, kertehnologija se nenehno izboljšuje in prilagaja izboljšanju elektrokemijskih virov toka. Toda če vzamemo povprečne podatke o glavnih značilnostih superkondenzatorjev, bodo specifični kazalniki videti tako:

• Čas polnjenja - 1 do 10 sekund
• Število ciklov polnjenja je približno 1 milijon, kar ustreza 30.000 ur.
• Napetost v blok celici - razpon od 2,3 do 2,75 V.
• Energijska intenzivnost - standardna vrednost 5 Wh/kg.
• Moč - približno 10.000 W/kg.
• Trajnost - do 15 let.
• Delovna temperatura -40°C do 65°C.

Primerjava z običajnimi baterijami

Glavna razpoznavna parametra sta stopnja akumulacije energije in stopnja povratka električnega naboja. Zaradi uporabe dvojne plasti električnega potenciala v bližini superkondenzatorja s podobnimi dimenzijami se površina delovne površine elektrod poveča. To pomeni, da lahko govorimo o združevanju najboljših lastnosti baterije in kondenzatorja kot takega. Če primerjamo porazdelitev tokov baterije in superkondenzatorja z obremenitvijo, bo enakomernost volumnov porabljenega toka na splošno enaka, vendar z dvema popravkoma. Med delovanjem akumulatorja je mogoče največji tok premakniti proti elementu, ki se nahaja v spodnjem delu bloka, pri ionistorjih pa bo načeloma potencial manjši zaradi nizke napetosti. Pomembne razlike vključujejo tudi razliko v delovnem viru - superkondenzatorji služijo približno 25-30% dlje časa, da ne omenjamvišja stopnja izvedljivih delovnih ciklov.

Prednosti delovanja superkondenzatorjev

Če na splošno upoštevamo pozitivne učinke uporabe superkondenzatorjev namesto baterij, potem bodo v ospredje naslednje lastnosti:

• Visoka energijska gostota superkondenzatorjev omogoča njihovo uporabo v elektronskih napravah kot kratkotrajni vir energije.
• Varnost okolja. Seveda so v zasnovi še vedno ohranjene elektrokemične komponente, vendar se njihovi toksični učinki nenehno zmanjšujejo.
• Možnost uporabe energije iz obnovljivih virov - vetra, sonca, vode in zemlje.
• Širitev možnosti za strukturno integracijo baterij - na primer za vzdrževanje kompleksnih elektrarn, hibridnih električnih strojev, vozil na vodikov pogon itd.

Vredno je omeniti nekatere prednosti superkondenzatorja v primerjavi z običajnim kondenzatorjem. Malo jih je, vendar je velika zmogljivost za shranjevanje energije bistvenega pomena. Po tem kazalcu vse modifikacije ionistorjev ne morejo tekmovati z baterijami, vendar v primerjavi s kondenzatorji v parametru električne zmogljivosti samozavestno zmagujejo.

Pozitivne ocene superkondenzatorjev

Testiranje in delna uporaba superkondenzatorjev danes potekata v različnih panogah. Kot kažejo ocene o delovanju teh naprav, potrjujejo izjave proizvajalcev o visoki vrednostizanesljivost, okoljska varnost in visoka zmogljivost. Kar je še posebej pomembno z vidika primerjave superkondenzatorjev in baterij, prvi niso tako zahtevni za ustvarjanje posebnih pogojev med fizičnim rokovanjem. Delno je to posledica enake nizke toksičnosti komponent, v večji meri pa je ergonomija delovanja posledica visoke stopnje zaščite ohišja. To pomeni, da uporabniku ni treba zagotoviti posebnih naprav za vzdrževanje superkondenzatorjev v zaprtih pogojih. Majhna teža in optimizirane dimenzije prav tako olajšajo izvajanje rutinskih vzdrževalnih del.

Negativne ocene superkondenzatorjev

V tovrstnih kondenzatorjih so tudi slabosti, ki se jasno kažejo tudi v praksi. Zlasti uporabniki opozarjajo na njihovo nizko gostoto energije, nizko zmogljivost in ne vedno zadostno napetost, zaradi česar je za oskrbo ene ciljne porabniške enote potrebno uporabiti več elementov. Te pomanjkljivosti v marsičem onemogočajo uporabo superkondenzatorjev namesto baterij danes, čeprav je spet verjetno, da bo tehnološki razvoj rešil te težave.

Možnosti za razvoj kondenzatorjev

Po mnenju strokovnjakov in razvijalcev baterij bodo v bližnji prihodnosti povsod uporabljali kondenzatorje nove generacije. To bo mogoče zaradi aktivnega povečanja specifične zmogljivosti naprav. Je vrednododati in izboljšati tehnične in strukturne lastnosti superkondenzatorjev, kar zadeva predvsem dimenzije in težo. Hkrati se že danes organizirajo testiranja ionistorjev z močjo do 2,5 mW. V prihodnosti se bodo takšni sistemi lahko uporabljali pri vzdrževanju prometnih omrežij, industrijskih objektov in stanovanjskih kompleksov.

Sklep

Koncept superkondenzatorja velja za optimalno rešitev v situacijah, ko obstaja kratkoročna potreba po napajanju z napetostjo. Delno je to v nasprotju z idejo o elektrokemičnih baterijah, ki so osredotočene na dolgoročno vzdrževanje moči z določenimi parametri. Toda ali je glede na to operativno lastnost mogoče uporabiti superkondenzator namesto baterije v avtomobilu? Z veliko verjetnostjo bodo napredni avtomobilski koncerni uporabljali kondenzatorje velike zmogljivosti, vendar le v posebnih hibridnih različicah, ki združujejo pozitivne lastnosti superkondenzatorjev kot takih in tradicionalnih elektrokemičnih komponent. Danes se na primer takšne rešitve uporabljajo v obliki kombinacije elektrokemične svinčeve strukture in superkondenzatorja.