Суперкондензатори вместо батерии: устройство, сравнение на функции, предимства при употреба, отзиви

2024 Автор: Erin Ralphs | [email protected]. Последно модифициран: 2024-02-19 12:29

Идеята за висок специфичен капацитет е изследвана през 60-те години на миналия век, но днес има нова вълна от повишен интерес към тази технология, поради уникалната комбинация от експлоатационни свойства на крайния продукт. Днес въз основа на тази технология се произвеждат различни модификации на суперкондензатори и ултракондензатори, които могат да се считат за пълноценна захранваща батерия. Показаните по-долу концепции за суперкондензатор показват, че бъдещата им конкуренция с конвенционалните батерии (батерии) не е толкова фантастична.

Какво е суперкондензатор?

По същество това е оптимизирана електрохимична батерия, направена под формата на компактен кондензатор. Дори и при бегло сравнение на устройството с типичнобатерия за автомобил, можете да подчертаете очевидната разлика в размера, а на практика ползите също ще излязат на повърхността под формата на по-дълъг експлоатационен живот и мощност. С други думи, суперкондензаторите могат да се използват вместо батерии, макар и с известни резерви поради ограничения по отношение на натрупването на енергиен потенциал. Такива нюанси все още се случват поради несъвършенството на технологичното развитие на йонисторите, но ситуацията се променя под натиска на пазара с нарастващите изисквания за батерии.

Дизайн и продуктов дизайн

Основата на този кондензатор се формира от два електрода, между които традиционно се поставя електролитната среда. Разликите от батерията могат да се наблюдават в структурата на материалите за производство на електроди, чиито плочи са покрити с порест активен въглен. Що се отнася до електролита, в това качество могат да се използват органични и неорганични смеси. Конструктивно се откроява и техническото решение на изолацията в структурата на суперкондензаторите. Вместо акумулаторни алуминиеви пластини с диелектричен слой се използват компоненти с оптимални свойства на йонна и електронна проводимост. Ако продължим концепцията за възможното използване на суперкондензатор като батерия, тогава порестият въглерод може да действа като електронен проводник, а разтворът на сярна киселина може да действа като йонен проводник. По този начин може да се осигури оптимален слой за разделяне на заряда между електродите без допълнително включване на обемисти изолатори.

Разновидности на суперкондензатор

Вече днес има няколко посоки в развитието на йонисторите. Най-забележими и обещаващи са следните видове устройства:

• Двуслойни кондензатори. Стандартният модел, който използва гореспоменатите електроди, изработени от електропроводим материал, и специален сепаратор се използва като електролит. Натрупването на енергиен потенциал се получава в резултат на разделяне на заряда върху електродите.
• Псевдокондензатори. Акумулаторна батерия, направена от този тип суперкондензатор, може да бъде много успешно решение, тъй като предлага по-модерни начини за съхранение на енергия. Първо се активира принципът на механизма на Фарадей, свързан с процесите на натрупване на енергия в конвенционалните батерии. И второ, основната схема на електростатично взаимодействие между електродите в двоен електрически слой също е запазена.
• Хибридни кондензатори. Междинна концепция, която съчетава индивидуалните положителни характеристики на батериите и кондензаторите. Такива устройства обикновено използват комбинация от електроди, направени от смесени оксиди и легирани полимери. По-нататъшното развитие на тази посока е свързано с използването на композитни материали, допълнени с въглеродни носители и проводими полимери.

Основни характеристики

Днес е трудно да се говори за добре установените показатели за ефективност на йонисторите, т.к.технологията непрекъснато се усъвършенства и коригира за подобряване на електрохимичните източници на ток. Но ако вземем средните данни за основните характеристики на суперкондензаторите, тогава конкретните индикатори ще изглеждат така:

• Време за зареждане - 1 до 10 секунди
• Броят на циклите на зареждане е около 1 милион, което съответства на 30 000 часа.
• Напрежение в блоковата клетка - диапазон от 2,3 до 2,75 V.
• Енергиен интензитет - стандартна стойност 5 Wh/kg.
• Мощност - около 10 000 W/kg.
• Издръжливост - до 15 години.
• Работна температура -40°C до 65°C.

Сравнение с конвенционалните батерии

Основните отличителни параметри са скоростта на натрупване на енергия и степента на възвръщаемост на електрическия заряд. Поради използването на двоен слой електрически потенциал близо до суперкондензатора с подобни размери, площта на работната повърхност на електродите се увеличава. Тоест можем да говорим за комбиниране на най-добрите свойства на батерията и кондензатора като такъв. Ако сравним разпределението на токовете на батерията и суперкондензатора към товара, тогава равномерността на обемите на консумирания ток като цяло ще бъде идентична, но с две корекции. По време на работа на батерията е възможно да се измести най-големият ток към елемента, разположен в долната част на блока, а при йонисторите по принцип потенциалът ще бъде по-малък поради ниското напрежение. Също така значителните разлики включват разликата в работния ресурс - суперкондензаторите служат приблизително 25-30% по-дълго във времето, да не говоримпо-висок процент на изпълними работни цикли.

Предимства на работещите суперкондензатори

Ако по принцип вземем предвид положителните ефекти от използването на суперкондензатори вместо батерии, тогава следните качества ще излязат на преден план:

• Високата енергийна плътност на суперкондензаторите им позволява да се използват в електронни устройства като краткотраен източник на захранване.
• Безопасност на околната среда. Разбира се, електрохимичните компоненти все още са запазени в дизайна, но техните токсични ефекти непрекъснато намаляват.
• Възможност за използване на енергия от възобновяеми източници - вятър, слънце, вода и земя.
• Разширяване на възможностите за структурно интегриране на батерии - например за поддръжка на сложни електроцентрали, хибридни електрически машини, превозни средства с водородно гориво и др.

Заслужава си да се отбележат някои от предимствата на суперкондензатора спрямо конвенционалния кондензатор. Има малко от тях, но големият капацитет за съхранение на енергия е от основно значение. Според този показател не всички модификации на йонистори могат да се конкурират с батериите, но в сравнение с кондензаторите в параметъра на електрическия капацитет, те уверено печелят.

Положителни отзиви за суперкондензатори

Изпитването и частичното приложение на суперкондензаторите днес се извършват в различни индустрии. Както показват прегледите на работата на тези устройства, те потвърждават твърденията на производителите за високотонадеждност, екологична безопасност и висок капацитет. Това, което е особено важно от гледна точка на сравнението на суперкондензаторите и батериите, е, че първите не са толкова взискателни, за да създават специални условия по време на физическо боравене. Това отчасти се дължи на същата ниска токсичност на компонентите, но в по-голяма степен ергономичността на работа се дължи на високата степен на защита на корпуса. Тоест потребителят не трябва да предоставя специални устройства за поддръжка на суперкондензатори в херметично състояние. Ниското тегло и оптимизираните размери също улесняват извършването на рутинни операции по поддръжка.

Отрицателни отзиви за суперкондензатори

В този вид кондензатори също има слабости, които също се проявяват ясно на практика. По-специално потребителите посочват тяхната ниска енергийна плътност, ниска производителност и не винаги достатъчно ниво на напрежение, което налага използването на няколко елемента за обслужване на един целеви потребителски блок. В много отношения тези недостатъци възпрепятстват използването на суперкондензатори вместо батерии днес, въпреки че, отново, технологичното развитие е по-вероятно да реши тези проблеми.

Перспективи за развитие на кондензатори

Според експерти и разработчици на батерии, в близко бъдеще кондензатори от ново поколение ще се използват навсякъде. Това ще стане възможно благодарение на активното увеличаване на специфичния капацитет на устройствата. Заслужава сидобавяне и подобряване на техническите и структурни характеристики на суперкондензаторите, което се отнася преди всичко на размерите и теглото. В същото време днес вече се организират тестове на йонистори с мощност до 2,5 mW. В бъдеще такива системи могат да се използват при поддръжката на транспортни мрежи, промишлени съоръжения и жилищни комплекси.

Заключение

Концепцията за суперкондензатор се счита за оптимално решение в ситуации, при които има краткосрочна нужда от захранване със зареждане под напрежение. Отчасти това е в противоречие с идеята за електрохимични батерии, които са насочени към дългосрочно поддържане на мощност с определени параметри. Но възможно ли е да се използва суперкондензатор вместо батерия в кола, като се има предвид тази оперативна функция? С голяма степен на вероятност напредналите автомобилни концерни ще използват кондензатори с голям капацитет, но само в специални хибридни версии, които съчетават положителните качества на суперкондензаторите като такива и традиционните електрохимични компоненти. Например днес такива решения се използват под формата на комбинация от електрохимична оловно-киселинна структура и суперкондензатор.