Суперконденсатор что такое: что это, зачем и где применяется / Хабр

Содержание

что это, зачем и где применяется / Хабр

Энергетика — крайне интересная сфера, которая развивается бурными темпами много лет подряд. На Хабре публикуются самые разные статьи об альтернативных источниках энергии, аккумуляторных батареях от Маска, электромобилях и т.п.

Но есть одна тема, которая затрагивается не так уж и часто. Речь идет о суперконденсаторах. Им как раз посвящена эта статья, в ней раскрывается суть суперконденсатора, сферы применения, плюс описываются кейсы из разных отраслей — промышленности, транспорта и т.п., где используются эти системы.

Суперконденсатор, что ты такое?

Все мы знаем, что такое аккумулятор — это источник постоянной мощности, ограниченный током разряда. Батареи бывают большие и маленькие, применяются они крайне широко — от транспорта до игрушек.

Но эта статья посвящена суперконденсаторам, так что пришло время рассказать о них. Так вот, любой суперконденсатор — это источник не постоянной, а импульсной мощности. Она ограничена лишь эквивалентным внутренним сопротивлением, которое позволяет элементу работать, фактически, на токах короткого замыкания.

Но при этом, в отличие от аккумулятора, это источник кратковременных, хотя и мощных импульсов энергии. Соответственно, и используются суперконденсаторы там, где нужна большая мощность на небольшой срок.

Суперконденсаторы называют еще ионисторами. Эти элементы состоят обычно из двух погруженных в электролит электродов и сепаратора. Последний нужен для того, чтобы не допустить перемещение заряда между двумя электродами с противоположной полярностью.

У суперконденсаторов два положительных свойства — высокая мощность и низкое внутренне сопротивление, чем они и отличаются от конденсаторов и аккумуляторных батарей. Чаще всего материал электрода суперконденсаторов — активный углерод, у которого две важные особенности, включая очень большую площадь поверхности и небольшое расстояние между разделенными зарядами.

Еще один положительный момент — длительный срок хранения и продолжительный срок службы суперконденсаторов. Все это — благодаря особенностям накопления энергии. Так, суперконденсаторы работают за счет разделения зарядов. Этот процесс легко обратим, так что отдавать энергию суперконденсаторы могут действительно быстро.

Теперь немного об определении характеристик суперконденсаторов. В отличие от аккумуляторов, где основная характеристика — это емкость, измеряемая в Ампер-часах, у суперконденсаторов это Фарад. Вот формула, которая позволяет определить энергию суперконденсатора:

Энергия (Дж) = 1/2*Емкость (Ф) * Напряжение в квадрате (В)

Есть несколько видов суперконденсаторов:

Двойнослойные, или ДСК.

Псевдоконденсаторы.

Гибридные конденсаторы.

В первом случае система состоит из двух пористых электродов, разделенных заполненным электролитом сепаратором. Запас энергии идет за счет разделения заряда на электродах с очень большой разностью потенциалов.

Во втором — система включает два твердых электрода и базируется на двух механизмах сохранения энергии. Это фарадеевские процессы и электростатическое взаимодействие.

Третий вариант — переходный между конденсаторами и аккумуляторами. Электроды здесь выполнены из разных материалов, а накопление заряда осуществляется благодаря разным механизмам.

Где могут использоваться суперконденсаторы?

Вполне логичный ответ — в отраслях, где нужно отдавать энергию быстро и в большом объеме. В частности, это может быть:

Альтернативная энергетика, накопление энергии при помощи топлива, волн ветра и солнца.

Транспортные системы — это может быть запуск двигателя машин, гибридные электрические транспортные средства, локомотивы и т.п.

Накопители энергии в домохозяйствах — например, там, где используются фотоэлементы или ветрогенераторы.

Электронные устройства, где суперконденсаторы используются в качестве источника кратковременного питания.

ИБП — как небольшого размера, так и очень большие. В системах бесперебойного электропитания суперконденсаторы можно использовать совместно с топливными элементами и другими источниками.

Традиционная энергетика, в сферах, где неизбежны критические нагрузки, но где требуется бесперебойная работа всего и вся. Это могут быть аэропорты, вышки связи, больницы и т.п.

Электронные устройства разного размера и мощности.

Что касается ветроэнергетики и солнечной энергетики, то суперконденсаторы здесь стоит использовать для развертывания гибридных систем накопления энергии, которые включают в себя как накопитель на Li-Ion батареях, так и накопитель на основе суперконденсаторов.

Примеры

Их можно привести большое количество, но разумно будет ограничиться тремя наиболее показательными.

Частотно-регулируемый электропривод. Здесь суперконденсаторы нужны при просадках напряжения и кратковременном, не более 10 секунд, блэкауте. Такие приводы используются на участках непрерывного технологического цикла на производственных объектах. Кроме того, суперконденсаторы стоит использовать на предприятии и в системах, которые снабжают объект газом, водой, теплом и энергией, т.п. на компрессорных станциях, в котельных, насосных станциях и т.п.

Источник бесперебойного питания. В этом случае суперконденсаторы дают возможность компенсировать провалы напряжения, которые приводят к проблемам с непрерывностью технологических процессов. Здесь речь идет о крупных объектах, включая промышленность и разного рода инфраструктуру — например, транспортную.

Суперконденсаторы, в частности, используются на заводе Skoda в Чехии, а именно — роботизированном цехе по покраске корпусов автомобилей. Если процесс окрашивания по какой-либо причине остановится, потом корпус придется возвращать в начало цикла.

Регулирование выходной мощности турбин ветрогенераторов. Большая проблема альтернативной энергетики — сложность поддержания выходной мощности турбин на одном уровне. Чем выше скорость ветра и сам он мощнее, тем больше вырабатывается энергии. Чем ниже, соответственно — тем энергии меньше. В итоге выходная мощность турбин может меняться, и очень значительно.

В этом случае суперконденсатор может помочь, причем сразу несколькими способами:

Поддержание электропитания на прежнем уровне на время кратковременного пропадания напряжения.

Обеспечение стабилизации частоты и напряжения в передающих и распределительных сетях с высокой концентрацией возобновляемых источников энергии.

Производят ли суперконденсаторы в России?

Да, на Хабре еще несколько лет назад публиковалась новость о том, что в НИТУ «МИСис» разработала технологию, которая открыла возможность отечественной компании запустить производство суперконденсаторов.

Так, в 2017 году компания ТЭЭМП запустила в г. Химки производство высокоэффективных суперконденсаторов и модулей на их основе. При этом все это — чисто российские разработки. ТЭЭМП, к слову, производит плоские единичные элементы в ламинированном корпусе, который может использоваться в химических источниках тока с органическими электролитами: суперконденсаторах, литий-ионных аккумуляторах, металло-воздушных источниках тока.

При этом, ТЭЭМП производит ячейки собственной запатентованной конструкции – призматическая ячейка с токосъемом по всей ее поверхности. И сделано это не для того, чтобы показать свою уникальность, а чисто с практической точки зрения – распределенный по всей поверхности токосъем обеспечивает равномерность тепловых полей, тем самым замедляя процесс деградации и продлевая срок службы суперконденсатора.

Продукция «ТЭЭМП» уникальна по многим параметрам. Суперконденсаторные модули компании успешно работают при температурах до -60°С. Они отличаются низким внутренним сопротивлением, а значит, способны обеспечить большие импульсные токи. Собственная конструкция ячеек и модулей позволяет снизить массу и размер суперконденсаторной сборки на 30% по сравнению с аналогичными устройствами.

В сухом остатке

В качестве вывода можно подвести итоги, указав преимущества и недостатки суперконденсаторов. Некоторые из них упоминались выше, но сейчас стоит перечислить все это отдельно.

Итак, достоинства:

Относительно невысокая стоимость устройства накопления энергии в расчете на 1 Фарад.

Крайне высокая плотность мощности.

Высокий КПД цикла, который достигает 95% и выше.

Надежность, длительный срок службы.

Широкий диапазон рабочих температур.

Огромное количество циклов с неизменными параметрами.

Высокая скорость заряда и разряда.

Допустимость разряда до нуля.

Относительно небольшой вес.

Недостатки:

Относительно небольшая энергетическая плотность.

Высокая степень саморазряда. Небольшое напряжение из расчета на единицу элемента.

Достоинств все же больше, чем недостатков, и благодаря этому технология активно внедряется во все большее количество отраслей. Сейчас удельная емкость суперконденсаторов увеличивается, а время заряда — наоборот, снижается. При достижении определенного предела можно будет говорить о полной замене аккумуляторов на суперконденсаторов в некоторых сферах, что, в целом, уже и происходит.

Суперконденсаторы. Устройство и применение. Виды и работа

Суперконденсаторы — это электрохимические конденсаторы, которые существенно отличаются от обычных практически неограниченной долговечностью, более низкими потерями тока и большими значениями удельной мощности. При этом они имеют на порядок меньшие габариты. То есть это батарея нового поколения, которая сможет открыть многочисленные перспективы в энергетике. В первую очередь большой интерес к суперконденсаторам вызван возможностью замены ими батарей, а также создания гибких источников питания большой мощности.

Стратегической задачей для ученых является создание батарей высокой емкости, которые можно было бы использовать в разных областях, к примеру, для электромобилей. Это позволит обеспечить поездки на длительные дистанции и быструю зарядку батарей. Также это гарантирует более экономичную работу возобновляемых источников энергии путем аккумулирования избытков энергии: ветроэнергетические установки, солнечные батареи и так далее.

Виды

Суперконденсатор – это тот же аккумулятор, но на порядок с лучшими свойствами. В первую очередь это относится к существенно более быстрому заряду и разряду. Суперконденсатор представляет элемент с двумя электродами, между ними располагается электролит. Электроды выполнены в виде пластины из определенного материала. Для улучшения электрических параметров суперконденсатора, пластины могут дополнительно покрываться пористым материалом, к примеру, активированным углем. В качестве электролита может применяться неорганическое или органическое вещество.

В целом суперконденсатор – это гибрид химической аккумуляторной батареи и обычного конденсатора:

Главное отличие суперконденсатора от привычного конденсатора — в наличии у первого не просто диэлектрика между электродами, а двойного электрического слоя. В результате между электродами образуется очень маленькое расстояние, а его возможность накапливать электрическую энергию (электрическая емкость) получается намного выше.
Кроме этого суперконденсатор от аккумуляторной батареи отличается скоростью накапливания, а также степенью отдачи электрического заряда. Благодаря применению двойного электрического слоя повышается площадь поверхности электродов при тех же общих габаритах. То есть в устройстве сочетаются лучшие электрические характеристики – существенная емкость аккумулятора и скорость конденсатора.

Впервые о суперконденсаторе заговорили в 1962 году. Именно тогда химик американской компании Standard Oil Company Роберт Райтмаер подал заявку на патент, где подробно расписывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, который обладал «двойным электрическим слоем». В предлагаемом варианте акцент делался на материал обкладок. У электродов должна быть различная проводимость: один электрод должен иметь электронную проводимость, а другой – ионную. В результате при заряде конденсатора происходило разделение положительных центров и электронов в электронном проводнике, а также разделение анионов и катионов в ионном проводнике.

В 1971 году лицензия досталась японской компании NEC, которая к этому времени занималась всеми направлениями электронной коммуникации. NEC удалось успешно продвинуть технологию под названием «Суперконденсатор». Затем суперконденсаторами стали заниматься и другие компании. С 2000-х годов активное развитие технологии началось во многих странах мира.

Суперконденсаторы сегодня подразделяются на:

Двойнослойные конденсаторы (ДСК).
Псевдоконденсаторы.
Гибридные конденсаторы.

Двойнослойный суперконденсатор предполагает наличие двух пористых электродов, выполненных из электропроводящих материалов, а также разделенных заполненным электролитом сепаратором. Здесь процесс запасания энергии идет за счет разделения заряда на электродах с весьма большой разностью потенциалов между ними. Электрический заряд двойнослойных конденсаторов определяется непосредственно емкостью двойного электрического слоя, то есть отдельного конденсатора на поверхности каждого электрода. Между собой они соединяются последовательно посредством электролита, который является проводником с ионной проводимостью.

Псевдоконденсаторы уже ближе к перезаряжаемым аккумуляторам. В них имеются два твердых электрода. Принцип действия сочетает два механизма сохранения энергии: фарадеевские процессы, которые схожи с процессами, происходящими в батареях и аккумуляторах, а также электростатическое взаимодействие, свойственное конденсаторам с двойным электрическим слоем. Приставка «псевдо» появилась вследствие того, что емкость ДЭС зависит не только от электростатических процессов, но и быстрых фарадеевских реакций с переносом заряда.

Гибридные конденсаторы – это переходный вариант между конденсатором и аккумулятором. Слово «гибридные» обусловлено тем, что электроды в гибридных конденсаторах производятся из различных материалов, а накопление заряда осуществляется по разным механизмам. Большинством случаев в гибридных конденсаторах катодом является материал с псевдоемкостью. В результате аккумулирование заряда на катоде осуществляется вследствие окислительно-восстановительных реакций, что увеличивает удельную емкость конденсатора, а также расширяет область рабочих напряжений.

В гибридных конденсаторах часто применяют комбинацию электродов из допированных проводящих полимеров и смешанных оксидов. Весьма перспективными могут стать композиционные материалы, которые состоят из оксидов металлов, осажденных на проводящие полимеры или углеродные носители.

Принцип действия

Суперконденсаторы, как высокоемкие конденсаторы, производят накопление энергии электростатическим способом, поляризуя раствор электролита. При накоплении энергии в суперконденсаторе химические реакции не задействуются, хотя суперконденсатор является электрохимическим устройством. В силу высокой обратимости механизма накопления энергии, конденсаторы способны тысячи раз заряжаться и разряжаться.

Суперконденсатор – электрохимический конденсатор, который имеет способность накапливать чрезвычайно большое количество энергии по отношению к его размеру, а также в сравнении с традиционным конденсатором. Данное свойство суперконденсатора особенно интересно в создании гибридных транспортных средств в автомобильной промышленности, в том числе в производстве машин на аккумуляторной электротяге, в которых суперконденсаторы применяются в виде дополнительного накопителя энергии.

В большинстве случаев, в суперконденсаторе действуют два активных электрода, которые разделены непроводящим материалом, размещенным между металлическими токовыми коллекторами. Органический или водный электролит пропитывает пористые электроды, обеспечивая появление носителей заряда в устройстве с последующим его накоплением.

Применения и особенности

Области применения суперконденсаторов могут быть поделены на следующие направления:

Накопительные устройства для источников возобновляемой энергии, к примеру, топливных элементов, океанской волны, ветра и солнца.
Транспортные средства, к примеру, устройства запуска двигателя машин, гибридные электрические транспортные средства, автомобили на водородном топливе, локомотивы поездов.
Как накопители энергии в жилищном секторе, к примеру, в зданиях с солнечными фотоэлектрическими системами, в которых имеется необходимость в аккумуляторах с повышенными характеристиками.
Благодаря высокой плотности энергии и удельной емкости, суперконденсаторы применяются в электронных устройствах в виде источника кратковременного электропитания.
В системах бесперебойного электропитания. Достоинством является то, что они в критических областях применения обеспечивают мгновенную мощность.
Среди развивающихся областей суперконденсаторы находят применение в системах бесперебойного электропитания с топливными элементами.
В устройствах демпфирования пиковой нагрузки, а также запуска двигателя.
Электроэнергетика с критическими нагрузками, коммуникации аэропортов, вышки беспроводной связи, банковские центры, больницы.
Источник резервного питания для материнских плат, микропроцессоров и запоминающих устройств.
Мобильные телефоны.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств суперконденсаторов можно отметить:

Низкая стоимость устройства накопления энергии в расчете на 1 фарад.
Высочайшая плотность емкости.
Высокий кпд цикла, который достигает 95% и выше.
Длительный срок службы.
Надежность устройства.
Экологическая безопасность.
Бесперебойная эксплуатация.
Весьма высокая удельная энергия и удельная мощность.
Широкий диапазон рабочих температур.
Большое количество циклов практически с неизменными параметрами.
Высокая скорость заряда и разряда.
Сниженная токсичность применяемых материалов.
Отличная обратимость механизма накопления энергии.
Допустимость разряда до нуля.
Малый вес в сравнении с электролитическими конденсаторами.

Среди недостатков суперконденсаторов можно отметить:

Относительно малая энергетическая плотность.
Не способность обеспечить достаточное накопление энергии.
Весьма низкое напряжение на одну единицу элемента.
Высокая степень саморазряда.
Недостаточное развитие технологий.

Суперконденсаторы в перспективе

В ближайшем будущем суперконденсаторы станут применять повсеместно. Многообещающими областями для суперконденсаторов могут стать медицинская и авиакосмическая промышленность, военная техника:

При разработке суперконденсаторов все больше повышается их удельная емкость. В результате во многих технических сферах произойдет полная замена аккумуляторов на конденсаторы.
Произойдет интегрирование суперконденсаторов в самые разные структуры: от электроники до всевозможных настроек. Появится умная одежда с использованием этих устройств. Конденсаторы обеспечивают экологически чистый метод экономии энергии, поэтому они имеют больше возможностей для передачи и хранения энергии в сравнении с иными энергосберегающими технологиями.
Повсеместное использование суперконденсаторов: автомобили, трамваи, автобусы, электроника, в особенности смартфоны и другая мобильная техника. Зарядка будет занимать секунды, а запасаемой энергии будет хватать надолго.

Как работают суперконденсаторы? — Объясните это.

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 4 апреля 2022 г.

Если вы думаете, что электричество сегодня играет большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили, работающие на ископаемом топливе, и отопление домов должны будут перейти на электроэнергию.
также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофические климатические
сдача. Электричество — чрезвычайно универсальная форма энергии, но
имеет один большой недостаток: его относительно трудно хранить в спешке.
Аккумуляторы могут хранить большое количество энергии, но на это уходят часы.
заряжать. Конденсаторы, напротив, заряжаются почти мгновенно, но
хранят лишь незначительное количество энергии. В нашем электрическом будущем
когда нам нужно хранить и высвобождать 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 они работают?
Давайте посмотрим поближе!

Фото: Стек суперконденсаторов Maxwell, используемых для накопления энергии в электромобилях. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии), NREL image id#46619.

Содержимое

Как сохранить электрический заряд?
Что такое суперконденсатор?
Чем суперконденсаторы отличаются от батарей и обычных конденсаторов?
Для чего используются суперконденсаторы?
Узнать больше

Как сохранить электрический заряд?

Батареи и конденсаторы выполняют одинаковую работу — накапливают электричество, — но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электрода), разделенные химическим
вещество, называемое электролитом. Когда вы включаете питание,
происходят химические реакции с участием как электродов, так и
электролит. Эти реакции превращают химические вещества внутри
батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они
идти. Как только все химические вещества будут израсходованы, реакции остановятся и
батарея разряжена. В перезаряжаемой батарее, такой как литий-ионный блок питания, используемый
в портативном компьютере или MP3-плеере реакции могут
с удовольствием бегают в любом направлении, так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни
раз, прежде чем батарея потребует замены.

Фото: Типичная угольно-цинковая батарея имеет накопленное на заводе электричество и может быть разряжена только один раз, прежде чем ее придется выбросить. Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — каждый год во всем мире выбрасываются миллиарды таких батарей.

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 немного напоминает трение воздушного шара о свитер.
чтобы он прилип. Положительные и отрицательные электрические заряды накапливаются на пластинах, а расстояние между ними, препятствующее их соприкосновению, накапливает энергию. Хороший диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, чем конденсатор с худшим диаметром, поэтому можно сказать, что он делает конденсатор более эффективным в качестве устройства накопления заряда.

Фото: Типичные электролитические конденсаторы в электронной схеме. Каждая из них хранит в несколько раз меньше энергии, чем батарея, но может мгновенно заряжаться и разряжаться почти любое количество раз. В отличие от батареи, положительные и отрицательные заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

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

Можем ли мы что-нибудь с этим сделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию
конденсатор будет хранить либо с использованием лучшего материала для
диэлектрика или с использованием больших металлических пластин. Для хранения значительного количества
энергии, вам нужно будет использовать абсолютно огромные тарелки. Грозовые тучи,
например, являются сверхгигантскими конденсаторами, которые хранят
огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! какая
об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала
между плитами? Изучение этого варианта привело ученых к разработке
суперконденсаторы в середине 20 века.

Художественное произведение: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто изготавливаются 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 моментами: его пластины фактически 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 взаимозаменяемые, между ними есть разница: обычно они построены из разных материалов и структурированы немного по-разному, поэтому они хранят разное количество энергии. Для целей этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор имеет две разделенные пластины. Пластины изготовлены из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения большего количества заряда. Представьте на мгновение, что электричество — это вода: если обычный конденсатор похож на ткань, которая может убрать лишь крошечную каплю жидкости, то пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсаторов — электрические губки!

А разделитель 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 регулятор настройки внутри радиоприемника). Когда конденсатор заряжается, на одной пластине образуются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в направлении, противоположном полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это показано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Рисунок: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синяя и красная), разделенных изолирующим 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 хранить больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: Суперконденсаторы хранят больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых, обычно углеродсодержащих материалов, пропитанных электролитом. Пластины фактически имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность хранить гораздо больше заряда.

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

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшего расстояния 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 материаловедении
привели к разработке гораздо более эффективных пластин из таких материалов, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием
нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы отличаются от батарей и обычных конденсаторов?

Фотографии: Иногда суперконденсаторы могут использоваться в качестве прямой замены батарей. Вот беспроводная дрель, работающая от батареи суперконденсаторов, для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавты, выходящие в открытый космос, не всегда могут ждать всю ночь, чтобы начать свои тренировки! Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Основная единица измерения электрической емкости называется фарад (Ф) в честь британского химика и физика-первопроходца.
Майкл Фарадей (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электричества (их обычно измеряют в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарад), нанофарадами (миллиардными долями фарад),
или пикофарады (триллионные доли фарада). Напротив, типичный суперконденсатор может накапливать заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (оценивается в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют номинальную емкость до нескольких тысяч фарад. Это по-прежнему составляет лишь часть (может быть, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор.
батарея. Но большое преимущество суперконденсатора в том, что он может хранить и отдавать
энергию почти мгновенно — гораздо быстрее, чем батарея.
Это потому, что суперконденсатор работает, создавая статические электрические заряды.
заряды на твердых веществах, в то время как батарея основана на зарядах, которые медленно производятся в результате химических реакций,
часто с участием жидкостей.

Батареи и суперконденсаторы часто сравнивают по энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова взаимозаменяемы; в науке мощность — это количество энергии, используемой или произведенной за определенный промежуток времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут выделять энергию быстрее). Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого накопления и высвобождения больших объемов энергии, но батареи по-прежнему являются основными для хранения больших объемов энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низком напряжении (возможно, 2–3 вольта), их можно соединить последовательно (как батареи) для получения более высокого напряжения для использования в более мощном оборудовании.

Поскольку суперконденсаторы работают электростатически, а не через
обратимые химические реакции, они теоретически могут быть заряжены и
разряжаться любое количество раз (листы спецификаций для коммерческих
суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).
У них мало или нет внутреннего сопротивления, что означает, что они накапливают и выделяют энергию.
не потребляя много энергии и работая на скорости, близкой к 100
процентная эффективность (97–98% обычно).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам необходимо хранить разумное количество энергии в течение относительно короткого
времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы
хранить в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор,
суперконденсатор может быть именно то, что вам нужно. Суперконденсаторы были
широко используются в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергетические
резервуары», которые сглаживают подвод электроэнергии к электрическим и
электронное оборудование. Суперконденсаторы также могут быть подключены к
батареи для регулирования мощности, которую они обеспечивают.

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

Одним из распространенных применений являются ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сгладить прерывистую мощность, подаваемую ветром. В электрических и гибридных
транспортные средства, суперконденсаторы все чаще используются в качестве временных
запасы энергии для рекуперативного торможения (где
Энергия, которую транспортное средство обычно расходует при остановке, ненадолго сохраняется и
затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Моторы, которые управляют
электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт,
что означает, что сотни суперконденсаторов, соединенных последовательно,
необходимо для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном
тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А
Отчет Allied за 2020 г.
Market Research оценил мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказал, что
достигнет 16,95 млрд долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

Узнайте больше

На этом сайте

Батарейки
Конденсаторы
Электричество
Рекуперативные тормоза

Книги

Суперконденсаторы: материалы, системы и приложения М. Олис Скибио, Б. Вишванатан. Elsevier, 2020. Исследует проблему разработки суперконденсаторов через призму материаловедения: из каких материалов получаются лучшие электроды и электролиты?
Суперконденсаторы: материалы, системы и приложения Франсуа Бегена и Эльжбеты Фраковяк (редакторы). John Wiley & Sons, 2013. Всесторонний текущий обзор электрохимии и применения суперконденсаторов.
Электрохимические суперконденсаторы для хранения и доставки энергии: основы и применение Айпинг Ю, Виктор Шабо и Цзюцзюнь Чжан. CRC Press, 2013. В этой книге большое внимание уделяется практическим применениям, а также истории, производству, будущим задачам и направлениям исследований.
Электрохимические суперконденсаторы: научные основы и технологические приложения, Б. Э. Конвей. Springer, 1999. Объясняет основы науки о двухслойных конденсаторах и различиях между суперконденсаторами и батареями, прежде чем рассматривать такие области применения, как электромобили и компьютерная память.

Статьи

Превращение кирпичей в суперконденсаторы Мария Галлуччи, IEEE Spectrum, 13 августа 2020 г. Как превратить обычные кирпичи в накопители энергии с помощью простого полимерного покрытия.
Мыло, моющие средства и даже слабительные могут зарядить альтернативу аккумулятору, СяоЧжи Лим, IEEE Spectrum, 22 августа 2019 г. Как новые электроды могут помочь суперконденсаторам увеличить их емкость накопления энергии.
Напечатанный на 3D-принтере графеновый аэрогель обеспечивает самую высокую емкость для суперконденсатора от Dexter Johnson. IEEE Spectrum, 23 октября 2018 г.
Прорыв в хранении энергии может сократить время зарядки электромобилей Адам Вон, The Guardian, 26 февраля 2018 г. Могут ли суперконденсаторы с быстрой зарядкой революционизировать срок службы «аккумуляторов» в электромобилях?
Нановолокна могут придать аккумуляторным электродам необходимое ускорение от Декстера Джонсона. IEEE Spectrum, 29 сентября 2017 г.

Цветок можно использовать как суперконденсатор: Physics World, 28 февраля 2017 г. Шведские ученые, которые превратили розу в транзистор, теперь использовали аналогичные идеи для создания суперконденсатора.
Как микроскопический суперконденсатор будет перезаряжать мобильную электронику Махер Ф. Эль-Кади и Ричард Б. Канер. IEEE Spectrum, 28 сентября 2015 г. Крошечные плоские графеновые суперконденсаторы могут привести к большому прогрессу в
микроэлектроники, что делает повседневные гаджеты меньше, дешевле и с гораздо более длительным временем автономной работы.
Supercapacitors делают огромный скачок в производительности Декстер Джонсон, IEEE Spectrum, 28 мая 2015 г. Корейские ученые добились четырехкратного увеличения плотности энергии для суперконденсаторов на основе графена.
Ученые должны перестать путать аккумуляторы и суперконденсаторы, утверждают эксперты, Прачи Патель, IEEE Spectrum, 18 марта 2014 г. Почему переупаковывать аккумуляторы в суперконденсаторы неправильно и бесполезно.
Графеновый суперконденсатор бьет рекорд по хранению, Belle Dumé, Physics World, 26 ноября 2010 г. Как исследователи построили суперконденсатор на основе графена с плотностью энергии, аналогичной никель-металлогидридным батареям.
«UltraBattery» может поставить гибрид в каждый гараж, Мэтью Феникс, Wired, 25 января 2008 г. Как сочетание старомодных свинцово-кислотных аккумуляторов и суперконденсаторов может сэкономить на эксплуатационных расходах в гибридных автомобилях.

Патенты

В патентах вы найдете более глубокие технические детали; вот небольшая, но репрезентативная выборка:

US20180197690A1: многослойные графеновые пленки, устройства накопления энергии с использованием многослойных графеновых пленок в качестве электродов, а также методы производства многослойных графеновых пленок и устройств накопления энергии Донг-Вук Ли и др. , Samsung, 12 июля 2018 г. Суперконденсатор на основе графена имеет электроды, которые тоньше, дешевле и более гибкие, чем электроды на основе более ранних материалов, таких как оксид индия-олова (ITO).
US6697249B2: Суперконденсатор и способ изготовления такого суперконденсатора, Юрий Малетин и др., FOC Frankenburg Oil Co, 24 февраля 2004 г. В этой конструкции электроды изготовлены из порошков наноструктурированного углерода (SNC).
US6187061: Структура суперконденсатора и способ ее изготовления, Гленн Г. Аматуччи и др., Telcordia, 13 февраля 2001 г. Суперконденсатор на основе композитных электродов с полимерной матрицей.
US5426561A: Ультраконденсаторы и суперконденсаторы с высокой плотностью энергии и высокой плотностью мощности, авторы Шиао-Пин С. Йен и Кэрол Р. Льюис, НАСА, 20 июня 1995. Описано использование тонкополимерных электродов.