Superkondenzátory namiesto batérií: zariadenie, porovnanie funkcií, výhody použitia, recenzie

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-02-19 18:22

Myšlienka vysokej špecifickej kapacity bola skúmaná v 60-tych rokoch 20. storočia, no dnes je tu nová vlna zvýšeného záujmu o túto technológiu vďaka jedinečnej kombinácii výkonnostných vlastností konečného produktu. Dnes sa na základe tejto technológie vyrábajú rôzne modifikácie superkondenzátorov a ultrakondenzátorov, ktoré možno považovať za plnohodnotnú napájaciu batériu. Koncepty superkondenzátorov uvedené nižšie ukazujú, že ich budúca konkurencia s konvenčnými batériami (batériami) nie je taká fantastická.

Čo je superkondenzátor?

V podstate ide o optimalizovanú elektrochemickú batériu vyrobenú vo forme kompaktného kondenzátora. Aj pri letmom porovnaní zariadenia s typickýmbatérie do auta zvýrazníte zjavný rozdiel vo veľkosti a v praxi vyjdú na povrch aj výhody v podobe dlhšej životnosti a výkonu. Inými slovami, superkondenzátory môžu byť použité namiesto batérií, aj keď s určitými výhradami kvôli obmedzeniam z hľadiska akumulácie energetického potenciálu. K takýmto nuansám stále dochádza v dôsledku nedokonalosti technologického vývoja ionistorov, avšak situácia sa mení pod tlakom trhu s jeho rastúcimi požiadavkami na batérie.

Dizajn a produktový dizajn

Základ tohto kondenzátora tvoria dve elektródy, medzi ktorými je tradične umiestnené elektrolytické médium. Rozdiely oproti batérii možno pozorovať v štruktúre materiálov na výrobu elektród, ktorých platne sú potiahnuté poréznym aktívnym uhlím. Pokiaľ ide o elektrolyt, v tejto kapacite sa môžu použiť organické a anorganické zmesi. Konštrukčne vyniká aj technické riešenie izolácie v štruktúre superkondenzátorov. Namiesto batériových hliníkových platní s dielektrickou vrstvou sú použité komponenty s optimálnymi vlastnosťami iónovej a elektronickej vodivosti. Ak budeme pokračovať v koncepte možného použitia superkondenzátora ako batérie, potom by pórovitý uhlík mohol dobre pôsobiť ako elektronický vodič a roztok kyseliny sírovej by mohol pôsobiť ako iónový vodič. Týmto spôsobom je možné zabezpečiť optimálnu vrstvu separácie náboja medzi elektródami bez dodatočného zahrnutia objemných izolátorov.

Rôzne superkondenzátory

Už dnes existuje niekoľko smerov vývoja ionistorov. Najvýraznejšie a najsľubnejšie sú tieto typy zariadení:

• Dvojvrstvové kondenzátory. Ako elektrolyt sa používa štandardný model, ktorý používa vyššie uvedené elektródy z elektricky vodivého materiálu a špeciálny separátor. Akumulácia energetického potenciálu nastáva v dôsledku oddelenia náboja na elektródach.
• Pseudokondenzátory. Nabíjateľná batéria vyrobená z tohto typu superkondenzátora môže byť veľmi úspešným riešením, pretože ponúka pokročilejšie spôsoby uchovávania energie. Po prvé, aktivuje sa princíp Faradayovho mechanizmu spojeného s procesmi akumulácie energie v konvenčných batériách. A po druhé, je zachovaná aj základná schéma elektrostatickej interakcie medzi elektródami v dvojitej elektrickej vrstve.
• Hybridné kondenzátory. Stredný koncept, ktorý kombinuje jednotlivé pozitívne vlastnosti batérií a kondenzátorov. Takéto zariadenia zvyčajne používajú kombináciu elektród vyrobených zo zmiešaných oxidov a dopovaných polymérov. Ďalší rozvoj tohto smeru je spojený s používaním kompozitných materiálov doplnených o uhlíkové nosiče a vodivé polyméry.

Kľúčové funkcie

Dnes je ťažké hovoriť o osvedčených ukazovateľoch výkonu ionistorov, pretožetechnológia sa neustále zdokonaľuje a prispôsobuje pre zdokonaľovanie elektrochemických zdrojov prúdu. Ak však vezmeme priemerné údaje o hlavných charakteristikách superkondenzátorov, konkrétne ukazovatele budú vyzerať takto:

• Čas nabíjania – 1 až 10 sekúnd
• Počet nabíjacích cyklov je približne 1 milión, čo zodpovedá 30 000 hodinám.
• Napätie v blokovej bunke – rozsah od 2,3 do 2,75 V.
• Energetická náročnosť – štandardná hodnota 5 Wh/kg.
• Výkon – približne 10 000 W/kg.
• Trvanlivosť – až 15 rokov.
• Prevádzková teplota -40°C až 65°C.

Porovnanie s bežnými batériami

Hlavnými rozlišovacími parametrami sú rýchlosť akumulácie energie a miera návratnosti elektrického náboja. Vďaka použitiu dvojitej vrstvy elektrického potenciálu v blízkosti superkondenzátora s podobnými rozmermi sa plocha pracovnej plochy elektród zväčšuje. To znamená, že sa môžeme baviť o spojení najlepších vlastností batérie a kondenzátora ako takého. Ak porovnáme rozdelenie prúdov batérie a superkondenzátora so záťažou, potom bude rovnomernosť objemov spotrebovaného prúdu vo všeobecnosti identická, ale s dvoma korekciami. Počas prevádzky batérie je možné posunúť najväčší prúd smerom k prvku umiestnenému v spodnej časti bloku a v prípade ionistorov bude v zásade potenciál menší kvôli nízkemu napätiu. Medzi významné rozdiely patrí aj rozdiel v pracovnom zdroji - superkondenzátory slúžia približne o 25-30% dlhšie, nehovoriacvyššia miera realizovateľných pracovných cyklov.

Výhody prevádzky superkondenzátorov

Ak vo všeobecnosti zvážime pozitívne účinky používania superkondenzátorov namiesto batérií, do popredia sa dostanú tieto vlastnosti:

• Vysoká hustota energie superkondenzátorov umožňuje ich použitie v elektronických zariadeniach ako krátkodobý zdroj energie.
• Bezpečnosť životného prostredia. Samozrejme, elektrochemické komponenty sú v dizajne stále zachované, ale ich toxické účinky neustále klesajú.
• Možnosť využitia energie z obnoviteľných zdrojov – vietor, slnko, voda a zem.
• Rozšírenie možností pre štrukturálnu integráciu batérií – napríklad na údržbu zložitých elektrární, hybridných elektrických strojov, vozidiel poháňaných vodíkom atď.

Stojí za zmienku niektoré výhody superkondenzátora v porovnaní s konvenčným kondenzátorom. Je ich málo, no zásadne dôležitá je veľká kapacita na uskladnenie energie. Podľa tohto ukazovateľa nie všetky modifikácie ionistorov môžu konkurovať batériám, avšak v porovnaní s kondenzátormi v parametri elektrickej kapacity suverénne vyhrávajú.

Pozitívne recenzie superkondenzátorov

Testovanie a čiastočná aplikácia superkondenzátorov dnes prebieha v rôznych priemyselných odvetviach. Ako ukazujú recenzie na prevádzku týchto zariadení, potvrdzujú vyhlásenia výrobcov o vysokejspoľahlivosť, environmentálna bezpečnosť a vysoká kapacita. Čo je dôležité najmä z hľadiska porovnávania superkondenzátorov a batérií, prvé nie sú také náročné na vytváranie špeciálnych podmienok pri fyzickej manipulácii. Čiastočne je to spôsobené rovnako nízkou toxicitou komponentov, no vo väčšej miere je ergonómia ovládania spôsobená vysokým stupňom ochrany puzdra. To znamená, že používateľ nemusí poskytovať špeciálne zariadenia na údržbu superkondenzátorov v uzavretých podmienkach. Nízka hmotnosť a optimalizované rozmery tiež uľahčujú vykonávanie bežnej údržby.

Negatívne recenzie superkondenzátorov

Tento druh kondenzátorov má aj slabé stránky, ktoré sa jasne prejavujú aj v praxi. Používatelia poukazujú najmä na ich nízku energetickú hustotu, nízky výkon a nie vždy dostatočnú úroveň napätia, čo si vyžaduje použitie viacerých prvkov na obsluhu jednej cieľovej spotrebiteľskej jednotky. Tieto nedostatky dnes v mnohých ohľadoch bránia používaniu superkondenzátorov namiesto batérií, aj keď opäť je pravdepodobnejšie, že tieto problémy vyrieši technologický rozvoj.

Vyhliadky na vývoj kondenzátorov

Podľa odborníkov a vývojárov batérií sa v blízkej budúcnosti všade začnú používať kondenzátory novej generácie. To bude možné vďaka aktívnemu zvýšeniu špecifickej kapacity zariadení. Stojí to za topridať a zlepšiť technické a konštrukčné vlastnosti superkondenzátorov, čo sa týka predovšetkým rozmerov a hmotnosti. Zároveň sa už dnes organizujú testy ionistorov s výkonom do 2,5 mW. V budúcnosti môžu byť takéto systémy použité pri údržbe dopravných sietí, priemyselných zariadení a obytných komplexov.

Záver

Koncept superkondenzátora sa považuje za optimálne riešenie v situáciách, keď je krátkodobá potreba napájania pod napätím. Čiastočne je to v rozpore s myšlienkou elektrochemických batérií, ktoré sú zamerané na dlhodobé udržanie výkonu s určitými parametrami. Je však možné použiť superkondenzátor namiesto batérie v aute vzhľadom na túto prevádzkovú vlastnosť? S vysokou mierou pravdepodobnosti budú pokročilé automobilové koncerny využívať vysokokapacitné kondenzátory, ale len v špeciálnych hybridných verziách, ktoré kombinujú pozitívne vlastnosti superkondenzátorov ako takých a tradičných elektrochemických komponentov. Napríklad dnes sa takéto riešenia používajú vo forme kombinácie elektrochemickej oloveno-kyselinovej štruktúry a superkondenzátora.