Superkondensatoriai vietoj baterijų: įrenginys, funkcijų palyginimas, naudojimo pranašumai, apžvalgos

2024 Autorius: Erin Ralphs | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-02-19 17:42

Didelės specifinės talpos idėja buvo išnagrinėta septintajame dešimtmetyje, tačiau šiandien kyla nauja susidomėjimo šia technologija banga dėl unikalaus galutinio produkto eksploatacinių savybių derinio. Šiandien šios technologijos pagrindu gaminamos įvairios superkondensatorių ir ultrakondensatorių modifikacijos, kurios gali būti laikomos visaverte galios baterija. Toliau pateiktos superkondensatorių koncepcijos rodo, kad jų ateities konkurencija su įprastomis baterijomis (baterijomis) nėra tokia fantastiška.

Kas yra superkondensatorius?

Iš esmės tai optimizuota elektrocheminė baterija, pagaminta kompaktiško kondensatoriaus pavidalu. Netgi paviršutiniškai palyginus įrenginį su tipiškuakumuliatorius automobiliui, galite pabrėžti akivaizdų dydžio skirtumą, o praktiškai privalumai išryškės ir ilgesnio tarnavimo bei galios pavidalu. Kitaip tariant, vietoj baterijų galima naudoti superkondensatorius, nors su tam tikromis išlygomis dėl energijos potencialo kaupimo apribojimų. Tokie niuansai vis dar atsiranda dėl jonistorių technologinės plėtros netobulumo, tačiau situacija keičiasi spaudžiant rinkai, augant reikalavimams akumuliatoriams.

Dizainas ir gaminio dizainas

Šio kondensatoriaus pagrindą sudaro du elektrodai, tarp kurių tradiciškai dedama elektrolitinė terpė. Skirtumų nuo akumuliatoriaus galima pastebėti elektrodų gamybai skirtų medžiagų struktūroje, kurių plokštės yra padengtos akyta aktyvuota anglimi. Kalbant apie elektrolitą, tai gali būti naudojami organiniai ir neorganiniai mišiniai. Struktūriškai išsiskiria ir techninis izoliacijos sprendimas superkondensatorių konstrukcijoje. Vietoj akumuliatoriaus aliuminio plokščių su dielektriniu sluoksniu naudojami komponentai su optimaliomis joninio ir elektroninio laidumo savybėmis. Jei tęsime mintį apie galimą superkondensatoriaus kaip baterijos panaudojimą, tada akyta anglis galėtų veikti kaip elektroninis laidininkas, o sieros rūgšties tirpalas galėtų veikti kaip joninis laidininkas. Tokiu būdu galima sukurti optimalų krūvio atskyrimo sluoksnį tarp elektrodų be papildomų didelių izoliatorių.

Superkondensatorių įvairovė

Jau šiandien yra kelios jonistorių kūrimo kryptys. Labiausiai pastebimi ir perspektyviausi yra šių tipų įrenginiai:

• Dvisluoksniai kondensatoriai. Kaip elektrolitas naudojamas standartinis modelis, kuriame naudojami aukščiau minėti elektrodai iš elektrai laidžios medžiagos ir specialus separatorius. Energijos potencialas kaupiasi dėl elektrodų krūvio atskyrimo.
• Pseudokondensatoriai. Įkraunama baterija, pagaminta iš tokio tipo superkondensatorių, gali būti labai sėkmingas sprendimas, nes siūlo pažangesnius energijos kaupimo būdus. Pirma, suaktyvinamas Faradėjaus mechanizmo principas, susijęs su energijos kaupimo procesais įprastose baterijose. Antra, taip pat išsaugoma pagrindinė elektrostatinės sąveikos tarp elektrodų dvigubame elektros sluoksnyje schema.
• Hibridiniai kondensatoriai. Tarpinė koncepcija, apjungianti atskiras teigiamas baterijų ir kondensatorių savybes. Tokiuose įrenginiuose paprastai naudojamas elektrodų, pagamintų iš mišrių oksidų ir legiruotų polimerų, derinys. Tolesnė šios krypties plėtra siejama su kompozitinių medžiagų, papildytų anglies nešikliais ir laidžiais polimerais, naudojimu.

Pagrindinės funkcijos

Šiandien sunku kalbėti apie nusistovėjusius jonistorių veikimo rodiklius, nestechnologija nuolat tobulinama, pritaikoma elektrocheminių srovės š altinių tobulinimui. Bet jei paimsime vidutinius duomenis apie pagrindines superkondensatorių charakteristikas, tada konkretūs rodikliai atrodys taip:

• Įkrovimo laikas – 1–10 sekundžių
• Įkrovimo ciklų skaičius yra apie 1 mln., o tai atitinka 30 000 valandų.
• Įtampa bloko elemente – nuo 2,3 iki 2,75 V.
• Energijos intensyvumas – standartinė vertė 5 Wh/kg.
• Galingumas – apie 10 000 W/kg.
• Patvarumas – iki 15 metų.
• Darbo temperatūra nuo -40°C iki 65°C.

Palyginimas su įprastomis baterijomis

Pagrindiniai skiriamieji parametrai yra energijos kaupimosi greitis ir elektros krūvio grąžinimo laipsnis. Dėl to, kad šalia panašių matmenų superkondensatoriaus yra naudojamas dvigubas elektrinio potencialo sluoksnis, padidėja elektrodų darbinio paviršiaus plotas. Tai yra, galime kalbėti apie geriausių akumuliatoriaus ir kondensatoriaus savybių derinimą. Jei palyginsime akumuliatoriaus ir superkondensatoriaus srovių pasiskirstymą su apkrova, tada sunaudotos srovės tūrių vienodumas iš esmės bus identiškas, tačiau su dviem pataisymais. Akumuliatoriaus veikimo metu galima nukreipti didžiausią srovę link elemento, esančio apatinėje bloko dalyje, o jonistorių atveju potencialas iš esmės bus mažesnis dėl žemos įtampos. Taip pat reikšmingi skirtumai apima darbo resurso skirtumą - superkondensatoriai tarnauja maždaug 25-30% ilgiau, jau nekalbantdidesnis galimų darbo ciklų rodiklis.

Superkondensatorių veikimo privalumai

Jei apskritai atsižvelgsime į teigiamą superkondensatorių, o ne baterijų, poveikį, tada išryškės šios savybės:

• Didelis superkondensatorių energijos tankis leidžia juos naudoti elektroniniuose įrenginiuose kaip trumpalaikį energijos š altinį.
• Aplinkos sauga. Žinoma, elektrocheminiai komponentai vis dar išlaikomi projektuojant, tačiau jų toksinis poveikis nuolat mažėja.
• Galimybė naudoti energiją iš atsinaujinančių š altinių – vėjo, saulės, vandens ir žemės.
• Akumuliatorių struktūrinio integravimo galimybių išplėtimas, pavyzdžiui, sudėtingų elektrinių, hibridinių elektros mašinų, vandeniliu varomų transporto priemonių ir kt. priežiūrai.

Verta atkreipti dėmesį į kai kuriuos superkondensatoriaus pranašumus, palyginti su įprastu kondensatoriumi. Jų nedaug, tačiau iš esmės svarbi didelė talpa energijai kaupti. Pagal šį rodiklį ne visos jonistorių modifikacijos gali konkuruoti su baterijomis, tačiau, lyginant su kondensatoriais pagal elektros talpos parametrą, jie užtikrintai laimi.

Teigiami atsiliepimai apie superkondensatorius

Superkondensatorių bandymai ir dalinis pritaikymas šiandien vyksta įvairiose pramonės šakose. Kaip rodo apžvalgos apie šių įrenginių veikimą, jie patvirtina gamintojų teiginius apie aukštąpatikimumas, aplinkos saugumas ir didelis pajėgumas. Kas ypač svarbu lyginant superkondensatorius ir baterijas, pirmieji nėra tokie reiklūs, kad būtų sukurtos ypatingos sąlygos fizinio tvarkymo metu. Taip yra iš dalies dėl tokio paties mažo komponentų toksiškumo, tačiau didesniu mastu veikimo ergonomiškumą lemia aukštas korpuso apsaugos lygis. Tai reiškia, kad vartotojui nereikia pateikti specialių įrenginių, skirtų superkondensatorių priežiūrai sandariomis sąlygomis. Mažas svoris ir optimizuoti matmenys taip pat palengvina įprastinės priežiūros darbus.

Neigiami atsiliepimai apie superkondensatorius

Šio tipo kondensatoriuose taip pat yra trūkumų, kurie taip pat aiškiai pasireiškia praktikoje. Visų pirma vartotojai atkreipia dėmesį į mažą energijos tankį, mažą našumą ir ne visada pakankamą įtampos lygį, todėl vienam tiksliniam vartotojo įrenginiui aptarnauti būtina naudoti kelis elementus. Daugeliu atžvilgių dėl šių trūkumų šiandien vietoj baterijų negalima naudoti superkondensatorių, nors vėlgi, technologinė plėtra greičiausiai išspręs šias problemas.

Kondensatorių kūrimo perspektyvos

Ekspertų ir baterijų kūrėjų teigimu, artimiausiu metu visur bus naudojami naujos kartos kondensatoriai. Tai taps įmanoma dėl aktyvaus įrenginių specifinės talpos didėjimo. Tai vertapridėti ir pagerinti superkondensatorių technines ir konstrukcines charakteristikas, kurios pirmiausia susijusios su matmenimis ir svoriu. Tuo pačiu metu jau šiandien organizuojami iki 2,5 mW galios jonistorių bandymai. Ateityje tokios sistemos gali būti naudojamos transporto tinklų, pramonės objektų ir gyvenamųjų namų kompleksų priežiūrai.

Išvada

Superkondensatoriaus koncepcija laikoma optimaliu sprendimu tais atvejais, kai yra trumpalaikis energijos tiekimo su tiesioginiu įkrovimu poreikis. Iš dalies tai prieštarauja elektrocheminių baterijų, orientuotų į ilgalaikį tam tikrų parametrų galios palaikymą, idėjai. Tačiau ar galima automobilyje naudoti superkondensatorių, o ne akumuliatorių, atsižvelgiant į šią veikimo savybę? Labai tikėtina, kad pažangūs automobilių koncernai naudos didelės talpos kondensatorius, tačiau tik specialiose hibridinėse versijose, kuriose derinamos teigiamos superkondensatorių ir tradicinių elektrocheminių komponentų savybės. Pavyzdžiui, šiandien tokie tirpalai naudojami kaip elektrocheminės švino rūgšties struktūros ir superkondensatoriaus derinys.