Superkondenzátory místo baterií: zařízení, srovnání funkcí, výhody použití, recenze

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-02-19 13:02

Myšlenka vysoké měrné kapacity byla prozkoumána v 60. letech 20. století, ale dnes existuje nová vlna zvýšeného zájmu o tuto technologii kvůli jedinečné kombinaci výkonnostních vlastností konečného produktu. Dnes se na základě této technologie vyrábí různé modifikace superkondenzátorů a ultrakondenzátorů, které lze považovat za plnohodnotnou napájecí baterii. Níže uvedené koncepty superkondenzátorů ukazují, že jejich budoucí konkurence s konvenčními bateriovými sadami (bateriemi) není tak fantastická.

Co je to superkondenzátor?

V podstatě se jedná o optimalizovanou elektrochemickou baterii vyrobenou ve formě kompaktního kondenzátoru. I při letmém srovnání přístroje s typickýmbaterie do auta, můžete zvýraznit evidentní rozdíl ve velikosti a v praxi vyjdou na povrch i výhody v podobě delší životnosti a výkonu. Jinými slovy, superkondenzátory lze použít místo baterií, i když s určitými výhradami kvůli omezením z hlediska akumulace energetického potenciálu. K takovým nuancím stále dochází kvůli nedokonalosti technologického vývoje ionistorů, nicméně situace se mění pod tlakem trhu s jeho rostoucími požadavky na baterie.

Design a produktový design

Základ tohoto kondenzátoru tvoří dvě elektrody, mezi kterými je tradičně umístěno elektrolytické médium. Rozdíly oproti baterii lze pozorovat ve struktuře materiálů pro výrobu elektrod, jejichž desky jsou potaženy porézním aktivním uhlím. Pokud jde o elektrolyt, lze v této kapacitě použít organické a anorganické směsi. Konstrukčně vyniká i technické řešení izolace ve struktuře superkondenzátorů. Místo bateriových hliníkových desek s dielektrickou vrstvou jsou použity součástky s optimálními vlastnostmi iontové a elektronické vodivosti. Pokud budeme pokračovat v konceptu možného použití superkondenzátoru jako baterie, pak by porézní uhlík mohl dobře fungovat jako elektronický vodič a roztok kyseliny sírové by mohl fungovat jako iontový vodič. Tímto způsobem lze zajistit optimální vrstvu separace náboje mezi elektrodami bez dodatečného zahrnutí objemných izolátorů.

Různé typy superkondenzátorů

Již dnes existuje několik směrů ve vývoji ionistorů. Nejnápadnější a nejslibnější jsou následující typy zařízení:

• Dvouvrstvé kondenzátory. Jako elektrolyt je použit standardní model, který využívá výše uvedené elektrody z elektricky vodivého materiálu a speciální separátor. K akumulaci energetického potenciálu dochází v důsledku oddělení náboje na elektrodách.
• Pseudokondenzátory. Dobíjecí baterie vyrobená z tohoto typu superkondenzátoru může být velmi úspěšným řešením, protože nabízí pokročilejší způsoby ukládání energie. Nejprve se aktivuje princip Faradayova mechanismu spojený s procesy akumulace energie v konvenčních bateriích. A za druhé, základní schéma elektrostatické interakce mezi elektrodami ve dvojité elektrické vrstvě je také zachováno.
• Hybridní kondenzátory. Mezikoncept, který kombinuje jednotlivé pozitivní vlastnosti baterií a kondenzátorů. Taková zařízení typicky používají kombinaci elektrod vyrobených ze směsných oxidů a dopovaných polymerů. Další rozvoj tohoto směru je spojen s používáním kompozitních materiálů doplněných o nosiče uhlíku a vodivé polymery.

Klíčové funkce

Dnes je těžké mluvit o dobře zavedených výkonnostních ukazatelích ionistorů, protožetechnologie se neustále zdokonaluje a upravuje pro zdokonalování elektrochemických zdrojů proudu. Ale pokud vezmeme průměrná data o hlavních charakteristikách superkondenzátorů, pak konkrétní ukazatele budou vypadat takto:

• Doba nabíjení – 1 až 10 sekund
• Počet nabíjecích cyklů je asi 1 milion, což odpovídá 30 000 hodinám.
• Napětí v blokovém článku – rozsah od 2,3 do 2,75 V.
• Energetická náročnost – standardní hodnota 5 Wh/kg.
• Výkon – asi 10 000 W/kg.
• Životnost – až 15 let.
• Provozní teplota -40°C až 65°C.

Porovnání s konvenčními bateriemi

Hlavními rozlišovacími parametry jsou rychlost akumulace energie a míra návratnosti elektrického náboje. Díky použití dvojité vrstvy elektrického potenciálu v blízkosti superkondenzátoru s podobnými rozměry se plocha pracovní plochy elektrod zvětšuje. Čili můžeme hovořit o spojení nejlepších vlastností baterie a kondenzátoru jako takového. Pokud porovnáme rozložení proudů baterie a superkondenzátoru k zátěži, pak bude rovnoměrnost objemů odebíraného proudu obecně totožná, ale se dvěma korekcemi. Při provozu baterie je možné posunout největší proud směrem k prvku umístěnému ve spodní části bloku a u ionistorů bude v zásadě potenciál menší díky nízkému napětí. Mezi významné rozdíly patří také rozdíl v pracovním zdroji - superkondenzátory slouží přibližně o 25-30% déle, nemluvěvyšší míra proveditelných pracovních cyklů.

Výhody provozu superkondenzátorů

Pokud obecně zvážíme pozitivní účinky používání superkondenzátorů místo baterií, pak vyjdou do popředí následující vlastnosti:

• Vysoká hustota energie superkondenzátorů umožňuje jejich použití v elektronických zařízeních jako krátkodobý zdroj energie.
• Bezpečnost životního prostředí. Samozřejmě, elektrochemické komponenty jsou v konstrukci stále zachovány, ale jejich toxické účinky se neustále snižují.
• Možnost využití energie z obnovitelných zdrojů – větru, slunce, vody a země.
• Rozšíření příležitostí pro strukturální integraci baterií – například pro údržbu složitých elektráren, hybridních elektrických strojů, vozidel na vodíkový pohon atd.

Za zmínku stojí některé výhody superkondenzátoru ve srovnání s konvenčním kondenzátorem. Je jich málo, ale velká kapacita pro ukládání energie je zásadně důležitá. Podle tohoto ukazatele ne všechny modifikace ionistorů mohou konkurovat bateriím, ale ve srovnání s kondenzátory v parametru elektrické kapacity suverénně vítězí.

Pozitivní recenze superkondenzátorů

Testování a částečná aplikace superkondenzátorů dnes probíhají v různých průmyslových odvětvích. Jak ukazují recenze na provoz těchto zařízení, potvrzují prohlášení výrobců o vysokéspolehlivost, ekologická bezpečnost a vysoká kapacita. Co je důležité zejména z hlediska srovnání superkondenzátorů a baterií, ty první nejsou tak náročné na vytváření speciálních podmínek při fyzické manipulaci. Částečně je to dáno stejně nízkou toxicitou komponent, ale ve větší míře je ergonomie ovládání dána vysokým stupněm ochrany pouzdra. To znamená, že uživatel nemusí poskytovat speciální zařízení pro údržbu superkondenzátorů v utěsněných podmínkách. Nízká hmotnost a optimalizované rozměry také usnadňují provádění běžné údržby.

Negativní recenze superkondenzátorů

Tento druh kondenzátorů má také slabiny, které se také jasně projevují v praxi. Uživatelé poukazují zejména na jejich nízkou energetickou hustotu, nízký výkon a ne vždy dostatečnou úroveň napětí, což vyžaduje použití několika prvků pro obsluhu jedné cílové spotřebitelské jednotky. Tyto nedostatky v mnoha ohledech brání použití superkondenzátorů místo baterií v dnešní době, i když je opět pravděpodobnější, že tyto problémy vyřeší technologický rozvoj.

Vyhlídky na vývoj kondenzátorů

Podle odborníků a vývojářů baterií se v blízké budoucnosti všude budou používat kondenzátory nové generace. To bude možné díky aktivnímu zvýšení specifické kapacity zařízení. Stojí to za topřidat a zlepšit technické a konstrukční vlastnosti superkondenzátorů, což se týká především rozměrů a hmotnosti. Již dnes se přitom organizují testy ionistorů o výkonu až 2,5 mW. V budoucnu mohou být takové systémy použity při údržbě dopravních sítí, průmyslových zařízení a obytných komplexů.

Závěr

Koncept superkondenzátoru je považován za optimální řešení v situacích, kdy je krátkodobá potřeba napájení s živým nábojem. Částečně je to v rozporu s myšlenkou elektrochemických baterií, které jsou zaměřeny na dlouhodobé udržení výkonu s určitými parametry. Je ale možné s ohledem na tuto provozní vlastnost použít místo baterie v autě superkondenzátor? S vysokou mírou pravděpodobnosti budou pokročilé automobilové koncerny používat vysokokapacitní kondenzátory, ale pouze ve speciálních hybridních verzích, které kombinují pozitivní vlastnosti superkondenzátorů jako takových a tradičních elektrochemických komponentů. Například dnes se taková řešení používají ve formě kombinace elektrochemické struktury olova a kyseliny a superkondenzátoru.