Superkondensaatorid patareide asemel: seade, funktsioonide võrdlus, kasutamise eelised, ülevaated

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-02-19 14:51

Suure erimahtuvuse ideed uuriti 1960. aastatel, kuid tänapäeval on selle tehnoloogia vastu uus suurenenud huvi laine, mis tuleneb lõpptoote jõudlusomaduste ainulaadsest kombinatsioonist. Tänapäeval toodetakse selle tehnoloogia põhjal erinevaid superkondensaatorite ja ultrakondensaatorite modifikatsioone, mida võib pidada täieõiguslikuks akuks. Allpool näidatud superkondensaatorite kontseptsioonid näitavad, et nende tulevane konkurents tavapäraste akudega (patareidega) ei ole nii fantastiline.

Mis on superkondensaator?

Sisuliselt on see optimeeritud elektrokeemiline aku, mis on valmistatud kompaktse kondensaatori kujul. Isegi kui võrrelda seadet tüüpilise seadmegaauto aku, saate esile tuua ilmse suuruse erinevuse ja praktikas tulevad kasud pinnale ka pikema tööea ja võimsuse näol. Teisisõnu võib patareide asemel kasutada superkondensaatoreid, kuigi teatud reservatsioonidega energiapotentsiaali akumuleerumise piirangute tõttu. Sellised nüansid ilmnevad endiselt ionistorite tehnoloogilise arengu ebatäiuslikkuse tõttu, kuid olukord on muutumas turu survel, kus nõudlus akude järele kasvab.

Disain ja tootekujundus

Selle kondensaatori aluse moodustavad kaks elektroodi, mille vahele traditsiooniliselt asetatakse elektrolüütiline keskkond. Erinevusi akust võib täheldada elektroodide valmistamiseks kasutatavate materjalide struktuuris, mille plaadid on kaetud poorse aktiivsöega. Mis puutub elektrolüüti, siis selles mahus saab kasutada orgaanilisi ja anorgaanilisi segusid. Konstruktsiooniliselt paistab silma ka isolatsiooni tehniline lahendus superkondensaatorite konstruktsioonis. Dielektrilise kihiga akualumiiniumplaatide asemel kasutatakse ioon- ja elektroonikajuhtivuse optimaalsete omadustega komponente. Kui jätkata kontseptsiooni superkondensaatori võimalikust kasutamisest akuna, võiks poorne süsinik toimida hästi elektroonikajuhina ja väävelhappe lahus võiks toimida ioonjuhina. Sel viisil saab elektroodide vahel luua optimaalse laengueralduskihi ilma mahukate isolaatorite lisamiseta.

Superkondensaatorite valik

Juba täna on ionistoride arendamisel mitu suunda. Kõige märgatavamad ja paljutõotavamad on järgmist tüüpi seadmed:

• Kahekihilised kondensaatorid. Elektrolüüdina kasutatakse standardmudelit, kus on kasutatud elektrit juhtivast materjalist valmistatud elektroode ja spetsiaalset separaatorit. Energiapotentsiaali akumuleerumine toimub elektroodide laengu eraldumise tulemusena.
• Pseudokondensaatorid. Seda tüüpi superkondensaatoritest valmistatud laetav aku võib olla väga edukas lahendus, kuna see pakub täiustatud viise energia salvestamiseks. Esiteks aktiveeritakse Faraday mehhanismi põhimõte, mis on seotud tavaliste patareide energia kogunemise protsessidega. Ja teiseks säilib ka kahekordse elektrikihi elektroodide elektrostaatilise interaktsiooni põhiskeem.
• Hübriidkondensaatorid. Vahekontseptsioon, mis ühendab endas akude ja kondensaatorite individuaalsed positiivsed omadused. Sellised seadmed kasutavad tavaliselt elektroodide kombinatsiooni, mis on valmistatud segatud oksiididest ja legeeritud polümeeridest. Selle suuna edasiarendus on seotud süsinikkandjate ja juhtivate polümeeridega täiendatud komposiitmaterjalide kasutamisega.

Põhifunktsioonid

Täna on raske rääkida ionistoride väljakujunenud töönäitajatest, sesttehnoloogiat täiustatakse pidev alt ja kohandatakse elektrokeemiliste vooluallikate täiustamiseks. Kuid kui võtame superkondensaatorite põhiomaduste keskmised andmed, näevad konkreetsed näitajad välja järgmised:

• Laadimisaeg – 1 kuni 10 sekundit
• Laadimistsüklite arv on umbes 1 miljon, mis vastab 30 000 tunnile.
• Pinge plokielemendis – vahemikus 2,3 kuni 2,75 V.
• Energiatintensiivsus – standardväärtus 5 Wh/kg.
• Võimsus – umbes 10 000 W/kg.
• Vastupidavus – kuni 15 aastat.
• Töötemperatuur -40°C kuni 65°C.

Võrdlus tavaliste akudega

Peamised eristavad parameetrid on energia akumuleerumise kiirus ja elektrilaengu tagastamise määr. Tänu sarnaste mõõtmetega superkondensaatori lähedal asuva kahekordse elektripotentsiaali kihi kasutamisele suureneb elektroodide tööpinna pindala. See tähendab, et saame rääkida aku ja kondensaatori kui sellise parimate omaduste kombineerimisest. Kui võrrelda aku ja superkondensaatori voolude jaotust koormusega, siis on tarbitud voolu mahtude ühtlus üldiselt identne, kuid kahe parandusega. Aku töötamise ajal on võimalik nihutada suurim vool ploki alumises osas paikneva elemendi poole ning ionistorite puhul jääb põhimõtteliselt madala pinge tõttu potentsiaali väiksemaks. Oluliste erinevuste hulka kuulub ka tööressursi erinevus - superkondensaatorid teenivad ajas ligikaudu 25-30% kauem, rääkimatasuurem teostatavate töötsüklite määr.

Superkondensaatorite töötamise eelised

Kui üldiselt arvestada akude asemel superkondensaatorite kasutamise positiivseid mõjusid, siis tulevad esile järgmised omadused:

• Superkondensaatorite suur energiatihedus võimaldab neid kasutada elektroonikaseadmetes lühiajalise toiteallikana.
• Keskkonnaohutus. Loomulikult on elektrokeemilised komponendid endiselt disainis alles, kuid nende toksiline mõju väheneb pidev alt.
• Võimalus kasutada energiat taastuvatest allikatest – tuul, päike, vesi ja maa.
• Akude struktuurse integreerimise võimaluste laiendamine – näiteks keerukate elektrijaamade, hübriidelektriseadmete, vesinikkütusel töötavate sõidukite jms hoolduseks.

Tasub märkida mõningaid superkondensaatori eeliseid võrreldes tavapärase kondensaatoriga. Neid on vähe, kuid suur energiasalvestusmaht on põhimõtteliselt oluline. Selle indikaatori järgi ei suuda kõik ionistori modifikatsioonid akudega konkureerida, kuid võrreldes kondensaatoritega elektrilise võimsuse parameetris võidavad need enesekindl alt.

Positiivsed ülevaated superkondensaatorite kohta

Superkondensaatorite testimine ja osaline rakendamine toimub tänapäeval erinevates tööstusharudes. Nagu näitavad ülevaated nende seadmete töö kohta, kinnitavad need tootjate väiteid kõrge kohtatöökindlus, keskkonnaohutus ja suur võimsus. Mis on eriti oluline superkondensaatorite ja akude võrdlemise seisukoh alt, esimesed ei ole nii nõudlikud, et luua füüsilisel käsitsemisel eritingimusi. See on osaliselt tingitud komponentide sama madalast toksilisusest, kuid suuremal määral on töö ergonoomika tingitud korpuse kõrgest kaitseastmest. See tähendab, et kasutaja ei pea varustama spetsiaalseid seadmeid superkondensaatorite hooldamiseks suletud tingimustes. Väike kaal ja optimeeritud mõõtmed muudavad ka tavapäraste hooldustoimingute tegemise lihtsamaks.

Negatiivsed ülevaated superkondensaatorite kohta

Seda tüüpi kondensaatoritel on ka nõrkusi, mis avalduvad selgelt ka praktikas. Eelkõige juhivad kasutajad tähelepanu nende madalale energiatihedusele, madalale jõudlusele ja mitte alati piisavale pingetasemele, mistõttu on ühe sihttarbija üksuse teenindamiseks vaja kasutada mitut elementi. Paljudel juhtudel takistavad need puudused tänapäeval akude asemel superkondensaatorite kasutamist, kuigi tehnoloogiline areng lahendab need probleemid tõenäolisem alt.

Kondensaatorite arendamise väljavaated

Ekspertide ja akude arendajate sõnul hakatakse lähiajal kõikjal kasutama uue põlvkonna kondensaatoreid. See saab võimalikuks tänu seadmete erivõimsuse aktiivsele suurenemisele. See on seda väärtlisada ja parandada superkondensaatorite tehnilisi ja ehituslikke omadusi, mis puudutab eelkõige mõõtmeid ja kaalu. Samas korraldatakse juba täna kuni 2,5 mW võimsusega ionistoride katsetusi. Tulevikus saab selliseid süsteeme kasutada transpordivõrkude, tööstusrajatiste ja elamukomplekside hooldamisel.

Järeldus

Superkondensaatori kontseptsiooni peetakse optimaalseks lahenduseks olukordades, kus on lühiajaline vajadus pingestatud laenguga toiteallika järele. Osaliselt on see vastuolus elektrokeemiliste akude ideega, mis on keskendunud teatud parameetritega võimsuse pikaajalisele säilitamisele. Kuid kas seda tööomadust arvestades on võimalik autos aku asemel kasutada superkondensaatorit? Suure tõenäosusega kasutavad arenenud autokontsernid suure võimsusega kondensaatoreid, kuid ainult spetsiaalsetes hübriidversioonides, mis ühendavad superkondensaatorite kui selliste ja traditsiooniliste elektrokeemiliste komponentide positiivsed omadused. Näiteks tänapäeval kasutatakse selliseid lahendusi elektrokeemilise plii-happe struktuuri ja superkondensaatori kombinatsioonina.