Porady
Uwaga! Poniższy opis został przetłumaczony automatycznie.
Rzeczy, które warto wiedzieć o superkapsach
Co to jest superkaps?
Jak funkcjonuje Supercap?
Jaka jest różnica między superkaps a akumulatorem?
Gdzie są stosowane Supercapes?
Jak podłączane są Supercaps?
Co to jest superkaps?
Superkondensator, Ultracap, Gold-Cap lub Supercap to w zasadzie kondensator, który może przechowywać ogromne ilości energii elektrycznej .
Jeśli w kondensatorze zostanie przyłożone napięcie 1 V, a następnie przez 1 sekundę płynie prąd 1 ampera, kondensator ma pojemność jednego Farad. Jednostka 1 Farad została nazwana na cześć brytyjskiego fizyka eksperymentalnego Michaela Faradaya .
Wartość 1 Farad (1 F) jest bardzo dużą wartością pojemności, która nie jest ściśle potrzebna w powszechnie dostępnych obwodach elektronicznych. Kondensatory potrzebują ułamka wartości. haben. Popularne wartości to np.
Millifarad (mF) = 1/1000 Farad <1 /> Microfarad (<2 /> F) = 1/1000 Millifarad <3 /> Nanofarad (nF) = 1/1000 Microfarad <4 /> Picofarad (pf) = 1 / 1000 nanofaradów
W przypadku superkondensatora pojemność właściwa jest na zupełnie innym poziomie. W tym kontekście można osiągnąć nawet kilka tysięcy farad. W rezultacie superkondensatory naprawdę zasługują na swoją nazwę.
W przypadku superkondensatorów opracowano różne technologie, według których kondensatory są podzielone.
Kondensatory dwuwarstwowe
W przypadku podwójnych kondensatorów aktywny węgiel wykorzystywany jest jako materiał elektrody. Energia elektryczna jest magazynowana statycznie w podwójnych warstwach kasku na elektrodach.
Pseudo kondensatory
Kondensatory pseudo posiadają elektrody z tlenków metali lub polimerów przewodzących. Energia elektryczna jest magazynowana elektrochemicznie poprzez wymianę ładunku Faradaya.
Kondensatory hybrydowe
Kondensatory hybrydowe, jak np. kondensatory litowo-jonowe, wykorzystują zarówno statyczny, jak i elektrochemiczny zapis. Aby to zrobić, mają elektrodę o wysokiej pojemności dwuwarstwowej i elektrodę o wysokiej pseudo pojemności.
Jak funkcjonuje Supercap?
Podstawowa funkcja
Rysunek 2: 1. Kolektor, 2. Elektroda spolaryzowana, 3. Podwójna warstwa Helmholtza, 4. Elektrolit z jonów dodatnich i ujemnych, 5. Separator, 6. Źródło napięcia;
Superkondensator składa się z dwóch elektrod oddzielających mechanicznie i elektrycznie oddzielone od siebie.
Pomimo separacji separator jest przepuszczalny dla jonów . Wymiana ładunku umożliwia elektrolit zawierający jony naładowane dodatnio (kationy) i jony naładowane ujemnie (aniony).
Jeśli do kondensatora zostanie przyłożone napięcie, dwie elektrody tworzą podwójną warstwę kasku ujemnie i z dodatnim naładowanego jonów (patrz rys. 2).
Ze względu na różne ładunki elektrod warstwy są lustrzane.
Obydwie warstwy działają jak dwa kondensatory, które są połączone szeregowo. Całkowita zdolność kondensatora jest obliczana według wzoru:
C 1 <2 /> C 2 <4 /> C łącznie = ------------- < 6 /> C 1 + C 2
Statyczna pojemność dwuwarstwowa:
Ilustracja 3: 1. Kolektor, 2. Elektroda spolaryzowana, 3. Warstwa molekularna spolaryzowanych cząsteczek rozpuszczalnika, 4. Elektrolit, 5. Separator, 6. Kationy solwatowane, 7. Podwójna warstwa Gouy-Chapman. 8. Podwójna warstwa Helmholtza.
Powierzchnie elektrod są przez elektrolit wielkopowierzchniowe zwilżane. Dokładnie w tej powierzchni kontaktu (granica fazy) po podaniu napięcia powstają dwie jonizowane warstwy (patrz rys. 2).
W przypadku elektrolitu mokrego obie warstwy są oddzielane molekułami wody poprzez warstwę molekularną z polerowanych cząsteczek wody.
Cząsteczki wody przylegają zarówno do elektrody (adsorpcja), jak i do jonów (Solvation).
Oddzielanie ładunku działa podobnie jak dielektryk w tradycyjnym kondensatorze i powoduje statyczne przechowywanie energii elektrycznej w polu elektrycznym .
Bardzo cienka warstwa kasku z kilku nanometrów i niezwykle duża powierzchnia elektrod do 2500 m² na gram to kluczowy powód ekstremalnych wartości pojemności kondensatorów.
Pseudo-pojemność elektrochemiczna:
Ilustracja 4: 1. Kolektor, 2. Elektroda spolaryzowana, 3. Warstwa molekularna spolaryzowanych cząsteczek rozpuszczalnika, 4. Elektrolit, 5. Separator, 6. Ziarniste kationy, które nie mają jeszcze bezpośredniego kontaktu z elektrodą, 7. Osadzone jony redoks, które przekazały swój ładunek na elektrodę, 8. Podwójna warstwa Helmholtza.
W przypadku kondensatora o zdolności pseudochemicznej tworzą one jony, które przełamały warstwę oddzielającą z cząsteczek rozpuszczalnika i zapewniają bezpośredni kontakt z powierzchnią elektrody.
Jony tracą otaczającą otoczkę solwatu .
Podczas kolejnego przyłączania (adsorpcji) zachodzi transfer elektronów (reakcja redoks) lub wymiana ładunku Faradaya, co przyczynia się do pseudo-pojemności.
Nie ma związku chemicznego między jenem redoks a anodą.
Operacja jest odwracalna, co powoduje cofnięcie wymiany ładunku podczas rozładowywania kondensatora.
Ponieważ wypłacalne jony nie posiadają już ochronnej powłoki z cząsteczek rozpuszczalnika, potrzebują one mniejszej powierzchni elektrody.
Oznacza to, że pojemność pseudo na odpowiedniej elektrodzie przy tej samej powierzchni jest wielokrotnie większa niż przy wydajności dwuwarstwowej.
Jaka jest różnica między superkapsą a baterią?
Różnice między superkondensatorem a akumulatorem leżą w gęstości energii i gęstości mocy.
W praktyce oznacza to, że akumulator o większej pojemności lub większej gęstości energii może magazynować znacznie więcej energii niż kondensator o takiej samej budowie.
Jednak ze względu na większą gęstość mocy SuperCap może szybciej pochłaniać energię i szybciej ją uwalniać. Krótkie czasy ładowania i bardzo wysokie prądy rozładowania są łatwe do realizacji.
Ponadto superkapsy mają wysoką stabilność cyklu i wytrzymują o wiele więcej cykli ładowania / rozładowania niż akumulatory. Żywotność jest zatem wielokrotnie większa. Dzięki tym cechom, Supercaps może w wielu zastosowaniach uzupełniać lub nawet całkowicie zastępować dotychczas używane akumulatory.
Akumulator i Supercaps dla bezpośredniego porównania
Dla porównania wybrano dwa ogniwa o prawie takiej samej konstrukcji i wielkości.
| Akumulator NiMH | Supercap | |
|---|---|---|
| Typ EMMERICH NIMH BATTERY SUB C 2400 MAH FT-1Z | EMMERICH NIMH BATTERY SUB C 2400 MAH FT-1Z | Dwuwarstwowy kondensator VINAtech VEC3R0107QG |
| Pojemność | 2400 mAh | 100 F. |
| Napięcie robocze | 1,2 V | 3 V; |
| Energia zmagazynowana* | 2,88 Wh | 0,08 Wh |
| Maks. Natężenie prądu | 48 A | 75 A |
| Opór wewnętrzny | 15 m | 6 m Ω |
| Wytrzymałość na cykle | Min. 500 | Ponad 500.000 |
| Wymiary (Ø x Wys.) | 22,5 x 43 mm | 22 x 45 mm |
| Waga | 54 g. | 20 g |
| Zakres temperatury | 0° do +45°°C | Od -40° C do +65° C |
* Wartość jest wielkością czysto arytmetyczną opartą na danych technicznych, a nie wartością, którą można zastosować w praktyce.
Wniosek: Z wyjątkiem gęstości energii superkapsy przewyższają akumulatory.
Jednakże należy zwrócić uwagę na jeden ważny punkt: Ponieważ w wielu przypadkach napięcie robocze poszczególnych ogniw jest zbyt niskie, akumulatory i Supercaps są często podłączane seryjnie, aby zwiększyć napięcie całkowite. Podczas gdy w przypadku akumulatorów (rysunek a) pojemność dwóch połączonych szeregowo ogniw jest taka sama, kondensatory (rysunek B) zmniejszają się.
Gdzie są stosowane Supercaps?
Dzięki swojej ogromnej przepustowości, wielowarstwowe kondensatory mogą pobierać dużo energii, rejestrować niskie straty energii i ponownie je dostarczać. Dzięki temu pierwsze kondensatory dwuwarstwowe zostały używane do zasilania lotnych pamięci w różnych urządzeniach. Również dziś super kondensator jest wykorzystywany jako źródło zasilania, awaryjne źródło napięcia lub do niwelowania obciążenia.
Jednak ze względu na wysoki opór wewnętrzny pierwsze superkondensatory nadal miały deficyt, którego nie można było zignorować. Nie mogły być stosowane do zastosowań wymagających dużego prądu. W latach 80-tych na materiałach kondensatorów wprowadzono kolejne ulepszenia i opracowano przewodzący elektrolit. Dzięki temu znacznie zwiększyła pojemność i przede wszystkim obciążalność prądowa.
Dzięki tym właściwościom superkondensatory o niskiej rezystancji LOW ESR są wymagane wszędzie tam, gdzie potrzebna jest krótka duża zdolność przełączania . Ale superkapsy są również często stosowane w pojazdach, w których energia jest magazynowana podczas hamowania i przekazywana do napędu podczas przyspieszania (KERS lub rekuperacja).
Jak podłączane są Supercaps?
Superkapts mają konstrukcyjnie przyłącze plus i minus. W praktycznym zastosowaniu należy zwrócić uwagę, aby kondensator został zastosowany z zachowaniem prawidłowej biegunowości w obwodzie.
Innym ważnym kryterium jest napięcie robocze. W przypadku pojedynczych ogniw, w zależności od typu kondensatorów i konstrukcji, może wynosić od 2,5 V do 5,5 V.
Niektórzy producenci zintegrują dwa kondensatory w jednej obudowie, aby osiągnąć napięcie robocze 6,0 V lub więcej. Ponieważ napięcia te są często zbyt niskie dla wielu aplikacji, super cape są często podłączane szeregowo. Oznacza to jednak zmniejszenie mocy użytkowej zgodnie z poniższym wzorem.
1 / C Łącznie = (1 / C 1 ) + (1 / C 2 ) + (1 / C 3 </ 4>) + (1 / C 4 )
Mniejsza pojemność połączenia szeregowego jest kompensowana przez równoległe podłączenie kilku szeregowych łańcuchów kondensatorowych. W ten sposób można osiągnąć wymaganą wytrzymałość napięciową i wymaganą pojemność. Należy jednak zapewnić poprzez pasywną lub aktywną równowagę, aby poszczególne komórki nie były przeładowane.
W przypadku pasywnego balansowania wystarczy podłączyć boczniki (R) równolegle do kondensatora (patrz ilustracja a). Można to zrobić w przypadku systemów dynamicznych, które często są ładowane i rozładowywane. W przypadku systemów statycznych, które są rzadko ładowane, należy zapewnić aktywne balansowanie. Każdy rezystor bocznikujący jest włączany i włączany elektronicznie za pomocą przełącznika (S) (patrz ilustracja B).