Kiedy mowa o elektronice i technice, prędzej czy później pojawia się termin „kondensator”. Nic w tym dziwnego, ponieważ kondensatory można znaleźć niemal w każdej układzie elektronicznym.
Dzięki swojej budowie pełnią one funkcję magazynowania i oddawania energii – podobnie jak akumulatory litowo-jonowe czy baterie Li-Ion. Jednak niektóre kondensatory wyróżniają się szczególnie dużą pojemnością i wydajnością, co sprawia, że są idealne do tego zadania. W elektronice nazywa się je superkondensatorami lub supercaps.
W tym artykule przyjrzymy się bliżej ich działaniu i wyjaśnimy, co kryje się za ich wyjątkową pojemnością oraz wysoką wydajnością.
Superkondensator, ultrakondensator, złota nasadka lub supercap, to w zasadzie kondensator, który może przechowywać ogromne ilości energii elektrycznej.
Jeśli do kondensatora przyłożymy napięcie 1 V, a następnie przez 1 sekundę popłynie przez niego prąd o natężeniu 1 A, oznacza to, że kondensator ma pojemność 1 farada. Jednostka farad (F) została nazwana na cześć brytyjskiego fizyka eksperymentalnego Michaela Faradaya.
Wartość 1 F to bardzo duża pojemność, która w typowych układach elektronicznych jest rzadko stosowana. W praktyce wykorzystuje się kondensatory o znacznie mniejszych pojemnościach, takich jak:
- Millifarad (mF) = 1/1000 farada
- Mikrofarad (µF) = 1/1000 millifarada
- Nanofarad (nF) = 1/1000 mikrofarada
- Pikofarad (pF) = 1/1000 nanofarada
Superkondensatory działają jednak na zupełnie innym poziomie. Ich pojemność może sięgać nawet kilku tysięcy faradów, co w pełni uzasadnia ich nazwę.
Aby osiągnąć tak wysokie wartości pojemności, producenci opracowali różne technologie, które stały się podstawą klasyfikacji superkondensatorów.
Kondensatory dwuwarstwowe
W kondensatorach dwuwarstwowych jako materiał elektrod stosowany jest węgiel aktywny. Energia elektryczna gromadzona jest statycznie w podwójnych warstwach układu Helmholtza na elektrodach.
Pseudokondensatory
Pseudokondensatory mają elektrody wykonane z tlenków metali lub przewodzących polimerów. Energia elektryczna jest magazynowana elektrochemicznie poprzez wymianę ładunków Faradaya.
Kondensatory hybrydowe
Kondensatory hybrydowe, takie jak kondensatory litowo-jonowe, wykorzystują zarówno magazynowanie statyczne, jak i elektrochemiczne. Posiadają one jedną elektrodę o wysokiej pojemności dwuwarstwowej i jedną elektrodę o wysokiej pseudo-pojemności.
Funkcja podstawowa
Kolektor (1); spolaryzowana elektroda (2); podwójna warstwa Helmholtza (3); elektrolit z jonami dodatnimi i ujemnymi (4); separator (5); źródło napięcia (6).
Superkondensator składa się z dwóch elektrod, które są oddzielone mechanicznie i elektrycznie przez separator.
Mimo tej separacji, separator swobodnie przepuszcza jony. Wymianę ładunków umożliwia elektrolit, który zawiera zarówno dodatnio naładowane jony (kationy), jak i ujemnie naładowane jony (aniony).
Gdy do superkondensatora zostaje przyłożone napięcie, na obu elektrodach tworzy się tzw. podwójna warstwa Helmholtza – składająca się z jonów o przeciwnych ładunkach.
Ze względu na różnicę ładunków na elektrodach, powstałe warstwy są swoimi lustrzanymi odbiciami.
Działają one jak dwa kondensatory połączone szeregowo, a całkowita pojemność superkondensatora jest obliczana według odpowiedniego wzoru:
C1 · C2
Cgesamt = -------------
C1 + C2
Statyczna pojemność podwójnej warstwy
Kolektor (1); spolaryzowana elektroda (2); warstwa molekularna spolaryzowanych cząsteczek rozpuszczalnika (3); elektrolit (4); separator (5); sulwatowane kationy (6); podwójna warstwa Gouy-Chapmanna (7); podwójna warstwa Helmholtza (8).
Powierzchnia elektrod jest w dużym stopniu zwilżana przez elektrolit. To właśnie na styku tych dwóch warstw (tzw. granicy faz) po przyłożeniu napięcia powstają dwie naładowane elektrycznie warstwy (zobacz rysunek 2).
W przypadku elektrolitu wodnego obie warstwy są oddzielone warstwą molekularną polarnych cząsteczek wody.
Cząsteczki wody przyczepiają się zarówno do elektrody (adsorpcja), jak i do jonów obecnych w elektrolicie (solwatacja).
Taki podział ładunku działa podobnie do dielektryka w klasycznym kondensatorze – pozwala na magazynowanie energii elektrycznej w postaci pola elektrycznego.
Kluczowym czynnikiem, który sprawia, że superkondensatory mają tak ogromną pojemność, jest niezwykle cienka warstwa Helmholtza (mająca zaledwie kilka nanometrów) oraz ogromna powierzchnia elektrod – sięgająca nawet 2500 m² na jeden gram materiału!
Pseudopojemność elektrochemiczna
Kolektor (1); spolaryzowana elektroda (2); warstwa molekularna spolaryzowanych cząsteczek rozpuszczalnika (3); elektrolit (4); separator (5); siarczanowane kationy, które nie są jeszcze w bezpośrednim kontakcie z elektrodą (6); osadzone jony redoks, które przeniosły swój ładunek na elektrodę (7); podwójna warstwa Helmholtza (8).
W kondensatorze z elektrochemiczną pseudopojemnością jony są w stanie pokonać warstwę oddzielającą, utworzoną przez cząsteczki rozpuszczalnika, i bezpośrednio zetknąć się z powierzchnią elektrody.
Podczas tego procesu tracą one swoją otoczkę solwatacyjną (czyli warstwę cząsteczek rozpuszczalnika, które je otaczają).
Gdy jony przyczepiają się do elektrody (adsorpcja), zachodzi wymiana elektronów – czyli reakcja redoks – lub inaczej faradajski proces wymiany ładunku, który przyczynia się do powstania pseudopojemności.
Nie dochodzi jednak do trwałego wiązania chemicznego między jonami redoks a anodą.
Cały proces jest odwracalny, co oznacza, że podczas rozładowania kondensatora wymiana ładunku zostaje cofnięta.
Ponieważ jony bez otoczki solwatacyjnej nie są już „obudowane” cząsteczkami rozpuszczalnika, zajmują mniej miejsca na powierzchni elektrody.
Dzięki temu pseudopojemność odpowiednio dobranej elektrody może być wielokrotnie większa niż w przypadku tradycyjnej pojemności podwójnej warstwy elektrostatycznej.
Zasadniczo baterie, akumulatory i kondensatory to urządzenia magazynujące energię, które są w stanie przechowywać energię elektryczną i uwalniać ją w razie potrzeby. Kluczowa różnica polega na tym, że baterie i akumulatory opierają się na reakcjach chemicznych, natomiast kondensatory przechowują energię dzięki zjawiskom elektrostatycznym. Warto też pamiętać, że baterie – w przeciwieństwie do akumulatorów i kondensatorów – nie nadają się do ponownego ładowania i są przeznaczone do jednorazowego użytku.
Główne różnice między superkondensatorem a akumulatorem dotyczą gęstości energii i mocy. Gęstość energii określa, jak długo dany odbiornik – na przykład silnik – może działać na jednym naładowaniu. Gęstość mocy z kolei odpowiada za to, jak szybko urządzenie może dostarczyć energię, co przekłada się na dynamikę działania, np. przyspieszanie silnika.
W praktyce oznacza to, że akumulator o takiej samej wielkości jak superkondensator jest w stanie przechować znacznie więcej energii, co pozwala na dłuższe działanie urządzenia. Jednak superkondensatory mają inną zaletę – mogą bardzo szybko magazynować i oddawać energię, co sprawia, że ładowanie trwa znacznie krócej, a prądy rozładowania mogą być bardzo wysokie.
Dodatkowo superkondensatory wyróżniają się niezwykle wysoką trwałością. Mogą wytrzymać znacznie więcej cykli ładowania i rozładowania niż tradycyjne akumulatory, co przekłada się na ich długą żywotność. Dzięki tym właściwościom mogą nie tylko wspomagać stosowane dotychczas akumulatory, ale w wielu zastosowaniach całkowicie je zastąpić.
Bezpośrednie porównanie baterii i superkondensatora
Do porównania wybrano dwa ogniwa o zbliżonej konstrukcji i rozmiarze.
| NiMH-Akku |
Superkondensator | |
|---|---|---|
| Typ | EMMERICH NIMH AKKU SUB C 2400 MAH FT-1Z |
VINAtech VEC3R0107QG Kondensator dwuwarstwowy |
| Pojemność | 2400 mAh |
100 F |
| Napięcie robocze | 1,2 V |
3 V |
| Zmagazynowana energia* | 2,88 Wh |
0,08 Wh |
| Maks. Natężenie | 48 A | 75 A |
| Opór wewnętrzny | 15 mΩ | 6 mΩ |
| Stabilność cyklu / żywotność** | Min. 500 | Ponad 500.000 |
| Wymiary (Ø x H) | 22,5 x 43 mm | 22 x 45 mm |
| Waga | 54 g | 20 g |
| Zakres temperatur | 0 °C do +45 °C | -40 °C do +65 °C |
*Wartość ta jest wartością czysto matematyczną opartą na danych technicznych (według producenta), a nie wartością, którą można wykorzystać w praktyce.
**Stabilność cykli jest bezpośrednio związana z żywotnością. Duża liczba cykli zapewnia dłuższą żywotność. Jednak rzeczywista żywotność superkondensatora zależy również od zewnętrznych warunków środowiskowych (temperatury i wilgotności).
Wniosek: Pomijając gęstość energii, superkondensatory są lepsze od akumulatorów.
Należy jednak wziąć pod uwagę jedną ważną kwestię: Ponieważ w wielu przypadkach napięcie robocze poszczególnych ogniw jest zbyt niskie, akumulatory i superkondensatory są często łączone szeregowo w celu zwiększenia całkowitego napięcia.
Podczas gdy pojemność dwóch ogniw połączonych szeregowo pozostaje taka sama w przypadku akumulatorów (rysunek A), wartość pojemności jest zmniejszona w przypadku kondensatorów (rysunek B).
Dzięki swojej ogromnej pojemności superkondensatory mogą magazynować dużą ilość energii, a przy tym robić to w sposób bardzo efektywny – z minimalnymi stratami. Potrafią też szybko oddawać zgromadzoną energię, dlatego już pierwsze modele były wykorzystywane do zasilania pamięci ulotnych w różnych urządzeniach. Dziś superkondensatory znajdują zastosowanie głównie jako źródła zasilania, awaryjne zapasowe baterie czy też do stabilizacji obciążenia w systemach energetycznych.
Jednak pierwsze wersje superkondensatorów miały pewną istotną wadę – ich wysoka rezystancja wewnętrzna ograniczała możliwość użycia w zastosowaniach wymagających dużych prądów. W latach 80. naukowcy zaczęli więc intensywnie pracować nad ulepszaniem materiałów kondensatorów i rozwijaniem bardziej przewodzących elektrolitów. Dzięki temu udało się nie tylko zwiększyć ich pojemność, ale przede wszystkim znacząco poprawić zdolność do pracy z dużym obciążeniem prądowym.
Dzięki tym ulepszeniom niskorezystancyjne superkondensatory typu LOW ESR (o niskim oporze wewnętrznym) są dziś niezastąpione tam, gdzie liczy się wysoka wydajność i szybka reakcja na duże obciążenia. Znajdują zastosowanie m.in. w pojazdach, gdzie podczas hamowania magazynują energię, a następnie oddają ją przy przyspieszaniu – w systemach takich jak KERS czy rekuperacja.
Superkondensatory, ze względu na swoją konstrukcję, posiadają biegun dodatni i ujemny. W praktycznym zastosowaniu bardzo ważne jest, aby zwrócić uwagę na właściwe podłączenie kondensatora do obwodu – odwrotna polaryzacja może prowadzić do jego uszkodzenia.
Kolejnym ważnym kryterium jest napięcie robocze. W zależności od typu i konstrukcji kondensatora, napięcie to może wynosić od 2,5 V do 5,5 V dla poszczególnych ogniw.
Niektórzy producenci umieszczają dwa kondensatory w jednej obudowie, co pozwala osiągnąć napięcia rzędu 6,0 V lub więcej. Ponieważ jednak w wielu zastosowaniach to wciąż za mało, superkondensatory często łączy się szeregowo. Trzeba jednak pamiętać, że taki sposób połączenia obniża ich całkowitą pojemność zgodnie z poniższym wzorem:
1/Ccałkowita = (1/C1) + (1/C2) + (1/C3) + (1/C4)
Aby skompensować spadek pojemności, łączy się równolegle kilka szeregowych układów superkondensatorów, tworząc moduły. W ten sposób można uzyskać zarówno odpowiednie napięcie pracy, jak i wymaganą pojemność. Ważne jest jednak, aby zapobiec przeładowaniu poszczególnych ogniw – służy do tego tzw. balansowanie, które może być pasywne lub aktywne.
W przypadku pasywnego balansowania do każdego kondensatora równolegle podłącza się rezystory (tzw. rezystory bocznikowe). Jest to dobre rozwiązanie dla systemów, które często przechodzą cykle ładowania i rozładowania.
W systemach, które rzadko się ładują, lepszym rozwiązaniem jest aktywne balansowanie. W tym przypadku każdy rezystor bocznikowy jest włączany i wyłączany elektronicznie za pomocą przełącznika, co pozwala na bardziej efektywne zarządzanie napięciem w poszczególnych ogniwach.