Superkondensatori bateriju vietā: ierīce, funkciju salīdzinājums, lietošanas priekšrocības, atsauksmes

2024 Autors: Erin Ralphs | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-02-19 17:43

Ideja par lielu īpatnējo kapacitāti tika pētīta 20. gadsimta 60. gados, taču mūsdienās par šo tehnoloģiju ir vērojams jauns pastiprinātas intereses vilnis galaprodukta unikālās veiktspējas īpašību kombinācijas dēļ. Mūsdienās, pamatojoties uz šo tehnoloģiju, tiek ražotas dažādas superkondensatoru un ultrakondensatoru modifikācijas, kuras var uzskatīt par pilnvērtīgu jaudas akumulatoru. Zemāk redzamās superkondensatoru koncepcijas parāda, ka viņu nākotnes konkurence ar parastajiem akumulatoru blokiem (baterijām) nav tik fantastiska.

Kas ir superkondensators?

Būtībā šis ir optimizēts elektroķīmisks akumulators, kas izgatavots kompakta kondensatora formā. Pat virspusēji salīdzinot ierīci ar tipiskuakumulators automašīnai, jūs varat izcelt acīmredzamo izmēru atšķirību, un praksē ieguvumi nāks virspusē arī ilgāka kalpošanas laika un jaudas veidā. Citiem vārdiem sakot, akumulatoru vietā var izmantot superkondensatorus, lai gan ar dažām atrunām enerģijas potenciāla uzkrāšanas ierobežojumu dēļ. Šādas nianses joprojām notiek jonistoru tehnoloģiskās attīstības nepilnības dēļ, tomēr situācija mainās tirgus spiediena ietekmē, pieaugot prasībām pēc akumulatoriem.

Dizains un produktu dizains

Šī kondensatora pamatu veido divi elektrodi, starp kuriem tradicionāli tiek novietota elektrolītiskā vide. Atšķirības no akumulatora var novērot elektrodu izgatavošanas materiālu struktūrā, kuru plāksnes ir pārklātas ar porainu aktīvo ogli. Attiecībā uz elektrolītu šajā kapacitātē var izmantot organiskos un neorganiskos maisījumus. Strukturāli izceļas arī izolācijas tehniskais risinājums superkondensatoru konstrukcijā. Akumulatora alumīnija plākšņu ar dielektrisko slāni vietā tiek izmantoti komponenti ar optimālām jonu un elektroniskās vadītspējas īpašībām. Ja mēs turpinām ideju par iespējamo superkondensatora izmantošanu kā akumulatoru, tad porains ogleklis varētu darboties kā elektroniskais vadītājs, bet sērskābes šķīdums varētu darboties kā jonu vadītājs. Tādā veidā var nodrošināt optimālu lādiņu atdalīšanas slāni starp elektrodiem, papildus nepievienojot apjomīgus izolatorus.

Superkondensatoru šķirnes

Jau šodien ir vairāki virzieni jonistoru attīstībā. Pamanāmākās un daudzsološākās ir šāda veida ierīces:

• Divslāņu kondensatori. Kā elektrolīts tiek izmantots standarta modelis, kurā izmantoti iepriekš minētie elektrodi, kas izgatavoti no elektrību vadoša materiāla, un īpašs separators. Enerģijas potenciāla uzkrāšanās notiek elektrodu lādiņu atdalīšanas rezultātā.
• Pseidokondensatori. Uzlādējams akumulators, kas izgatavots no šāda veida superkondensatoriem, var būt ļoti veiksmīgs risinājums, jo tas piedāvā progresīvākus enerģijas uzkrāšanas veidus. Pirmkārt, tiek aktivizēts Faradeja mehānisma princips, kas saistīts ar enerģijas uzkrāšanas procesiem parastajās baterijās. Un, otrkārt, tiek saglabāta arī elektrostatiskās mijiedarbības pamatshēma starp elektrodiem dubultā elektriskā slānī.
• Hibrīda kondensatori. Starpposma koncepcija, kas apvieno bateriju un kondensatoru individuālās pozitīvās īpašības. Šādās ierīcēs parasti tiek izmantota elektrodu kombinācija, kas izgatavota no jauktiem oksīdiem un leģētiem polimēriem. Šī virziena tālāka attīstība ir saistīta ar kompozītmateriālu izmantošanu, kas papildināti ar oglekļa nesējiem un vadošiem polimēriem.

Galvenās funkcijas

Šodien ir grūti runāt par vispāratzītajiem jonistoru darbības rādītājiem, jotehnoloģija tiek pastāvīgi pilnveidota un pielāgota elektroķīmisko strāvas avotu uzlabošanai. Bet, ja ņemam vidējos datus par superkondensatoru galvenajām īpašībām, tad konkrētie rādītāji izskatīsies šādi:

• Uzlādes laiks - 1–10 sekundes
• Uzlādes ciklu skaits ir aptuveni 1 miljons, kas atbilst 30 000 stundām.
• Spriegums bloka šūnā - diapazonā no 2,3 līdz 2,75 V.
• Enerģijas intensitāte - standarta vērtība 5 Wh/kg.
• Jauda - aptuveni 10 000 W/kg.
• Izturība - līdz 15 gadiem.
• Darbības temperatūra -40°C līdz 65°C.

Salīdzinājums ar parastajiem akumulatoriem

Galvenie atšķirības parametri ir enerģijas uzkrāšanās ātrums un elektriskā lādiņa atgriešanās pakāpe. Tā kā pie superkondensatora ar līdzīgiem izmēriem tiek izmantots dubultā elektriskā potenciāla slānis, palielinās elektrodu darba virsmas laukums. Tas ir, mēs varam runāt par akumulatora un kondensatora kā tāda labāko īpašību apvienošanu. Ja salīdzinām akumulatora un superkondensatora strāvu sadalījumu ar slodzi, tad patērētās strāvas tilpumu vienmērīgums kopumā būs identisks, bet ar divām korekcijām. Akumulatora darbības laikā ir iespējams lielāko strāvu novirzīt uz elementu, kas atrodas bloka apakšējā daļā, un jonistoru gadījumā potenciāls principā būs mazāks zemā sprieguma dēļ. Tāpat būtiskas atšķirības ir darba resursa atšķirība - superkondensatori kalpo par aptuveni 25-30% ilgāk laikā, nemaz nerunājotaugstāks izpildāmo darba ciklu līmenis.

Superkondensatoru darbības priekšrocības

Ja kopumā ņemam vērā pozitīvo ietekmi, ko rada superkondensatoru izmantošana bateriju vietā, tad priekšplānā izvirzīsies šādas īpašības:

• Superkondensatoru lielais enerģijas blīvums ļauj tos izmantot elektroniskās ierīcēs kā īslaicīgu enerģijas avotu.
• Vides drošība. Protams, konstrukcijā joprojām ir saglabātas elektroķīmiskās sastāvdaļas, taču to toksiskā ietekme pastāvīgi samazinās.
• Iespēja izmantot enerģiju no atjaunojamiem avotiem – vēja, saules, ūdens un zemes.
• Akumulatoru strukturālās integrācijas iespēju paplašināšana - piemēram, sarežģītu spēkstaciju, hibrīdelektrisko mašīnu, ar ūdeņradi darbināmu transportlīdzekļu u.c. apkopei.

Ir vērts atzīmēt dažas superkondensatora priekšrocības salīdzinājumā ar parasto kondensatoru. To ir maz, bet liela jauda enerģijas uzglabāšanai ir ļoti svarīga. Pēc šī rādītāja ne visas jonistoru modifikācijas var konkurēt ar akumulatoriem, tomēr, salīdzinot ar kondensatoriem elektriskās jaudas parametrā, tās pārliecinoši uzvar.

Pozitīvas atsauksmes par superkondensatoriem

Superkondensatoru testēšana un daļēja pielietošana mūsdienās notiek dažādās nozarēs. Kā liecina pārskati par šo ierīču darbību, tie apstiprina ražotāju apgalvojumus par augstouzticamība, vides drošība un liela jauda. Kas ir īpaši svarīgi no superkondensatoru un akumulatoru salīdzināšanas viedokļa, pirmie nav tik prasīgi, lai radītu īpašus apstākļus fiziskās apstrādes laikā. Daļēji tas ir saistīts ar to pašu zemo komponentu toksicitāti, bet lielākā mērā darbības ergonomika ir saistīta ar korpusa augsto aizsardzības pakāpi. Tas nozīmē, ka lietotājam nav jānodrošina īpašas ierīces superkondensatoru apkopei noslēgtos apstākļos. Mazais svars un optimizētie izmēri atvieglo arī ikdienas apkopes darbību veikšanu.

Negatīvās atsauksmes par superkondensatoriem

Šāda veida kondensatoriem ir arī trūkumi, kas arī skaidri izpaužas praksē. Jo īpaši lietotāji norāda uz to zemo enerģijas blīvumu, zemo veiktspēju un ne vienmēr pietiekamu sprieguma līmeni, kas rada nepieciešamību izmantot vairākus elementus, lai apkalpotu vienu mērķa patērētāja vienību. Daudzos veidos šie trūkumi neļauj mūsdienās izmantot superkondensatorus akumulatoru vietā, lai gan atkal tehnoloģiju attīstība šīs problēmas var atrisināt.

Kondensatoru izstrādes perspektīvas

Pēc ekspertu un bateriju izstrādātāju domām, tuvākajā nākotnē visur tiks izmantoti jaunās paaudzes kondensatori. Tas kļūs iespējams, pateicoties aktīvai ierīču īpatnējās jaudas palielināšanai. Tas ir tā vērtspievienot un uzlabot superkondensatoru tehniskos un strukturālos parametrus, kas galvenokārt attiecas uz izmēriem un svaru. Tajā pašā laikā jau šodien tiek organizēti jonistoru testi ar jaudu līdz 2,5 mW. Nākotnē šādas sistēmas varēs izmantot transporta tīklu, rūpniecības objektu un dzīvojamo kompleksu uzturēšanā.

Secinājums

Superkondensatora koncepcija tiek uzskatīta par optimālo risinājumu situācijās, kad īslaicīgi ir nepieciešams barošanas avots ar dzīvu uzlādi. Daļēji tā ir pretruna ar ideju par elektroķīmiskiem akumulatoriem, kas ir vērsti uz jaudas ilgstošu uzturēšanu ar noteiktiem parametriem. Bet vai, ņemot vērā šo darbības funkciju, automašīnā ir iespējams izmantot superkondensatoru, nevis akumulatoru? Ar lielu varbūtības pakāpi uzlabotas autobūves koncernas izmantos lieljaudas kondensatorus, taču tikai īpašās hibrīda versijās, kas apvieno superkondensatoru kā tādu pozitīvās īpašības un tradicionālos elektroķīmiskos komponentus. Piemēram, mūsdienās šādus risinājumus izmanto elektroķīmiskās svina-skābes struktūras un superkondensatora kombinācijas veidā.