Supercondensator - Supercapacitor

Un supercondensator ( SC ), numit și ultracondensator , este un condensator de mare capacitate cu o valoare a capacității mult mai mare decât alți condensatori, dar cu limite de tensiune mai mici, care acoperă decalajul dintre condensatorii electrolitici și bateriile reîncărcabile . De obicei, stochează de 10 până la 100 de ori mai multă energie pe unitate de volum sau masă decât condensatoarele electrolitice, poate accepta și livra încărcare mult mai rapid decât bateriile și tolerează mai multe cicluri de încărcare și descărcare decât bateriile reîncărcabile .

Supercondensatoarele sunt utilizate în aplicații care necesită multe cicluri rapide de încărcare / descărcare, mai degrabă decât stocarea compactă pe termen lung a energiei - în automobile, autobuze, trenuri, macarale și lifturi, unde sunt utilizate pentru frânarea regenerativă , stocarea energiei pe termen scurt sau modul de livrare a energiei. Unitățile mai mici sunt utilizate ca rezervă de alimentare pentru memoria statică cu acces aleatoriu (SRAM).

Spre deosebire de condensatorii obișnuiți, supercondensatorii nu utilizează dielectricul solid convențional , ci folosesc mai degrabă capacitate electrostatică cu strat dublu și pseudocapacitate electrochimică , ambele contribuind la capacitatea totală a condensatorului, cu câteva diferențe:

• Condensatoarele electrostatice cu strat dublu ( EDLC ) utilizează electrozi de carbon sau derivați cu capacitate dublu strat electrostatică mult mai mare decât pseudocapacitatea electrochimică, realizând separarea sarcinii într-un strat dublu Helmholtz la interfața dintre suprafața unui electrod conductiv și un electrolit . Separarea sarcinii este de ordinul câtorva ångströms (0,3-0,8  nm ), mult mai mică decât într-un condensator convențional.
• Pseudocondensatorii electrochimici folosesc oxid de metal sau electrozi polimerici conducători cu o cantitate mare de pseudocapacitate electrochimică suplimentară capacității cu strat dublu. Pseudocapacitatea se realizează prin transferul de sarcină de electroni Faradaic cu reacții redox , intercalație sau electrosorbție .
• Condensatorii hibrizi, cum ar fi condensatorul litiu-ion , utilizează electrozi cu caracteristici diferite: unul prezintă în principal capacitate electrostatică, iar celălalt în mare parte capacitate electrochimică.

Electrolitul formează o conexiune ionică conductivă între cei doi electrozi care îi deosebește de condensatorii electrolitici convenționali în care există întotdeauna un strat dielectric, iar așa-numitul electrolit, de exemplu , MnO ₂ sau polimerul conducător, este de fapt parte a celui de-al doilea electrod ( catod sau mai corect electrodul pozitiv). Supercondensatorii sunt polarizați prin proiectare cu electrozi asimetrici sau, pentru electrozi simetrici, de un potențial aplicat în timpul fabricației.

Istorie

Dezvoltarea modelelor cu strat dublu și pseudocapacitate (a se vedea stratul dublu (interfacial) ).

Evoluția componentelor

La începutul anilor 1950, inginerii General Electric au început să experimenteze cu electrozi de carbon poroși în proiectarea condensatoarelor, de la proiectarea celulelor de combustibil și a bateriilor reîncărcabile . Cărbunele activ este un conductor electric care este o formă extrem de poroasă „spongioasă” de carbon cu o suprafață specifică ridicată . În 1957 H. Becker a dezvoltat un „condensator electrolitic de joasă tensiune cu electrozi de carbon porosi”. El credea că energia este stocată ca o încărcătură în porii de carbon, ca și în porii foliilor gravate ale condensatorilor electrolitici. Deoarece mecanismul cu strat dublu nu era cunoscut de el la acea vreme, el a scris în brevet: „Nu se știe exact ce are loc în componentă dacă este utilizat pentru stocarea energiei, dar duce la o capacitate extrem de mare. "

General Electric nu a urmărit imediat această muncă. În 1966, cercetătorii de la Standard Oil of Ohio (SOHIO) au dezvoltat o altă versiune a componentei ca „aparat de stocare a energiei electrice”, în timp ce lucrau la proiecte experimentale de celule de combustibil . Natura stocării energiei electrochimice nu a fost descrisă în acest brevet. Chiar și în 1970, condensatorul electrochimic brevetat de Donald L. Boos a fost înregistrat ca un condensator electrolitic cu electrozi cu cărbune activ.

Condensatorii electrochimici timpurii au folosit două folii de aluminiu acoperite cu cărbune activ - electrozii - care au fost înmuiați într-un electrolit și separați de un izolator poros subțire. Acest design a dat un condensator cu o capacitate de ordinul unui farad , semnificativ mai mare decât condensatoarele electrolitice de aceleași dimensiuni. Acest design mecanic de bază rămâne baza majorității condensatoarelor electrochimice.

SOHIO nu și-a comercializat invenția, acordând licență tehnologiei către NEC , care a comercializat în cele din urmă rezultatele ca „supercondensatoare” în 1978, pentru a furniza energie de rezervă pentru memoria computerului.

Între 1975 și 1980, Brian Evans Conway a efectuat ample lucrări fundamentale și de dezvoltare a condensatorilor electrochimici cu oxid de ruteniu . În 1991 a descris diferența dintre comportamentul „supercapacitorului” și „bateria” în stocarea energiei electrochimice. În 1999 a definit termenul de "supercondensator" pentru a face referire la creșterea capacității observate de reacțiile redox de suprafață cu transfer faradaic de sarcină între electrozi și ioni. „Supercapacitorul” său a stocat sarcina electrică parțial în dublu strat Helmholtz și parțial ca urmare a reacțiilor faradaice cu transfer de sarcină „pseudocapacitate” a electronilor și a protonilor între electrod și electrolit. Mecanismele de lucru ale pseudocondensatorilor sunt reacțiile redox, intercalația și electrosorbția (adsorbția pe o suprafață). Cu cercetările sale, Conway a extins foarte mult cunoștințele condensatoarelor electrochimice.

Piața s-a extins încet. Acest lucru s-a schimbat în jurul anului 1978 când Panasonic și-a comercializat marca Goldcaps. Acest produs a devenit o sursă de energie de succes pentru aplicațiile de rezervă pentru memorie. Competiția a început abia ani mai târziu. În 1987, ELNA „Dynacap” a intrat pe piață. EDLC-urile din prima generație au avut o rezistență internă relativ mare care a limitat curentul de descărcare. Au fost utilizate pentru aplicații cu curent redus, cum ar fi alimentarea cipurilor SRAM sau pentru backupul datelor.

La sfârșitul anilor 1980, materialele îmbunătățite ale electrodului au crescut valorile capacității. În același timp, dezvoltarea electroliților cu o conductivitate mai bună a redus rezistența echivalentă a seriei (ESR) crescând curenții de încărcare / descărcare. Primul supercondensator cu rezistență internă scăzută a fost dezvoltat în 1982 pentru aplicații militare prin Pinnacle Research Institute (PRI) și a fost comercializat sub denumirea „PRI Ultracapacitor”. În 1992, Maxwell Laboratories (mai târziu Maxwell Technologies ) a preluat această dezvoltare. Maxwell a adoptat termenul Ultracapacitor din PRI și i-a numit „Boost Caps” pentru a sublinia utilizarea lor pentru aplicațiile de alimentare.

Deoarece conținutul de energie al condensatorilor crește odată cu pătratul tensiunii, cercetătorii au căutat o modalitate de a crește tensiunea de rupere a electrolitului . În 1994, folosind anodul unui condensator electrolitic de tantal de înaltă tensiune de 200V , David A. Evans a dezvoltat un „condensator electrochimic electrolitic-hibrid”. Acești condensatori combină caracteristicile condensatoarelor electrolitice și electrochimice. Acestea combină rezistența dielectrică ridicată a unui anod dintr-un condensator electrolitic cu capacitatea ridicată a unui catod pseudocapacitiv de oxid de metal ( oxid de ruteniu (IV)) dintr-un condensator electrochimic, producând un condensator electrochimic hibrid. Condensatoarele Evans, inventate Capattery, aveau un conținut de energie cu un factor de 5 mai mare decât un condensator electrolitic de tantal comparabil de aceeași dimensiune. Costurile lor ridicate i-au limitat la aplicații militare specifice.

Dezvoltările recente includ condensatori litiu-ion . Acești condensatori hibrizi au fost inițiat de FDK Fujitsu în 2007. Ele combină un electrod de carbon electrostatic cu un electrod electrochimic pre-dopat litiu-ion. Această combinație crește valoarea capacității. În plus, procesul de pre-dopaj scade potențialul anodic și are ca rezultat o tensiune de ieșire a celulei ridicată, crescând și mai mult energia specifică.

Departamentele de cercetare active în multe companii și universități lucrează pentru a îmbunătăți caracteristici precum energia specifică, puterea specifică și stabilitatea ciclului și pentru a reduce costurile de producție.

Proiecta

Proiectare de bază

Condensatorii electrochimici (supercondensatori) constau din doi electrozi separați printr-o membrană permeabilă la ioni ( separator ) și un electrolit care conectează ionic ambii electrozi. Când electrozii sunt polarizați de o tensiune aplicată, ionii din electrolit formează straturi electrice duble de polaritate opusă polarității electrodului. De exemplu, electrozii polarizați pozitiv vor avea un strat de ioni negativi la interfața electrod / electrolit împreună cu un strat de echilibrare a sarcinii de ioni pozitivi care se adsorbe pe stratul negativ. Opusul este adevărat pentru electrodul polarizat negativ.

În plus, în funcție de materialul electrodului și forma suprafeței, unii ioni pot pătrunde în dublu strat devenind ioni specific adsorbiți și contribuind cu pseudocapacitate la capacitatea totală a supercapacitorului.

Distribuția capacității

Cei doi electrozi formează un circuit în serie de doi condensatori individuali C ₁ și C ₂ . Capacitatea totală C _totală este dată de formulă

${\ displaystyle C _ {\ text {total}} = {\ frac {C_ {1} \ cdot C_ {2}} {C_ {1} + C_ {2}}}}$

Supercondensatorii pot avea electrozi simetrici sau asimetrici. Simetria implică faptul că ambii electrozi au aceeași valoare a capacității, rezultând o capacitate totală de jumătate din valoarea fiecărui singur electrod (dacă C ₁  =  C ₂ , atunci C _total  = ½  C ₁ ). Pentru condensatorii asimetrici, capacitatea totală poate fi luată ca cea a electrodului cu capacitatea mai mică (dacă C ₁ >> C ₂ , atunci C _total  ≈  C ₂ ).

Principii de depozitare

Condensatoarele electrochimice folosesc efectul dublu strat pentru a stoca energia electrică; cu toate acestea, acest strat dublu nu are dielectric solid convențional pentru a separa sarcinile. Există două principii de stocare în stratul dublu electric al electrozilor care contribuie la capacitatea totală a unui condensator electrochimic:

• Capacitate dublu strat , stocare electrostatică a energiei electrice realizată prin separarea sarcinii într-un strat dublu Helmholtz.
• Pseudocapacitate , stocare electrochimică a energiei electrice realizată prin reacții redox faradaice cu transfer de sarcină.

Ambele capacități sunt separabile numai prin tehnici de măsurare. Cantitatea de încărcare stocată pe unitate de tensiune într-un condensator electrochimic este în primul rând o funcție a dimensiunii electrodului, deși cantitatea de capacitate a fiecărui principiu de stocare poate varia extrem de mult.

Capacitate electrică cu strat dublu

Fiecare condensator electrochimic are doi electrozi, separați mecanic printr-un separator, care sunt conectați ionic între ei prin intermediul electrolitului . Electrolitul este un amestec de ioni pozitivi și negativi dizolvați într-un solvent precum apa. La fiecare dintre cele două suprafețe ale electrodului are loc o zonă în care electrolitul lichid intră în contact cu suprafața metalică conductivă a electrodului. Această interfață formează o graniță comună între două faze diferite ale materiei, cum ar fi o suprafață de electrod solid insolubil și un electrolit lichid adiacent . În această interfață apare un fenomen foarte special al efectului dublu strat .

Aplicarea unei tensiuni la un condensator electrochimic determină ambii electrozi din condensator să genereze straturi electrice duble . Aceste straturi duble constau din două straturi de sarcini: un strat electronic se află în structura de rețea de suprafață a electrodului, iar celălalt, cu polaritate opusă, iese din ionii dizolvați și solvați din electrolit. Cele două straturi sunt separate printr-un monostrat de molecule de solvent , de exemplu , pentru apă ca solvent prin molecule de apă, numit plan interior Helmholtz (IHP). Moleculele solventului aderă prin adsorbție fizică pe suprafața electrodului și separă ionii polarizați opus unul de celălalt și pot fi idealizați ca dielectric molecular. În acest proces, nu există transfer de sarcină între electrod și electrolit, astfel încât forțele care provoacă aderența nu sunt legături chimice, ci forțe fizice, de exemplu , forțe electrostatice. Moleculele adsorbite sunt polarizate, dar, din cauza lipsei transferului de sarcină între electrolit și electrod, nu au suferit modificări chimice.

Cantitatea de încărcare din electrod este potrivită cu magnitudinea contra-încărcărilor din planul Helmholtz exterior (OHP). Acest fenomen cu strat dublu stochează sarcinile electrice ca într-un condensator convențional. Sarcina cu dublu strat formează un câmp electric static în stratul molecular al moleculelor de solvent din IHP care corespunde puterii tensiunii aplicate.

Stratul dublu servește aproximativ ca strat dielectric într-un condensator convențional, deși cu grosimea unei singure molecule. Astfel, formula standard pentru condensatoarele convenționale cu plăci poate fi utilizată pentru a calcula capacitatea lor:

${\ displaystyle C = \ varepsilon {\ frac {A} {d}}}$.

În consecință, capacitatea C este cea mai mare la condensatoarele fabricate din materiale cu o permitivitate ridicată ε , suprafețe mari ale plăcii electrodului A și distanță mică între plăci d . Ca rezultat, condensatoarele cu strat dublu au valori de capacitate mult mai mari decât condensatoarele convenționale, care rezultă din suprafața extrem de mare a electrozilor cu cărbune activ și distanța extrem de subțire a stratului dublu, de ordinul câtorva ångströms (0,3-0,8 nm), de ordinul lungimii Debye .

Principalul dezavantaj al electrozilor de carbon ai SC-urilor cu dublu strat sunt valorile mici ale capacității cuantice care acționează în serie cu capacitatea de încărcare a spațiului ionic. Prin urmare, o creștere suplimentară a densității capacității în SC poate fi legată de creșterea capacității cuantice a nanostructurilor electrodului de carbon.

Cantitatea de încărcare stocată pe unitate de tensiune într-un condensator electrochimic este în primul rând o funcție de dimensiunea electrodului. Depozitarea electrostatică a energiei în straturile duble este liniară în raport cu sarcina stocată și corespunde concentrației ionilor adsorbiți. De asemenea, în timp ce încărcarea în condensatori convenționali este transferată prin intermediul electronilor, capacitatea condensatorilor cu strat dublu este legată de viteza limitată de mișcare a ionilor din electrolit și de structura poroasă rezistivă a electrozilor. Deoarece nu au loc modificări chimice în interiorul electrodului sau electrolitului, încărcarea și descărcarea dublelor straturi electrice în principiu este nelimitată. Duratele reale de viață ale supercapacitorilor sunt limitate doar de efectele de evaporare a electroliților.

Pseudocapacitate electrochimică

Aplicarea unei tensiuni la bornele condensatorului electrochimic mută ionii electroliți către electrodul polarizat opus și formează un strat dublu în care un singur strat de molecule de solvent acționează ca separator. Pseudocapacitatea poate apărea atunci când ionii adsorbiți în mod specific din electrolit străbate stratul dublu. Această pseudocapacitate stochează energia electrică prin intermediul reacțiilor redox reversibile faradaice pe suprafața electrozilor corespunzători într-un condensator electrochimic cu strat dublu electric . Pseudocapacitatea este însoțită de un transfer de sarcină de electroni între electrolit și electrod provenind de la un ion de-solvatat și adsorbit la care participă doar un electron pe unitate de încărcare. Acest transfer de sarcină faradaic își are originea într-o succesiune foarte rapidă de procese reversibile de redox, intercalație sau electrosorbție . Ionul adsorbit nu are nicio reacție chimică cu atomii electrodului (nu apar legături chimice) deoarece are loc doar un transfer de încărcare.

Electronii implicați în procesele faradaice sunt transferați către sau din stările electronice de valență ( orbitali ) ale reactivului electrodului redox. Ei intră în electrodul negativ și curg prin circuitul extern către electrodul pozitiv unde s-a format un al doilea strat dublu cu un număr egal de anioni. Electronii care ajung la electrodul pozitiv nu sunt transferați către anionii care formează stratul dublu, ci rămân în ionii metalici de tranziție puternic ionizați și „înfometați de electroni” de pe suprafața electrodului. Ca atare, capacitatea de stocare a pseudocapacităților faradaice este limitată de cantitatea finită de reactiv din suprafața disponibilă.

O pseudocapacitate faradaică apare numai împreună cu o capacitate statică cu dublu strat , iar magnitudinea sa poate depăși valoarea capacității cu dublu strat pentru aceeași suprafață cu factorul 100, în funcție de natura și structura electrodului, deoarece toată pseudocapacitatea reacțiile au loc numai cu ioni de-solvați, care sunt mult mai mici decât ionul solvat cu învelișul lor de solvatare. Cantitatea de pseudocapacitate are o funcție liniară în limite înguste determinate de gradul de acoperire a suprafeței dependente de potențial a anionilor adsorbiți.

Capacitatea electrozilor de a realiza efecte de pseudocapacitate prin reacții redox, intercalație sau electrosorbție depinde puternic de afinitatea chimică a materialelor electrodului la ionii adsorbiți pe suprafața electrodului, precum și de structura și dimensiunea porilor electrodului. Materialele care prezintă un comportament redox pentru utilizare ca electrozi în pseudocapacitors sunt oxizi de metal de tranziție , cum ar fi RUO ₂ , Iro ₂ sau MnO ₂ introduse de dopare în electrodul conductor de material , cum ar fi cărbune activ, precum și polimeri conductori , cum ar fi polianilina sau derivați de politiofen acoperind materialul electrodului.

Cantitatea de încărcare electrică stocată într-o pseudocapacitate este liniar proporțională cu tensiunea aplicată . Unitatea pseudocapacității este farad .

Distribuția potențialului

Condensatorii convenționali (cunoscuți și sub numele de condensatori electrostatici), cum ar fi condensatorii ceramici și condensatorii de film , constau din doi electrozi separați de un material dielectric . Când este încărcată, energia este stocată într-un câmp electric static care pătrunde dielectricul între electrozi. Energia totală crește odată cu cantitatea de încărcare stocată, care la rândul său se corelează liniar cu potențialul (tensiunea) dintre plăci. Diferența maximă de potențial între plăci (tensiunea maximă) este limitată de intensitatea câmpului de rupere al dielectricului . Aceeași stocare statică se aplică și condensatoarelor electrolitice în care cea mai mare parte a potențialului scade peste stratul subțire de oxid al anodului . Electrolitul lichid oarecum rezistiv ( catodul ) reprezintă o scădere mică a potențialului condensatoarelor electrolitice „umede”, în timp ce condensatoarele electrolitice cu electrolit polimeric conductiv solid această cădere de tensiune este neglijabilă.

În schimb, condensatorii electrochimici (supercondensatori) constau din doi electrozi separați printr-o membrană permeabilă la ioni (separator) și conectați electric printr-un electrolit. Depozitarea energiei are loc în straturile duble ale ambilor electrozi ca un amestec de capacitate dublă și pseudocapacitate. Când ambii electrozi au aproximativ aceeași rezistență ( rezistență internă ), potențialul condensatorului scade simetric peste ambele straturi duble, prin care se realizează o cădere de tensiune peste rezistența echivalentă a seriei (ESR) a electrolitului. Pentru supercondensatorii asimetrici, cum ar fi condensatorii hibrizi, căderea de tensiune între electrozi ar putea fi asimetrică. Potențialul maxim pe condensator (tensiunea maximă) este limitat de tensiunea de descompunere a electroliților.

Atât stocarea energiei electrostatice, cât și cea electrochimică în supercondensatoare sunt liniare în raport cu sarcina stocată, la fel ca în condensatoarele convenționale. Tensiunea dintre bornele condensatorului este liniară în raport cu cantitatea de energie stocată. Un astfel de gradient de tensiune liniar diferă de bateriile electrochimice reîncărcabile, în care tensiunea dintre terminale rămâne independentă de cantitatea de energie stocată, oferind o tensiune relativ constantă.

Comparație cu alte tehnologii de stocare

Supercondensatorii concurează cu condensatorii electrolitici și bateriile reîncărcabile, în special bateriile litiu-ion . Tabelul următor compară parametrii principali ai celor trei familii principale de supercondensatori cu condensatori electrolitici și baterii.

Parametrii de performanță ai supercondensatorilor în
comparație cu condensatorii electrolitici și bateriile litiu-ion

Parametru	Condensatoare electrolitice din aluminiu	Supercondensatoare			Litiu-ion baterii
		Condensatori cu strat dublu (memorie de rezervă)	Pseudocondensatori	Hibrid (Li-ion)
Interval de temperatură, grade Celsius  (° C)	−40 ... +125 ° C	−40 ... +70 ° C	−20 ... +70 ° C	−20 ... +70 ° C	−20 ... +60 ° C
Încărcare maximă, volți  (V)	4 ... 630 V	1,2 ... 3,3 V	2,2 ... 3,3 V	2,2 ... 3,8 V	2,5 ... 4,2 V
Cicluri de reîncărcare, mii (k)	<nelimitat	100 k ... 1 000 k	100 k ... 1 000 k	20 k ... 100 k	0,5 k ... 10 k
Capacitate , farade  (F)	≤ 2,7 F	0,1 ... 470 F	100 ... 12 000 F.	300 ... 3 300 F	-
Energie specifică , watt-ore pe kilogram (Wh / kg)	0,01 ... 0,3 Wh / kg	1,5 ... 3,9 Wh / kg	4 ... 9 Wh / kg	10 ... 15 Wh / kg	100 ... 265 Wh / kg
Putere specifică , wați pe gram  (W / g)	> 100 W / g	2 ... 10 W / g	3 ... 10 W / g	3 ... 14 W / g	0,3 ... 1,5 W / g
Timp de auto-descărcare la temperatura camerei.	scurt (zile)	mediu (săptămâni)	mediu (săptămâni)	lung (luna)	lung (luna)
Eficiență (%)	99%	95%	95%	90%	90%
Viața de lucru la temperatura camerei , ani (y)	> 20 de ani	5 ... 10 ani	5 ... 10 ani	5 ... 10 ani	3 ... 5 ani

Condensatoarele electrolitice prezintă cicluri de încărcare / descărcare aproape nelimitate, rezistență dielectrică ridicată (până la 550 V) și un răspuns de frecvență bun ca reactanță de curent alternativ (AC) în intervalul de frecvență inferior. Supercondensatoarele pot stoca de 10 până la 100 de ori mai multă energie decât condensatoarele electrolitice, dar nu acceptă aplicații de curent alternativ.

În ceea ce privește bateriile reîncărcabile, supercondensatorii au curenți de vârf mai mari, cost redus pe ciclu, fără pericol de supraîncărcare, reversibilitate bună, electrolit necoroziv și toxicitate scăzută a materialului. Bateriile oferă un cost de achiziție mai scăzut și o tensiune stabilă la descărcare, dar necesită echipamente electronice complexe de comutare și comutare, cu pierderea de energie și riscul de scântei, în scurt timp.

Stiluri

Supercondensatoarele sunt fabricate în diferite stiluri, cum ar fi plat cu o singură pereche de electrozi, înfășurate într-o carcasă cilindrică sau stivuite într-o carcasă dreptunghiulară. Deoarece acoperă o gamă largă de valori de capacitate, dimensiunea carcaselor poate varia.

• Diferite stiluri de supercondensatoare
• 

  Stil plat al unui supercondensator folosit pentru componente mobile

• 

  Stilul radial al unui supercondensator pentru montarea PCB utilizat pentru aplicații industriale

Detalii de construcție

• Detalii de construcție ale supercondensatoarelor înfășurate și stivuite cu electrozi cu cărbune activ
• 

  Construcția schematică a unui supercondensator înfășurat
  1. terminale, 2. orificiu de siguranță, 3. disc de etanșare, 4. cutie de aluminiu, 5. pol pozitiv, 6. separator, 7. electrod de carbon, 8. colector, 9. electrod de carbon, 10. pol negativ

• 

  Construcția schematică a unui supercondensator cu electrozi stivuite
  1. electrod pozitiv, 2. electrod negativ, 3. separator

Supercondensatorii sunt construiți cu două folii metalice (colectoare de curent), fiecare acoperită cu un material electrod, cum ar fi cărbunele activ, care servește drept conexiune de alimentare între materialul electrodului și bornele externe ale condensatorului. În mod specific materialului electrodului este o suprafață foarte mare. În acest exemplu, cărbunele activ este gravat electrochimic, astfel încât suprafața materialului este de aproximativ 100.000 de ori mai mare decât suprafața netedă. Electrozii sunt menținuți separat de o membrană permeabilă la ioni (separator) utilizată ca izolator pentru a proteja electrozii împotriva scurtcircuitelor . Această construcție este ulterior laminată sau pliată într-o formă cilindrică sau dreptunghiulară și poate fi stivuită într-o cutie de aluminiu sau o carcasă dreptunghiulară adaptabilă. Celula este apoi impregnată cu un electrolit lichid sau vâscos de tip organic sau apos. Electrolitul, un conductor ionic, intră în porii electrozilor și servește drept conexiune conductivă între electrozi prin separator. În cele din urmă, carcasa este sigilată ermetic pentru a asigura un comportament stabil pe durata de viață specificată.

Tipuri

Energia electrică este stocată în supercondensatoare prin intermediul a două principii de stocare, capacitatea statică cu dublu strat și pseudocapacitatea electrochimică ; iar distribuția celor două tipuri de capacitate depinde de materialul și structura electrozilor. Există trei tipuri de supercondensatoare bazate pe principiul stocării:

• Condensatori cu strat dublu ( EDLC ) - cu electrozi cu cărbune activ sau cu derivați cu capacitate electrostatică cu strat dublu mult mai mare decât pseudocapacitate electrochimică
• Pseudocondensatoare  - cu oxid de metal de tranziție sau electrozi polimerici conducători cu o pseudocapacitate electrochimică ridicată
• Condensatori hibrizi  - cu electrozi asimetrici, dintre care unul prezintă în principal electrostatic și celălalt în mare parte capacitate electrochimică, cum ar fi condensatori litiu-ion

Deoarece capacitatea și pseudocapacitatea dublu strat contribuie inseparabil la valoarea totală a capacității unui condensator electrochimic, o descriere corectă a acestor condensatori poate fi dată doar sub termenul generic. Conceptele de supercapacitate și supercabaterie au fost recent propuse pentru a reprezenta mai bine acele dispozitive hibride care se comportă mai mult ca supercapacitorul și respectiv bateria reîncărcabilă.

Valoarea capacității unui supercondensator este determinată de două principii de stocare:

• Capacitate dublu strat  - stocare electrostatică a energiei electrice realizată prin separarea sarcinii într-un strat dublu Helmholtz la interfața dintre suprafața unui electrod conductor și un electrolit soluție electrolitică . Separarea distanței de încărcare într-un strat dublu este de ordinul câtorva ångströms (0,3-0,8  nm ) și are o origine statică .
• Pseudocapacitate  - Stocarea electrochimică a energiei electrice, realizată prin reacții redox , electrosorbție sau intercalație pe suprafața electrodului prin ioni specific adsorbiți , care are ca rezultat un transfer reversibil al sarcinii faradaice pe electrod.

Capacitatea dublă și pseudocapacitatea contribuie în mod inseparabil la valoarea totală a capacității unui supercapacitor. Cu toate acestea, raportul celor doi poate varia foarte mult, în funcție de proiectarea electrozilor și de compoziția electrolitului. Pseudocapacitatea poate crește valoarea capacității cu un factor de zece față de cea a stratului dublu de la sine.

Condensatoarele electrice cu dublu strat (EDLC) sunt condensatoare electrochimice în care stocarea energiei se realizează în principal prin capacitate cu dublu strat. În trecut, toți condensatorii electrochimici erau numiți „condensatori cu dublu strat”. Utilizarea contemporană vede condensatorii cu strat dublu, împreună cu pseudocondensatorii, ca parte a unei familii mai mari de condensatori electrochimici numiți supercondensatori. Ele sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de ultracondensatoare.

Materiale

Proprietățile supercondensatorilor provin din interacțiunea materialelor lor interne. În special, combinația dintre materialul electrodului și tipul de electrolit determină funcționalitatea și caracteristicile termice și electrice ale condensatorilor.

Electrozi

Electrozii supercondensatorilor sunt în general acoperiri subțiri aplicate și conectate electric la un colector de curent metalic conductiv . Electrozii trebuie să aibă o conductivitate bună, stabilitate la temperaturi ridicate, stabilitate chimică pe termen lung ( inertitate ), rezistență ridicată la coroziune și suprafețe ridicate pe unitate de volum și masă. Alte cerințe includ respectarea mediului și costuri reduse.

Cantitatea de strat dublu, precum și pseudocapacitate stocată pe unitate de tensiune într-un supercapacitor este în principal o funcție a suprafeței electrodului. Prin urmare, electrozii supercondensatori sunt de obicei realizați din material poros, spongios , cu o suprafață specifică extraordinar de mare , cum ar fi cărbunele activ . În plus, capacitatea materialului electrodului de a efectua transferuri de sarcină faradaică îmbunătățește capacitatea totală.

În general, cu cât porii electrodului sunt mai mici, cu atât sunt mai mari capacitatea și energia specifică . Cu toate acestea, porii mai mici cresc rezistența în serie echivalentă (ESR) și scad puterea specifică . Aplicațiile cu curenți de vârf mari necesită pori mai mari și pierderi interne scăzute, în timp ce aplicațiile care necesită energie specifică ridicată necesită pori mici.

Electrozi pentru EDLC-uri

Materialul cel mai frecvent utilizat pentru electrozi pentru supercondensatori este carbonul în diferite manifestări, cum ar fi cărbune activ (AC), pânză din fibră de carbon (AFC), carbon derivat din carbură (CDC), aerogel de carbon , grafit ( grafen ), grafan și nanotuburi de carbon ( CNT).

Electrozii pe bază de carbon prezintă capacitate cu strat dublu predominant statică, chiar dacă o cantitate mică de pseudocapacitate poate fi de asemenea prezentă în funcție de distribuția mărimii porilor. Mărimile porilor din carbonii variază de obicei de la micropori (mai puțin de 2 nm) la mezopori (2-50 nm), dar numai microporii (<2 nm) contribuie la pseudocapacitate. Pe măsură ce dimensiunea porilor se apropie de dimensiunea învelișului de solvatare, moleculele solventului sunt excluse și numai ionii nesolvați umple porii (chiar și pentru ioni mari), crescând densitatea de ambalare ionică și capacitatea de stocare cu H faradaic
₂ intercalare.

Cărbune activ

Cărbunele activ a fost primul material ales pentru electrozii EDLC. Chiar dacă conductivitatea sa electrică este de aproximativ 0,003% a metalelor ( 1.250 - 2.000 S / m ), este suficientă pentru supercondensatoare.

Cărbunele activ este o formă extrem de poroasă de carbon cu o suprafață specifică ridicată - o aproximare obișnuită este că 1 gram (0,035 oz) (o cantitate de dimensiunea unei gume de șters) are o suprafață de aproximativ 1.000 până la 3.000 de metri pătrați (11.000 până la 32.000 ft2) - aproximativ dimensiunea a 4-12 terenuri de tenis . Forma în vrac utilizată în electrozi este cu densitate redusă, cu mulți pori, oferind o capacitate mare de dublu strat.

Cărbunele solid activ, denumit și cărbune amorf consolidat (CAC) este cel mai utilizat material al electrodului pentru supercondensatori și poate fi mai ieftin decât alți derivați de carbon. Este produs din pulbere de cărbune activ presat în forma dorită, formând un bloc cu o distribuție largă a dimensiunilor porilor. Un electrod cu o suprafață de aproximativ 1000 m ² / g rezultate într - o capacitate dublu strat tipic de aproximativ 10 pF / cm ² și o anumită capacitate de 100 F / g.

Începând din 2010, practic toate supercondensatoarele comerciale utilizează cărbune activ sub formă de pulbere din coajă de cocos. Cojile de nucă de cocos produc cărbune activ cu mai mulți micropori decât cărbunele din lemn.

Fibrele de carbon activ

Fibrele de carbon activ (ACF) sunt produse din cărbune activ și au un diametru tipic de 10 µm. Pot avea micropori cu o distribuție foarte îngustă a porilor, care poate fi ușor controlată. Suprafața ACF țesută într-un material textil este de aproximativ2500 m ² / g . Avantajele electrozilor ACF includ rezistență electrică scăzută de-a lungul axei fibrelor și un bun contact cu colectorul.

În ceea ce privește cărbunele activ, electrozii ACF prezintă predominant capacitate dublu strat cu o cantitate mică de pseudocapacitate datorită microporilor lor.

Aerogel de carbon

Aerogelul din carbon este un material extrem de poros, sintetic , ultraliger derivat dintr-un gel organic în care componenta lichidă a gelului a fost înlocuită cu un gaz.

Electrozi aerogel sunt realizate prin piroliza de rezorcinol - formaldehidă aerogels și sunt mai conductive decât majoritatea carboni activat. Acestea permit electrozi subțiri și stabili mecanic, cu o grosime cuprinsă între câteva sute de micrometri (µm) și cu o dimensiune uniformă a porilor. Electrozii Airgel asigură, de asemenea, stabilitate mecanică și vibrații pentru supercondensatori folosiți în medii cu vibrații ridicate.

Cercetătorii au creat un electrod de carbon aerodinamic cu densități gravimetrice de aproximativ 400–1200 m ² / g și capacitate volumetrică de 104 F / cm ³ , producând o energie specifică de325 kJ / kg (90 Wh / kg ) și puterea specifică a20 W / g .

Electrozii standard cu aerogel prezintă capacitate predominant cu strat dublu. Electrozii aerogel care încorporează material compozit pot adăuga o cantitate mare de pseudocapacitate.

Carbon derivat din carbură

Carbon-carbură derivate (CDC), de asemenea , cunoscut sub numele de carbon nanoporos acordabil, este o familie de materiale de carbon derivate din carbură de precursori, cum ar fi binar carbură de siliciu și carbură de titan , care sunt transformate în carbon pur via, fizic de exemplu , descompunerea termică sau chimică , de exemplu , halogenare ) procese.

Carbonii derivati ​​din carburi pot prezenta o suprafata ridicata si diametre ale porilor reglabili (de la micropori la mezopori) pentru a maximiza confinarea ionilor, crescand pseudocapacitatea cu H faradaic .
₂tratament de adsorbție. Electrozii CDC cu design adaptat porilor oferă cu 75% mai multă energie specifică decât carbonii activi convenționali.

Începând cu 2015, un supercondensator CDC oferea o energie specifică de 10,1 Wh / kg, capacitate de 3.500 F și peste un milion de cicluri de încărcare-descărcare.

Grafen

Grafenul este o foaie de grafit cu un singur atom , cu atomi dispuși într-un model hexagonal regulat, numit și „hârtie nanocompozit”.

Grafenul are o suprafață teoretică specifică de 2630 m ² / g care teoretic poate duce la o capacitate de 550 F / g. În plus, un avantaj al grafenului față de cărbunele activ este conductivitatea electrică mai mare. Începând cu 2012, o nouă dezvoltare a folosit foi de grafen direct ca electrozi fără colectoare pentru aplicații portabile.

Într-o variantă de realizare, un supercondensator pe bază de grafen folosește foi de grafen curbate care nu se stivuiesc față în față, formând mezopori care sunt accesibile și umezibili de către electroliții ionici la tensiuni de până la 4 V. O energie specifică de 85,6 Wh / kg (308 kJ / kg ) se obține la temperatura camerei egală cu cea a unei baterii convenționale de hidrură metalică de nichel , dar cu o putere specifică de 100-1000 de ori mai mare.

Structura bidimensională a grafenului îmbunătățește încărcarea și descărcarea. Purtătorii de încărcare în foi orientate vertical pot migra rapid în sau în afara structurilor mai adânci ale electrodului, crescând astfel curenții. Astfel de condensatoare pot fi potrivite pentru aplicații de filtrare 100/120 Hz, care nu sunt accesibile pentru supercondensatoare care utilizează alte materiale din carbon.

Nanotuburi de carbon

Nanotuburile de carbon (CNT), numite și buckytubes, sunt molecule de carbon cu o nanostructură cilindrică . Au o structură goală cu pereți formați din foi de grafit cu un atom de grosime. Aceste foi sunt laminate la unghiuri specifice și discrete („chirale”), iar combinația de unghi chiral și rază controlează proprietăți precum conductivitatea electrică, umectabilitatea electrolitului și accesul la ioni. Nanotuburile sunt clasificate ca nanotuburi cu perete unic (SWNT) sau nanotuburi cu pereți multipli (MWNT). Acestea din urmă au unul sau mai multe tuburi exterioare care învelesc succesiv un SWNT, la fel ca păpușile ruse matrioșka . SWNT-urile au diametre cuprinse între 1 și 3 nm. MWNT-urile au pereți coaxiali mai groși, separați prin distanțare (0,34 nm) care este aproape de distanța între straturi a grafenului.

Nanotuburile pot crește pe verticală pe substratul colector, cum ar fi o placă de siliciu. Lungimile tipice sunt de 20 până la 100 µm.

Nanotuburile de carbon pot îmbunătăți foarte mult performanța condensatorului, datorită suprafeței foarte umectabile și a conductivității ridicate.

Un supercondensator bazat pe SWNT cu electrolit apos a fost studiat sistematic la Universitatea din Delaware în grupul Prof. Bingqing Wei. Li și colab., Pentru prima dată, au descoperit că efectul dimensiunii ionilor și umectabilitatea electrodului-electrolitului sunt factorii dominanți care afectează comportamentul electrochimic al supercondensatorilor SWCNT flexibili în diferiți electroliți apoși 1 molar cu anioni și cationi diferiți. Rezultatele experimentale au arătat, de asemenea, pentru supercapacitorul flexibil că se sugerează punerea unei presiuni suficiente între cei doi electrozi pentru a îmbunătăți supercapacitorul CNT al electrolitului apos.

CNT-urile pot stoca aproximativ aceeași încărcare ca și cărbunele activ pe unitate de suprafață, dar suprafața nanotuburilor este aranjată într-un model regulat, oferind o umezeală mai mare. SWNT-urile au o suprafață specifică teoretică ridicată de 1315 m ² / g, în timp ce cea pentru MWNT-uri este mai mică și este determinată de diametrul tuburilor și de gradul de cuibărire, comparativ cu o suprafață de aproximativ 3000 m ² / g de carboni activi . Cu toate acestea, CNT-urile au capacitate mai mare decât electrozii cu cărbune activ, de exemplu , 102 F / g pentru MWNT-uri și 180 F / g pentru SWNT-uri.

MWNT-urile au mezopori care permit accesul ușor al ionilor la interfața electrod-electrolit. Pe măsură ce dimensiunea porilor se apropie de dimensiunea învelișului de solvatare a ionilor, moleculele solventului sunt parțial dezbrăcate, rezultând o densitate mai mare de ambalare ionică și o capacitate crescută de stocare faradaică. Cu toate acestea, schimbarea considerabilă a volumului în timpul intercalării și epuizării repetate scade stabilitatea lor mecanică. În acest scop, sunt în curs de cercetare pentru a crește suprafața, rezistența mecanică, conductivitatea electrică și stabilitatea chimică.

Electrozi pentru pseudocondensatori

MnO ₂ și RuO ₂ sunt materiale tipice utilizate ca electrozi pentru pseudocondensatori, deoarece au semnătura electrochimică a unui electrod capacitiv (dependență liniară de curent versus curba de tensiune), precum și un comportament faradaic. În plus, stocarea sarcinii provine din mecanisme de transfer de electroni, mai degrabă decât din acumularea de ioni în dublu strat electrochimic. Pseudocondensatorii au fost creați prin reacții redox faradaice care apar în materialele electrodului activ. Mai multe cercetări s-au concentrat pe oxizi de metale de tranziție, cum ar fi MnO _2, deoarece oxizii de metale de tranziție au un cost mai mic în comparație cu oxizii de metale nobile, cum ar fi RuO ₂ . Mai mult, mecanismele de stocare a încărcăturii oxizilor metalici de tranziție se bazează în principal pe pseudocapacitate. Au fost introduse două mecanisme ale comportamentului de stocare a încărcăturii MnO ₂ . Primul mecanism implică intercalarea protonilor (H ⁺ ) sau a cationilor metalelor alcaline (C ⁺ ) în cea mai mare parte a materialului la reducere, urmată de dezintercalare la oxidare.

MnO ₂ + H ⁺ (C ⁺ ) + e ^- ⇌ MnOOH (C)

Al doilea mecanism se bazează pe adsorbția de suprafață a cationilor electroliți pe MnO ₂ .

(MnO ₂ ) _suprafață + C ⁺ + e ^- surface (MnO ₂ ^- C ⁺ ) _suprafață

Nu orice material care prezintă un comportament faradaic poate fi utilizat ca electrod pentru pseudocondensatori, cum ar fi Ni (OH) _2, deoarece este un electrod de tip baterie (dependență neliniară de curba de curent versus tensiune).

Oxizi metalici

Cercetările lui Brian Evans Conway au descris electrozi ai metalelor de tranziție care prezintă cantități mari de pseudocapacitate. Oxizi ai metalelor de tranziție, inclusiv ruteniu ( RuO
₂), iridiu ( IrO
₂), fier ( Fe
₃O
₄), mangan ( MnO
₂) sau sulfuri precum sulfura de titan ( TiS
₂) singur sau în combinație generează reacții puternice de transfer de electroni faradaici combinate cu rezistență scăzută. Dioxid de ruteniu în combinație cu H
₂ASA DE
₄ electrolitul asigură o capacitate specifică de 720 F / g și o energie specifică ridicată de 26,7 Wh / kg (96,12 kJ / kg ).

Încărcarea / descărcarea are loc pe o fereastră de aproximativ 1,2 V per electrod. Această pseudocapacitate de aproximativ 720 F / g este de aproximativ 100 de ori mai mare decât pentru capacitatea cu strat dublu folosind electrozi cu cărbune activ. Acești electrozi din metal de tranziție oferă o reversibilitate excelentă, cu câteva sute de mii de cicluri. Cu toate acestea, ruteniul este scump și fereastra de tensiune de 2,4 V pentru acest condensator limitează aplicațiile lor la aplicații militare și spațiale. Das și colab. a raportat cea mai mare valoare a capacității (1715 F / g) pentru supercapacitorul pe bază de oxid de ruteniu cu oxid de ruteniu electrodepozitat pe electrodul cu film de nanotub de carbon cu perete unic. A fost raportată o capacitate specifică ridicată de 1715 F / g, care se apropie îndeaproape de RuO maxim teoretic prevăzut
₂ capacitate de 2000 F / g.

În 2014 un RuO
₂supercapacitorul ancorat pe un electrod din spumă de grafen a furnizat o capacitate specifică de 502,78 F / g și o capacitate areală de 1,11 F / cm ² ) conducând la o energie specifică de 39,28 Wh / kg și o putere specifică de 128,01 kW / kg pe parcursul a 8000 de cicluri cu performanțe constante. Dispozitivul a fost o arhitectură tridimensională (3D) sub-5 nm hidratată cu grafen ancorat cu ruteniu și nanotub de carbon (CNT) cu spumă hibridă (RGM). Spuma de grafen a fost acoperită conform rețelelor hibride de RuO
₂ nanoparticule și CNT ancorate.

Oxizii de fier, vanadiu, nichel și cobalt mai puțin costisitori au fost testați în electroliți apoși, dar niciunul nu a fost investigat la fel de mult ca dioxidul de mangan ( MnO
₂). Cu toate acestea, niciunul dintre acești oxizi nu este utilizat în scopuri comerciale.

Polimeri conductivi

O altă abordare folosește polimeri conductori de electroni ca material pseudocapacitiv. Deși slab din punct de vedere mecanic, polimerii conductori au o conductivitate ridicată , rezultând un ESR scăzut și o capacitate relativ mare. Astfel de polimeri conductori includ polianilina , politiofenul , polipirolul și poliacetilena . Astfel de electrozi utilizează, de asemenea, dopajul sau dedoparea electrochimică a polimerilor cu anioni și cationi. Electrozii din sau acoperiți cu polimeri conductivi au costuri comparabile cu electrozii de carbon.

Electrozii din polimer conductori suferă, în general, de o stabilitate limitată a ciclului. Cu toate acestea, electrozii din poliacen asigură până la 10.000 de cicluri, mult mai bune decât bateriile.

Electrozi pentru condensatori hibrizi

Toate supercondensatoarele hibride comerciale sunt asimetrice. Ele combină un electrod cu o cantitate mare de pseudocapacitate cu un electrod cu o cantitate mare de capacitate dublu strat . În astfel de sisteme, electrodul de pseudocapacitate faradaic cu capacitatea lor mai mare asigură o energie specifică ridicată, în timp ce electrodul non-faradaic EDLC permite o putere specifică mare . Un avantaj al supercondensatorilor de tip hibrid în comparație cu EDLC-urile simetrice este valoarea lor mai mare a capacității specifice, precum și tensiunea nominală mai mare și, în consecință, energia lor specifică mai mare.

Electrozi compoziti

Electrozii compuși pentru supercondensatori de tip hibrid sunt construiți din material pe bază de carbon cu materiale active pseudocapacitive încorporate sau depuse, cum ar fi oxizii metalici și polimerii conductori. Începând cu 2013, majoritatea cercetărilor pentru supercondensatori explorează electrozii compuși.

CNT-urile oferă o coloană vertebrală pentru o distribuție omogenă a oxidului de metal sau a polimerilor care conduc electric (ECP), producând o pseudocapacitate bună și o capacitate bună cu dublu strat. Acești electrozi obțin capacități mai mari decât electrozi pe bază de carbon pur sau metal pur sau electrozi pe bază de polimeri. Acest lucru este atribuit accesibilității structurii încurcate a nanotuburilor, care permite o acoperire uniformă a materialelor pseudocapacitive și distribuția tridimensională a sarcinii. Procesul de ancorare a materialelor pseudocapacitate utilizează de obicei un proces hidrotermal. Cu toate acestea, un cercetător recent, Li și colab., De la Universitatea din Delaware au găsit o abordare ușoară și scalabilă pentru a precipita MnO2 pe un film SWNT pentru a face un supercapacitor pe bază de electroliți organici.

O altă modalitate de a spori electrozii CNT este doparea cu un dopant pseudocapacitiv ca în condensatoarele litiu-ion . În acest caz, atomii de litiu relativ mici se intercalează între straturile de carbon. Anodul este fabricat din carbon dopat cu litiu, ceea ce permite un potențial negativ mai scăzut cu un catod din carbon activat. Acest lucru are ca rezultat o tensiune mai mare de 3,8-4 V care previne oxidarea electrolitului. Începând cu 2007 au atins o capacitate de 550 F / g. și atinge o energie specifică de până la 14 Wh / kg (50,4 kJ / kg ).

Electrozi de tip baterie

Electrozii bateriei reîncărcabile au influențat dezvoltarea electrozilor pentru noii electrozi supercondensatori de tip hibrid ca și pentru condensatorii litiu-ion . Împreună cu un electrod EDLC din carbon, într-o construcție asimetrică, oferă acestei configurații o energie specifică mai mare decât supercondensatoarele tipice cu putere specifică mai mare, durata de viață mai lungă și timpi de încărcare și reîncărcare mai rapide decât bateriile.

Electrozi asimetrici (pseudo / EDLC)

Recent s-au dezvoltat niște supercondensatori hibrizi asimetrici în care electrodul pozitiv s-a bazat pe un electrod pseudocapacitiv de oxid de metal real (nu un electrod compozit), iar electrodul negativ pe un electrod cu cărbune activ EDLC.

Un avantaj al acestui tip de supercondensatori este tensiunea lor mai mare și, respectiv, energia specifică mai mare (până la 10-20 Wh / kg (36-72 kJ / kg)).

Din câte se știe, nu există pe piață supercondensatori comerciali oferiți cu astfel de electrozi asimetrici.

Electroliti

Electrolitii constau dintr-un solvent și substanțe chimice dizolvate care se disociază în cationi pozitivi și anioni negativi , făcând electrolitul conductiv electric. Cu cât conține electroliți mai mulți ioni, cu atât conductivitatea acestuia este mai bună . În supercondensatori, electroliții sunt conexiunea conductivă electric între cei doi electrozi. În plus, în supercondensatori electrolitul furnizează moleculele pentru monostratul de separare din dublu strat Helmholtz și furnizează ionii pentru pseudocapacitate.

Electrolitul determină caracteristicile condensatorului: tensiunea de funcționare, intervalul de temperatură, ESR și capacitatea. Cu același electrod de cărbune activ, un electrolit apos atinge valori de capacitate de 160 F / g, în timp ce un electrolit organic atinge doar 100 F / g.

Electrolitul trebuie să fie inert chimic și să nu atace chimic celelalte materiale din condensator pentru a asigura un comportament stabil pe termen lung al parametrilor electrici ai condensatorului. Vâscozitatea electrolitului trebuie să fie suficient de scăzută pentru a uda structura poroasă, în formă de burete a electrozilor. Un electrolit ideal nu există, forțând un compromis între performanță și alte cerințe.

Apos

Apa este un solvent relativ bun pentru substanțele chimice anorganice . Tratat cu acizi precum acidul sulfuric ( H
₂ASA DE
₄), alcalii precum hidroxidul de potasiu (KOH) sau săruri precum sărurile cuaternare de fosfoniu , percloratul de sodiu ( NaClO
₄), perclorat de litiu ( LiClO
₄) sau arseniat de hexafluorură de litiu ( LiAsF
₆), apa oferă valori de conductivitate relativ ridicate de aproximativ 100 până la 1000 m S / cm. Electroliții apoși au o tensiune de disociere de 1,15 V per electrod (tensiune condensator 2,3 V) și un interval de temperatură de funcționare relativ scăzut . Acestea sunt utilizate în supercondensatoare cu energie specifică scăzută și putere specifică mare.

Organic

Electroliti cu solvenți organici precum acetonitril , carbonat de propilenă , tetrahidrofuran , carbonat de dietil , γ-butirolactonă și soluții cu săruri cuaternare de amoniu sau săruri de alchil amoniu, cum ar fi tetrafluoroboratul de tetraetilamoniu ( N (Et)
₄BF
₄) sau trietil (metil) tetrafluoroborat ( NMe (Et)
₃BF
₄) sunt mai scumpe decât electroliții apoși, dar au o tensiune de disociere mai mare de obicei 1,35 V per electrod (tensiune condensator 2,7 V) și un interval de temperatură mai mare. Conductivitatea electrică mai mică a solvenților organici (10 până la 60 mS / cm) duce la o putere specifică mai mică, dar din moment ce energia specifică crește odată cu pătratul tensiunii, o energie specifică mai mare.

ionic

Electroliții ionici constau din săruri lichide care pot fi stabile într-o fereastră electrochimică mai largă , permițând tensiuni ale condensatorului peste 3,5 V. Electroliții ionici au de obicei o conductivitate ionică de câțiva mS / cm, mai mică decât electroliții apoși sau organici.

Separatoare

Separatoarele trebuie să separe fizic cei doi electrozi pentru a preveni un scurtcircuit prin contact direct. Poate fi foarte subțire (câteva sutimi de milimetru) și trebuie să fie foarte poros pentru ionii conductori pentru a minimiza ESR. În plus, separatoarele trebuie să fie inerte chimic pentru a proteja stabilitatea și conductivitatea electrolitului. Componentele ieftine folosesc hârtii cu condensator deschis. Modelele mai sofisticate utilizează folii polimerice poroase nețesute precum poliacrilonitrilul sau Kapton , fibre de sticlă țesute sau fibre ceramice țesute poroase.

Colecționari și locuințe

Colectoarele de curent conectează electrozii la bornele condensatorului. Colectorul este fie pulverizat pe electrod, fie este o folie de metal. Aceștia trebuie să poată distribui curenți de vârf de până la 100 A.

Dacă carcasa este realizată dintr-un metal (tipic aluminiu), colectoarele ar trebui să fie realizate din același material pentru a evita formarea unei celule galvanice corozive .

Parametrii electrici

Capacitate

Valorile capacității pentru condensatoarele comerciale sunt specificate ca „capacitate nominală C _R ”. Aceasta este valoarea pentru care a fost proiectat condensatorul. Valoarea pentru o componentă reală trebuie să fie în limitele date de toleranța specificată. Valorile tipice sunt în gama faradelor (F), cu trei până la șase ordine de mărime mai mari decât cele ale condensatoarelor electrolitice.

De valoare capacitanță rezultă din energia (exprimată în Joule ) a unui condensator încărcat încărcat printr - un curent continuu de tensiune V _DC . ${\ displaystyle W}$

${\ displaystyle W = {\ frac {1} {2}} \ cdot C _ {\ text {DC}} \ cdot V _ {\ text {DC}} ^ {2}}$

Această valoare se mai numește „capacitate DC”.

Măsurare

Condensatorii convenționali sunt în mod normal măsurați cu o tensiune alternativă mică (0,5 V) și o frecvență de 100 Hz sau 1 kHz, în funcție de tipul condensatorului. Măsurarea capacității AC oferă rezultate rapide, importante pentru liniile de producție industriale. Valoarea capacității unui supercondensator depinde în mare măsură de frecvența de măsurare, care este legată de structura poroasă a electrodului și de mobilitatea ionică a electrolitului limitat. Chiar și la o frecvență scăzută de 10 Hz, valoarea măsurată a capacității scade de la 100 la 20 la sută din valoarea capacității CC.

Această dependență extraordinară de frecvență puternică poate fi explicată prin diferitele distanțe pe care ionii trebuie să le deplaseze în porii electrodului. Zona de la începutul porilor poate fi accesată cu ușurință de către ioni. Distanța scurtă este însoțită de rezistență electrică scăzută. Cu cât distanța de parcurgere a ionilor este mai mare, cu atât rezistența este mai mare. Acest fenomen poate fi descris cu un circuit serie de elemente RC (rezistență / condensator) în cascadă cu constante de timp RC seriale . Acestea duc la curgerea întârziată a curentului, reducând suprafața totală a electrodului care poate fi acoperită cu ioni dacă polaritatea se schimbă - capacitatea scade odată cu creșterea frecvenței AC. Astfel, capacitatea totală este atinsă numai după timpi de măsurare mai lungi.

Din cauza dependenței de frecvență foarte puternică a capacității, acest parametru electric trebuie măsurat cu o măsurare specială a curentului constant și a descărcării, definită în standardele IEC 62391-1 și -2.

Măsurarea începe cu încărcarea condensatorului. Tensiunea trebuie aplicată și după ce sursa de curent constant / tensiune constantă a atins tensiunea nominală, condensatorul trebuie încărcat timp de 30 de minute. Apoi, condensatorul trebuie descărcat cu un curent de descărcare constant I _descărcare . Apoi se măsoară timpul t ₁ și t ₂ , pentru ca tensiunea să scadă de la 80% (V ₁ ) la 40% (V ₂ ) din tensiunea nominală. Valoarea capacității este calculată ca:

${\ displaystyle C _ {\ text {total}} = I _ {\ text {discharge}} \ cdot {\ frac {t_ {2} -t_ {1}} {V_ {1} -V_ {2}}}}$

Valoarea curentului de descărcare este determinată de aplicație. Standardul IEC definește patru clase:

1. Memorie de rezervă, curent de descărcare în mA = 1 • C (F)
2. Stocarea energiei, curent de descărcare în mA = 0,4 • C (F) • V (V)
3. Puterea, curentul de descărcare în mA = 4 • C (F) • V (V)
4. Puterea instantanee, curentul de descărcare în mA = 40 • C (F) • V (V)

Metodele de măsurare utilizate de producătorii individuali sunt comparabile în principal cu metodele standardizate.

Metoda de măsurare standardizată consumă prea mult timp pentru ca producătorii să o poată utiliza în timpul producției pentru fiecare componentă individuală. Pentru condensatoarele produse industrial, valoarea capacității este măsurată cu o tensiune de curent alternativ mai mică și un factor de corelație este utilizat pentru a calcula capacitatea nominală.

Această dependență de frecvență afectează funcționarea condensatorului. Ciclurile rapide de încărcare și descărcare înseamnă că nici valoarea capacității nominale și nici energia specifică nu sunt disponibile. În acest caz, valoarea capacității nominale este recalculată pentru fiecare condiție de aplicare.

Tensiunea de funcționare

Supercondensatoarele sunt componente de joasă tensiune. Funcționarea sigură necesită ca tensiunea să rămână în limitele specificate. Tensiunea nominală U _R este tensiunea DC maximă sau tensiunea de vârf a impulsului care poate fi aplicată continuu și rămâne în intervalul de temperatură specificat. Condensatoarele nu ar trebui să fie supuse niciodată la tensiuni care depășesc tensiunea nominală.

Tensiunea nominală include o marjă de siguranță împotriva tensiunii de rupere a electrolitului la care electrolitul se descompune . Tensiunea de defalcare descompune moleculele de solvent de separare în dublu strat Helmholtz, de exemplu apa se împarte în hidrogen și oxigen . Moleculele de solvent atunci nu pot separa sarcinile electrice una de alta. Tensiunile mai mari decât tensiunea nominală determină formarea de hidrogen gazos sau un scurtcircuit.

Supercondensatoarele standard cu electrolit apos sunt specificate în mod normal cu o tensiune nominală de 2,1 până la 2,3 V și condensatoarele cu solvenți organici cu 2,5 până la 2,7 V. Condensatoarele litiu-ion cu electrozi dopați pot atinge o tensiune nominală de 3,8 până la 4 V, dar au o tensiune redusă limita de tensiune de aproximativ 2,2 V. Supercondensatorii cu electroliți ionici pot depăși o tensiune de funcționare de 3,5 V.

Funcționarea supercondensatorilor sub tensiunea nominală îmbunătățește comportamentul pe termen lung al parametrilor electrici. Valorile capacității și rezistența internă în timpul ciclului sunt mai stabile și durata de viață și ciclurile de încărcare / descărcare pot fi extinse.

Tensiunile mai mari de aplicare necesită conectarea celulelor în serie. Deoarece fiecare componentă are o ușoară diferență între valoarea capacității și ESR, este necesar să le echilibrați activ sau pasiv pentru a stabiliza tensiunea aplicată. Echilibrarea pasivă folosește rezistențe în paralel cu supercondensatoarele. Echilibrarea activă poate include gestionarea electronică a tensiunii peste un prag care variază curentul.

Rezistență internă

Încărcarea / descărcarea unui supercondensator este conectată la mișcarea purtătorilor de sarcină (ioni) din electrolit de-a lungul separatorului către electrozi și în structura lor poroasă. În timpul acestei mișcări apar pierderi care pot fi măsurate ca rezistență CC internă.

Cu modelul electric al elementelor RC (rezistor / condensator) conectate în serie, conectate în serie, în porii electrodului, rezistența internă crește odată cu creșterea adâncimii de penetrare a purtătorilor de sarcină în pori. Rezistența CC internă este dependentă de timp și crește în timpul încărcării / descărcării. În aplicații, adesea numai intervalul de pornire și oprire este interesant. Rezistența R internă _i se poate calcula din căderea de tensiune Av ₂ în momentul descărcării, începând cu o descărcare de curent constant I _descărcare . Se obține din intersecția liniei auxiliare extinse de la partea dreaptă și baza de timp la momentul declanșării (vezi imaginea din dreapta). Rezistența poate fi calculată prin:

${\ displaystyle R _ {\ text {i}} = {\ frac {\ Delta V_ {2}} {I _ {\ text {discharge}}}}}$

Curentul de descărcare I _descărcare pentru măsurarea rezistenței interne poate fi preluat din clasificarea conform IEC 62391-1.

Această rezistență CC internă R _i nu trebuie confundată cu rezistența CA alternativă numită rezistență de serie echivalentă (ESR) specificată în mod normal pentru condensatori. Se măsoară la 1 kHz. VSH este mult mai mic decât rezistența la curent continuu. VSH nu este relevant pentru calcularea curenților de intrare supraconductori sau a altor curenți de vârf.

R _i determină mai multe proprietăți ale supercondensatorului. Limită curenții de vârf de încărcare și descărcare, precum și timpii de încărcare / descărcare. R _i și rezultatele capacitanță C în constanta de timp ${\ displaystyle \ tau}$

${\ displaystyle \ tau = R _ {\ text {i}} \ cdot C}$

Această constantă de timp determină timpul de încărcare / descărcare. Un condensator de 100 F cu o rezistență internă de 30 mΩ, de exemplu, are o constantă de timp de 0,03 • 100 = 3 s. După 3 secunde de încărcare cu un curent limitat doar de rezistența internă, condensatorul are 63,2% din încărcarea completă (sau este descărcat la 36,8% din încărcarea completă).

Condensatoarele standard cu rezistență internă constantă se încarcă complet pe o perioadă de aproximativ 5 τ. Deoarece rezistența internă crește odată cu încărcarea / descărcarea, timpul real nu poate fi calculat cu această formulă. Astfel, timpul de încărcare / descărcare depinde de detaliile specifice ale construcției.

Sarcina curentă și stabilitatea ciclului

Deoarece supercondensatorii funcționează fără a forma legături chimice, sarcinile curente, inclusiv curenții de încărcare, descărcare și vârf nu sunt limitați de constrângerile de reacție. Sarcina curentă și stabilitatea ciclului pot fi mult mai mari decât pentru bateriile reîncărcabile. Sarcinile curente sunt limitate doar de rezistența internă, care poate fi substanțial mai mică decât pentru baterii.

Rezistența internă „R _i “ și de încărcare / descărcare în curenții sau curenți de vârf „I“ generează pierderi de căldură „P internă _pierdere “ , în conformitate cu:

${\ displaystyle P _ {\ text {loss}} = R _ {\ text {i}} \ cdot I ^ {2}}$

Această căldură trebuie eliberată și distribuită în mediul ambiant pentru a menține temperaturile de funcționare sub temperatura maximă specificată.

Căldura definește în general durata de viață a condensatorului datorită difuziei electrolitului. Generarea de căldură provenită din sarcinile curente ar trebui să fie mai mică de 5-10  K la temperatura ambiantă maximă (care are doar o influență minoră asupra duratei de viață preconizate). Din acest motiv, curenții de încărcare și descărcare specificați pentru cicluri frecvente sunt determinate de rezistența internă.

Parametrii specifici ai ciclului în condiții maxime includ curentul de încărcare și descărcare, durata impulsului și frecvența. Acestea sunt specificate pentru un interval de temperatură definit și peste domeniul de tensiune completă pentru o durată de viață definită. Ele pot diferi enorm în funcție de combinația dintre porozitatea electrodului, mărimea porilor și electrolitul. În general, o sarcină de curent mai mică crește durata de viață a condensatorului și crește numărul de cicluri. Acest lucru poate fi realizat fie printr-un domeniu de tensiune mai scăzut, fie prin încărcare și descărcare mai lentă.

Supercondensatorii (cu excepția celor cu electrozi polimerici) pot suporta mai mult de un milion de cicluri de încărcare / descărcare fără scăderi substanțiale ale capacității sau creșteri ale rezistenței interne. Sub sarcina de curent mai mare este acesta al doilea mare avantaj al supercondensatorilor față de baterii. Stabilitatea rezultă din principiile duble de stocare electrostatică și electrochimică.

Curenții de încărcare și descărcare specificați pot fi depășiți semnificativ prin scăderea frecvenței sau prin impulsuri simple. Căldura generată de un singur impuls poate fi răspândită în timp până când apare următorul impuls pentru a asigura o creștere medie relativ mică a căldurii. Un astfel de „curent de vârf de putere” pentru aplicațiile de putere pentru supercondensatori de peste 1000 F poate oferi un curent maxim de vârf de aproximativ 1000 A. Astfel de curenți mari generează tensiune termică ridicată și forțe electromagnetice ridicate care pot deteriora conexiunea electrod-colector care necesită un design robust și construcția condensatoarelor.

Dependența capacității și rezistenței dispozitivului de tensiunea și temperatura de funcționare

Parametrii dispozitivului precum rezistența inițială a capacității și rezistența la starea de echilibru nu sunt constante, dar sunt variabile și depind de tensiunea de funcționare a dispozitivului. Capacitatea dispozitivului va avea o creștere măsurabilă pe măsură ce crește tensiunea de funcționare. De exemplu: un dispozitiv 100F poate fi văzut că variază cu 26% față de capacitatea sa maximă pe întreaga gamă de tensiune operațională. O dependență similară de tensiunea de funcționare se observă în rezistența la starea de echilibru (R _ss ) și rezistența inițială (R _i ).

Proprietățile dispozitivului pot fi, de asemenea, văzute ca fiind dependente de temperatura dispozitivului. Pe măsură ce temperatura dispozitivului se modifică fie prin funcționarea temperaturii ambiante variabile, proprietățile interne, cum ar fi capacitatea și rezistența, vor varia, de asemenea. Capacitatea dispozitivului crește pe măsură ce crește temperatura de funcționare.

Capacitatea energetică

Supercondensatoarele ocupă decalajul dintre condensatoarele electrolitice de putere mare / consum redus de energie și bateriile reîncărcabile de consum redus / energie ridicată . Energia W _max (exprimată în Joule ) care poate fi stocată într-un condensator este dată de formulă

${\ displaystyle W _ {\ text {max}} = {\ frac {1} {2}} \ cdot C _ {\ text {total}} \ cdot V _ {\ text {loaded}} ^ {2}}$

Această formulă descrie cantitatea de energie stocată și este adesea utilizată pentru a descrie noi succese în cercetare. Cu toate acestea, numai o parte din energia stocată este disponibilă aplicațiilor, deoarece căderea de tensiune și constanta de timp peste rezistența internă înseamnă că o parte din încărcarea stocată este inaccesibilă. Cantitatea efectivă realizată de energie W _eff este redusă prin diferența de tensiune utilizată între V _max și V _min și poate fi reprezentată ca:

${\ displaystyle W _ {\ text {eff}} = {\ frac {1} {2}} \ C \ cdot \ (V _ {\ text {max}} ^ {2} -V _ {\ text {min}} ^ {2})}$

Această formulă reprezintă, de asemenea, componentele de tensiune asimetrică energetică, cum ar fi condensatoarele litiu-ion.

Energie specifică și putere specifică

Cantitatea de energie care poate fi stocată într-un condensator pe masă a condensatorului respectiv se numește energia sa specifică . Energia specifică este măsurată gravimetric (pe unitate de masă ) în wați-oră pe kilogram (Wh / kg).

Cantitatea de energie poate fi stocată într-un condensator pe volum al condensatorului respectiv se numește densitatea sa de energie (numită și energie specifică volumetrică în unele literaturi). Densitatea energetică este măsurată volumetic (pe unitate de volum) în wați-oră pe litru (Wh / l). Unitățile de litri și dm ³ pot fi utilizate în mod interschimbabil.

Începând cu 2013 densitatea comercială a energiei variază foarte mult, dar în general variază de la aproximativ 5 la 8 Wh / l . În comparație, combustibilul pe benzină are o densitate energetică de 32,4 MJ / l sau9000 Wh / l . Energiile comerciale specifice variază de la aproximativ 0,5 la15 Wh / kg . Pentru comparație, un condensator electrolitic din aluminiu stochează de obicei 0,01 până la0,3 Wh / kg , în timp ce o baterie convențională plumb-acid stochează de obicei 30 până la40 Wh / kg și baterii litiu-ion moderne de la 100 la265 Wh / kg . Prin urmare, supercondensatoarele pot stoca de 10 până la 100 de ori mai multă energie decât condensatoarele electrolitice, dar doar o zecime mai mult decât bateriile. Pentru referință, combustibilul pe benzină are o energie specifică de 44,4 MJ / kg sau12 300  Wh / kg .

Deși energia specifică a supercondensatorilor este comparată defavorabil cu bateriile, condensatoarele au avantajul important al puterii specifice . Puterea specifică descrie viteza cu care energia poate fi livrată sarcinii (sau, la încărcarea dispozitivului, absorbită de la generator). Puterea maximă P _max specifică puterea unui vârf teoretic dreptunghiular unic de curent maxim al unei tensiuni date. În circuitele reale, vârful curentului nu este dreptunghiular, iar tensiunea este mai mică, cauzată de căderea tensiunii, așa că IEC 62391-2 a stabilit o putere efectivă mai realistă P _eff pentru supercondensatoare pentru aplicații de putere, care este jumătate din maximă și dată de următoarele formule:

${\ displaystyle P _ {\ text {eff}} = {\ frac {1} {8}} \ cdot {\ frac {V ^ {2}} {R_ {i}}}}$,

${\ displaystyle P _ {\ text {max}} = {\ frac {1} {4}} \ cdot {\ frac {V ^ {2}} {R_ {i}}}}$

cu V = tensiune aplicată și R _i , rezistența internă DC a condensatorului.

La fel ca energia specifică, puterea specifică este măsurată fie gravimetric în kilowați pe kilogram (kW / kg, putere specifică), fie volumetric în kilowați pe litru (kW / l, densitate de putere). Puterea specifică supercondensatorului este de obicei de 10 până la 100 de ori mai mare decât pentru baterii și poate atinge valori de până la 15 kW / kg.

Diagramele Ragone leagă energia de putere și sunt un instrument valoros pentru caracterizarea și vizualizarea componentelor de stocare a energiei. Cu o astfel de diagramă, poziția puterii specifice și a energiei specifice diferitelor tehnologii de stocare este ușor de comparat, vezi diagrama.

Durata de viață

Deoarece supercondensatorii nu se bazează pe modificări chimice ale electrozilor (cu excepția celor cu electrozi polimerici), durata de viață depinde în principal de rata de evaporare a electrolitului lichid. Această evaporare este în general o funcție de temperatură, sarcină curentă, frecvența ciclului curent și tensiune. Sarcina curentă și frecvența ciclului generează căldură internă, astfel încât temperatura care determină evaporarea este suma căldurii ambiante și interne. Această temperatură este măsurabilă ca temperatură centrală în centrul unui corp al condensatorului. Cu cât temperatura miezului este mai mare, cu atât evaporarea este mai rapidă și durata de viață este mai scurtă.

Evaporarea are ca rezultat în general scăderea capacității și creșterea rezistenței interne. Conform IEC / EN 62391-2, reducerile de capacitate de peste 30% sau rezistența internă care depășește de patru ori specificațiile fișei sale tehnice sunt considerate „defecțiuni la uzură”, ceea ce înseamnă că componenta a ajuns la sfârșitul duratei de viață. Condensatorii sunt operabili, dar cu capacități reduse. Dacă aberația parametrilor influențează sau nu funcționalitatea corectă depinde de aplicarea condensatorilor.

Astfel de modificări mari ale parametrilor electrici specificate în IEC / EN 62391-2 sunt de obicei inacceptabile pentru aplicații cu sarcină de curent mare. Componentele care suportă sarcini mari de curent utilizează limite mult mai mici, de exemplu , 20% pierderea capacității sau dublul rezistenței interne. Definiția mai îngustă este importantă pentru astfel de aplicații, deoarece căldura crește liniar cu creșterea rezistenței interne și temperatura maximă nu trebuie depășită. Temperaturi mai mari decât cele specificate pot distruge condensatorul.

Durata reală de aplicare a supercondensatorilor, numită și „ durată de viață ”, „speranță de viață” sau „durată de încărcare”, poate ajunge la 10-15 ani sau mai mult la temperatura camerei. Astfel de perioade lungi nu pot fi testate de producători. Prin urmare, ele specifică durata de viață preconizată a condensatorului la condițiile maxime de temperatură și tensiune. Rezultatele sunt specificate în fișele tehnice folosind notația „timp testat (ore) / temperatură maximă (° C)”, cum ar fi „5000 h / 65 ° C”. Cu această valoare și expresii derivate din date istorice, durata de viață poate fi estimată pentru condiții de temperatură mai scăzute.

Specificația duratei de viață a fișei tehnice este testată de producători utilizând un test de îmbătrânire accelerată numit „test de rezistență” cu temperatura și tensiunea maximă pe un timp specificat. Pentru o politică de produs „zero defect” în timpul acestui test, nu poate apărea uzura sau eșecul total.

Specificația duratei de viață din fișele tehnice poate fi utilizată pentru a estima durata de viață așteptată pentru un proiect dat. „Regula de 10 grade” utilizată pentru condensatorii electrolitici cu electrolit non-solid este utilizată în aceste estimări și poate fi utilizată pentru supercondensatori. Această regulă utilizează ecuația Arrhenius , o formulă simplă pentru dependența de temperatură a vitezei de reacție. Pentru fiecare reducere de 10 ° C a temperaturii de funcționare, durata de viață estimată se dublează.

${\ displaystyle L_ {x} = L_ {0} \ cdot 2 ^ {\ frac {T_ {0} -T_ {x}} {10}}}$

Cu

• L _x = durata de viață estimată
• L ₀ = durata de viață specificată
• T ₀ = temperatura superioară a condensatorului specificată
• T _x = temperatura efectivă de funcționare a celulei condensatorului

Calculate cu această formulă, condensatoarele specificate cu 5000 h la 65 ° C, au o durată de viață estimată de 20.000 h la 45 ° C.

Duratele de viață sunt, de asemenea, dependente de tensiunea de funcționare, deoarece dezvoltarea gazului în electrolitul lichid depinde de tensiune. Cu cât tensiunea este mai mică, cu atât dezvoltarea gazului este mai mică și durata de viață este mai mare. Nicio formulă generală nu leagă tensiunea de durata de viață. Curbele dependente de tensiune prezentate în imagine sunt rezultatul empiric al unui producător.

Speranța de viață pentru aplicațiile de alimentare poate fi, de asemenea, limitată de sarcina curentă sau de numărul de cicluri. Această limitare trebuie specificată de producătorul relevant și depinde puternic de tip.

Auto-descărcare

Stocarea energiei electrice în stratul dublu separă purtătorii de sarcină din pori de distanțe din gama de molecule. Pe această distanță scurtă pot apărea nereguli, ceea ce duce la un mic schimb de purtători de încărcare și descărcare treptată. Această auto-descărcare se numește curent de scurgere . Scurgerile depind de capacitate, tensiune, temperatură și stabilitatea chimică a combinației electrod / electrolit. La temperatura camerei, scurgerile sunt atât de scăzute, încât sunt specificate ca timp pentru auto-descărcare. Timpul de auto-descărcare a supracondensatorului este specificat în ore, zile sau săptămâni. De exemplu, un "condensator de aur" Panasonic de 5,5 V / F specifică o cădere de tensiune la 20 ° C de la 5,5 V la 3 V în 600 de ore (25 de zile sau 3,6 săptămâni) pentru un condensator cu dublă celulă.

Relaxarea tensiunii post încărcare

S-a observat că după ce EDLC experimentează o încărcare sau descărcare, tensiunea va deriva în timp, relaxându-se spre nivelul său anterior de tensiune. Relaxarea observată poate apărea pe parcursul mai multor ore și este probabil datorită constantelor de timp de difuzie lungi ale electrozilor poroși din EDLC.

Polaritate

Deoarece electrozii pozitivi și negativi (sau pur și simplu pozodrodul și respectiv negatrodul) supercondensatorilor simetrici constau din același material, teoretic supercondensatorii nu au o polaritate adevărată, iar defecțiunea catastrofală nu apare în mod normal. Cu toate acestea, încărcarea inversă a unui supercondensator scade capacitatea acestuia, deci este recomandată practica menținerii polarității rezultate din formarea electrozilor în timpul producției. Supercondensatoarele asimetrice sunt inerent polare.

Pseudocondensatorii și supercondensatorii hibrizi care au proprietăți de încărcare electrochimică nu pot fi folosiți cu polaritate inversă, excluzând utilizarea lor în funcționare în curent alternativ. Cu toate acestea, această limitare nu se aplică supercondensatoarelor EDLC

O bară din manșonul izolator identifică terminalul negativ într-o componentă polarizată.

În unele literaturi, termenii „anod” și „catod” sunt folosiți în locul electrodului negativ și a electrodului pozitiv. Utilizarea anodului și a catodului pentru a descrie electrozii din supercondensatori (și, de asemenea, bateriile reîncărcabile, inclusiv bateriile litiu-ion) poate duce la confuzie, deoarece polaritatea se modifică în funcție de faptul dacă o componentă este considerată ca un generator sau ca un consumator de curent. În electrochimie, catodul și anodul sunt legate de reacțiile de reducere și respectiv de oxidare. Cu toate acestea, în supercondensatori pe bază de capacitate electrică cu strat dublu, nu există reacții de oxidare sau reducere la nici unul dintre cei doi electrozi. Prin urmare, conceptele de catod și anod nu se aplică.

Comparația supercondensatoarelor comerciale selectate

Gama de electrozi și electroliți disponibili produce o varietate de componente potrivite pentru diverse aplicații. Dezvoltarea sistemelor de electroliți cu nivel redus de ohmie, în combinație cu electrozi cu pseudocapacitate ridicată, permit mult mai multe soluții tehnice.

Tabelul următor arată diferențele dintre condensatorii diferiților producători în domeniul capacității, tensiunea celulei, rezistența internă (valoarea ESR, DC sau AC) și energia volumetrică și gravimetrică specifică.

În tabel, ESR se referă la componenta cu cea mai mare valoare a capacității producătorului respectiv. Aproximativ, împart supercondensatorii în două grupuri. Primul grup oferă valori ESR mai mari de aproximativ 20 de miliohmi și o capacitate relativ mică de 0,1 până la 470 F. Acestea sunt „condensatori cu strat dublu” pentru backup de memorie sau aplicații similare. Al doilea grup oferă 100 până la 10.000 F cu o valoare ESR semnificativ mai mică sub 1 miliohm. Aceste componente sunt potrivite pentru aplicații de putere. O corelație a unor serii de supercondensatori de diferiți producători cu diferitele caracteristici de construcție este furnizată în Pandolfo și Hollenkamp.

În condensatoarele comerciale cu dublu strat sau, mai precis, EDLC-urile în care stocarea energiei este realizată în mod predominant prin capacitate dublu strat, energia este stocată prin formarea unui strat dublu electric de ioni de electroliți pe suprafața electrozilor conductivi. Deoarece EDLC-urile nu sunt limitate de cinetica de transfer a sarcinii electrochimice a bateriilor, ele se pot încărca și descărca la o rată mult mai mare, cu o durată de viață de peste 1 milion de cicluri. Densitatea de energie EDLC este determinată de tensiunea de funcționare și capacitatea specifică (farad / gram sau farad / cm ³ ) a sistemului electrod / electrolit. Capacitatea specifică este legată de suprafața specifică (SSA) accesibilă de către electrolit, capacitatea sa interfațială cu strat dublu și densitatea materialului electrodului.

EDLC-urile comerciale se bazează pe doi electrozi simetrici impregnați cu electroliți cuprinzând săruri de tetraetilamoniu tetrafluoroborat în solvenți organici. EDLC-urile actuale care conțin electroliți organici funcționează la 2,7 V și ating densități de energie în jur de 5-8 Wh / kg și 7 până la 10 Wh / l. Capacitatea specifică este legată de suprafața specifică (SSA) accesibilă de către electrolit, capacitatea sa interfațială cu strat dublu și densitatea materialului electrodului. Trombocitele pe bază de grafen cu material distanțier mezoporos sunt o structură promițătoare pentru creșterea SSA a electrolitului.

Standarde

Supercondensatoarele variază suficient încât sunt rareori interschimbabile, în special cele cu energie specifică mai mare. Aplicațiile variază de la curenți de vârf mici la mari, necesitând protocoale de test standardizate.

Specificațiile de testare și cerințele parametrilor sunt specificate în specificația generică

• IEC / EN 62391–1, Condensatori electrici cu strat dublu fix pentru utilizare în echipamente electronice .

Standardul definește patru clase de aplicații, în funcție de nivelurile curentului de descărcare:

1. Backup de memorie
2. Stocarea energiei, utilizată în principal pentru acționarea motoarelor, necesită o funcționare scurtă,
3. Putere, cerere de energie mai mare pentru o funcționare îndelungată,
4. Puterea instantanee, pentru aplicații care necesită unități de curent relativ mari sau curenți de vârf de până la câteva sute de amperi, chiar și cu un timp de funcționare scurt

Alte trei standarde descriu aplicații speciale:

• IEC 62391–2, Condensatori electrici cu strat dublu fix pentru utilizare în echipamente electronice - Specificații de detalii goale - Condensatori electrici cu strat dublu pentru utilizare electrică
• IEC 62576, Condensatoare electrice cu dublu strat pentru utilizare în vehicule electrice hibride. Metode de încercare pentru caracteristicile electrice
• BS / EN 61881-3, Aplicații feroviare. Echipament pentru material rulant. Condensatoare pentru electronice de putere. Condensatoare electrice cu dublu strat

Aplicații

Supercondensatoarele nu acceptă aplicații de curent alternativ (AC).

Supercondensatoarele au avantaje în aplicații în care este necesară o cantitate mare de energie pentru un timp relativ scurt, unde este necesar un număr foarte mare de cicluri de încărcare / descărcare sau o durată de viață mai lungă. Aplicațiile tipice variază de la curenți de miliamperi sau miliți de putere până la câteva minute până la mai mulți amperi de curent sau câteva sute de kilowați de putere pentru perioade mult mai scurte.

Timpul în care supercapacitorul poate furniza un curent constant I poate fi calculat ca:

${\ displaystyle t = {\ frac {C \ cdot (U _ {\ text {charge}} - U _ {\ text {min}})} {I}}}$

pe măsură ce tensiunea condensatorului scade de la _încărcarea U până la U _min .

Dacă aplicația are nevoie de o putere constantă P pentru un anumit timp t, aceasta poate fi calculată ca:

${\ displaystyle t = {\ frac {1} {2P}} \ cdot C \ cdot (U _ {\ text {charge}} ^ {2} -U _ {\ text {min}} ^ {2}).}$

în care, de asemenea, tensiunea condensatorului scade de la _încărcarea U până la U _min .

General

Electronice de consum

În aplicații cu sarcini fluctuante, cum ar fi laptop computere, PDA - uri , GPS , playere media portabile , dispozitive portabile și sisteme fotovoltaice , supercapacitorilor poate stabiliza sursa de alimentare.

Supercondensatoarele furnizează energie pentru blițurile fotografice din camerele digitale și pentru lanternele cu LED-uri care pot fi încărcate în perioade de timp mult mai scurte, de exemplu , 90 de secunde.

Unele difuzoare portabile sunt alimentate de supercondensatoare.

Instrumente

O șurubelniță electrică fără fir cu supercondensatoare pentru stocarea energiei are aproximativ jumătate din timpul de funcționare al unui model de baterie comparabil, dar poate fi încărcată complet în 90 de secunde. Păstrează 85% din încărcare după ce trei luni au rămas inactiv.

Tampon de alimentare cu rețea

Numeroase sarcini neliniare, cum ar fi încărcătoare EV , HEV-uri , sisteme de aer condiționat și sisteme avansate de conversie a puterii provoacă fluctuații de curent și armonici. Aceste diferențe de curent creează fluctuații de tensiune nedorite și, prin urmare, oscilații de putere pe rețea. Oscilațiile de putere nu numai că reduc eficiența rețelei, dar pot provoca căderi de tensiune în magistrala comună de cuplare și fluctuații considerabile de frecvență pe întregul sistem. Pentru a depăși această problemă, supercondensatoarele pot fi implementate ca o interfață între sarcină și rețea pentru a acționa ca un tampon între rețea și puterea mare de impuls extrasă de la stația de încărcare.

Tampon de putere pentru echipamente de mică putere

Supercondensatoarele furnizează energie de rezervă sau oprire de urgență a echipamentelor cu consum redus de energie, cum ar fi RAM , SRAM , microcontrolere și carduri PC . Ele sunt singura sursă de energie pentru aplicații cu consum redus de energie, cum ar fi echipamentele de citire automată a contoarelor (AMR) sau pentru notificarea evenimentelor în electronica industrială.

Supercondensatoarele salvează puterea de la și de la bateriile reîncărcabile , atenuând efectele întreruperilor scurte de curent și ale vârfurilor de curent ridicate. Bateriile se declanșează numai în timpul întreruperilor prelungite, de exemplu , dacă rețeaua electrică sau o celulă de combustibil nu funcționează, ceea ce prelungește durata de viață a bateriei.

Sursele de alimentare neîntreruptibile (UPS) pot fi alimentate de supercondensatori, care pot înlocui bănci mult mai mari de condensatori electrolitici. Această combinație reduce costul pe ciclu, economisește costurile de înlocuire și întreținere, permite reducerea dimensiunii bateriei și prelungește durata de viață a bateriei.

Supercondensatoarele asigură o putere de rezervă pentru actuatoarele din sistemele de pas ale turbinei eoliene , astfel încât pasul lamei să poată fi reglat chiar dacă alimentarea principală eșuează.

Stabilizator de tensiune

Supercondensatoarele pot stabiliza fluctuațiile de tensiune pentru liniile electrice acționând ca amortizoare. Sistemele eoliene și fotovoltaice prezintă o ofertă fluctuantă evocată de rafale sau nori pe care supercondensatorii le pot tampona în câteva milisecunde.

Micro grile

Micro rețelele sunt de obicei alimentate cu energie curată și regenerabilă. Cu toate acestea, cea mai mare parte a acestei generări de energie nu este constantă pe tot parcursul zilei și de obicei nu se potrivește cu cererea. Supercondensatoarele pot fi utilizate pentru stocarea micro rețelelor pentru a injecta instantaneu energie atunci când cererea este mare și producția scade momentan și pentru a stoca energie în condiții inverse. Acestea sunt utile în acest scenariu, deoarece microrețelele produc din ce în ce mai mult energie în curent continuu, iar condensatoarele pot fi utilizate atât în ​​aplicații CC, cât și în curent alternativ. Supercondensatoarele funcționează cel mai bine împreună cu bateriile chimice. Acestea oferă un buffer de tensiune imediat pentru a compensa schimbarea rapidă a sarcinilor de putere datorită ratei lor ridicate de încărcare și descărcare printr-un sistem de control activ. Odată ce tensiunea este tamponată, este trecută printr-un invertor pentru a furniza curent alternativ la rețea. Este important de reținut că supercondensatoarele nu pot furniza corectarea frecvenței în această formă direct în rețeaua de curent alternativ.

Recoltarea energiei

Supercondensatoarele sunt dispozitive de stocare temporară a energiei adecvate pentru sistemele de recoltare a energiei . În sistemele de recoltare a energiei, energia este colectată din surse ambiante sau regenerabile, de exemplu , mișcare mecanică, lumină sau câmpuri electromagnetice și transformată în energie electrică într-un dispozitiv de stocare a energiei . De exemplu, s-a demonstrat că energia colectată din câmpurile RF ( frecvență radio ) (folosind o antenă RF ca circuit de redresare adecvat ) poate fi stocată pe un supercondensator tipărit. Energia recoltată a fost apoi utilizată pentru alimentarea unui circuit integrat specific aplicației ( ASIC ) timp de peste 10 ore.

Incorporarea în baterii

UltraBattery este un hibrid reîncărcabilă baterie plumb-acid și un Supercapacitor. Construcția sa de celule conține un electrod standard pozitiv al bateriei plumb-acid, electrolit standard al acidului sulfuric și un electrod negativ special preparat pe bază de carbon care stochează energia electrică cu capacitate dublu strat . Prezența electrodului supercondensator modifică chimia bateriei și îi conferă o protecție semnificativă împotriva sulfatării în condiții de utilizare ridicată a stării parțiale de încărcare, care este modul de defecțiune tipic al celulelor plumb-acid reglementate prin supapă utilizate în acest mod. Celula rezultată funcționează cu caracteristici dincolo de celula plumb-acid sau supercondensator, cu rate de încărcare și descărcare, durata de viață a ciclului, eficiența și performanța toate îmbunătățite.

Medical

Supercondensatorii sunt utilizați în defibrilatoare, unde pot livra 500 de jouli pentru a șoca inima în ritm sinusal .

Transport

Aviaţie

În 2005, compania de sisteme și comenzi aerospațiale Diehl Luftfahrt Elektronik GmbH a ales supercondensatoare pentru alimentarea actuatoarelor de urgență pentru ușile și lamele de evacuare utilizate în avioanele de zbor , inclusiv Airbus 380 .

Militar

Rezistența internă redusă a supercondensatorilor acceptă aplicații care necesită curenți mari pe termen scurt. Printre cele mai vechi utilizări s-au numărat pornirea motorului (pornirea la rece a motorului, în special cu motorină) pentru motoarele mari din tancuri și submarine. Supercondensatoarele tamponează bateria, gestionând vârfuri scurte de curent, reducând ciclismul și prelungind durata de viață a bateriei.

Alte aplicații militare care necesită o putere specifică ridicată sunt antenele radar cu etape, sursele de alimentare cu laser, comunicațiile radio militare, afișajele și instrumentele avionice, puterea de rezervă pentru desfășurarea airbagurilor și rachetele și proiectilele ghidate de GPS.

Automobile

Conceptul Yaris Hybrid-R al Toyota folosește un supercondensator pentru a oferi explozii de putere. PSA Peugeot Citroën a început să utilizeze supercondensatoare ca parte a sistemului său de economisire a combustibilului, care permite o accelerare inițială mai rapidă. Sistemul i-ELOOP al Mazda stochează energia într-un supercondensator în timpul decelerării și o folosește pentru alimentarea sistemelor electrice de la bord în timp ce motorul este oprit de sistemul stop-start.

Autobuz / tramvai

Maxwell Technologies , un producător american de supercondensatoare, a susținut că peste 20.000 de autobuze hibride folosesc dispozitivele pentru a crește accelerația, în special în China. Guangzhou, în 2014 China a început să folosească tramvaie alimentate cu supercondensatoare care sunt reîncărcate în 30 de secunde de un dispozitiv poziționat între șine, stocând energie pentru a rula tramvaiul până la 4 km - mai mult decât suficient pentru a ajunge la următoarea stație, unde ciclul poate să fie repetată. CAF oferă și supercondensatoare pe tramvaiele lor Urbos 3 sub forma sistemului lor ACR .

Recuperarea energiei

O provocare principală a tuturor transporturilor este reducerea consumului de energie și reducerea emisiilor de CO
₂emisiilor. Recuperarea energiei de frânare ( recuperare sau regenerare ) ajută la ambele. Acest lucru necesită componente care pot stoca și elibera rapid energie pe perioade lungi de timp, cu o rată de ciclu ridicată. Supercondensatoarele îndeplinesc aceste cerințe și, prin urmare, sunt utilizate în diverse aplicații în transport.

Calea ferata

Supercapacitors pot fi folosite pentru baterii supliment în sisteme starter în diesel de cale ferată locomotive cu transmisie diesel - electrice . Condensatorii captează energia de frânare a unui punct complet și furnizează curentul de vârf pentru pornirea motorului diesel și accelerarea trenului și asigură stabilizarea tensiunii de linie. În funcție de modul de conducere, este posibilă o economie de energie de până la 30% prin recuperarea energiei de frânare. Întreținerea redusă și materialele ecologice au încurajat alegerea supercondensatorilor.

Macarale, stivuitoare și tractoare

Hibrid Mobile Diesel electrotermetrică cauciuc tyred macarale portal muta și containere stivă în interiorul unui terminal. Ridicarea cutiilor necesită cantități mari de energie. O parte din energie ar putea fi recapturată în timp ce scade sarcina, rezultând o eficiență îmbunătățită.

Un camion stivuitor triplu hibrid folosește pilele de combustibil și bateriile ca stocare a energiei primare și supercondensatoare pentru tamponarea vârfurilor de putere prin stocarea energiei de frânare. Acestea oferă elevatorului puterea maximă de peste 30 kW. Sistemul triplu hibrid oferă economii de energie de peste 50% în comparație cu sistemele diesel sau cu celule de combustibil.

Tractoarele terminale alimentate de supercondensatoare transportă containere la depozite. Acestea oferă o alternativă economică, silențioasă și fără poluare la tractoarele terminale diesel.

Șine ușoare și tramvaie

Supercondensatorii fac posibilă nu numai reducerea energiei, ci și înlocuirea liniilor aeriene din zonele istorice ale orașului, păstrând astfel patrimoniul arhitectural al orașului. Această abordare poate permite multor noi linii de metrou ușor să înlocuiască firele aeriene care sunt prea costisitoare pentru a fi trase complet.

În 2003, Mannheim a adoptat un prototip de vehicul feroviar ușor (LRV) folosind sistemul MITRAC Energy Saver de la Bombardier Transportation pentru a stoca energia mecanică de frânare cu o unitate de supercapacitor montată pe acoperiș. Conține mai multe unități formate fiecare din 192 de condensatori cu 2700 F / 2,7 V interconectați în trei linii paralele. Acest circuit are ca rezultat un sistem de 518 V cu un conținut de energie de 1,5 kWh. Pentru accelerație la pornirea acestui „sistem de bord”, acesta poate oferi LRV cu 600 kW și poate conduce vehiculul până la 1 km fără alimentare cu linia aeriană , integrând astfel mai bine LRV în mediul urban. În comparație cu vehiculele LRV sau Metro convenționale care returnează energie în rețea, stocarea de energie la bord economisește până la 30% și reduce cererea maximă de rețea cu până la 50%.

În 2009, supercondensatorii au permis LRV-urilor să funcționeze în zona istorică a orașului Heidelberg fără cabluri aeriene, păstrând astfel patrimoniul arhitectural al orașului. Echipamentul SC a costat 270.000 EUR suplimentar pe vehicul, care era de așteptat să fie recuperat în primii 15 ani de funcționare. Supercondensatoarele sunt încărcate în stațiile de oprire când vehiculul se află la o oprire programată. În aprilie 2011, operatorul de transport regional german Rhein-Neckar, responsabil pentru Heidelberg, a comandat încă 11 unități.

În 2009, Alstom și RATP au echipat un tramvai Citadis cu un sistem experimental de recuperare a energiei numit „STEEM”. Sistemul este echipat cu 48 de supercondensatori montați pe acoperiș pentru a stoca energia de frânare, care oferă tramvaielor un nivel ridicat de autonomie energetică, permițându-le să ruleze fără linii electrice aeriene pe părți ale traseului său, reîncărcându-se în timp ce călătoresc pe stații de oprire electrice. În timpul testelor, care au avut loc între stațiile Porte d'Italie și Porte de Choisy pe linia T3 a rețelei de tramvaie din Paris , tramsetul a consumat în medie cu aproximativ 16% mai puțină energie.

În 2012, operatorul de tramvaie Geneva Public Transport a început testele unui vehicul LRV echipat cu un prototip de unitate supercapacitor montat pe acoperiș pentru a recupera energia de frânare.

Siemens furnizează sisteme de transport feroviar ușor îmbunătățite cu supercapacitor care includ stocare mobilă.

Linia de metrou din Insula de Sud din Hong Kong urmează să fie echipată cu două unități de stocare a energiei de 2 MW, care ar trebui să reducă consumul de energie cu 10%.

În august 2012, compania CSR Zhuzhou Electric Locomotive din China a prezentat un prototip de tren ușor de metrou cu două vagoane echipat cu o unitate de supercapacitor montată pe acoperiș. Trenul poate parcurge 2 km fără fire, reîncărcându-se în 30 de secunde la stații printr-un pickup montat la sol. Furnizorul a susținut că trenurile ar putea fi utilizate în 100 de orașe chinezești mici și mijlocii. Șapte tramvaie (mașini de stradă) alimentate cu supercondensatoare erau programate să intre în funcțiune în 2014 în Guangzhou , China. Supercondensatoarele sunt reîncărcate în 30 de secunde de un dispozitiv poziționat între șine. Aceasta alimentează tramvaiul până la 4 kilometri (2,5 mi). Începând din 2017, vehiculele supercondensatoare ale Zhuzhou sunt utilizate și pe noul sistem de tramvai Nanjing și sunt în curs de testare în Wuhan .

În 2012, la Lyon (Franța), SYTRAL (administrația transporturilor publice din Lyon) a început experimentele unui sistem de „regenerare laterală” construit de Adetel Group, care a dezvoltat propriul economizor de energie numit „NeoGreen” pentru LRV, LRT și metrouri.

În 2015, Alstom a anunțat SRS, un sistem de stocare a energiei care încarcă supercondensatorii la bordul unui tramvai prin intermediul șinelor conductoare de la sol situate la stațiile de tramvai. Acest lucru permite tramvaielor să funcționeze fără linii aeriene pentru distanțe scurte. Sistemul a fost promovat ca o alternativă la sistemul de alimentare cu energie la sol (APS) al companiei sau poate fi utilizat împreună cu acesta, ca în cazul rețelei VLT din Rio de Janeiro , Brazilia, care a fost deschisă în 2016.

Autobuze

Primul autobuz hibrid cu supercondensatoare din Europa a venit în 2001 la Nürnberg , Germania. A fost așa-numitul MAN "Ultracapbus" și a fost testat în funcționare reală în 2001/2002. Vehiculul testat a fost echipat cu un motor diesel-electric în combinație cu supercondensatoare. Sistemul a fost furnizat cu 8 module Ultracap de 80 V, fiecare conținând 36 de componente. Sistemul funcționa cu 640 V și putea fi încărcat / descărcat la 400 A. Conținutul său de energie era de 0,4 kWh cu o greutate de 400 kg.

Supercondensatorii au recuperat energia de frânare și au furnizat energie de pornire. Consumul de combustibil a fost redus cu 10-15% comparativ cu vehiculele diesel convenționale. Alte avantaje includ reducerea CO
₂ emisii, pornire motoră silențioasă și fără emisii, vibrații mai mici și costuri de întreținere reduse.

Începând din 2002, în Luzern , Elveția , a fost testată o flotă de autobuze electrice numită TOHYCO-Rider. Supercondensatoarele pot fi reîncărcate printr-un încărcător inductiv de mare viteză fără contact, după fiecare ciclu de transport, în decurs de 3 până la 4 minute.

La începutul anului 2005, Shanghai a testat o nouă formă de autobuz electric numit capabus care funcționează fără cabluri de alimentare (funcționare fără catenarie) folosind supercondensatoare mari de la bord care se reîncarcă parțial ori de câte ori autobuzul este oprit (sub așa-numitele umbrele electrice) și se încarcă complet în terminus . În 2006, două rute comerciale de autobuz au început să folosească capabusele; una dintre ele este ruta 11 din Shanghai. S-a estimat că autobuzul cu supercondensator era mai ieftin decât un autobuz cu baterie litiu-ion, iar unul dintre autobuzele sale avea o zecime din costul energetic al unui autobuz diesel cu economii de combustibil pe viață de 200.000 de dolari.

Un autobuz electric hibrid numit tribrid a fost prezentat în 2008 de Universitatea din Glamorgan , Țara Galilor , pentru a fi folosit ca transport pentru studenți. Este alimentat cu combustibil cu hidrogen sau celule solare , baterii și ultracondensatoare.

Cursă de mașini

FIA , un organism de conducere pentru evenimente de curse cu motor, propus în Regulamentul cadru de putere-tren pentru Formula 1 versiunea 1.3 din 23 mai 2007 , că un nou set de tren putere de lege se eliberează , care include un sistem de propulsie hibrid de până la 200 kW și putere de ieșire folosind „superbaterii” realizate cu baterii și supercondensatoare conectate în paralel ( KERS ). Aproximativ 20% din eficiența rezervor-roată ar putea fi atinsă folosind sistemul KERS.

Mașina Toyota TS030 Hybrid LMP1, o mașină de curse dezvoltată conform regulilor prototipului Le Mans , folosește o transmisie hibridă cu supercondensatori. În cursa de 24 de ore din Le Mans din 2012, un TS030 s-a calificat cu o tură mai rapidă cu doar 1,055 secunde mai lent (3: 24,842 față de 3: 23,787) decât cea mai rapidă mașină, un Audi R18 e-tron quattro cu volant de stocare a energiei. Componentele supercapacitorului și ale volantului, ale căror capacități de descărcare rapidă a încărcării ajută atât la frânare, cât și la accelerare, au făcut ca hibrizii Audi și Toyota să fie cele mai rapide mașini din cursă. În cursa de la Le Mans din 2012, cei doi TS030 concurenți, dintre care unul a fost în frunte pentru o parte a cursei, ambii s-au retras din motive care nu au legătură cu supercondensatorii. TS030 a câștigat trei dintre cele 8 curse din sezonul Campionatului Mondial de Anduranță FIA 2012 . În 2014, Toyota TS040 Hybrid a folosit un supercondensator pentru a adăuga 480 de cai putere de la două motoare electrice.

Vehicule electrice hibride

Combinațiile supercondensator / baterie la vehiculele electrice (EV) și vehiculele electrice hibride (HEV) sunt bine cercetate. O reducere de 20 până la 60% a combustibilului a fost solicitată prin recuperarea energiei de frânare în vehicule electrice sau vehicule electrice. Capacitatea supercondensatorilor de a se încărca mult mai repede decât bateriile, proprietățile lor electrice stabile, o gamă mai largă de temperatură și o durată de viață mai lungă sunt potrivite, dar greutatea, volumul și în special costurile atenuează aceste avantaje.

Energia specifică redusă a supercondensatorilor le face improprii pentru utilizarea ca sursă de energie autonomă pentru conducerea pe distanțe lungi. Îmbunătățirea consumului de combustibil între un condensator și o soluție pentru baterie este de aproximativ 20% și este disponibilă doar pentru călătorii mai scurte. Pentru conducerea pe distanțe lungi, avantajul scade la 6%. Vehiculele care combină condensatori și baterii rulează numai în vehicule experimentale.

Începând cu 2013, toți producătorii de automobile EV sau HEV au dezvoltat prototipuri care utilizează supercondensatoare în loc de baterii pentru a stoca energia de frânare pentru a îmbunătăți eficiența transmisiei. Mazda 6 este singura mașină de producție care utilizează supercapacitorilor pentru a recupera energia de frânare. Marcat ca i-eloop, se presupune că frânarea regenerativă reduce consumul de combustibil cu aproximativ 10%.

Seria rusă Yo-cars Ё-mobile era un vehicul hibrid concept și crossover care funcționa cu un tip rotativ cu benzină și un generator electric pentru acționarea motoarelor de tracțiune. Un supercondensator cu capacitate relativ redusă recuperează energia frânei pentru a alimenta motorul electric atunci când accelerează de la o oprire.

Conceptul Yaris Hybrid-R de la Toyota utilizează un supercondensator pentru a oferi explozii rapide de putere.

PSA Peugeot Citroën se potrivește cu supercondensatoare pe unele dintre mașinile sale ca parte a sistemului său de economisire a combustibilului, deoarece aceasta permite porniri mai rapide atunci când semafoarele devin verzi.

Gondole

În Zell am See , Austria , un lift aerian face legătura între oraș și muntele Schmittenhöhe . Gondolele rulează uneori 24 de ore pe zi, folosind electricitate pentru lumini, deschiderea ușilor și comunicare. Singurul timp disponibil pentru reîncărcarea bateriilor la stații este în timpul scurtelor intervale de încărcare și descărcare a oaspeților, care este prea scurt pentru a reîncărca bateriile. Supercondensatoarele oferă o încărcare rapidă, un număr mai mare de cicluri și o durată de viață mai mare decât bateriile.

Emirates Air Line (telecabină) , cunoscută și sub numele de telecabină Thames, este o linie de gondolă de 1 km (0,62 mi) care traversează Tamisa de la Peninsula Greenwich până la Royal Docks . Cabinele sunt echipate cu un sistem modern de infotainment, care este alimentat de supercondensatori.

Dezvoltări

Începând cu 2013, supercondensatoarele litiu-ion disponibile comercial au oferit cea mai mare energie gravimetrică specifică până în prezent, ajungând la 15 Wh / kg (54 kJ / kg ). Cercetările se concentrează pe îmbunătățirea energiei specifice, reducerea rezistenței interne, extinderea intervalului de temperatură, creșterea duratei de viață și reducerea costurilor. Proiectele includ electrozi de dimensiuni ale porilor, materiale de acoperire pseudocapacitive sau dopante și electroliți îmbunătățiți.

Anunțuri

Dezvoltare	Data	Energie specifică	Puterea specifică	Cicluri	Capacitate	Note
Foi de grafen comprimate prin compresie capilară a unui lichid volatil	2013	60  Wh / L				Integrarea electrolitului la scară de subnanometru a creat o rețea continuă de transport ionic.
Electrozi nanotuburi de carbon aliniați vertical	2007 2009 2013	13,50  Wh / kg	37,12  W / g	300.000		Prima realizare
Foi de grafen curbate	2010	85,6  Wh / kg			550  F / g	Straturi unice de foi de grafen curbate care nu se reapucrează față în față, formând mezopori care sunt accesibile și umectabili de către electroliți ionici ecologici la o tensiune de până la 4 V .
KOH a restructurat oxidul de grafit	2011	85  Wh / kg		> 10.000	200  F / g	Hidroxidul de potasiu a restructurat carbonul pentru a crea o rețea poroasă tridimensională
Activează carboni pe bază de grafen ca electrozi supercondensatori cu macro și mezopori	2013	74  Wh / kg				Structuri tridimensionale ale porilor în carbonii derivați din grafen în care mezoporii sunt integrați în schele macroporoase cu o suprafață de 3290  m 2 / g
Polimer microporos conjugat	2011	53  Wh / kg		10.000		Cadrul microporos conjugat π-fuzionat cu Aza
Electrod compozit SWNT	2011		990  W / kg			O structură de pori mezo-macro adaptată deținea mai mulți electroliți, asigurând un transport ionic facil
Nanofloc de hidroxid de nichel pe electrod compozit CNT	2012	50,6  Wh / kg			3300  F / g	Supercondensator asimetric care folosește electrodul Ni (OH) 2 / CNT / NF ca anod asamblat cu un catod de cărbune activ (AC) realizând o tensiune a celulei de 1,8 V
Nanohibrid baterie-electrod	2012	40  Wh / l	7,5  W / l	10.000		Li 4Ti 5O 12 (LTO) depus pe anodul nanofibrelor de carbon (CNF) și un catod al cărbunelui activ
Cobaltit de nichel depus pe aerogel de carbon mezopor	2012	53  Wh / kg	2,25  W / kg		1700  F / g	Nichel cobaltit, un cost redus și un material supercapacitiv ecologic
Dioxid de mangan intercalat nanoflakes	2013	110  Wh / kg			1000  F / g	Procesul electrochimic umed a intercalat ionii de Na (+) în MnO 2straturi intermediare. Electrozii nanoflake prezintă o difuzie ionică mai rapidă cu vârfuri redox îmbunătățite.
Electrod 3D grafen poros	2013	98  Wh / kg			231  F / g	Grafenul cu un singur strat încrețit folie de câteva nanometri, cu cel puțin unele legături covalente.
Micro-supercondensatoare plane bazate pe grafen pentru stocarea energiei pe cip	2013	2,42  Wh / l				Pe filtrarea liniei de cipuri
Condensatoare nano-coli	2014				27,5 μF cm −2	Electrozi: Ru 0,95 O 2 0,2– Dielectric: Ca 2 Nb 3 O 10 -. Procese de fabricație bazate pe soluții la temperatura camerei. Grosimea totală mai mică de 30 nm.
LSG / dioxid de mangan	2015	42 Wh / l	10 kW / l	10.000		Structură tridimensională de grafen cu scriere laser (LSG) pentru conductivitate, porozitate și suprafață. Electrozii au o grosime de aproximativ 15 microni.
Grafen / electrolit solid	2015		0,02 mA / cm 2		9 mF / cm 2	Supraviețuiește flexării repetate.
Nano-fire trioxid de tungsten (WO 3 ) și bidimensionale învelite de cochilii ale unui dichalcogenid de metal de tranziție , disulfură de tungsten (WS 2 )	2016	~ 100 Wh / l	1 kW / l	30.000		Cochilii 2D care înconjoară nanofile

^O cercetare a materialelor pentru electrozi necesită măsurarea componentelor individuale, cum ar fi un electrod sau jumătate de celulă. Prin utilizarea unui contraelectrod care nu afectează măsurătorile, caracteristicile numai ale electrodului de interes pot fi dezvăluite. Energia și puterea specifice pentru supercondensatorii reali au doar mai mult sau mai puțin aproximativ 1/3 din densitatea electrodului.

Piaţă

Începând din 2016, vânzările la nivel mondial de supercondensatoare sunt de aproximativ 400 de milioane de dolari SUA.

Piața bateriilor (estimată de Frost & Sullivan ) a crescut de la 47,5 miliarde de dolari SUA (din care 76,4% sau 36,3 miliarde de dolari SUA au fost baterii reîncărcabile) la 95 de miliarde de dolari SUA. Piața supercondensatorilor este încă o piață de nișă mică, care nu ține pasul cu rivalul său mai mare.

În 2016, IDTechEx estimează că vânzările vor crește de la 240 milioane dolari la 2 miliarde dolari până în 2026, o creștere anuală de aproximativ 24%.

Costurile supercondensatorului în 2006 au fost de 0,01 USD pe farad sau 2,85 USD pe kilojoule, deplasându-se în 2008 sub 0,01 USD pe farad și se aștepta să scadă în continuare pe termen mediu.

Denumiri comerciale sau de serie

Excepționale pentru componentele electronice, cum ar fi condensatoarele, sunt denumirile comerciale sau seriale diferite utilizate pentru supercondensatoare, cum ar fi APowerCap, BestCap, BoostCap, CAP-XX, C-SECH, DLCAP, EneCapTen, EVerCAP, DynaCap, Faradcap, GreenCap, Goldcap, HY-CAP , Condensator Kapton, Super condensator, SuperCap, PAS Capacitor, PowerStor, PseudoCap, Ultracapacitor, ceea ce face dificilă clasificarea acestor condensatori de către utilizatori. (Comparați cu #Compararea parametrilor tehnici )

Vezi si

Literatură

• Abruña, HD; Kiya, Y .; Henderson, JC (2008). „Baterii și condensatori electrochimici” (PDF) . Fizic. Astăzi . 61 (12): 43–47. Bibcode : 2008PhT .... 61l..43A . doi : 10.1063 / 1.3047681 .
• Bockris, J. O'M .; Devanathan, MAV; Muller, K. (1963). „Despre structura interfețelor încărcate”. Proc. R. Soc. A . 274 (1356): 55-79. Cod Bib : 1963RSPSA.274 ... 55B . doi : 10.1098 / rspa.1963.0114 . S2CID  94958336 .
• Béguin, Francois; Raymundo-Piñeiro, E .; Frackowiak, Elzbieta (2009). "8. Condensatoare electrice cu două straturi și pseudocondensatoare". Carbune pentru sisteme de conversie și stocare a energiei electrochimice . CRC Press. pp. 329-375. doi : 10.1201 / 9781420055405-c8 . ISBN 978-1-4200-5540-5.
• Conway, Brian Evans (1999). Supercondensatoare electrochimice: Fundamente științifice și aplicații tehnologice . Springer . doi : 10.1007 / 978-1-4757-3058-6 . ISBN 978-0306457364.
• Zhang, J .; Zhang, L .; Liu, H .; Soare, A .; Liu, R.-S. (2011). "8. Supercondensatoare electrochimice" . Tehnologii electrochimice pentru stocarea și conversia energiei . Weinheim: Wiley-VCH. pp. 317–382. ISBN 978-3-527-32869-7.
• Leitner, KW; Iarna, M .; Besenhard, JO (2003). „Electrozi compuși supercondensatori”. J. Elect . În stare solidă 8 (1): 15-16. doi : 10.1007 / s10008-003-0412-x . S2CID  95416761 .
• Kinoshita, K. (18 ianuarie 1988). Carbon: proprietăți electrochimice și fizico-chimice . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-84802-8.
• Vol'fkovich, YM; Serdyuk, TM (2002). „Condensatoare electrochimice”. Russ. J. Electrochem . 38 (9): 935-959. doi : 10.1023 / A: 1020220425954 .
• Palaniselvam, Thangavelu; Baek, Jong-Beom (2015). „Materiale 2D pe bază de grafen pentru supercondensatoare”. Materiale 2D . 2 (3): 032002. Bibcode : 2015TDM ..... 2c2002P . doi : 10.1088 / 2053-1583 / 2/3/032002 .
• Ploehn, Harry (2015). „Compozitul pentru stocarea energiei ia căldura” . Natura . 523 (7562): 536-537. Bibcode : 2015Natur.523..536P . doi : 10.1038 / 523536a . PMID  26223620 . S2CID  4398225 .
• Li, Qui (2015). „Materiale dielectrice flexibile la temperaturi ridicate din nanocompozite polimerice”. Natura . 523 (7562): 576-579. Cod Bib : 2015Natur.523..576L . doi : 10.1038 / nature14647 . PMID  26223625 . S2CID  4472947 .

Referințe

linkuri externe

• Supercapacitors: A Brief Overview pub 2003