Szuperkondenzátorok akkumulátorok helyett: eszközök, jellemzők összehasonlítása, használat előnyei, vélemények

2024 Szerző: Erin Ralphs | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-02-19 16:47

A nagy fajlagos kapacitás ötletét az 1960-as években fedezték fel, de manapság a végtermék teljesítményjellemzőinek egyedi kombinációja miatt a technológia iránti érdeklődés új hulláma tapasztalható. Ma már ennek a technológiának az alapján gyártják a szuperkondenzátorok és ultrakondenzátorok különféle módosításait, amelyek teljes értékű akkumulátornak tekinthetők. Az alább bemutatott szuperkondenzátor-koncepciók azt mutatják, hogy a jövőbeni versenyük a hagyományos akkumulátorcsomagokkal (akkumulátorokkal) nem olyan fantasztikus.

Mi az a szuperkondenzátor?

Lényegében ez egy optimalizált elektrokémiai akkumulátor, kompakt kondenzátor formájában. Még az eszköz felületes összehasonlítása mellett is egy tipikusautóhoz való akkumulátor, rávilágíthat a nyilvánvaló méretbeli különbségre, és a gyakorlatban az előnyök is felszínre kerülnek a hosszabb élettartam és teljesítmény formájában. Más szóval, szuperkondenzátorok használhatók akkumulátorok helyett, bár bizonyos fenntartásokkal az energiapotenciál-felhalmozás korlátai miatt. Ilyen árnyalatok még mindig előfordulnak az ionisztorok technológiai fejlődésének tökéletlensége miatt, azonban a helyzet a piac nyomására az akkumulátorok iránti növekvő igények miatt változik.

Dizájn és terméktervezés

Ennek a kondenzátornak az alapját két elektróda alkotja, amelyek közé hagyományosan az elektrolitikus közeget helyezik. Az akkumulátortól való eltérések az elektródák gyártásához használt anyagok szerkezetében figyelhetők meg, amelyek lemezei porózus aktív szénnel vannak bevonva. Ami az elektrolitot illeti, ebben a minőségben szerves és szervetlen keverékek is használhatók. Szerkezetileg is kiemelkedik a szuperkondenzátorok szerkezetében a szigetelés műszaki megoldása. A dielektromos réteggel ellátott akkumulátor alumínium lemezek helyett optimális ionos és elektronikus vezetőképességű alkatrészeket használnak. Ha folytatjuk a szuperkondenzátor akkumulátorként való alkalmazásának koncepcióját, akkor a porózus szén jól működhet elektronikus vezetőként, a kénsav oldat pedig ionvezetőként. Ily módon optimális töltésleválasztó réteg biztosítható az elektródák között terjedelmes szigetelők további alkalmazása nélkül.

Szuperkondenzátorok változatai

Már ma is több irányvonal van az ionisztorok fejlesztésében. A legszembetűnőbbek és legígéretesebbek a következő típusú eszközök:

• Kétrétegű kondenzátorok. A szabványos modell, amely a fent említett, elektromosan vezető anyagból készült elektródákat és egy speciális szeparátort használ elektrolitként. Az energiapotenciál felhalmozódása az elektródák töltésleválasztásának eredményeként következik be.
• Álkondenzátorok. Az ilyen típusú szuperkondenzátorokból készült újratölthető akkumulátor nagyon sikeres megoldás lehet, hiszen fejlettebb energiatárolási módokat kínál. Először is, aktiválódik a Faraday-mechanizmus elve, amely a hagyományos akkumulátorok energiafelhalmozódási folyamataihoz kapcsolódik. Másodszor, a kettős elektromos rétegben lévő elektródák közötti elektrosztatikus kölcsönhatás alapvető sémája is megmarad.
• Hibrid kondenzátorok. Köztes koncepció, amely egyesíti az akkumulátorok és a kondenzátorok egyedi pozitív tulajdonságait. Az ilyen eszközök jellemzően vegyes oxidokból és adalékolt polimerekből készült elektródák kombinációját használják. Ennek az iránynak a továbbfejlesztése szénhordozókkal és vezetőképes polimerekkel kiegészített kompozit anyagok használatához kapcsolódik.

Főbb jellemzők

Ma nehéz az ionisztorok jól bevált teljesítménymutatóiról beszélni, mertA technológiát folyamatosan fejlesztik, és az elektrokémiai áramforrások javításához igazítják. De ha a szuperkondenzátorok fő jellemzőinek átlagos adatait vesszük, akkor a specifikus mutatók így fognak kinézni:

• Töltési idő - 1-10 másodperc
• A töltési ciklusok száma körülbelül 1 millió, ami 30 000 órának felel meg.
• Feszültség a blokkcellában – 2,3-2,75 V.
• Energiaintenzitás – normál érték 5 Wh/kg.
• Teljesítmény - körülbelül 10 000 W/kg.
• Tartósság – akár 15 év.
• Üzemi hőmérséklet -40°C és 65°C között.

Összehasonlítás a hagyományos akkumulátorokkal

A fő megkülönböztető paraméterek az energia felhalmozódási sebessége és az elektromos töltés visszatérésének mértéke. A hasonló méretű szuperkondenzátor közelében lévő kettős elektromos potenciálréteg használata miatt az elektródák munkafelületének területe megnő. Vagyis beszélhetünk az akkumulátor és a kondenzátor, mint olyan legjobb tulajdonságainak kombinálásáról. Ha az akkumulátor és a szuperkondenzátor áramainak eloszlását a terheléshez viszonyítjuk, akkor az elfogyasztott áram térfogatának egyenletessége általában azonos lesz, de két korrekcióval. Az akkumulátor működése során lehetőség van a legnagyobb áramerősség eltolása a blokk alsó részén elhelyezett elem felé, az ionisztorok esetében pedig elvileg kisebb lesz a potenciál az alacsony feszültség miatt. Szintén jelentős különbségek közé tartozik a működő erőforrás különbsége is - a szuperkondenzátorok hozzávetőlegesen 25-30%-kal tovább szolgálnak időben, nem is beszélvea teljesíthető munkaciklusok magasabb aránya.

A szuperkondenzátorok működésének előnyei

Ha általánosságban figyelembe vesszük a szuperkondenzátorok akkumulátor helyett történő használatának pozitív hatásait, akkor a következő tulajdonságok kerülnek előtérbe:

• A szuperkondenzátorok nagy energiasűrűsége lehetővé teszi, hogy elektronikus eszközökben rövid távú áramforrásként használják őket.
• Környezetbiztonság. Természetesen az elektrokémiai komponensek továbbra is megmaradtak a tervezésben, de toxikus hatásuk folyamatosan csökken.
• Megújuló forrásokból – szél, nap, víz és föld – származó energia felhasználásának lehetősége.
• Akkumulátorok szerkezeti integrációjának lehetőségeinek bővítése - például komplex erőművek karbantartása, hibrid elektromos gépek, hidrogénüzemű járművek stb.

Érdemes megjegyezni a szuperkondenzátor néhány előnyét a hagyományos kondenzátorokhoz képest. Kevés van belőlük, de alapvetően fontos a nagy kapacitás az energiatároláshoz. E mutató szerint az ionisztorok nem minden módosítása versenyezhet az akkumulátorokkal, de az elektromos kapacitás paraméterében a kondenzátorokkal összehasonlítva magabiztosan nyernek.

Pozitív vélemények a szuperkondenzátorokról

A szuperkondenzátorok tesztelése és részleges alkalmazása manapság számos iparágban zajlik. Amint az ezeknek az eszközöknek a működéséről szóló áttekintések azt mutatják, megerősítik a gyártók kijelentéseit a magasrólmegbízhatóság, környezetbiztonság és nagy kapacitás. Ami a szuperkondenzátorok és akkumulátorok összehasonlítása szempontjából különösen fontos, az előbbiek nem olyan igényesek, hogy a fizikai kezelés során különleges feltételeket teremtsenek. Ez részben az alkatrészek ugyanolyan alacsony toxicitásának köszönhető, de nagyobb mértékben a működés ergonómiája a tok magas fokú védettségének köszönhető. Vagyis a felhasználónak nem kell speciális eszközöket biztosítania a szuperkondenzátorok zárt körülmények közötti karbantartásához. A kis tömeg és az optimalizált méretek a rutin karbantartási műveletek elvégzését is megkönnyítik.

Negatív vélemények a szuperkondenzátorokról

Az ilyen típusú kondenzátoroknak is vannak gyenge pontjai, amelyek a gyakorlatban is egyértelműen megmutatkoznak. A felhasználók különösen alacsony energiasűrűségükre, alacsony teljesítményükre és nem mindig elegendő feszültségükre hívják fel a figyelmet, ami miatt több elemet kell használni egy célfogyasztói egység kiszolgálásához. Ezek a hiányosságok sok tekintetben akadályozzák manapság a szuperkondenzátorok használatát az akkumulátorok helyett, bár ismét a technológiai fejlődés nagyobb valószínűséggel oldja meg ezeket a problémákat.

A kondenzátorok fejlesztésének kilátásai

Az akkumulátorok szakértői és fejlesztői szerint a közeljövőben mindenhol új generációs kondenzátorokat fognak használni. Ez az eszközök fajlagos kapacitásának aktív növekedése miatt válik lehetővé. Megéria szuperkondenzátorok műszaki és szerkezeti jellemzőinek kiegészítése és javítása, ami elsősorban a méretekre és a tömegre vonatkozik. Ugyanakkor már ma is szervezik a legfeljebb 2,5 mW teljesítményű ionisztorok tesztelését. A jövőben az ilyen rendszereket közlekedési hálózatok, ipari létesítmények és lakóépületek karbantartására lehet majd használni.

Következtetés

A szuperkondenzátor koncepciót tartják az optimális megoldásnak olyan helyzetekben, amikor rövid távú feszültséggel járó tápellátásra van szükség. Ez részben ellentmond az elektrokémiai akkumulátorok elképzelésének, amelyek bizonyos paraméterekkel a teljesítmény hosszú távú fenntartására összpontosítanak. De lehetséges-e egy autóban akkumulátor helyett szuperkondenzátort használni, tekintettel erre a működési jellemzőre? A fejlett autóipari konszernek nagy valószínűséggel nagy kapacitású kondenzátorokat fognak használni, de csak speciális hibrid változatokban, amelyek egyesítik a szuperkondenzátorok és a hagyományos elektrokémiai alkatrészek pozitív tulajdonságait. Például manapság az ilyen megoldásokat elektrokémiai ólom-sav szerkezet és szuperkondenzátor kombinációja formájában alkalmazzák.