Суперконденсатор

Суперконденсатор (или по-другому ионистор) представляет собой устройство для накопления электрической энергии, занимающее среднее положение между аккумуляторной батареей и электролитом. Правда, в отличие от них, эти изделия имеют несравнимо меньшие размеры и выглядят как обычные электролитические конденсаторы (смотрите рисунок ниже).

Типовые суперконденсаторы

По своим характеристикам суперконденсатор (СК) существенно отличается от рядовых электролитических изделий, поскольку он более долговечен и имеет меньшую токовую утечку. Основная цель разработки этих изделий – создание накопителей энергии нового поколения, способных заменить привычные аккумуляторные батареи.

Характерные отличия

Помимо уже перечисленных выше достоинств, суперконденсатор характеризуется более высоким, чем у батарей, показателем удельной ёмкости, что позволяет использовать его в качестве источника питания в электромобилях, например. Благодаря уникальным энергетическим свойствам, время зарядки этого электролитического элемента заметно сокращается (то же самое можно сказать и о периоде его разрядки).

При его эксплуатации удаётся добиться более экономичного режима работы за счёт возможности аккумулирования избытков полученной от источников энергии.

Внешне суперконденсатор выглядит как обычный элемент с двумя электродами, используемый вместо аккумулятора.

Внешний вид СК

Подобно АКБ, в своих внутренних полостях он также содержит электролит, который при взаимодействии с пластинами вырабатывает электроэнергию.

Особенности конструкции и производители

Электроды этого изделия изготавливаются из специального пористого материала, покрытого сверху тонким слоем активированного угля. В качестве электролитического состава используются смеси неорганического или органического происхождения. Основные его отличия от привычного конденсатора состоят в следующем:

• Между обкладками в этом изделии размещается не обычный слой диэлектрика, а вдвое толще, что позволяет получить очень тонкий зазор. Такая конструкция обеспечивает возможность накапливать электроэнергию в больших объёмах (электрическая ёмкость в этом случае значительно возрастает);
• Далее суперконденсатор, в отличие от других образцов, аккумулирует и расходует заряд достаточно быстро;
• Благодаря использованию двойного слоя диэлектрика повышается общая площадь электродов, а габариты при этом остаются прежними. Технические характеристики изделия при этом заметно улучшаются.

К особенностям этих конденсаторов, появившихся в 1962 году, также следует отнести энергетическую структуру их электродов, один из которых имеет электронную проводимость, а другой – так называемую «ионную». В результате этого в процессе их зарядки осуществляется разделение противоположных по знаку зарядов, приводящее к накапливанию на обкладках положительного и отрицательного потенциала (смотрите фото).

Разделение зарядов в СК

В 1971 году лицензию на производство этих уникальных изделий получила известная японская корпорация NEC, успешно освоившая к этому времени практически все электротехнические направления. Именно ей удалось продвинуть и окончательно утвердить на рынке электронных изделий уникальную технологию производства суперконденсаторов. С 2000-х годов она успешно освоена практически во всех экономически развитых странах мира.

Виды суперэлектролитов

Все известные образцы электролитических изделий этого класса подразделяются на следующие виды:

• Двухслойные конденсаторные структуры (ДСК);
• Гибридные электролитические элементы;
• Псевдоконденсаторы.

Рассмотрим каждый из них чуть подробнее.

Двухслойные структуры имеют в своём составе два пористых электрода с проводящим углеродным покрытием, разделенных особым составом (электролитным сепаратором). Процесс аккумулирования энергии в этих образованиях осуществляется за счет разделения противоположных по знаку зарядов, сопровождающегося образованием на электродах значительных по амплитуде потенциалов.

На величину электрического заряда таких структур существенное влияние оказывает емкость двойного накопительного слоя, выполняющего функцию своеобразного поверхностного конденсатора. Между собой эти две накопительные системы соединяются в последовательную цепочку посредством объединяющего их электролита.

Гибридные электролиты можно отнести к категории переходных структур, занимающих промежуточное положение между аккумулятором и конденсатором. Выбор такого названия для этих изделий обусловлен тем, что электроды в них изготавливаются из материалов разного типа, вследствие чего характер накопления зарядов несколько различен.

Гибридный конденсатор

Обычно функцию катода в них выполняет материал, обладающий так называемой «псевдо ёмкостью», а процесс аккумулирования заряда происходит вследствие протекания окислительно-восстановительных реакций. Такая «архитектура» электролитов этой группы позволяет увеличить суммарную емкость конденсатора, а также расширить диапазон допустимых напряжений.

В этих изделиях чаще всего применяются сложные сочетания материала электродов, представляющих собой комбинацию из особого типа проводящих полимеров (или смешанных оксидов). Ведутся исследования по другим перспективным материалам (композитам, в частности), получаемым методом осаждения оксидов металлов на углеродные основания или полимеры.

Псевдоконденсаторы по своим техническим показателям гораздо ближе к перезаряжаемым аккумуляторным батареям, имеющим два твёрдотельных электрода. В основе их действия лежит сочетание следующих двух механизмов:

• Процессы заряда и разряда (аналогичные реакциям, происходящим в обычных аккумуляторах);
• Взаимодействия электростатического характера, присущие структурам с двойным электрическим слоем.

Приставка «псевдо» означает, что емкость этих элементов определяется не столько характером электростатических процессов, сколько зависимостью от реакций, связанных с переносом электролитических зарядов.

Области применения

Наиболее часто изделия этого класса применяются в следующих механизмах, агрегатах и образцах оборудования:

• В системах с источниками возобновляемой энергии, нуждающихся в аккумулировании накапливаемых потенциалов (солнечные батареи, ветряные генераторы и т. п.);
• В современных транспортных средствах (электрокарах, например), а также в устройствах запуска двигателей автомобилей на водородном топливе;
• За счёт высокой энергетической плотности и повышенной удельной емкости эти изделия широко применяются в электронной аппаратуре (в качестве источников кратковременного и мощного импульса);
• Также они востребованы в системах бесперебойного питания, в которых в полной мере используется их основное преимущество – обеспечивать мгновенную передачу мощности.

Кроме того, суперконденсаторы могут применяться в следующих устройствах:

• В системах демпфирования энергетических нагрузок, а также в устройствах запуска электродвигателей;
• В комплексах, функционирование которых связано с критическими нагрузками (оборудование портов, больничных учреждений, вышек мобильной связи, банковских центров и т. п.);
• В источниках резервного электроснабжения оборудования ПК и систем сбора данных (микропроцессоров и ЗУ), а также в мобильных телефонах.

Достоинства и недостатки конденсаторных изделий

К числу достоинств изделий рассматриваемого класса следует отнести:

• Низкую удельную стоимость (из расчета на единицу ёмкости);
• Высокие показатели ёмкостной плотности и КПД циклов заряда-разряда (до 95% и выше);
• Надёжность, долговечность и экологическая чистота;
• Прекрасные показатели удельной мощности;
• Достаточно широкий диапазон температур, при которых возможна их эксплуатация;
• Наибольшая из всех возможных для изделий данной категории скорость заряда и разряда;
• Допустимость полной потери ёмкости (практически до нуля).

Ещё одно немаловажное преимущество СК – их сравнительно малые размеры и вес (по отношению к другим типам электролитических изделий).

Размеры СК

Среди присущих им «минусов» хотелось бы отметить следующие недостатки:

• Относительно малая плотность накапливаемых энергий;
• Низкий показатель вольтажа, приходящегося на единицу ёмкости элемента;
• Высокий уровень неконтролируемого саморазряда.

Добавим к этому не до конца проработанную технологию производства изделий.

Перспективы применения

В ближайшем будущем предполагается практически повсеместное использование суперконденсаторов, которые будут внедряться в большинство энергоёмких производств (включая медицинскую отрасль, аэрокосмическую промышленность и военную технику).

Одновременно с их внедрением всё более повышается удельная емкость этих изделий, что в перспективе позволит полностью заменить батареи конденсаторами. Также намечается процесс интегрирования суперконденсаторов в различные структуры современного электронного производства, включая изготовление управляющих и регулирующих элементов.

В заключение отметим, что конденсаторные изделия этого класса позволяют внедрить в жизнь экологически чистые способы экономии энергии, намного более перспективные, чем все известные до сих пор. В ближайшее время предполагается дальнейшее расширение сфер применения этих технологий, которые могут захватить всю автотранспортную отрасль, а также устройства связи и мобильную технику.

Видео

https://www.youtube.com/watch?v=mbHATQ2nfzo