Войти
Схематическое изображение суперконденсатора 
Схема, показывающая иерархическую классификацию суперконденсаторов и конденсаторов родственных типов. Суперконденсатор ( СК), также называемый ультраконденсатором, является высокой емкостью конденсатора с значением емкости гораздо более высоким, чем у других конденсаторы, но с более низким напряжением, пределами, что устраняет разрыв между электролитическими конденсаторами и аккумуляторными батареями. Обычно он накапливает в 10-100 раз больше энергии на единицу объема или массы, чем электролитические конденсаторы, может принимать и доставлять заряд намного быстрее, чем батареи, и выдерживает гораздо больше циклов заряда и разряда, чем аккумуляторные батареи.
Суперконденсаторы используются в приложениях, требующих множества быстрых циклов заряда / разряда, а не в автомобилях, автобусах, поездах, кранах и лифтах, где они используются для рекуперативного торможения, кратковременного накопления энергии или разряда. режим подачи питания. Меньшие блоки используются в качестве резервного источника питания для статической оперативной памяти (SRAM).
В отличие от обычных конденсаторов, суперконденсаторы не используют обычный твердый диэлектрик, а, скорее, используют электростатическую емкость двойного слоя и электрохимическую псевдемкостную емкость, которые вносят вклад в общую емкость конденсатора с некоторыми отличиями:
Электролит образует ионную проводящую связь между двумя электродами, что отличает их от обычных электролитических конденсаторов, где всегда существует диэлектрический слой, а так называемый электролит, например, MnO 2 или проводящий полимер, фактически является частью второго электрода ( катод, а точнее положительный электрод). Суперконденсаторы поляризованы по конструкции с асимметричными электродами или, для симметричных электродов, с помощью потенциала, прикладываемого во время производства.
Разработка моделей двойного слоя и псевдоемкости (см. Двойной слой (межфазный) ).
В начале 1950-х инженеры General Electric начали экспериментировать с пористыми углеродными электродами в конструкции конденсаторов, начиная с конструкции топливных элементов и аккумуляторных батарей. Активированный уголь - это электрический проводник, который представляет собой чрезвычайно пористую «губчатую» форму углерода с высокой удельной поверхностью. В 1957 г. Х. Беккер разработал «Низковольтный электролитический конденсатор с пористыми углеродными электродами». Он считал, что энергия накапливается в виде заряда в углеродных порах, как и в порах вытравленной фольги электролитических конденсаторов. Поскольку в то время он не знал о двухслойном механизме, он написал в патенте: «Неизвестно точно, что происходит в компоненте, если он используется для хранения энергии, но это приводит к чрезвычайно высокой емкости. "
General Electric не сразу взялась за эту работу. В 1966 году исследователи из Standard Oil of Ohio (SOHIO) разработали другую версию этого компонента как «устройство для хранения электроэнергии», работая над экспериментальными конструкциями топливных элементов. Природа электрохимического накопления энергии в этом патенте не описана. Еще в 1970 году электрохимический конденсатор, запатентованный Дональдом Л. Боосом, был зарегистрирован как электролитический конденсатор с электродами из активированного угля.
В ранних электрохимических конденсаторах использовались две алюминиевые фольги, покрытые активированным углем - электроды, которые были пропитаны электролитом и разделены тонким пористым изолятором. Эта конструкция дала конденсатор с емкостью порядка одной фарады, что значительно выше, чем у электролитических конденсаторов тех же размеров. Эта базовая механическая конструкция остается основой большинства электрохимических конденсаторов.
SOHIO не стала коммерциализировать свое изобретение, предоставив лицензию на технологию NEC, которая, наконец, в 1978 году представила результаты как «суперконденсаторы», чтобы обеспечить резервное питание для компьютерной памяти.
Между 1975 и 1980 годами Брайан Эванс Конвей провел обширные фундаментальные и опытно-конструкторские работы по электрохимическим конденсаторам на основе оксида рутения. В 1991 году он описал разницу между поведением "суперконденсатора" и "батареи" в электрохимическом накоплении энергии. В 1999 году он определил термин «суперконденсатор», чтобы указать на увеличение наблюдаемой емкости за счет поверхностных окислительно-восстановительных реакций с фарадеевской передачей заряда между электродами и ионами. Его «суперконденсатор» частично накапливал электрический заряд в двойном слое Гельмгольца и частично в результате фарадеевских реакций с «псевдоемкостным» переносом заряда электронов и протонов между электродом и электролитом. Механизмы работы псевдоконденсаторов - окислительно-восстановительные реакции, интеркаляция и электросорбция (адсорбция на поверхности). Своими исследованиями Конвей значительно расширил знания об электрохимических конденсаторах.
Рынок медленно расширялся. Ситуация изменилась примерно в 1978 году, когда Panasonic начала продавать свой бренд Goldcaps. Этот продукт стал успешным источником энергии для приложений резервного копирования памяти. Соревнование началось лишь спустя годы. В 1987 году на рынок вышла компания ELNA "Dynacap" s. EDLC первого поколения имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее ток разряда. Они использовались для слаботочных приложений, таких как питание микросхем SRAM или для резервного копирования данных.
В конце 1980-х улучшенные электродные материалы увеличили значения емкости. В то же время разработка электролитов с лучшей проводимостью снизила эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), увеличивая токи заряда / разряда. Первый суперконденсатор с низким внутренним сопротивлением был разработан в 1982 году для военных целей исследовательским институтом Pinnacle (PRI) и продавался под торговой маркой «PRI Ultracapacitor». В 1992 году эту разработку взяла на себя компания Maxwell Laboratories (позже Maxwell Technologies ). Максвелл заимствовал термин «ультраконденсатор» от PRI и назвал их «Boost Caps», чтобы подчеркнуть их использование в энергетических приложениях.
Поскольку содержание энергии в конденсаторах увеличивается пропорционально квадрату напряжения, исследователи искали способ увеличить напряжение пробоя электролита. В 1994 году, используя анод высоковольтного танталового электролитического конденсатора на 200 В, Дэвид А. Эванс разработал «Электролитно-гибридный электрохимический конденсатор». Эти конденсаторы сочетают в себе свойства электролитических и электрохимических конденсаторов. Они сочетают в себе высокую диэлектрическую прочность анода электролитического конденсатора с высокой емкостью катода из псевдоемкостного оксида металла ( оксида рутения (IV)) из электрохимического конденсатора, в результате чего получается гибридный электрохимический конденсатор. Конденсаторы Эванса, названные Capattery, имели энергоемкость примерно в 5 раз выше, чем сопоставимый танталовый электролитический конденсатор того же размера. Их высокая стоимость ограничивала их конкретными военными приложениями.
Последние разработки включают литий-ионные конденсаторы. Эти гибридные конденсаторы были впервые разработаны Fujitsu FDK в 2007 году. Они сочетают в себе электростатический углеродный электрод с предварительно легированным литий-ионным электрохимическим электродом. Эта комбинация увеличивает значение емкости. Кроме того, процесс предварительного легирования снижает анодный потенциал и приводит к высокому выходному напряжению элемента, что еще больше увеличивает удельную энергию.
Исследовательские отделы, работающие во многих компаниях и университетах, работают над улучшением таких характеристик, как удельная энергия, удельная мощность и стабильность цикла, а также над снижением производственных затрат.
Типичная конструкция суперконденсатора: (1) источник питания, (2) коллектор, (3) поляризованный электрод, (4) двойной слой Гельмгольца, (5) электролит, содержащий положительные и отрицательные ионы, (6) сепаратор. Электрохимические конденсаторы (суперконденсаторы) состоят из двух электродов, разделенных ионопроницаемой мембраной ( разделителем ), и электролита, ионно соединяющего оба электрода. Когда электроды поляризованы приложенным напряжением, ионы в электролите образуют двойные электрические слои, полярность которых противоположна полярности электрода. Например, положительно поляризованные электроды будут иметь слой отрицательных ионов на границе раздела электрод / электролит вместе с уравновешивающим заряд слоем положительных ионов, адсорбированных на отрицательном слое. Обратное верно для отрицательно поляризованного электрода.
Кроме того, в зависимости от материала электрода и формы поверхности, некоторые ионы могут проникать в двойной слой, становясь специфически адсорбированными ионами, и вносят свой вклад в общую емкость суперконденсатора с псевдоемкостью.
Два электрода образуют последовательную цепь из двух отдельных конденсаторов C 1 и C 2. Полная емкость C total определяется по формуле
Суперконденсаторы могут иметь как симметричные, так и асимметричные электроды. Симметрия подразумевает, что оба электрода имеют одинаковое значение емкости, что дает общую емкость, равную половине значения каждого отдельного электрода (если C 1 = C 2, то C total = ½ C 1). Для асимметричных конденсаторов полную емкость можно принять как емкость электрода с меньшей емкостью (если C 1 gt;gt; C 2, то C total ≈ C 2).
Электрохимические конденсаторы используют эффект двойного слоя для хранения электроэнергии; однако в этом двойном слое нет обычного твердого диэлектрика для разделения зарядов. В двойном электрическом слое электродов, которые вносят вклад в общую емкость электрохимического конденсатора, есть два принципа накопления:
Обе емкости можно разделить только методами измерения. Количество заряда, хранящегося на единицу напряжения в электрохимическом конденсаторе, в первую очередь зависит от размера электрода, хотя величина емкости для каждого принципа накопления может сильно варьироваться.
Упрощенный вид двойного слоя отрицательных ионов в электроде и сольватированных положительных ионов в жидком электролите, разделенных слоем поляризованных молекул растворителя. Каждый электрохимический конденсатор имеет два электрода, механически разделенных разделителем, которые ионно связаны друг с другом через электролит. Электролит представляет собой смесь положительных и отрицательных ионов, растворенных в растворителе, таком как вода. На каждой из двух поверхностей электрода возникает область, в которой жидкий электролит контактирует с проводящей металлической поверхностью электрода. Эта граница раздела образует общую границу между двумя различными фазами вещества, такими как поверхность нерастворимого твердого электрода и прилегающий жидкий электролит. В этом интерфейсе возникает совершенно особенное явление - эффект двойного слоя.
Подача напряжения на электрохимический конденсатор заставляет оба электрода в конденсаторе образовывать двойные электрические слои. Эти двойные слои состоят из двух слоев зарядов: один электронный слой находится в структуре поверхностной решетки электрода, а другой с противоположной полярностью возникает из растворенных и сольватированных ионов в электролите. Два слоя разделены монослоем молекул растворителя, например, для воды в качестве растворителя молекулами воды, называемыми внутренней плоскостью Гельмгольца (IHP). Молекулы растворителя прикрепляются за счет физической адсорбции на поверхности электрода и отделяют друг от друга противоположно поляризованные ионы, и их можно идеализировать как молекулярный диэлектрик. В процессе не происходит передачи заряда между электродом и электролитом, поэтому силы, вызывающие адгезию, являются не химическими связями, а физическими силами, например электростатическими силами. Адсорбированные молекулы поляризованы, но из-за отсутствия передачи заряда между электролитом и электродом не претерпели химических изменений.
Количество заряда в электроде соответствует величине встречных зарядов во внешней плоскости Гельмгольца (OHP). Это явление двойного слоя сохраняет электрические заряды, как в обычном конденсаторе. Двухслойный заряд формирует статическое электрическое поле в молекулярном слое молекул растворителя в IHP, которое соответствует силе приложенного напряжения.
Структура и функции идеального двухслойного конденсатора. При приложении напряжения к конденсатору на обоих электродах будет сформирован двойной слой Гельмгольца, разделяющий ионы в электролите с зеркальным распределением заряда противоположной полярности. Двойной слой служит примерно как диэлектрический слой в обычном конденсаторе, хотя и имеет толщину в одну молекулу. Таким образом, стандартная формула для обычных пластинчатых конденсаторов может использоваться для расчета их емкости:
Соответственно, емкость C является наибольшей в конденсаторах, изготовленных из материалов с высокой диэлектрической проницаемостью ε, большой площадью поверхности электродной пластины A и малым расстоянием между пластинами d. В результате двухслойные конденсаторы имеют гораздо более высокие значения емкости, чем обычные конденсаторы, что связано с чрезвычайно большой площадью поверхности электродов из активированного угля и чрезвычайно тонким межслойным расстоянием порядка нескольких Ангстремов (0,3-0,8 нм), порядка длины Дебая.
Основным недостатком углеродных электродов двухслойных СЭ являются малые значения квантовой емкости, которые действуют последовательно с емкостью объемного ионного заряда. Следовательно, дальнейшее увеличение плотности емкости в СЭ может быть связано с увеличением квантовой емкости наноструктур углеродных электродов.
Количество заряда, накопленного на единицу напряжения в электрохимическом конденсаторе, в первую очередь зависит от размера электрода. Электростатическое накопление энергии в двойных слоях линейно по отношению к накопленному заряду и соответствует концентрации адсорбированных ионов. Кроме того, в то время как заряд в обычных конденсаторах передается через электроны, емкость в конденсаторах с двойным слоем связана с ограниченной скоростью движения ионов в электролите и резистивной пористой структурой электродов. Поскольку никаких химических изменений внутри электрода или электролита не происходит, зарядка и разрядка двойных электрических слоев в принципе не ограничены. Реальные сроки службы суперконденсаторов ограничиваются только эффектами испарения электролита.
Упрощенный вид двойного слоя со специфически адсорбированными ионами, которые подали свой заряд на электрод, чтобы объяснить фарадеевский перенос заряда псевдоемкости. Подача напряжения на выводы электрохимического конденсатора перемещает ионы электролита к противоположно поляризованному электроду и образует двойной слой, в котором один слой молекул растворителя действует как разделитель. Псевдоемкость может возникать, когда специфически адсорбированные ионы из электролита проникают через двойной слой. Эта псевдоемкость сохраняет электрическую энергию посредством обратимых фарадеевских окислительно-восстановительных реакций на поверхности подходящих электродов в электрохимическом конденсаторе с двойным электрическим слоем. Псевдоемкость сопровождается переносом заряда электронов между электролитом и электродом, исходящим от десольватированного и адсорбированного иона, при этом участвует только один электрон на единицу заряда. Этот фарадеевский перенос заряда возникает в результате очень быстрой последовательности обратимых окислительно-восстановительных процессов, процессов интеркаляции или электросорбции. Адсорбированный ион не вступает в химическую реакцию с атомами электрода (химические связи не возникают), поскольку имеет место только перенос заряда.
Циклическая вольтамперограмма показывает фундаментальные различия между статической емкостью (прямоугольная) и псевдоемкостной (криволинейная). Электроны, участвующие в фарадеевских процессах, переносятся на валентные электронные состояния ( орбитали ) окислительно-восстановительного электродного реагента или из них. Они входят в отрицательный электрод и проходят через внешнюю цепь к положительному электроду, где образовался второй двойной слой с таким же количеством анионов. Электроны, достигающие положительного электрода, не передаются анионам, образующим двойной слой, вместо этого они остаются в сильно ионизированных и «электронно-голодных» ионах переходных металлов на поверхности электрода. Таким образом, емкость фарадеевской псевдоемкости ограничена конечным количеством реагента на доступной поверхности.
Фарадеевская псевдоемкость возникает только вместе со статической емкостью двойного слоя, и ее величина может превышать значение емкости двойного слоя для той же площади поверхности в 100 раз, в зависимости от природы и структуры электрода, потому что вся псевдоемкость реакции происходят только с десольватированными ионами, которые намного меньше сольватированных ионов с их сольватирующей оболочкой. Величина псевдоемкости имеет линейную функцию в узких пределах, определяемых зависящей от потенциала степенью покрытия поверхности адсорбированными анионами.
Способность электродов создавать эффекты псевдоемкости за счет окислительно-восстановительных реакций, интеркаляции или электросорбции сильно зависит от химического сродства электродных материалов к ионам, адсорбированным на поверхности электрода, а также от структуры и размера пор электродов. Материалы, демонстрирующие окислительно-восстановительное поведение для использования в качестве электродов в псевдоконденсаторах, представляют собой оксиды переходных металлов, такие как RuO 2, IrO 2 или MnO 2, введенные путем легирования в проводящий электродный материал, такой как активированный уголь, а также проводящие полимеры, такие как полианилин или производные политиофена. покрытие электродного материала.
Количество электрического заряда, накопленного в псевдоемкости, линейно пропорционально приложенному напряжению. Единица измерения псевдоемкости - фарад.
Принципы накопления заряда различных типов конденсаторов и их внутреннее распределение потенциалов 
Базовая иллюстрация функциональности суперконденсатора, распределения напряжения внутри конденсатора и его упрощенной эквивалентной цепи постоянного тока 
Поведение напряжения суперконденсаторов и аккумуляторов во время зарядки / разрядки явно различается. Обычные конденсаторы (также известные как электростатические конденсаторы), такие как керамические конденсаторы и пленочные конденсаторы, состоят из двух электродов, разделенных диэлектрическим материалом. При зарядке энергия накапливается в статическом электрическом поле, пронизывающем диэлектрик между электродами. Общая энергия увеличивается с количеством накопленного заряда, который, в свою очередь, линейно коррелирует с потенциалом (напряжением) между пластинами. Максимальная разность потенциалов между пластинами (максимальное напряжение) ограничивается напряженностью поля пробоя диэлектрика. Такое же статическое накопление также применимо к электролитическим конденсаторам, в которых большая часть потенциала уменьшается по тонкому оксидному слою анода. Несколько резистивный жидкий электролит ( катод ) объясняет небольшое снижение потенциала для «мокрых» электролитических конденсаторов, в то время как у электролитических конденсаторов с твердым проводящим полимерным электролитом это падение напряжения незначительно.
Напротив, электрохимические конденсаторы (суперконденсаторы) состоят из двух электродов, разделенных ионопроницаемой мембраной (сепаратором) и электрически связанных через электролит. Накопление энергии происходит в двойных слоях обоих электродов как смесь емкости двойного слоя и псевдоемкости. Когда оба электрода имеют примерно одинаковое сопротивление ( внутреннее сопротивление), потенциал конденсатора уменьшается симметрично по обоим двойным слоям, в результате чего достигается падение напряжения на эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) электролита. Для асимметричных суперконденсаторов, таких как гибридные конденсаторы, падение напряжения между электродами может быть асимметричным. Максимальный потенциал на конденсаторе (максимальное напряжение) ограничивается напряжением разложения электролита.
Как электростатическая, так и электрохимическая энергия в суперконденсаторах линейна по отношению к накопленному заряду, как и в обычных конденсаторах. Напряжение между выводами конденсатора линейно зависит от количества запасенной энергии. Такой линейный градиент напряжения отличается от перезаряжаемых электрохимических батарей, в которых напряжение между выводами остается независимым от количества накопленной энергии, обеспечивая относительно постоянное напряжение.
Суперконденсаторы конкурируют с электролитическими конденсаторами и аккумуляторными батареями, особенно с литий-ионными батареями. В следующей таблице сравниваются основные параметры трех основных семейств суперконденсаторов с электролитическими конденсаторами и батареями.
| Параметр | Алюминиевые электролитические конденсаторы | Суперконденсаторы | Литий-ионные аккумуляторы | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Двухслойные конденсаторы (резервная память) | Псевдоконденсаторы | Гибрид (литий-ионный) | |||
| Температурный диапазон, градусы Цельсия (° C) | −40 ... +125 ° С | −40 ... +70 ° С | −20 ... +70 ° С | −20 ... +70 ° С | −20 ... +60 ° С |
| Максимальный заряд, вольт (В) | 4 ... 630 В | 1,2 ... 3,3 В | 2,2 ... 3,3 В | 2,2 ... 3,8 В | 2,5 ... 4,2 В |
| Циклов перезарядки, тыс. (Тыс.) | lt;неограниченно | 100 кОм ... 1000 кОм | 100 кОм ... 1000 кОм | 20 кОм ... 100 кОм | 0,5 кОм ... 10 кОм |
| Емкость, фарады (Ф) | ≤ 2,7 F | 0,1 ... 470 Ф | 100 ... 12 000 Ф | 300 ... 3 300 Ф | - |
| Удельная энергия, ватт-час на килограмм (Втч / кг) | 0,01 ... 0,3 Втч / кг | 1,5 ... 3,9 Втч / кг | 4 ... 9 Втч / кг | 10 ... 15 Втч / кг | 100 ... 265 Втч / кг |
| Удельная мощность, Вт на грамм (Вт / г) | gt; 100 Вт / г | 2 ... 10 Вт / г | 3 ... 10 Вт / г | 3 ... 14 Вт / г | 0,3 ... 1,5 Вт / г |
| Время саморазряда при комнатной температуре. | короткие (дни) | средний (недели) | средний (недели) | длинный (месяц) | длинный (месяц) |
| Эффективность (%) | 99% | 95% | 95% | 90% | 90% |
| Срок службы при комнатной температуре, лет (лет) | gt; 20 лет | 5 ... 10 лет | 5 ... 10 лет | 5 ... 10 лет | 3 ... 5 лет |
Электролитические конденсаторы обладают практически неограниченными циклами заряда / разряда, высокой диэлектрической прочностью (до 550 В) и хорошей частотной характеристикой в качестве реактивного сопротивления переменного тока (AC) в нижнем диапазоне частот. Суперконденсаторы могут хранить от 10 до 100 раз больше энергии, чем электролитические конденсаторы, но они не поддерживают приложения переменного тока.
Что касается перезаряжаемых батарей, суперконденсаторы имеют более высокие пиковые токи, низкую стоимость цикла, отсутствие опасности перезарядки, хорошую обратимость, неагрессивный электролит и низкую токсичность материала. Батареи предлагают более низкую стоимость покупки и стабильное напряжение при разряде, но требуют сложного электронного управления и коммутационного оборудования, что ведет к потере энергии и опасности искры при коротком замыкании.
Суперконденсаторы бывают разных стилей, например плоские с одной парой электродов, намотанные в цилиндрическом корпусе или уложенные друг на друга в прямоугольном корпусе. Поскольку они охватывают широкий диапазон значений емкости, размер корпусов может варьироваться.
Плоский стиль суперконденсатора, используемого для мобильных компонентов
Радиальный дизайн суперконденсатора для монтажа на печатной плате, используемой в промышленных приложениях
Схематическая конструкция намотанного суперконденсатора 1. выводы, 2. предохранительный клапан, 3. уплотнительный диск, 4. алюминиевая банка, 5. положительный полюс, 6. сепаратор, 7. угольный электрод, 8. коллектор, 9. угольный электрод, 10. отрицательный полюс
Схематическая конструкция суперконденсатора с пакетом электродов 1. положительный электрод, 2. отрицательный электрод, 3. сепаратор.
Суперконденсаторы состоят из двух металлических фольг (токосъемников), каждая из которых покрыта электродным материалом, таким как активированный уголь, которые служат в качестве силового соединения между электродным материалом и внешними выводами конденсатора. В частности, электродный материал имеет очень большую площадь поверхности. В этом примере активированный уголь подвергается электрохимическому травлению, так что площадь поверхности материала примерно в 100000 раз больше, чем гладкая поверхность. Электроды отделены друг от друга проницаемой для ионов мембраной (разделителем), используемой в качестве изолятора для защиты электродов от коротких замыканий. Эта конструкция впоследствии сворачивается или складывается в цилиндрическую или прямоугольную форму и может быть уложена в алюминиевую банку или адаптируемый прямоугольный корпус. Затем элемент пропитывают жидким или вязким электролитом органического или водного типа. Электролит, ионный проводник, проникает в поры электродов и служит проводящим соединением между электродами через сепаратор. Наконец, корпус герметично закрывается для обеспечения стабильной работы в течение указанного срока службы.
Генеалогическое древо типов суперконденсаторов. Конденсаторы с двойным слоем и псевдоконденсаторы, а также гибридные конденсаторы определяются по конструкции их электродов. Электрическая энергия хранится в суперконденсаторах с помощью двух принципов хранения: статической двухслойной емкости и электрохимической псевдоемкости ; а распределение емкости двух типов зависит от материала и структуры электродов. По принципу накопления суперконденсаторы бывают трех типов:
Поскольку емкость двойного слоя и псевдоемкость вносят неотъемлемый вклад в общее значение емкости электрохимического конденсатора, правильное описание этих конденсаторов может быть дано только под общим термином. Недавно были предложены концепции суперконденсатора и суперконденсатора, чтобы лучше представить те гибридные устройства, которые ведут себя больше как суперконденсатор и аккумуляторная батарея соответственно.
Величина емкости суперконденсатора определяется двумя принципами хранения:
Емкость двойного слоя и псевдоемкость неразрывно влияют на общую величину емкости суперконденсатора. Однако их соотношение может сильно различаться в зависимости от конструкции электродов и состава электролита. Псевдоемкость может увеличить значение емкости в десять раз по сравнению с двойным слоем самого по себе.
Конденсаторы с двойным электрическим слоем (EDLC) - это электрохимические конденсаторы, в которых накопление энергии в основном достигается за счет емкости с двойным слоем. Раньше все электрохимические конденсаторы назывались «двухслойными конденсаторами». Современное использование рассматривает двухслойные конденсаторы вместе с псевдоконденсаторами как часть более крупного семейства электрохимических конденсаторов, называемых суперконденсаторами. Их также называют ультраконденсаторами.
Свойства суперконденсаторов обусловлены взаимодействием их внутренних материалов. В частности, сочетание материала электродов и типа электролита определяет функциональные и тепловые и электрические характеристики конденсаторов.
Микрофотография активированного угля при ярком поле освещения на световой микроскоп. Обратите внимание на фрактальную форму частиц, намекающую на их огромную площадь поверхности. Каждая частица на этом изображении, несмотря на то, что ее диаметр составляет всего около 0,1 мм, имеет площадь поверхности в несколько квадратных сантиметров. Суперконденсатор электроды, как правило, тонкие покрытия применяются и электрический соединены с проводом щим, металлическим током коллектора. Электроды должны иметь хорошую проводимость, высокую температурную стабильность, длительную химическую стабильность ( инертность ), высокую коррозионную стойкость и большую площадь поверхности на единицу объема и массы. К другим требованиям можно отнести экологичность и невысокую стоимость.
Количество двойного слоя, а также псевдоемкость, сохраняемая на единицу напряжения в суперконденсаторе, в основном зависит от площади поверхности электрода. Поэтому электроды суперконденсатора обычно изготавливаются из пористого губчатого материала с чрезвычайно высокой удельной поверхностью, такого как активированный уголь. Кроме того, способность материала электрода передавать фарадеевский заряд увеличивает общую емкость.
Обычно чем меньше поры электрода, тем больше емкость и удельная энергия. Однако более мелкие поры увеличивают эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и уменьшают удельную мощность. Для приложений с высокими пиковыми токами требуются более крупные поры и низкие внутренние потери, в то время как для приложений, требующих высокой удельной энергии, требуются мелкие поры.
Наиболее часто используемым электродным материалом для суперконденсаторов является углерод в различных проявлениях, таких как активированный уголь (AC), углеродное волокно-ткань (AFC), углерод на основе карбида (CDC), углеродный аэрогель, графит ( графен ), графан и углеродные нанотрубки ( УНТ).
Электроды на углеродной основе демонстрируют преимущественно статическую двухслойную емкость, даже несмотря на то, что небольшая величина псевдоемкости также может присутствовать в зависимости от распределения пор по размерам. Размеры пор в углероде обычно варьируются от микропор (менее 2 нм) до мезопор (2-50 нм), но только микропоры (lt;2 нм) вносят вклад в псевдоемкость. Когда размер пор приближается к размеру сольватной оболочки, молекулы растворителя исключаются, и только несольватированные ионы заполняют поры (даже для больших ионов), увеличивая плотность упаковки ионов и способность к накоплению за счет фарадеевского H 2 интеркаляция.
Активированный уголь был первым материалом, выбранным для электродов EDLC. Несмотря на то, что его электрическая проводимость составляет примерно 0,003% от проводимости металлов (от 1250 до 2000 См / м ), этого достаточно для суперконденсаторов.
Активированный уголь представляет собой чрезвычайно пористую форму углерода с высокой удельной площадью поверхности - обычное приближение состоит в том, что 1 грамм (0,035 унции) (количество размером с карандаш) имеет площадь поверхности примерно от 1000 до 3000 квадратных метров (от 11000 до 32000 квадратных футов) - размером от 4 до 12 теннисных кортов. Объемная форма, используемая в электродах, имеет низкую плотность с множеством пор, что обеспечивает высокую емкость двойного слоя.
Твердый активированный уголь, также называемый консолидированным аморфным углеродом (CAC), является наиболее часто используемым электродным материалом для суперконденсаторов и может быть дешевле, чем другие производные углерода. Он производится из порошка активированного угля, спрессованного в желаемую форму, образующего блок с широким распределением размеров пор. Электрод с площадью поверхности около 1000 м 2 / г дает типичную емкость двойного слоя около 10 мкФ / см 2 и удельную емкость 100 Ф / г.
По состоянию на 2010 год практически во всех коммерческих суперконденсаторах используется порошковый активированный уголь из скорлупы кокосовых орехов. Скорлупа кокоса производит активированный уголь с большим количеством микропор, чем древесный уголь.
Волокна из активированного угля (ACF) производятся из активированного угля и имеют типичный диаметр 10 мкм. Они могут иметь микропоры с очень узким распределением пор по размерам, которым можно легко управлять. Площадь поверхности ACF, вплетенного в текстиль, составляет около2500 м 2 / г. К преимуществам электродов ACF относятся низкое электрическое сопротивление вдоль оси волокна и хороший контакт с коллектором.
Что касается активированного угля, электроды ACF демонстрируют преимущественно двухслойную емкость с небольшой псевдоемкостью из-за их микропор.
Блок кремнеземного аэрогеля в руке Углеродный аэрогель является очень пористым, синтетическим, ультралегким материалом, полученный из органического геля, в котором жидкий компонент геля был заменен газом.
Аэрогельные электроды выполнены с помощью пиролиза из резорцина - формальдегид аэрогелей и более проводящие, чем большинство активированных углей. Они позволяют создавать тонкие и механически стабильные электроды с толщиной в диапазоне нескольких сотен микрометров (мкм) и с однородным размером пор. Электроды из аэрогеля также обеспечивают механическую и вибростойкость суперконденсаторов, используемых в условиях высокой вибрации.
Исследователи создали углеродный аэрогелевый электрод с гравиметрической плотностью около 400–1200 м 2 / г и объемной емкостью 104 Ф / см 3, что дает удельную энергию325 кДж / кг (90 Втч / кг) и удельной мощностью20 Вт / г.
Стандартные электроды из аэрогеля обладают преимущественно двухслойной емкостью. Электроды из аэрогеля, которые включают композитный материал, могут добавить большое количество псевдоемкости.
Распределение пор по размерам для различных предшественников карбидов. Углерод на основе карбида (CDC), также известный как настраиваемый нанопористый углерод, представляет собой семейство углеродных материалов, полученных из предшественников карбидов, таких как бинарный карбид кремния и карбид титана, которые превращаются в чистый углерод посредством физического, например, термического разложения или химического разложения. ( например, галогенирование ) процессы.
Углерод на основе карбида может иметь большую площадь поверхности и настраиваемый диаметр пор (от микропор до мезопор) для максимального удержания ионов, увеличивая псевдоемкость за счет фарадеевского H 2адсорбционная обработка. Электроды CDC с индивидуальной конструкцией пор обладают на 75% большей удельной энергией, чем обычные активированные угли.
По состоянию на 2015 год суперконденсатор CDC предлагал удельную энергию 10,1 Втч / кг, емкость 3500 Ф и более одного миллиона циклов заряда-разряда.
Графен представляет собой сотовую решетку атомного масштаба, состоящую из атомов углерода. Графен представляет собой лист графита толщиной в один атом с атомами, расположенными в правильном гексагональном узоре, также называемый «нанокомпозитной бумагой».
Графен имеет теоретическую удельную поверхность 2630 м 2 / г, что теоретически может привести к емкости 550 Ф / г. Кроме того, преимуществом графена перед активированным углем является его более высокая электропроводность. С 2012 года в новой разработке использовались графеновые листы непосредственно в качестве электродов без коллекторов для портативных приложений.
В одном варианте осуществления в суперконденсаторе на основе графена используются изогнутые листы графена, которые не укладываются друг на друга, образуя мезопоры, которые доступны и смачиваются ионными электролитами при напряжениях до 4 В. Удельная энергия 85,6 Втч / кг (308 кДж / кг) получается при комнатной температуре, равной температуре обычной никель-металлогидридной батареи, но с удельной мощностью в 100-1000 раз большей.
Двумерная структура графена улучшает зарядку и разрядку. Носители заряда в вертикально ориентированных листах могут быстро перемещаться в или из более глубоких структур электрода, тем самым увеличивая токи. Такие конденсаторы могут подходить для фильтров 100/120 Гц, которые недоступны для суперконденсаторов, использующих другие углеродные материалы.
Сканирующей туннельной микроскопии изображение однослойных углеродных нанотрубок 
СЭМ- изображение пучков углеродных нанотрубок с поверхностью около 1500 м 2 / г Углеродные нанотрубки (УНТ), также называемые бакитрубками, представляют собой молекулы углерода с цилиндрической наноструктурой. Они имеют полую структуру со стенками, образованными листами графита толщиной в один атом. Эти листы прокатываются под определенными и дискретными («хиральными») углами, а комбинация угла хиральности и радиуса контролирует такие свойства, как электрическая проводимость, смачиваемость электролитом и доступ ионов. Нанотрубки подразделяются на однослойные нанотрубки (ОСНТ) или многостенные нанотрубки (МУНТ). Последние имеют одну или несколько внешних трубок, последовательно охватывающих SWNT, как у русских матрешек. ОУНТ имеют диаметр от 1 до 3 нм. МУНТ имеют более толстые коаксиальные стенки, разделенные расстоянием (0,34 нм), которое близко к межслоевому расстоянию графена.
Нанотрубки могут расти вертикально на подложке коллектора, например на кремниевой пластине. Типичная длина от 20 до 100 мкм.
Углеродные нанотрубки могут значительно улучшить характеристики конденсаторов благодаря высокой смачиваемой площади поверхности и высокой проводимости.
Суперконденсатор на основе SWNT с водным электролитом систематически изучался в Университете Делавэра в группе профессора Бинцин Вэя. Ли и др. Впервые обнаружили, что ионно-размерный эффект и смачиваемость электролита являются доминирующими факторами, влияющими на электрохимическое поведение гибких ОУНТ-суперконденсаторов в различных 1-молярных водных электролитах с разными анионами и катионами. Экспериментальные результаты также показали для гибкого суперконденсатора, что предлагается создать достаточное давление между двумя электродами, чтобы улучшить суперконденсатор УНТ с водным электролитом.
УНТ могут хранить примерно такой же заряд, что и активированный уголь, на единицу площади поверхности, но поверхность нанотрубок имеет регулярный рисунок, что обеспечивает большую смачиваемость. ОУНТ имеют высокую теоретическую удельную поверхность 1315 м 2 / г, в то время как удельная поверхность многослойных нанотрубок ниже и определяется диаметром трубок и степенью вложенности по сравнению с площадью поверхности около 3000 м 2 / г активированного угля.. Тем не менее, УНТ имеют более высокую емкость, чем электроды из активированного угля, например 102 Ф / г для МУНТ и 180 Ф / г для ОСНТ.
MWNT имеют мезопоры, которые обеспечивают легкий доступ ионов на границе электрод-электролит. Когда размер пор приближается к размеру ионной сольватной оболочки, молекулы растворителя частично удаляются, что приводит к большей плотности упаковки ионов и увеличению фарадеевской способности к накоплению. Однако значительное изменение объема во время повторной интеркаляции и истощения снижает их механическую стабильность. С этой целью продолжаются исследования по увеличению площади поверхности, механической прочности, электропроводности и химической стабильности.
MnO 2 и RuO 2 являются типичными материалами, используемыми в качестве электродов для псевдоконденсаторов, поскольку они обладают электрохимической характеристикой емкостного электрода (линейная зависимость от кривой зависимости тока от напряжения), а также демонстрируют фарадеевское поведение. Кроме того, накопление заряда происходит за счет механизмов переноса электронов, а не за счет накопления ионов в двойном электрохимическом слое. Псевдоконденсаторы были созданы за счет фарадеевских окислительно-восстановительных реакций, которые происходят в материалах активных электродов. Больше исследований было сосредоточено на оксидах переходных металлов, таких как MnO 2, поскольку оксиды переходных металлов имеют более низкую стоимость по сравнению с оксидами благородных металлов, такими как RuO 2. Более того, механизмы накопления заряда оксидов переходных металлов основаны преимущественно на псевдоемкости. Были представлены два механизма поведения накопления заряда MnO 2. Первый механизм предполагает интеркаляцию протонов (H +) или катионов щелочных металлов (C +) в объеме материала при восстановлении с последующим деинтеркалированием при окислении.
Второй механизм основан на поверхностной адсорбции катионов электролита на MnO 2.
Не каждый материал, который демонстрирует фарадеевские свойства, можно использовать в качестве электрода для псевдоконденсаторов, таких как Ni (OH) 2, поскольку это электрод аккумуляторного типа (нелинейная зависимость от кривой зависимости тока от напряжения).
В исследовании Брайана Эванса Конвея описаны электроды из оксидов переходных металлов, которые обладают высокой псевдоемкостью. Оксиды переходных металлов, включая рутений ( RuO 2), иридий ( IrO 2), железо ( Fe 3О 4), марганец ( MnO 2) или сульфиды, такие как сульфид титана ( TiS 2) по отдельности или в комбинации вызывают сильные фарадеевские реакции переноса электрона в сочетании с низким сопротивлением. Диоксид рутения в сочетании с H 2ТАК 4 электролит обеспечивает удельную емкость 720 Ф / г и высокую удельную энергию 26,7 Втч / кг (96,12 кДж / кг).
Заряд / разряд происходит в окне примерно 1,2 В на электрод. Эта псевдоемкость около 720 Ф / г примерно в 100 раз выше, чем для двухслойной емкости с использованием электродов из активированного угля. Эти электроды с переходным металлом обеспечивают отличную обратимость с несколькими сотнями тысяч циклов. Однако рутений стоит дорого, и диапазон напряжения 2,4 В для этого конденсатора ограничивает их применение в военных и космических приложениях. Das et al. сообщили о самом высоком значении емкости (1715 Ф / г) для суперконденсатора на основе оксида рутения с электроосажденным оксидом рутения на пористом однослойном пленочном электроде из углеродных нанотрубок. Сообщается о высокой удельной емкости 1715 Ф / г, которая близко приближается к предсказанному теоретическому максимуму RuO. 2 емкость 2000 Ф / г.
В 2014 году RuO 2Суперконденсатор, закрепленный на электроде из пены графена, обеспечивал удельную емкость 502,78 Ф / г и удельную емкость 1,11 Ф / см 2), что приводило к удельной энергии 39,28 Втч / кг и удельной мощности 128,01 кВт / кг за 8000 циклов с постоянной производительностью. Устройство представляло собой трехмерную (3D) архитектуру гибридной пены (RGM) из графена и углеродных нанотрубок (УНТ) с заякоренным водным рутением размером менее 5 нм. Пена графена была конформно покрыта гибридными сетками RuO 2 наночастицы и закрепленные УНТ.
Менее дорогие оксиды железа, ванадия, никеля и кобальта были протестированы в водных электролитах, но ни один из них не был исследован в такой степени, как диоксид марганца ( MnO 2). Однако ни один из этих оксидов не используется в коммерческих целях.
В другом подходе в качестве псевдоемкостного материала используются электронопроводящие полимеры. Несмотря на свою механическую прочность, проводящие полимеры обладают высокой проводимостью, что приводит к низкому ESR и относительно высокой емкости. Такие проводящие полимеры включают полианилин, политиофен, полипиррол и полиацетилен. В таких электродах также используется электрохимическое легирование или дедопирование полимеров анионами и катионами. Электроды, изготовленные из проводящих полимеров или покрытые ими, имеют стоимость, сопоставимую с угольными электродами.
Электроды из проводящего полимера обычно страдают ограниченной стабильностью при циклическом воздействии. Однако электроды из полиацена обеспечивают до 10 000 циклов, что намного лучше, чем батареи.
Все коммерческие гибридные суперконденсаторы асимметричны. Они объединяют электрод с высокой псевдоемкостью с электродом с высокой емкостью двойного слоя. В таких системах электрод фарадеевской псевдоемкости с их более высокой емкостью обеспечивает высокую удельную энергию, в то время как нефарадеевский электрод EDLC обеспечивает высокую удельную мощность. Преимущество суперконденсаторов гибридного типа по сравнению с симметричными EDLC заключается в их более высоком значении удельной емкости, а также более высоком номинальном напряжении и, соответственно, более высокой удельной энергии.
Композитные электроды для суперконденсаторов гибридного типа изготавливаются из материала на углеродной основе с включенными или нанесенными псевдоемкостными активными материалами, такими как оксиды металлов и проводящие полимеры. По состоянию на 2013 год в большинстве исследований суперконденсаторов исследуются композитные электроды.
УНТ служат основой для однородного распределения оксидов металлов или электропроводящих полимеров (ECP), обеспечивая хорошую псевдоемкость и хорошую емкость двойного слоя. Эти электроды обладают более высокой емкостью, чем электроды из чистого углерода, оксида металла или полимера. Это объясняется доступностью структуры запутанного мата нанотрубок, которая позволяет равномерно покрывать псевдоемкостные материалы и трехмерное распределение заряда. Процесс закрепления псевдоемкостных материалов обычно использует гидротермальный процесс. Однако недавний исследователь Ли и др. Из Университета Делавэра нашли простой и масштабируемый подход к осаждению MnO2 на пленке SWNT для создания суперконденсатора на основе органического электролита.
Другой способ улучшить электроды из УНТ - это легирование псевдоемкостной присадкой, как в литий-ионных конденсаторах. В этом случае относительно небольшие атомы лития интеркалируют между слоями углерода. Анод изготовлен из легированного литием углерода, что позволяет снизить отрицательный потенциал с катодом из активированного угля. Это приводит к большему напряжению 3,8-4 В, что предотвращает окисление электролита. По состоянию на 2007 год они достигли емкости 550 Ф / г. и достичь удельной энергии до 14 Втч / кг (50,4 кДж / кг).
Электроды перезаряжаемых аккумуляторов повлияли на разработку электродов для новых гибридных электродов суперконденсаторов, а также для литий-ионных конденсаторов. Вместе с углеродным электродом EDLC в асимметричной конструкции эта конфигурация обеспечивает более высокую удельную энергию, чем типичные суперконденсаторы, с более высокой удельной мощностью, более длительным сроком службы и более быстрым временем зарядки и перезарядки, чем батареи.
Недавно было разработано несколько асимметричных гибридных суперконденсаторов, в которых положительный электрод был основан на реальном псевдоемкостном металлооксидном электроде (а не на композитном электроде), а отрицательный электрод - на электроде из активированного угля EDLC.
Преимуществом суперконденсаторов этого типа является их более высокое напряжение и, соответственно, более высокая удельная энергия (до 10-20 Втч / кг (36-72 кДж / кг)).
Насколько известно, на рынке отсутствуют коммерческие суперконденсаторы с такими асимметричными электродами.
Электролиты состоят из растворителя и растворенных химических веществ, которые диссоциируют на положительные катионы и отрицательные анионы, делая электролит электропроводящим. Чем больше ионов содержит электролит, тем лучше его проводимость. В суперконденсаторах электролиты представляют собой электрически проводящее соединение между двумя электродами. Кроме того, в суперконденсаторах электролит обеспечивает молекулы для разделяющего монослоя в двойном слое Гельмгольца и поставляет ионы для псевдоемкости.
Электролит определяет характеристики конденсатора: его рабочее напряжение, диапазон температур, ESR и емкость. С тем же электродом из активированного угля водный электролит достигает значений емкости 160 Ф / г, в то время как органический электролит достигает только 100 Ф / г.
Электролит должен быть химически инертным и не подвергать химическому воздействию другие материалы в конденсаторе, чтобы обеспечить стабильное поведение электрических параметров конденсатора в течение длительного времени. Вязкость электролита должна быть достаточно низкой, чтобы смачивать пористую губчатую структуру электродов. Идеального электролита не существует, что требует компромисса между характеристиками и другими требованиями.
Вода - относительно хороший растворитель для неорганических химикатов. Обработаны кислотами, такими как серная кислота ( H 2ТАК 4), щелочи, такие как гидроксид калия (КОН), или соли, такие как соли четвертичного фосфония, перхлорат натрия ( NaClO 4), перхлорат лития ( LiClO 4) или арсенат гексафторида лития ( LiAsF 6) вода имеет относительно высокие значения проводимости от 100 до 1000 м См / см. Водные электролиты имеют напряжение диссоциации 1,15 В на электрод (напряжение конденсатора 2,3 В) и относительно низкий диапазон рабочих температур. Они используются в суперконденсаторах с низкой удельной энергией и высокой удельной мощностью.
Электролиты с органическими растворителями, такими как ацетонитрил, пропиленкарбонат, тетрагидрофуран, диэтилкарбонат, γ-бутиролактон и растворы с солями четвертичного аммония или солями алкиламмония, такими как тетрафторборат тетраэтиламмония ( N (Et) 4BF 4) или триэтил (метил) тетрафторборат ( NMe (Et) 3BF 4) более дороги, чем водные электролиты, но они имеют более высокое напряжение диссоциации, обычно 1,35 В на электрод (напряжение конденсатора 2,7 В), и более высокий диапазон температур. Более низкая электропроводность органических растворителей (от 10 до 60 мСм / см) приводит к более низкой удельной мощности, но, поскольку удельная энергия увеличивается пропорционально квадрату напряжения, более высокая удельная энергия.
Ионные электролиты состоят из жидких солей, которые могут быть стабильными в более широком электрохимическом окне, что позволяет использовать конденсаторные напряжения выше 3,5 В. Ионные электролиты обычно имеют ионную проводимость на несколько мСм / см, что ниже, чем у водных или органических электролитов.
Разделители должны физически разделять два электрода, чтобы предотвратить короткое замыкание при прямом контакте. Он может быть очень тонким (несколько сотых миллиметра) и должен быть очень пористым для проводящих ионов, чтобы минимизировать ESR. Кроме того, сепараторы должны быть химически инертными, чтобы обеспечивать стабильность и проводимость электролита. В недорогих компонентах используется открытая конденсаторная бумага. В более сложных конструкциях используются нетканые пористые полимерные пленки, такие как полиакрилонитрил или каптон, тканые стекловолокна или пористые тканые керамические волокна.
Токосъемники соединяют электроды с выводами конденсатора. Коллектор либо напыляется на электрод, либо представляет собой металлическую фольгу. Они должны быть способны распределять пиковые токи до 100 А.
Если корпус сделан из металла (обычно алюминия), коллекторы должны быть сделаны из того же материала, чтобы избежать образования коррозионного гальванического элемента.
Схематическое изображение поведения емкости в результате пористой структуры электродов. 
Эквивалентная схема с каскадными RC-элементами 
Частота в зависимости от значения емкости суперконденсатора 50 Ф Значения емкости для промышленных конденсаторов указаны как «номинальная емкость C R ». Это значение, на которое рассчитан конденсатор. Значение фактического компонента должно находиться в пределах, заданных заданным допуском. Типичные значения находятся в диапазоне фарад (F), что на три-шесть порядков больше, чем у электролитических конденсаторов.
Значение емкости определяется энергией (выраженной в Джоулях ) нагруженного конденсатора, нагруженного постоянным напряжением V DC.
Это значение также называется «емкостью постоянного тока».
Обычные конденсаторы обычно измеряются при небольшом переменном напряжении (0,5 В) и частоте 100 Гц или 1 кГц в зависимости от типа конденсатора. Измерение емкости переменного тока дает быстрые результаты, что важно для промышленных производственных линий. Значение емкости суперконденсатора сильно зависит от частоты измерения, которая связана с пористой структурой электрода и ограниченной подвижностью ионов электролита. Даже при низкой частоте 10 Гц измеренное значение емкости падает со 100 до 20 процентов от значения емкости постоянного тока.
Эта необычайно сильная частотная зависимость может быть объяснена разными расстояниями, на которые ионы должны перемещаться в порах электрода. Область в начале пор легко доступна для ионов. Короткое расстояние сопровождается низким электрическим сопротивлением. Чем большее расстояние должны преодолеть ионы, тем выше сопротивление. Это явление можно описать последовательной схемой каскадных RC-элементов (резистор / конденсатор) с последовательными постоянными времени RC. Это приводит к задержке протекания тока, уменьшая общую площадь поверхности электрода, которая может быть покрыта ионами при изменении полярности - емкость уменьшается с увеличением частоты переменного тока. Таким образом, общая емкость достигается только после более длительного времени измерения.
Иллюстрация условий измерения для измерения емкости суперконденсаторов Из-за очень сильной частотной зависимости емкости этот электрический параметр должен быть измерен с помощью специального измерения заряда и разряда при постоянном токе, определенного в стандартах IEC 62391-1 и -2.
Измерение начинается с зарядки конденсатора. Необходимо подать напряжение, и после того, как источник питания постоянного тока / постоянного напряжения достигнет номинального напряжения, конденсатор необходимо зарядить в течение 30 минут. Далее, конденсатор должен быть освобожден с постоянным током разряда I разряда. Затем измеряется время t 1 и t 2, в течение которого напряжение падает с 80% (V 1) до 40% (V 2) номинального напряжения. Значение емкости рассчитывается как:
Величина разрядного тока определяется приложением. Стандарт IEC определяет четыре класса:
Методы измерения, используемые отдельными производителями, в основном сопоставимы со стандартизованными методами.
Стандартизированный метод измерения отнимает слишком много времени, чтобы производители могли использовать его в процессе производства для каждого отдельного компонента. Для конденсаторов промышленного производства значение емкости вместо этого измеряется при более быстром низкочастотном переменном напряжении, а коэффициент корреляции используется для вычисления номинальной емкости.
Эта частотная зависимость влияет на работу конденсатора. Быстрые циклы зарядки и разрядки означают, что нет ни номинальной емкости, ни удельной энергии. В этом случае значение номинальной емкости пересчитывается для каждого условия применения.
Суперконденсатор на 5,5 В состоит из двух отдельных ячеек, каждая из которых рассчитана на напряжение не менее 2,75 В, при последовательном соединении. 
Ультраконденсатор Skelcap 2,4 В Суперконденсаторы - это компоненты низкого напряжения. Для безопасной эксплуатации необходимо, чтобы напряжение оставалось в указанных пределах. Номинальное напряжение U R - это максимальное напряжение постоянного тока или пиковое импульсное напряжение, которое может применяться непрерывно и оставаться в пределах указанного диапазона температур. Конденсаторы никогда не должны подвергаться постоянному воздействию напряжения, превышающего номинальное.
Номинальное напряжение включает запас прочности по отношению к напряжению пробоя электролита, при котором электролит разлагается. Напряжение пробоя разлагает разделяющие молекулы растворителя в двойном слое Гельмгольца, например, вода расщепляется на водород и кислород. В этом случае молекулы растворителя не могут отделить друг от друга электрические заряды. Напряжение выше номинального вызывает образование газообразного водорода или короткое замыкание.
Стандартные суперконденсаторы с водным электролитом обычно имеют номинальное напряжение от 2,1 до 2,3 В, а конденсаторы с органическими растворителями - от 2,5 до 2,7 В. Литий-ионные конденсаторы с легированными электродами могут достигать номинального напряжения от 3,8 до 4 В, но имеют низкое напряжение. предел напряжения около 2,2 В. Суперконденсаторы с ионными электролитами могут превышать рабочее напряжение 3,5 В.
Эксплуатация суперконденсаторов при напряжении ниже номинального улучшает долговременное поведение электрических параметров. Значения емкости и внутреннего сопротивления во время цикла более стабильны, а срок службы и циклы заряда / разряда могут быть увеличены.
Для более высоких напряжений в приложении требуется последовательное соединение ячеек. Поскольку каждый компонент имеет небольшую разницу в величине емкости и ESR, необходимо активно или пассивно балансировать их, чтобы стабилизировать приложенное напряжение. В пассивной балансировке параллельно с суперконденсаторами используются резисторы. Активная балансировка может включать в себя электронное управление напряжением выше порогового значения, которое изменяет ток.
Внутреннее сопротивление постоянному току можно рассчитать по падению напряжения, полученному при пересечении вспомогательной линии, продолженной от прямой части, и временной развертки в момент начала разряда. Зарядка / разрядка суперконденсатора связана с перемещением носителей заряда (ионов) в электролите через сепаратор к электродам и в их пористую структуру. Во время этого движения возникают потери, которые можно измерить как внутреннее сопротивление постоянному току.
В электрической модели каскадно соединенных последовательно RC-элементов (резистор / конденсатор) в порах электрода внутреннее сопротивление увеличивается с увеличением глубины проникновения носителей заряда в поры. Внутреннее сопротивление постоянному току зависит от времени и увеличивается во время заряда / разряда. В приложениях часто интересен только диапазон включения и выключения. Внутреннее сопротивление R i может быть вычислено из падения напряжения ΔV 2 во время разряда, начиная с постоянного тока разряда I разряда. Он получается из пересечения вспомогательной линии, продолженной от прямой части, и временной развертки в момент начала разряда (см. Рисунок справа). Сопротивление можно рассчитать по:
Ток разряда I разряд для измерения внутреннего сопротивления можно взять из классификации согласно IEC 62391-1.
Это внутреннее сопротивление постоянному току R i не следует путать с внутренним сопротивлением переменного тока, называемым эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), обычно указываемым для конденсаторов. Измеряется на частоте 1 кГц. ESR намного меньше, чем сопротивление постоянному току. ESR не имеет значения для расчета пусковых токов сверхпроводника или других пиковых токов.
R i определяет несколько свойств суперконденсатора. Он ограничивает пиковые токи заряда и разряда, а также время заряда / разряда. R i и емкость C дают постоянную времени
Эта постоянная времени определяет время заряда / разряда. Например, конденсатор емкостью 100 Ф с внутренним сопротивлением 30 мОм имеет постоянную времени 0,03 • 100 = 3 с. После 3 секунд зарядки током, ограниченным только внутренним сопротивлением, конденсатор имеет 63,2% полного заряда (или разряжается до 36,8% полного заряда).
Стандартные конденсаторы с постоянным внутренним сопротивлением полностью заряжаются в течение примерно 5 τ. Поскольку внутреннее сопротивление увеличивается с зарядом / разрядом, фактическое время не может быть рассчитано по этой формуле. Таким образом, время зарядки / разрядки зависит от конкретных деталей конструкции.
Поскольку суперконденсаторы работают без образования химических связей, токовые нагрузки, включая заряд, разряд и пиковые токи, не ограничиваются реакционными ограничениями. Стабильность текущей нагрузки и цикла может быть намного выше, чем у аккумуляторных батарей. Токовые нагрузки ограничиваются только внутренним сопротивлением, которое может быть существенно ниже, чем у батарей.
Внутреннее сопротивление «R i » и токи заряда / разряда или пиковые токи «I» создают внутренние тепловые потери «P потерь » в соответствии с:
Это тепло должно выделяться и распределяться по окружающей среде для поддержания рабочих температур ниже указанной максимальной температуры.
Тепло обычно определяет срок службы конденсатора из-за диффузии электролита. Выделение тепла от текущих нагрузок должно быть меньше 5–10 К при максимальной температуре окружающей среды (что лишь незначительно влияет на ожидаемый срок службы). По этой причине указанные токи заряда и разряда для частых циклов определяются внутренним сопротивлением.
Указанные параметры цикла при максимальных условиях включают ток заряда и разряда, длительность и частоту импульсов. Они указаны для определенного диапазона температур и полного диапазона напряжений в течение определенного срока службы. Они могут сильно различаться в зависимости от комбинации пористости электрода, размера пор и электролита. Обычно более низкая токовая нагрузка увеличивает срок службы конденсатора и увеличивает количество циклов. Этого можно добиться либо за счет более низкого диапазона напряжений, либо за счет более медленной зарядки и разрядки.
Суперконденсаторы (за исключением конденсаторов с полимерными электродами) потенциально могут поддерживать более одного миллиона циклов заряда / разряда без значительного падения емкости или увеличения внутреннего сопротивления. За более высокой токовой нагрузкой это второе большое преимущество суперконденсаторов перед батареями. Стабильность является результатом двойного принципа электростатического и электрохимического накопления.
Указанные токи заряда и разряда могут быть значительно превышены понижением частоты или одиночными импульсами. Тепло, генерируемое одним импульсом, может распределяться по времени до следующего импульса, чтобы обеспечить относительно небольшое среднее увеличение тепла. Такой «пиковый ток мощности» для силовых приложений для суперконденсаторов более 1000 Ф может обеспечить максимальный пиковый ток около 1000 А. Такие высокие токи создают высокую тепловую нагрузку и высокие электромагнитные силы, которые могут повредить соединение электрод-коллектор, требующее прочной конструкции. и конструкция конденсаторов.
Измеренная емкость устройства при рабочем напряжении EDLC Параметры устройства, такие как начальное сопротивление емкости и сопротивление в установившемся режиме, не являются постоянными, но являются переменными и зависят от рабочего напряжения устройства. Емкость устройства будет заметно увеличиваться при увеличении рабочего напряжения. Например: можно увидеть, что устройство 100F отличается от максимальной емкости на 26% во всем диапазоне рабочих напряжений. Аналогичная зависимость от рабочего напряжения наблюдается в установившемся сопротивлении (R ss) и начальном сопротивлении (R i).
Также видно, что свойства устройства зависят от температуры устройства. Поскольку температура устройства изменяется в результате работы с изменяющейся температурой окружающей среды, внутренние свойства, такие как емкость и сопротивление, также изменяются. Видно, что емкость устройства увеличивается с увеличением рабочей температуры.
Диаграмма Ragone, показывающая удельную мощность в зависимости от удельной энергии различных конденсаторов и батарей Суперконденсаторы занимают промежуток между электролитическими конденсаторами большой мощности / низкой энергии и перезаряжаемыми батареями малой мощности / высокой энергии. Энергия W max (выраженная в Джоулях ), которая может храниться в конденсаторе, определяется формулой
Эта формула описывает количество запасенной энергии и часто используется для описания новых успехов в исследованиях. Однако только часть накопленной энергии доступна для приложений, потому что падение напряжения и постоянная времени по внутреннему сопротивлению означают, что некоторая часть накопленного заряда недоступна. Эффективное реализованное количество энергии W eff уменьшается из-за используемой разницы напряжений между V max и V min и может быть представлено как:
Эта формула также представляет компоненты асимметричного напряжения, такие как литий-ионные конденсаторы.
Количество энергии, которое может храниться в конденсаторе на массу этого конденсатора, называется его удельной энергией. Удельная энергия измеряется гравиметрически (на единицу массы ) в ватт-часах на килограмм (Втч / кг).
Количество энергии, которое может храниться в конденсаторе на единицу объема этого конденсатора, называется его плотностью энергии (также называемой в некоторой литературе объемной удельной энергией). Плотность энергии измеряется объемно (на единицу объема) в ватт-часах на литр (Втч / л). Единицы измерения литры и дм 3 могут использоваться как взаимозаменяемые.
По состоянию на 2013 год коммерческая плотность энергии варьируется в широких пределах, но в целом колеблется от 5 до 5%. 8 Втч / л. Для сравнения: бензиновое топливо имеет удельную энергию 32,4 МДж / л или9000 Втч / л. Промышленные удельные энергии варьируются от 0,5 до15 Втч / кг. Для сравнения, в алюминиевом электролитическом конденсаторе обычно от 0,01 до0,3 Втч / кг, в то время как обычная свинцово-кислотная батарея обычно хранит от 30 до40 Втч / кг и современные литий-ионные аккумуляторы от 100 до265 Втч / кг. Поэтому суперконденсаторы могут хранить в 10-100 раз больше энергии, чем электролитические конденсаторы, но лишь в десять раз меньше, чем батареи. Для справки: бензиновое топливо имеет удельную энергию 44,4 МДж / кг или12 300 Втч / кг.
Хотя удельная энергия суперконденсаторов выгодно отличается от батарей, конденсаторы имеют важное преимущество - удельную мощность. Удельная мощность описывает скорость, с которой энергия может быть доставлена к нагрузке (или, при зарядке устройства, потреблена от генератора). Максимальная мощность P max определяет мощность теоретического прямоугольного одиночного максимального пика тока данного напряжения. В реальных схемах пик тока не прямоугольный, а напряжение меньше из-за падения напряжения, поэтому IEC 62391-2 установил более реалистичную эффективную мощность P eff для суперконденсаторов для силовых приложений, которая составляет половину максимальной и определяется следующим образом: формулы:
где V = приложенное напряжение и R i, внутреннее сопротивление конденсатора постоянному току.
Как и удельная энергия, удельная мощность измеряется либо гравиметрически в киловаттах на килограмм (кВт / кг, удельная мощность), либо объемно в киловаттах на литр (кВт / л, удельная мощность). Удельная мощность суперконденсатора обычно в 10-100 раз больше, чем у батарей, и может достигать значений до 15 кВт / кг.
Диаграммы Ragone соотносят энергию с мощностью и являются ценным инструментом для описания и визуализации компонентов накопителя энергии. С помощью такой диаграммы положение удельной мощности и удельной энергии различных технологий хранения легко сравнить, см. Диаграмму.
Срок службы суперконденсаторов в основном зависит от температуры конденсатора и приложенного напряжения. Поскольку суперконденсаторы не зависят от химических изменений в электродах (за исключением тех, которые имеют полимерные электроды), срок службы в основном зависит от скорости испарения жидкого электролита. Это испарение обычно зависит от температуры, текущей нагрузки, частоты текущего цикла и напряжения. Текущая нагрузка и частота цикла генерируют внутреннее тепло, так что температура, определяющая испарение, является суммой внешнего и внутреннего тепла. Эта температура измеряется как температура ядра в центре корпуса конденсатора. Чем выше внутренняя температура, тем быстрее испарение и тем короче срок службы.
Испарение обычно приводит к уменьшению емкости и увеличению внутреннего сопротивления. В соответствии с IEC / EN 62391-2 уменьшение емкости более чем на 30% или внутреннее сопротивление, превышающее в четыре раза указанные в технических характеристиках данные, считаются «отказами из-за износа», что означает, что компонент достиг конца срока службы. Конденсаторы исправны, но с ограниченными возможностями. Влияет ли аберрация параметров на правильную работу или нет, зависит от применения конденсаторов.
Такие большие изменения электрических параметров, указанных в IEC / EN 62391-2, обычно неприемлемы для приложений с сильноточной нагрузкой. Компоненты, поддерживающие сильноточные нагрузки, используют гораздо меньшие пределы, например 20% потери емкости или удвоение внутреннего сопротивления. Более узкое определение важно для таких применений, поскольку тепло увеличивается линейно с увеличением внутреннего сопротивления, и максимальная температура не должна превышаться. Температура выше указанной может вывести конденсатор из строя.
Реальный срок службы суперконденсаторов, также называемый « сроком службы », «ожидаемым сроком службы» или «сроком службы нагрузки», может достигать 10–15 лет и более при комнатной температуре. Производители не могут проверить такие длительные периоды. Следовательно, они определяют ожидаемый срок службы конденсатора при максимальных условиях температуры и напряжения. Результаты указаны в таблицах данных с использованием обозначений «время испытания (часы) / максимальная температура (° C)», например «5000 ч / 65 ° C». С помощью этого значения и выражений, полученных на основе исторических данных, можно оценить срок службы для условий более низких температур.
Технические характеристики срока службы проверяются производителями с использованием испытания на ускоренное старение, называемого «испытание на выносливость», при максимальной температуре и напряжении в течение определенного времени. Согласно политике «нулевого дефекта» во время этого испытания не может произойти никакого износа или полного отказа.
Спецификацию срока службы из таблиц можно использовать для оценки ожидаемого срока службы для данной конструкции. «Правило 10 градусов», используемое для электролитических конденсаторов с нетвердым электролитом, используется в этих оценках и может использоваться для суперконденсаторов. Это правило использует уравнение Аррениуса, простую формулу для температурной зависимости скорости реакции. При снижении рабочей температуры на каждые 10 ° C расчетный срок службы удваивается.
С участием
Рассчитанный по этой формуле, конденсаторы, рассчитанные на 5000 часов при 65 ° C, имеют расчетный срок службы 20 000 часов при 45 ° C.
Срок службы также зависит от рабочего напряжения, потому что образование газа в жидком электролите зависит от напряжения. Чем ниже напряжение, тем меньше газовыделение и больше срок службы. Нет общей формулы, связывающей напряжение со сроком службы. Кривые зависимости напряжения, показанные на рисунке, являются эмпирическим результатом от одного производителя.
Ожидаемый срок службы силовых приложений также может быть ограничен текущей нагрузкой или количеством циклов. Это ограничение должно быть указано соответствующим производителем и сильно зависит от типа.
Накопление электрической энергии в двойном слое разделяет носители заряда в порах на расстояния в диапазоне молекул. На этом коротком расстоянии могут возникать неоднородности, приводящие к небольшой замене носителей заряда и постепенному разряду. Этот саморазряд называется током утечки. Утечка зависит от емкости, напряжения, температуры и химической стабильности комбинации электрод / электролит. При комнатной температуре утечка настолько мала, что указывается как время саморазряда. Время саморазряда суперконденсатора указывается в часах, днях или неделях. Например, «Goldcapacitor» Panasonic 5,5 В / Ф указывает падение напряжения при 20 ° C с 5,5 В до 3 В за 600 часов (25 дней или 3,6 недели) для двухэлементного конденсатора.
График зависимости напряжения от времени после приложения заряда Было замечено, что после того, как EDLC испытывает заряд или разряд, напряжение со временем будет дрейфовать, снижаясь до своего предыдущего уровня напряжения. Наблюдаемая релаксация может происходить в течение нескольких часов и, вероятно, связана с большими постоянными времени диффузии пористых электродов внутри EDLC.
Отрицательная полоса на изоляционной втулке указывает катодный вывод конденсатора. Поскольку положительный и отрицательный электроды (или просто позитрод и негатрод, соответственно) симметричных суперконденсаторов состоят из одного и того же материала, теоретически суперконденсаторы не имеют истинной полярности, и катастрофического отказа обычно не происходит. Однако обратная зарядка суперконденсатора снижает его емкость, поэтому рекомендуется сохранять полярность, возникающую в результате формирования электродов во время производства. Асимметричные суперконденсаторы по своей природе полярны.
Псевдоконденсатор и гибридные суперконденсаторы, обладающие свойствами электрохимического заряда, не могут работать с обратной полярностью, что исключает их использование в режиме переменного тока. Однако это ограничение не распространяется на суперконденсаторы EDLC.
Полоса на изолирующей втулке обозначает отрицательную клемму поляризованного компонента.
В некоторой литературе термины «анод» и «катод» используются вместо отрицательного электрода и положительного электрода. Использование анода и катода для описания электродов в суперконденсаторах (а также аккумуляторных батарей, включая литий-ионные батареи) может привести к путанице, поскольку полярность меняется в зависимости от того, рассматривается ли компонент как генератор или как потребитель тока. В электрохимии катод и анод связаны, соответственно, с реакциями восстановления и окисления. Однако в суперконденсаторах, основанных на емкости двойного электрического слоя, ни на одном из двух электродов нет реакций окисления или восстановления. Следовательно, понятия катода и анода не применяются.
Диапазон доступных электродов и электролитов дает множество компонентов, подходящих для различных применений. Разработка низкоомных электролитных систем в сочетании с электродами с высокой псевдоемкостью позволяет реализовать множество других технических решений.
В следующей таблице показаны различия между конденсаторами различных производителей по диапазону емкости, напряжению ячейки, внутреннему сопротивлению (ESR, значение постоянного или переменного тока), а также объемной и гравиметрической удельной энергии.
В таблице ESR относится к компоненту с наибольшим значением емкости соответствующего производителя. Грубо говоря, суперконденсаторы делят на две группы. Первая группа предлагает более высокие значения ESR около 20 миллиом и относительно небольшую емкость от 0,1 до 470 F. Это «двухслойные конденсаторы» для резервного копирования памяти или аналогичных приложений. Вторая группа предлагает от 100 до 10 000 F со значительно более низким значением ESR менее 1 миллиом. Эти компоненты подходят для силовых приложений. Корреляция некоторых серий суперконденсаторов разных производителей с различными конструктивными особенностями представлена в Pandolfo и Hollenkamp.
В промышленных конденсаторах с двойным слоем или, более конкретно, в EDLC, в которых накопление энергии в основном достигается за счет емкости с двойным слоем, энергия накапливается за счет образования двойного электрического слоя из ионов электролита на поверхности проводящих электродов. Поскольку EDLC не ограничены кинетикой электрохимического переноса заряда батарей, они могут заряжаться и разряжаться с гораздо большей скоростью, со сроком службы более 1 миллиона циклов. Плотность энергии EDLC определяется рабочим напряжением и удельной емкостью (фарад / грамм или фарад / см 3) системы электрод / электролит. Удельная емкость связана с удельной площадью поверхности (SSA), доступной для электролита, его межфазной емкостью двойного слоя и плотностью материала электрода.
Коммерческие EDLC основаны на двух симметричных электродах, пропитанных электролитами, содержащими соли тетрафторбората тетраэтиламмония в органических растворителях. Современные EDLC, содержащие органические электролиты, работают при 2,7 В и достигают плотности энергии около 5-8 Втч / кг и от 7 до 10 Втч / л. Удельная емкость связана с удельной площадью поверхности (SSA), доступной для электролита, емкостью его межфазного двойного слоя и плотностью материала электрода. Пластинки на основе графена с мезопористым спейсером являются перспективной структурой для увеличения SSA электролита.
Классификация суперконденсаторов по классам в соответствии со стандартами IEC 62391-1, IEC 62567 и BS EN 61881-3. Суперконденсаторы достаточно различаются, поэтому они редко бывают взаимозаменяемыми, особенно с более высокой удельной энергией. Применения варьируются от низких до высоких пиковых токов, требуя стандартизованных протоколов испытаний.
Спецификации испытаний и требования к параметрам указаны в общей спецификации.
Стандарт определяет четыре класса приложений в соответствии с уровнями разрядного тока:
Еще три стандарта описывают специальные приложения:
Суперконденсаторы не поддерживают приложения переменного тока.
Суперконденсаторы имеют преимущества в приложениях, где требуется большое количество энергии в течение относительно короткого времени, где требуется очень большое количество циклов заряда / разряда или более длительный срок службы. Типичные области применения варьируются от миллиамперных токов или милливатт мощности в течение нескольких минут до нескольких ампер тока или нескольких сотен киловатт в течение гораздо более коротких периодов.
Время, в течение которого суперконденсатор может выдавать постоянный ток, можно рассчитать как:
при уменьшении напряжения конденсатора от заряда U до U мин.
Если приложению требуется постоянная мощность P в течение определенного времени t, это можно рассчитать как:
при этом также напряжение конденсатора уменьшается от заряда U до U мин.
В приложениях с колеблющейся нагрузкой, таких как портативные компьютеры, КПК, GPS, портативные медиаплееры, портативные устройства и фотоэлектрические системы, суперконденсаторы могут стабилизировать источник питания.
Суперконденсаторы обеспечивают питание фотографических вспышек в цифровых камерах и светодиодных фонарей, которые можно заряжать за гораздо более короткие периоды времени, например, за 90 секунд.
Некоторые портативные колонки питаются от суперконденсаторов.
Аккумуляторная электрическая отвертка с суперконденсаторами для хранения энергии имеет примерно половину времени работы по сравнению с сопоставимой моделью батареи, но может быть полностью заряжена за 90 секунд. После трех месяцев простоя он сохраняет 85% заряда.
Многочисленные нелинейные нагрузки, такие как EV зарядные устройства, ВЗУ, системы кондиционирования воздуха, а также современные системы преобразования энергии вызывают флуктуации тока и гармоники. Эти различия в токе создают нежелательные колебания напряжения и, следовательно, колебания мощности в сети. Колебания мощности не только снижают эффективность сети, но могут вызвать падение напряжения в общей шине связи и значительные колебания частоты во всей системе. Чтобы преодолеть эту проблему, суперконденсаторы могут быть реализованы в качестве интерфейса между нагрузкой и сетью, чтобы действовать как буфер между сетью и высокой импульсной мощностью, потребляемой от зарядной станции.
Суперконденсаторы обеспечивают резервное питание или аварийное отключение маломощного оборудования, такого как RAM, SRAM, микроконтроллеры и карты ПК. Они являются единственным источником питания для приложений с низким энергопотреблением, таких как оборудование для автоматического считывания показаний счетчиков (AMR) или для уведомления о событиях в промышленной электронике.
Суперконденсаторы буферизуют питание от аккумуляторных батарей и от них, смягчая последствия кратковременных перебоев в подаче электроэнергии и сильных пиков тока. Батареи срабатывают только при длительных перерывах в работе, например, при выходе из строя электросети или топливного элемента, что продлевает срок службы батареи.
Источники бесперебойного питания (ИБП) могут питаться от суперконденсаторов, которые могут заменить гораздо большие батареи электролитических конденсаторов. Эта комбинация снижает стоимость цикла, снижает затраты на замену и обслуживание, позволяет уменьшить размер батареи и продлевает срок ее службы.
Ротор с системой шага ветряной турбины Суперконденсаторы обеспечивают резервное питание исполнительных механизмов в системах шага ветряных турбин, так что шаг лопастей можно регулировать даже в случае отказа основного источника питания.
Суперконденсаторы могут стабилизировать колебания напряжения в линиях электропередач, действуя как демпферы. Ветровые и фотоэлектрические системы демонстрируют колебания питания, вызванные порывами ветра или облаками, которые суперконденсаторы могут буферизовать за миллисекунды.
Микросети обычно питаются от чистой и возобновляемой энергии. Однако большая часть этого производства энергии не является постоянной в течение дня и обычно не соответствует спросу. Суперконденсаторы могут использоваться для хранения в микросетях, чтобы мгновенно подавать мощность, когда спрос высок и производство на мгновение падает, а также для хранения энергии в обратных условиях. Они полезны в этом сценарии, потому что микросети все чаще вырабатывают энергию постоянного тока, а конденсаторы можно использовать как в приложениях постоянного, так и переменного тока. Суперконденсаторы лучше всего работают с химическими батареями. Они обеспечивают мгновенный буфер напряжения для компенсации быстро меняющихся силовых нагрузок из-за их высокой скорости заряда и разряда через активную систему управления. После буферизации напряжения оно пропускается через инвертор для подачи переменного тока в сеть. Важно отметить, что суперконденсаторы не могут обеспечить частотную коррекцию в таком виде непосредственно в сети переменного тока.
Суперконденсаторы - подходящие временные накопители энергии для систем сбора энергии. В системах сбора энергии энергия собирается из окружающих или возобновляемых источников, например, механического движения, света или электромагнитных полей, и преобразуется в электрическую энергию в устройстве хранения энергии. Например, было продемонстрировано, что энергия, собранная из высокочастотных ( радиочастотных ) полей (с использованием радиочастотной антенны в качестве соответствующей схемы выпрямителя ), может храниться в печатном суперконденсаторе. Собранная энергия затем использовалась для питания специализированной интегральной схемы ( ASIC ) в течение более 10 часов.
UltraBattery представляет собой гибрид перезаряжаемые свинцово-кислотный аккумулятор и суперконденсатор. Его конструкция элемента содержит стандартный положительный электрод свинцово-кислотной батареи, стандартный сернокислый электролит и специально подготовленный отрицательный электрод на основе углерода, который накапливает электрическую энергию с помощью двухслойной емкости. Наличие электрода суперконденсатора изменяет химический состав батареи и обеспечивает ей значительную защиту от сульфатирования при использовании частичного заряда с высокой скоростью, что является типичным режимом отказа для свинцово-кислотных элементов с регулируемым клапаном, используемых таким образом. Полученный в результате элемент имеет характеристики, превосходящие характеристики свинцово-кислотного элемента или суперконденсатора, с повышенными скоростями заряда и разряда, сроком службы, эффективностью и производительностью.
Суперконденсаторы используются в дефибрилляторах, где они могут доставлять 500 джоулей, чтобы вернуть сердце в синусовый ритм.
В 2005 году компания Diehl Luftfahrt Elektronik GmbH, производящая аэрокосмические системы и средства управления, выбрала суперконденсаторы для питания аварийных приводов дверей и эвакуационных направляющих, используемых в авиалайнерах, включая Airbus 380.
Низкое внутреннее сопротивление суперконденсаторов поддерживает приложения, требующие кратковременных высоких токов. Одним из первых применений был запуск двигателей (запуск холодных двигателей, особенно дизелей) для больших двигателей в танках и подводных лодках. Суперконденсаторы служат буфером для аккумулятора, справляются с короткими пиковыми токами, сокращают время циклов и продлевают срок службы аккумулятора.
Другими военными приложениями, требующими высокой удельной мощности, являются антенны РЛС с фазированной решеткой, источники питания лазеров, военная радиосвязь, дисплеи и приборы авионики, резервное питание для развертывания подушек безопасности, а также ракеты и снаряды с GPS-наведением.
В концептуальном автомобиле Toyota Yaris Hybrid-R используется суперконденсатор для увеличения мощности. PSA Peugeot Citroën начала использовать суперконденсаторы как часть своей системы экономии топлива при остановке и пуске, которая обеспечивает более быстрое начальное ускорение. Система Mazda i-ELOOP накапливает энергию в суперконденсаторе во время замедления и использует ее для питания бортовых электрических систем, когда двигатель останавливается системой остановки-запуска.
Maxwell Technologies, американский производитель суперконденсаторов, заявил, что более 20 000 гибридных автобусов используют устройства для увеличения ускорения, особенно в Китае. Гуанчжоу, В 2014 году Китай начал использовать трамваи с суперконденсаторами, которые заряжаются за 30 секунд с помощью устройства, расположенного между рельсами, сохраняя энергию для движения трамвая на расстояние до 4 км - более чем достаточно, чтобы добраться до следующей остановки, где цикл может повторяться. CAF также предлагает суперконденсаторы для своих трамваев Urbos 3 в форме своей системы ACR.
Основная задача всего транспорта - снижение энергопотребления и сокращение выбросов углекислого газа. 2выбросы. Восстановление энергии торможения ( рекуперация или регенерация ) помогает в обоих случаях. Для этого требуются компоненты, которые могут быстро накапливать и выделять энергию в течение длительного времени с высокой частотой цикла. Суперконденсаторы соответствуют этим требованиям и поэтому используются в различных приложениях на транспорте.
Green Cargo управляет локомотивами TRAXX от Bombardier Transportation Суперконденсаторы могут быть использованы для дополнения батарей в стартовых систем дизельных железнодорожных локомотивов с дизель-электрической передачей. Конденсаторы улавливают энергию торможения при полной остановке и обеспечивают пиковый ток для запуска дизельного двигателя и ускорения поезда, а также обеспечивают стабилизацию сетевого напряжения. В зависимости от режима движения за счет рекуперации энергии торможения можно сэкономить до 30% энергии. Низкие эксплуатационные расходы и экологически чистые материалы стимулировали выбор суперконденсаторов.
Контейнерная площадка с козловым краном на резиновых шинах Мобильные гибридные дизель- электрические козловые краны на резиновых шинах перемещают и штабелируют контейнеры внутри терминала. Подъем ящиков требует большого количества энергии. Некоторая часть энергии может быть возвращена при снижении нагрузки, что приведет к повышению эффективности.
Тройной гибридный вилочный погрузчик использует топливные элементы и батареи в качестве первичного накопителя энергии и суперконденсаторы для буферизации пиков мощности за счет накопления энергии торможения. Они обеспечивают вилочный погрузчик максимальной мощностью более 30 кВт. Тройная гибридная система обеспечивает экономию энергии более чем на 50% по сравнению с дизельными системами или системами на топливных элементах.
Терминальные тягачи на суперконденсаторах перевозят контейнеры на склады. Они представляют собой экономичную, бесшумную и экологически чистую альтернативу дизельным тягачам.
Суперконденсаторы позволяют не только снизить энергопотребление, но и заменить воздушные линии в исторических районах города, тем самым сохраняя архитектурное наследие города. Такой подход может позволить многим новым городским линиям легкорельсового транспорта заменить воздушные провода, которые слишком дороги для прокладки всего маршрута.
Легкорельсовый транспорт в Мангейме В 2003 году в Мангейме был принят прототип легкорельсового транспорта (LRV), использующий систему MITRAC Energy Saver от Bombardier Transportation для хранения энергии механического торможения с помощью суперконденсатора, установленного на крыше. Он содержит несколько блоков, каждый из 192 конденсаторов на 2700 Ф / 2,7 В, соединенных тремя параллельными линиями. Эта схема приводит к системе 518 В с энергоемкостью 1,5 кВтч. Для ускорения при запуске эта «бортовая система» может обеспечить LRV мощностью 600 кВт и может проехать до 1 км без подключения к воздушной линии, что позволяет лучше интегрировать LRV в городскую среду. По сравнению с обычными легковыми автомобилями LRV или транспортными средствами метро, которые возвращают энергию в сеть, бортовые накопители энергии экономят до 30% и сокращают пиковую нагрузку на сеть до 50%.
Суперконденсаторы используются для питания трамвайной линии Paris T3 на участках без воздушных проводов и для рекуперации энергии при торможении. В 2009 году суперконденсаторы позволили LRV работать в исторической части города Гейдельберг без воздушных проводов, что позволило сохранить архитектурное наследие города. Оборудование SC стоило дополнительно 270 000 евро за транспортное средство, которое, как ожидалось, будет возмещено в течение первых 15 лет эксплуатации. Суперконденсаторы заряжаются на станциях остановки, когда транспортное средство находится на запланированной остановке. В апреле 2011 года немецкий региональный транспортный оператор Rhein-Neckar, отвечающий за Heidelberg, заказал еще 11 единиц.
В 2009 году Alstom и RATP оборудовали трамвай Citadis экспериментальной системой рекуперации энергии под названием STEEM. Система оснащена 48 установленными на крыше суперконденсаторами для хранения энергии торможения, что обеспечивает трамваям высокий уровень энергетической автономии, позволяя им двигаться без воздушных линий электропередачи на некоторых участках маршрута, подзаряжаясь во время движения на остановочных станциях с электроприводом. В ходе испытаний, которые имели место между Porte d'Italie и Портом де Шуази останавливается на линию T3 в сети трамвайной в Париже, то tramset используется в среднем около 16% меньше энергии.
Трамвай с суперконденсатором на легкорельсовом транспорте Рио-де-Жанейро В 2012 году трамвайный оператор Женевского общественного транспорта начал испытания легкового автомобиля, оснащенного прототипом суперконденсатора на крыше для рекуперации энергии торможения.
Siemens поставляет системы легкорельсового транспорта с суперконденсаторами, которые включают мобильные хранилища.
Линия метро Южного острова Гонконга будет оборудована двумя накопителями энергии мощностью 2 МВт, что, как ожидается, снизит потребление энергии на 10%.
В августе 2012 года китайская корпорация CSR Zhuzhou Electric Locomotive представила прототип двухвагонного легкого метро, оснащенного суперконденсаторным блоком на крыше. Поезд может проехать 2 км без проводов, заряжаясь за 30 секунд на станциях с помощью наземного пикапа. Поставщик заявил, что поезда могут использоваться в 100 малых и средних городах Китая. В 2014 году в Гуанчжоу, Китай, планировалось ввести в эксплуатацию семь трамваев с суперконденсаторами. Суперконденсаторы заряжаются за 30 секунд с помощью устройства, расположенного между рельсами. Это позволяет трамваю проехать до 4 километров (2,5 мили). С 2017 года суперконденсаторные автомобили Zhuzhou также используются в новой системе трамвая в Нанкине и проходят испытания в Ухане.
В 2012 году в Лионе (Франция) SYTRAL ( Управление общественного транспорта Лиона) начало эксперименты с системой «регенерации на обочине дороги», созданной Adetel Group, которая разработала собственную энергосберегающую систему под названием «NeoGreen» для легковых и легковых автомобилей и метро.
В 2015 году Alstom анонсировала SRS - систему накопления энергии, которая заряжает суперконденсаторы в трамвае с помощью наземных контактных рельсов, расположенных на трамвайных остановках. Это позволяет трамваям работать без воздушных линий на короткие расстояния. Система рекламировалась как альтернатива системе наземного источника питания (APS) компании или может использоваться вместе с ней, как в случае сети VLT в Рио-де-Жанейро, Бразилия, которая открылась в 2016 году.
MAN Ultracapbus в Нюрнберге, Германия Первый гибридный автобус с суперконденсаторами в Европе появился в 2001 году в Нюрнберге, Германия. Это был так называемый «Ultracapbus» компании MAN, который был испытан в реальных условиях в 2001/2002 году. Испытательный автомобиль был оснащен дизель-электрическим приводом в сочетании с суперконденсаторами. Система снабжена 8 модулями Ultracap на 80 В, каждый из которых содержит 36 компонентов. Система работала с напряжением 640 В и могла заряжаться / разряжаться при 400 А. Ее энергоемкость составляла 0,4 кВтч при весе 400 кг.
Суперконденсаторы отбирали энергию торможения и передавали пусковую энергию. Расход топлива был снижен на 10-15% по сравнению с обычными дизельными автомобилями. Среди других преимуществ - снижение выбросов CO. 2 Выбросы, тихий запуск двигателя без вредных выбросов, снижение вибрации и снижение затрат на техническое обслуживание.
Электробус на ЭКСПО 2010 в Шанхае (Capabus) подзарядка на автобусной остановке По состоянию на 2002 год в Люцерне, Швейцария, был протестирован парк электрических автобусов под названием TOHYCO-Rider. Суперконденсаторы можно заряжать с помощью индуктивного бесконтактного высокоскоростного зарядного устройства после каждого транспортного цикла в течение 3-4 минут.
В начале 2005 года в Шанхае был испытан новый вид электрического автобуса под названием capabus, который работает без линий электропередач (работа без контактной сети), с использованием больших бортовых суперконденсаторов, которые частично заряжаются, когда автобус находится на остановке (под так называемыми электрическими зонтами), и полностью заряжаются во время остановки. конечная остановка. В 2006 году два коммерческих автобусных маршрута начали использовать эти возможности; один из них - маршрут 11 в Шанхае. Было подсчитано, что автобус с суперконденсатором был дешевле, чем автобус с литий-ионным аккумулятором, а один из его автобусов стоил одну десятую стоимости энергии дизельного автобуса при пожизненной экономии топлива в размере 200000 долларов.
Гибридный электрический автобус под названием Tribrid был представлен в 2008 году Университетом Гламоргана, Уэльс, для использования в качестве транспорта для студентов. Он питается от водородного топлива или солнечных элементов, батарей и ультраконденсаторов.
Чемпион мира Себастьян Феттель в Малайзии 2010 
Toyota TS030 Hybrid в 2012 24 часа Ле - Мана автопробега FIA, руководящий орган для автоспорта событий, предложенный в Power-Train регулирование рамок для Формулы - 1 версия 1.3 от 23 мая 2007 о том, что новый набор железнодорожных силовых правил будет опубликовано, который включает в себя гибридный привод до 200 входов кВт и выходная мощность с использованием «супербатарей», сделанных с батареями и суперконденсаторами, соединенными параллельно ( KERS ). При использовании системы KERS можно достичь КПД около 20% от танка к колесу.
Автомобиль Toyota TS030 Hybrid LMP1, гоночный автомобиль, разработанный в соответствии с правилами Le Mans Prototype, использует гибридную трансмиссию с суперконденсаторами. В гонке « 24 часа Ле-Мана» 2012 года TS030 показал самый быстрый круг, который на 1,055 секунды медленнее (3: 24,842 против 3: 23,787), чем самый быстрый автомобиль, Audi R18 e-tron quattro с накопителем энергии маховиком. Компоненты суперконденсатора и маховика, функции быстрого заряда-разряда которых помогают как при торможении, так и при ускорении, сделали гибриды Audi и Toyota самыми быстрыми автомобилями в гонке. В гонке Ле-Ман 2012 года два конкурирующих TS030, один из которых лидировал на протяжении части гонки, оба сошли с дистанции по причинам, не связанным с суперконденсаторами. TS030 выиграл три из 8 гонок сезона чемпионата мира по гонкам на выносливость FIA 2012 года. В 2014 году Toyota TS040 Hybrid использовала суперконденсатор, чтобы добавить 480 лошадиных сил от двух электродвигателей.
RAV4 HEV Комбинации суперконденсатор / аккумулятор в электромобилях (EV) и гибридных электромобилях (HEV) хорошо изучены. За счет рекуперации энергии торможения в электромобилях или HEV заявлено сокращение расхода топлива на 20–60%. Способность суперконденсаторов заряжаться намного быстрее, чем батареи, их стабильные электрические свойства, более широкий диапазон температур и более длительный срок службы являются подходящими, но вес, объем и особенно стоимость сглаживают эти преимущества.
Низкая удельная энергия суперконденсаторов делает их непригодными для использования в качестве автономных источников энергии при поездках на большие расстояния. Улучшение экономии топлива между конденсатором и аккумулятором составляет около 20% и доступно только для более коротких поездок. При езде на дальние расстояния преимущество снижается до 6%. Транспортные средства, сочетающие в себе конденсаторы и батареи, работают только на экспериментальных автомобилях.
По состоянию на 2013 год все автомобильные производители электромобилей или электромобилей разработали прототипы, в которых вместо батарей используются суперконденсаторы для хранения энергии торможения с целью повышения эффективности трансмиссии. Mazda 6 является единственным серийным автомобилем, который использует суперконденсатор для восстановления энергии торможения. Рекуперативное торможение, получившее название i-eloop, снижает расход топлива примерно на 10%.
Российская серия Yo-cars Ё-mobile представляла собой концептуальный кроссовер и гибридный автомобиль, работающий с лопастным двигателем с бензиновым приводом и электрическим генератором для привода тяговых двигателей. Суперконденсатор с относительно низкой емкостью восстанавливает энергию торможения для питания электродвигателя при ускорении от остановки.
В концептуальном автомобиле Toyota Yaris Hybrid-R используется суперконденсатор для быстрого увеличения мощности.
PSA Peugeot Citroën устанавливает суперконденсаторы в некоторые из своих автомобилей в рамках своей системы экономии топлива при остановке и запуске, поскольку это позволяет быстрее запускать двигатель, когда светофор становится зеленым.
Канатная дорога в Целль-ам-Зее, Австрия В Целль-ам-Зее, Австрия, канатная дорога соединяет город с горой Шмиттенхёэ. Гондолы иногда ходят 24 часа в сутки, используя электричество для освещения, открывания дверей и связи. Единственное доступное время для подзарядки аккумуляторов на станциях - это короткие интервалы между загрузкой и разгрузкой гостей, что слишком мало для зарядки аккумуляторов. Суперконденсаторы обеспечивают быструю зарядку, большее количество циклов и более длительный срок службы, чем батареи.
Эмирейтс Эйр Лайн (канатная дорога), также известная как канатная дорога Темзы, представляет собой гондольную линию протяженностью 1 км (0,62 мили), которая пересекает Темзу от полуострова Гринвич до Королевских доков. Кабины оснащены современной информационно-развлекательной системой, работающей от суперконденсаторов.
По состоянию на 2013 год коммерчески доступные литий-ионные суперконденсаторы предлагали самую высокую на сегодняшний день удельную гравиметрическую энергию, достигающую 15 Втч / кг (54 кДж / кг). Исследования сосредоточены на улучшении удельной энергии, снижении внутреннего сопротивления, расширении диапазона температур, увеличении срока службы и снижении затрат. Проекты включают в себя электроды с индивидуальным размером пор, псевдоемкостные покрытия или легирующие материалы и улучшенные электролиты.
| Разработка | Дата | Удельная энергия | Удельная мощность | Циклы | Емкость | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Листы графена, сжатые капиллярным сжатием летучей жидкости | 2013 | 60 Втч / л | Интеграция электролита в субнанометровом масштабе создала непрерывную сеть переноса ионов. | |||
| Вертикально ориентированные электроды из углеродных нанотрубок | 2007 2009 2013 | 13,50 Втч / кг | 37,12 Вт / г | 300 000 | Первая реализация | |
| Изогнутые листы графена | 2010 г. | 85,6 Втч / кг | 550 Ф / г | Однослойные изогнутые листы графена, которые не укладываются лицом к лицу, образуя мезопоры, которые доступны и смачиваются экологически чистыми ионными электролитами при напряжении до 4 В. | ||
| KOH реструктурированный оксид графита | 2011 г. | 85 Втч / кг | gt; 10 000 | 200 Ф / г | Гидроксид калия реструктурировал углерод, чтобы создать трехмерную пористую сеть. | |
| Активированные угли на основе графена как электроды суперконденсатора с макро- и мезопорами | 2013 | 74 Втч / кг | Трехмерные структуры пор в углях, полученных из графена, в которых мезопоры интегрированы в макропористые каркасы с площадью поверхности 3290 м 2 / г | |||
| Конъюгированный микропористый полимер | 2011 г. | 53 Втч / кг | 10 000 | Аза-слитый π-конъюгированный микропористый каркас | ||
| Композитный электрод SWNT | 2011 г. | 990 Вт / кг | Специально подобранная мезо-макропористая структура содержит больше электролита, обеспечивая легкий перенос ионов | |||
| Наночешка гидроксида никеля на композитном электроде УНТ | 2012 г. | 50,6 Втч / кг | 3300 Ф / г | Асимметричный суперконденсатор с использованием электрода Ni (OH) 2 / CNT / NF в качестве анода в сборе с катодом из активированного угля (AC), обеспечивающий напряжение ячейки 1,8 В | ||
| Батарея-электрод наногибрид | 2012 г. | 40 Втч / л | 7,5 Вт / л | 10 000 | Ли 4Ti 5О 12 (LTO), нанесенные на анод из углеродных нановолокон (CNF) и катод из активированного угля | |
| Никель- кобальтит, нанесенный на мезопористый углеродный аэрогель | 2012 г. | 53 Втч / кг | 2,25 Вт / кг | 1700 Ф / г | Никель-кобальтит, недорогой и экологически чистый сверхъёмкостный материал. | |
| Наночешки интеркалированного диоксида марганца | 2013 | 110 Втч / кг | 1000 Ф / г | Влажный электрохимический процесс интеркалировал ионы Na (+) в MnO 2прослои. Наночешуйчатые электроды демонстрируют более быструю ионную диффузию с увеличенными пиками окислительно-восстановительного потенциала. | ||
| 3D-пористый графеновый электрод | 2013 | 98 Втч / кг | 231 Ф / г | Сморщенные однослойные листы графена размером несколько нанометров, по крайней мере, с некоторыми ковалентными связями. | ||
| Планарные микроконденсаторы на основе графена для хранения энергии на кристалле | 2013 | 2,42 Втч / л | Фильтрация на линии микросхемы | |||
| Нанолистовые конденсаторы | 2014 г. | 27,5 мкФ см -2 | Электроды: Ru 0,95 O 2 0,2– Диэлектрик: Ca 2 Nb 3 O 10 -.Производственные процессы на основе растворов при комнатной температуре. Общая толщина менее 30 нм. | |||
| LSG / диоксид марганца | 2015 г. | 42 Втч / л | 10 кВт / л | 10 000 | Трехмерная структура графена с лазерной разметкой (LSG) для определения проводимости, пористости и площади поверхности. Электроды имеют толщину около 15 микрон. | |
| Лазерно-индуцированный графен / твердотельный электролит | 2015 г. | 0,02 мА / см 2 | 9 мФ / см 2 | Выдерживает многократные сгибания. | ||
| Нанопроволока из триоксида вольфрама (WO 3) и двумерная оболочка из дихалькогенида переходного металла, дисульфида вольфрама (WS 2) | 2016 г. | ~ 100 Втч / л | 1 кВт / л | 30 000 | 2D оболочки, окружающие нанопроволоки |
A Исследование электродных материалов требует измерения отдельных компонентов, таких как электрод или полуячейка. Используя противоэлектрод, который не влияет на измерения, можно выявить характеристики только интересующего электрода. Удельная энергия и мощность реальных суперконденсаторов составляют примерно 1/3 плотности электродов.
По состоянию на 2016 год мировые продажи суперконденсаторов составляют около 400 миллионов долларов США.
Рынок аккумуляторов (по оценке Frost amp; Sullivan ) вырос с 47,5 млрд долларов США (76,4% или 36,3 млрд долларов США, из которых перезаряжаемые батареи) до 95 млрд долларов США. Рынок суперконденсаторов по-прежнему представляет собой небольшую нишу, которая не успевает за своим более крупным конкурентом.
В 2016 году IDTechEx прогнозирует рост продаж с 240 миллионов долларов до 2 миллиардов долларов к 2026 году, то есть примерно на 24% в год.
Стоимость суперконденсаторов в 2006 году составляла 0,01 доллара США за фарад или 2,85 доллара США за килоджоуль, а в 2008 году упала до уровня ниже 0,01 доллара США за фарад, и ожидается, что в среднесрочной перспективе они еще больше упадут.
Исключением для электронных компонентов, таких как конденсаторы, является множество различных торговых или серийных наименований, используемых для суперконденсаторов, таких как APowerCap, BestCap, BoostCap, CAP-XX, C-SECH, DLCAP, EneCapTen, EVerCAP, DynaCap, Faradcap, GreenCap, Goldcap, HY-CAP., Каптоновый конденсатор, суперконденсатор, SuperCap, PAS Capacitor, PowerStor, PseudoCap, Ultracapacitor, что затрудняет пользователям классификацию этих конденсаторов. (Сравните с # Сравнение технических параметров)
.
,
