Superkondensator

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Klasyfikacja superkondensatorów
Wykres Ragone'a pokazujący gęstość energii w funkcji gęstości mocy dla różnych urządzeń
Schematyczne porównanie budowy kondensatorów: z lewej – "normalny" kondensator, środkowy – elektrolityczny, z prawej – superkondensator

Superkondensator lub ultrakondensator jest rodzajem kondensatora elektrolitycznego o specyficznej konstrukcji, który wykazuje niezwykle dużą pojemność elektryczną (rzędu kilku tysięcy faradów), w porównaniu do klasycznych kondensatorów elektrolitycznych dużej pojemności, lecz przy napięciu pracy 2-3 V (typowo 2,7 V)[1].

Największą zaletą superkondensatorów jest bardzo krótki czas ładowania i rozładowania w porównaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np. akumulatorami). Pozwala to na uzyskanie mocy zasilania dochodzącej do 10 kW na kilogram masy kondensatora.

W oparciu o rodzaj elektrod, superkondensatory dzielą się na trzy grupy:

  • kondensatory elektrochemiczne z podwójną warstwą - z elektrodami węglowymi lub pochodnymi z dużo większą pojemnością niż elektrochemiczne kondensatory pseudopojemnościowe.
  • kondensatory pseudopojemnościowe - z tlenkami metali lub polimerowymi elektrodami przewodzącymi.
  • kondensatory hybrydowe - kondensatory z asymetrycznymi elektrodami, jedna z nich wykazuje większą pojemność elektrostatyczną a druga większą pojemność elektrochemiczną np. kondensator litowo-jonowy.

Historia[edytuj | edytuj kod]

Rozwój poszczególnych elementów superkondensatorów

Na początku lat 50 XX wieku inżynierowie spółki General Electric rozpoczęli eksperymenty wykorzystując elektrody zbudowane z porowatego węgla aktywnego dla ogniw paliwowych oraz baterii elektrycznych. Węgiel aktywny jest przewodnikiem elektrycznym, który charakteryzuje się porowatą, „gąbczastą” strukturą z wysoce rozwiniętą powierzchnią właściwą. W roku 1957 H.Becker rozwinął „nisko napięciowe elektrolityczne kondensatory z elektrodami porowato-węglowymi". Przypuszczał, że energia była w nich gromadzona jako wsad w porach węglowych, podobnie jak ma to miejsce w wytrawionej folii kondensatorów elektrolitycznych. Mechanizm podwójnej warstwy nie był w tym czasie znany, więc Becker stwierdził: „Nie jest do końca wiadomo co dokładnie dzieje się w komponentach użytych do gromadzenia energii, ale prowadzi to do ogromnie dużej pojemności”.

W 1966 roku badacze z Standard Oil of Ohio (SOHIO) opracowali inną wersję komponentu zwaną jako „aparat do magazynowania energii elektrycznej”, podczas pracy nad eksperymentalnym projektem ogniwa paliwowego. Natura elektrochemicznego gromadzenia energii nie została opisana w patencie. Wczesne kondensatory elektrochemiczne składały się z dwóch aluminiowych folii pokrytych węglem aktywnym, będącymi elektrodami nasączonymi elektrolitem i oddzielonych cienką warstwą porowatego izolatora. Ten model zapewniał kondensatorowi pojemność na poziomie jednego Farada, a więc znacząco większą niż kondensatory elektrolityczne o tych samych rozmiarach. Ta podstawowa konstrukcja jest podstawą większości elektrolitycznych kondensatorów.

Klasyfikacja[edytuj | edytuj kod]

W ostatnich latach rozwinęły się dwa typy konstrukcji superkondensatorów: zwijane oraz składane. Główna różnica między nimi polega na tym, że składane np. mają mniejszą gęstość energii, znacznie większą moc, czyli możliwość pracy z wielkimi prądami oraz niskie straty. Pod względem budowy można wyróżnić symetryczne i asymetryczne. W symetrycznych obydwie elektrody są zbudowane z porowatego węgla aktywnego, są ładowane i rozładowywane przez odwracalną adsorpcję jonów, w asymetrycznych występuje tylko jedna elektroda z węgla aktywnego, druga jest baterią i cykl ładowania i rozładowania odbywa się przez odwracalną redukcję i utlenianie. Asymetryczne charakteryzują się większą pojemnością.

Technologia[edytuj | edytuj kod]

Technologia superkondensatorów jest oparta na wykorzystaniu węgli aktywnych, grafenu[2][3] lub węglowych aerożeli. Węgle aktywne wykazują dobre własności porowate, nawet do 2500 m²/g oraz wykorzystane są do konstrukcji elektrod o dużej powierzchni właściwej. Produkowane są zestawy złożone z połączonych szeregowo superkondensatorów na różne napięcia znamionowe od 14 V do 700 V, dlatego znajdują szerokie zastosowanie w energetyce.

Zalety[edytuj | edytuj kod]

  • Bardzo duża szybkość ładowania/rozładowania (w porównaniu do baterii i akumulatorów).
  • Niewielka degradacja właściwości przy wielokrotnym rozładowaniu i ładowaniu (nawet do miliona cykli).
  • Duża sprawność cyklu (95% i więcej).
  • Niewielka toksyczność użytych materiałów.
  • Szeroki zakres temperatury pracy od −40°C do +60°C.
  • Niski koszt na jednostkę pojemności.
  • Nie wymagają konserwacji.
  • Bezobsługowe.
  • Brak określonej biegunowości – nie wymagają żadnych procedur ładowania
  • Niskie koszty eksploatacyjne.
  • Można je bez szkody rozładować do zera.

Wady[edytuj | edytuj kod]

  • Ilość zgromadzonej energii na jednostkę masy urządzenia jest ciągle o rząd wielkości niższa (5 Wh/kg) niż dla źródeł chemicznych (40 Wh/kg).
  • Zmienna wartość napięcia na zaciskach superkondensatora (napięcie spada wykładniczo przy rozładowaniu). W celu efektywnego wykorzystania energii niezbędne są skomplikowane układy energoelektroniczne.
  • Małe dopuszczalne napięcie pracy 2-3 V.
  • Szybsze samorozładowanie (w porównaniu do baterii i akumulatorów).

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

Superkondensatory są coraz częściej stosowane równolegle z innymi źródłami energii, np. ogniwami paliwowymi, w celu krótkotrwałego dostarczania mocy szczytowej, co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiarów całego układu. Próby z takimi rozwiązaniami przeprowadzane są m.in. w prototypach samochodów hybrydowych, pojazdów elektrycznych lub do wspomagania zasilania robotów.

Rozwijane są także prace badawcze i projekty wdrożeniowe nad zastosowaniem superkondensatorów do magazynowania elektrycznej energii odnawialnej (także w samochodach elektrycznych)[4].

Supekondensatory stosowane są również jako źródła zasilania ciągłego w urządzeniach o niewielkiej mocy: pamięciach komputerowych, elektrycznych szczoteczkach do zębów itp. Ważną rolę odgrywają w tzw. UPS-ach, czyli systemach zasilania gwarantowanego, które zabezpieczają przed skutkami nieciągłości dostawy energii elektrycznej.

Najważniejsze zastosowanie znajdują w transporcie w tzw. układzie KERS, czyli hamowaniu rekuperacyjnym, odbierają do przechowania energię hamowania, co znacznie zwiększa sprawność energetyczną pojazdu i redukuje zanieczyszczanie powietrza. Ocenia się, że zatrzymywanie silnika i hamowanie regeneracyjne zmniejsza zużycie paliwa do 15%, a zmniejszenie emisji zanieczyszczeń powietrza przekracza 90%. W ten sposób także "oszczędzamy" akumulator, przedłużając jego żywotność. Świetnie sprawdziłyby się w ruchu miejskim, gdyż tam dominują manewry częstego zatrzymywania się i ruszania. Sprawdzają się również w coraz popularniejszych pojazdach elektrycznych i hybrydowych. Ultrakondensatory służą również do oszczędzania energii w pojazdach, pozwalając wyłączyć silnik po zatrzymaniu pojazdu i błyskawicznie go następnie uruchomić. Poza układem napędowym superkondensatory wspomagać mogą inne funkcje pojazdu jak np. wspomaganie kierownicy, elektryczne ogrzewanie czy zasilanie podczas postoju (światło, radio).

Przypisy