Суперконденсаторы: что это, зачем и где применяется

Научно-технический прогресс во всех сферах деятельности человечества всё более нуждается в резервных источниках электрической энергии. Современные аккумуляторы сложны в обслуживании и ограничены в объёме электрического заряда. Суперконденсатор (ионистор) – это мощный накопитель электричества, который в будущем заменит традиционные аккумуляторы.

Суперконденсаторы

Концепция

Конденсаторы большой ёмкости накапливают электрический заряд за счёт двойного электрического слоя. Двойной электрический слой (ДЭС) позволяет сохранять энергетический потенциал на несколько порядков выше, чем это может обычный конденсатор.

ДЭС – это прослойка между обкладками из ионов, покрывающая поверхность частиц на границе фаз. Заряд одного слоя ионов компенсируется потенциалом второго слоя противоионов. Толщина ДЭС ничтожно мала, в то же время площадь пористых обкладок огромна.

Ионистор использует ДЭС между углем и электролитом. Электрод – это твёрдый активированный уголь, а электролит представлен в жидкой форме. При плотном контакте этих двух сред положительные и отрицательные полюсы имеют между собой очень узкий зазор. При воздействии электрического поля образуется двойной электрический слой на граничащей с углём поверхности электролита.

Ионистор с двойным электрическим слоем

Применение двойного электрического слоя вместо диэлектрика даёт возможность неограниченно увеличивать поверхность электрода. В результате небольшой суперконденсатор может обладать ёмкостью в несколько фарад при напряжении от 2 до 10 вольт.

Важно! Совершенствование ионистора приведёт к тому, что в большинстве случаев будут использовать суперконденсатор вместо аккумулятора.

Новинка на рынке электромобилей

Когда Lamborghini начинает выпускать гибрид, вы можете быть уверены, что это будет не просто более мощная версия Toyota Prius.

Sian, дебют итальянской компании в области электрификации, является первым серийным гибридным автомобилем (целых 63 экземпляра), в котором вместо литий-ионных батарей используются суперконденсаторы.

Многие физики и инженеры считают, что именно в них, а не в литий-ионных батареях, лежит ключ к массовой электрической мобильности. Sian использует такие для хранения электричества и, при необходимости, подачи его на свой небольшой электродвигатель.

История создания суперконденсатора

Ионистор — что это такое и где применяется

В 1957 году американской фирмой General Electric был запатентован конденсатор с двойным электрическим слоем и пористыми угольными электродами. Концепция патента заключалась в том, что накопление электрического потенциала происходило в угольных порах.

Однако уже в 1966 году фирма из штата Огайо SOHIO получила патент на ионистор, скапливающий заряд в двойном электрическом слое. В 1971 году фирма NEC, перекупившая патент у SOHIO, стала производить изделия под названием Суперконденсатор (Supercapacitor).

В 1978 году японский производитель радиотехники Panasonic заполнил рынок ионисторами под названием Золотой конденсатор (Gold capacitor). В этом же году в СССР были разработаны и изготовлены первые суперконденсаторы ёмкостью от 0,1 до 50 фарад.

Суперконденсаторы: принцип работы и алгоритм выбора

Все чаще в составе современных электронных устройств можно встретить суперконденсаторы. Суперконденсаторы способны выступать как в качестве основных элементов питания, так и в качестве буферных элементов для сглаживания провалов напряжения аккумуляторов при работе с импульсной нагрузкой.

Наравне с термином «суперконденсатор» в литературе часто применяют альтернативные названия, например, «ультраконденсатор» или «ионистор». Все эти именования используются для обозначения одного и того же компонента – конденсатора с двойным электронным слоем. Впервые суперконденсатор был создан в далеком 1957 году компанией General Electric. Позднее аналогичные компоненты выпускались различными производителями по всему миру, в том числе и в СССР (например, ионисторы КИ1-1).

Принцип работы суперконденсатора

Структура и принцип работы суперконденсатора поясняются на рис. 1. Суперконденсатор состоит из электродов, графитового сепаратора и электролита. При приложении внешнего напряжения носители заряда образуют два электронных слоя на границе сепаратора и электролита. Чем больше площадь поверхности сепаратора, тем больше будет накапливаемый заряд. Из рисунка видно, что в отличие от аккумуляторов в суперконденсаторе отсутствуют химические реакции, а энергия накапливается в виде статического заряда, как и в обычных конденсаторах.

Рис. 1. Структура и принцип действия суперконденсатора

Основные характеристики суперконденсаторов

По своим характеристикам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между аккумуляторами и обычными конденсаторами. В последнее время, благодаря большой емкости, суперконденсаторы становятся отличной альтернативой для аккумуляторов в широком спектре малопотребляющих устройств. Сравнение некоторых параметров суперконденсаторов и аккумуляторов приведено в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение параметров суперконденсаторов и аккумуляторов

Емкость – один из важнейших параметров для любого накопителя энергии. По величине удельной емкости на единицу массы суперконденсаторы значительно превосходят обычные конденсаторы (в том числе, электролитические), но в свою очередь так же сильно уступают аккумуляторам (рис. 2). По этой же причине стоимость единицы емкости для суперконденсаторов оказывается существенно выше, чем для аккумуляторов.

Рис. 2. Сравнение удельной емкости накопителей энергии

Вторым по важности параметром накопителя энергии является разрядный ток. По этому показателю лидируют обычные конденсаторы, которые из-за низкого собственного сопротивления способны выдерживать огромные импульсы тока. Аккумуляторы наоборот отличаются высоким сопротивлением и чрезвычайно чувствительны к большим разрядным токам. Например, литий-ионные аккумуляторы склонны к перегреву и разрушению при быстром разряде. Суперконденсаторы характеризуются более высоким последовательным сопротивлением, чем простые конденсаторы, однако существуют модели, способные выдерживать разрядные токи до сотен ампер.

Высокое сопротивление создает проблемы не только с точки зрения разогрева, но и с точки зрения просадки напряжения при импульсной нагрузке. Импульсное потребление характерно для большинства современных систем, но особенно ярко оно проявляется в устройствах с беспроводными радиопередатчиками. На рис. 3 представлен пример преждевременного отключения системы с аккумуляторным питанием из-за просадки напряжения. При передаче данных по беспроводному каналу потребление системы существенно возрастает, однако аккумулятор не способен выдать требуемую мощность мгновенно. Из-за этого напряжение на нагрузке проседает и может опуститься ниже порогового значения. Пороговое значение ограничивает минимально допустимое напряжение питания, ниже которого происходит отключение устройства. На рис. 3 пороговое значение составляет 1 В. В результате просадки напряжения устройство отключается, несмотря на то, что уровень заряда аккумулятора на самом деле остается высоким. Во многих случаях с данной проблемой не могут справиться даже развязывающие конденсаторы.

Рис. 3. Провалы напряжения из-за высокого внутреннего сопротивления аккумулятора

Суперконденсаторы способны выдавать достаточно высокую импульсную мощность и позволяют решить проблему просадки напряжения (рисунок 4). Для этого суперконденсатор включается параллельно с аккумулятором. В данном случае ультраконденсатор не только предотвращает ложные выключения системы, но и защищает аккумулятор от пиковых токов, которые негативно влияют на срок его службы и могут в некоторых случаях банально вызвать его перегрев и разрушение. Таким образом, режим буферного элемента является одним из основных вариантов использования суперконденсаторов. Подробнее об этом вопросе рассказывается в статье «Расстояние не помеха. Эффективный радиус действия суперконденсаторов CAP-XX».

Рис. 4. Суперконденсатор не только предотвращает ложные выключения, но и защищает аккумулятор от пиковых токов

В последнее время наблюдается бурное развитие малопотребляющей электроники. Современные электронные системы могут потреблять всего лишь сотни мкА в активном режиме и доли мкА в режиме ожидания. Очень часто для питания таких устройств используют различные маломощные харвестеры энергии: солнечные батареи, виброхарвестеры, термогенераторы и т.д. Для накопления энергии этих преобразователей не всегда можно использовать конденсаторы. Например, устройство может накапливать энергию несколько часов, после чего выполнять быструю отправку данных по радиоканалу и снова засыпать. Высокий саморазряд конденсаторов не позволит работать в таком режиме. В то же время суперконденсатор окажется вполне приемлемым вариантом на роль накопителя энергии. Пример такого режима работы рассматривается в статье «Использование суперконденсаторов CAP-XX в устройствах с питанием от солнечных батарей».

Однако при использовании суперконденсатора в качестве основного элемента питания необходимо учитывать две важные особенности. Во-первых, суперконденсаторы обладают низким рабочим напряжением 2,3…2,75 В (хотя на рынке присутствуют модели с напряжением 3 В, например, суперконденсаторы от VINATech). Этого не всегда достаточно, а значит, может потребоваться последовательное включение нескольких элементов, что приведет к уменьшению суммарной емкости. В то же время у литий-ионных аккумуляторов номинальное напряжение составляет 3,6 В, что является оптимальным значением для большинства современных микросхем.

Во-вторых, еще одним недостатком суперконденсаторов становится линейный характер разряда. Разумеется, предсказуемая форма разряда это хорошо, но не всегда. На рис. 5 представлен пример, в котором система достигает граничного напряжения (минимально допустимое напряжение питания) в тот момент, когда суперконденсатор разряжен всего лишь на 50%. По этой причине для нормальной работы устройства может потребоваться дополнительный повышающий регулятор. В то же время аккумуляторы характеризуются относительно небольшим уменьшением напряжения в рабочем диапазоне.

Рис. 5. Разрядные характеристики аккумуляторов и суперконденсаторов

Еще одним преимуществом суперконденсаторов перед аккумуляторами является широкий диапазон рабочих температур. Это касается как процесса заряда, так и процесса разряда. На рынке присутствуют модели суперконденсаторов, которые способны работать при отрицательных температурах до -40°С и при положительных до +125 °С. В качестве примера можно привести ультраконденсторы от компания FastCAP (рис. 6). Разумеется, на рынке присутствуют и аккумуляторы с широким диапазоном рабочих температур, однако речь идет о специализированных решениях.

Рис. 6. Существуют модели ультарконденсаторов, способные работать в широком диапазоне температур, например, ультраконденсторы от компания FastCAP

Примеры суперконденсаторов

В заключение краткого экскурса по суперконденсатором приведем некоторые конкретные примеры.

Широкий спектр суперконденсаторов выпускает компания LS Mtron, которая была создана на базе одного из подразделений LG Electronics. В номенклатуре LS Mtron можно найти модели с традиционной рулонной и прямоугольной конструкцией, а также суперконденсаторные батареи и модули (рис. 7).

Рис. 7. Суперконденсаторы FastCAP отличаются широким диапазоном рабочих температур -40…+125 °С

Еще одним известным производителем суперконденсаторов является компания SPSCAP, которая предлагает несколько серий одноячеечных суперконденсаторов с диапазоном выходных токов 0,9…250 А (рис. 8). SPSCAP также выпускает ультраконденсаторные батареи.

Рис. 8. Суперконденсаторы от компании SPSCAP

Интересный модельный ряд суперконденсаторов предлагает корейская компания VINATech. Кроме того, это один из немногих производителей, который выпускает суперконденсаторы с рабочим напряжением 3,0 В.

Рис. 9. Суперконденсаторы и суперконденсаторные батареи от VINATech с рабочим напряжением до 3 В

На портале УНИТЕРа мы также неоднократно рассказывали и о некоторых уникальных решениях, к числу которых можно отнести и сверхтонкие суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0 от компании Murata. Эти суперконденсаторы имеют толщину всего 0,4 мм (рис. 10).

Рис. 10. Сверхтонкие суперконденсаторы DMHA14R5V353M4ATA0 имеют толщину всего 0,4 мм

В одной из статей мы также рассказывали о суперконденсаторах от компании FastCAP , которые отличаются широким диапазоном рабочих температур -40…+125 °С (рис. 11).

Рис. 11. Суперконденсаторы от компании FastCAP с широким диапазоном рабочих температур

Алгоритм выбора суперконденсаторов

Как уже отмечалось выше, суперконденсаторы могут использоваться либо в качестве основного накопителя энергии, либо в качестве буферного элемента при работе в связке с основным аккумулятором. Разумеется, алгоритм выбора суперконденсатора в этих случаях будет отличаться, однако основные шаги будут примерно одинаковыми.

Для начала следует определиться с основными параметрами суперконденсатора – с рабочим напряжением и с максимальным выходным током.

Суперконденсаторы не любят перенапряжений, по этой причине при выборе подходящего накопителя следует позаботиться о согласовании рабочего напряжения. Для увеличения рабочего напряжения можно использовать последовательное включение суперконденсаторов, однако не стоит забывать, что в таком случае емкость будет уменьшаться. Кроме того, при необходимости следует предусмотреть защитные цепи для ограничения напряжения.

Далее следует рассчитать величину емкости. Рассмотрим алгоритм расчета, предложенный компанией SPSCAP. Для начала необходимо выбрать сценарий разряда суперконденсатора. Разряд может происходить либо с постоянным током, либо с постоянным напряжением.

Разряд с постоянным током. При таком сценарии ток разряда имеет фиксированное значение, а емкость будет рассчитываться по формуле:

C = It / (Vwork -Vmin),

где Vwork – номинальное рабочее напряжение, Vmin – минимально допустимое напряжение, I – ток разряда (постоянная величина в данном случае), t – время разряда.

Например, если Vwork=5 В, Vmin=4,2 В, t = 10 с, I =100 мА = 0,1 А, тогда:

C = 0,1 * 10 / (5 -4,2) = 1,25 Ф.

При выборе конкретной модели суперконденсатора необходимо предусмотреть некоторый запас по емкости. Кроме того, следует учесть температурную зависимость емкости. После выбора конкретной модели суперконденсатора следует свериться с температурной характеристикой, чтобы убедиться в том, что емкость превышает рассчитанное значение во всем диапазоне рабочих температур.

Разряд с постоянной мощностью. В таком случае мощность разряда остается фиксированной, а емкость будет рассчитываться по формуле:

C = 2Pt/ (Vwork2 -Vmin2)

где Vwork – номинальное рабочее напряжение, Vmin – минимально допустимое напряжение, P – мощность разряда (постоянная величина в данном случае), t – время разряда.

Например, если предполагается разряд суперконденсатора в течение 10 секунд при постоянной мощности 200 кВт, а диапазон рабочего напряжения составляет 450 В — 750 В, тогда требуемая емкость составит:

С = 2 * 200 кВт * 10 / (7502-4502) = 11 Ф

В данном случае вновь следует предусмотреть некоторый запас и температурную зависимость емкости.

Источник:

• https://www.spscap.com/choose-ultra-capacitor.html
• https://www.patronicgroup.com/how-to-choose-super-capacitor—b5.html
• https://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_role_of_the_supercapacitor

Типы ионисторов

Энергия электрического поля

Суперконденсаторы делят на три типа:

1. «Идеальный» ионистор – конденсатор с идеально поляризуемыми угольными электродами. Заряд происходит за счёт ионного переноса с одного на другой электрод. В качестве электролита применяют 30% раствор гидрооксида калия (КОН) или 38% раствор серной кислоты (H2SO4).
2. Конденсаторы со слабо поляризуемыми катодами или анодами – гибридные ионисторы. Электрохимическая реакция происходит только на одном из электродов.
3. Псевдоконденсаторы – это ионисторы с электродами, на поверхности которых происходят обратимые электрохимические процессы. Изделия обладают высокой удельной ёмкостью.

Характерные отличия

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

Дополнительная информация. Перечисленные свойства позволяют использовать конденсаторы большой ёмкости в современных источниках возобновляемой энергии (солнечных батареях, ветровых генераторах и т. п.).

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

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

Внешний вид СК

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

Сравнение

Для чего нужен конденсатор

Суперконденсаторы (СК) в основном используют тогда, когда нужно сохранить информацию в памяти различных устройств и кратковременно поддержать их питание. Ионисторы препятствуют потере данных и сбросу настроек в мобильных электронных аппаратах во время смены элементов питания (батарейки, аккумуляторные батареи).

Обратите внимание! Наряду с этим, нельзя полноценно использовать суперконденсатор вместо аккумулятора (АКБ). Если сравнивать ионистор с АКБ, то можно отметить определённые преимущества и недостатки СК.

Преимущества

• Зарядка и разрядка большого по силе тока;
• Устойчивость к потере качеств после 100 тыс. циклов заряда – разряда;
• Внутреннее сопротивление не позволяет возникать быстрому саморазряду, перегреву и разрушению СК;
• После 50 тыс. часов эксплуатации ионистор теряет незначительную часть ёмкости;
• Ионистор обладает незначительной массой, по сравнению с аналогичными электролитическими конденсаторами;
• Невосприимчивость к резким перепадам температуры окружающей среды;
• Стойкость к внешним механическим воздействиям.

Недостатки

• Высокий риск разрушения при коротком замыкании для СК большой ёмкости и низким внутренним сопротивлением;
• Низкое рабочее напряжение;
• Высокая степень саморазряда;
• Замедленная отдача заряда;
• Высокая стоимость.

Производства непрерывного технологического цикла

По оценкам экспертов, прямой и косвенный ущерб от внеплановых перерывов в поставках электроэнергии превосходит даже потери от стихийных бедствий. Сбой в работе или остановка производственного оборудования, вызванные проблемами с подачей питания, могут привести как к снижению количества объема выпуска продукции, так и к увеличению процента брака. Из-за провалов напряжения выходят из строя дорогостоящие высокотехнологичные установки, частотно-регулируемые приводы и т.д. Если это производство непрерывного технологического цикла, такое, как металлургический комбинат или нефтеперерабатывающий завод, ущерб может исчисляться миллионами долларов.
Главным методом борьбы предприятий с некачественным энергоснабжением являются бесперебойные источники питания. При условии, что наиболее частые проблемы сети — просадки и кратковременные, до 10 секунд, пропадания напряжения, оптимальным решением в этом случае становятся системы с накопителем энергии на суперконденсаторах. Они практически мгновенно, в пределах 10–20 миллисекунд, выдают заданную мощность, необходимую для поддержания работы оборудования. Подобные решения ТЭЭМП, разработанные в сотрудничестве с компаниями Danfoss, НПК «Морсвязьавтоматика» и «Норд Индстриз», сегодня используются для защиты оборудования на предприятиях разных отраслей.

Практическое применение суперконденсаторов

Современные ионисторы нашли широкое применение в таких сферах, как:

1. Транспортные средства;
2. Бытовая электроника.

Транспортные средства

Суперконденсаторы с недавнего времени стали встраивать в транспортные средства, питанием которых является электроэнергия.

Тяжёлый и общественный транспорт

Не так давно на улицы Минска вышли на маршруты электробусы совместного производства южно-корейской компании Hyundai Motor и белорусского предприятия Белкоммунмаш. Новый общественный транспорт оснащён электрическим двигателем, питающимся энергией бортовых ионисторов. Москвичей порадовали электрические автобусы отечественного производства, вышедшие на городские маршруты в мае 2019 года.

Городской транспорт на ионисторах способен проходить маршрут до конечной остановки с подзарядкой на 2 или 3 остановках. Время подзарядки занимает 2-3 минуты, что вполне хватает для высадки и посадки пассажиров. Полную зарядку конденсаторной системы питания производят на конечных станциях в течение 8-10 минут.

Автомобили

Мировые лидеры по производству автомобилей постоянно совершенствуют свои электромобили. На международных выставках особое внимание уделяется машинам, питание которых обеспечивают суперконденсаторы.

Автомобильный суперконденсатор

Недавно российскими производителями был представлен Ё-мобиль, использующий суперконденсаторы как основной источник электроэнергии.

Дополнительная информация. В автомашинах, работающих на жидком топливе, стали всё чаще применять ионисторы для лёгкого пуска двигателя в условиях низких температур.

СК для пуска двигателя

Автогонки

Автомобильные компании, производящие электромобили и их гибридные модификации, регулярно проводят автогонки с участием машин на ионисторах. Это делается для рекламы и продвижения своей продукции на мировом авторынке.

Бытовая электроника

Ни одно сложное электронное устройство не обходится без суперконденсаторов. Их можно найти в резервном питании ноутбуков, смартфонов и в других приборах бытового назначения. Ионисторы необходимы там, где нужно поддержать электропитание во время прерывания связи с основным источником тока.

Источники бесперебойного питания (ИБП) построены на ионисторах. ИБП незаменимы там, где электроснабжение зависит от непостоянных источников электроэнергии, таких как ветрогенераторы, солнечные батареи и пр.

Ионистор для ИБП

Разработка современных систем накопления энергии

Перспективными видами накопителей интересуются и крупнейшие научно-исследовательские центры, и энергетические компании. Так, в 2019 году для ПАО «Мосэнерго» специалисты ТЭЭМП разработали технические требования к устройству компенсации провалов напряжения мощностью 1200 кВА. Для Сибирского научно-исследовательского института авиации им. С.А. Чаплыгина компанией на основе суперконденсаторов была создана пусковая система для перспективных моделей самолетов гражданской авиации, а для «ЦАГИ» — автономный источник питания.
Запатентованная конструкция ячейки, серийно производимой компанией для суперконденсаторных модулей, позволяет добиться ТЭЭМП удельной мощности более 100 кВт/кг при удельной энергии до 10 Вт•ч/кг.

Оригинальная компоновка также используется инженерами компании для создания перспективных литий-ионных аккумуляторов собственной разработки, благодаря чему они показывают рост удельных объемных характеристик на 30% выше, чем у аналогов, представленных на российском рынке. Унифицированная форма элементов позволит использовать и батарею, и суперконденсатор в одном корпусе, что открывает новые перспективы для создания решений для электротранспорта и активно-адаптивных сетей электроснабжения.

Перспективы развития

В недалёком будущем ожидается массовое производство гибридного общественного транспорта. Это троллейбусы, которые смогут преодолевать участки дорог без троллей с использованием питания бортовых ионисторов. Они смогут маневрировать в тех местах, где штанги будут непреодолимой помехой движению транспорта.

Учёными всего мира ведутся поиски новых материалов для создания особо мощных суперконденсаторов. Такие ионисторы могли бы полностью заменить традиционные аккумуляторы.

Ионистор своими руками

Для изготовления суперконденсатора в домашних условиях понадобятся:

• фольга из пачки сигарет (диэлектрик);
• таблетки активированного угля (электрод);
• водорастворимый акриловый лак или клей ПВА (электролит).

Изготовить самодельный ионистор можно следующим образом:

1. Из фольги вырезают 2 прямоугольника.
2. Таблетки угля размалывают в ступке до состояния мелкого порошка. Это можно сделать и в кофемолке.
3. Угольный порошок перемешивают с акриловым лаком.
4. Полученную смесь наносят кисточкой на один из отрезков фольги.
5. После просушки наносят второй угольный слой, затем процесс повторяют.
6. Используя клей ПВА, приклеивают второй прямоугольник из фольги. Суперконденсатор готов.
7. Подсоединив проводки к двум противоположным сторонам изделия, можно зарядить ионистор с помощью любой батарейки.

Суперконденсатор своими руками

Научно-технический прогресс в создании совершенных источников электроэнергии ни на секунду не замирает. В скором будущем будут созданы высоковольтные суперконденсаторы высокого качества, которые сделают технологический переворот практически во всех сферах деятельности человечества.