Суперконденсаторы вместо аккумуляторов: устройство, сравнение характеристик, преимущества использования, отзывы

Идея конденсатора большой удельной емкости осваивалась еще в 1960-х годах, но сегодня отмечается новая волна повышенного интереса к данной технологии, что обусловлено уникальным сочетание эксплуатационных свойств конечного продукта. В наши дни на базе этой технологии выпускаются различные модификации ионисторов и ультраконденсаторов, которые вполне могут рассматриваться в качестве полноценного силового аккумулятора. Концепты суперконденсатора, фото с примером которого представлено ниже, говорят о том, что их будущая конкуренция с привычными аккумуляторными блоками (АКБ) не так уже и фантастична.

Что такое суперконденсатор?

Структура суперконденсатора

В сущности, это оптимизированная электрохимическая батарея, выполненная в виде компактного конденсатора. Даже при беглом сравнении устройства с типовым аккумулятором для автомобиля можно выделить очевидную разницу в габаритах, а на практике эксплуатации также выйдут на поверхность преимущества в виде более высокого срока службы и мощности. Иными словами, суперконденсаторы вместо аккумуляторов вполне могут применяться, хотя и с некоторыми оговорками, обусловленными ограничениями в плане накопления энергетического потенциала. Подобные нюансы пока еще имеют место по причине несовершенства технологического развития ионисторов, однако ситуация меняется под давлением рынка с его растущими требованиями к элементам питания.

Устройство и конструкция изделия

Основу данного конденсатора образуют два электрода, между которыми традиционно размещается электролитическая среда. Отличия от аккумулятора можно наблюдать в структуре материалов для изготовления электродов, пластины которых покрываются пористым активированным углем. Что касается электролита, то в этом качестве могут применяться органические и неорганические смеси. Конструкционно выделяется и техническое решение изоляции в структуре суперконденсаторов. Вместо аккумуляторных алюминиевых обкладок с диэлектрической прослойкой применяются компоненты с оптимальными свойствами ионной и электронной проводимости. Если продолжать концепцию возможного использования суперконденсатора в качестве аккумулятора, то электронным проводником вполне мог бы выступить пористый углерод, а ионным – раствор серной кислоты. Таким образом может обеспечиваться оптимальный слой разграничения зарядов между электродами без дополнительного включения громоздких изоляторов.

Аккумуляторный суперконденсатор

Разновидности суперконденсатора

Уже сегодня можно выделить несколько направлений в разработке ионисторов. Наиболее заметны и перспективны следующие разновидности устройства:

  • Двойнослойные конденсаторы. Стандартная модель, при которой используются упомянутые выше электроды из электропроводящего материала, а в качестве электролита применяется специальный сепаратор. Накопление энергетического потенциала происходит в результате разделения заряда на электродах.
  • Псевдоконденсаторы. Перезаряжаемый аккумулятор из суперконденсатора данного типа может стать весьма успешным решением, поскольку в данном случае предполагаются более развитые способы сохранения энергии. Во-первых, задействуется принцип фарадеевского механизма, связанного с процессами аккумуляции энергии в обычных батареях. А во-вторых, сохраняется и базовая схема электростатического взаимодействия между электродами в двойном электрическом слое.
  • Гибридные конденсаторы. Промежуточная концепция, объединяющая отдельные положительные черты аккумуляторов и конденсаторов. В таких устройствах обычно используют сочетание электродов, выполненных из смешанных оксидов и допированных полимеров. Дальнейшее развитие этого направления связывают с применением композитных материалов, дополненных углеродными носителями и проводящими полимерами.
Миниатюрные суперконденсаторы

Основные характеристики

На сегодняшний день сложно говорить об устоявшихся эксплуатационных показателях ионисторов, поскольку технология постоянно совершенствуется, причем с поправкой на улучшение и электрохимических источников тока. Но если брать средние данные по основным характеристикам суперконденсаторов, то конкретные показатели будут выглядеть так:

  • Время зарядки – от 1 до 10 сек.
  • Количество циклов зарядки – порядка 1 млн, что соответствует 30 000 ч.
  • Напряжение в ячейке блока – диапазон от 2,3 до 2,75 В.
  • Энергоемкость – стандартное значение 5 Вт*ч/кг.
  • Мощность – порядка 10 000 Вт/кг.
  • Долговечность – до 15 лет.
  • Рабочая температура – от -40 °С до 65 °С.

Сравнение с обычными АКБ

Суперконденсаторные батареи

Основные отличительные параметры заключаются в скорости накапливания энергии и степени отдачи электрического заряда. За счет использования двойного слоя электрического потенциала у суперконденсатора при схожих размерах повышается площадь рабочей поверхности электродов. То есть можно говорить о совмещении лучших свойств АКБ и конденсатора как такового. Если же сравнивать распределение токов аккумулятора и суперконденсатора на нагрузку, то равномерность объемов потребляемого тока будет в целом идентичной, но с двумя поправками. При эксплуатации АКБ возможно смещение наибольшего тока в сторону элемента, расположенного в нижней части блока, а в случае с ионисторами в принципе потенциал будет меньше из-за низкого напряжения. Также к существенным различиям можно отнести разницу в рабочем ресурсе – суперконденсаторы примерно на 25-30 % служат дольше по времени, не говоря о более высоком коэффициенте выполнимых рабочих циклов.

Преимущества эксплуатации суперконденсаторов

Применение суперконденсатора

Если в целом рассматривать положительные эффекты от использования суперконденсаторов вместо аккумуляторов, то на первый план выйдут следующие качества:

  • Высокая плотность энергии суперконденсаторов позволяет их использовать в электронных приборах как источник кратковременного питания.
  • Экологическая безопасность. Конечно, электрохимические компоненты по-прежнему сохраняются в конструкции, однако их токсическое влияние постоянно сокращается.
  • Возможность применения энергии от возобновляемых источников – ветра, солнца, воды и земли.
  • Расширение возможностей для конструкционной интеграции элементов питания – к примеру, для обслуживания сложных силовых установок, гибридных электрических машин, автомобилей на водородном топливе и т. д.

Стоит отметить и некоторые преимущества суперконденсатора по отношению к обычному конденсатору. Их немного, но принципиально важным является большая емкость для накопления энергии. По этому показателю не все модификации ионисторов могут конкурировать с АКБ, однако в сравнении с конденсаторами в параметре электрической вместимости они уверенно выигрывают.

Положительные отзывы о суперконденсаторах

Испытания и частичное применение суперконденсаторов сегодня имеют место в самых разных отраслях. Как показывают отзывы об эксплуатации данных устройств, они подтверждают заявления производителей о высокой надежности, экологической безопасности и высокой емкости. Что особенно важно с точки зрения сравнения суперконденсаторов и аккумуляторов, первые не так требовательны к созданию специальных условий при физическом обращении. Отчасти это связано с той же низкой токсичностью компонентов, но в большей степени эргономика эксплуатации обусловлена высокой степенью защиты корпуса. То есть пользователю не нужно предусматривать специальные приспособления для обслуживания суперконденсаторов в герметизированных условиях. Также и небольшая масса с оптимизированными габаритами облегчает выполнение стандартных манипуляций при обслуживании.

Суперконденсаторы в электротехнике

Негативные отзывы о суперконденсаторах

Существуют и слабые места у данного рода конденсаторов, которые также очевидно проявляются на практике эксплуатации. В частности, пользователи указывают на их малую энергетическую плотность, низкую производительность и не всегда достаточный уровень напряжения, что заставляет задействовать несколько элементов для обслуживания одной целевой единицы потребителя. Во многом эти недостатки и не позволяют сегодня применять суперконденсаторы вместо аккумуляторов, хотя, опять же, технологическое развитие с большей вероятностью решит и эти проблемы.

Перспективы развития конденсаторов

По оценкам специалистов и разработчиков элементов питания, уже в скором будущем конденсаторы нового поколения станут использоваться повсеместно. Это станет возможным благодаря активному наращиванию удельной емкости устройств. К этому же стоит добавить и улучшение технико-конструкционных характеристик суперконденсаторов, что в первую очередь касается размеров и веса. Вместе с этим уже сегодня организуются испытания ионисторов мощностью до 2,5 мВт. В будущем подобные системы могут применяться в обслуживании транспортных сетей, промышленных объектов и жилых комплексов.

Генераторный блок на суперконденсаторах

Заключение

Концепция суперконденсатора считается оптимальным решением в ситуациях, когда есть краткосрочная потребность в энергоснабжении с оперативным зарядом. Отчасти в этом заключается противоречие с идеей электрохимических батарей, которые ориентируются на длительное поддержание питания с определенными параметрами. Но возможно ли применение суперконденсатора вместо аккумулятора на автомобиле с учетом данной эксплуатационной особенности? С высокой долей вероятности передовые автоконцерны и будут использовать конденсаторы высокой удельной емкости, но только в специальных гибридных версиях, объединяющих в себе положительные качества ионисторов как таковых и традиционных электрохимических компонентов. К примеру, сегодня подобные решения применяются в виде сочетания электрохимической свинцово-кислотной структуры и суперконденсатора.

AF SQ AM AR HY AZ EU BE BN BS BG CA CEB NY ZH-CN ZH-TW CO HR CS DA NL EN EO ET TL FI FR FY GL KA DE EL GU HT HA HAW IW HI HMN HU IS IG ID GA IT JA JW KN KK KM KO KU KY LO LA LV LT LB MK MG MS ML MT MI MR MN MY NE NO PS FA PL PT PA RO RU SM GD SR ST SN SD SI SK SL SO ES SU SW SV TG TA TE TH TR UK UR UZ VI CY XH YI YO ZU