Ионисторы вместо аккумуляторов: можно ли его заменить на

Содержание

можно ли его заменить на

Что если использовать электролитический конденсатор вместо аккумулятора? Такое возможно, но есть одно слишком серьёзное препятствие — телефоны и электромобили с таким источником автономного питания не смогут «держать заряд».


Производители всерьёз рассматривают в качестве альтернативы аккумуляторам так называемые двойные электрохимические ионисторы — здесь и далее в контексте суперконденсаторы (или «супер-конденсаторы», как печатают некоторые издания). Но пока на текущем уровне технологического прогресса это допустимо лишь в определённых областях. Но пока на текущем уровне технологического прогресса это допустимо лишь в определённых областях.


В чём плюсы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

  • Мгновенно. Ионистор отлично справляется с пиковым пусковым током, накапливая и отдавая энергию практически мгновенно.
  • Быстро. Заряжается не за час-другой, а за считанные секунды (поэтому, например, NASA применяет суперконденсаторы в космосе).
  • Безопасно. Накапливает заряд на твёрдых телах, когда как литиевые батареи — в процессе химических реакций (обычно жидкостных).
  • Надёжно. Коммерческие суперконденсаторы гарантируют 1 миллион циклов заряда, когда как обычные аккумуляторы — в среднем 800-1200 циклов.
  • КПД. Суперконденсаторы отдают энергию с эффективностью порядка 98%.
  • Выносливо. Устойчивость к экстремальным температурам и физическим повреждениям.

В чём минусы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

  • Низкая ёмкость. Самый большой коммерческий суперконденсатор в фарадах (F) накапливает лишь 20% от электрической энергии в сравнимой батарее.
  • Не держит. Аккумуляторы предлагают намного больше плотности энергии на единицу массы, обеспечивая долгую автономность без внешнего питания.
  • Саморазряд. Степень саморазряда существенно превышает таковую у самого слабого аккумулятора.
  • Малоприменим. В итоге даже самый мощный суперконденсатор (обеспечивающий лучшую величину энергии) не сможет дольше минуты питать «аварийку» у заглушенного автомобиля и подсветку экрана у работающего телефона.


Почему суперконденсатор вместо аккумулятора на практике используют так редко?

1. У них разные цели

В аккумуляторе намного больше запасается энергии, а это самая важная его цель — не разряжаться как можно дольше в бытовых приборах, в потребительской электронике и автомобилях.


2. У конденсатора саморазряд

В аккумуляторах он тоже есть, но в значительной меньшей степени проявляется. Суперконденсаторы быстро заряжаются и быстро отдают заряд — для длительного хранения энергии они не подходят ещё и по причине утечек.


3. Разное напряжение

В то время, пока аккумулятор поддерживает ваш телефон в рабочем состоянии, напряжение практически не меняется. Конденсатор изменяет напряжение в зависимости от накопленного заряда — цифры меняются в значительных пределах, что неприемлемо для чувствительной мобильной электроники, например.


→ В этой статье мы рассматриваем тему суперконденсаторов в максимально упрощённом варианте для массовой публики.


Польза ионисторов в регистраторах

Если вас интересует, например, подробная возможность установки конденсаторов вместо аккумуляторов в RAID-контроллерах, то напишите об этом в комментарии или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.



Ионисторы вместо стартерного свинцово-кислотного аккумулятора / Хабр

Идея запуска ДВС от ионисторов (на западе их называют суперконденсаторы) не нова, в сети есть несколько публикаций и видео роликов. В тех, которые я смотрел, либо ничего не вышло, либо получилось слишком дорого. Получилось заводить двигатель только на ионисторах емкостью 3 тысячи фарад. На 500 и 700 фарадах двигатель ни у кого не завелся.

Теория

Набравшись опыта коллег по цеху, решил сначала провести эксперименты на виртуальной модели гибридного аккумулятора. Для этого взял замечательную программу Yenka. Нашел в сети, то что у вазовского стартера рабочий ток примерно 150-200 ампер. Ионисторов в Yenka не нашел. Использовал обычные конденсаторы только с большой емкостью. В результате виртуальных экспериментов ионисторы в 500 фарад крутили стартер аж 3.5 секунды, пока напряжение не упало ниже 8 В.

Падение напряжения при виртуальном «прокручивании» стартера от сборки из 6 ионисторов по 500Ф

Эксперимент в программе показывает, что можно завестись от сборки из шести 500 фарадников. Но на практике у коллег не получилось. Возможные причины:

  1. я напутал в схеме в программе;

  2. программа «врет»;

  3. на самом деле ток стартера выше;

  4. на практике были поддельные ионисторы.

1 и 2 я проверил расчетами «на коленке» — получился схожий с программой результат. 3 и 4 проверить не удалось.

Изначально, мне сильно не понравились клеммы на 500 фарадных ионисторах, они меньше чем на UPS-ных аккумуляторах. А если посмотреть на клеммы авто аккумуляторов и толщину провода к стартеру, то можно предположить, что из-за малого сечения клемм ионисторов было сильное падение напряжения на них и тока не достаточно чтобы провернуть стартер.

У конденсаторов, в отличии от аккумуляторов, под нагрузкой нет стабильного напряжения. То есть, если подключаем стартер к заряженной до 14 вольт батареи ионисторов, то через 2 секунды работы напряжение упадет до 11 вольт, еще через 2 секунды до 7 вольт. Чтобы напряжение снова поднялось, нужно заряжать конденсаторы. Поэтому время работы стартера сильно зависит от начального напряжения. Так как максимальное напряжение одного ионистора 2.7 вольт, а генератор в машине может выдавать до 14.5 вольт в сборе нужны минимум 6 ионисторов, тогда максимальное напряжение составит 16.2 вольт. Было бы разумно использовать весь потенциал ионисторов и заряжать их до 16 вольт. Не нашел достоверной информации о том не сгорит ли стартер от 16 вольт. Но в характеристиках других электроприборов в машине русским по белому сказано: «до 15 вольт». Решил рискнуть стартером и собрать гибридный аккумулятор, где будет 6 банок ионисторов на 16.2 В, подключенные только к стартеру, балансировочная плата, обычный аккумулятор на 12 вольт для питания всего остального и заряжаемый от генератора. И повышающий преобразователь чтобы повысить напряжение от 12 до 16 вольт.

Еще существенный недостаток ионисторов, особенно китайских — быстрый саморазряд. Поэтому, если оставлять преобразователь постоянно включенный, то он быстро высадит аккумулятор. Так как на зарядку ионисторов требуется время, решил сделать момент включения преобразователя как можно раньше — при снятии машины с сигнализации. От сигналки идет только минус, поэтому пустил через реле.

Закупка

Нашел в китайском магазине ионисторы на 350 фарад. Забил емкость в Yenk-у, оказалось, что их хватит на 2.5 секунды работы стартера. Заказал их, а также балансировочную плату.

Преобразователь сначала купил в китайском магазине повышающий, собрал схему, преобразователь сразу сгорел. Не учел то, что в нем не было ограничения по току, а у ионисторов практически нулевое сопротивление, вот и получилось короткое замыкание на выходе преобразователя. Ограничение по току бывает в повышающе-понижающих, купил — тоже сгорел, но не сразу. Купил третий другого исполнения — работает отлично!

Аккумулятор взял обычный от UPS на 7 Ач.

Сборка

В качестве корпуса будет коробка от старого свинцового аккумулятора. Крышку срезал так, чтобы клеммы остались на месте. Иначе клеммы будут на крышке и соединять их нужно будет соплями гибкими проводами. А я хочу все силовые соединения сделать жесткие, резьбовые. Полностью перегородки вырезать не стал, ширина одной “банки” как раз подошла под диаметр одного ионистора, оставил куски перегородок как изоляторы и для крепления преобразователя. 

Резьба на ионисторах оказалась не стандартная — М8×1.0 (у стандартной шаг 1.25 мм,  у этой 1 мм). Гайки чудом нашел в магазине грузовых запчастей. 

Между собой соединил алюминиевой полосой сечением 30х1 мм, сделанной из обрезка тавра, купленного в магазине крепежа. 

зажим плашечный ПА-2-2 ВК

Внутри аккумуляторные клеммы проводились к пластинам свинцовым стержнем 12 мм. Для соединения с ним взял “зажим плашечный ПА-2-2 ВК” и отпилил от него кусок, нужного размера. К болту зажима прикрутил алюминиевую полосу, идущую к ионистору. Балансировочную плату соединил с перемычками тонкими проводами с клеммами на винты. Точно так же как и преобразователь и аккумулятор. 

Общий “плюс” на 12В вывел через стенку корпуса болтом 6 мм. Точно так же  вывел минус включения преобразователя. 

ФотоПодгорели зажимы при плохом контакте

Эксперименты

Опыты будем ставить на «Калине» с двигателем 1.6, 16 клапанов. При заряде ионисторов до 16 вольт летом холодный двигатель с легкостью заводится. Прогретый заводится даже при 14 вольт. Зимой при температуре -11 так же успешно завелся но уже с трудом. Бывали случаи что с первой попытки не заводится, для второй попытки нужно ждать 1.5 минуты пока заряжаются ионисторы. Но со второй попытки всегда заводится. На новом стандартном аккумуляторе, в любые морозы машина заводилась с первой попытки. 

Сейчас, зимой, сдох аккумулятор от UPS, либо он просто не предназначен для работы на морозе, либо мне его изначально дали еле живой. Его не хватает даже на втягивающее стартера, но ионисторы заряжает. Заказал 4 LiFePO4 аккумуляторы и балансир. 

Ионистор вместо аккумулятора: наглядная сборка накопителя энергии


Ионистор вместо аккумулятора (он же суперконденсатор, ультраконденсатор) — в принципе это тот же конденсатор, только имеющий большую емкость, которую можно сравнить с аккумулятором. Вот именно такое устройство рассчитанное на напряжение 12v я собрал для нужд в бытовом хозяйстве.

Ионистор вместо аккумулятора — практический обзор сборки суперконденсатора

Практически такой прибор способен работать во много раз дольше, чем аккумуляторы различных типов, конечно при условии эксплуатации в определенных режимах. Вот в чем особенность применения ионистора вместо аккумулятора и его преимущество:

  • прибору не страшен полный разряд до нулевого значения;
  • в несколько сотен раз больше способен выдержать моментов заряда/разряда;
  • прибор не боится максимальных значений по току.

Но не только такие особенности имеются у ионистора использующегося вместо аккумулятора, о них я скажу после выполнения сборки накопителя.

Необходимые компоненты

  • Суперконденсаторы в количестве восьми штук с номиналом 2,7v х 500F
  • Одножильый провод сечением от 2 мм²
  • Пару винтов и гаек

  • Инструмент: паяльник, пинцет, кусачки.
  • Расходники: припой, флюс.

Ионистор вместо аккумулятора — порядок сборки батареи

В данном обзоре я буду собирать накопитель энергии с применением восьми конденсаторов, включенных по встречно-параллельной схеме. В принципе будет организованно четыре пары по две емкости включенных параллельно, а пары в свою очередь соединены последовательно.

Эмалированный провод нужно выровнять и убрать с него лак. Выполняется это с помощью рабочего ножа или специального инструмента для зачистки проводов ( у кого он имеется).

Формируем медный провод в соединительные шины

Необходимо изготовить три квадратных элемента и пару полюсов для клемм «+» и «-«

К сформированным изделиям для контактов припаиваем гайки, к которым будут подключаться провода питания.

Залуживаем места соединения квадратов.

Соединяем емкости в батарею, припаиваем проводники к выводам конденсатора, соблюдая при этом полярность.

Вначале нужно собрать четыре группы.

Теперь припаиваем шины для подключения проводов питания.

На этом этапе нужно зарядить батарею током 5А.

По истечению пяти минут накопитель будет полностью заряжен.

Делаем испытательный тест лампой накаливания.

Делаем короткое замыкание выходных контактов — провод разогрелся до красного состояния.

Испытываем батарею подключением электромотора.

Где такая конструкцию используется

Использовать можно ионистор вместо аккумулятора, там где присутствуют большие и цикличные нагрузки по току. Классический пример: накопительная емкость для сабвуфера установленного в автомобиле. Кроме этого суперконденсатор может быть задействован в устройствах где происходят постоянные циклы зарядки/разрядки, например: устройства накопления солнечной энергии с последующей ее передачей фонарям освещения в ночное время.

Здесь приведены только два примера использования ионистора вместо аккумулятора, но на самом деле их существенно больше.
Стоимость компонентов для сборки такого прибора вполне приемлема, особенно если взять во внимание колоссальный срок их эксплуатации с учетом применения по назначению.

Сборка ионистора вместо аккумулятора 12v, 100A

Суперконденсаторы вместо аккумулятора в автомобиле

Суперконденсатор или ионистор — это что-то нечто среднее между аккумулятором и обычным конденсатором. У него много плюсов, которыми не обладает аккумуляторная батарея. Поэтому, я познакомлю вас с полностью рабочим прототипом батареи для машины на ионисторах. С помощью него можно не просто завести двигатель пару раз, а вполне полноценно эксплуатировать автомобиль неограниченное время.

Понадобится

Этого хватит для первого опытного образца.

Первое испытание с запуском двигателя

Я купил 6 суперконденсаторов и плату балансовой защиты, бывают они продаются индивидуально под каждый ионистор, а бывает и цельная линейка под шесть штук.

Собрал все воедино.

Плата защиты исключает перезаряд суперконденсаторов напряжением выше 2,7В, поэтому использовать ее практически обязательно нужно, если включение элементов производится последовательно.

Далее я припаял клеммы и установил эту батарею на авто. Но предварительно ее необходимо зарядить небольшим током 5-7 А до рабочего напряжения. На это ушло 10-15 минут времени.

После подключения автомобиль завелся без лишних сложностей, двигатель работал стабильно, напряжение в бортовой сети держалось на должном уровне.

В ходе этого эксперимента выяснились следующие плюсы и минут: батарея из ионисторов быстро разряжалась при выключенном зажигании, а именно где-то через 5-6 часов напряжение падало до 10 В. Это был минус, а плюс был в том, что даже при этом напряжении автомобиль все ещё заводился, так как для ионистора любое напряжение рабочее, в отличии от аккумулятора.

В итоге запустить двигатель по прошествии одних суток уже не представлялось возможным. И я решил исправить данный недостаток в следующей конструкции.

Схема

Вот схема второго прототипа батареи.

Оговорюсь сразу: солнечной панели и второго аккумулятора в ней нет. Тут также используется линейка из суперконденсаторов с балансной платой. Также добавлен контроллер заряда аккумулятора, пара переключателей, вольтметр и сам небольшой аккумулятор емкостью 7,5АЧ.

Работа устройства такова: перед запуском авто открываем капот и счелкаем верхний по схеме переключатель. Через мощный 50 Ваттный резистор сопротивлением 1 Ом, ионистор начинает заряжаться от аккумулятора. Заряжать напрямую без этого резистора нельзя, так как для аккумулятора это будет равносильно короткому замыканию.

На все про все уходит 15 минут времени. Для меня это не критично. После этого можно заводить авто и ехать. Также парально резистору воткнут диод Шоттки. Он служит для зарядки аккумулятора после того как двигатель запущен.

А заряжается аккумуляторная батарея через контроллер зарядки.

Он нужен для того, чтобы каждый раз не щелкать переключатель включения, а один раз включить и ехать: встать у магазина и уйти на пару часов. И если ионистор начнет тянуть из аккумулятора ток, и разряжать его ниже 11,4 В, то контроллер зарядки тут же его отключит. Тем самым защитит батарею от полного разряда, что может ее погубить раньше срока.

Нижний по схеме переключатель служит для подключения вольтметра либо к ионисторам, либо к батарее.

Полностью рабочий экземпляр батареи на суперконденсаторах

Собрал всю схему в пластиковой коробке. Временно естественно, чисто покататься и испробовать новшество.

Вид устройства с верху.

Защитный контроллер.

Мощный токоограничивающий резистор.

Цифровой вольтметр виден через пластик.

Устанавливаем на автомобиль вместо штатной батареи.

Включаем зажигание и пробуем произвести пуск двигателя.

Мотор запустился быстро, без каких либо проблем.

Производится зарядка ионисторов и аккумуляторной батареи, о чем свидетельствуют показания вольтметра.

Заключение

Теперь поподробнее о достоинствах и недостатка: Плюсы:
  • В отличии от аккумулятора суперконденсаторы надежнее справляются с пиковым пусковым током. Пуск получается надежнее.
  • Низкое напряжение вполне является рабочим.
  • Имеет низкий вес, от чего всю коробку можно запросто таскать домой на всякий случай.
  • Для пуска можно произвести зарядку даже от батареек и спокойно ехать в путь.
Минусы:
  • Большой саморазряд. Передвигаться конечно можно, но если необходимо на короткий срок включить габариты или аварийную сигнализацию — мало на что хватит энергии, при заглушенном двигателе естественно.

Ну это то что пришло в голову. Теперь о стоимости. На Али Экспресс супер конденсаторы стоят не так уж и дорого. И если посчитать их 6 и балансную защиту, то выйдет дешевле чем кислотный аккумулятор.

На этом у меня все. Надеюсь мой эксперимент был для вас познавательным и интересным. Удачи всем!

Смотрите видео

Суперконденсаторы вместо аккумуляторов: преимущества

По своим основным характеристикам суперконденсаторы значительно отличаются от простых привычных конденсаторов. В них применены современные технологии, которые позволяют добиться увеличения срока службы, а также снизить токовые потери в процессе эксплуатации. Основной задачей производителей данных устройств является разработка, и создание изделий способных заменить аккумуляторы во многих отраслях.

Применение двойного электрического слоя

Продолжительное время обладателями высоких значений внутренней емкости являлись конденсаторы электролитического вида. В различных устройствах изготавливались разнообразные обкладки, у одних они производились из металла, в других в виде электролита, где изоляцией являлся оксид используемого металла. Причем у обыкновенных конденсаторов внутренняя емкость имеет значение значительно ниже и равна долям фарада, чего на практике недостаточно для питания потребителей вместо аккумуляторных батарей.

Для обеспечения питания для электропотребителей были разработаны устройства на основе применения двойного электрического поля. Данное явление может возникать на границах материала или вещества при определенных условиях в жидком или твердом состоянии. В результате образуются два слоя разнополярных ионов одинакового размера, получается своеобразный конденсатор с электродами, между которыми образуется минимальное расстояние равное нескольким атомам.

Интересно знать! Устройства, полученные таким способом, называют ионисторами, а также суперконденсатор или ультраконденсатор.  

Техническая реализация

Ионистор или суперконденсатор представляет собой устройство в конструкции которого имеются два электрода или пластины, изготовленные из активированного угля. Пространство между ними заполнено специальным электролитом, также между обкладками располагается мембрана, благодаря которой не происходит перемещение частиц электродов, а электролит свободно проникает в данное пространство.

Причем стоит отметить, что самостоятельно данные устройства не имеют определения полярности заряда конкретных электродов. Это свойство является одним из главных отличий от конденсаторов электролитического вида, в которых несоблюдение правильного подключения приводило к преждевременному выходу из строя. Однако при производстве на ионисторах наносится маркировка с указанием полярности, в результате того, что в процессе производства данные накопители энергии уже выходят заряженные.

Разновидности суперконденсаторов

В настоящее время все ультраконденсаторы разделяют на три основных вида:

  1. Двухслойные.
  2. Гибридные.
  3. Псевдоконденсаторы.

Двухслойные конденсаторы

Данные устройства представляют собой изделие в конструкции которых применяются электроды с наличием пор, покрытых углеродом повышенной проводимости между ними находится специальный сепаратор. Благодаря разделению зарядов на электродах происходит образование значительного значения потенциала, в результате чего происходит накопление энергии.

Интересно знать! На величину емкости оказывает непосредственное влияние значение двойного слоя.

Двойной слой в такой конструкции выполняет роль конденсатора поверхностного. Благодаря электролиту два слоя объединяются в последовательную цепочку.

Гибридный суперконденсатор

Данный вид накопителей электроэнергии считается промежуточным между аккумуляторами и конденсаторами. В конструкции таких устройств применяются электроды, изготовленные из различных материалов, в результате чего емкость заряд накапливается разными способами.

Непосредственно сам процесс восстановления заряда происходит благодаря реакции окислительно-восстановительного вида. Такая конструкция позволяет значительно увеличить внутреннюю емкость и повысить рабочее напряжение. Электроды состоят из соединения сложных проводящих полимеров, которые в сочетании между собой представляют материал повышенных электрических характеристик.

 Псевдоконденсаторы

Данные устройства представляют собой изделия несколько похожие по свои основным характеристикам на АКБ, они имеют два твердых электрода.

В результате чего стало возможным применять конденсатор вместо аккумулятора. Принцип действия состоит из двух основных механизмов:

  • рабочие циклы заряд-разряд;
  • электростатические реакции, которые наблюдаются в устройствах с двойным слоем.

Интересно знать! Емкость псевдоконденсаторов зависит от реакций переноса электролитических зарядов.

Основные параметры

К основным характеристикам суперконденсатора следует отнести:

  • время заряда, имеет малое значение и равно от 1 с до 10 с;
  • в сравнении с кислотными аккумуляторами имеют значительное число рабочих циклов, практически более 30000 часов;
  • номинальное рабочее напряжение имеет значение до 2,75 В;
  • срок службы до 15 лет;
  • диапазон рабочих температур от -45°С до +65°С;
  • удельная энергоемкость имеет значение до 5 Вт*ч/ кг.

Энергетическая плотность

Способность ионисторов накапливать энергию ниже, чем у кислотных аккумуляторных батарей. Значение энергии зависит от внутреннего сопротивления устройства, чем оно ниже, тем выше плотность энергии. Современные разработки позволяют применять такие материалы как азот и графен, благодаря которым удалось добиться значительного увеличения внутренней плотности энергии.

Преимущества и недостатки

Как и любое электронное устройство ионисторы в процессе эксплуатации имеют некоторые достоинства и недостатки. К преимуществам производители относят:

  • Имеют пониженную удельную стоимость, если сравнивать емкость конденсатора и аккумулятора.
  • Повышенные показатели внутренней емкости, в результате чего увеличивается количество рабочих циклов заряд-разряд.
  • Более надежные, а также имеют большой срок службы в отличие от кислотных и литиевых аккумуляторов.
  • Отличаются экологической чистотой, благодаря применяемым материалам.
  • Повышенные значения номинальной мощности.
  • Возможность эксплуатирования в широком температурном диапазоне. Низкие температуры не помеха при запуске оборудования любого вида.
  • Значительно увеличенный временной промежуток при восполнении заряда и при рабочем разряде.
  • В отличие от аккумуляторных батарей имеют возможность полного разряда практически до нулевого значения рабочего напряжения.

Интересно знать! Суперконденсаторы имеют сравнительно малые размеры относительно других подобных приборов.

Однако при наличии многих плюсов в процессе эксплуатации присутствуют и минусы. К недостаткам относят:

  • Малая плотность энергетических накоплений относительно аналогичных устройств.
  • Пониженное значение напряжение на единицу внутренней емкости одного элемента.
  • Увеличенное показание самостоятельного разряда.
  • Не окончательно проработанная технология производства ионисторов.

Особенности применения

Широкую популярность ионисторы приобрели благодаря стремлению человечества найти новые и более эффективные средства для того, чтобы накапливать и сохранять энергию длительное время. Основным достоинством, определившим его распространение, стала возможность суперконденсатора за короткий период времени импульсно выделять значительную энергию от 0,1 с до 10 с.

Ионисторы нашли применение в установках и технике, где необходим быстрый и качественный запуск электрооборудования в короткий промежуток времени даже при отрицательных температурах. При этом уменьшаются максимальные токовые нагрузки и приводит к экономии средств. Не исключено и применение для запуска двигателя внутреннего сгорания.

При соединении конденсаторов в батарею возможно добиться максимальной емкости сопоставимой с аккумуляторной для питания электромобилей. Однако при этом вес источника питания будет значительно выше чем у обычных аккумуляторов. Разработчикам практически удалось решить проблему превышающего веса, для этого необходим графен однако такое возможно пока только в лабораторных условиях.

В настоящее время одним самых наиболее удачных применений ионисторов стало использование в общественном электротранспорте. В конструкции такой техники применяются устройства бесперебойного питания в которых присутствуют суперконденсаторы.

Аварийное освещение в которых установлены конденсаторы большой емкости вместо аккумуляторов имеют значительное преимущество перед системами с обычными аккумуляторами.

Интересно знать! Некоторые зарубежные производители встраивают резервные источники питания на основе ионисторов в светодиодные лампы.

Перспективы развития

Современные технологии и разработки позволяют предположить, что ионисторы в скором времени будут применяться практически во всех энергоемких производствах, космической промышленности, медицине и военной технике. Постепенно будет увеличиваться внутренняя емкость суперконденсаторов, в результате чего станет возможным заменить старые свинцово-кислотные батареи.

Также станет возможным внедрение в различные электронные устройства с регулированием и управлением. Причем станет доступным производство экологически чистых источников экономии энергии, которые значительно превышают аналоги по характеристикам. А также суперконденсаторы находят широкое применение в автомобильном транспорте, мобильных и электронных устройствах.

Полное вытеснение обычных аккумуляторов пока не происходит так как суперконденсаторы используются только в определенных областях. Однако наука не стоит на месте и постоянно развивается, в результате чего в скором времени мы сможем увидеть данные устройства в автомобильной технике, мобильных и электронных устройствах.

Ионисторы на замену аккумуляторным батареям

При проектировании электронной схемы с внутренним источником питания стоит задуматься о том, будет ли это классический аккумулятор или современный ионистор (другое название – суперконденсатор).

Движущей силой развития современной электроники являются источники энергии, без которых было бы невозможно эффективно миниатюризировать мобильные устройства, компьютеры или всевозможные носимые гаджеты. На первом этапе этой революции классические одноразовые батареи были заменены гораздо более удобными и экономичными АКБ. Но сейчас можно отметить другую тенденцию – суперконденсаторы – восходящая звезда в мире источников питания. Хотя вряд ли эти элементы вытеснят с рынка обычные электрохимические батареи в ближайшие несколько лет, их доля в отрасли с каждым годом будет значительнее.

Аккумуляторы – краткий обзор технологии

Сейчас на рынке электронных компонентов можно найти широкий ассортимент аккумуляторов, различающихся как технологией изготовления, так и размерами, способом монтажа, емкостью, напряжением, выходом по току или сопротивлению, условиям рабочей среды. Часто выбор источника питания для конкретного применения определяется не только основными техническими параметрами, но и соответствующими сертификатами безопасности, которые определяют использование батареи в данном устройстве – медицинские устройства будут здесь прекрасным примером. Далее сводка наиболее важной информации о типах аккумуляторов, которые в настоящее время используются в различных областях электроники.

Аккумуляторы NiCd (никель-кадмиевые) – одно из старых поколений аккумуляторов, обычно встречающиеся в виде ячеек R6 (AA) или R03 (AAA). В настоящее время использование этих батарей прекращается из-за токсичности кадмия и проблем с утилизацией.

NiMH аккумуляторы (никель-металлогидридные) – более эффективны, чем NiCd, и по-прежнему пользуются особой популярностью в сегменте небольших аккумуляторов типоразмеров (R03, R6, R14, R20, а также 6F22). В связи с популяризацией никель-металлгидридных элементов и корпусов и падением цен это решение, оно заменило никель-кадмиевые батареи. Хорошим примером выступают эффективные АКБ Eneloop, часто используемые в профессиональных устройствах (например при питании фотовспышек, требующих высокой емкости и эффективности по току, а также устойчивости к большим колебаниям окружающей температуры). NiMH аккумуляторы также доступны в миниатюрных версиях, а также различных типов корпусов (часто предназначенные для монтажа непосредственно на печатной плате). Во многих коммерческих устройствах можно найти использование небольших перезаряжаемых батарей этого типа в качестве источника питания для поддержания энергозависимой памяти и / или работы часов реального времени (RTC). Это решение имеет преимущество перед использованием литиевыъх батарей (например CR2032), поскольку оно устраняет необходимость периодической замены батареи каждые несколько лет работы устройства.

Аккумуляторы Li-Ion (литий-ионные) – наиболее распространенный сегодня тип аккумуляторов, особенно в мобильных устройствах, ноутбуках, радиоуправляемых моделях, квадрокоптерах, медицинских устройствах, фонариках и многом другом. Батареи этого типа отличаются большой емкостью, высоким выходом по току и высокой плотностью энергии, а также позволяют достаточно быстро перезаряжаться. В отличие от щелочных батарей, литий-ионные источники электроэнергии требуют строго контролируемых рабочих параметров, в частности процесса зарядки – хорошо известны самовоспламенение и взрывы литий-ионных аккумуляторов в результате производственных дефектов или неисправности зарядных устройств.

Аккумуляторы Li-Po (литий-полимерные) – также часто используемые в бытовой электронике (например, в планшетах или фитнес браслетах) и в авиамоделировании. Они более безопасные (хотя и требуют использования как встроенных, так и внешних устройств защиты) и легче, чем литий-ионные батареи, обеспечивают возможность очень быстрой зарядки и бывают разных размеров.

Аккумуляторы LiFePO4 (литий-железо-фосфатные) – еще одна подгруппа аккумуляторов с химической структурой на основе лития, набирающая все большую популярность в требовательных схемах электропитания электромобилей, электроинструментов и накопителей энергии. LiFePO4 обладает довольно высокой плотностью энергии (следовательно емкостью), высокой устойчивостью к суровым условиям эксплуатации (включая глубокий разряд) и длительным сроком службы. При этом у них нет эффекта памяти.

Необслуживаемые батареи – в эту группу входят свинцово-кислотные батареи нового поколения, в которых жидкий электролит (ранее требовавший периодического, ручного пополнения и контроля уровня) был заменен электролитом в виде геля (гелевые батареи) или закрываются в специальных отсеках из стекломата (аккумуляторы AGM). Продукты из этой группы обладают высокой емкостью, но при этом удельная энергия довольно низкая. Даже самые маленькие необслуживаемые батареи во много раз тяжелее, чем литий-ионные или никель-металлгидридные АКБ, аналогичные по емкости и напряжению. Преимуществом AGM и гелевых аккумуляторов является их невысокая цена, возможность работы в любом положении (без риска утечки электролита за пределы аккумуляторного отсека) и простота взаимодействия со схемами бесперебойного питания.

Конструкция и использование ионисторов

Суперконденсаторы по устройству и принципу работы отличаются от классических электролитических конденсаторов, хотя кажутся на них похожими. Основное отличие состоит в том, что суперконденсаторы имеют более сложную форму – их название, электрический двухслойный конденсатор (EDLC), указывает на двухслойную структуру. Облицовка конденсатора отделена от электролита «собственными» диэлектрическими слоями, что делает заменяющую модель такого конденсатора включающей в себя два последовательно соединенных конденсатора. Между облицовками имеется дополнительный слой ионопроницаемого сепаратора, предназначенный для предотвращения случайного замыкания электродов.

Схема суперконденсатора EDLC

Конструктивно похожие на EDLC конденсаторы представляют собой так называемые гибридные конденсаторы, в которых накопление электрического заряда происходит с помощью двух механизмов. Первый из них – типичный для конденсаторов, то есть за счет накопления электростатической энергии. Второй механизм основан на электрохимических явлениях, которые заставляют суперконденсатор вести себя как обычная батарея. Такой гибридный принцип работы делает характеристики заряда и разряда немного более сложными, чем у классических конденсаторов, но поведение суперконденсаторов в реальных схемах будет определяться в основном электростатической составляющей. Это означает почти линейное падение напряжения в зависимости от степени заряда, что является большой трудностью для разработчиков.

Ионисторы и АКБ – сравнение параметров

Принимая решение о выборе суперконденсатора или аккумулятора для проектируемого устройства, надо учитывать ряд ключевых технических параметров.

Скорость зарядки – несомненным преимуществом суперконденсаторов является очень короткое время зарядки, зависящее от емкости и установленного ограничения тока – в случае меньшей емкости обычно не возникает проблем с получением времени зарядки от долей секунды до несколько секунд. Такие диапазоны недостижимы для любых батарей, имеющихся на рынке, в случае которых даже частичная подзарядка требует как минимум нескольких минут.

Плотность энергии – этот параметр, выражаемый в единицах энергии на килограмм массы данного источника (обычно [Втч / кг]) для суперконденсаторов во много раз ниже, чем для любого типа аккумулятора. То есть для накопления того же количества энергии, что и в батарее (например, в литий-ионной), потребуется использование гораздо большего по размерам и более тяжелого суперконденсатора.

Плотность мощности – параметр, выражаемый в единицах мощности на килограмм массы источника [Вт / кг], намного выше для суперконденсаторов, чем для обычных электрохимических батарей. Высокое значение плотности мощности означает, что даже небольшой суперконденсатор способен подавать относительно высокий ток на потребитель – это связано с очень низким сопротивлением ESR. Сравнение различных типов источников тока в плане энергии и удельной мощности показано на рисунке.

Сравнение различных типов источников энергии на плоскости энергии и плотности мощности

Срок службы – суперконденсаторы имеют гораздо более длительный срок службы, чем обычные электролитические конденсаторы – и хотя они также подвергаются неизбежным процессам старения, количество циклов заряда в течение гарантированного срока службы практически неограничено (особенно в небольших моделях EDLC, предназначенных для монтажа на печатной плате). Эти особенности делают суперконденсаторы идеальным выбором там, где частая перезарядка происходит во время нормального рабочего цикла.

Номинальное напряжение – самым большим недостатком суперконденсаторов является низкое рабочее напряжение – в большинстве случаев оно не превышает значения 2,8 – 5,5 В. Это ограничение связано с внутренней структурой – материала и электролита. Если в случае аккумуляторов последовательное соединение отдельных ячеек в блоки является классическим методом увеличения выходного напряжения, то в суперконденсаторах это связано с резким уменьшением эквивалентной емкости, более того – часто требует использования выравнивания напряжений, чтобы предотвратить повреждение одного из них из-за слишком большой разницы в емкостях (что неизбежно при довольно большом производственном допуске).

Диапазон рабочих температур – некоторые суперконденсаторы адаптированы для работы в широком диапазоне температур окружающей среды. В то время как большинство аккумуляторных батарей имеют значительно заниженную эффективную емкость при низких температурах, суперконденсаторы могут работать даже в морозах до -40 ° C. Большинство ионисторов также хорошо справляются с повышенными температурами окружающей среды, вплоть до +85 ° C.

Цена – современные суперконденсаторы по-прежнему относительно дороги в производстве, а это означает что использование перезаряжаемых или одноразовых батарей может оказаться экономической необходимостью. Стоимость резко возрастает, особенно на миниатюрные конденсаторы для сборки SMD с очень большой емкостью.

Типичная разрядная характеристика суперконденсатора

Характеристики разряда – одним из наиболее важных различий между батареями и конденсаторами является форма их характеристик разряда по напряжению. В случае батарей напряжение медленно падает в течение длительного периода времени до тех пор, пока не будет достигнут определенный критический диапазон, выше которого происходит резкое падение, ведущее к глубокой разрядке – если устройство не отключится раньше. Примеры характерных форм для популярных типов батарей показаны на рисунке. Для суперконденсаторов характеристика разряда изначально нелинейная, потому что падение напряжения на сопротивлении ESR, которое изменяется со временем, накладывается на постепенное изменение напряжения, что вызвано уменьшением количества электрического заряда, накопленного в конденсаторе.

Примеры форм разрядных характеристик для популярных типов аккумуляторов

Суперконденсаторы вместо батареек

Принято считать, что ионисторы являются быстрой и эффективной заменой батарей и аккумуляторов практически в любом устройстве. Но стоит помнить, что из-за всех отличий, а также значительных ограничений этой технологии – прямая замена одного типа источника энергии на другой возможна только при определенных условиях и в строго определенных ситуациях. Ионисторы это не малогабаритные электронные устройства, а целые схемы большой мощности. Хотя в последнее время все чаще слышно о питании даже электромобилей с помощью суперконденсаторов.

Действительно, такое решение кажется очень привлекательным с точки зрения полезности – высокая удельная мощность может успешно использоваться во время разгона, значительно улучшая динамику движения. Замечательная скорость зарядки дарит надежду на то, что электромобиль будущего сможет заряжаться немного дольше, чем просто заправка обычного авто.

Другой пример – накопители энергии, используемые в современных распределенных системах электроэнергии. Подключение потребителей к электросети (которые помимо использования энергии могут и продавать излишки обратно в сеть), а также увеличение количества возобновляемых источников энергии означает, что иногда возникает необходимость хранить неиспользованную энергию низкой нагрузки на сеть. Это решение позволяет использовать его в периоды повышенного спроса, связанного с суточным циклом (например при работе предприятий). С другой стороны, использование накопителей энергии имеет решающее значение из-за включения в сеть энергоемких зарядных станций для электромобилей – обычная электросеть не сможет справиться с импульсным увеличением тока.

Схемы питания на основе суперконденсаторов

В некоторых схемах ценным преимуществом является возможность поддерживать питание процессора и ключевых компонентов, например, после сбоя электросети, чтобы должным образом завершить работу операционной системы, сохранить наиболее важные данные в памяти или восстановить информацию из энергозависимой памяти после того, как питание вернется в норму.

Не всегда необходимо и выгодно запитывать все устройство – обычно достаточно подать напряжение на процессор на короткий период времени вместе с любыми внешними запоминающими устройствами, необходимыми для завершения процедуры управляемого выключения. Из инженерной практики известно, что данные операционной системы хранятся на картах microSD миникомпьютеров (например Raspberry Pi), и повреждаются при внезапном отключении питания в неудачный момент.

В некоторых случаях можно эффективно использовать энергию запасенную в классических электролитических конденсаторах, фильтрующих источник питания. Но если для выполнения процедуры требуется большее количество энергии – стоит обратиться к суперконденсатору, работающему в режиме буферного питания.

Принцип работы системы резервного питания с использованием суперконденсаторов

Принцип работы системы резервного питания с использованием суперконденсаторов показан на рисунке выше. После отключения основного блока питания, последовательно включенные суперконденсаторы отправляют энергию на потребитель через преобразователь. Дополнительные резисторы – за счет снижения эффективности схемы из-за потерь энергии – уравновешивают напряжение, предотвращая поломку одного из конденсаторов.

Такая простая схема, хотя и хорошо известная из инженерной практики по применению свинцово-кислотных аккумуляторов, не будет работать в большинстве реальных проектных ситуаций – основная проблема будет заключаться в сильном импульсе тока, который появляется при зарядке суперконденсатора сразу после включение питания устройства. Поэтому должны быть предусмотрены соответствующие меры по исправлению положения.

Схема для устранения проблемы сильного импульса тока, возникающего при зарядке суперконденсатора

Одно из самых простых практических приложений для устранения этой проблемы показано на рисунке. Резистор R используется для ограничения зарядного тока.

Диод Шоттки защищает схему от обратных токов, благодаря чему зарядка конденсатора возможна только через резистор. Схема адаптирована для питания от источников постоянного напряжения с напряжением, превышающим как минимум на 0,3 В напряжение поддержки, необходимое для правильной работы процессора. Важным требованием является обеспечение высокого сопротивления источника после его выключения, иначе суперконденсатор будет разряжаться непосредственно на источник, что значительно сократит время поддержки.

Универсальное применение схемы резервного питания с использованием суперконденсаторов

Гораздо лучшим и более универсальным решением является схема питания, показанная на рисунке выше. Дополнительный диод Шоттки, подключенный последовательно с резистором R, предотвращает разряд ионистора от основного источника питания или других блоков устройства. Полевой транзистор позволяет программно выбрать источник напряжения – в состоянии проводимости он обеспечивает путь с низким сопротивлением, который соединяет выводы питания процессора с основным источником питания устройства, и отключение (после обнаружения падения напряжения) позволяет начать разрядку суперконденсатора после перевода микроконтроллера в режим пониженного энергопотребления (STOP).

Стоит обратить внимание на то, что большой ошибкой может быть попытка использовать суперконденсатор вместо никель-металлгидридной аккумуляторной батареи для поддержания часов RTC и памяти RAM. Это решение будет работать только в тех устройствах, которые во время нормальной работы постоянно или большую часть времени подключены к другому источнику питания (например часы с питанием от сети). Следует помнить, что суперконденсаторы характеризуются относительно высокими токами саморазряда, а значит время поддержки ионистором RTC или RAM памяти будет во много раз меньше, чем в случае даже небольшой литиевой батареи или никель-металлогидридного АКБ.

Резервный БП с напряжением выше 5 В

Схемы буферного питания, представленные на рисунках, оправданы для маломощных микроконтроллеров и других схем, способных работать при напряжении питания около 1,8 – 3,3 В. При необходимости получить более высокое напряжения (например USB 5 В), можно выбрать один из четырех вариантов:

  1. Использование суперконденсатора с более высоким допустимым рабочим напряжением – в то время как самые популярные суперконденсаторы предназначены для работы с напряжением до 5,5 В, на рынке представлены модели, состоящие из нескольких ячеек с рабочим напряжением от 1,4 В до 8,4 В в диапазоне суммарной ёмкости до 100 Фарад.
  2. Использование последовательных конденсаторов с одинаковой номинальной емкостью – в этом случае необходимо использовать пассивный делитель напряжения или активный балансир, защищающий конденсатор наименьшей реальной емкости от пробоя.
  3. Использование повышающего преобразователя DC / DC – это наиболее экономичное решение, поскольку позволяет максимально рекуперировать энергию, запасенную в суперконденсаторе.
  4. Применение встроенного контроллера заряда / разряда суперконденсатора – на рынке доступны специализированные контроллеры, позволяющие просто и эффективно управлять схемами питания на основе ионисторов.

Выбор преобразователя для ионистора

Давайте подумаем о соответствующем выборе DC / DC преобразователя, который будет работать с суперконденсаторами. Среди всех важных параметров, особое внимание следует уделить трем из них:

Принципиальная схема MCP1640, способной работать при входном напряжении в диапазоне от 0,65 В

Диапазон входного напряжения – предполагая, что целью использования преобразователя является восстановление как можно большего количества энергии хранящейся в суперконденсаторе (а не только для повышения напряжения на короткое время, например, для сохранения данных в энергонезависимой памяти), важен подбор схемы с максимально широким диапазоном напряжений с минимально возможным пусковым напряжением.

На рынке существует множество миниатюрных преобразователей, отвечающих этому требованию – в качестве примера приведем семейство Microchip MCP1640, способные работать при стартовом входном напряжении в диапазоне от 0,65 В. Базовая схема показана на рисунке. Еще одним заслуживающим внимания примером является схема LM2621 – при токе питания 80 мкА она может обеспечивать питание выходного устройства с током до 1 А, что позволяет использовать её в устройствах, требующих большей мощности (в этом случае понадобится суперконденсатор большой емкости или батарея нескольких меньших, соединенных параллельно).

КПД – высокий коэффициент преобразователя позволяет максимально полно использовать относительно небольшое количество энергии, хранящейся в суперконденсаторе. Но стоит иметь в виду, что во многих приложениях – в частности, в сегменте сверхнизкого энергопотребления – значение тока источника питания, потребляемого самим преобразователем, оказывается гораздо более важным, поскольку именно этот параметр становится основной потерь энергии, вносимых преобразователем для схемы с низким энергопотреблением. Например MCP1640 для правильной работы требуется ток всего 19 мкА, поэтому ее можно успешно использовать в маломощных устройствах.

Контроль (линия EN / SHDN) – стоит обратить внимание на возможность отключения инвертора при нормальной работе устройства, что снизит общее энергопотребление и позволит быстрее заряжать суперконденсатор после того как накопленный в нем заряд использован. В настоящее время подавляющее большинство интегрированных контроллеров DC / DC имеют линию включения. Энергосбережение особенно полезно в устройствах, основным источником питания которых являются батареи или аккумулятор – например, контроллер MCP1640 потребляет всего 1 мкА в выключенном состоянии.

Встроенные контроллеры ионисторов

Использование стандартного встроенного контроллера заряда / разряда – хороший выбор для более требовательных приложений с суперконденсаторами. В настоящее время на рынке появляется все больше продуктов этого типа – каждый из них предлагает несколько иной набор функций и параметров, что позволяет адаптировать силовые цепи к конкретным требованиям приложения.

Схема применения контроллера MAX38888, действующего как «реверсивный» преобразователь постоянного тока

Рассмотрим микросхему MAX38888. Это обратимый преобразователь постоянного тока в постоянный, позволяющий просто реализовать функции управления потоком энергии между суперконденсатором и основным источником питания (батареями или аккумулятором). Схема позволяет заряжать суперконденсатор током до 500 мА, а после потери основного источника питания (после извлечения аккумулятора) позволяет запитывать системную часть (шину питания основного устройства) током до 2,5 А. Схема включения контроллера MAX38888 показана на рисунке.

Схема применения микросхемы LTC4041 с двумя суперконденсаторами

Другой пример специализированного контроллера суперконденсатора – микросхема LTC4041. Встроенный активный балансировщик обеспечивает прямое подключение двух последовательных суперконденсаторов к контроллеру. Один и тот же блок понижающего / повышающего преобразователя постоянного тока может работать в двух направлениях, поддерживая как зарядку суперконденсатора, так и разряд на нагрузку.

В схемах требующих более высоких рабочих напряжений, можно использовать расширенный контроллер серии LTC3350. Система обеспечивает последовательное соединение до четырех суперконденсаторов, предлагает функцию активного балансира, двунаправленный понижающий / повышающий преобразователь и ряд уникальных функций, в том числе 14-битный преобразователь АЦП для контроля напряжений, токов, емкости и так далее. Он также оснащен активными ограничителями перенапряжения и двойным транзисторным контроллером с «идеальным диодом» для передачи энергии на суперконденсаторы и обратно без потерь.

Схема применения расширенного контроллера серии LTC3350, разработанного для систем, требующих высоких рабочих напряжений

ON Semiconductor подготовила интересное предложение для разработчиков, работающих над фотовспышками и другими приборами, требующими подачи сильных импульсов тока (до 4 А) на мощные светодиоды. CAT3224 – это специализированный контроллер ионистора, который также предлагает два высокопроизводительных встроенных источника тока и активный балансировщик для подключения двух суперконденсаторов.

Схема на базе микросхемы CAT3224, которая позволяет подавать сильные импульсы тока на мощные светодиоды

Представленное решение является еще одним примером отличного взаимодействия между батареями (в данном случае рекомендуются литий-ионные) и суперконденсаторами.

Взаимодействие суперконденсаторов с АКБ

Обсуждая тему суперконденсаторов и аккумуляторов, заметим еще один важный пример сотрудничества между обоими типами источников энергии. С помощью компаратора, ОУ и LDO стабилизатора, можно построить схему активного напряжения компенсации падения на внутреннее сопротивление основного источника питания (батареи) – пример такой схемы показан на рисунке далее.

Активная компенсация падения напряжения на внутреннем сопротивлении основного источника питания

Конденсаторы заряжаются от источника тока на базе усилителя MAX406, взаимодействующего с шунтирующим резистором R6 (в дифференциальном режиме) и выходным транзистором P1. Компаратор MAX985 постоянно проверяет напряжение на конденсаторах и шине питания устройства, при необходимости открывая транзистор P2, так что суперконденсаторы подключаются параллельно к батарее, поддерживая ее работу и предотвращая переходное падение напряжения при приложении большой нагрузки.

Канал 1 – напряжение аккумулятора, канал 2 – выходное напряжение, канал 3 – напряжение на плюсовом выводе «верхнего» суперконденсатора

Эффекты работы системы показаны на рисунке (канал 1 – напряжение аккумулятора, канал 2 – выходное напряжение, канал 3 – напряжение на плюсовом выводе «верхнего» суперконденсатора).

Подведение итогов и перспективы

В обычной электронике обычно встречаются электрохимические источники энергии: батареи и аккумуляторы. Но стоит помнить, что ионисторы хотя еще не готовы к полной замене обычных источников питания с технологической точки зрения – идеально подходят для их поддержки в устройствах, требующих поддержания питания после сбоя энергии от основного источника, или в качестве дополнительных аккумуляторов, используемых для компенсации падений напряжения нагрузки. Пройдёт ещё несколько лет и ситуацию серьёзно изменится, так как активные разработки ведутся многими фирмами.

Ионисторы для машины вместо аккумулятора. Может ли ионистор заменить аккумулятор? Из чего состоит устройство конденсатора

Как только человек придумал самодвижущуюся тележку на паровом двигателе (1768г.), а позже (1886) усовершенствовал мотор до ДВС – у водителя появилась задача не только направлять лошадиные силы в нужную сторону, но и запускать их в работу.

Проблема пуска двигателя в разные времена решалась по-разному. Для парового мотора достаточно было развести огонь под котлом, бензиновые двигатели требовали мышечной силы или химического источника тока.

С появлением аккумуляторов возникла необходимость обслуживания и контроля заряда стартерных батарей, особенно в зимний период. Часто, в помощь штатному АКБ, автовладельцу приходилось использовать внешний источник тока: сетевое пусковое устройство, запасной свинцово-кислотный АКБ, или новинку последних лет компактные пусковые устройства на базе Литий-Полимеров.

Главная проблема химических источников тока – саморазряд и старение. Срок службы классического свинцово-кислотного аккумулятора со свободным электролитом составляет около 3х лет. Гелевые и AGM аккумуляторы «живут» дольше, однако и они не вечны. Даже если АКБ бездействует – в нём происходят химические процессы, которые приводят к постепенной потере ёмкости батареи.

Это замечание верно и для пусковых устройств на основе аккумуляторов, например, средний срок службы Li-Po пускача составляет 3-5 лет, за это время токопроводный гель которым наполнены аккумуляторы твердеет и постепенно теряет свои свойства. Инженеры- конструкторы давно ищут источник тока который мог бы заменить аккумуляторы и избавить автовладельцев от «слабых мест» АКБ.



Речь в данной статье пойдёт о конденсаторах. Точнее о супер-конденсаторах или ионисторах, способных отдавать огромные токи и обладающих рядом преимуществ в сравнении с аккумуляторами. Как заменить АКБ машины на сборку из конденсаторов, конструкторы ещё не придумали, однако инженерам из Carku удалось создать устройство способное помочь в запуске двигателя автомобиля, тот самый ATOM 1750 .

Главное отличие данного аппарата от аккумуляторных аналогов – вечный срок службы ! Если говорить о пусковых устройствах на базе Литий-полимерных или Свинцово-кислотных батарей, то продолжительность их работы ограничена одной-тремя тысячами циклов заряд/разряд. Конденсаторные пускачи обеспечивают до миллиона циклов. Для того, чтобы представить масштаб предположим, что Вы используете ATOM 1750 дважды в день в течение календарного года. Ресурса прибора при такой интенсивности работы хватит (1.000.000: (365х2))= 1млн. : 730= 1369 лет .

Вторая особенность – неприхотливость ионисторов. Для хранения конденсаторных пусковых устройств не нужны особые условия: вы можете положить аппарат в бардачок или под сиденье авто, и вспомнить о нём, только когда аккумулятору машины понадобится помощь. Аппарат – идеальный вариант для забывчивых водителей. Если следить за уровнем заряда батареи нет ни времени ни желания – аппарат можно спокойно хранить в машине в самые лютые холода или в жару.


Третий плюс – наличие встроенного литиевого аккумулятора. Запас энергии, который хранится в полностью заряженной Li-Ion батарее аппарата ёмкостью 6000mAh – сможет зарядить конденсаторы устройства для более чем 6 пусков подряд. Батарея не участвует в пуске, и предназначена только для зарядки конденсаторов. Вот здесь и кроется та самая ложка дёгтя: любой аккумулятор боится глубокого разряда. Если батарею на долгое время оставить без зарядки – АКБ , рано или поздно, выйдет из строя. Саморазряд, свойственный в той или иной мере любому аккумулятору добьёт разряженную батарею. Напоминаем , что профилактическую зарядку неиспользуемой литиевой батареи необходимо проводить 1 раз в пол-года .


Высокие и низкие температуры хранения ускоряют процессы саморазряда и деградации АКБ . Температурный режим хранения встроенного аккумулятора рекомендованный производителем составляет от 0 до +25 С. Впрочем, даже если штатная батарея устройства выйдет из стоя конденсаторы АТОМ 1750 – запитанные от разряженного автомобильного АКБ всё равно смогут запустить двигатель машины.

Плюс номер четыре . Возможность зарядки ионисторов прибора от разряженной АКБ машины. Для пуска двигателя достаточно подключить крокодилы аппарата к клеммам «уставшего » АКБ и уже через 45-60 сек. – автомобиль будет готов к старту.


Более подробно про особенности АТОМ 1750 :

Аппарат представляет собой профессиональный джамп-стартер. В отличие от Li-Po аналогов, пуск двигателя производится не за счёт энергии запасённой в аккумуляторе, а при помощи мощных ультраконденсаторов. Мощности пускача достаточно для запуска бензиновых двигателей объёмом до и для работы с дизельными моторами до .


МОЩЬ

Сборка из пяти ионисторов ёмкостью 350F каждый, выдаёт пусковые токи до 350А , что говорит о широком диапазоне применения данного устройства.


Высокий стартовый ток АТОМ 1750 подкреплён стабильным напряжением, которое выдают конденсаторы. Аппарат обеспечивает заявленный ток на протяжении 3х секунд, что является одним из важнейших условий запуска двигателя.


МОБИЛЬНОСТЬ

Вес пускача составляет 1.3 кг. Для сравнения, схожий по возможностям свинцово-кислотный бустер весит более 6 кг (DRIVE 900 ), а разница в габаритах впечатляет ещё больше.


На боковых гранях АТОМ 1750 расположены:


На передней панели расположен:

Дисплей (1) для отображения рабочих параметров, кнопка «Boost» (2) для заряда ионисторов от встроенного аккумулятора, кнопки включения фонаря и питания устройства (3).


ЗАЩИТА

В качестве силовых кабелей на аппарате используются медные провода сечением 6мм2 , длинной 300 мм.


Интеллектуальный блок, не только защищает пусковое устройство от переполюсовки, короткого замыкания и обратных токов генератора, но и позволяет за несколько минут продиагностировать АКБ машины и вывести результаты проверки на табло.


АТОМ 1750 — подскажет владельцу, что аккумулятор машины нуждается в зарядке, либо, что АКБ – пора заменить на новый.


Если при подключении к аккумулятору машины на экране появляется надпись J UMP START READY – цепь работает в штатном режиме. Можно приступать к пуску двигателя.

Надпись «REVERSED » сообщает о неправильном подключении крокодилов. Следует проверить полярность – красный зажим должен быть соединён с плюсовым контактом АКБ, чёрный с минусовым.

ЗАРЯДКА

Обратите внимание, при подключении АТОМ к источнику тока, сначала заряжаются ультраконденсаторы, затем, начинается зарядка встроенной батареи устройства.


Представим себе ситуацию, когда вокруг никого а запустить двигатель у штатного АКБ машины – не получается.


Первый способ запуска машины с помощьюАТОМ 175 – заключается в зарядке конденсаторов непосредственно от клемм разряженного АКБ автомобиля. После подключения аппарата дожидаемся появления надписи JUMP START READY и запускаем двигатель не снимая крокодилы с клемм. Время зарядки конденсаторов зависит от уровня разряда АКБ и составляет от 45 сек до 2.5мин.


Второй способ зарядки – через гнездо прикуривателя. Атом 1750 можно подключить к бортовой сети с помощью специального переходника из комплекта. Время зарядки около 2 минут.


Третий источник энергии – встроенная батарея прибора. После нажатия на кнопку Boost – аппарат использует энергию запасённую в Литиевом аккумуляторе. Время зарядки – 2-3мин .


Ну и последний вариант зарядки, если под рукой нет иных источников, — придётся искать розетку. С помощью блока питания от мобильной электроники (5V, 2А ) – конденсаторы можно зарядить и от сети.


Ещё один Важный момент. Заряжать Атом 1750 можно не только от собственного разряженного АКБ , но и от ЛЮБОГО автомобиля-донора (большая и маленькая машины – показать). В отличие от «прикуривания» — операция зарядки ионисторов АТОМ 1750 — абсолютно безопасна, и не требует соблюдения никаких условностей, кроме полярности подключения.


ПУСК АВТОМОБИЛЯ

Для того, чтобы приступить к использованию Джамп-стартера хозяину машины следует убедиться, что зажигание автомобиля выключено. При подключении — следует соблюдать полярность: красный кабель устройства соединяется с плюсовой клеммой аккумулятора автомобиля, чёрный с минусовой клеммой.

После подключения можно приступать к запуску двигателя. Если в течение 3х секунд мотор не запустился – следует зарядить конденсаторы ещё раз и повторить попытку.

После того, как двигатель заработал «крокодилы» с клемм аккумулятора следует снять.

ATOM 1750 поставляется в картонной коробке.

В комплекте с аппаратом:

    Шнур для зарядки аппарата от прикуривателя автомобиля;

    USB-Кабель.



Напоминаем, что одним из условий продолжительной службы аппарата является своевременная зарядка встроенного аккумулятора устройства, поэтому после каждого пуска с использованием энергии аккумулятора – необходимо отправить АТОМ на зарядку. При длительном хранении рекомендуем заряжать устройство до уровня 80-90% один раз в 6 месяцев. Хранить аппарат следует при плюсовой температуре.

Для накопления электроэнергии люди сначала использовали конденсаторы. Потом, когда электротехника вышла за пределы лабораторных опытов, изобрели аккумуляторы, ставшие основным средством для запасания электрической энергии. Но в начале XXI века снова предлагается использовать конденсаторы для питания электрооборудования. Насколько это возможно и уйдут ли аккумуляторы окончательно в прошлое?

Причина, по которой конденсаторы были вытеснены аккумуляторами, была связана со значительно большими значениями электроэнергии, которые они способны накапливать. Другой причиной является то, что при разряде напряжение на выходе аккумулятора меняется очень слабо, так что стабилизатор напряжения или не требуется или же может иметь очень простую конструкцию.

Главное различие между конденсаторами и аккумуляторами заключается в том, что конденсаторы непосредственно хранят электрический заряд, а аккумуляторы превращают электрическую энергию в химическую, запасают ее, а потом обратно преобразуют химическую энерию в электрическую.

При преобразованиях энергии часть ее теряется. Поэтому даже у лучших аккумуляторов КПД составляет не более 90%, в то время, как у конденсаторов он может достигать 99%. Интенсивность химических реакций зависит от температуры, поэтому на морозе аккумуляторы работают заметно хуже, чем при комнатной температуре. Кроме этого, химические реакции в аккумуляторах не полностью обратимы. Отсюда малое количество циклов заряда-разряда (порядка единиц тысяч, чаще всего ресурс аккумулятора составляет около 1000 циклов заряда-разряда), а также «эффект памяти». Напомним, что «эффект памяти» заключается в том, что аккумулятор нужно всегда разряжать до определенной величины накопленной энергии, тогда его емкость будет максимальной. Если же после разрядки в нем остается больше энергии, то емкость аккумулятора будет постепенно уменьшаться. «Эффект памяти» свойственен практически всем серийно выпускаемым типам аккумуляторов, кроме, кислотных (включая их разновидности — гелевые и AGM). Хотя принято считать, что литий-ионным и литий-полимерным аккумуляторам он не свойственнен, на самом деле и у них он есть, просто проявляется в меньшей степени, чем в других типах. Что же касается кислотных аккумуляторов, то в них проявляется эффект сульфатации пластин, вызывающий необратимую порчу источника питания. Одной из причин является длительное нахождение аккумулятора в состоянии заряда менее, чем на 50%.

Применительно к альтернативной энергетике «эффект памяти» и сульфатация пластин являются серьезными проблемами. Дело в том, что поступление энергии от таких источников, как солнечные батареи и ветряки, сложно спрогнозировать. В результате заряд и разряд аккумуляторов происходят хаотично, в неоптимальном режиме.

Для современного ритма жизни оказывается абсолютно неприемлемо, что аккумуляторы приходится заряжать несколько часов. Например, как вы себе представляете поездку на электромобиле на дальние расстояния, если разрядившийся аккумулятор задержит вас на несколько часов в пункте зарядки? Скорость зарядки аккумулятора ограничена скоростью протекающих в нем химических процессов. Можно сократить время зарядки до 1 часа, но никак не до нескольких минут. В то же время, скорость зарядки конденсатора ограничена только максимальным током, который дает зарядное устройство.

Перечисленные недостатки аккумуляторов сделали актуальным использование вместо них конденсаторов.

Использование двойного электрического слоя

На протяжении многих десятилетий самой большой емкостью обладали электролитические конденсаторы. В них одной из обкладок являлась металлическая фольга, другой — электролит, а изоляцией между обкладками — окись металла, которой покрыта фольга. У электролитических конденсаторов емкость может достигать сотых долей фарады, что недостаточно для того, чтобы полноценно заменить аккумулятор.

Большую емкость, измеряемую тысячами фарад, позволяют получить конденсаторы, основанные на так называемом двойном электрическом слое. Принцип их работы следующий. Двойной электрический слой возникает при определенных условиях на границе веществ в твердой и жидкой фазах. Образуются два слоя ионов с зарядами противоположного знака, но одинаковой величины. Если очень упростить ситуацию, то образуется конденсатор, «обкладками» которого являются указанные слои ионов, расстояние между которыми равно нескольким атомам.

Конденсаторы, основанные на данном эффекте, иногда называют ионисторами. На самом деле, этот термин не только к конденсаторам, в которых накапливается электрический заряд, но и к другим устройствам для накопления электроэнергии — с частичным преобразованием электрической энергии в химическую наряду с сохранением электрического заряда (гибридный ионистор), а также для аккумуляторов, основанных на двойном электрическом слое (так называемые псевдоконденсаторы). Поэтому более подходящим является термин «суперконденсаторы». Иногда вместо него используется тождественный ему термин «ультраконденсатор».

Техническая реализация

Суперконденсатор представляет собой две обкладки из активированного угля, залитые электролитом. Между ними расположена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между обкладками.

Следует отметить, что суперконденсаторы сами по себе не имеют полярности. Этим они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, для которых, как правило, свойственна полярность, несоблюдение которой приводит к выходу конденсатора из строя. Тем не менее, на суперконденсаторах также наносится полярности. Связано это с тем, что суперконденсаторы сходят с заводского конвейера уже заряженными, маркировка и означает полярность этого заряда.

Параметры суперконденсаторов

Максимальная емкость отдельного суперконденсатора, достигнутая на момент написания статьи, составляет 12000 Ф. У массово выпускаемых супероконденсаторов она не превышает 3000 Ф. Максимально допустимое напряжение между обкладками не превышает 10 В. Для серийно выпускаемых суперконденсаторов этот показатель, как правило, лежит в пределах 2,3 – 2,7 В. Низкое рабочее напряжение требует использование преобразователя напряжения с функцией стабилизатора. Дело в том, что при разряде напряжение на обкладках конденсатора изменяется в широких пределах. Построение преобразователя напряжения для подключения нагрузки и зарядного устройства являются нетривиальной задачей. Предположим, что вам нужно питать нагрузку с мощностью 60 Вт.

Для упрощения рассмотрения вопроса пренебрежем потерями в преобразователе напряжения и стабилизаторе. В том случае, если вы работаете с обычным аккумулятором с напряжением 12 В, то управляющая электроника должна выдерживать ток в 5 А. Такие электронные приборы широко распространены и стоят недорого. Но совсем другая ситуация складывается при использовании суперконденсатора, напряжение на котором составляет 2,5 В. Тогда ток, протекающий через электронные компоненты преобразователя, может достигать 24 А, что требует новых подходов к схмотехнике и современной элементной базы. Именно сложностью с построением преобразователя и стабилизатора можно объяснить тот факт, что суперконденсаторы, серийный выпуск которых был начат еще в 70-х годах XX века, только сейчас стали широко использоваться в самых разных областях.

Суперконденсаторы могут соединяться в батареи с использованием последовательного или параллельного соединения. В первом случае повышается максимально допустимое напряжение. Во втором случае — емкость. Повышение максимально допустимого напряжения таким способом является одним из способов решения проблемы, но заплатить за нее придется снижением емкости.

Размеры суперконденсаторов, естественно, зависят от их емкости. Типичный суперконденсатор емкостью 3000 Ф представляет собой цилиндр диаметром около 5 см и длиной 14 см. При емкости 10 Ф суперконденсатор имеет размеры, сопоставимые с человеческим ногтем.

Хорошие суперконденсаторы способны выдержать сотни тысяч циклов заряда-разряда, превосходя по этому параметру аккумуляторы примерно в 100 раз. Но, как и у электролитических конденсаторов, для суперконденсаторов стоит проблема старения из-за постепенной утечки электролита. Пока сколь-нибудь полной статистики выхода из строя суперконденсаторов по данной причине не накоплено, но по косвенным данным, срок службы суперконденсаторов можно приблизительно оценить величиной 15 лет.

Накапливаемая энергия

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:

где C — емкость, выраженная в фарадах, U — напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.

Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:

Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.

Применение суперконденсаторов

Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.

Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.

Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.

Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.

Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.

Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе — их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.

Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.

В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.

Алексей Васильев

Большинство современных конденсаторов имеют емкость в микрофарадах или пикофарадах. Емкость Ионисторов исчисляется Фарадами.
Что бы понять насколько это много, можно вспомнить формулу по которой можно рассчитать необходимую емкость в зависимости от нагрузки.

Где
С — емкость, Ф;
I — постоянный ток разрядки, А;
U — номинальное напряжение ионистора, В;
t — время разрядки от Uном до нуля, с;

Сейчас на рынке уже есть ионисторы емкостью в десятки Фарад.
К примеру есть ионистор на 5,5 Вольта емкостью 22 Фарада. Мы зарядим его полностью и подключим лампочку на 1 Ватт (5,5 Вольт 0,18 Ампера).

Итого:
22 Фарада = 0,18 Ампера t / 5,5 Вольта
t = 672 секунды

Исходя из формулы выше наша лампочка будет гореть 672 секунды или 12 минут. Кажется что это не такая большая величина, но на самом деле мы можем использовать несколько ионисторов сразу.
Для примера существуют суперконденсаторы намного большей емкости.

К примеру на новом российском авто Ё-мобиль используются конденсаторы фирмы http://www.elton-cap.com/ .
Ионисторы этой фирмы достигают емкости в 10 000 Фарад при напряжении 1,5 Вольта. Так же они производят ячейки (модули) с несколькими ионисторами емкостью в 1000 Фарад и рабочим напряжением 15 Вольт.

К сожалению у Суперконденсаторов есть достоинства и недостатки.

Суперконденсаторы достаточно дорогие поэтому не составляют конкуренции батареям (аккумуляторам), так как конденсаторы емкостью равной емкости одного аккумулятора обойдутся вам в тысячи долларов.
Темнеменее использование суперконденсаторов в электронике более чем оправдано.
— к сожалению на контантах суперконденсаторов во время всего цикла разрядки падает напряжение, поэтому для устройств которые требуют постоянного напряжение это не применимо. Возможен вариант использования стабилизатора, но при этом устройство будет потреблять больше энергии.
— к сожалению суперконденсатор нельзя полноценно использовать вместе с аккумулятором. Если их подключить параллельно из-за внутреннего сопротивления, аккумуляторная батарея всегда будет отдавать больше тока чем конденсатор.
При этом если потребитель использует импульсный источник питания, в те моменты когда батарея и конденсатор будут отключены — батарея будет заряжать конденсатор, при этом с большими токами и щадящего режима для батареи просто не получится.
Единственный выход использовать Ионисторы как дополнительный источник питания, тоесть заряжать их во время когда сеть не нагружена и полностью отдавать их энергию в нужные моменты, после чего подключать батарею, когда энергия уже исчерпана.
Это значительно усложняет систему а значит и цену таких устройств.
Однако все так же еффективно эти конденсаторы можно использовать в системах рекуперации энергии.

Очень большое колличество циклов заряда и разряда
+ большие токи отдачи
+ Суперконденсаторы достаточно быстро заряжаются (практически моментально зависит от того какой ток может обеспечить зарядное устройство)
+ Суперконденсаторы намного меньше обычных конденсаторов и в тоже время имеют намного большую емкость.
+ широкий рабочий диаппазон температур (от -50 до + 50 градусов цельсия)

Возможно за суперконденсаторами будущее, но к сожалению на данный момент они вряд ли смогут полностью заменить аккумуляторы.



Хотя на некоторых автомобилях уже сейчас заменяются пусковые батареи на суперконденсаторы, которые куда более эффективно выполняют свои функции. В часности они отдают моментально очень большие токи которые необходимы для удачного пуска двигателя особенно в холодную погоду.

Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора тем, что имеет очень большую емкость. Конденсатор хранит энергию с помощью статического заряда, в противовес электрохимическим реакциям батареи. Применение дифференциального напряжения на положительную и отрицательную пластины заряжает конденсатор. Это похоже на накопление статического заряда при трении. Прикосновение же к пластине конденсатора высвободит энергию.

Существует три типа конденсаторов, основным среди них является электростатический конденсатор с сухим сепаратором. Эта классическая модель конденсатора имеет очень маленькую емкость и в основном используется в радиоэлектронике. Емкость конденсатора измеряется в фарадах и для электростатического колеблется в диапазоне пикофарад (пФ).

Следующий тип конденсатора — электролитический, он обеспечивает более высокую емкость в сравнении электростатическим и оценивается в микрофарадах (мкФ), что в миллион раз больше пикофарада. Сепаратор в таких конденсаторах влажного типа. Как и в электрических батареях, конденсаторы имеют разные полюса, которые необходимо соблюдать при использовании.

Третий тип – это суперконденсатор, его емкость оценивается в фарадах и в тысячи раз больше емкости электролитического. Суперконденсатор используется для хранения энергии, подвергающейся частым циклам заряда/разряда при высоких значениях силы тока и короткой длительности.

Единица измерения емкости фарад, названа так в честь английского физика Майкла Фарадея (1791-1867). Один фарад хранит один кулон электрического заряда при напряжении один вольт. Один микрофарад в миллион раз меньше фарада, а пикофарад в миллион раз меньше микрофарада.

Инженеры General Electric начали экспериментировать с ранней версией суперконденсатора еще в 1957 году, но коммерческого интереса эти разработки не вызвали. В 1966 году Standart Oil заново случайно обнаружили эффект двухслойного конденсатора во время работы с экспериментальными конструкциями топливных элементов. Двухслойная структура значительно улучшала способность накапливать энергию. Технология снова не была коммерциализирована и лишь 1990-х нашла свое применение.

Развитие суперконденсаторов тесно переплетено с технологиями электрохимических источников тока, именно оттуда были позаимствованы специальные электроды и электролит. В то время как основной электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC) зависит от электростатического действия, асимметричный двухслойный электрохимический конденсатор (AEDLC) использует батарееподобные электроды для получения более высокой плотности энергии, но это ограничивает его жизненный цикл и наделяет ограничениями, схожими на ограничения электрохимического источника тока. Многообещающим выглядит использование графена в качестве материала электрода, но исследования в этом направлении пока только ведутся.

Было испробовано много типов электродов, и наиболее распространенной системой электрохимического двухслойного суперконденсатора сегодня является версия на основе углерода с органическим электролитом. Неоспоримым преимуществом такого суперконденсатора является простота изготовления.

Все конденсаторы имеют предел напряжения. В то время как электростатический конденсатор является высоковольтным, суперконденсатор ограничен напряжением в 2,5-2,7 В. Повышение значения напряжения выше этого уровня возможно, но негативно сказывается на продолжительности срока службы. Поэтому для получения более высокого напряжения используют последовательное соединение нескольких суперконденсаторов. В свою очередь, последовательное соединение уменьшает общую емкость и увеличивает внутреннее сопротивление. Такое соединение более чем трех конденсаторов требует дополнительной балансировки для избежания перенапряжения отдельной ячейки. Похожим образом реализована система защиты литий-ионного аккумулятора.

Возьмите источник тока с номинальным напряжением 6 В и напряжением отсечки 4,5 В. Если этот источник тока – суперконденсатор, то из-за своего линейного характера разряда он достигнет точки отсечки еще в первой четверти цикла, остальные три четверти энергетического резерва будут недоступными для использования. Можно конечно дополнительно использовать преобразователь напряжения — он позволит пользоваться источником питания и с низким значением напряжения, но это добавляет дополнительные расходы и приводит к потерям энергии. Электрическая же батарея имеет график разряда в виде относительно прямой линии, что позволяет использовать от 90 до 95 % накопленной в ней энергии.

На рисунках 1 и 2 показаны характеристики тока и напряжения при заряде и разряде суперконденсатора. При зарядке напряжение увеличивается линейно, а ток проседает, когда конденсатор полностью зарядился, вследствие этого даже отпадает необходимость использования системы детектирования полного заряда. При разрядке напряжение уменьшается также линейно. Для поддержания постоянного уровня потребляемой мощности при падении напряжения, преобразователь напряжения будет потреблять все большую силу тока. Разряд будет достигнут, когда нагрузочные требования больше не могут быть удовлетворены.

Рисунок 1: Зарядные характеристики суперконденсатора. Напряжение линейно растет при постоянном уровне тока заряда. При полном заполнении конденсатора зарядный ток падает.

Рисунок 2: Разрядные характеристики суперконденсатора. При разряде напряжение снижается линейно. Опциональный преобразователь напряжения может поддерживать определенный показатель напряжения, но это увеличивает показатель силы тока разряда.

Время зарядки суперконденсатора составляет от 1 до 10 секунд. Зарядные характеристики аналогичны характеристикам электрохимических батарей, и в значительной степени ограничены допустимой силой тока зарядного устройства. Суперконденсатор невозможно зарядить сверх его емкости, вследствие этого ему не нужна система детектирования полного заряда — ток просто перестает течь в него.

В таблице 3 сравниваются суперконденсатор и стандартный литий-ионный аккумулятор.

Характеристики Суперконденсатор Стандартный литий-ионный аккумулятор
Время зарядки 1-10 секунд 10-60 минут
Количество циклов 1 миллион или 30 тысяч часов 500 и выше
Напряжение ячейки От 2,3 до 2,75 В 3,6 В номинал
Удельная энергоемкость (Вт*ч/кг) 5 (стандартно) 120-240
Удельная мощность (Вт/кг) до 10 тысяч 1000-3000
Стоимость килограмм ватта $ 10000 (стандартно) $ 250-1000 (большие системы)
Время жизни 10-15 лет от 5 до 10 лет
Допустимый зарядный диапазон температур от -40°С до 65°С от 0°С до 45°С
Допустимый разрядный диапазон температур от -40°С до 65°С от -20°С до 60°С

Таблица 3: Сравнение производительности суперконденсатора и литий-ионного аккумулятора.

Суперконденсатор может заряжаться и разряжаться практически неограниченное число раз. В отличии от электрохимической батареи, в которую заложен жизненный цикл определенного размера, суперконденсатор практически нечувствителен к воздействию циклического режима работы. Также слабее на него действуют и возрастные изменения, связанные с деградацией материалов. При нормальных условиях емкость суперконденсатора после 10 лет эксплуатации сохраняется на уровне 80% от номинальной. Но работа с высокими напряжениями может снизить его срок жизни. Также стоит отметить преимущество суперконденсатора по температурным показателях — слабым местом всех электрохимических источников тока.

Саморазряд суперконденсатора значительно выше у обычных конденсаторов и немного превышает показатель электрохимической батареи. Причиной такого высокого саморазряда, главным образом, выступают свойства органического электролита. Для сравнения, суперконденсатор теряет половину запасенной энергии за 30-40 дней, а свинцовые и литиевые аккумуляторы саморазряжаются всего на 5% в месяц.

Применение суперконденсаторов

Суперконденсаторы являются идеальным выбором в случаях, где возникает краткосрочная потребность в питании и есть возможность быстрой зарядки. В противовес этому, электрохимические батареи оптимизированы для обеспечения относительно долгосрочного электропитания. Объединение этих двух систем в гибридный источник питания позволяет использовать сильные стороны каждой. Такие гибриды уже существуют, например, в виде союза суперконденсатора и свинцово-кислотной электрохимической системы .

Суперконденсаторы находят свое применение в системах, где необходимо обеспечение питания продолжительностью от нескольких секунд до нескольких минут, и также могут быть быстро заряжены. Подобными качествами располагает и маховик (инерционный аккумулятор), поэтому суперконденсатор может выступать ему альтернативой в определенных процессах, например, транспортной сфере.

Сегодня продолжаются испытания системы суперконденсаторов мощностью 2 мВт и системы маховиков мощностью 2,5 мВт для обеспечения движения Нью-Йоркской железной дороги (Long Island Rail Road — LIRR). Целью этих испытаний является поиск решения проблемы проседания напряжения при разгоне. Обе системы должны обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии определенной мощности в течение 30 секунд, а также заряжаться за такой же период времени. Главными требованиями являются колебание напряжения в диапазоне не более 10 %, низкие эксплуатационные расходы и долговечность не менее 20 лет. (Пока что больший интерес вызывали маховики, так как считается, что они более прочные и экономичные, но испытания еще продолжаются).

Япония также активно исследует и развивает использование суперконденсаторов. Уже существуют 4 мВт системы, установленные в зданиях, предназначение которых заключается в уменьшении нагрузки на электросети в часы пик. Также существуют системы, обеспечивающие кратковременное электропитание в моменты между отключением электричества и запуском резервных генераторов.

Технологии суперконденсаторов также смогли проникнуть в область электротранспорта. Возможность зарядки за счет сил торможения и способность обеспечения высоких показателей силы тока для ускорения делают суперконденсаторы крайне интересными для гибридных и электрических транспортных средств. Широкий диапазон рабочих температур и долговечность дают преимущество над электрохимическими батареями в этой сфере.

Но недостатки суперконденсаторов, такие как низкая удельная энергоемкость и высокая стоимость, побуждают некоторых разработчиков делать выбор в пользу более емкого аккумулятора за ту же стоимость. В таблице 4 приведены преимущества и недостатки суперконденсаторов.

Преимущества Практически неограниченный жизненный цикл; может быть перезаряжен миллионы раз
Высокая удельная мощность и низкое внутреннее сопротивление обеспечивают высокие токи нагрузки
Процесс зарядки занимает секунды; сам прекращает процесс зарядки
Простой процесс и условия зарядки
Безопасный, устойчивый к неправильной эксплуатации
Отличные показатели работы при низких температурах
Недостатки Низкая удельная энергоемкость
Линейный характер снижения напряжения не позволяет использовать всю накопленную энергию
Высокий саморазряд, выше, чем у электрических батарей
Низкое напряжение ячейки, необходимость последовательного соединения и балансировки систем из нескольких ячеек
Высокая стоимость ватта энергии

Суперконденсаторы в качестве альтернативы батареям

Представьте, что вы заряжаете свой мобильный телефон всего за несколько секунд. Или подумайте, как изменился бы транспорт, если бы заправка электромобиля занимала всего несколько минут.

Технология быстрого включения питания существует уже несколько десятилетий — в суперконденсаторах. Суперконденсаторы не только заряжаются быстрее, чем батареи, но и служат дольше, потому что не страдают от физических потерь при зарядке и разрядке, которые изнашивают батареи.У них также есть ряд преимуществ в плане безопасности. Однако суперразмер суперконденсаторов — они должны быть намного больше, чтобы удерживать ту же энергию, что и батареи, — и их сверхвысокая стоимость сдерживают их.

Но ряд ученых считает, что недавние открытия сделали быстрый, надежный и потенциально более безопасный накопитель энергии в суперконденсаторах, иногда называемых ультраконденсаторами, в пределах досягаемости, позволяя лучше конкурировать с батареями.

«Ультраконденсаторы похожи на молнию в бутылке, если хотите, — сказал Майкл Сунд, вице-президент Maxwell Technologies, ведущего производителя новой технологии, который продает тысячи единиц для зарядки автобусов в Китае.

Проблемы с безопасностью аккумуляторов

Любой, у кого закончился заряд во время важного телефонного разговора или кто пытался успокоить ребенка, чей игрушечный грузовик внезапно остановился, знает пределы заряда аккумуляторов. Аккумуляторы заряжаются долго, они относительно тяжелые — большая проблема для рынка электромобилей — и их безопасность часто возникает как проблема.

Этим летом крупному розничному торговцу пришлось отозвать тысячи запасных батарей для ноутбуков, произведенных Apple, только одним из многих производителей ноутбуков и сотовых телефонов, у которых были отозваны собственные батареи из соображений безопасности.(См. Соответствующий тест: «Что вы не знаете о батареях».)

Пожары с батареями в начале этого года также помогли временно заземлить новый Dreamliner компании Boeing. В одной из самых страшных трагедий, связанных с отказом аккумуляторной батареи, два члена экипажа погибли в 2010 году в результате крушения самолета UPS в Дубае, которое следователи связали с пламенем, поднимающимся из груза батарей. (См. Статью по теме: «Преобразование полета для повышения топливной эффективности: пять технологий на взлетно-посадочной полосе».)

Опасные подводные камни использования батарей — это часть того, что способствует возобновлению интереса к суперконденсаторам.

Безопасность — это гораздо большая проблема, чем это было раньше, сказал Питер Харроп, председатель IDTechEx, исследовательской фирмы, базирующейся в Кембридже, Великобритания. Он и другие поклонники новых технологий утверждают, что суперконденсаторы будут процветать по мере того, как компании будут искать новые. и более надежные источники питания, которые к тому же более безопасны, чем современные батареи.

Вместо химических веществ, затрудняющих управление батареями, суперконденсаторы используют своего рода статическое электричество для хранения энергии. Это означает, что их характеристики более предсказуемы, их материалы более надежны и менее уязвимы к перепадам температуры, и они могут быть полностью разряжены для более безопасной транспортировки, сказал Харроп.(См. Соответствующие фотографии: «Семь ингредиентов для улучшения аккумуляторов электромобилей».)

Открытие для суперконденсаторов?

Ученым давно известно, что энергия может храниться в виде электрического заряда, а не в химических реактивах, как в батареях. Знаменитый эксперимент Бенджамина Франклина с рядами лейденских сосудов, которые он назвал «батареей» после военного термина, обозначающего совместное функционирование оружия, на самом деле был ранней версией конденсатора.

Но недавний прорыв в материалах суперконденсаторов может сделать их конкурентами батареям в большем количестве приложений.«Суперконденсаторы улучшаются намного быстрее, чем батареи», — сказал Харроп.

С другой стороны, суперконденсаторы уже много лет находятся на грани коммерческого успеха. Заголовок 1995 года, например, предполагал, что ультраконденсаторы «рвутся вперед». Но они остались небольшим бизнесом по сравнению с перезаряжаемыми батареями — в первую очередь потому, что они хранят относительно мало энергии по сравнению с обычными элементами.

В аккумуляторах накопление электрического заряда называется «плотностью энергии», в отличие от «плотности мощности» или скорости доставки энергии.

Плотность энергии суперконденсаторов бледнеет по сравнению с литий-ионными батареями — технологией, которая сегодня обычно используется в телефонах и ноутбуках. Литий-ионные аккумуляторы хранят в 20 раз больше энергии, чем суперконденсаторы для данного веса и размера. Это означает, что iPhone 5, возможно, должен быть на два или три дюйма толще, чтобы удерживать суперконденсатор, что делает устройство едва ли стройным.

Суперконденсаторы, с другой стороны, выделяются, когда дело доходит до удельной мощности. Они обладают огромной мощностью — их можно быстро заряжать и высвобождать эту мощность быстрыми всплесками тока.Подумайте о тех резких электрических ударах, которые могут возникнуть, если неправильно натереть ворсистое ковровое покрытие. Или, может быть, лучше подумайте о разрядах электричества, которые зажигают летнюю бурю.

Производитель суперконденсаторов Maxwell Technologies сообщил, что наибольшие продажи идут производителям автобусов. Операторы используют суперконденсаторы для сбора энергии, генерируемой при торможении автобуса на одной из многочисленных остановок, а затем разряжают электроэнергию, чтобы автобус начал движение с полной остановки. С этой целью суперконденсаторы могут полностью заменить батареи в гибридных автобусах, в то время как полностью электрические автобусы требуют меньше батарей.

Это, вероятно, лучший способ продолжить продажу суперконденсаторов в качестве дополнения к батареям или двигателям, работающим на топливе, сказал Сунд. «Суперконденсаторы часто дополняют батареи», — сказал он. «Поэтому мы стараемся держаться подальше от того, что мы называем« вышибанием батарей »».

Тем не менее, есть и другие места, где суперконденсаторы полностью заменяют батареи. Один из примеров — ветряные турбины, особенно расположенные на море и труднодоступные. Суперконденсаторы могут обеспечить, например, всплески мощности, необходимые для регулировки лопастей турбины при изменении ветровых условий.

Аккумуляторы традиционно удовлетворяли эту потребность. Но батареи изнашиваются, потому что их химические вещества со временем теряют свою эффективность. Поскольку они не используют химические вещества для хранения электроэнергии, конденсаторы служат намного дольше, что является важным фактором для турбин, чья высота и удаленное расположение делают их обслуживание дорогостоящим.

Некоторые европейские автомобили также используют суперконденсаторы аналогично автобусам. Европейские «микрогибридные» автомобили выключаются, когда обычно работают на холостом ходу. Эта технология «старт-стоп» обычно работает только от батарей, но французский автопроизводитель PSA использует суперконденсаторы Maxwell в некоторых своих автомобилях Citroen и Peugeot.

Аккумуляторы, тем не менее, продолжают занимать большую часть рынка микрогибрид, потому что суперконденсаторы и сопутствующая электроника могут добавить пару сотен долларов к стоимости автомобиля. Сторонники технологии утверждают, что суперкапсы в долгосрочной перспективе стоят меньше, потому что они служат дольше, чем батареи, и экономят больше топлива, поскольку работают более надежно.

Тем не менее, когда дело доходит до микрогибридных автомобилей, начальная цена покупки пока превосходит эффективность и долгосрочную стоимость владения, сказал Сунд.

Преодолеть препятствия

Новые материалы могут помочь суперконденсаторам лучше конкурировать по плотности энергии. Многие ученые сосредотачиваются на графене, углероде толщиной всего в один атом, который вызвал большое волнение с тех пор, как он был усовершенствован около десяти лет назад. Производство графена оказалось дорогим. Но недавно лаборатория показала, что дешевое обычное бытовое устройство может производить графен в недорогих высококачественных листах. Аспирант использовал записывающее устройство DVD, чтобы сделать графен в химической лаборатории, которой руководит Рик Канер, профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

DVD-привод имеет функцию под названием LightScribe, которая наносит изображения на поверхность DVD-дисков. Оказывается, лазер также преобразует обычный материал, оксид графита, в листы графена. Открытие было описано в прошлом году в журнале Science.

Лазер производит графен с характеристикой, которая делает его особенно перспективным для суперконденсаторов: он выходит с отверстиями или порами. Этот высокопористый графен можно уложить в несколько слоев, при этом обе стороны каждого слоя остаются доступными.В экспериментах это удвоило или утроило плотность энергии суперконденсаторов, сделанных из графена.

Диск размером с DVD из лаборатории Рика Канера содержит микроконденсаторы.

Фотография любезно предоставлена ​​Аргоннской национальной лабораторией

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Один слой атомов углерода не хранит много энергии, сказал Канер. «Это когда вы можете складывать сотни или даже тысячи слоев — и это то, что мы делаем.«

Он не будет предсказывать, когда новый материал может появиться в коммерческих суперконденсаторах, кроме как выразить надежду, что это произойдет не через десять или даже пять лет. Даже в этом случае суперконденсаторы, вероятно, будут работать в тандеме с батареями». «пока они не заменят батареи», — сказал Канер. сказал.«Кроме того, в отличие от батарей, они не перезаряжаются и не перегреваются».

По словам Харропа из IDTechEX, преимущества суперконденсаторов в области безопасности будут расти по мере роста спроса на портативную энергию. Конденсаторы сами по себе создают проблемы с безопасностью, потому что любая технология, которая хранит энергию, потенциально опасна. Но производители постепенно отказываются от токсичных и легковоспламеняющихся химикатов, которые использовались в суперконденсаторах, и даже эти суперконденсаторы имеют лучшие показатели безопасности, чем литий-ионные батареи, сказал он.

Между тем безопасность аккумуляторов станет более серьезной проблемой по мере увеличения размеров элементов, таких как те, которые сейчас используются в электромобилях. Харроп добавил, что чем больше батарея, тем больше вероятность того, что что-то пойдет не так. «Легче сделать аккумулятор безопасным для чего-то вроде телефона, чем для автомобиля».

Эта история является частью специальной серии, посвященной вопросам энергетики. Для получения дополнительной информации посетите The Great Energy Challenge.

Суперконденсаторы и батареи | Инженерный центр

Срок службы

Химические реакции являются ограничивающим фактором срока службы батарей.В аккумуляторах в качестве электродов используются два разных материала: один для анода, а другой для катода. Электролит вступает в реакцию с обоими электродами и обеспечивает химические реакции, в результате которых образуются протоны (положительные ионы) на положительном электроде и электроны (отрицательные ионы) на отрицательном электроде. Это вызывает различные химические реакции, протекающие в электронах: одна отдает ионы, а другая принимает ионы. Как только этого электролита будет

разряжен, никакие химические реакции не могут происходить, и аккумулятор перестает работать, потому что он больше не может храниться или разряжаться.Количество циклов намного меньше, чем у суперконденсаторов, потому что конденсаторы не зависят от химических реакций для хранения энергии, что делает срок службы суперконденсаторов намного дольше, чем у батарей.

Стоимость

Первоначальная стоимость суперконденсаторов

намного выше, чем у батарей, поэтому во многих конструкциях вместо них используются батареи. Учитывая разницу в сроке службы суперконденсаторов и батарей, долгосрочная стоимость суперконденсаторов может быть более дешевым вариантом даже при более высокой начальной стоимости.Все зависит от срока службы, необходимого для конкретного приложения.

Заключение

Во многих приложениях упомянутые ранее различия исключают замену батарей на суперконденсаторы. В некоторых приложениях нет места для добавления такого количества суперконденсаторов, которое требуется для достижения плотности энергии, содержащейся в батареях. Другим приложениям нужны суперконденсаторы, чтобы удерживать заряд дольше, или их нужно заряжать чаще, чем батареи, что не всегда возможно.Существуют достижения в технологиях суперконденсаторов, которые обеспечивают более высокую плотность энергии, но эта возможность все еще находится за пределами диапазона плотности энергии батареи. Однако в некоторых приложениях гибридная конфигурация оказывается наиболее полезной. Суперконденсаторы обеспечивают быстрый выброс энергии для приложения, в то время как батареи удовлетворяют долгосрочные потребности в энергии.

Суперконденсаторы против батарей — База знаний BatteryGuy.com

В суперконденсаторах нет ничего нового.General Electric пыталась использовать их потенциал в 1950-х годах, но сегодня пресса внезапно загорелась рассказами о том, что эта технология навсегда изменит способ хранения энергии. Было даже предположение, что батареи в том виде, в каком мы их знаем, больше никогда не будут прежними.

Волнение действительно кажется заслуженным. У них есть способность перезаряжаться за секунды и в отличие от всех

. Электрические автобусы с питанием от суперконденсаторов используются в Китае почти десять лет.

типов батарей, которые зависят от внутренних химических реакций и поэтому изнашиваются, а суперконденсаторы со временем не разрушаются.Это означает, что суперконденсатор на 2,7 В сегодня будет суперконденсатором на 2,7 В через 15 лет. Все остальные современные конструкции аккумуляторов постепенно теряют производительность, а это означает, что ваша 12-вольтовая батарея сегодня может превратиться в 11,4-вольтовую батарею всего за 3 года.

Пожалуй, больше всего привлекает внимание то, что суперконденсаторы можно напечатать на 3D-принтере, что делает их в высшей степени универсальными для любой формы без необходимости создания производственной линии. Не меньшее восхищение вызывает их ультратонкая природа, что означает, что их можно легко интегрировать в одежду и другие ткани.

Так стоит ли готовить учебники истории для батарей? Еще не совсем.

Развитие портативной энергетики не было линейным. Технологический прогресс не всегда продвигал производительность аккумуляторов на каждый уровень. Вот почему, хотя литий-ионный аккумулятор, который питает ваш телефон, появился в 1990-х годах, тот, который запускает ваш автомобиль, скорее всего, все еще свинцово-кислотный и основан на конструкции, которой более 200 лет!

«Новое» обычно означает «лучше» в или способами.Литий-ионные батареи хороши для медленного разряда стабильной энергии в течение длительных периодов времени, но они дороги. Свинцово-кислотные батареи быстро производят большое количество энергии и, что самое главное, дешевы в производстве.

История батареи изобилует техническими достижениями, но на каждом этапе старые химические продукты выживают и продолжают использоваться, потому что, хотя вся новая концепция захватывает заголовки, она никогда не бывает лучше в на каждом этапе .

Суперконденсаторы ничем не отличаются… на данный момент.Хотя они могут заряжаться быстро, работать намного дольше, сохранять большую мощность и работать при экстремальных температурах, большинство других химических продуктов просто не могут справиться с этим, они плохо обеспечивают постоянную мощность в течение длительных периодов, как показано на графике ниже.

Суперконденсатор в сравнении с характеристиками заряда и разряда батареи. Батареи поддерживают постоянное напряжение во время разряда, суперконденсаторы — нет — график Tecate Group

С точки зрения накопления энергии существует некоторая общая путаница. В то время как суперконденсатор, имеющий такой же вес, как батарея, может удерживать большую мощность, его мощность в ваттах / кг — Power Density до десяти раз лучше, чем у литий-ионных батарей.Его неспособность к медленной разрядке означает, что его Плотность энергии (Ватт-час / кг или Втч / кг) является частью той, что предлагается литий-ионным аккумулятором.

Плотность мощности и плотность энергии суперконденсаторов по сравнению с другими формами хранения — Изображение: Tecate Group

Они также довольно плохо удерживают свой заряд, саморазряжаясь до половины своей емкости в течение 40 дней, когда не используются, — это не та характеристика, которую вы хотите под капотом вашего автомобиля или в вашей дымовой пожарной сигнализации.

Наконец, у суперконденсаторной ячейки напряжение около 2.5 по сравнению с литий-ионным 3,6. Вы можете начать соединять их вместе, но сама схема становится причиной внутреннего сопротивления, которое может уменьшить преимущества суперконденсатора.

Короче говоря, все еще остается желать лучшего для тех, кто хочет полностью заменить все батареи на суперконденсаторы.

Так к чему весь такой ажиотаж?

Так же, как литий-ионная батарея сделала возможными мобильные телефоны, но не заменила батареи легковых и грузовых автомобилей, суперконденсатор определенно играет роль в портативных источниках энергии.

Китай уже использует их в некоторых гибридных автобусах с 2006 года. Когда автобус тормозит, останавливаясь и забирая пассажиров, энергия, генерируемая тормозами, передается на суперконденсаторы. Он хранится там, пока пассажиры садятся на борт, а затем обеспечивает готовый источник ускорения при трогании с места.

Это означает, что автобусу требуется меньше литий-ионных батарей (в некоторых случаях вообще не требуется), что делает его легче и позволяет проехать дальше на одной зарядке. Дэн Йе, исполнительный директор Sinautec, a U.Южнокитайское совместное предприятие, производящее автобусы только с суперконденсаторами, утверждает, что автомобили могут идти на 40% больше, чем стандартные электрические автобусы, и на 40% дешевле в производстве.

Но когда дело касается автомобилей, нужно проявлять осторожность. Автобусы постоянно останавливаются и трогаются с места, поэтому существует гарантированный постоянный источник энергии, перемещающийся от тормозов к суперконденсаторам. Они также следуют обычному маршруту, где могут быть размещены резервные зарядные станции, если при торможении суперконденсаторы недостаточно заряжены.

Джо Шиндалл — профессор электротехники и информатики Массачусетского технологического института. Он отмечает, что из-за этих проблем суперконденсаторы «плохо подходят для электромобилей».

Суперконденсаторы в смартфонах и ноутбуках?

В настоящее время это маловероятно, потому что, хотя способность перезаряжаться в течение нескольких секунд заставляет многих пускать слюни с нетерпением, суперконденсаторы не сохраняют стабильное напряжение или емкость при разряде. Это именно то, что нужно смартфонам и ноутбукам для работы в течение длительного времени, поэтому кажется, что литий-ионные батареи пока не сойдутся с места.

Когда дело доходит до полной замены батарей другого химического состава, суперконденсатор пока этого не сделает.

Вместо этого они стремятся присоединиться к аккумуляторным батареям в мире портативных источников энергии и предлагают улучшения в некоторых областях, но ничего близкого к полной замене, похоже, не подразумевают многие заголовки.

Последняя битва

В общем, суперконденсаторы подходят для приложений, требующих возможности быстрой зарядки и разрядки, где это время измеряется в секундах или нескольких минутах.Для всего, что требует более длительного времени, батареи остаются лучшим решением.

Характеристика Суперконденсаторы Литий-ионные батареи
Вт / кг (удельная мощность) 5 до 240
Втч / кг (удельная энергия) до 10 000 до 3000
Время заряда (элемента) секунд минут
Напряжение элемента г.2,5 3,6
Срок службы 1 миллион + до 3000
Диапазон рабочих температур Нагнетание:
от –40 до 65 ° C (от –40 до 149 ° F)
Перезарядка:
от –40 до 65 ° C (от –40 до 149 ° F)
Нагнетание:
от –20 до 60 ° C (от –4 до 140 ° F)
Перезарядка:
от 0 до 45 ° C (от 32 ° до 113 ° F)
Саморазряд 50% в течение месяца до 3% в месяц

Дополнительная литература и источники:

мифов против реальности — Capacitech Energy

Реальность: Конденсаторы, суперконденсаторы и батареи накапливают энергию.Разница в том, сколько энергии они могут хранить, как показано в их номинальной удельной энергии (Втч / л) или плотности энергии (Втч / кг). Они также различаются скоростью или скоростью, с которой может передаваться их энергия, что показано в их номинальной мощности (Вт / л) или удельной мощности (Вт / кг). Батареи хранят больше энергии, но конденсаторы хранят больше энергии. Эти различия в производительности связаны с различиями в материалах, химическом составе и конструкции каждой технологии.

Конденсаторы имеют две проводящие пластины, разделенные непроводящим слоем, часто называемым диэлектриком.Это дает конденсатору возможность заряжаться / разряжаться до высокого напряжения, если непроводящий диэлектрический слой достаточно толстый. Основным механизмом накопления энергии в конденсаторах является электрическое поле между двумя проводящими слоями.

Батареи также состоят из двух проводящих слоев, но между ними находится электролит, который помогает создать химическую реакцию между этими слоями. Электролит может быть жидким химическим веществом, которое поглощается разделителем, расположенным между пластинами, или может быть твердым электролитом (который действует как разделитель) между пластинами.Хотя электрическое поле все еще существует, проводящие слои расположены намного дальше друг от друга, чем в конденсаторе, что делает электрическое поле слабым. Химические реакции являются основным механизмом накопления энергии в батареях. Химические реакции требуют времени, но именно это позволяет получить гораздо более высокую плотность энергии. Кроме того, химические реакции происходят при очень определенных напряжениях, поэтому напряжение аккумуляторов ограничено основной химической реакцией.

Суперконденсаторы , также известные как суперконденсаторы , или электрохимические двухслойные конденсаторы , сочетают в себе структуру конденсаторов и батарей.Так же, как конденсаторы и батареи, суперконденсаторы имеют два проводящих слоя. Подобно традиционному конденсатору и в отличие от батареи, проводящие слои в суперконденсаторе очень близки друг к другу, что помогает ему использовать электрическое поле в качестве механизма хранения энергии. Однако между пластинами суперконденсатор похож на батарею с точки зрения поглощения химического состава жидкости сепаратором между пластинами или использования твердого электролита между пластинами. Таким образом, суперконденсаторы могут использовать два механизма накопления энергии: электрическое поле в конденсаторе и химические реакции в батарее.

Наши кабельные конденсаторы (CBC) уникальны тем, что их структура состоит из гибких слоев в форм-факторе коаксиального кабеля вместо традиционных жестких слоев.

Следует отметить, что в конденсаторах, батареях и суперконденсаторах используются различные материалы и химический состав, что оптимизирует их характеристики в зависимости от предполагаемого применения.

Суперконденсатор и литий-ионная технология в сочетании

Суперконденсаторы

обычно используются там, где требуется быстрое увеличение энергии, в качестве альтернативы перезаряжаемой батарее.Самый распространенный тип суперконденсаторов, EDLC (конденсаторы с двойным электрическим слоем), обеспечивают в тысячи или десятки тысяч раз большую емкость, чем обычные конденсаторы, а их плотность энергии делает их в 10 раз меньше, чем у батарей (подробнее о том, как работают EDLC, подробнее). Однако, хотя EDLC предлагают высокую емкость, превосходную удельную мощность и впечатляющую эффективность, есть несколько присущих им свойств, которые нежелательны для некоторых приложений.

Например, большинство устройств демонстрируют характеристику, называемую саморазрядом, что означает, что, если они не разряжаются в течение короткого времени, накопленная энергия будет рассеиваться.Эффект особенно заметен при высоких температурах. Как ток утечки, так и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) также могут исключать EDLC из определенных приложений. Альтернатива, вторичная литий-ионная (литий-ионная) батарея, обеспечивает более высокую плотность энергии с уменьшенным саморазрядом, но они эффективно изнашиваются после ряда циклов зарядки / разрядки. Они также страдают от проблем, связанных с безопасностью, например, от теплового разгона, который может иметь катастрофические последствия.

На рынке есть устройства другого типа, сочетающие в себе лучшие характеристики EDLC и литий-ионных аккумуляторов.Названные литий-ионными конденсаторами или гибридными конденсаторами, они фактически представляют собой комбинацию двух технологий. В то время как EDLC удерживают энергию с помощью электростатического заряда, а литий-ионные батареи используют электрохимический метод, в литий-ионных конденсаторах используется один электростатический электрод и один электрохимический. В результате получается устройство с более высокой плотностью энергии, чем у EDLC, но без характеристики саморазряда и более высокой долговечностью (большее количество циклов заряда-разряда), чем у литий-ионной батареи, без возможности опасного теплового разгона.

Внутри литий-ионного конденсатора (на фото слева) положительный электрод сделан из активированного угля. Он погружен в жидкий электролит (похожий на раствор литий-ионной соли, используемый в батареях) вместе с отрицательным электродом, изготовленным из материала на основе углерода, легированного ионами лития. Сепаратор предотвращает прямое электрическое напряжение материала на основе углерода, легированного ионами лития. Сепаратор предотвращает прямой электрический контакт. Предварительно это углеродный материал, легированный ионами лития.Сепаратор предотвращает прямой электрический контакт. Предварительное легирование отрицательного электрода ионами лития снижает его электрический потенциал, а это означает, что более высокое выходное напряжение может быть получено без высокого потенциала на положительном электроде, примерно до 3,8 В. Поскольку плотность энергии пропорциональна квадрату выходного напряжения, можно получить без высокого потенциала на положительном электроде, примерно до 3,8 В. Поскольку плотность энергии пропорциональна квадрату этого напряжения, литий-ионные конденсаторы в несколько раз более энергоемкие, чем EDLC, с аналогичной плотностью мощности.Это означает, что такое же количество энергии может храниться в гораздо более компактном литий-ионном конденсаторе, чем эквивалентный EDLC, что способствует сохранению небольших размеров устройства. Предварительное легирование также помогает стабилизировать потенциал электрода, что означает очень небольшой саморазряд (см. График слева).

По сравнению с литий-ионным аккумулятором, в котором ионы вставлены или извлечены (интеркалированы или деинтеркалированы) в углеродную решетку, ионы в литий-ионном конденсаторе просто адсорбируются или десорбируются на поверхности электрода, кристаллические изменения отсутствуют. место.Это дает литий-ионным конденсаторам большое преимущество перед батареями с точки зрения количества циклов заряда / разряда, которое они могут выдержать, аналогично долговечности EDLC. Литий-ионные конденсаторы также не содержат кислорода или оксидов, поэтому они не подвержены тепловому разгоне. Это делает их более безопасной альтернативой литий-ионным аккумуляторам. Полная сравнительная таблица между технологиями приведена ниже.


Сравнение свойств EDLC, литий-ионных конденсаторов и литий-ионных батарей (LIB)

В качестве примера некоторых реальных устройств Avnet Abacus несет части литий-ионных конденсаторов от Taiyo Yuden от 40 до 270F (17.От 77 до 120 мАч) с ESR всего 0,05 Ом (справа). Они выпускаются в цилиндрических металлических корпусах, самый маленький из которых — 35 мм x 12,5 мм. Диапазон рабочих температур составляет от -25 до + 70 ° C, но его можно расширить до + 85 ° C, снизив рабочее напряжение с 3,8 до 3,5 В. Ряд устройств большой емкости также находится в стадии разработки — ожидается, что они будут охватывать диапазон от 500 до 1000F (от 222 до 1420 мАч).

Различные свойства EDLC, литий-ионных аккумуляторов и литий-ионных конденсаторов подходят каждой технологии для различных приложений.Литий-ионные конденсаторы идеально подходят для приложений, требующих высокой плотности энергии, высокой плотности мощности, низкой утечки, долговечности, долговечности и безопасности, а также везде, где рабочая температура слишком высока для эффективной работы EDLC. Сюда могут входить резервные источники питания для памяти и других микросхем, вспомогательные устройства питания для целей энергосбережения (например, быстрый нагрев барабана в копировальных аппаратах и ​​при запуске для проекторов) и автомобильную электронику, которая подвержена резким температурам.

Ключевой новой областью применения литий-ионных конденсаторов являются источники питания для устройств сбора энергии, поскольку они быстро перезаряжаются, легки и не разряжаются.Они могут накапливать генерируемую энергию и быстро ее производить, например, когда требуется беспроводная передача. Поскольку они не изнашиваются, устраняются затраты на техническое обслуживание при замене батарейки типа «таблетка». Мы ожидаем увидеть множество новых типов небольших приложений для сбора энергии, которые станут прямым результатом этой захватывающей технологии.

Если вас интересует технология литий-ионных конденсаторов и вы хотели бы обсудить ваши последние требования к конструкции с одним из наших региональных специалистов по продукции, нажмите здесь, чтобы связаться.

Хотите еще такого? Подпишитесь на нашу рассылку новостей

Об авторе

Мартин Кинан

В качестве технического директора Мартин отвечает за техническую маркетинговую стратегию в области интеллектуальной собственности, энергетики и …

Библиотека содержимого abacus / статьи / гибридные конденсаторы-комбайн-суперконденсатор и литий-ионная технология Сочетание суперконденсатора и литий-ионной технологии | Авнет Абакус

Суперконденсатор VS Li-Ion Battery_Greenway аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор хорошо известен своей эффективностью работы и долговечностью, но на рынке доступны многие другие типы накопителей наждака.Эти вещи не только обеспечивают эффективную работу, но и дают наилучшие результаты, суперконденсатор — один из них. Давайте поговорим об этом подробнее.

Можем ли мы использовать суперконденсатор в качестве батареи?

Суперконденсаторы — это конденсаторы с высокими предельными значениями, с более низкими пределами напряжения и более высокой емкостью, чем у различных типов конденсаторов, и практически они лежат где-то посередине электролитических конденсаторов и батарей с батарейным питанием.

Практически это означает, что они:

1.Заряжается намного быстрее, чем аккумуляторы

2. может хранить значительно больше жизнеспособности, чем электролитические конденсаторы

3. Иметь ожидаемый срок службы (оцениваемый в циклах управления / сброса) где-то близко к двум (больше, чем батареи с батарейным питанием и не совсем электролитические конденсаторы)

Для проверки ожидаемой продолжительности жизни подумайте о том, что, в то время как электролитические конденсаторы имеют неограниченное количество циклов зарядки, литиевые батареи обычно находятся в диапазоне от 500 до 10 000 циклов.Как бы то ни было, суперконденсаторы имеют ожидаемый срок службы от 100000 до миллиона циклов. Чтобы понять это подробнее, давайте проверим преимущества и недостатки суперконденсатора.

Достоинства и недостатки суперконденсаторов

К достоинствам суперконденсаторов можно отнести:

I. Баланс накопления жизнеспособности со временем зарядки и высвобождения:

Хотя они не могут хранить столько же жизнеспособности, как эквивалентно оцененные литиевые батареи (они обычно хранят живучесть по весу), суперконденсаторы могут восполнить это скоростью заряда.Время от времени они почти на 1000 раз быстрее, чем время зарядки сопоставимого предельного аккумулятора.

II. Некоторые электрические игрушки, в которых используются суперконденсаторы, могут заряжаться мгновенно:

Многие компании надеются воплотить аналогичную идею в настоящих электромобилях. Представьте себе электромобили, управляемые суперконденсаторами (вместо батарей с батарейным питанием), которые могут полностью заряжаться за меньшее время, чем требуется для заправки двигателя с невозобновляемым источником энергии газом, в отличие от длительных периодов времени зарядки, регулярно требуемых батареей. -работал авто.

III.Рабочие температуры в широком диапазоне:

Суперконденсаторы имеют намного более продолжительную рабочую температуру (от -40F до +150F).

Недостатки суперконденсаторов:

IV.Самовыпуск:

Суперконденсаторы не подходят для длительного хранения жизнеспособности. Скорость выпуска суперконденсаторов существенно выше, чем у литиевых батарей; они могут терять до 10-20 процентов своего заряда каждый день из-за саморазвязки.

V. Постепенная неудача напряжения:

В то время как батареи дают близкое постоянное выходное напряжение до полного разряда, выходное напряжение конденсаторов падает непосредственно с их зарядом.

Заменят ли когда-нибудь суперконденсаторы литий-ионные батареи?

Поскольку во многих приложениях их способности недостаточно для воспроизведения активности в течение длительного времени. В любом случае, люди часто упускают из виду одно важное качество — стойкость. Суперконденсаторы можно заряжать и разряжать большое количество раз, а аккумуляторы — пару тысяч, в лучшем случае.Он может быть заменен дорогостоящим аккумулятором по следующим причинам:

Дешевле:

Поскольку их производство дешевле, чем аккумуляторы (зависит от размера), и их срок службы на 1000 больше, они могут быть полностью прибыльными, если вы можете разыграть то, что вам нужно.

Долгая жизнь:

Смогли бы вы представить, как за 1 мгновение зарядите свой мобильный телефон энергией? Это может не длиться 24 часа, но что насчет 8 часов, вы можете оживить где-то еще в один момент и не обесцениться через пару лет, намного лучше, чем тупая литий-ионная батарея, но люди ленивы, я не знаю, могут ли они может потребоваться зарядить в течение дня в любом случае, на мгновение?

Быстрая работа:

Они будут все больше использоваться для рекуперативного торможения, где они могут поглощать жизненную силу значительно быстрее, чем батареи, и они передают излишки батареям, еще половину или половину емкости.

С многообещающим последействием графена вполне вероятно, что супер-суперконденсаторы могут вытеснить батареи. Когда они в какой-то степени обращаются с подобным запросом, пришло время его рассмотреть. Иметь ввиду; Конденсаторы полезны для многих циклов, а не для пары тысяч, как батареи, и они заряжаются в 1000 раз быстрее, если ваша зарядная станция может обеспечить силу тока.

Сравнение суперконденсатора и литий-ионного аккумулятора:

Итак, батареи и суперконденсаторы в чем-то совпадают, причем качество одного является недостатком другого.Отдельно стоит выделить основные параметры суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторов:

1. время зарядки:

В этом суперконденсатор превосходит ожидания: время зарядки составляет от 1 до 10 секунд, в отличие от 10–1 часа для достижения полной зарядки аккумулятора.

2.Жизнь:

Типичные батареи имеют 500-1000 циклов заряда-разряда, в то время как суперконденсаторы могут достигать одного миллиона циклов. В транспортном средстве будущее аккумуляторов составляет от 5 до 10 лет, а у суперконденсаторов — от 10 до 15 лет.

3. явная живучесть:

Это полная выносливость на единицу массы и является существенным недостатком суперконденсатора с нормальным значением 10 Втч / кг, в отличие от 100-200 для батарей. Для справки, у нас есть 3700 Втч / кг для нефтяного топлива (с учетом 30% эффективности двигателя внутреннего сгорания). Что касается единицы объема, суперконденсаторы также сильно отстают — 15 Втч / л и 1200 Втч / л для батарей. Это означает, что iPhone 5, управляемый суперконденсатором, будет иметь толщину 2 дюйма.

4. явная мощность:

Поскольку суперконденсаторы могут быстро заряжаться, они также могут быстро высвобождаться, таким образом они могут передавать интенсивность до 10 кВт / кг. С другой стороны, у литий-ионных аккумуляторов максимальная мощность составляет 3000 Вт / кг.

5.Стоимость:

Будучи умеренным нововведением, суперконденсаторы пока что дороги, их стоимость составляет около 20 долларов за ватт, в то время как батареи намного дешевле в диапазоне от 0,5 до 1 доллара за ватт.

Итог:

Литий-ионные батареи и суперконденсаторы — это два разных типа накопителей энергии, но они оба используются сейчас.Главное отличие в их доступности, цене и сроке службы. Суперконденсатор официально не применяется на рынке и в тех местах, где вы можете найти его, довольно дорого, чем его первоначальная цена. Это может быть инструмент нового поколения для зарядки и хранения энергии.

Батареи против суперконденсаторов — компоненты ES

В настоящее время доминирующим устройством хранения энергии остается аккумулятор, особенно литий-ионный аккумулятор. Литий-ионные батареи питают почти все портативные электронные устройства, а также почти все электромобили, включая Tesla Model S и Chevy Volt.Батареи накапливают энергию электрохимически, когда химические реакции высвобождают электрические носители, которые могут быть извлечены в цепь. Это можно проиллюстрировать на примере ионно-литиевой батареи: во время разряда энергоемкий ион лития перемещается от высокоэнергетического анодного материала через сепаратор к низкоэнергетическому катодному материалу. Движение лития высвобождает энергию, которая выводится во внешнюю цепь. Когда аккумулятор заряжен, энергия используется для перемещения иона лития обратно в высокоэнергетический анодный состав.

Процесс зарядки и разрядки аккумуляторов — медленный процесс, который со временем может привести к разложению химических соединений внутри аккумулятора. В результате батареи имеют низкую удельную мощность и теряют способность сохранять энергию в течение всего срока службы из-за материального ущерба.

Суперконденсатор использует другой механизм хранения. В суперконденсаторе энергия электростатически накапливается на поверхности материала и не включает химических реакций. Благодаря своему основному механизму суперконденсаторы можно быстро заряжать, что приводит к очень высокой плотности мощности, и со временем они не теряют своих возможностей хранения.Суперконденсаторы могут работать миллионы циклов заряда / разряда без потери способности аккумулировать энергию. Основным недостатком суперконденсаторов является их низкая плотность энергии, а это означает, что количество энергии, которую суперконденсаторы могут хранить на единицу веса, очень мало, особенно по сравнению с батареями. Кроме того, стоимость материалов суперконденсаторов часто превышает стоимость материалов батарей из-за повышенной сложности создания высокопроизводительных материалов суперконденсаторов, таких как графен.Однако недавние достижения в создании новых материалов для суперконденсаторов и совершенствовании методов производства материалов могут вскоре преодолеть разрыв в плотности энергии для некоторых коммерческих приложений.

Две технологии в этой войне накопителей энергии, батарея и суперконденсатор, напоминают мне черепаху и зайца из известной басни. Батарея представляет черепаху как медленного и стабильного поставщика энергии для больших потребностей в энергии, а суперконденсатор представляет собой зайца, который быстро заряжается и разряжается для низких энергозатрат.Тем не менее, вместо того, чтобы рассматривать их как конкурирующие технологии, может быть более полезно рассматривать их как дополнительные технологии: суперконденсаторы от Maxwell Technologies (NASDAQ: MXWL) в настоящее время используются в китайских гибридных автобусах.

Опубликовано в категории: Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.