Типы и основные области применения суперконденсаторов

Практическое применение суперконденсаторов

Современные ионисторы нашли широкое применение в таких сферах, как:

Транспортные средства;
Бытовая электроника.

Транспортные средства

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

Тяжёлый и общественный транспорт

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

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

Автомобили

Мировые лидеры по производству автомобилей постоянно совершенствуют свои электромобили

На международных выставках особое внимание уделяется машинам, питание которых обеспечивают суперконденсаторы

Автомобильный суперконденсатор

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

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

СК для пуска двигателя

Автогонки

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

Бытовая электроника

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

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

Ионистор для ИБП

Суперконденсаторы

Суперконденсатор также известен как ультраконденсатор или конденсатор с двойным электрическим слоем. Эти конденсаторы изготовлены с тонким разделителем электролита, который окружен ионами активированного угля. Он отличается от обычного конденсатора тем, что емкость суперконденсатора очень высока и составляет порядка миллифарад при диапазонах напряжения от 2,3 В до 2,75 В.

Суперконденсаторы делятся на три типа в зависимости от конструкции электродов, к которым они относятся.

Двухслойные конденсаторы: у этих конденсаторов есть угольные электроды или их производные.
Псевдоконденсаторы: эти конденсаторы имеют электроды из оксида металла или проводящего полимера.
Гибридные конденсаторы: эти конденсаторы имеют асимметричные электроды.

Суперконденсаторы в основном используются в устройствах, где требуется очень большое количество циклов заряда/разряда, где требуется длительный срок службы, и где требуется большое количество энергии за короткое время. Эти суперконденсаторы обычно используются как временный источник питания, вместо аккумулятора.

История создания суперконденсатора

Ионистор — что это такое и где применяется

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

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

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

Схема аккумулятора на ионисторе

Схема основана на суперконденсаторах, емкость которых во много тысяч раз превышает обычные электролитические конденсаторы (1-3000 фарад), что делает их хорошими накопителями тока. В данном варианте использовались 2 конденсатора по 400 фарад, соединенных последовательно, что дает напряжение 5,4 В для питания преобразователя постоянного тока. Также схема оснащена зарядным модулем и цифровым вольтметром — индикатором напряжения на выходе.

Суперконденсаторы имеют множество преимуществ, они могут заряжаться и разряжаться даже миллион раз, они имеют чрезвычайно низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR для суперконденсатора составляет в среднем 0,01 Ом, для батарей — от 0,02 до 0,2 Ома), что позволяет быстро заряжать и разряжать конденсатор. Заряженные конденсаторы не теряют накопленный заряд во время хранения, как в случае с батареями. Кроме того, они намного безопаснее для окружающей среды.

Схема зарядки суперконденсаторов в данном случае очень проста и построена на основе LM317. Резисторы ограничивают выходное напряжение до 1,25 В. В качестве ограничителя напряжения использовались резисторы 2,2 Ом / 5 Вт, чтобы избежать возможности перегорания LM317. Ограничитель тока можно отключить с помощью перемычки. Защитой от обратного напряжения с заряженных конденсаторов являются два параллельных диода 1N4001.

В батарее конденсаторов работают два элемента, каждый емкостью 400 фарад и напряжением 2,7 В, соединенных последовательно. Это обеспечивает максимальное напряжение 5,4 В и результирующую емкость 200 фарад. Для питания преобразователя постоянного тока требуется напряжение 3,4 В, поэтому данное решение является идеальным — даже если напряжение на конденсаторах упадет с 5,4 до 3,4 В — преобразователь будет работать без проблем. Для удобства использовалась кнопка, позволяющая переключать вольтметр между выходом источником питания преобразователя или проверка состояния заряда конденсаторов.

В качестве преобразователя постоянного тока служит готовое устройство с напряжением питания не менее 3,4 В и диапазоном выходных напряжений до 33 В. Используемый инвертор имеет очень маленький размер, позволяет выдавать максимальное значение тока до 3 А и непрерывный до 2 А. Используемый преобразователь имеет мощность 15 Вт и эффективность 90%.

По желанию можно использовать модульный индикатор напряжения или просто стрелочный вольтметр. В этом решении установлен вольтметр 0-20 В с LED дисплеем. Далее принципиальная схема всей батареи.

Из определения емкости конденсатора следует, что 200F / 5,5 В разряжаются на 1 В (до 4,5 В), давая ток 1 А в течение 200 секунд. Таким образом, в этом конкретном случае инвертор будет работать в течение 7 минут, потребляя 1 А от конденсаторов.

Возможные улучшения и изменения, которые могут быть сделаны при повторении, включают создание сборок конденсаторов с большей емкостью и разработку более совершенной схемы управления зарядкой наряду с дополнительными функциями безопасности.

Сегодня эти конденсаторы можно купить всего за пару долларов за штуку. Кроме того это идеальное решение, например, в качестве буфера у солнечных элементах или ветротурбине, или в качестве источника энергии для сварочного аппарата.

Суперконденсаторы не являются чем-то новым (они используются в автомобильной аудиотехнике в течение уже долгого времени), но процесс производства электродов постоянно совершенствуется. Поскольку они сделаны из углеродного аэрогеля, этот материал чрезвычайно пористый и большая поверхность такого электрода равно большая емкость.

Что касается промышленного применения ионисторов, к примеру есть отвертка с таким источником питания. Можно работать несколько минут на один заряд. Это имеет большое преимущество перед всеми перезаряжаемыми батареями, так как время зарядки всего 50 секунд. Технология называется Flashcell.

Самостоятельная диагностика конденсатора

Поскольку мы говорим о деталях для работы с постоянным током, не имеет значения, какая применяется технология: электролитическая или полимерная. Проверка полярных конденсаторов выполняется одинаково.

Прежде всего, выполняется внешний осмотр. Электролиты не должны иметь следов вздутия, особенно на торце, где есть насечка в виде креста. При осмотре твердотельных корпусов можно увидеть термические повреждения с нарушением геометрии.

Разумеется, необходимо проверить крепление ножек. Компактная конструкция подразумевает небольшие размеры всех компонентов. Ножки могут банально оторваться еще на стадии сборки.

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.

Характерные отличия

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

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

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

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

Внешний вид СК

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

Каковы преимущества суперконденсаторов?

Суперконденсатор имеет очень высокую плотность энергии и удельную мощность. Он может обеспечить большие всплески мощности в течение короткого времени. Кроме того, он обладает способностью быстрой зарядки и более длительным сроком хранения, чем батареи.

Суперконденсатор может работать в широком диапазоне температур (от -40 ° до + 70 ° градусов по Цельсию). Даже при таких температурах его работа очень надежна. Суперконденсаторы экологичны. Его можно вставить в небольшое пространство из-за своего небольшого размера. При перезарядке они не взрываются, как батарейки.

Суперконденсатор быстро реагирует на переходные процессы. Он имеет низкое эквивалентное последовательное сопротивление. Обязательно приобретайте суперконденсаторы с низким ESR, например суперконденсаторы Cap-XX Murata. Эти устройства — один из наиболее эффективных способов устранения пропадания напряжения. Это могло длиться как несколько секунд, так и несколько минут.

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.

Отличия суперконденсаторов от аккумуляторов

Суперконденсаторы часто применяются вместо батарей. Стандартные конденсаторы способны хранить небольшое количество электроэнергии. Суперконденсаторы могут накапливать заряды в тысячи, миллионы и миллиарды раз больше.

Подобные приборы работают быстрее батарей. Это обусловлено тем, что суперконденсатор создает статистические заряды на твердых телах, а батареи зависят от медленно протекающих химических реакций.

Батареи характеризуются более высокой плотностью энергии, а ионисторы более высокой плотностью мощности. Суперконденсаторы способны функционировать при низких показателях напряжения, а для получения большего напряжения, их нужно последовательно соединить. Такой вариант необходим для более мощного оборудования.

Технология ионисторов может найти применение в энергетике и приборостроении. Одно из применений – использование в ветряных турбинах. Подобные приборы помогают сгладить прерывистое питание от ветра.

В портативных электронных приборах используются источники питания разнообразных типов

Преимущества

Если сравнивать ультраконденсаторы с аккумуляторами, то первые из них способны обеспечить значительно большее число циклов заряда и разряда.
Цикл заряда и разряда происходит за очень короткое время, что дает возможность применять их в таких ситуациях, когда нельзя установить аккумуляторы, ввиду их длительной зарядки.
Устройства такого вида имеют намного меньшую массу и габаритные размеры.
Для выполнения заряда не требуется специального зарядного устройства, что упрощает обслуживание.
Срок работы ультраконденсаторов значительно выше, по сравнению с батареями аккумуляторов и силовыми конденсаторами.
Широкий интервал эксплуатационной температуры от -40 до +70 градусов.

Недостатки

Малая величина номинального напряжения. Этот вопрос решают путем соединения нескольких ультраконденсаторов по последовательной схеме, так же, как соединяют несколько гальванических элементов для увеличения напряжения.
Повышенная цена на такие устройства способствует удорожанию изделий, в которых они используются. По заверению ученых, скоро эта проблема станет неактуальной, так как технологии постоянно развиваются, и стоимость подобных устройств снижается.
Ионисторы не способны накопить большое количество энергии, так как имеют незначительную энергетическую плотность, и не могут обладать мощностью, сравнимой с аккумуляторами. Это негативно влияет на область их использования. Эта проблема может частично решиться путем подключения нескольких ионисторов вместе, по параллельной схеме.
Необходимость соблюдения полярности при подключении.
Не допускается короткое замыкание между электродами, так как от этого сильно возрастет температура ультраконденсатора, и он может выйти из строя.
Ионисторы хорошо работают в цепях пульсирующего и постоянного тока. Но при высокочастотном пульсирующем токе они сильно нагреваются ввиду их большого внутреннего сопротивления, что часто приводит к выходу из строя.

Плоский ионистор

Виды суперэлектролитов

Все известные образцы электролитических изделий этого класса подразделяются на следующие виды:

Двухслойные конденсаторные структуры (ДСК);
Гибридные электролитические элементы;
Псевдоконденсаторы.

Рассмотрим каждый из них чуть подробнее.

Двухслойные структуры имеют в своём составе два пористых электрода с проводящим углеродным покрытием, разделенных особым составом (электролитным сепаратором). Процесс аккумулирования энергии в этих образованиях осуществляется за счет разделения противоположных по знаку зарядов, сопровождающегося образованием на электродах значительных по амплитуде потенциалов.

На величину электрического заряда таких структур существенное влияние оказывает емкость двойного накопительного слоя, выполняющего функцию своеобразного поверхностного конденсатора. Между собой эти две накопительные системы соединяются в последовательную цепочку посредством объединяющего их электролита.

Дополнительная информация. В данном случае он играет роль проводника с ионным типом проводимости.

Гибридные электролиты можно отнести к категории переходных структур, занимающих промежуточное положение между аккумулятором и конденсатором. Выбор такого названия для этих изделий обусловлен тем, что электроды в них изготавливаются из материалов разного типа, вследствие чего характер накопления зарядов несколько различен.

Гибридный конденсатор

Обычно функцию катода в них выполняет материал, обладающий так называемой «псевдо ёмкостью», а процесс аккумулирования заряда происходит вследствие протекания окислительно-восстановительных реакций. Такая «архитектура» электролитов этой группы позволяет увеличить суммарную емкость конденсатора, а также расширить диапазон допустимых напряжений.

В этих изделиях чаще всего применяются сложные сочетания материала электродов, представляющих собой комбинацию из особого типа проводящих полимеров (или смешанных оксидов). Ведутся исследования по другим перспективным материалам (композитам, в частности), получаемым методом осаждения оксидов металлов на углеродные основания или полимеры.

Псевдоконденсаторы по своим техническим показателям гораздо ближе к перезаряжаемым аккумуляторным батареям, имеющим два твёрдотельных электрода. В основе их действия лежит сочетание следующих двух механизмов:

Процессы заряда и разряда (аналогичные реакциям, происходящим в обычных аккумуляторах);
Взаимодействия электростатического характера, присущие структурам с двойным электрическим слоем.

Приставка «псевдо» означает, что емкость этих элементов определяется не столько характером электростатических процессов, сколько зависимостью от реакций, связанных с переносом электролитических зарядов.

Классификация конденсаторов

По виду диэлектрика различают:

Конденсаторы вакуумные (обкладки без диэлектрика находятся в вакууме).
Конденсаторы с газообразным диэлектриком.
Конденсаторы с жидким диэлектриком.
Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком: стеклянные (стеклоэмалевые, стеклокерамические, стеклоплёночные), слюдяные, керамические, тонкослойные из неорганических плёнок.
Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком: бумажные, металлобумажные, плёночные, комбинированные — бумажноплёночные, тонкослойные из органических синтетических плёнок.
Электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы. В качестве диэлектрика используется оксидный слой на металлическом аноде. Анод изготовляется, в зависимости от типа конденсатора, из алюминиевой, ниобиевой или танталовой фольги или спечённого порошка. Вторая обкладка (катод) — электролит (в электролитических конденсаторах), или слой полупроводника (в оксидно-полупроводниковых), нанесённый непосредственно на оксидный слой. Емкость их намного больше, чем у обычных, следовательно, габариты также существенно больше.

Отличительная особенность электролитических конденсаторов – полярность. Если обычные конденсаторы можно впаивать в схему не беспокоясь о полярности прикладываемого к конденсатору напряжения, то электролитический конденсатор необходимо включать в схему строго в соответствии с полярностью напряжения. У электролитических конденсаторов один вывод плюсовой, другой минусовой.

Кроме того, конденсаторы различаются по возможности изменения своей ёмкости:

Постоянные конденсаторы — основной класс конденсаторов, не меняющие своей ёмкости (кроме как в течение срока службы).
Переменные конденсаторы — конденсаторы, которые допускают изменение ёмкости в процессе функционирования аппаратуры. Управление ёмкостью может осуществляться механически, электрическим напряжением (вариконды, варикапы) и температурой (термоконденсаторы). Применяются, например, в радиоприёмниках для перестройки частоты резонансного контура.
Подстроечные конденсаторы — конденсаторы, ёмкость которых изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Их используют для подстройки и выравнивания начальных ёмкостей сопрягаемых контуров, для периодической подстройки и регулировки цепей схем, где требуется незначительное изменение ёмкости.

В зависимости от назначения: конденсаторы общего и специального назначения. Конденсаторы общего назначения используются практически в большинстве видов и классов аппаратуры (низковольтные конденсаторы, к которым не предъявляются особые требования). Специальные: высоковольтные, импульсные, помехоподавляющие, дозиметрические, пусковые и другие конденсаторы.

Концепция

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

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

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

Ионистор с двойным электрическим слоем

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

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