Superkondensatory

Rozwój technologii magazynowania energii elektrycznej jest bardzo ważnym aspektem transformacji energetyki. Obecnie najbardziej rozpowszechnione jest magazynowanie energii za pomocą baterii litowo-jonowych, które jednak mają wiele wad, m. in. krótki cykl życia i nieprzyjazność środowisku. Dodatkowo ich dostępność będzie spadać wraz ze zmniejszaniem się światowych zasobów litu. Dlatego ważny jest rozwój innych sposobów magazynowania energii, aby w przyszłości mogły one w zupełności zastąpić ogniwa litowo-jonowe. Jedną z takich technologii są superkondensatory. Łączą one w sobie zalety tradycyjnych kondensatorów (wysoka gęstość mocy) oraz akumulatorów (wysoka gęstość energii). Istnienie różnych technologii superkondensatorowych (kondensatory EDLC, pseudokondensatory, kondensatory hybrydowe) i ich stały rozwój sprawia, że mają coraz więcej zastosowań. 

Jak działają superkondensatory?

Superkondensatory, nazywane także ultrakondensatorami, to kondensatory elektrolityczne, których pojemność elektryczna jest wielokrotnie większa niż pozostałych kondensatorów (zazwyczaj 10-100 razy na jednostkę masy). Jest to możliwe dzięki występowaniu zjawiska podwójnej warstwy Helmholtza na granicy dwóch faz. W jej obszarze występuje statystycznie nierównomierne rozmieszczenie elektronów lub jonów. Wykorzystanie elektrycznej warstwy podwójnej pozwala na osiągnięcie dużej powierzchni styku między materiałem i elektrolitem, a to z kolei umożliwia osiąganie wysokich pojemności. To zjawisko wykorzystują superkondensatory EDLC (electrostatic double-layer capacitors – elektrostatyczne kondensatory dwuwartswowe). Inny rodzaj superkondensatorów, pseudokondensatory, magazynuje energię dzięki zjawisku pseudopojemności elektrochemicznej.

Historia superkondensatorów

Od lat 50. ubiegłego wieku inżynierowie z firmy General Electric prowadzili eksperymenty z wykorzystaniem elektrod zbudowanych z porowatego węgla aktywnego. W 1957 roku H. I. Becker opatentował pierwszy elektrochemiczny kondensator. Był to kondensator dwuwarstwowy, choć samo zjawisko warstwy podwójnej jeszcze nie zostało odkryte. Jednak wynalazek Beckera wykazał, że zastosowanie węgla aktywnego pozwala na uzyskanie bardzo wysokiej pojemności kondensatora.

Znany dzisiaj kształt superkondensatorów wynalazł Robert A. Rightmire, chemik z Standard Oil Company of Ohio (SOHIO). SOHIO jednak nie znalazło praktycznego zastosowania dla wynalazku. Firma udzieliła licencji na produkt Nippon Electric Company (NEC). NEC skomercjalizował technologię w 1975 roku i stworzony produkt nazwał superkondensatorem.

Później pojawiły się alternatywne technologie. Między rokiem 1975 a 1981 rozwijana była koncepcja pseudopojemności, która doprowadziła do powstania pseudokondensatorów. W 1994 roku powstał elektrolityczno-elektrochemiczny kondensator hybrydowy. Natomiast w 2007 roku wynaleziono kondensator litowo-jonowy. Obecnie wciąż trwają prace nad poprawą parametrów superkondensatorów, takich jak gęstość energii i mocy czy stabilność cyklu.

Rodzaje superkondensatorów

Kondensatory dwuwarstwowe

Kondensatory dwuwarstwowe wykorzystują elektrody o ogromnej powierzchni czynnej (przekraczającej 2000 m2/g). Uzyskiwana jest ona dzięki wykorzystaniu nanorurek węglowych stworzonych ze zwiniętego grafenu (heksagonalnej struktury atomów węgla o grubości jednego atomu).

Elektrody kondensatora dwuwarstwowego rozdzielone są separatorem, którego rolą jest uniemożliwienie bezpośredniego zwarcia elektrod, jednak który jest przepuszczalny dla jonów. Każda z elektrod jest nasączona elektrolitem. Odległość między znajdującymi się w nim jonami jest bardzo mała, co umożliwia umiejscowienie elektrod bardzo blisko siebie.

Kondensatory dwuwarstwowe charakteryzują się bardzo duża gęstością mocy i szybkością ładowania i rozładowania w porównaniu z akumulatorami. Mogą też wykonać bardzo dużą liczbę cykli pracy (do miliona na cykl życia urządzenia, podczas gdy w przypadku baterii akumulatorowych jest to zazwyczaj kilka tysięcy). Superkondensatorów można używać nawet przez kilkadziesiąt lat. Ich sprawność jest wysoka (84-95%). Dodatkowo nie wywierają znaczącego negatywnego wpływu na środowisko. Gęstość energii kondensatorów dwuwarstwowych jest jednak niższa niż w przypadku akumulatorów. Są one też bardziej podatne na samorozładowanie. Czas ładowania i rozładowania wynoszący kilkadziesiąt sekund jest znacząco krótszy, niż w dla akumulatorów, lecz dłuższy niż w przypadku klasycznych kondensatorów (1 s) ze względu na duże rozproszenie rezystancji wewnętrznej.

budowa i działanie kondensatora EDLC
Budowa i zasada działania superkondensatora dwuwarstwowego. ŹródłoElektronika praktyczna

Pseudokondensatory

Pesudokondensatory nazywane także kondensatorami pseudopojemnościowymi są źródłem prądu faradajowskiego, generowanego w reakcji redukcji i oksydacji zachodzących w elektrodach i elektrolicie. Materiałami elektrod mogą być w tym przypadku tlenki metali lub przewodzące polimery.

Kondensatory pseudopojemnościowe przewyższają kondensatory dwuwarstwowe gęstością energii (prawie dwukrotnie większa). Ich rezystancja szeregowa jest przy tym niższa. Są one jednak mniej trwałe niż kondensatory EDLC.

Kondensatory hybrydowe

Kondensatory hybrydowe łączą w sobie właściwości baterii akumulatorowych (anoda) i superkondensatorów EDLC (katoda). Przykładem takich superkondensatorów są kondensatory litowo-jonowe. Gromadzą one ładunek w sposób charakterystyczny dla superkondensatora z wykorzystaniem warstwy podwójnej oraz dla baterii litowo-jonowej (interkalacja i deinterkalacja atomów litu).

Dzięki takiej budowie kondensatory hybrydowe wykazują się wyższym napięciem pracy i gęstością energii niż symetryczne superkondensatory, a ich prąd samorozładowania jest mniejszy. Gęstość mocy kondensatorów hybrydowych jest jednak mniejsza i, w przeciwieństwie do innych superkondensatorów, nie mogą zostać w pełni rozładowane.  

Zastosowania superkondensatorów

Ze względu na swoją zasadę działania superkondensatory stosowane są w urządzeniach, w których potrzebne jest szybkie ładowanie i rozładowywanie, na przykład w samochodach z częściowym napędem hybrydowym, w których mogą gromadzić energię wydzielaną podczas hamowania zamiast lub obok baterii. Zastosowanie ich do krótkotrwałego dostarczania mocy szczytowej pozwala na zmniejszenie rozmiarów całego układu. Superkondensatory mogą także zapewniać zasilanie awaryjne, np. w systemach UPS. W niewielkich urządzeniach elektrycznych i elektronicznych mogą stanowić również źródło ciągłego zasilania.

Przyszłość superkondensatorów

Technologia superkondensatorów jest ciągle rozwijana. W najbliższej przyszłości możliwe jest wykorzystywanie ich do poprawy parametrów innych urządzeń magazynujących energię, na przykład poprzez zwiększenie gęstości mocy uzyskiwanej z baterii. Gdyby udało się zwiększyć ich gęstość energii i do poziomów porównywalnych z bateriami, to superkondensatory będą na dobrej drodze do całkowitego zastąpienia akumulatorów w niektórych zastosowaniach.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię tutaj

Najnowsze

PARTNER STRATEGICZNY PORTALU

PARTNERZY PORTALU

Kategorie

BĄDŹMY W KONTAKCIE

Najnowsze

PARTNER STRATEGICZNY PORTALU

PARTNERZY PORTALU

Kategorie

BĄDŹMY W KONTAKCIE