Разные, чем другие - Суперконденсаторы (фото Mr Toms World через Flickr)
Введение в суперконденсаторы
Суперконденсатор - 10F / 2.5V
Конденсаторы хранят электрический заряд. Поскольку заряд хранится физически, без химических или фазовых изменений, процесс очень обратимый, и цикл разрядного заряда может повторяться снова и снова, практически без ограничений.
Электрохимические конденсаторы (EC), по-разному упомянутые производителями в рекламной литературе как суперконденсаторы, также называемые ультраконденсаторами и электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC), являются конденсаторами с емкостными значениями, превышающими любые другие типы конденсаторов, доступные сегодня.
Доступны значения емкости до 400 Фарадов в одном стандартном размере корпуса.
Суперконденсаторы имеют самую высокую емкостную плотность, доступную сегодня с такой высокой плотностью, что эти конденсаторы могут использоваться для приложений, обычно зарезервированных для батарей. Суперконденсаторы не такие же объемно эффективны и стоят дороже, чем батареи, но у них есть другие преимущества по сравнению с батареями, что делает предпочтительный выбор в приложениях, требующих хранения большого количества энергии и многократно поставляемых в пакетах.
Самым значительным преимуществом суперконденсаторов над батареями является их способность заряжаться и разряжаться непрерывно, не деградируя, как батареи. Вот почему батареи и суперконденсаторы используются в сочетании друг с другом.
Суперконденсаторы будут подавать питание на систему, если есть всплески или энергетические выбросы, поскольку суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться быстро, в то время как батареи могут подавать объемную энергию, так как они могут хранить и доставлять энергию большего количества в течение более длительного более медленного периода времени.
Строительство суперконденсаторов
Что делает суперконденсаторы отличными от других типов конденсаторов, являются электроды, используемые в этих конденсаторах. Суперконденсаторы основаны на технологии углеродных (нанотрубок). Углеродная технология, используемая в этих конденсаторах, создает очень большую площадь поверхности с чрезвычайно малым расстоянием разделения.
Конденсаторы состоят из 2 металлических электродов, разделенных диэлектрическим материалом. Диэлектрик не только отделяет электроды, но и обладает электрическими свойствами, которые влияют на работу конденсатора.
Суперконденсаторы не имеют традиционного диэлектрического материала, такого как керамика, полимерные пленки или оксид алюминия для отделения электродов, но вместо этого имеют физический барьер, изготовленный из активированного угля, который, когда электрический заряд наносятся на материал, генерируется двойное электрическое поле, которое действует как диэлектрик.
Толщина электрического двойного слоя тонкая, как молекула.
Площадь поверхности слоя активированного угля чрезвычайно велика, что дает несколько тысяч квадратных метров на грамм. Эта большая площадь поверхности позволяет поглощать большое количество ионов.
Зарядка / разрядка происходит в слое ионного поглощения, образованном на электродах активированного угля.
Рисунок 1 - Суперконденсатор
Электроды с активированным углеродным волокном пропитывают электролитом, где между электродами и импрегнантом образуются положительные и отрицательные заряды.
Образующийся электрический двойной слой становится изолятором до тех пор, пока не будет применено достаточно большое напряжение, и ток начинает течь. Величина напряжения, в котором начинается заряд, начинается тем, что электролит начинает разрушаться.
Это называется напряжением разложения.
Двойные слои, сформированные на поверхностях активированного угля, могут быть проиллюстрированы как серия параллельных RC-схем.
Как показано ниже, конденсатор состоит из серии RC-схем, где R1, R2
,
Rn - внутренние сопротивления и C1, C2
,
, Cn - электростатические емкости активированных углей.
Рисунок 2 - Эквивалентная схема
Когда напряжение подается, ток протекает через каждую из схем RC. Время, необходимое для зарядки конденсатора, зависит от значений CxR каждой RC-схемы.
Очевидно, чем больше CxR, тем дольше потребуется заряд конденсатора.
Количество тока, необходимое для зарядки конденсатора, определяется следующим уравнением:
In = (V / Rn) exp (-t / (Cn * Rn))
Суперконденсатор представляет собой двухслойный конденсатор; энергия сохраняется путем переноса заряда на границе между электродом и электролитом. Количество запасенной энергии зависит от имеющегося электрода и поверхности электролита, размера ионов и уровня напряжения разложения электролита.
Суперконденсаторы состоят из двух электродов, сепаратора и электролита.
Два электрода, изготовленные из активированного угля, обеспечивают большую площадь поверхности, определяя так плотность энергии компонента. На электродах токоприемники с высокой проводимой частью обеспечивают интерфейс между электродами и соединениями сверхконденсатора. Два электрода разделены мембраной, которая обеспечивает подвижность заряженных ионов и не препятствует электронному контакту.
Электролит поставляет и проводит ионы от одного электрода к другому.
Сравнение схем построения трех конденсаторов. Слева: «нормальный» конденсатор, средний: электролитический, правый: электрический двухслойный конденсатор
Обычно суперконденсаторы делятся на два типа:
- Двухслойные конденсаторы и
- Электрохимические конденсаторы
Первый зависит от механизма двойных слоев, который является результатом разделения зарядов на границе раздела между электродной поверхностью активного углерода или углеродного волокна и электролитическим раствором. Его емкость пропорциональна удельной площади поверхности материала электрода.
Последнее зависит от быстрой далекой окислительно-восстановительной реакции.
Электрохимические конденсаторы включают суперконденсаторы оксида металла и проводящие полимерные суперконденсаторы. Все они используют высокую обратимую окислительно-восстановительную реакцию, возникающую на поверхности электродов или внутри них, чтобы создать емкость, связанную с потенциалом электрода.
Емкость их зависит в основном от использования активного материала электрода.
Рабочее напряжение электрохимического конденсатора обычно ниже 3 В. На основе высокого рабочего напряжения электролитического конденсатора гибридный суперконденсатор объединяет анод электролитического конденсатора с катодом электрохимического конденсатора, поэтому он обладает лучшими характеристиками с высокой удельной емкостью и высокой плотностью энергии электрохимического конденсатора.
Конденсаторы могут работать при высоком напряжении, не подключая много ячеек последовательно.
Наиболее важные параметры суперконденсатора включают емкость (C), ESR и EPR (что также называется сопротивлением утечки).
Будет продолжено
,