Компьютерные конденсаторы отличаются от обычных

Обновлено: 03.07.2024

Суперконденсаторы обычно используются в качестве накопителей энергии. Суперконденсаторы хранят большое количество электрического заряда по сравнению с электролитическими конденсаторами и всеми другими типами обычных конденсаторов.

Суперконденсатор состоит из электродов с большой площадью поверхности и очень тонкого диэлектрика, что позволяет достичь очень большой емкости (большого накопления заряда). Суперконденсаторы обычно хранят от 10 до 100 раз больше заряда на единицу объема, чем электролитические конденсаторы.

Определение суперконденсатора

Суперконденсатор – это электронное устройство, в котором накапливается большое количество электрического заряда. Эти конденсаторы также известны как ультраконденсаторы или конденсаторы с двойным электрическим слоем.

Чем суперконденсаторы отличаются от обычных конденсаторов?

Материал, используемый для изготовления суперконденсаторов, отличается от обычных конденсаторов. Обычный конденсатор состоит из двух проводящих электродов, разделенных изоляционным материалом. Проводящие пластины конденсатора являются хорошими проводниками электричества, поэтому они легко пропускают через себя электрический ток. С другой стороны, диэлектрический материал (изоляционный материал) является плохим проводником электричества, поэтому он не пропускает через себя электрический ток.

Когда к конденсатору прикладывается напряжение таким образом, что положительный вывод батареи подключен к левому боковому электроду или пластине, а отрицательный вывод батареи подключен к правому боковому электроду, накапливаются положительные заряды. на левом электроде, а отрицательные заряды накапливаются на правом электроде.

Проще говоря, когда на обычный конденсатор подается напряжение, на поверхности электродов образуются противоположные заряды.

В обычных конденсаторах емкость (накопление заряда) прямо пропорциональна площади поверхности каждого электрода или пластины и обратно пропорциональна расстоянию между электродами. Проще говоря, конденсатор с электродами с большой площадью поверхности и очень тонким диэлектриком обеспечивает большую емкость (сохраняет большое количество электрического заряда), тогда как конденсаторы с электродами с малой площадью поверхности и очень толстым диэлектриком обеспечивают меньшую емкость (сохраняет небольшое количество электрического заряда). ). Так обычные конденсаторы сохраняют электрический заряд.

Конденсаторы и аккумуляторы различаются по двум параметрам: по объему накопленного заряда и по скорости доставки энергии (заряда). Аккумуляторы могут хранить большее количество заряда, чем обычные конденсаторы, но главный недостаток аккумуляторов заключается в том, что они не могут очень быстро доставлять энергию (заряд).

С другой стороны, конденсаторы очень быстро передают энергию (заряжают) (очень быстро разряжают), но главный недостаток конденсаторов заключается в том, что они не могут накапливать большое количество заряда, как аккумуляторы.

Эти два недостатка (большой запас заряда и быстрая подача заряда) можно преодолеть с помощью суперконденсаторов.

Суперконденсаторы также работают так же, как обычные конденсаторы. Однако суперконденсаторы отличаются от обычных конденсаторов двумя способами: суперконденсаторы имеют электроды с большой площадью поверхности и очень тонкий диэлектрик (расстояние между электродами очень мало) по сравнению с обычными конденсаторами. Это позволяет достичь большей емкости (большего запаса заряда), чем у обычных конденсаторов.

Суперконденсаторы накапливают большое количество заряда, как аккумуляторы, и очень быстро отдают энергию или заряжают, как это делают обычные конденсаторы.

Типы суперконденсаторов

Суперконденсаторы в основном делятся на три типа:

Двухслойные конденсаторы
Псевдоконденсаторы
Гибридные конденсаторы

Двухслойные конденсаторы

Конденсатор с двойным слоем состоит из двух электродов, сепаратора и электролита. Электролит представляет собой смесь положительных и отрицательных ионов, растворенных в воде. Два электрода разделены разделителем.

Поверхность левого электрода соприкасается с левым жидким электролитом аналогичным образом; поверхность правого электрода соприкасается с правым жидким электролитом. Точка, в которой встречаются жидкий электролит и поверхность электрода, образует общую границу для жидкого электролита и нерастворимой твердой поверхности электрода.

В области стыка поверхности электрода и раствора электролита образуются два противоположных заряда. Эти противоположные заряды представлены в виде двух слоев электрического заряда или двойных слоев электрического заряда. Каждый электрод суперконденсатора генерирует два слоя электрического заряда.

Один слой заряда формируется на поверхности электрода с одной полярностью (положительной или отрицательной), а другой слой заряда формируется в растворе электролита вблизи поверхности электрода с противоположной полярностью (отрицательной или положительной). Эти два слоя заряда разделены монослоем (слоем толщиной в одну молекулу) молекул растворителя или воды.

Молекулы растворителя плотно прилегают к поверхности электрода и разделяют противоположно заряженные ионы. Молекулы растворителя, разделяющие противоположные заряды, выступают в роли диэлектрика (молекулы диэлектрика).

Молекулы растворителя не пропускают через себя электрические заряды. Поэтому между электродом и электролитом не протекает электрический заряд.

Когда на конденсатор подается напряжение таким образом, что положительный вывод батареи подключен к левому боковому электроду, а отрицательный вывод батареи подключен к правому боковому электроду, двухслойный конденсатор начинает заряжаться.

Из-за этого напряжения питания большое количество положительных зарядов накапливается на поверхности левого электрода, а большое количество отрицательных зарядов - на поверхности правого электрода. Эти заряды действуют как заряды первого слоя.

Отрицательные ионы в электролите испытывают сильное притяжение от положительно заряженного электрода. В результате отрицательные ионы движутся к положительно заряженному электроду. Аналогичным образом положительные ионы в электролите испытывают сильное притяжение от отрицательно заряженного электрода. В результате положительные ионы движутся к отрицательно заряженному электроду.

Когда эти отрицательные или положительные ионы приближаются к электроду, они испытывают сильное сопротивление со стороны молекул растворителя. Следовательно, заряд не передается от электролита к электроду или от электрода к электролиту. Однако эти противоположные заряды действуют друг на друга электростатической силой. Таким образом, на общей границе электрода и электролита образуется большое количество заряда.

Наиболее часто используемыми электродными материалами для двухслойных конденсаторов или суперконденсаторов являются активированный уголь, углеродный аэрогель, ткань из углеродного волокна и углеродные нанотрубки.

Псевдоконденсаторы

Псевдоконденсаторы накапливают электрическую энергию за счет переноса заряда электронов между электродом и электролитом (электроны от электролита к катоду или от катода к электролиту). Это можно сделать с помощью Redox (реакции восстановления-окисления).

Восстановление: восстановление происходит, когда атом получает электрон и становится более отрицательным.

Окисление: Окисление происходит, когда атом теряет электрон и становится более положительным.

Восстановление-окисление: восстановление-окисление происходит, когда один атом получает (или теряет) электрон, а другой атом теряет (или приобретает) электрон. В псевдоконденсаторах происходит окислительно-восстановительная реакция между электродом и раствором электролита.

В псевдоконденсаторах накопление заряда (емкость) является результатом переноса заряда между электролитом и электродом.

Когда на псевдоконденсатор подается напряжение, заряженные атомы или ионы в электролите движутся к противоположно заряженному электроду. Между поверхностью электрода и соседним электролитом образуются два электрических слоя или двойные электрические слои. Эти два электрических слоя разделены молекулами электролита.

Заряженные атомы в электролите внутри двойного слоя действуют как доноры электронов и передают электроны атомам электрода. В результате атомы в электроде становятся заряженными. Таким образом, заряд накапливается в двойных электрических слоях.

В псевдоконденсаторах в качестве электродов используются проводящие полимеры или оксиды металлов. Количество электрического заряда, хранящегося в псевдоконденсаторе, прямо пропорционально приложенному напряжению. Псевдоемкость измеряется в фарадах.

Гибридные конденсаторы

Гибридные конденсаторы разработаны с использованием технологий двухслойных конденсаторов и псевдоконденсаторов. В гибридных конденсаторах достигается как емкость двойного слоя, так и псевдоемкость.

Суперконденсаторы

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 22 июля 2020 г.

Если вы считаете, что электричество сегодня играет большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили, работающие на ископаемом топливе, и отопление домов также должны будут переключиться на электроэнергию, если мы хотим предотвратить катастрофические изменения климата. Электричество — чрезвычайно универсальная форма энергии, но у нее есть один большой недостаток: ее относительно трудно хранить в спешке. Батареи могут хранить большое количество энергии, но для их зарядки требуется несколько часов. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но сохраняют лишь незначительное количество энергии. В нашем электрическом будущем, когда нам нужно очень быстро хранить и высвобождать большое количество электроэнергии, вполне вероятно, что мы обратимся к суперконденсаторам (также известным как ультраконденсаторы), которые сочетают в себе лучшее из обоих миров. Что они собой представляют и как они работают? Давайте посмотрим поближе!

Фото: набор суперконденсаторов Maxwell, используемых для накопления энергии в электромобилях. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Содержание

Как сохранить электрический заряд?

Фото: типичная угольно-цинковая батарея имеет накопленное на заводе электричество и может быть разряжена только один раз, прежде чем ее придется выбросить. Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — каждый год во всем мире выбрасываются миллиарды батарей.

Батарейки и конденсаторы выполняют схожую работу — накапливают электроэнергию, — но совершенно по-разному.

Батарейки имеют две электрические клеммы (электрода), разделенные химическим веществом, называемым электролитом. Когда вы включаете питание, происходят химические реакции с участием как электродов, так и электролита. Эти реакции превращают химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию по мере их прохождения. Когда все химические вещества израсходованы, реакции прекращаются, и батарея разряжается. В перезаряжаемой батарее, такой как литий-ионный блок питания, используемый в портативном компьютере или MP3-плеере, реакции могут благополучно протекать в любом направлении, поэтому обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз, прежде чем потребуется замена батареи.

Фото: Типичный конденсатор в электронной схеме. Он хранит в несколько раз меньше энергии, чем батарея, но может мгновенно заряжаться и разряжаться почти любое количество раз. В отличие от батареи, положительные и отрицательные заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрический сэндвич, если хотите! Зарядка конденсатора немного похожа на трение воздушного шара о джемпер, чтобы он приклеился. Положительные и отрицательные электрические заряды накапливаются на пластинах, а расстояние между ними, препятствующее их соприкосновению, накапливает энергию. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера накапливать больше заряда при том же напряжении, поэтому можно сказать, что он делает конденсатор более эффективным в качестве устройства накопления заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не содержат вредных химических веществ или токсичных металлов, их можно заряжать и разряжать миллионы раз без износа. Но у них есть и большой недостаток: килограмм за килограммом, их базовая конструкция не позволяет им накапливать такое же количество электроэнергии, как и батареи.

Можем ли мы что-нибудь с этим сделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию, которую будет хранить конденсатор, либо используя лучший материал для диэлектрика, либо используя более крупные металлические пластины. Чтобы хранить значительное количество энергии, вам нужно использовать огромные тарелки. Грозовые облака, например, по сути являются сверхгигантскими конденсаторами, хранящими огромное количество энергии, и все мы знаем, насколько они велики! Как насчет усиления конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между пластинами? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторов в середине 20 века.

Художественные работы. Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто изготавливаются из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными моментами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик. . Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, между ними есть разница: обычно они построены из разных материалов и структурированы немного по-разному, поэтому они хранят разное количество энергии. Для целей этого простого введения мы предполагаем, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных пластин. Пластины изготовлены из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения большего количества заряда. Представьте на мгновение, что электричество — это вода: если обычный конденсатор похож на ткань, которая может убрать только крошечную каплю, то пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсаторов — электрические губки!

Что насчет разделителя между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как регулятор настройки внутри радиоприемника). Когда конденсатор заряжается, на одной пластине образуются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в направлении, противоположном полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это показано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Иллюстрация: вверху: обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синяя и красная), разделенных изолирующим материалом, называемым диэлектриком (серый). Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору хранить больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: суперконденсаторы хранят больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, изготовленными из пористых материалов, как правило, на основе углерода, пропитанных электролитом. Пластины фактически имеют большую площадь поверхности и меньшее расстояние между ними, что дает суперконденсатору способность хранить гораздо больше заряда.

В суперконденсаторе диэлектрика как такового нет. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжены, противоположный заряд формируется с обеих сторон сепаратора, создавая так называемый двойной электрический слой толщиной всего в одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра и более). больше в обычном конденсаторе). Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму на иллюстрации, вы увидите, что суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом друг с другом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин из таких материалов, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, созданные с использованием нанотехнологий), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы отличаются от батарей и обычных конденсаторов?

Фотографии: иногда суперконденсаторы могут использоваться в качестве прямой замены батарей. Вот беспроводная дрель, работающая от батареи суперконденсаторов, для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавты, выходящие в открытый космос, не всегда могут ждать всю ночь, чтобы начать свои тренировки!Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Основная единица измерения электрической емкости называется фарад (Ф) в честь британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электричества (их обычно измеряют в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарад), нанофарадами (миллиардными долями фарад) или пикофарадами (триллионными долями фарад). В противоположность этому, типичный суперконденсатор может накапливать заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (в фарадах).Самые большие коммерческие суперконденсаторы, изготовленные такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют номинальную емкость до нескольких тысяч фарад. Это все еще представляет собой лишь небольшую часть (может быть, 10–20 процентов) электрической энергии, которую вы можете упаковать в батарею. Но большое преимущество суперконденсатора заключается в том, что он может накапливать и высвобождать энергию почти мгновенно — намного быстрее, чем батарея. Это потому, что суперконденсатор работает, создавая накапливают статические электрические заряды на твердых телах, в то время как заряд батареи зависит от медленного образования заряда в результате химических реакций, часто с участием жидкостей.

Вы часто видите сравнение аккумуляторов и суперконденсаторов с точки зрения их энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова взаимозаменяемы; в науке мощность — это количество энергии, используемой или произведенной за определенный промежуток времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут выделять энергию быстрее). Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и высвобождения больших объемов энергии, но батареи по-прежнему являются лучшими для хранения больших объемов энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низком напряжении (возможно, 2–3 В), их можно соединять последовательно (как батареи) для получения более высоких напряжений для использования в более мощном оборудовании.

Поскольку суперконденсаторы работают электростатически, а не в результате обратимых химических реакций, теоретически их можно заряжать и разряжать любое количество раз (в спецификациях коммерческих суперконденсаторов указано, что вы можете циклировать их примерно миллион раз). У них мало или нет внутреннего сопротивления, что означает, что они накапливают и высвобождают энергию, не потребляя много энергии, и работают с эффективностью, близкой к 100 % (обычно 97–98 %).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам нужно хранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии для хранения в конденсаторе, и у вас нет времени для зарядки аккумулятора суперконденсатор может быть именно тем, что вам нужно. Суперконденсаторы широко использовались в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «резервуаров энергии», которые сглаживают подачу питания к электрическому и электронному оборудованию. Суперконденсаторы также можно подключать к батареям для регулирования подаваемой ими мощности.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для накопления энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко применяемых в электромобилях. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).

Одним из распространенных применений являются ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сгладить прерывистую мощность, подаваемую ветром. В электрических и гибридных транспортных средствах суперконденсаторы все чаще используются в качестве временных накопителей энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит впустую, когда оно останавливается, сохраняется на короткое время, а затем повторно используется, когда оно снова начинает движение). Электродвигатели, приводящие в движение электромобили, питаются от источников питания с номинальным напряжением в сотни вольт, а это означает, что для хранения нужного количества энергии в типичном рекуперативном тормозе необходимы сотни последовательно соединенных суперконденсаторов.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. В отчете Allied Market Research за 2020 год глобальный рынок суперконденсаторов оценивается в скромные 3,27 млрд долларов США в 2019 году, но прогнозируется, что в 2027 году он достигнет 16,95 млрд долларов — пятикратный рост всего за несколько лет!

Подробнее

На этом сайте

Книги

<УЛ> Франсуа Беген и Эльжбета Фраковяк (редакторы). John Wiley & Sons, 2013. Всесторонний текущий обзор электрохимии и применения суперконденсаторов. Айпин Юй, Виктор Шабо и Цзюцзюнь Чжан. CRC Press, 2013. В этой книге большое внимание уделяется практическим применениям, а также истории, производству, будущим задачам и направлениям исследований. Б. Э. Конвей. Спрингер, 1999.Объясняет основы науки о двухслойных конденсаторах и различиях между суперконденсаторами и батареями, прежде чем рассматривать такие области применения, как электромобили и компьютерная память.

Статьи

<УЛ> СяоЧжи Лим, IEEE Spectrum, 22 августа 2019 г. Как новые электроды могут помочь суперконденсаторам увеличить их энергоемкость. Декстер Джонсон. IEEE Spectrum, 23 октября 2018 г. Адам Воан, The Guardian, 26 февраля 2018 г. Могут ли суперконденсаторы с быстрой зарядкой революционизировать срок службы «батарей» в электромобилях? Декстер Джонсон. IEEE Spectrum, 29 сентября 2017 г. : Physics World, 28 февраля 2017 г. Шведские ученые, превратившие розу в транзистор, теперь использовали аналогичные идеи для создания суперконденсатора. Махер Ф. Эль-Кади и Ричард Б. Канер. IEEE Spectrum, 28 сентября 2015 г. Крошечные плоские графеновые суперконденсаторы могут привести к значительному прогрессу в микроэлектронике, делая повседневные гаджеты меньше, дешевле и с гораздо более длительным временем автономной работы. Декстер Джонсон, IEEE Spectrum, 28 мая 2015 г. Корейские ученые добились четырехкратного увеличения плотности энергии для суперконденсаторов на основе графена. Прачи Пател, IEEE Spectrum, 18 марта 2014 г. Почему переупаковывать аккумуляторы в суперконденсаторы — это заблуждение и бесполезно. by Belle Dumé, Physics World, 26 ноября 2010 г. Как исследователи построили суперконденсатор на основе графена с плотностью энергии, подобной никель-металлогидридным батареям. Мэтью Феникс, Wired, 25 января 2008 г. Как сочетание старомодных свинцово-кислотных аккумуляторов и суперконденсаторов может снизить эксплуатационные расходы в гибридных автомобилях.

Патенты

В патентах вы найдете гораздо более глубокие технические детали; вот небольшая, но репрезентативная подборка:

<УЛ> Донг-Вук Ли и др., Samsung, 12 июля 2018 г. Суперконденсатор на основе графена имеет электроды, которые тоньше, дешевле и более гибкие, чем электроды на основе более ранних материалов, таких как оксид индия-олова (ITO). Юрий Малетин и др., FOC Frankenburg Oil Co, 24 февраля 2004 г. В этой конструкции электроды изготовлены из порошков наноструктурированного углерода (SNC). Гленн Г. Аматуччи и др., Telcordia, 13 февраля 2001 г. Суперконденсатор на основе композитных электродов с полимерной матрицей. Шиао-Пинг С. Йен и Кэрол Р. Льюис, НАСА, 20 июня 1995 г. Описывает использование электродов из тонкого полимера.

НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените или оставьте отзыв на этой странице, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней своим друзьям с помощью:

Батарейки, топливные элементы, конденсаторы и суперконденсаторы — все это примеры накопителей энергии. В отличие от аккумуляторов и топливных элементов, которые основаны на преобразовании химической энергии в электрическую, конденсаторы основаны на физическом разделении электрического заряда в диэлектрической среде, такой как полимерная пленка или оксидный слой. Каждый тип накопителя энергии обеспечивает различное сочетание мощности и плотности энергии (рис. 1).

Рисунок 1. Удельная мощность и удельная энергия для выбранных накопителей энергии

На высоком уровне суперконденсаторы (также называемые электрохимическими двухслойными конденсаторами или EDLC) являются одними из конденсаторов с самой высокой емкостью. В таблице 1 представлено сравнение выбранных свойств различных накопителей энергии. В отличие от обычных аккумуляторов, суперконденсаторы имеют низкую плотность энергии, что делает их непригодными для использования в качестве постоянного источника питания. Тем не менее, суперконденсаторы имеют ряд преимуществ, включая способность выдерживать высокие токи нагрузки, широкий диапазон рабочих температур, длительный срок службы и возможность почти мгновенной зарядки по сравнению с батареями. Сочетание этих преимуществ делает суперконденсаторы пригодными для использования в приложениях управления питанием, требующих быстрых циклов заряда/разряда для краткосрочных потребностей в электроэнергии. Суперконденсаторы часто используются в системах резервного питания, бытовой электронике, медицинских устройствах, системах рекуперативного торможения и т. д. 1

Таблица 1: Сравнение выбранных свойств различных накопителей энергии 2

Общим применением суперконденсаторов является их использование в сочетании с батареями. Суперконденсаторы в этих приложениях предназначены для разгрузки батареи от наиболее серьезных требований к току нагрузки приложения, удовлетворяя требования пиковой мощности и позволяя батарее обеспечивать среднюю нагрузку. Такое снижение пиковой нагрузки от аккумулятора помогает значительно продлить срок службы аккумулятора.

Принцип работы

Суперконденсаторы накапливают заряд аналогично обычным конденсаторам, но заряд накапливается не в двух проводниках, а на границе раздела между поверхностью проводника и раствором электролита. Они включают в себя электроды с гораздо большей площадью поверхности и гораздо более тонкими диэлектриками, которые уменьшают расстояние между электродами, тем самым увеличивая емкость. Проще говоря, при подключении к источнику питания положительные и отрицательные ионы электролита прилипают к поверхности электродов для зарядки конденсатора и отскакивают во время разряда.

Рисунок 2. Принцип работы суперконденсатора

На рис. 2 показана базовая конструкция конденсатора с разделителем между двумя металлическими электродами. При зарядке отрицательный электрод получает отрицательный заряд, а другой конец (положительный электрод) получает положительный заряд. Проницаемый изолятор между ними физически разделяет два электрода и по своей природе инертен, чтобы поддерживать проводимость электролита. При подключении к обратному напряжению путь электронов меняется на противоположный, что позволяет конденсатору разрядиться [12].

Обычный суперконденсатор состоит из двух металлических фольг, каждая из которых покрыта электродным материалом, например активированным углем. Эти электроды разделены ионопроницаемым изолятором для защиты электродов от коротких замыканий. Затем сборку пропитывают электролитом, который служит проводящим соединением между электродами через сепаратор. Эта конструкция впоследствии скручивается или складывается в цилиндрическую форму и укладывается в алюминиевую банку.

На рис. 3 показана конструкция стандартного суперконденсатора на 5 Фарад.

Рисунок 3. Разборка суперконденсатора

Типичные характеристики

Суперконденсаторы имеют преимущества в приложениях, где требуется большое количество энергии в течение относительно короткого времени или где требуется очень большое количество циклов зарядки/разрядки или более длительный срок службы.

Некоторые характеристики, которые следует учитывать при выборе суперконденсатора в зависимости от потребностей приложения, следующие:

Рабочее напряжение
Энергоемкость
Удельная энергия и удельная мощность
Срок службы
Емкость
Напряжение при рабочей температуре
Скорость саморазряда и т. д.

Некоторые из стандартов, используемых для оценки суперконденсаторов, включают [11]:

UL 810A (стандарт для электрохимических конденсаторов)
IEC 62576 (Электрические двухслойные конденсаторы для использования в гибридных электромобилях. Методы испытаний электрических характеристик)
IEC 62391-2 (двухслойные конденсаторы с постоянным электрическим напряжением для использования в электронном оборудовании)
BS/EN 61881-3 (Железнодорожное оборудование. Оборудование подвижного состава. Конденсаторы для силовой электроники. Электрические двухслойные конденсаторы)

В этом разделе мы обсуждаем результаты нашего эксперимента, который был сосредоточен на последствиях эксплуатации суперконденсатора за пределами его спецификаций. Два серийно выпускаемых суперконденсатора были оценены для изучения влияния напряжения заряда конденсатора на ухудшение емкости. Конденсаторы, использованные в этом эксперименте, имели номинальную емкость 5 Ф и были рассчитаны на напряжение заряда 2,7 В в соответствии с техническими данными производителя.

Таблица 2. Характеристики тестируемого конденсатора согласно техническому паспорту

Во время экспериментов, проведенных при комнатной температуре, два конденсатора подверглись 1000 циклам заряда-разряда. В то время как профиль разряда для двух конденсаторов был одинаковым, профиль заряда для одного из конденсаторов включал зарядку его номинальным напряжением (2.7 В), в то время как другой конденсатор перезаряжался до напряжения, превышающего его номинальное значение (3,5 В) во время каждого цикла зарядки.

На рисунках 4 и 5 показаны профили заряда и разряда двух протестированных конденсаторов.

Рисунок 4. Циклы заряда-разряда конденсатора с номинальным значением

Рисунок 5. Циклы заряда-разряда нагруженного конденсатора

На рис. 6 и 7 показана потеря емкости за 500 циклов зарядки-разрядки для двух конденсаторов.

Рисунок 6. Емкость номинального суперконденсатора в течение 500 циклов заряда-разряда

Рис. 7. Емкость нагруженного суперконденсатора в течение 500 циклов заряда-разряда

Эксплуатация вне спецификаций

Напряжение суперконденсатора ограничено из-за напряжения разложения электролита. Заряд суперконденсатора выше его номинального напряжения приводит к ускорению электрохимических реакций из-за наличия примесей в электродах и электролите, попадания влаги и т. д. Это ускоряет деградацию электролита. Цель эксперимента состояла в том, чтобы продемонстрировать, что работа суперконденсатора с напряжением, превышающим его номинальное напряжение, влияет на его деградацию и, как следствие, на срок его службы.
После 1000 циклов заряда/разряда емкость нагруженного (перезаряженного) суперконденсатора снизилась примерно на 37%, в то время как емкость суперконденсатора, работающего при номинальном напряжении, уменьшилась примерно на 6% (таблица 3). .

Таблица 3. Снижение емкости с течением времени

Разборка и визуальный осмотр двух конденсаторов продемонстрировали последствия перезарядки суперконденсатора.

Рисунок 8. Конденсатор под нагрузкой (слева) и конденсатор, работающий в соответствии со спецификациями (справа)

Рисунок 9. Конденсатор под нагрузкой (слева) и конденсатор, работающий в соответствии со спецификациями (справа)

Резюме

Многие преимущества суперконденсаторов делают их привлекательным компонентом для использования в системах хранения энергии. Однако очень важно убедиться, что суперконденсаторы работают в соответствии с их спецификациями. Эксплуатация суперконденсаторов за пределами их номинальных характеристик может очень быстро свести на нет любые преимущества, которые суперконденсаторы привносят в приложение.

Разница между конденсатором и суперконденсатором/ультраконденсатором

Как суперконденсатор, так и обычные конденсаторы хранят заряд в виде электростатического поля. Они являются пассивными компонентами, в то время как сверхемкостный тип полярных конденсаторов. Хотя функции обычного конденсатора и ультраконденсатора одинаковы для хранения заряда, между ними есть некоторые различия, которые мы обсудим ниже.

Конденсатор

Конденсатор — это пассивный электронный компонент с двумя контактами, который накапливает заряд в виде электрического поля между своими металлическими пластинами. он состоит из двух металлических пластин (электроды в качестве анода и катода), разделенных изолятором, известным как диэлектрик.

Когда напряжение источника подается на две клеммы конденсатора, ток хочет течь через изоляционный материал, но препятствует потоку электронов. Когда напряжение на выводе конденсатора равно приложенному напряжению, изоляционная среда все еще сопротивляется потоку электронов. Это явление сопротивления вносит изменения, которые создают эффект накопления энергии в виде электростатического поля.

Суперконденсатор

Суперконденсатор также известен как суперконденсатор, двухслойный конденсатор или ультраконденсатор.Электроды суперконденсатора покрыты активированным углем в качестве электродного материала. В суперконденсаторе между анодом и катодом используется сепаратор, тогда как в обычном конденсаторе используются диэлектрические материалы.

Суперконденсаторы накапливают заряд либо с помощью электростатической емкости двойного слоя (EDLC), либо с помощью электрохимической псевдоемкости, либо с помощью того и другого, известного как гибридная емкость.

Суперконденсаторы изготовлены из металлической фольги (электродов), каждый слой которой покрыт активированным углем. Между этими фольгами находится сепаратор. Сепаратор представляет собой проницаемую для ионов мембрану типа графена (используется в современных суперконденсаторах), которая обеспечивает изоляцию и обмен ионами электролита между электродами.

Суперконденсаторы считаются промежуточными между конденсаторами и батареями. Основная причина заключается в том, что суперконденсатор заряжается очень быстро, как конденсатор, и его емкость высока, а скорость разряда медленна, как у батареи.

Максимилиан

Лифер

Раньше все они выглядели так:

Сейчас большинство мобов имеют следующие типы:

Какая разница? Это новые "твердотельные" конденсаторы? Что это значит? Я нашел фотографии этих более новых в вики-статье о электролитических конденсаторах, я думал, что твердотельные заменили электролитические или что-то в этом роде. Кто-нибудь хочет объяснить? Различия только косметические?

никбиты

Бриллиантовый участник

мфенн

Элитный участник

Конечно, капсюли с жидким электролитом можно сделать хорошо, но с ними в наше время связано определенное клеймо. Это также отличный маркетинговый ход (см. брендинг Gigabyte «Сверхпрочный»).

Джефф7

Лифер

Какова внутренняя конструкция этих "твердотельных конденсаторов"? Есть ли у них специальный термин или название? Чем они отличаются, или это просто причудливая стандартная электролитическая крышка в корпусе для поверхностного монтажа?

bobdole369

Бриллиантовый участник

Твердые модели изготовлены из твердого тантала. В отличие от влажных электролитов, которые раньше высыхали и лопались.

Джефф7

Лифер

Хотя оба конденсатора накапливают и разряжают электричество, когда это необходимо, твердотельные конденсаторы содержат «твердый» органический полимер, а не жидкий электролит, используемый в электролитических конденсаторах.

Я думаю, что танталовые конденсаторы, как правило, имеют более низкую номинальную емкость, чем электролитические, по крайней мере, при сравнении стоимости.

Тем не менее, это хорошая зацепка — твердый органический полимер. Я должен иметь это в виду; на работе во многих наших вещах все еще используются обычные электролитические конденсаторы, хотя я не припомню, чтобы какие-либо RMA возвращались с мертвыми электролитами. Единственные из них, которые я видел, умерли, когда наш сборочный дом решил заполнить некоторые крышки задом наперёд. Начинается испытание на сжигание. ЩЕЛЧОК!

мфенн

Элитный участник

Если ваша компания использует электролиты хорошего качества, я сомневаюсь, что вы бы так поступили. Огромное фиаско произошло, когда некоторые тайваньские производители (IIRC) украли формулу электролита, но немного ошиблись, что привело к нестабильному соединению. Таким образом, клеймо w.r.t. жидкие электролиты среди тайваньских производителей мобильных устройств.

Читайте также: