Menu

Superkondensatory

Wstęp

 

Superkondensatory zwane też utrakondensatorami lub kondensatorami dwuwarstwowymi, to urządzenia o ogromnej pojemności elektrycznej dochodzącej do 1000 i więcej Faradów, 10.000 razy przekraczającej pojemności zwykłych kondensatorów. Tak duże pojemności uzyskano dzięki zastosowaniu nowych technologii, głównie nanorurek węglowych umożliwiających uzyskanie bardzo dużych powierzchni czynnej elektrod przy bardzo małej odległości między nimi.

Pierwsze superkondesatory zostały wykonane przez firmę Panasonic pod nazwą "Goldcap". Obecnie produkcja urządzeń zajmuje się więcej firm min. EPCOS, AMS, Electronic, Nec, Maxwell, Tokin, Kanebo, Elna.

 

Fot. Superkondensator Goldcap o pojemności 400F i napięciu 2,7 V

 

Superkondensator można umieścić pomiędzy tradycyjnymi kondensatorami a akumulatorami, ponieważ łączy on cechy każdego z tych elementów . Podobnie jak akumulator potrafi gromadzić duże ilości energii (jednak w dalszym ciągu o rząd niższe) i podobnie do tradycyjnych kondensatorów może w szybki sposób (ze względu na małą wartość rezystancji wewnętrznej) pobierać i oddawać duże wartości mocy (o wiele większe niż kondensatory). Na wykresie poniżej przedstawiono porównanie gęstości mocy i gęstości energii dla akumulatorów i kondensatorów.

Rys. Położenie najpopularniejszych magazynów energii na płaszczyźnie gęstości mocy i gęstości energii.

 

 

10.2 Budowa i zasada działania

Superkondensatory zaliczane są pod względem budowy do kondensatorów elektrolitycznych, także tutaj występuje elektrolit. Nie jest on jednak w postaci swobodnego płynu (jak w przypadku akumulatorów) a wypełnia materiał porowaty (węgiel aktywny). Węgiel z elektrolitem stanowią elektrody przedzielone cienką warstwą separatora. Całość zamknięta jest w szczelnej obudowie.

Zasada gromadzenia ładunku w superkondensatorze jest całkowicie  odmienna niż w akumulatorach, czy kondensatorach z dielektrykiem. W akumulatorach elektrolitycznych energia gromadzi sie w wiązaniach chemicznych,  przy czym reakcje które zachodzą w elektrolicie są odwracalne. W kondensatorach z dielektrykiem gromadzenie energii związane jest z kolei z powstawaniem stanu "napięcia" samych atomów dielektryka. Doprowadzona do takiego kondensatora  energia elektryczna powoduje przesunięcie chmury elektronów  w dielektryku. Przesunięcie to jest tym większe im wyższe jest doprowadzone napięcie. Ilustruje to najlepiej rysunek 

poniżej (a) stan równowagi dielektryka, (b) stan napięcia wywołany przesunięciem chmury elektronów. Wybicie chmury elektronów ze stanu równowagi powoduje powstanie momentu siły który można najogólniej porównać z napiętą sprężyną. Energii tej trzeba dostarczyć w procesie ładowania kondensatora, ale można ją też odebrać w procesie rozładowania, gdy "sprężynujące" chmury elektronów wracają do położenia spoczynkowego. Im większa pojemność dielektryka tym więcej można zgromadzić energii.

Jak przy tym wszystkim zachowuje sie superkondensator?

W superkondensatorach nie ma dielektryka, a jego rolę pełnią obszary
styku przewodzących elektrod z przewodzącym elektrolitem. Działanie superkondensatora polega na odpowiednim przemieszczaniu się jonów
wewnątrz elektrolitu pod wpływem przyłożonego napięcia. W stanie spoczynku (rozła
dowania) jony umieszczone są tak jak jest to widoczne na rysunku (rozłożone są chaotycznie na całej powierzchni elektrolitu).

Jeśli zostanie przyłożone napięcie do zacisków superkondensatora niższe od wartości napięcia granicznego charakterystycznego dla danego elektrolitu jony znajdujące się w elektrolicie zaczynają się przemieszczać w kierunku odpowiednich elektrod – aniony w kierunku anody, a kationy w kierunku katody (rysunek poniżej). W tym momencie prąd przez superkondensator nie płynie. Jony nie przedostają się do elektrod, a jedynie gromadzą się w pobliżu nich. Zostają utworzone na granicy elektroda – roztwór dwie elektryczne warstwy, gdzie gromadzą się nośniki prądu o takiej samej wartości jak ładunek zgromadzony na powierzchni elektrody, ale z przeciwnym znakiem. Stąd wzięła się również nazwa – kondensatory dwuwarstwowe (double layer capacitors). Ilość gromadzonego ładunku zależy od wartości napięcia przyłożonego do elektrod.

Rys. Rozmieszczenie jonów w superkondensatorze w czasie ładowania

 

Przemieszczenie jonów w elektrolicie wymaga energii, która później może być zwrócona. Jest ona gromadzona w mikroporach oraz na granicy pomiędzy stałym materiałem elektrod a elektrolitem.

 

 Skąd jednak superkondensatory mają tak duże pojemności sięgające tysięcy faradów?

Jeśli spojrzymy na wzór pojemności kondensatora elektrochemicznego wykorzystującego ładunek elektryczny warstwy podwójnej ECDL (ang. electrochemical double layer capacitors), zauważymy, że pojemność kondensatora jest proporcjonalna do powierzchni okładek kondensatora oraz stałej dielektrycznej substancji zawartej między okładkami i odwrotnie proporcjonalna do odległości między okładkami

gdzie C to pojemność [Farad], A – powierzchnia elektrod, d – odległość między okładkami kondensatora,
ε0 – przenikalność elektryczna próżni, a εr – względna przenikalność elektryczna ośrodka.

Zgodnie z powyższą zależnością  znaczący wzrost pojemności C uzyskuje się, stosując materiały elektrodowe o tzw. rozwiniętej powierzchni. Wspomniałem na początku, że materiał wypełniający superkondensator ma postać porowmagene13.jpgatą. W praktyce jest to struktura przypominająca gąbkę o ogromnej powierzchni czynnej przekraczającej 2000 m2/g. Tak duże powierzchnie przy małej ilości materiału
uzyskuje się dzięki zastosowaniu nanorurek węglowych, które są głównym związkiem budującym elektrody w superkondensatorze. Nanorurki węglowe (rys. po prawej), to cylindryczne formy w kształcie pustych rurek o wielkości liczonej w nanometrach zbudowane z węgla ze zwiniętego grafenu (jednoatomowej warstwy grafitu). Są umieszczonymi na jednej płaszczyźnie strukturami nadcząsteczkowymi. Nanorurki charakteryzują się dużą powierzchnią oraz wysokim przewodnictwem elektrycznym, dlatego można je stosować do budowy nanoelektrod w superkondensatorze. Są znakomitymi przewodnikami ciepła. Wiązania tworzące nanorurki są mocniejsze od wiązań tworzących diament, przez co wykazują ogromną wytrzymałość na rozrywanie.

 

 Poniżej w tabeli porównanie budowy superkondensatora i kondensatora klasycznego z dielektrykiem

 

Superkondensator posiada dwie takie same elektrody, oddzielone od siebie elektrycznie separatorem, którym jest cienka porowata folia z tworzywa sztucznego. Separator nie pełni roli dielektryka, jedynie
uniemożliwia bezpośrednie zwarcie elektryczne obu węglowych elektrod.  Nie stanowi przy tym żadnej
przeszkody dla jonów, przepuszczając je w kierunku odpowiednich elektrod, jeśli tylko dołączone zostanie napięcie. Każda elektroda nasączona jest ciekłym elektrolitem, którym jest najczęściej roztwór kwasu
siarkowego (UWAGA - kondensatorów w żadnym razie nie należy z tego powodu przebijać, rozbierać, itp.)  . Warstwa elektrolitu jest podwójna. Jony, które znajdują się w elektrolicie, są między sobą oddalone o
bardzo małe odległości (rzędu kilku nanometrów). Wpływa to bezpośrednio na odległość między elektrodami, która również jest bardzo mała. Jednak odległości pomiędzy poszczególnymi obszarami elektrod są już znaczne, co wydłuża czas ładowania w porównaniu do klasycznych kondensatorów z ułamka sekundy do kilku.... kilkudziesięciu sekund. Z kolei przy rozładowaniu, pomimo ogromnej pojemności, nie można uzyskać wielk
iego prądu.

  Kolejnym problemem jest małe dopuszczalne napięcie pracy, zwykle 2...3V ( w handlu superkondensatory mają zwykle napięcia 2,7 V). Przy większych napięciach zaczyna się elektroliza i kondensator może nawet eksplodować pod wpływem ciśnienia powstających gazów. Teoretycznie napięcie pracy można zwiększyć, stosując szeregowe połączenie kilku(nastu) kondensatorów, jednak  pojemność przy szeregowym połączeniu znacząco maleje. Co gorsza, niejednakowe prądy upływu (samorozładowywanie sie kondensatora) spowodowałyby przy szeregowym połączeniu niejednakowy rozkład napięć i uszkodzenie niektórych elementów. Wymaga to zastosowania środków zaradczych, zwykle w postaci wewnętrznych rezystorów (rys. po lewej).

 

 Zalety superkondensatorów

 

 - duża gęstość mocy (maksymalne wartości dochodzą do 100 kW/kg, w porównaniu z
akumulatorami Pb: 450 W/kg, Li: 450W/kg, NiMH: 500 W/kg),
- stosunek P/E mocy chwilowej do mocy średniej – powyżej 1500,
- duża szybkość ładowania – rozładowania – w porównaniu z akumulatorami,
- dopuszczalne napięcie pracy wynosi zwykle od 2 do 3 V dla pojedynczego ogniwa,
- liczba cykli pracy – do jednego miliona,
- mała wartość (poniżej jednej sekundy) stałej czasowej t,
- czas życia – kilkadziesiąt lat,
- komponent bezobsługowy o niskich kosztach eksploatacji,
- mała wartość zastępczej szeregowej rezystancji wewnętrznej w porównaniu z akumulatorami i duża w porównaniu z klasycznymi kondensatorami 
- bezproblemowe działanie w niskiej temperaturze do - 40oC,
- wysoka sprawność (84 – 95%),
- mały koszt zakupu w przeliczeniu na liczbę cykli,
- większość nie posiada ściśle określonej biegunowości,
- mała szkodliwość dla środowiska,
- mała masa 

 

Wady superkondensatorów

 

- mała gęstość energii (maksymalne wartości dochodzą do 25 Wh/kg, w porównaniu z akumulatorami Pb: 70 Wh/kg, Li: 100 Wh/kg, NiMH: 90 Wh/kg),
- po pewnym czasie bezczynności występuje samorozładowanie, 

 

W tabeli poniżej przedstawiono porównanie konkretnych wartości niektórych właściwości  superkondensatora z konkurencyjnymi układami, którymi są akumulatory ołowiowe, litowo - jonowe oraz niklowo - metalowo - wodorkowe.

 

Zastosowanie

 

Możliwości praktycznego wykorzystania superkondensatorów są bardzo liczne od układów zasilania, poprzez ogniwa paliwowe, ogniwa PV, po samochody elektryczne. Przeprowadzono próby wykorzystania nowoczesnych baterii ultrakondensatorów EP−COS w hybrydowych pojazdach (m.in. w miejskich autobusach), gdzie wspomagały klasyczne akumulatory, stanowiąc dodatkowy bufor podczas przyspieszania i hamowania.

Ostatnio uwagę skupiono na wykorzystaniu superkondensatorów w hybrydowych pojazdach elektrycznych. Ogniwo paliwowe z membraną polimerową (PEM) ładuje superkondensator, który następnie przechowuje energię elektryczną wykorzystywaną do zasilania silnika. Szybkie cykle ładowania/rozładowania SC można wykorzystać do wygładzenia wymaganej mocy szczytowej ogniwa paliwowego, osiągając niemal równomierne działanie.
  

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});