Supercapacitor je kondenzátor o konkrétní techniky umožňující získat energie hustotu a energetickou hustotu mezilehlou mezi bateriemi a konvenčních elektrolytických kondenzátorů .
Skládají se z několika článků zapojených do série paralelně, umožňují vysoké výstupní napětí a proud ( hustota výkonu řádově několik kW / kg) a ukládají střední množství energie mezi dvěma níže uvedenými režimy skladování (hustota energie řádově několik Wh / kg) a může jej obnovit rychleji než baterie. Proto se často používají jako přídavný prvek pro akumulaci energie, kromě baterií nebo palivového článku . Mají tu zvláštní výhodu, že jsou účinné při velmi nízkých teplotách.
Superkondenzátor je převážně tvořen sběrači proudu (obvykle hliníkem), elektrodami (anoda a katoda) obvykle vyrobenými z aktivního uhlí impregnovaného organickým nebo vodným elektrolytem a separátorem, který izoluje obě elektrody.
Většina prodávaných superkondenzátorů se vyrábí pomocí elektrochemického dvouvrstvého procesu , tedy zkratka EDLC ( elektrochemický dvouvrstvý kondenzátor ).
Superkondenzátor se skládá ze dvou porézních elektrod , obvykle vyrobených z aktivního uhlí a impregnovaných elektrolytem , které jsou odděleny izolační a porézní membránou (pro zajištění iontového vedení). Elektrická dvojitá vrstva se vyvíjí na každém rozhraní elektroda-elektrolyt, takže můžeme schematicky vidět superkapacitor jako spojení dvou kondenzátorů v sérii , jeden na kladné elektrodě a druhý na elektrodě. Mobilita aniontů , které jsou mnohem méně hydratované, je větší než mobilita kationtů . Pohybují se snadněji ve struktuře aktivního uhlí a vytvářejí vrstvu menší tloušťky, takže je pozorována hodnota anodové kapacity větší než je katoda . Kvůli zákonům asociace kondenzátorů je kapacita sériové sestavy vždy nižší než nižší z těchto dvou kondenzátorů. Z tohoto důvodu je superkondenzátor polarizovaný, přičemž každá elektroda je optimalizována buď pro anionty nebo pro kationty.
Víme, že kapacita z kondenzátoru je v podstatě určena geometrií armatur (povrchová specifická oblast S a vzdálenost e ) a na povaze izolátoru (S ) (dále dielektrickou ). K odhadu jeho hodnoty se často používá následující vzorec:
Molekuly organického rozpouštědla zde hrají roli dielektrika ( permitivity ε). To odpovídá malé tloušťce e izolace (menší než nanometr ), což znamená, že kapacita na jednotku plochy těchto komponent je vysoká: od 0,1 do 0,3 F / m 2 .
Na druhé straně, díky použití nánosu aktivního uhlí na hliníkovém filmu, který má typické specifické povrchy S 2 000 až 3 000 m 2 na gram, je kontaktní povrch mezi elektrodou a elektrolytem velmi vysoký, což umožňuje získat velmi vysoké hodnoty kapacity.
Napěťový odpor je omezen rozkladem organického rozpouštědla. Ona je v současné době pohybuje v rozmezí 2,7 V .
Maximální napětí na článek, je v současné době asi 2,7 V . Tento typ kondenzátoru je polarizovaný. Vnitřní odpor je velmi nízký, což umožňuje nabíjení nebo vybíjení silnými proudy; v souladu s tím může být doba nabíjení řádově několik sekund.
Palivový článek |
Bicí |
Superkondenzátor |
Elektrolytický kondenzátor |
|
---|---|---|---|---|
Hustota výkonu (W / kg) | 120 | 150 | 1 000 - 5 000 | 100 000 |
Hustota energie (Wh / kg) | 150 - 1 500 | 50 - 1 500 | 4 - 6 | 0,1 |
Pokud jde o energetické hustoty, jsou u komerčních superkondenzátorů mezi 0,5 a 10 Wh / kg . Americká univerzita MIT dosáhla hodnoty 30 Wh / kg , japonské firmy Advanced Capacitor Technologies a JEOL oznamují, že vyvinuly superkondenzátor s hustotou energie 20 Wh / kg .
Z hlediska poměru měrný výkon / měrná energie jsou srovnatelné se setrvačníky .
Superkondenzátory se prodávají pod různými názvy a pod různými obchodními názvy:
Aplikace zahrnují elektrický vůz (jako energetického vyrovnávacího prvku mezi rychlostí pohonu s proměnlivou a baterií , které mohou také prodloužit životnost baterie), ale i ve všech případech elektrické skladování energie s klimatickými podmínkami. Extrémní (například startér z lokomotivy , orientaci ovládací lopatky z větrných elektráren ).
Superkondenzátory se stále více používají k rekuperaci brzdné energie ( systém KERS ). Některá auta je používají k pohonu svého systému Stop & Start, který umožňuje automatické restartování motoru za účelem úspory paliva.
V závodech vytrvalostních automobilů používá japonská Toyota od roku 2012 superkondenzátory k rekuperaci energie při brzdění. Jakmile je superkondenzátor nabitý, může řidič zvýšit výkon svého vozu pomocí výkonu superkondenzátoru, který bude pohánět elektromotor hybridního automobilu. V rámci malosériové výroby vzáří 2019, Lamborghini představilo model Sián , odvozený od Aventadoru . Kromě klasického tepelného motoru V12 o výkonu 785 koní je vybaven malým elektromotorem o výkonu 34 koní. Tento motor pohání auto při nízké rychlosti a poskytuje zpětný pohon, který je výhradně elektrický. Není napájen lithium-iontovými bateriemi, ale superkondenzátorem poháněným kinetickou energií získanou během brzdění. Třikrát lehčí než lithium-iontová baterie se superkondenzátor může nabíjet a vybíjet rychleji. Dodatečná hmotnost sestavy superkapacitoru a motoru je 34 kg . Vylepšeny jsou pouze snímače rychlosti. Cena, která se v posledních letech výrazně snížila, zůstává vysoká, ale modelu bude vyrobeno pouze šedesát tři kopií, které se již prodávají navzdory ceně více než dva miliony eur bez daně oproti standardním 320 až 420 000 eur pro Aventador.
Superkondenzátory jsou obzvláště zajímavé pro autobusy , které často zastavují a mohou být vybaveny velkými superkondenzátory pro rekuperaci brzdné energie. Ve Francii vBřezen 2013, Autonomous Paris Transport Authority (RATP) objednal patnáct hybridních autobusů s naftovým / superkapacitorovým pohonem, které šetří palivo až 30%. V Číně jezdí 100% elektrické superkondenzátory od roku 2009. Na každé autobusové zastávce jsou dobíjeny pomocí sběrače (jako u tramvaje). K nabití sběrnice na 50% stačí třicet sekund a nabití na 100% trvá 80 sekund. vúnor 2013se oddělení veřejné dopravy v Šanghaji rozhodlo vybavit 200 elektrobusy vybavenými jak baterií, tak superkondenzátory.
Při hromadné výrobě jejich náklady rychle poklesly a například u 2700 faradových kondenzátorů klesly z 270 $ v roce 2000 na 27 $ v roce 2004 (tj. Cena téměř dělená deseti za čtyři roky).
Jejich životnost (podle výrobců přibližně deset let) je také delší než u baterií.
Na toto téma se zaměřilo mnoho výzkumů, mimo jiné ve Francii týkající se „Francouzské sítě pro elektrochemické skladování energie“ (RS2E).
Výzkum se zaměřuje zejména na: