Uvod v superkondenzatorje

Kondenzator je dvokončna pasivna komponenta, ki se pogosto uporablja v elektroniki. Skoraj vsako vezje, ki ga najdemo v elektroniki, uporablja enega ali več kondenzatorjev za različne namene. Kondenzatorji so najpogosteje uporabljena elektronska komponenta po uporih. Imajo posebno sposobnost shranjevanja energije. Na trgu so na voljo različne vrste kondenzatorjev, toda tisti, ki v zadnjem času postaja priljubljen in obljublja zamenjavo ali alternativo baterij v prihodnosti, so superkondenzatorji ali znani tudi kot ultrakondenzatorji.. Superkondenzator ni nič drugega kot visokozmogljiv kondenzator z vrednostmi kapacitivnosti, ki so veliko višje od običajnih kondenzatorjev, vendar z nižjimi mejami napetosti. Lahko shranijo 10 do 100-krat več energije na enoto prostornine ali mase kot elektrolitski kondenzatorji, lahko prejmejo in dostavijo naboj veliko hitreje baterije in dopuščajo več ciklov polnjenja-praznjenja kot akumulatorske baterije.

Superkondenzatorji ali ultrakondenzatorji so nova tehnologija za shranjevanje energije, ki se močno razvija v sodobnem času. Superkondenzatorji zagotavljajo pomembne industrijske in gospodarske koristi

Kapaciteta kondenzatorja se meri v Faradu (F), na primer.1uF (mikrofarad), 1mF (milifarad). Čeprav so kondenzatorji z nižjo vrednostjo precej pogosti v elektroniki, so na voljo tudi kondenzatorji z visoko vrednostjo, ki hranijo energijo v veliko večji gostoti in so na voljo v zelo visoki kapacitivni vrednosti, verjetno v Faradu.

Na zgornji sliki je prikazana lokalno dostopna slika super kondenzatorja 2,7 V, 1 Farad. Napetost je precej nižja, vendar je kapacitivnost zgornjega kondenzatorja precej visoka.

Prednosti super-kondenzatorja ali ultra-kondenzatorja

Povpraševanje po superkondenzatorjih narašča iz dneva v dan. Glavni razlog za hiter razvoj in povpraševanje je zaradi številnih drugih prednosti superkondenzatorjev, nekaj jih je navedenih spodaj:

• Zagotavlja zelo dobro življenjsko dobo približno 1 milijona polnilnih ciklov.
• Delovna temperatura je od -50 do skoraj 70 stopinj, zaradi česar je primerna za uporabo v potrošniških aplikacijah.
• Visoka gostota moči do 50-krat, ki jo dosežemo z baterijami.
• Škodljivi materiali, strupene kovine niso del proizvodnega procesa super kondenzatorjev ali ultrakondenzatorjev, zaradi česar je certificiran kot komponenta za enkratno uporabo.
• Je učinkovitejši od baterij.
• V primerjavi z baterijami ne zahteva vzdrževanja.

Superkondenzatorji shranjujejo energije v svojem električnem polju, v primeru baterij pa za shranjevanje energij uporabljajo kemične spojine. Tudi zaradi svoje zmožnosti hitrega polnjenja in praznjenja superkondenzatorji počasi vstopajo na trg baterij. Nizka notranja odpornost z zelo visokim izkoristkom, brez stroškov vzdrževanja in daljše življenjske dobe so glavni razlog za njegovo veliko povpraševanje na sodobnem trgu virov energije.

Energije v kondenzatorju

Kondenzator shranjevanje energije v obliki Q = C x V. Q pomeni polnjenje v kulomih, C kapacitivnost v Faradih in V napetost v voltih. Če torej povečamo kapacitivnost, se bo povečala tudi shranjena energija Q.

Enota kapacitivnosti je Farad (F), ki je poimenovan po M. Faradayu. Farad je kapacitivna enota glede na kulon / volt. Če rečemo kondenzator z 1 Faradom, bo ustvaril 1-voltno potencialno razliko med svojimi ploščami, odvisno od 1-kulonskega naboja.

1 Farad je zelo velik kondenzator, ki se uporablja kot splošna elektronska komponenta. V elektroniki se na splošno uporablja kapacitivnost mikrofarad do Pico farad. Microfarad je označen kot uF (1 / 1.000.000 Farad ali 10 ^-6 F), nano farad kot nF (1 / 1.000.000.000 ali 10 ^-9 F) in Pico farad kot pF (1 / 1.000.000.000.000 ali10 ^-12 F)

Če vrednost postane precej višja, tako kot mF na nekaj Faradov (na splošno <10F), pomeni, da lahko kondenzator zadrži veliko več energije med ploščami, ta kondenzator se imenuje ultra kondenzator ali superkondenzator.

Energije, shranjene v kondenzatorju, so E = ½ CV ² Joula. E je shranjena energija v džulih, C je kapacitivnost v Faradu in V je potencialna razlika med ploščami.

Gradnja

Superkondenzator je elektrokemijska naprava. Zanimivo je, da za shranjevanje njegovih električnih energij ne skrbijo nobene kemične reakcije, ki imajo edinstveno konstrukcijo z veliko prevodno ploščo ali elektrodo, ki so v neposredni bližini z zelo majhno površino. Njegova konstrukcija je enaka elektrolitskemu kondenzatorju s tekočim ali mokrim elektrolitom med elektrodama. Tu lahko izveste različne vrste kondenzatorjev.

Superkondenzator deluje kot elektrostatična naprava, ki svojo električno energijo shranjuje kot električno polje med prevodnimi elektrodami.

Elektrode, rdeča in modra, so dvostransko prevlečene. Običajno so narejeni iz grafitnega ogljika v obliki ogljikovih nanocevk ali gelov ali posebne vrste prevodnih aktivnih ogljikov.

Za blokiranje velikega pretoka elektronov med elektrodami in prehajanja pozitivnega iona se uporablja porozna papirnata membrana. Tudi papirnata membrana ločuje elektrode. Kot lahko vidimo na zgornji sliki, se porozna papirnata membrana nahaja na sredini, ki je zelene barve. Elektrode in separator papirja so impregnirani s tekočim elektrolitom. Alu folija se uporablja kot zbiralnik toka, ki vzpostavlja električno povezavo.

Ločilna plošča in površina plošč sta odgovorna za vrednost kapacitivnosti kondenzatorja. Razmerje lahko označimo kot

Kjer je Ɛ propustnost materiala med ploščami

A je površina plošče

D je ločitev med ploščami

Torej, v primeru superkondenzatorja je treba kontaktno površino povečati, vendar obstajajo omejitve. Ne moremo povečati fizične oblike ali velikosti kondenzatorja. Za premagovanje te omejitve se za povečanje prevodnosti med ploščami uporablja posebna vrsta elektrolitov, s čimer se poveča kapacitivnost.

Superkondenzatorji se imenujejo tudi dvoplastni kondenzator. Za tem je razlog. Zelo majhna ločitev in velika površina s pomočjo posebnega elektrolita, površinska plast elektrolitskih ionov tvori dvojno plast. Ustvari dve kondenzatorski konstrukciji, po eno na vsaki ogljikovi elektrodi in je imenovan dvoslojni kondenzator.

Te konstrukcije imajo pomanjkljivost. Napetost na kondenzatorju je postala zelo nizka zaradi razgradne napetosti elektrolita. Napetost je močno odvisna od elektrolitskega materiala, material lahko omeji kapaciteto kondenzatorja za shranjevanje električne energije. Tako je zaradi nizke napetosti na priključku mogoče zaporedno priključiti superkondenzator za shranjevanje električnega naboja na uporabni ravni napetosti. Zaradi tega superkondenzatorji zaporedno proizvajajo višjo napetost kot običajno, vzporedno s tem pa je kapacitivnost postala večja. To lahko jasno razumemo s spodnjo tehniko konstrukcije nizov superkondenzatorjev.

Konstrukcija Supercapacitor Array

Za shranjevanje naboja pri uporabni zahtevani napetosti je treba kondenzatorje priključiti zaporedno. In za povečanje kapacitivnosti jih je treba povezati vzporedno.

Poglejmo konstrukcijo matrike Supercapacitor.

Na zgornji sliki je napetost celice posamezne celice ali kondenzatorja označena kot Cv, medtem ko je kapacitivnost posamezne celice označena kot Cc. Napetostno območje superkondenzatorja je od 1V do 3V, zaporedni priključki povečajo napetost in več kondenzatorjev vzporedno poveča kapacitivnost.

Če ustvarimo matriko, bo napetost v seriji

Skupna napetost = napetost celice (Cv) x število vrstic

In kapacitivnost vzporedno bo

Skupna kapacitivnost = Kapaciteta celice (Cc) x (Število stolpcev / Število vrstic)

Primer

Ustvariti moramo rezervno napravo za shranjevanje, za to pa je potreben 2.5F super ali superkondenzator z oceno 6V.

Če moramo matriko ustvariti z 1F kondenzatorji z nazivno močjo 3V, kakšna bo potem velikost polja in količine kondenzatorjev?

Skupna napetost = napetost celice x število vrstic Potem je število vrstic = 6/3 število vrstic = 2

Pomeni, da imata dva kondenzatorja zaporedno 6V potencialne razlike.

Zdaj, kapacitivnost, Skupna kapacitivnost = kapacitivnost celice x (Številka stolpca / Številka vrstice) Nato, Kolonomova številka = (2,5 x 2) / 1

Torej, potrebujemo 2 vrstici in 5 stolpcev.

Zgradimo matriko,

Skupna energija, shranjena v matriki, je

Superkondenzatorji dobro shranjujejo energijo in tam, kjer je potrebno hitro polnjenje ali praznjenje. Pogosto se uporablja kot rezervne naprave, kjer je potrebno rezervno napajanje ali hitro praznjenje. Nadalje se uporabljajo v tiskalnikih, avtomobilih in različnih pitnih elektronskih napravah.