Úvod do superkondenzátorů

Kondenzátor je dvoukoncová pasivní součást, která je široce používána v elektronice. Téměř každý obvod, který v elektronice najdeme, používá jeden nebo více kondenzátorů pro různé použití. Kondenzátory jsou nejpoužívanější elektronickou součástí po rezistorech. Mají speciální schopnost akumulovat energii. Na trhu jsou k dispozici různé typy kondenzátorů, ale ten, který si v poslední době získává popularitu a slibuje v budoucnu výměnu nebo alternativu baterií, jsou superkondenzátory nebo také známé jako ultrakapacitory. Superkondenzátor není nic jiného než vysokokapacitní kondenzátor s hodnotami kapacity mnohem vyššími než normální kondenzátory, ale s nižšími napěťovými limity. Mohou ukládat 10 až 100krát více energie na jednotku objemu nebo hmotnosti než elektrolytické kondenzátory, mohou přijímat a dodávat náboj mnohem rychleji než baterie a snáší více cyklů nabíjení a vybíjení než dobíjecí baterie.

Superkondenzátory nebo ultrakondenzátory jsou novou technologií ukládání energie, která se v moderní době intenzivně vyvíjí. Superkondenzátory poskytují významné průmyslové a ekonomické výhody

Kapacitance kondenzátoru se měří ve Farad (F), jako.1uF (mikrofarad), 1mF (millifarad). Přestože jsou kondenzátory s nízkou hodnotou v elektronice zcela běžné, jsou k dispozici také kondenzátory s velmi vysokou hodnotou, které akumulují energii v mnohem větší hustotě a jsou k dispozici ve velmi vysoké kapacitní hodnotě, pravděpodobně v Faradu.

Na výše uvedeném obrázku je zobrazen lokálně dostupný superkondenzátor s výkonem 2,7 V, 1Farad. Jmenovité napětí je mnohem nižší, ale kapacita výše uvedeného kondenzátoru je poměrně vysoká.

Výhody superkondenzátoru nebo ultrakondenzátoru

Poptávka po superkondenzátorech každým dnem stoupá. Hlavním důvodem rychlého rozvoje a poptávky je mnoho dalších výhod Supercapacitorů, několik z nich je uvedeno níže:

• Poskytuje velmi dobrou životnost přibližně 1 milion nabíjecích cyklů.
• Provozní teplota je téměř -50 až 70 stupňů, takže je vhodná pro použití ve spotřebitelských aplikacích.
• Vysoká hustota výkonu až 50krát, čehož je dosaženo bateriemi.
• Škodlivé materiály, toxické kovy nejsou součástí výrobního procesu Super kondenzátorů nebo Ultrakondenzátorů, díky nimž je certifikován jako jednorázová součást.
• Je to efektivnější než baterie.
• Ve srovnání s bateriemi nevyžaduje žádnou údržbu.

Superkondenzátory ukládají energie ve svém elektrickém poli, ale v případě baterií používají k ukládání energií chemické sloučeniny. Superkapacitory také díky své schopnosti rychlého nabíjení a vybíjení pomalu vstupují na trh s bateriemi. Nízký vnitřní odpor s velmi vysokou účinností, žádné náklady na údržbu, delší životnost jsou hlavním důvodem jeho vysoké poptávky na moderním trhu se zdroji energie.

Energie v kondenzátoru

Kondenzátor ukládání energie ve formě Q = C x V. Q znamená Charge v Coulombs, C pro kapacitu ve Faradech a V pro napětí ve voltech. Pokud tedy zvýšíme kapacitu, zvýší se také uložená energie Q.

Jednotkou kapacity je Farad (F), který je pojmenován po M. Faradayovi. Farad je kapacitní jednotka, pokud jde o coulomb / volt. Řekneme-li kondenzátor s 1 Faradem, vytvoří mezi jeho deskami 1-voltový potenciální rozdíl v závislosti na 1-coulombově náboji.

1 Farad je kondenzátor velmi velké hodnoty, který lze použít jako obecnou elektronickou součástku. V elektronice se obecně používá kapacita mikrofaradů na Pico farad. Mikrofarad je označen jako uF (1/1 000 000 Farad nebo ^10-6 F), nano farad jako nF (1/1 000 000 000 nebo ^10-9 F) a Pico farad jako pF (1/1 000 000 000 000 nebo ^10-12 F)

Pokud se hodnota stane mnohem vyšší, například mF až několik Faradů (obecně <10F), znamená to, že kondenzátor může pojmout mnohem více energií mezi deskami, tento kondenzátor se nazývá Ultra kondenzátor nebo Supercapacitor.

Energie uložené v kondenzátoru jsou E = ½ CV ² Jouly. E je akumulovaná energie v joulech, C je kapacita ve Faradu a V je potenciální rozdíl mezi deskami.

Konstrukce

Supercapacitor je elektrochemické zařízení. Zajímavé je, že za uchovávání jeho elektrických energií nejsou odpovědné žádné chemické reakce. Mají jedinečnou konstrukci s velkou vodivou deskou nebo elektrodou, které jsou těsně umístěny s velmi malým povrchem. Jeho konstrukce je stejná jako elektrolytický kondenzátor s kapalným nebo mokrým elektrolytem mezi jeho elektrodami. Zde se můžete dozvědět více o různých typech kondenzátorů.

Superkondenzátor funguje jako elektrostatické zařízení, které uchovává svou elektrickou energii jako elektrické pole mezi vodivými elektrodami.

Elektrody, červené a modré, jsou oboustranně potaženy. Obecně jsou vyrobeny z grafitového uhlíku ve formě uhlíkových nanotrubiček nebo gelů nebo speciálního typu vodivých aktivovaných uhlíků.

K blokování velkého toku elektronů mezi elektrodami a průchodu kladného iontu se používá porézní papírová membrána. Papírová membrána také odděluje elektrody. Jak vidíme na výše uvedeném obrázku, porézní papírová membrána je umístěna ve středu, který má zelenou barvu. Elektrody a oddělovač papíru jsou impregnovány kapalným elektrolytem. Hliníková fólie se používá jako sběrač proudu, který vytváří elektrické připojení.

Oddělovací deska a plocha desek jsou zodpovědné za hodnotu kapacity kondenzátoru. Vztah lze označit jako

Kde, Ɛ je permitivita materiálu přítomného mezi deskami

A je oblast desky

D je vzdálenost mezi deskami

V případě superkondenzátoru je tedy třeba zvýšit kontaktní plochu, ale existuje omezení. Nemůžeme zvětšit fyzický tvar nebo velikost kondenzátoru. K překonání tohoto omezení se používá speciální typ elektrolytů ke zvýšení vodivosti mezi deskami, čímž se zvyšuje kapacita.

Superkondenzátory se také nazývají jako dvouvrstvý kondenzátor. Je za tím důvod. Velmi malá separace a velká povrchová plocha pomocí speciálního elektrolytu tvoří povrchová vrstva elektrolytických iontů dvojitou vrstvu. Vytváří dvě konstrukce kondenzátoru, jednu na každé uhlíkové elektrodě a pojmenovanou dvouvrstvý kondenzátor.

Tyto konstrukce mají nevýhodu. Napětí na kondenzátoru bylo velmi nízké kvůli rozkladnému napětí elektrolytu. Napětí je vysoce závislé na materiálu elektrolytu, materiál může omezit kapacitu kondenzátoru akumulující elektrickou energii. Díky nízkému svorkovému napětí lze tedy zapojit superkondenzátor do série pro ukládání elektrického náboje na užitečné úrovni napětí. Díky tomu produkuje supecapacitor v sérii vyšší napětí než obvykle a paralelně se kapacita zvětšuje. Lze to jasně pochopit níže uvedenou konstrukční technikou Supercapacitor Array.

Konstrukce pole Supercapacitor

K ukládání náboje na užitečné požadované napětí je třeba superkondenzátory zapojit do série. A pro zvýšení kapacity by měly být zapojeny paralelně.

Podívejme se na konstrukci pole Supercapacitoru.

Na výše uvedeném obrázku je napětí článku jednoho článku nebo kondenzátoru označeno jako Cv, zatímco kapacita jednoho článku je označena jako Cc. Rozsah napětí superkondenzátoru je od 1 V do 3 V, sériové zapojení zvyšuje napětí a více kondenzátorů paralelně zvyšuje kapacitu.

Pokud vytvoříme pole, napětí v sérii bude

Celkové napětí = Napětí článku (Cv) x Počet řádků

A kapacita paralelně bude

Celková kapacita = kapacita buňky (Cc) x (počet sloupců / počet řádků)

Příklad

Musíme vytvořit záložní úložné zařízení, a proto je vyžadován 2,5F super nebo supercapacitor s hodnocením 6V.

Pokud potřebujeme vytvořit pole pomocí kondenzátorů 1F s hodnocením 3V, jaká bude velikost pole a množství kondenzátorů?

Celkové napětí = Napětí článku x Číslo řádku Potom Číslo řádku = 6/3 Číslo řádku = 2

Znamená to, že dva kondenzátory v sérii budou mít rozdíl potenciálu 6V.

Nyní kapacita

Celková kapacita = kapacita buňky x (číslo sloupce / číslo řádku) , pak číslo kolony = (2,5 x 2) / 1

Potřebujeme tedy 2 řádky a 5 sloupců.

Sestavme pole,

Celková energie uložená v poli je

Superkondenzátory jsou dobré při skladování energie a tam, kde je potřeba rychlé nabíjení nebo vybíjení. Je široce používán jako záložní zařízení, kde je potřeba záložní napájení nebo rychlé vybití. Dále se používají v tiskárnách, automobilech a různých zařízeních s pitnou elektronikou.