Суперконденсаторы вместо аккумуляторов: устройство, сравнение характеристик, преимущества использования, отзывы

Идея конденсатора большой удельной емкости осваивалась еще в 1960-х годах, но сегодня отмечается новая волна повышенного интереса к данной технологии, что обусловлено уникальным сочетание эксплуатационных свойств конечного продукта. В наши дни на базе этой технологии выпускаются различные модификации ионисторов и ультраконденсаторов, которые вполне могут рассматриваться в качестве полноценного силового аккумулятора. Концепты суперконденсатора, фото с примером которого представлено ниже, говорят о том, что их будущая конкуренция с привычными аккумуляторными блоками (АКБ) не так уже и фантастична.

Что такое суперконденсатор?

В сущности, это оптимизированная электрохимическая батарея, выполненная в виде компактного конденсатора. Даже при беглом сравнении устройства с типовым аккумулятором для автомобиля можно выделить очевидную разницу в габаритах, а на практике эксплуатации также выйдут на поверхность преимущества в виде более высокого срока службы и мощности. Иными словами, суперконденсаторы вместо аккумуляторов вполне могут применяться, хотя и с некоторыми оговорками, обусловленными ограничениями в плане накопления энергетического потенциала. Подобные нюансы пока еще имеют место по причине несовершенства технологического развития ионисторов, однако ситуация меняется под давлением рынка с его растущими требованиями к элементам питания.

Устройство и конструкция изделия

Основу данного конденсатора образуют два электрода, между которыми традиционно размещается электролитическая среда. Отличия от аккумулятора можно наблюдать в структуре материалов для изготовления электродов, пластины которых покрываются пористым активированным углем. Что касается электролита, то в этом качестве могут применяться органические и неорганические смеси. Конструкционно выделяется и техническое решение изоляции в структуре суперконденсаторов. Вместо аккумуляторных алюминиевых обкладок с диэлектрической прослойкой применяются компоненты с оптимальными свойствами ионной и электронной проводимости. Если продолжать концепцию возможного использования суперконденсатора в качестве аккумулятора, то электронным проводником вполне мог бы выступить пористый углерод, а ионным – раствор серной кислоты. Таким образом может обеспечиваться оптимальный слой разграничения зарядов между электродами без дополнительного включения громоздких изоляторов.

Разновидности суперконденсатора

Уже сегодня можно выделить несколько направлений в разработке ионисторов. Наиболее заметны и перспективны следующие разновидности устройства:

• Двойнослойные конденсаторы. Стандартная модель, при которой используются упомянутые выше электроды из электропроводящего материала, а в качестве электролита применяется специальный сепаратор. Накопление энергетического потенциала происходит в результате разделения заряда на электродах.
• Псевдоконденсаторы. Перезаряжаемый аккумулятор из суперконденсатора данного типа может стать весьма успешным решением, поскольку в данном случае предполагаются более развитые способы сохранения энергии. Во-первых, задействуется принцип фарадеевского механизма, связанного с процессами аккумуляции энергии в обычных батареях. А во-вторых, сохраняется и базовая схема электростатического взаимодействия между электродами в двойном электрическом слое.
• Гибридные конденсаторы. Промежуточная концепция, объединяющая отдельные положительные черты аккумуляторов и конденсаторов. В таких устройствах обычно используют сочетание электродов, выполненных из смешанных оксидов и допированных полимеров. Дальнейшее развитие этого направления связывают с применением композитных материалов, дополненных углеродными носителями и проводящими полимерами.

Основные характеристики

На сегодняшний день сложно говорить об устоявшихся эксплуатационных показателях ионисторов, поскольку технология постоянно совершенствуется, причем с поправкой на улучшение и электрохимических источников тока. Но если брать средние данные по основным характеристикам суперконденсаторов, то конкретные показатели будут выглядеть так:

• Время зарядки – от 1 до 10 сек.
• Количество циклов зарядки – порядка 1 млн, что соответствует 30 000 ч.
• Напряжение в ячейке блока – диапазон от 2,3 до 2,75 В.
• Энергоемкость – стандартное значение 5 Вт*ч/кг.
• Мощность – порядка 10 000 Вт/кг.
• Долговечность – до 15 лет.
• Рабочая температура – от -40 °С до 65 °С.

Сравнение с обычными АКБ

Основные отличительные параметры заключаются в скорости накапливания энергии и степени отдачи электрического заряда. За счет использования двойного слоя электрического потенциала у суперконденсатора при схожих размерах повышается площадь рабочей поверхности электродов. То есть можно говорить о совмещении лучших свойств АКБ и конденсатора как такового. Если же сравнивать распределение токов аккумулятора и суперконденсатора на нагрузку, то равномерность объемов потребляемого тока будет в целом идентичной, но с двумя поправками. При эксплуатации АКБ возможно смещение наибольшего тока в сторону элемента, расположенного в нижней части блока, а в случае с ионисторами в принципе потенциал будет меньше из-за низкого напряжения. Также к существенным различиям можно отнести разницу в рабочем ресурсе – суперконденсаторы примерно на 25-30 % служат дольше по времени, не говоря о более высоком коэффициенте выполнимых рабочих циклов.

Преимущества эксплуатации суперконденсаторов

Если в целом рассматривать положительные эффекты от использования суперконденсаторов вместо аккумуляторов, то на первый план выйдут следующие качества:

• Высокая плотность энергии суперконденсаторов позволяет их использовать в электронных приборах как источник кратковременного питания.
• Экологическая безопасность. Конечно, электрохимические компоненты по-прежнему сохраняются в конструкции, однако их токсическое влияние постоянно сокращается.
• Возможность применения энергии от возобновляемых источников – ветра, солнца, воды и земли.
• Расширение возможностей для конструкционной интеграции элементов питания – к примеру, для обслуживания сложных силовых установок, гибридных электрических машин, автомобилей на водородном топливе и т. д.

Стоит отметить и некоторые преимущества суперконденсатора по отношению к обычному конденсатору. Их немного, но принципиально важным является большая емкость для накопления энергии. По этому показателю не все модификации ионисторов могут конкурировать с АКБ, однако в сравнении с конденсаторами в параметре электрической вместимости они уверенно выигрывают.

Положительные отзывы о суперконденсаторах

Испытания и частичное применение суперконденсаторов сегодня имеют место в самых разных отраслях. Как показывают отзывы об эксплуатации данных устройств, они подтверждают заявления производителей о высокой надежности, экологической безопасности и высокой емкости. Что особенно важно с точки зрения сравнения суперконденсаторов и аккумуляторов, первые не так требовательны к созданию специальных условий при физическом обращении. Отчасти это связано с той же низкой токсичностью компонентов, но в большей степени эргономика эксплуатации обусловлена высокой степенью защиты корпуса. То есть пользователю не нужно предусматривать специальные приспособления для обслуживания суперконденсаторов в герметизированных условиях. Также и небольшая масса с оптимизированными габаритами облегчает выполнение стандартных манипуляций при обслуживании.

Негативные отзывы о суперконденсаторах

Существуют и слабые места у данного рода конденсаторов, которые также очевидно проявляются на практике эксплуатации. В частности, пользователи указывают на их малую энергетическую плотность, низкую производительность и не всегда достаточный уровень напряжения, что заставляет задействовать несколько элементов для обслуживания одной целевой единицы потребителя. Во многом эти недостатки и не позволяют сегодня применять суперконденсаторы вместо аккумуляторов, хотя, опять же, технологическое развитие с большей вероятностью решит и эти проблемы.

Перспективы развития конденсаторов

По оценкам специалистов и разработчиков элементов питания, уже в скором будущем конденсаторы нового поколения станут использоваться повсеместно. Это станет возможным благодаря активному наращиванию удельной емкости устройств. К этому же стоит добавить и улучшение технико-конструкционных характеристик суперконденсаторов, что в первую очередь касается размеров и веса. Вместе с этим уже сегодня организуются испытания ионисторов мощностью до 2,5 мВт. В будущем подобные системы могут применяться в обслуживании транспортных сетей, промышленных объектов и жилых комплексов.

Заключение

Концепция суперконденсатора считается оптимальным решением в ситуациях, когда есть краткосрочная потребность в энергоснабжении с оперативным зарядом. Отчасти в этом заключается противоречие с идеей электрохимических батарей, которые ориентируются на длительное поддержание питания с определенными параметрами. Но возможно ли применение суперконденсатора вместо аккумулятора на автомобиле с учетом данной эксплуатационной особенности? С высокой долей вероятности передовые автоконцерны и будут использовать конденсаторы высокой удельной емкости, но только в специальных гибридных версиях, объединяющих в себе положительные качества ионисторов как таковых и традиционных электрохимических компонентов. К примеру, сегодня подобные решения применяются в виде сочетания электрохимической свинцово-кислотной структуры и суперконденсатора.