Rådgiver
Teksten forneden er maskineoversat fra den tyske originaltekst.
Værd at vide til supercaps
Was a supercap?
Hvordan fungerer et supercap?
Was forskellen mellem et supercap og et batteri?
Hvor anvendes Supercaps?
Hvordan bliver supercaps tilsluttet?
Was a supercap?
En superkondensator, ultracap, Gold cap eller også Supercap , er i princippet en kondensator, der kan lagre enorme mængder elektrisk energi.
Hvis der ved en kondensator tilsluttes en spænding på 1 V og derefter i 1 sekund løber en strøm på 1 ampere, har kondensatoren en kapacitet fra et farad. Enhed 1 Farad blev udpeget efter Michael Faraday, britisk eksperimentalfysiker.
Værdien 1 Farad (1 F) er en meget stor kapacitetsværdi, som ikke nødvendigvis er nødvendig i elektriske elektroniske elektroniske udstyrs kommercielle kredsløb. Her er det nødvendigt med kondensatorer, der kun har en brøkdel af værdien. Gængse værdier er f.eks.:
Millifarad (MF) = 1/1000 farad
mikrofarad (µ F) = 1/1000 millifarad
nanofarad (nF) = 1/1000 mikrofarad
picofarad (pf) = 1/1000 nanofarad
Ved en superkondensator bevæger den specifikke kapacitet sig på et helt andet niveau. Her opnås der nu kapacitetsværdier på op til et par tusinde farad. Derfor bærer superkondensatorer med rette deres navn.
For at opnå disse høje kapacitetsværdier er der i superkondensatorer udviklet forskellige teknologier, som kondensatorerne er opdelt i.
Dobbeltlagskondensatorer
Til dobbelte lagskondensatorer anvendes aktivt kul som elektrodemateriale. Den elektriske energi lagres statisk i dobbeltlaget i hjelmholtz på elektroderne.
Pseudokondensatorer
Pseudokondensatorer er elektrotermiske eller ledende polymerer. Den elektriske energi lagres elektrokemisk ved hjælp af faradaysk lastudveksling.
Hybridkondensatorer
Hybridkondensatorer som for eksempel litium-ion-kondensatorer bruger både den statiske og den elektrokemiske lagring. Derudover har de en elektrode med en høj doppeltlagskapacitet og en elektrode med en høj pseudokapacitet.
Hvordan fungerer et supercap?
Grundlæggende funktion
Figur 2: 1. Kollektor, 2. Polariseret elektrode, 3. Hjelmholder-dobbeltlag, 4. Elektrolyt med positive og negative ioner, 5. Separator, 6. Spændingskilde;
En superkondensator består af to elektroder, der ved hjælp af en separator er mekanisk og elektrisk adskilt fra hinanden.
På trods af adskillelsen er separatoren gennemtrængelig for ioner. Lastudvekslingen muliggør en elektrolyt , der indeholder positivt ladede ioner (kationer) og negativt ladede ioner (aniononer).
Hvis der tilsluttes en spænding til kondensatoren, dannes der ved begge elektroder et dobbeltlag af hjelmholz med negative og positivt ladede ioner (se billede 2).
På grund af elektrodernes forskellige laster er strlagene opbygget spejlvendt.
De to lag virker som to kondensatorer, der er serieforbundne. Kondensatorens samlede kapacitet beregnes ved hjælp af formlen:
C 1· C 2
C I ALT = --------
--- C 1 + C 2
Statisk dobbeltlagskapacitet:
Figur 3: 1. Kollektor, 2. Polariseret elektrode, 3. Molekylær belægning af polariserede opløsningsmiddelmolekyler, 4. Elektrolyt, 5. Separator, 6. Sulvatiserede kationer, 7. Gouy-Chapmann dobbeltlag. 8. Hjelmholder dobbeltlag.
Elektrodernes overflader bliver fugtet af elektrolytgrundig. Det er netop i denne berøringsflade (fasegrænse), at der dannes to ioniserede lag efter dannelse af en spænding (se figur 2).
Hvis der er tale om en vandig elektrolyt, adskilles de to lag af en molekylær placering af polære vandmolekyler.
Vandmolekylerne hæfter både ved elektroden (adsorption) og ved ionerne (solation).
Ladningsscentererne fungerer på samme måde som dielektrikeren med en almindelig kondensator og bevirker statisk lagring af den elektriske energi i et elektrisk felt.
Det ekstremt tynde hjelmholtz-lag på nogle nanometer og elektrodernes enormt store overflade på op til 2500 m² pr. gram er den vigtigste grund til disse kondensatorers ekstreme kapacitetsværdier.
Elektrokemisk pseudokapacitet:
Figur 4: 1. Kollektor, 2. Polariseret elektrode, 3. Molekylær belægning af polariserede opløsningsmiddelmolekyler, 4. Elektrolyt, 5. Separator, 6. Sulvatiserede kationer, som endnu ikke har direkte kontakt med elektroden, 7. Integrerede redox-ioner, der har afgivet deres opladning til elektroden, 8. Hjelmholder dobbeltlag.
Ved en kondensator med elektrokemiske pseudokapacitet kan ionerne overvinde det separerende lag af opløsningsmiddelmolekyler og opretholde direkte kontakt med elektrodeoverfladen.
I den forbindelse mister ionerne det omsvulmende solathylster.
Ved efterfølgende anholdelse (adsorption) sker der en elektronoverførsel (redoxreaktion) eller en faradaysker lastudveksling, som bidrager til pseudokapacitet.
En Kemisk forbindelse mellem Redox-ioner og anoden finder ikke sted.
Processen kan vendes, hvorved lastudvekslingen tilbageføres, når kondensatoren aflades.
Da de desolvatiserede ioner ikke længere har et beskyttelsescover af opløsningsmiddelmolekyler, har du brug for mindre elektrodeoverflade.
Derfor er pseudokapacitet på en egnet elektrode med samme overflade mange gange højere end ved en dobbeltlagskapacitet.
Was forskellen mellem en supercap og et batteri?
Forskellene mellem en superkondensator og et batteri ligger i energitæthed og effekttæthed.
I praksis betyder det, at et batteri med en højere kapacitet eller en højere energitæthed kan gemme betydeligt mere energi end en superkondensator med samme konstruktion.
På grund af den højere effekttæthed kan en super-cap dog optage energimængden væsentligt hurtigere og også returnere den hurtigere. Korte opladningstider og meget høj afladningsstrømme er så lette at realisere.
Derudover har Supercaps en høj cyklusstyrke og holder til meget flere opladnings-/afladningscyklusser end batterier. Levetiden er dermed mange gange større. På grund af disse egenskaber kan supercaps til mange anvendelser supplere eller endda erstatte de batterier, der hidtil har været anvendt.
Batteri og supercap i direkte sammenligning
Til sammenligning er der valgt to celler med en tilnærmelsesvis samme konstruktion og størrelse.
| NiMH-batteri | Supercap | |
|---|---|---|
| TYPEEMMERICH NIMH-BATTERI SUB C 2400 MAH FT-1Z | EMMERICH NIMH-BATTERI SUB C 2400 MAH FT-1Z | VINATech VEC3R0107QG Dual layer-kondensator |
| Kapacitet | 2400 mAh | 100 F |
| Driftsspænding | 1,2 V | 3 V |
| Oplagret energi* | 2,88 Wt | 0,08 Wt |
| Maks. Strømstyrke | 48 A | 75 A |
| Indvendig modstand | 15 m | 6 m |
| Cyklusstyrke | Min. 500 | Over 500.000 |
| Mål (dia. X H) | 22,5 x 43 | 22 x 45 |
| Vægt | 54 g | 20 g |
| Temperaturområde | 0° C til +45° C. | -40° C til +65° C |
*værdien er en rent matematisk størrelse på grundlag af de tekniske data og ikke en værdi, der kan anvendes i praksis.
Facit: Supercaps er batterierne overlegne, når det gælder energitætheden.
Men der er et vigtigt punkt, som skal tages i betragtning: Da arbejdsspændingen for enkelte celler i mange tilfælde er for lav, bliver batterier og supercaps gerne serieskiftet for at øge den samlede spænding. Mens kapaciteten for to serieforbundne celler ved batterier (fig. A) er den samme, reduceres kapacitetsværdien for kondensatorerne (figur B).
Hvor anvendes Supercaps?
På grund af deres enorme kapacitet kan kondensatorer med to lag optage meget energi, gemme minimumstab og returnere det. Derfor blev de første dobbeltlagskondensatorer til spændingsforsyning af flygtige hukommelser anvendt i de mest forskellige apparater. Også i dag anvendes superkondensatorer fortrinsvis til strømforsyning, som backup-spændingskilder eller til strømnivellering.
Men de første superkondensatorer havde på grund af den høje modstand inde en lige så vigtig mangel. De kunne ikke anvendes til højstrømsanvendelser. I 1980'erne foretog man f.eks. konstant yderligere forbedringer af kondensatorernes materialer og udviklede ledende elektrolytkondensatorer. Det har øget kapaciteten betydeligt, og frem for alt strømkapaciteten.
Takket være disse egenskaber er LOW ESR-superkondensatorer med lav modstand påkrævet overalt, hvor en høj koblingsbelastningsevne kortvarigt er nødvendig. Men også i køretøjer, hvor der lagres energi ved bremsning, og hvor der igen tilføres energi ved accelerationen (kers eller rekuperation), anvendes supercaps gerne.
Hvordan bliver supercaps tilsluttet?
Supercaps har på grund af sin konstruktion en plus-tilslutning og en minus-tilslutning. I praktisk anvendelse skal man være meget opmærksom på, at kondensatoren anvendes korrekt poleret i kredsløbet.
Et andet vigtigt kriterium er driftsspændingen. Den kan for enkeltceller afhængigt af kondensatorttype og konstruktion ligge mellem 2,5 V og 5,5 V.
Nogle producenter integrerer to kondensatorer i et kabinet for at opnå driftsspændinger på 6,0 V eller derover. Da disse spændinger ofte er for lave til mange anvendelser, slukker Supercaps ofte serielt. Dette reducerer imidlertid den anvendelige kapacitet i overensstemmelse med nedenstående formel.
1/C I ALT = (1/C 1 ) + (1/C 2 ) + (1/C 3 ) + (1/C 4 )
Den lavere kapacitet i et serieforbindelse kompenseres ved, at flere serielle kondensatorkæder parallelkobles. På denne måde opnås den krævede spændingsstyrke og kapacitet. Det er dog nødvendigt at sikre, at den passive eller aktive balancering ikke overlæsser de enkelte celler.
Ved passiv balancering kobles kun shunmodstande (R) parallelt med kondensator (se figur A). Dette kan gøres ved dynamiske systemer, der ofte oplades og aflades. For statiske systemer, der ofte lades sjældent, bør der foretages aktiv balancering. Hver Shuntmodstand tilsluttes og fjernes elektronisk via en kontakt (S) (se figur B).