Υπερπυκνωτές αντί για μπαταρίες: συσκευή, σύγκριση χαρακτηριστικών, πλεονεκτήματα χρήσης, κριτικές

2024 Συγγραφέας: Erin Ralphs | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-02-19 13:54

Η ιδέα μιας υψηλής ειδικής χωρητικότητας διερευνήθηκε τη δεκαετία του 1960, αλλά σήμερα υπάρχει ένα νέο κύμα αυξημένου ενδιαφέροντος για αυτήν την τεχνολογία, λόγω του μοναδικού συνδυασμού ιδιοτήτων απόδοσης του τελικού προϊόντος. Σήμερα, με βάση αυτή την τεχνολογία, παράγονται διάφορες τροποποιήσεις υπερπυκνωτών και υπερπυκνωτών, οι οποίοι μπορούν κάλλιστα να θεωρηθούν ως μια πλήρης μπαταρία ισχύος. Οι ιδέες του υπερπυκνωτή που παρουσιάζονται παρακάτω δείχνουν ότι ο μελλοντικός ανταγωνισμός τους με τις συμβατικές μπαταρίες (μπαταρίες) δεν είναι τόσο φανταστικός.

Τι είναι ένας υπερπυκνωτής;

Στην ουσία, πρόκειται για μια βελτιστοποιημένη ηλεκτροχημική μπαταρία, κατασκευασμένη με τη μορφή συμπαγούς πυκνωτή. Ακόμη και με μια πρόχειρη σύγκριση της συσκευής με ένα τυπικόμπαταρία για ένα αυτοκίνητο, μπορείτε να επισημάνετε την προφανή διαφορά μεγέθους και στην πράξη, τα οφέλη θα έρθουν επίσης στην επιφάνεια με τη μορφή μεγαλύτερης διάρκειας ζωής και ισχύος. Με άλλα λόγια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υπερπυκνωτές αντί για μπαταρίες, αν και με κάποιες επιφυλάξεις λόγω περιορισμών όσον αφορά τη συσσώρευση ενεργειακού δυναμικού. Τέτοιες αποχρώσεις εξακολουθούν να υπάρχουν λόγω της ατέλειας της τεχνολογικής εξέλιξης των ιονιστών, ωστόσο, η κατάσταση αλλάζει υπό την πίεση της αγοράς με τις αυξανόμενες απαιτήσεις της για μπαταρίες.

Σχεδίαση και σχεδιασμός προϊόντων

Η βάση αυτού του πυκνωτή σχηματίζεται από δύο ηλεκτρόδια, μεταξύ των οποίων τοποθετείται παραδοσιακά το ηλεκτρολυτικό μέσο. Διαφορές από την μπαταρία μπορούν να παρατηρηθούν στη δομή των υλικών για την κατασκευή ηλεκτροδίων, οι πλάκες των οποίων είναι επικαλυμμένες με πορώδες ενεργό άνθρακα. Όσον αφορά τον ηλεκτρολύτη, μπορούν να χρησιμοποιηθούν οργανικά και ανόργανα μείγματα με αυτή την ικανότητα. Δομικά ξεχωρίζει και η τεχνική λύση της μόνωσης στη δομή των υπερπυκνωτών. Αντί για πλάκες αλουμινίου μπαταρίας με διηλεκτρικό στρώμα, χρησιμοποιούνται εξαρτήματα με βέλτιστες ιδιότητες ιοντικής και ηλεκτρονικής αγωγιμότητας. Εάν συνεχίσουμε την ιδέα της πιθανής χρήσης ενός υπερπυκνωτή ως μπαταρία, τότε ο πορώδης άνθρακας θα μπορούσε κάλλιστα να λειτουργήσει ως ηλεκτρονικός αγωγός και ένα διάλυμα θειικού οξέος θα μπορούσε να λειτουργήσει ως ιονικός αγωγός. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να παρασχεθεί ένα βέλτιστο στρώμα διαχωρισμού φορτίου μεταξύ των ηλεκτροδίων χωρίς την πρόσθετη συμπερίληψη ογκωδών μονωτών.

Ποικιλίες υπερπυκνωτών

Ήδη σήμερα, υπάρχουν διάφορες κατευθύνσεις στην ανάπτυξη των ιονιστών. Οι πιο αξιοσημείωτοι και πολλά υποσχόμενοι είναι οι ακόλουθοι τύποι συσκευών:

• Πυκνωτές διπλής στρώσης. Το τυπικό μοντέλο, το οποίο χρησιμοποιεί τα προαναφερθέντα ηλεκτρόδια κατασκευασμένα από ηλεκτρικά αγώγιμο υλικό και έναν ειδικό διαχωριστή χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης. Η συσσώρευση ενεργειακού δυναμικού συμβαίνει ως αποτέλεσμα του διαχωρισμού φορτίου στα ηλεκτρόδια.
• Ψευδοπυκνωτές. Μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία κατασκευασμένη από αυτόν τον τύπο υπερπυκνωτών μπορεί να είναι μια πολύ επιτυχημένη λύση, καθώς προσφέρει πιο προηγμένους τρόπους αποθήκευσης ενέργειας. Πρώτον, ενεργοποιείται η αρχή του μηχανισμού Faraday που σχετίζεται με τις διαδικασίες συσσώρευσης ενέργειας σε συμβατικές μπαταρίες. Και δεύτερον, διατηρείται επίσης το βασικό σχήμα ηλεκτροστατικής αλληλεπίδρασης μεταξύ ηλεκτροδίων σε διπλό ηλεκτρικό στρώμα.
• Υβριδικοί πυκνωτές. Μια ενδιάμεση ιδέα που συνδυάζει τα επιμέρους θετικά χαρακτηριστικά των μπαταριών και των πυκνωτών. Τέτοιες συσκευές τυπικά χρησιμοποιούν έναν συνδυασμό ηλεκτροδίων κατασκευασμένων από μικτά οξείδια και πολυμερή με πρόσμιξη. Η περαιτέρω ανάπτυξη αυτής της κατεύθυνσης συνδέεται με τη χρήση σύνθετων υλικών συμπληρωμένων με φορείς άνθρακα και αγώγιμα πολυμερή.

Βασικά χαρακτηριστικά

Σήμερα είναι δύσκολο να μιλήσουμε για τους καθιερωμένους δείκτες απόδοσης των ιονιστών, επειδήΗ τεχνολογία βελτιώνεται συνεχώς και προσαρμόζεται για τη βελτίωση των ηλεκτροχημικών πηγών ρεύματος. Αλλά αν πάρουμε τα μέσα δεδομένα για τα κύρια χαρακτηριστικά των υπερπυκνωτών, τότε οι συγκεκριμένοι δείκτες θα μοιάζουν με αυτό:

• Χρόνος φόρτισης - 1 έως 10 δευτερόλεπτα
• Ο αριθμός των κύκλων φόρτισης είναι περίπου 1 εκατομμύριο, που αντιστοιχεί σε 30.000 ώρες.
• Τάση στο κελί μπλοκ - εύρος από 2,3 έως 2,75 V.
• Ένταση ενέργειας - τυπική τιμή 5 Wh/kg.
• Ισχύς - περίπου 10.000 W/kg.
• Ανθεκτικότητα - έως 15 χρόνια.
• Θερμοκρασία λειτουργίας -40°C έως 65°C.

Σύγκριση με τις συμβατικές μπαταρίες

Οι κύριες διακριτικές παράμετροι είναι ο ρυθμός συσσώρευσης ενέργειας και ο βαθμός επιστροφής του ηλεκτρικού φορτίου. Λόγω της χρήσης διπλού στρώματος ηλεκτρικού δυναμικού κοντά στον υπερπυκνωτή με παρόμοιες διαστάσεις, η περιοχή της επιφάνειας εργασίας των ηλεκτροδίων αυξάνεται. Δηλαδή, μπορούμε να μιλήσουμε για συνδυασμό των καλύτερων ιδιοτήτων της μπαταρίας και του πυκνωτή ως τέτοιου. Εάν συγκρίνουμε την κατανομή των ρευμάτων της μπαταρίας και του υπερπυκνωτή με το φορτίο, τότε η ομοιομορφία των όγκων του καταναλωθέντος ρεύματος θα είναι γενικά πανομοιότυπη, αλλά με δύο διορθώσεις. Κατά τη λειτουργία της μπαταρίας, είναι δυνατό να μετατοπιστεί το μεγαλύτερο ρεύμα προς το στοιχείο που βρίσκεται στο κάτω μέρος του μπλοκ και στην περίπτωση των ιονιστών, κατ 'αρχήν, το δυναμικό θα είναι μικρότερο λόγω της χαμηλής τάσης. Επίσης, οι σημαντικές διαφορές περιλαμβάνουν τη διαφορά στον πόρο εργασίας - οι υπερπυκνωτές εξυπηρετούν περίπου 25-30% περισσότερο χρόνο, για να μην αναφέρουμευψηλότερο ποσοστό εφικτών κύκλων εργασίας.

Πλεονεκτήματα λειτουργίας υπερπυκνωτών

Αν γενικά λάβουμε υπόψη τα θετικά αποτελέσματα της χρήσης υπερπυκνωτών αντί για μπαταρίες, τότε οι ακόλουθες ιδιότητες θα έρθουν στο προσκήνιο:

• Η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα των υπερπυκνωτών τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές συσκευές ως βραχυπρόθεσμη πηγή ενέργειας.
• Περιβαλλοντική ασφάλεια. Φυσικά, τα ηλεκτροχημικά στοιχεία διατηρούνται ακόμη στο σχεδιασμό, αλλά τα τοξικά τους αποτελέσματα μειώνονται συνεχώς.
• Δυνατότητα χρήσης ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές - άνεμος, ήλιος, νερό και γη.
• Επέκταση ευκαιριών για δομική ενοποίηση μπαταριών - για παράδειγμα, για συντήρηση σύνθετων σταθμών παραγωγής ενέργειας, υβριδικών ηλεκτρικών μηχανών, οχημάτων με καύσιμο υδρογόνο κ.λπ.

Αξίζει να σημειωθούν μερικά από τα πλεονεκτήματα ενός υπερπυκνωτή σε σχέση με έναν συμβατικό πυκνωτή. Υπάρχουν λίγα από αυτά, αλλά η μεγάλη χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας είναι θεμελιωδώς σημαντική. Σύμφωνα με αυτόν τον δείκτη, δεν μπορούν όλες οι τροποποιήσεις των ιονιστών να ανταγωνιστούν τις μπαταρίες, ωστόσο, σε σύγκριση με τους πυκνωτές στην παράμετρο ηλεκτρικής χωρητικότητας, κερδίζουν με σιγουριά.

Θετικές κριτικές για υπερπυκνωτές

Οι δοκιμές και η μερική εφαρμογή υπερπυκνωτών σήμερα πραγματοποιούνται σε μια ποικιλία βιομηχανιών. Όπως δείχνουν οι κριτικές για τη λειτουργία αυτών των συσκευών, επιβεβαιώνουν τις δηλώσεις των κατασκευαστών για το υψηλόαξιοπιστία, περιβαλλοντική ασφάλεια και υψηλή χωρητικότητα. Αυτό που είναι ιδιαίτερα σημαντικό από την άποψη της σύγκρισης υπερπυκνωτών και μπαταριών, οι πρώτοι δεν είναι τόσο απαιτητικοί για τη δημιουργία ειδικών συνθηκών κατά τον φυσικό χειρισμό. Αυτό οφείλεται εν μέρει στην ίδια χαμηλή τοξικότητα των εξαρτημάτων, αλλά σε μεγαλύτερο βαθμό, η εργονομία της λειτουργίας οφείλεται στον υψηλό βαθμό προστασίας της θήκης. Δηλαδή, ο χρήστης δεν χρειάζεται να παρέχει ειδικές συσκευές για τη συντήρηση υπερπυκνωτών σε στεγανές συνθήκες. Το χαμηλό βάρος και οι βελτιστοποιημένες διαστάσεις διευκολύνουν επίσης την εκτέλεση εργασιών ρουτίνας συντήρησης.

Αρνητικές κριτικές υπερπυκνωτών

Υπάρχουν επίσης αδυναμίες σε αυτού του είδους τους πυκνωτές, οι οποίες επίσης εκδηλώνονται ξεκάθαρα στην πράξη. Ειδικότερα, οι χρήστες επισημαίνουν τη χαμηλή ενεργειακή τους πυκνότητα, τη χαμηλή απόδοση και το όχι πάντα επαρκές επίπεδο τάσης, γεγονός που καθιστά απαραίτητη τη χρήση πολλών στοιχείων για την εξυπηρέτηση μιας στοχευόμενης μονάδας καταναλωτή. Από πολλές απόψεις, αυτές οι αδυναμίες εμποδίζουν τη χρήση υπερπυκνωτών αντί για μπαταρίες σήμερα, αν και, και πάλι, η τεχνολογική ανάπτυξη είναι πιο πιθανό να λύσει αυτά τα προβλήματα.

Προοπτικές για την ανάπτυξη πυκνωτών

Σύμφωνα με ειδικούς και προγραμματιστές μπαταριών, στο εγγύς μέλλον, πυκνωτές νέας γενιάς θα χρησιμοποιούνται παντού. Αυτό θα καταστεί δυνατό λόγω της ενεργούς αύξησης της ειδικής χωρητικότητας των συσκευών. Αξίζει τον κόποπροσθέτει και βελτιώνει τα τεχνικά και δομικά χαρακτηριστικά των υπερπυκνωτών, που αφορά πρωτίστως τις διαστάσεις και το βάρος. Παράλληλα διοργανώνονται ήδη σήμερα δοκιμές ιονιστών ισχύος έως 2,5 mW. Στο μέλλον, τέτοια συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη συντήρηση δικτύων μεταφορών, βιομηχανικών εγκαταστάσεων και συγκροτημάτων κατοικιών.

Συμπέρασμα

Η ιδέα του υπερπυκνωτή θεωρείται η βέλτιστη λύση σε καταστάσεις όπου υπάρχει βραχυπρόθεσμη ανάγκη για παροχή ρεύματος με ενεργό φόρτιση. Εν μέρει, αυτό είναι μια αντίφαση με την ιδέα των ηλεκτροχημικών μπαταριών, οι οποίες επικεντρώνονται στη μακροχρόνια διατήρηση της ισχύος με ορισμένες παραμέτρους. Είναι όμως δυνατόν να χρησιμοποιηθεί ένας υπερπυκνωτής αντί για μπαταρία σε ένα αυτοκίνητο, δεδομένου αυτού του λειτουργικού χαρακτηριστικού; Με υψηλό βαθμό πιθανότητας, οι προηγμένες αυτοκινητοβιομηχανίες θα χρησιμοποιούν πυκνωτές υψηλής χωρητικότητας, αλλά μόνο σε ειδικές υβριδικές εκδόσεις που συνδυάζουν τις θετικές ιδιότητες των υπερπυκνωτών καθαυτών και των παραδοσιακών ηλεκτροχημικών στοιχείων. Για παράδειγμα, σήμερα τέτοια διαλύματα χρησιμοποιούνται με τη μορφή ενός συνδυασμού μιας ηλεκτροχημικής δομής μολύβδου-οξέος και ενός υπερπυκνωτή.