Что такое суперконденсатор и как он работает

Конденсатор представляет собой двухполюсный пассивный компонент, широко используемый в электронике. Почти каждая схема, которую мы встречаем в электронике, использует один или несколько конденсаторов для различных целей. Конденсаторы являются наиболее часто используемым компонентом электроники после резисторов. Они обладают особой способностью хранить энергию . На рынке доступны различные типы конденсаторов, но в последнее время набирают популярность и обещают замену или альтернативу батареям в будущем — это суперконденсаторы или также известные как ультраконденсаторы. Суперконденсатор — это не что иное, как конденсатор большой емкости, значения емкости которого намного выше, чем у обычных конденсаторов, но с более низкими пределами напряжения. Они могут хранить в 10–100 раз больше энергии на единицу объема или массы чем электролитические конденсаторы, могут получать и доставлять заряд намного быстрее, чем электролитические конденсаторы и аккумуляторы и выдерживают большее количество циклов зарядки-разрядки чем аккумуляторные батареи.

Суперконденсаторы или ультраконденсаторы — это новая технология хранения энергии, которая активно развивается в последние годы время. Суперконденсаторы приносят значительные промышленные и экономические выгоды.

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (Ф), например 0,1 мкФ (микрофарад), 1 мФ (миллифарад). Однако, хотя конденсаторы с меньшим номиналом широко распространены в электронике, также доступны конденсаторы с очень высоким номиналом, которые сохраняют энергию с гораздо более высокой плотностью и доступны с очень высоким значением емкости, вероятно, в диапазоне фарад.

На изображении выше показано изображение доступного на рынке суперконденсатора 2,7 В и емкостью 1 Фарад. Номинальное напряжение намного ниже чем у обычных конденсаторов, но емкость вышеуказанного конденсатора весьма высока.

Также на нашем сайте вы можете прочитать статью о современных инновациях в разработке суперкондесаторов.

Преимущества суперконденсатора или ультраконденсатора

Спрос на суперконденсаторы в настоящее время растет с каждым днем. Основная причина быстрого развития и спроса на них связана с такими их достоинствами как: 

• Обеспечивают очень хороший срок службы — около 1 миллиона циклов зарядки.
• Рабочая температура составляет от -50 до почти 70 градусов, что делает их пригодными для использования в широком диапазоне приложений.
• Высокая плотность мощности — до 50 раз по сравнению с обычными конденсаторами, что достигается за счет аккумуляторов.
• Вредные материалы и токсичные металлы не являются частью процесса производства суперконденсаторов или ультраконденсаторов, что делает их сертифицированными как одноразовые компоненты.
• Более эффективны чем батареи.
• Не требует обслуживания по сравнению с аккумуляторами.

Суперконденсаторы хранят энергию в своем электрическом поле, но в случае с батареями для хранения энергии используются химические соединения. Кроме того, благодаря своей способности быстро заряжаться и разряжаться, суперконденсаторы постепенно выходят на рынок аккумуляторов. Низкое внутреннее сопротивление при очень высоком КПД, отсутствие затрат на техническое обслуживание и более длительный срок службы являются основной причиной их высокого спроса на современном рынке источников энергии.

Энергия в конденсаторе

Конденсатор хранит энергию в виде Q = C x V. Q означает заряд в кулонах, C — емкость в фарадах, а V — напряжение в вольтах. Таким образом, если мы увеличим емкость, запасенная энергия Q также увеличится.

Единица емкости — фарад (Ф), названная в честь М. Фарадея. Фарад — единица измерения емкости в единицах кулон/вольт. Соотвественно конденсатор емкостью 1 Фарад может создать между своими обкладками разность потенциалов в 1 Вольт в зависимости от заряда в 1 Кулон.

Конденсатор емкостью 1 Фарад — это конденсатор очень большой емкости, который можно использовать в качестве обычного электронного компонента. В электронике обычно используется емкость от микрофарад до пикофарад. Микрофарад обозначается как мкФ (1/1 000 000 Фарад или 10 ^-6 Ф), нанофарад как нФ (1/1 000 000 000 или 10 ^-9 Ф) и пикофарад как пФ (1/1 000 000 000 000 или 10 ^-12 Ф).

Если значение становится намного выше, например, от мФ до нескольких фарад (обычно <10 Ф), это означает, что конденсатор может удерживать гораздо больше энергии между своими пластинами, такой конденсатор называется ультраконденсатором или суперконденсатором.

Энергия, запасенная в конденсаторе, равна E = ½ CV ² Джоуля. E — запасенная энергия в джоулях, C — емкость в фарадах, а V — разность потенциалов между пластинами.

Конструкция суперконденсатора

Суперконденсатор — электрохимическое устройство. Интересно, что в нем не существует никаких химических реакций, ответственных за сохранение электрической энергии. Суперконденсаторы имеют уникальную конструкцию с большой проводящей пластиной или электродом, которые расположены близко друг к другу с очень маленькой площадью поверхности. Его конструкция аналогична электролитическому конденсатору с жидким или влажным электролитом между электродами. Здесь вы можете узнать о различных типах конденсаторов.

Суперконденсатор действует как электростатическое устройство, сохраняющее свою электрическую энергию в виде электрического поля между проводящими электродами.

Электроды, красный и синий, имеют двустороннее покрытие. Обычно они изготавливаются из графитового углерода в виде углеродных нанотрубок или гелей или из специального типа проводящего активированного угля.

Чтобы блокировать большой поток электронов между электродами и прохождение положительного иона, используется пористая бумажная мембрана. Бумажная мембрана также разделяет электроды. Как мы видим на изображении выше, пористая бумажная мембрана расположена посередине и имеет зеленый цвет. Электроды и бумажный сепаратор пропитаны жидким электролитом. Алюминиевая фольга используется в качестве токосъемника, который обеспечивает электрическое соединение.

Разделительная пластина и площадь пластин отвечают за величину емкости конденсатора. Емкость суперкондесатора можно рассчитать по следующей формуле:

Где Ɛ — диэлектрическая проницаемость материала, находящегося между пластинами.

А — площадь пластины.

D — расстояние между пластинами.

Итак, в случае с суперконденсатором контактную поверхность необходимо увеличить, но есть ограничение. Мы не можем увеличить физическую форму или размер конденсатора. Чтобы преодолеть это ограничение, используются специальные типы электролитов, увеличивающие проводимость между пластинами, тем самым увеличивая емкость.

Суперконденсаторы также называют конденсаторами с двойным слоем. Этому есть причина. Очень маленькое разделение и большая площадь поверхности при использовании специального электролита, поверхностный слой электролитических ионов образует двойной слой. Он создает конструкцию из двух конденсаторов, по одному на каждом угольном электроде и называемую конденсатором с двойным слоем.

У этих конструкций есть недостаток. Напряжение на конденсаторе стало очень низким из-за напряжения разложения электролита. Напряжение сильно зависит от материала электролита, материал может ограничивать емкость хранения электрической энергии конденсатора. Таким образом, из-за низкого напряжения на клеммах суперконденсатор может быть подключен последовательно для хранения электрического заряда на необходимом уровне напряжения. Благодаря этому суперконденсаторы последовательно выдают более высокое напряжение, чем обычно, а при их параллельном соединении их суммарная емкость становится больше. Это можно более детально понять с помощью приведенной ниже техники построения массива суперконденсаторов.

Конструкция массива суперконденсаторов

Чтобы сохранить заряд при необходимом полезном напряжении, суперконденсаторы необходимо соединить последовательно. А для увеличения емкости их следует соединить параллельно.

Давайте посмотрим на конструкцию массива суперконденсаторов.

На изображении выше напряжение одной ячейки или конденсатора обозначено как Cv, тогда как емкость одной ячейки обозначена как Cc. Диапазон напряжений суперконденсатора составляет от 1 В до 3 В, последовательное соединение увеличивает напряжение, а большее количество конденсаторов соединенных параллельно увеличивает их емкость.

Если мы создадим массив, последовательное напряжение будет равно

А емкость параллельного соединения будет равна

Пример

Нам необходимо создать резервное запоминающее устройство, и для этого потребуется суперконденсатор емкостью 2,5 Ф с номиналом 6 В.

Если нам нужно создать массив с использованием конденсаторов 1Ф с номиналом 3В, то каков будет размер массива и количество конденсаторов?

Это означает, что два последовательно соединенных конденсатора будут иметь разность потенциалов 6 В.

Теперь емкость:

Итак, нам нужно 2 строки и 5 столбцов.

Давайте построим наш массив суперконденсаторов, он приведен на следующем рисунке.

Полная энергия, запасенная в нашем массиве, будет равна:

Суперконденсаторы хороши для хранения энергии и там, где необходима быстрая зарядка или разрядка. Они широко используется в качестве резервных устройств там, где требуется резервное питание или быстрая разрядка. Также они используются в принтерах, автомобилях и различных электронных устройствах.