Инновации в разработке суперконденсаторов: прошлое, настоящее и будущее


Индустрия силовой электроники в настоящее время находится на подъеме и не показывает никаких признаков спада, поскольку тенденция электрификации проникает во все более широкий спектр промышленных областей и влечет за собой потребность в высокотехнологичных силовых электронных устройствах. В последние годы наблюдается заметный рост потребности в передовых решениях для хранения электроэнергии , вызванный необходимостью более быстрого хранения, эффективного управления питанием и оптимизации энергопотребления.

Доля рыночной стоимости суперконденсаторов по регионам

Доля рыночной стоимости суперконденсаторов по регионам

Прикладной характер отрасли силовой электроники сыграл важную роль в разработке решений для хранения электроэнергии, таких как конденсаторы. Относительная экономия времени при зарядке конденсаторов побудила их использовать во многих устройствах накопления энергии. Тем не менее, все еще существует потенциал для улучшения способности конденсаторов хранить электроэнергию, что, в свою очередь, привело к разработке суперконденсаторов, также известных как ультраконденсаторы или электрохимические конденсаторы (ЭК). Более подробно о принципах конструкции суперкондесаторов вы можете прочитать в этой статье.

Что спровоцировало появление суперконденсаторов?

Поскольку промышленное развитие начало вращаться вокруг тенденции электрификации, инновации в конструкции суперконденсаторов набрали темп. Мировые гиганты, в том числе General Electric, проводили эксперименты, направленные на улучшение конструкции суперконденсаторов, стремясь извлечь выгоду из растущего спроса на суперконденсаторы в промышленности как ключевого фактора электрификации. Корпорация NEC была одной из первых компаний, которые коммерчески представили миру суперконденсаторы. Основная заслуга в изобретении принадлежит Standard Oil Company of Ohio (SOHIO).

После появления сверхпроводников как более эффективного решения для хранения энергии популярность технологии ЕС мгновенно возросла. Конструкции суперконденсаторов сменили несколько поколений с момента их первого коммерческого запуска. Исследовательские организации и ведущие компании в области силовой электроники по-прежнему сосредоточены на инновациях в методах производства и материалах для дальнейшего повышения экономической эффективности и производительности суперконденсаторов.

Инновационные методы производства суперконденсаторов

Несмотря на отличные эксплуатационные характеристики суперконденсаторов, производители все еще пытаются контролировать высокие производственные затраты и более низкую способность суперконденсаторов накапливать энергию по сравнению с батареями. Кроме того, проблемы, связанные с долговечностью суперконденсаторов, в определенной степени ограничивают их применение в промышленных приложениях. В ответ на эти опасения компании-производители суперконденсаторов вкладывают значительные средства в исследования и разработки (НИОКР), чтобы разработать более совершенные версии суперконденсаторов.

Некоторые из научно-обоснованных инноваций, которые сформировали рынок суперконденсаторов за последние пять лет:

  • В феврале 2013 года исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе обнаружили новаторский и экономически эффективный метод изготовления микроразмерных суперконденсаторов с использованием устройства записи DVD LightScribe потребительского уровня. Эти микросуперконденсаторы состоят из слоя графитового углерода толщиной в один атом и могут быть легко интегрированы в миниатюрные электронные устройства. Используя двумерный лист графена в сочетании с новой технологией изготовления, исследователи могли бы значительно снизить производственные затраты и расширить сферу применения суперконденсаторов.
  • В июле 2013 года исследователи из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) разработали инновационный метод массового производства трехмерных мезопористых графеновых наношариков (MGB), которые можно использовать в производстве суперконденсаторов. Исследователи прогнозируют, что свойства мезопористого графена улучшат масштабируемость, качество и экономическую эффективность суперконденсаторов, расширяя сферу их применения в электромобилях.
  • В августе 2014 года инженеры Университета Монаша в Австралии разработали новый метод производства графена внутри суперконденсаторов, позволяющий повысить их плотность энергии в 10 раз больше, чем в коммерческих устройствах. Инженеры создали макроскопический графеновый материал с помощью процесса, аналогичного традиционному методу производства бумаги. Кроме того, они также подтвердили, что, уменьшив количество химического вещества на основе раствора — оксида графита в графене, инженеры могут открыть новые возможности для коммерциализации графена и суперконденсаторов с 10-кратной плотностью энергии.
  • В августе 2014 года группа исследователей из Южной Кореи обнаружила необычно инновационный, но очень подходящий альтернативный материал для электродов суперконденсаторов. Они разработали способ использования сигаретных фильтров в суперконденсаторах, которые можно превратить в высокопроизводительный углеродный материал с высокой мощностью. плотности. Исследователи могли бы успешно использовать фильтры от использованных сигарет для хранения большего количества электроэнергии, чем коммерчески доступный уголь.

Повсеместное внимание к разработкам материалов для суперконденсаторов

Движение к разработке высокоэффективных материалов стало очевидным среди производителей суперконденсаторов в связи с постоянно растущим спросом на суперконденсаторы в различных промышленных применениях, таких как носимая бытовая электроника и электромобили. Хотя графен остается одним из подходящих материалов для суперконденсаторов, продолжающиеся исследования указывают на значительные изменения на рынке суперконденсаторов.

Группа химиков из Института молекулярных наук Вант-Хоффа Амстердамского университета изобрела новый материал для суперконденсатора во время проведения экспериментов для своего проекта топливных элементов. Исследователи обнаружили, что высокопористый материал суперконденсатора недорог, легок и нетоксичен и может использоваться в потенциальных коммерческих применениях суперконденсаторов, таких как транспорт, электроника и устройства хранения энергии.

Другая группа ученых из Калифорнийского университета в Санта-Крузе и Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) использовала сверхбыстрый графен, напечатанный на 3D-принтере , чтобы уменьшить толщину на порядок миллиметров и улучшить эксплуатационные характеристики суперконденсаторов, включая плотность мощности и сохранение емкости.

Инженеры Технологического института Джорджии и Университета Кореи изготовили складной суперконденсатор из обычной бумаги, который мог хранить больше энергии дольше, особенно в портативных электронных устройствах, поскольку он гибкий. Ученые, инженеры и исследователи во всем мире в основном сосредоточены на балансировке плотности мощности и плотности энергии суперконденсаторов, чтобы избежать мгновенной потери мощности.

Последние разработки и инновации в материалах, используемых в производстве суперконденсаторов, в основном направлены на снижение возможности саморазряда или короткого замыкания. Заинтересованные стороны рынка суперконденсаторов стремятся извлечь выгоду из различных эксплуатационных характеристик псевдоконденсаторов и гибридных конденсаторов, которые могут отражать более высокую плотность энергии, чем любые другие типы суперконденсаторов.

Хотя спрос на электрические двухслойные конденсаторы остается самым высоким на рынке суперконденсаторов, спрос на гибридные конденсаторы в различных отраслях промышленности растет.

Автомобильная промышленность – ключевая область потенциального роста для производителей суперконденсаторов

В настоящее время автомобильный сектор является потенциально перспективной областью для производителей высококачественных устройств хранения энергии, таких как суперконденсаторы. В 2013 году автомобильное применение суперконденсаторов составило менее 1/5  доли доходов рынка суперконденсаторов. Однако с недавними разработками в автомобильной промышленности автомобили стали одним из наиболее важных применений суперконденсаторов.

Поскольку производители автомобилей уделяют особое внимание снижению зависимости от нефтяной промышленности, а руководящие органы вводят строгие экологические нормы, перспективы роста электромобилей кажутся многообещающими. Это побудило производителей суперконденсаторов обратить внимание на выгодные возможности в быстро развивающейся автомобильной промышленности.

Разработка суперконденсаторов , подходящих для электромобилей или гибридных электромобилей , является одной из наиболее важных бизнес-стратегий компаний-производителей суперконденсаторов. С другой стороны, производители автомобилей также стремятся выпустить наиболее эффективные электромобили, что оправдывает их поиск высококачественных систем хранения энергии. В конечном итоге это отражается на постоянно расширяющихся возможностях инноваций в области суперконденсаторов в быстро развивающейся автомобильной промышленности.

В феврале 2019 года Tesla Inc. – мировой гигант автомобильной и энергетической промышленности – объявила о приобретении Maxwell Technologies Inc. – ведущей компании в области аккумуляторных технологий – примерно за 218 миллионов долларов США. Компания стремится извлечь выгоду из выгодных возможностей для электромобилей, и благодаря этому приобретению она планирует расширить свой опыт в области суперконденсаторов, которые могут ускорить зарядку автомобилей.

В мае 2018 года Rolls-Royce – ведущий мировой производитель автомобилей класса люкс – заключил соглашение о сотрудничестве с Superdielectrics Ltd – британским технологическим стартапом, изучающим потенциал суперконденсаторов и создающим современное хранилище высокой энергии. Благодаря этому партнерству Roll-Royce стремится объединить свой опыт в области материаловедения с гидрофильными полимерами Superdielectrics для разработки аккумуляторов мирового класса для суперконденсаторов.

Lamborghini — еще один ведущий автопроизводитель, присоединившийся к группе автомобильных компаний, которые планируют использовать исключительные характеристики суперконденсаторов при электрификации автомобильной промышленности. Главный технический директор компании недавно заявил, что компания ранее использовала суперконденсаторы в Lamborghini Aventador для стартерной батареи. Эксперты прогнозируют, что преемник Aventador может использовать те же суперконденсаторы.

Постоянно развивающаяся автомобильная промышленность создала очень интересную конкурентную среду для производителей суперконденсаторов. Стремление к постоянному улучшению производительности суперконденсаторов, вероятно, приведет к появлению некоторых революционных инноваций на рынке суперконденсаторов в ближайшие годы.

Роль суперконденсаторов в перспективах электроники и энергетики

Ожидается, что в ближайшее десятилетие на долю автомобильной и транспортной промышленности придется более трети доходов рынка суперконденсаторов. Несмотря на блестящее будущее суперконденсаторов в автомобильной промышленности нового века, бытовая электроника и энергетика, вероятно, будут занимать львиную долю в развитии рынка суперконденсаторов.

Суперконденсаторы рекламируются как «рабочая лошадка» любого электронного продукта, работающего от батарей или систем хранения энергии. В ближайшие годы суперконденсаторы, вероятно, получат повсеместное признание в различных отраслях промышленности. Будущее рынка суперконденсаторов, вероятно, станет свидетелем появления ЭК, которые будут определять будущее современных носимых устройств и бытовой электроники. Солнечные суперконденсаторы также являются делом будущего, которое, как ожидается, будет иметь огромный потенциал продаж в области носимых датчиков, особенно в портативных медицинских устройствах.

Продолжающиеся исследования и разработки в отрасли силовой электроники продолжают намекать на то, что суперконденсаторы заменят батареи в ближайшем будущем. Ожидается, что с ростом применения суперконденсаторов в различных отраслях промышленности, таких как электроника, энергетика, оборона и аэрокосмическая промышленность, мировой рынок суперконденсаторов к 2028 году превысит 5,5 миллиардов долларов США. Экспоненциальные темпы роста рынка суперконденсаторов будут расти. Ожидается, что это расширит прибыльные возможности для исследователей, производителей и других заинтересованных сторон в этой сфере.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
20 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *