Superkondensatory a baterie: jaka jest różnica?

Superkondensatory istnieją od lat pięćdziesiątych, ale dopiero w ostatnich latach ich potencjał stał się jasny. Przyjrzyjmy się tym komponentom komputera, które przechowują energię tak jak baterie, ale stosują zupełnie inne zasady.

Co to jest kondensator?

Zanim przejdziemy do superkondensatorów, warto szybko wyjaśnić, czym jest zwykły kondensator, aby pokazać, co czyni superkondensatory wyjątkowymi. Jeśli kiedykolwiek spojrzałeś na płytę główną komputera lub praktycznie dowolną płytkę drukowaną, na pewno widziałeś te elementy elektroniczne.

Kondensator magazynuje energię elektryczną jako statyczne pole elektryczne. To samo dzieje się, gdy idziesz po dywanie w skarpetkach i gromadzisz ładunek elektryczny, który rozładuje się, gdy dotkniesz klamki. Zachowywałeś się jak kondensator!

Wewnątrz typowego kondensatora znajdziesz dwa przewodniki oddzielone materiałem izolacyjnym. Ładunek dodatni gromadzi się na jednym przewodzie, a ładunek ujemny na drugim. W ten sposób między dwiema płytami występuje pole elektrostatyczne. Kondensator można zaprojektować na wiele różnych sposobów, ale wszystkie składają się z dwóch płytek ładujących i izolatora (dielektryka). Izolatorem może być powietrze, ceramika, szkło, folia z tworzywa sztucznego. płyn lub cokolwiek innego, co jest złe w przewodzeniu prądu.

Kondensatory mają wiele zastosowań w elektronice. W komputerach i innych systemach cyfrowych zapewniają, że informacje nie zostaną utracone w przypadku chwilowej utraty zasilania. Działają również jako filtry do usuwania przepięć elektrycznych, które w przeciwnym razie mogłyby uszkodzić wrażliwą elektronikę.

Czym różnią się kondensatory i baterie

Kondensatory i baterie są podobne w tym sensie, że mogą zarówno magazynować energię elektryczną, jak i uwalniać ją w razie potrzeby. Duża różnica polega na tym, że kondensatory przechowują energię jako pole elektrostatyczne, podczas gdy akumulatory wykorzystują reakcję chemiczną do przechowywania i późniejszego uwalniania energii.

Wewnątrz baterii znajdują się dwa zaciski (anoda i katoda) z elektrolitem pomiędzy nimi. Elektrolit to substancja (zwykle ciecz) zawierająca jony. Jony to atomy lub cząsteczki z ładunkiem elektrycznym.

W elektrolicie znajduje się również separator, który przepuszcza tylko jony. Podczas ładowania baterii jony przemieszczają się z jednej strony separatora na drugą. Po rozładowaniu baterii dzieje się odwrotnie. Ruch jonów chemicznie magazynuje energię elektryczną lub zamienia tę zmagazynowaną energię chemiczną z powrotem w prąd elektryczny.

POWIĄZANE: Dlaczego baterie litowo-jonowe eksplodują?

Kondensator kontra superkondensator

Superkondensatory znane są również jako ultrakondensatory lub kondensatory dwuwarstwowe . Kluczową różnicą między superkondensatorami a zwykłymi kondensatorami jest pojemność. Oznacza to po prostu, że superkondensatory mogą przechowywać znacznie większe pole elektryczne niż zwykłe kondensatory.

Na tym schemacie widać kolejną istotną różnicę, jeśli chodzi o superkondensatory. Podobnie jak bateria (i w przeciwieństwie do tradycyjnego kondensatora) superkondensator ma elektrolit. Oznacza to, że do przechowywania ładunku elektrycznego wykorzystuje zarówno zasady elektrostatyczne, jak i elektrochemiczne.

Jest to rażące uproszczenie, a wyjaśnienie naprawdę technicznych aspektów tego zajęłoby znacznie więcej czasu. Najważniejszą rzeczą, jaką należy wiedzieć o superkondensatorach, jest to, że oferują one te same ogólne właściwości co kondensatory, ale mogą zapewnić wielokrotnie większe magazynowanie i dostarczanie energii w porównaniu z klasycznym projektem.

Plusy i minusy superkondensatorów

Superkondensatory mają wiele zalet w porównaniu na przykład z akumulatorami litowo-jonowymi. Superkondensatory mogą ładować się znacznie szybciej niż akumulatory. Proces elektrochemiczny wytwarza ciepło, dlatego ładowanie musi odbywać się w bezpiecznym tempie, aby zapobiec katastrofalnej awarii akumulatora. Z tego samego powodu superkondensatory mogą również dostarczać zmagazynowaną energię znacznie szybciej niż akumulatory elektrochemiczne. Zbyt szybkie rozładowywanie się akumulatora może również doprowadzić do katastrofalnej awarii.

POWIĄZANE Jak się dowiedzieć, kiedy nadszedł czas, aby wymienić baterię laptopa

Superkondensatory są również znacznie trwalsze od akumulatorów, w szczególności akumulatorów litowo-jonowych. Podczas gdy baterie w telefonach, laptopach i samochodach elektrycznych zaczynają się zużywać po kilkuset cyklach ładowania, superkondensatory można ładować i opróżniać ponad milion razy bez degradacji. To samo dotyczy dostarczania napięcia. Akumulator 12 V może dostarczyć tylko 11,4 V za kilka lat, ale superkondensator zapewni takie samo napięcie po ponad dekadzie użytkowania.

Największą wadą w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi jest to, że superkondensatory nie mogą rozładowywać zgromadzonej energii tak wolno, jak akumulator litowo-jonowy, co czyni go nieodpowiednim do zastosowań, w których urządzenie musi pracować przez długi czas bez ładowania.

Tak więc w chwili pisania tego tekstu superkondensatory nie zastępują akumulatorów litowo-jonowych ani innych technologii akumulatorowych, ale istnieje coraz więcej zadań, do których superkondensatory są idealne.

Produkty superkondensatorów

Prawdopodobnie używałeś produktów zawierających superkondensatory i nawet o tym nie wiedziałeś. Pierwsze superkondensatory zostały stworzone w latach pięćdziesiątych przez inżyniera General Electric, Howarda Beckera. W 1978 roku NEC ukuł nazwę „superkondensator” i wykorzystał urządzenie jako formę zasilania awaryjnego pamięci komputera.

Dziś znajdziesz je w laptopach, urządzeniach GPS, komputerach przenośnych, lampach błyskowych do aparatów i wielu innych urządzeniach elektronicznych. Coleman FlashCell używał superkondensatora zamiast baterii. Oznaczało to, że działał o połowę krócej niż tradycyjny model zasilany bateryjnie, ale ładował się w 90 sekund zamiast godzin.

Podobnie S-Pen w Samsungu Galaxy Note 9 używał superkondensatora do zasilania funkcji bezprzewodowych rysika. Moc wyczerpie się po kilku minutach intensywnego użytkowania lub po 30 sekundach czasu oczekiwania, ale ponowne napełnienie zajmuje tylko 40 sekund.

POWIĄZANE Jak działa pojazd elektryczny?

Superkondensatory zadomowiły się również w świecie pojazdów hybrydowych i elektrycznych. Doskonale nadają się do przechwytywania i uwalniania mocy z hamowania odzyskowego, które jest dynamicznym obciążeniem krótkotrwałym. Pojazdy takie jak autobusy komunikacji miejskiej lub tramwaje również nadają się do superkondensatorów. Potrzebują tylko tyle energii, aby dostać się do następnego przystanku, gdzie naładują się ponownie w ciągu kilku sekund lub minut. Ponieważ superkondensatory tak naprawdę się nie zużywają, ten stały cykl transportu publicznego ma wiele sensu dla tej technologii.

Czy superkondensatory to przyszłość magazynowania energii?

Biorąc pod uwagę kierunek badań nad superkondensatorami, wydaje się prawdopodobne, że pewnego dnia będziemy mieli baterie superkondensatorów. Były to urządzenia o wytrzymałości i szybkości superkondensatorów, ale o gęstości energii i długim czasie pracy akumulatorów. W 2016 roku naukowcy z University of Central Florida stworzyli prototyp elastycznego superkondensatora o wyższej gęstości energii niż obecne superkondensatory i 30 000 cykli ładowania bez degradacji.

Nowe materiały w nanoskali i eksperymenty z grafenem wskazują, że możliwe są superkondensatory o znacznie wyższych gęstościach energii. Nawet jeśli nigdy nie pasują do akumulatorów litowo-jonowych, użyteczna ilość ładunku w połączeniu z szybkim czasem ładowania może umieścić je w miejscach, w których akumulatory obecnie pełnią rolę.

Z drugiej strony istnieją inne technologie konkurujące z superkondensatorami. Najważniejszym z nich jest legendarna bateria półprzewodnikowa, a ostatnio tradycyjne baterie litowo-jonowe z dodatkiem grafenu również okazały się obiecujące. Niezależnie od tego, która technologia szybkiego ładowania, trwałej i energochłonnej wygra wyścig, wszyscy będziemy zwycięzcami.

POWIĄZANE: Co to jest szybkie ładowanie i jak to działa?