Supercondensatoare vs. Baterii: Care este diferența?

Supercondensatorii există încă din anii 1950, dar abia în ultimii ani potențialul lor a devenit clar. Să aruncăm o privire la aceste componente ale computerului care stochează energie la fel ca bateriile, dar folosesc principii complet diferite.

Ce este un condensator?

Înainte de a ajunge la supercondensatori, merită să explicăm rapid ce este un condensator obișnuit pentru a ajuta la demonstrarea a ceea ce face supercondensatorii speciali. Dacă v-ați uitat vreodată la o placă de bază de computer sau la orice placă de circuit, veți fi văzut aceste componente electronice.

Un condensator stochează electricitatea ca un câmp electric static. Acesta este același lucru care se întâmplă atunci când treci pe un covor în șosete și acumulezi o sarcină electrică, doar pentru a o descărca atunci când atingi mânerul unei uși. Ai acționat ca un condensator!

În interiorul unui condensator tipic, veți găsi doi conductori separați de un material izolator. Sarcina pozitivă se acumulează pe un conductor și sarcina negativă pe celălalt. Astfel, există un câmp electrostatic între cele două plăci. Există multe moduri diferite de a proiecta un condensator, dar toate au componentele de bază a două plăci de încărcare și un izolator (dielectric). Izolatorul poate fi aer, ceramică, sticlă, folie de plastic. lichid, sau orice altceva care este rău la conducerea electricității.

Condensatorii au multe utilizări în electronică. În computere și alte sisteme digitale, aceștia se asigură că informațiile nu se pierd dacă există o pierdere momentană a puterii. De asemenea, acţionează ca filtre pentru a curăţa supratensiunile electrice care altfel ar putea deteriora electronicele sensibile.

Cum diferă condensatorii și bateriile

Condensatorii și bateriile sunt similare în sensul că ambele pot stoca energie electrică și apoi o pot elibera atunci când este necesar. Marea diferență este că condensatoarele stochează puterea ca un câmp electrostatic, în timp ce bateriile folosesc o reacție chimică pentru a stoca și mai târziu a elibera puterea.

În interiorul unei baterii sunt două terminale (anodul și catodul) cu un electrolit între ele. Un electrolit este o substanță (de obicei un lichid) care conține ioni. Ionii sunt atomi sau molecule cu sarcină electrică.

Există, de asemenea, un separator în electrolit care permite doar ionilor să treacă prin el. Când încărcați bateria, ionii se deplasează de la o parte la cealaltă a separatorului. Când descarci bateria, se întâmplă invers. Mișcarea ionilor stochează chimic electricitatea sau transformă acea energie chimică stocată înapoi într-un curent electric.

LEGATE: De ce explodează bateriile cu litiu-ion?

Condensator vs. Supercondensator

Supercondensatorii sunt cunoscuți și ca ultracondensatori sau condensatori cu două straturi . Diferența cheie dintre supercondensatoare și condensatoare obișnuite este capacitatea. Asta înseamnă doar că supercondensatorii pot stoca un câmp electric mult mai mare decât condensatorii obișnuiți.

În această diagramă, puteți vedea o altă diferență majoră când vine vorba de supercondensatori. La fel ca o baterie (și spre deosebire de un condensator tradițional), un supercondensator are un electrolit. Aceasta înseamnă că folosește atât principiile de stocare electrostatică, cât și electrochimică pentru a menține o sarcină electrică.

Aceasta este o simplificare excesivă, iar aspectele cu adevărat tehnice ale acesteia ar dura mult mai mult pentru a se explica. Cel mai important lucru de știut despre supercondensatori este că aceștia oferă aceleași caracteristici generale ca și condensatorii, dar pot oferi de multe ori stocarea și livrarea de energie din designul clasic.

Avantajele și dezavantajele supercondensatoarelor

Supercondensatorii oferă multe avantaje față de, de exemplu, bateriile litiu-ion. Supercondensatorii se pot încărca mult mai repede decât bateriile. Procesul electrochimic creează căldură și, prin urmare, încărcarea trebuie să aibă loc într-un ritm sigur pentru a preveni defecțiunea catastrofală a bateriei. De asemenea, supercondensatorii își pot furniza puterea stocată mult mai rapid decât o baterie electrochimică, din același motiv. Dacă bateria se descarcă prea repede, poate duce și la defecțiuni catastrofale.

LEGATE Cum să știți când este timpul să înlocuiți bateria laptopului dvs

Supercondensatorii sunt, de asemenea, mult mai durabili decât bateriile, în special bateriile cu litiu-ion. În timp ce bateriile pe care le găsiți în telefoane, laptopuri și mașini electrice încep să se uzeze după câteva sute de cicluri de încărcare, supercondensatorii pot fi încărcați și goliți de peste un milion de ori fără degradare. Același lucru este valabil și pentru furnizarea de tensiune. O baterie de 12 V poate furniza doar 11,4 V în câțiva ani, dar un supercondensator va furniza aceeași tensiune după mai mult de un deceniu de utilizare.

Cel mai mare dezavantaj în comparație cu bateriile litiu-ion este că supercondensatorii nu își pot descărca puterea stocată la fel de lent ca o baterie litiu-ion, ceea ce o face nepotrivită pentru aplicațiile în care un dispozitiv trebuie să treacă perioade lungi de timp fără încărcare.

Așadar, așa cum stau lucrurile la momentul scrierii, supercondensatorii nu sunt un înlocuitor pentru bateriile litiu-ion sau alte tehnologii de baterii, dar există un număr tot mai mare de locuri de muncă pentru care supercondensatorii sunt perfecti.

Produse cu supercondensatori

Probabil ai folosit produse care conțin supercondensatori și nici nu știai asta. Primii supercondensatori au fost creati în anii 1950 de un inginer General Electric pe nume Howard Becker. În 1978, NEC a inventat numele de „supercondensator” și a folosit dispozitivul ca formă de alimentare de rezervă pentru memoria computerului.

Astăzi le veți găsi în laptopuri, unități GPS, computere portabile, blițuri pentru camere și multe alte dispozitive electronice. Coleman FlashCell a folosit un supercondensator în loc de o baterie. Acest lucru a însemnat că a funcționat pe jumătate decât un model tradițional alimentat cu baterie, dar s-a încărcat în 90 de secunde în loc de ore.

În mod similar, S-Pen-ul din Samsung Galaxy Note 9 a folosit un supercondensator pentru a alimenta funcțiile wireless ale stylusului. Puterea s-ar termina în câteva minute de utilizare intensă sau după 30 de secunde de timp de așteptare, dar durează doar 40 de secunde pentru a o umple din nou.

LEGATE Cum funcționează un vehicul electric?

Supercondensatorii își găsesc o casă și în lumea vehiculelor hibride și electrice. Sunt perfecte pentru captarea și eliberarea puterii din frânarea regenerativă, care este o sarcină dinamică pe termen scurt. Vehiculele precum autobuzele de transport public sau tramvaiele sunt, de asemenea, potrivite pentru supercondensatori. Au nevoie doar de suficientă putere pentru a ajunge la următoarea oprire, unde se vor încărca din nou în secunde sau minute. Deoarece supercondensatorii nu se uzează cu adevărat, acest ciclu fix de transport public are foarte mult sens pentru tehnologie.

Sunt supercondensatorii viitorul stocării energiei?

Odată cu modul în care se desfășoară cercetările privind supercondensatori, se pare că într-o zi vom avea baterii pentru supercondensatori. Acestea ar fi dispozitive care au durabilitatea și viteza supercondensatoarelor, dar cu densitatea de energie și durata mare de funcționare a bateriilor. În 2016, oamenii de știință de la Universitatea din Florida Centrală au creat un prototip de supercondensator flexibil cu o densitate de energie mai mare decât supercondensatorii actuali și un ciclu de încărcare de 30.000 fără degradare.

Noile materiale la scară nanometrică și experimentele cu grafen, toate indică posibilitatea ca supercondensatoare cu densități de energie mult mai mari să fie posibile. Chiar dacă nu se potrivesc niciodată cu bateriile litiu-ion, o cantitate de încărcare utilizabilă, împreună cu timpul de reîncărcare rapidă, le-ar putea plasa în locuri în care bateriile în prezent ocupă un rol.

Apoi, din nou, există și alte tehnologii în competiție cu supercondensatorii. Cel mai important dintre acestea este legendarul baterie cu stare solidă și bateriile tradiționale cu litiu-ion, recent infuzate cu grafen, s-au dovedit, de asemenea, promițătoare. Indiferent de tehnologia de încărcare rapidă, durabilă și densă de energie care câștigă cursa, toți vom fi câștigători.

LEGATE: Ce este încărcarea rapidă și cum funcționează?