Суперконденсаторы — новые элементы электрических цепей

Электрические конденсаторы позволяют запа­сать энергию в электрическом поле и высвобож­дать ее гораздо быстрее, чем это делают гальва­нические батареи и аккумуляторы, работа которых зависит от относительно медленных электрохими­ческих процессов. Появление новейших техноло­гий изготовления электрического накопителя энер­гии (конденсатора) емкостью в десятки и более (до 200) фарад (Ф) вызвало к жизни специальный тер­мин «супер» или «ультраконденсатор» (Super—cap), который все чаще встречается на страницах научно-технических и популярных изданий. Автор статьи знакомит читателя с этими приборами.

Суперконденсаторы обеспечивают удельную емкость 10 Ф/см³ и больше.

Одна из модификаций электрохимической структуры «суперконденсатора» получила назва­ние «ионистор» [ 1 ] и уже выпускается промышлен­ностью (см. фото). Стоимость ионисторов пока еще достаточно высока, что ограничивает их ши­рокое применение. Уже сейчас «суперконденсато­ры» (Supercap) находят применение в качестве ис­точников питания для «гибридных» автомобилей, в точечной электросварке, для ускоренной заряд­ки мобильных телефонов и др. В журнале «Радиоаматор» был пример применения этой техниче­ской новинки для автомобильных аудиосистем [2].Конденсаторы большой емкости использова­лись достаточно давно. Так, например, конденса­торы большой емкости и габаритов с бумажной изоляцией, размещенные в жидко-масляной сре­де, использовались в радиолокационных станциях противовоздушной обороны (РЛС ПВО) времен Второй Мировой войны. Они служили в качестве источников энергии для импульсных передатчиков РЛС. Для генерации импульса излучения РЛС конденсатор большой емкости (до сотен и тысяч микрофарад) периодически разряжался через специальный коммутатор на СВЧ-генератор на магнетроне в сантиметровом диапазоне или мощ­ном коаксиальном триоде в дециметровом, кото­рые при этом излучали в антенну мощность в им­пульсе до десятков и сотен киловатт при средней мощности порядка сотен ватт. Такой кратковре­менный квазиимпульсный режим работы характе­рен также и для современных накопителей элек­троэнергии на суперконденсаторах. Примером может служить подключение их параллельно тяго­вым аккумуляторам в электромобилях для увели­чения скорости разгона или скоростного маневра на трассе и в других случаях.

Поэтому суперконденсаторы с большой удельной емкостью позволят решать подобные проблемы при значительных уменьшениях габаритов устройств.

Следует отметить, что по удельной накопленной энергии, которая измеряется в Вт·ч/кг, суперконденсаторы пока уступают химическим источникам энергии и аккумуляторам. Так, удельная энергия ионисторов составляет порядка 10… 12 Вт ·ч/кг, что меньше, чем у аккумуляторов. У литий-ионных аккумуляторов этот показатель равен 200 Вт ·ч/кг. По­этому параллельное соединение аккумулятора и суперконденсатора при работе на одну нагруз­ку обеспечивает явление, которое называется «синергизма». Оно обеспечивает оптимальное ис­пользование положительных свойств каждого из компонентов для повышения эффективности рабо­ты структуры в большей мере, чем в простое сум­мирование свойств.

Новые накопители энергии уже начали находить применение не только на транспорте, но и в быту, например, для основного и резервного питания в фотовспышках, фонарях, карманных плеерах и др., т.е. там, где требуется быстро зарядить устройство и использовать его с большим разрядным током.

Ограничением применения суперконденсаторов является также низкое пока рабочее напряжение. Если для электролитического большого конденсато­ра рабочее напряжение может достигать 350…450 В, то для суперконденсаторов рабочее напряжение в настоящее время ограничено для разных типов электрохимических структур напряжением порядка 2…3 В. Это заставляет для увеличения рабочих на­пряжений соединять их последовательно.

В суперконденсаторе электроды выполнены из одинакового материала (например, из нанопористого угля с высокой удельной площадью поверх­ности), размещенные в специальные электролиты. Электролиты бывают как неорганические (раство­ры КОН и H₂S0₄), так и органические (растворитель ацетононитрил и др.). Основное требование к элек­тролитам — это большая диэлектрическая проницаемость (ε), которая для дистиллированной воды рекордно велика (ε =71), но вода нестабильна и легко загрязняется. Для ацетононитрила ε=3 при доста­точной устойчивости при эксплуатации изделий. Для удержания жидкого электролита между пори­стыми обкладками используется сепаратор, пропи­танный этим электролитом (см. рисунок).Особенностью электрической структуры су­перконденсатора является наличие, так называе­мого, «двойного электрического заряда» на каж­дом из электродов, поэтому в англоязычной литературе суперкапы называют DLC — Double Layer Capacitor [3], что видно из его конструкции, показанной на рисунке. Двойной слой знакопере­менного заряда на каждом электроде формирует­ся во время абсорбции (накопления) отрицатель­ных ионов из электролита на положительно заряженном электроде и, наоборот, положитель­ных ионов на отрицательном.

Иначе говоря, заряды на поверхности пор электродов вызывают поляризацию (переориен­тацию) ионов электролита, что обеспечивает вы­сочайшую плотность накопленного заряда.

Организация EcoTown, которая занимается в Украине альтернативной энергетикой, в том числе и электромобилями, провела оценку предельных весовых и энергетических параметров электриче­ских конденсаторов в качестве накопителей для, так называемой, «зеленой» энергии, генерируе­мой ветрогенераторами и электроэнергией, полу­чаемой от солнечных батарей [4].

Например, накопитель на конденсаторах общей емкостью 1 Ф с напряжением заряда 250 В обла­дает запасенной энергией в 31,25 кДж. Этой энергии достаточно для питания нагрузки, потре­бляющей 10 Вт в течение 1 ч. К сожалению, там же было показано, что накопитель в 1 Ф из обычных электролитических конденсаторов имеет вес око­ло 120 кг, что явно неприемлемо.

Как было отмечено выше, пока электрохимиче­ские структуры суперконденсаторов обеспечива­ют на одну ячейку напряжение не выше 3,2 В. По­этому для повышения рабочих напряжений суперконденсаторы соединяют последовательно с кратной потерей емкости. Для оптимально качественного соединения суперконденсаторов в ба­тарею на их корпусе приведена маркировка полярности, указывающая на полярность заряда, который был выбран при его технологической формировке и рабочем заряде. К сожалению, из-за потери сквозной неоднородности электрохимического наполнения структуры последовательной сборки батареи наблюдается потеря эквивалент­ного (эффективного) рабочего напряжения, приве­денного к одной ячейке. Например, для имеющей на рынке сборки суперконденсаторов на 48 В ем­костью 165 Ф, имеющей 16 ячеек, указанная поте­ря напряжения на ячейку составляет 0,2 В, с чем приходится мириться. Несоблюдение полярности суперконденсатора при подключении к поляризо­ванному потребителю может привести к КЗ.

Отметим, что практически нулевое внутреннее сопротивление домовой электрической сети с напряжением 220 В с частотой 50 Гц приводит к то­му, что подключение для заряда накопителя даже из набора обычных электролитических конденса­торов с емкостью 2000…10000 мкФ через выпря­митель с низким прямым сопротивлением диодов приводит практически к зарядному току, равному, в первый момент, току короткого замыкания. Уже первое макетирование работы модели такого на­копителя показывает, что без ограничителей тока подключение его к сети 220В/50Гц приводит к мгновенному выжиганию печатных проводников платы, ведущих к накопителям и к перегоранию предохранителя выпрямителя. Поэтому при ис­пользовании накопительных конденсаторов боль­шой емкости необходимо ограничивать их ток за­ряда, применяя такие методы, как использование специального нелинейного резистора или дроссе­ля, который образует с конденсаторами фильтр низких частот.

В любом случае, для заряда суперконденсато­ра требуется применение специализированного зарядного устройства с учетом того, что его вну­треннее сопротивление при заряде составляет тысячные доли Ома.

В новейших разработках суперконденсаторов для электродов применяют самый современный материал — графен. Прогресс в развитии этой нанотехнологии уже обеспечивает то, что суперконденсаторы, изготовленные по технологии DLC, имеют малую массу (до 1 кг), а в перспективе их КПД = 95%, такой же, как у свинцового аккумуля­тора массой 30…40 кг.

Литература

1. Ионистор. Режим доступа: http://rza.org.ua/glossary/read/lonistor.html.
2. Безверхний И. Буферные конденсаторы для автомобильной аудиосистемы // Радиоаматор.-№4.-2012.-039-41.
3. Конструкция суперконденсатора. Режим до­ступа http://scsiexplorer.com.ua/index.php/osnovnie-ponyatiya/1201-superkondensator.html.
4. Як збергають енергію, вироблену сонцем i вітром? Режим доступа: http://ecotown.com.ua/news/ YAk-zberihayut-enerhiyu-vyroblenu-sontsem-i-vitrom.

Автор: Вадим Черный, г. Киев
Источник: Радиоаматор №11/12, 2014