Kondensator statt Batterie: eine technische Lösung. Kann ein Superkondensator die Batterie ersetzen?

Elektrische Kapazität der Globus, wie Sie aus der Physik kennen, liegt bei etwa 700 uF. Ein konventioneller Kondensator dieser Kapazität kann in Gewicht und Volumen mit einem Brick verglichen werden. Es gibt aber auch Kondensatoren mit der elektrischen Kapazität der Erdkugel, so groß wie ein Sandkorn - Superkondensatoren.

Solche Geräte erschienen vor relativ kurzer Zeit, vor zwanzig Jahren. Sie werden unterschiedlich genannt: Superkondensatoren, Ionistoren oder einfach Superkondensatoren.

Denken Sie nicht, dass sie nur einigen hochfliegenden Luft- und Raumfahrtunternehmen zur Verfügung stehen. Heute kann man in einem Geschäft einen Superkondensator von der Größe einer Münze und einer Kapazität von einem Farad kaufen, was dem 1.500-fachen der Kapazität der Erde entspricht und der Kapazität des größten Planeten im Sonnensystem - Jupiter - nahe kommt.

Jeder Kondensator speichert Energie. Um zu verstehen, wie groß oder klein die im Superkondensator gespeicherte Energie ist, ist es wichtig, sie mit etwas zu vergleichen. Hier ist ein etwas ungewöhnlicher, aber visueller Weg.

Die Energie eines gewöhnlichen Kondensators reicht aus, um etwa anderthalb Meter zu springen. Ein winziger Superkondensator vom Typ 58-9V mit einer Masse von 0,5 g, geladen mit einer Spannung von 1 V, könnte auf eine Höhe von 293 m springen!

Manchmal wird angenommen, dass Superkondensatoren jede Batterie ersetzen können. Journalisten porträtierten die Welt der Zukunft mit lautlosen Elektroautos auf Superkondensatoren. Aber das ist noch weit davon entfernt. Ein 1 kg schwerer Ionistor kann 3000 J Energie speichern, und die schlechteste Blei-Säure-Batterie - 86 400 J - ist 28-mal mehr. Beim Rückstoß jedoch hohe Energie in kurzer Zeit verschlechtert sich der Akku schnell und er wird nur zur Hälfte entladen. Der Ionistor hingegen gibt immer wieder und ohne Schaden an sich selbst Energie ab, wenn nur die Anschlussdrähte dem standhalten könnten. Zudem lässt sich der Superkondensator in Sekundenschnelle aufladen, und die Batterie braucht in der Regel Stunden.

Dies bestimmt den Anwendungsbereich des Superkondensators. Es eignet sich gut als Stromquelle für Geräte, die für kurze Zeit viel Strom verbrauchen, aber oft genug: elektronische Geräte, Taschenlampen, Autostarter, elektrische Presslufthämmer. Der Superkondensator kann auch für militärische Zwecke als Energiequelle für elektromagnetische Waffen verwendet werden. Und in Kombination mit einem kleinen Kraftwerk können Sie mit dem Superkondensator Autos mit elektrischem Radantrieb und einem Kraftstoffverbrauch von 1-2 Litern pro 100 km bauen.

Ionistoren für die unterschiedlichsten Kapazitäten und Betriebsspannungen werden angeboten, sind jedoch teuer. Wenn Sie also Zeit und Interesse haben, können Sie versuchen, selbst einen Ionistor herzustellen. Aber bevor Sie konkrete Ratschläge geben, ein wenig Theorie.

Aus der Elektrochemie ist es bekannt: Wenn ein Metall in Wasser getaucht wird, bildet sich auf seiner Oberfläche eine sogenannte doppelte elektrische Schicht, bestehend aus entgegengesetzten elektrischen Ladungen - Ionen und Elektronen. Zwischen ihnen wirken Kräfte der gegenseitigen Anziehung, aber die Ladungen können nicht nahe kommen. Dies wird durch die Anziehungskräfte von Wasser- und Metallmolekülen behindert. Im Wesentlichen ist die elektrische Doppelschicht nichts anderes als ein Kondensator. Die auf seiner Oberfläche konzentrierten Ladungen spielen die Rolle von Platten. Der Abstand zwischen ihnen ist sehr gering. Und wie Sie wissen, nimmt die Kapazität eines Kondensators mit abnehmendem Abstand zwischen seinen Platten zu. So erreicht beispielsweise die Kapazität einer in Wasser eingetauchten herkömmlichen Stahlspeiche mehrere mF.

Ein Superkondensator besteht im Wesentlichen aus zwei sehr großflächig in den Elektrolyten eintauchenden Elektroden, auf deren Oberfläche sich unter Einwirkung der angelegten Spannung eine elektrische Doppelschicht ausbildet. Mit gewöhnlichen flachen Platten wäre es zwar möglich, eine Kapazität von nur einigen zehn mF zu erhalten. Um für Ionistoren charakteristische große Kapazitäten zu erhalten, werden in diesen Elektroden aus porösen Materialien mit einer großen Porenoberfläche und kleinen Außenabmessungen verwendet.

Für diese Rolle wurden zu gegebener Zeit schwammartige Metalle von Titan bis Platin ausprobiert. Es stellte sich jedoch als unvergleichlich besser heraus als alle anderen ... gewöhnliche Aktivkohle. Dies ist Holzkohle, die nach einer speziellen Verarbeitung porös wird. Die Porenoberfläche von 1 cm3 solcher Kohle erreicht Tausende von Quadratmetern, und die Kapazität der elektrischen Doppelschicht beträgt zehn Farad!

Selbstgebauter Superkondensator Abbildung 1 zeigt den Aufbau des Superkondensators. Es besteht aus zwei Metallplatten, die fest gegen die Aktivkohle-"Füllung" gedrückt werden. Kohle wird in zwei Schichten verlegt, zwischen denen sich eine dünne Trennschicht aus einem nicht elektronenleitenden Stoff befindet. All dies ist mit Elektrolyt gesättigt.

Wenn der Superkondensator geladen wird, bildet sich eine doppelte elektrische Schicht mit Elektronen auf der Oberfläche in einer Hälfte davon auf den Poren der Kohle und mit positiven Ionen in der anderen. Nach dem Laden beginnen Ionen und Elektronen aufeinander zu fließen. Wenn sie sich treffen, werden neutrale Metallatome gebildet, und die akkumulierte Ladung nimmt ab und kann im Laufe der Zeit ganz verschwinden.

Um dies zu verhindern, wird zwischen den Aktivkohleschichten eine Trennschicht eingebracht. Es kann aus verschiedenen dünnen Plastikfolien, Papier und sogar Watte bestehen.
Bei Amateurionistoren ist der Elektrolyt eine 25%ige Natriumchloridlösung oder eine 27%ige KOH-Lösung. (Bei niedrigeren Konzentrationen bildet sich auf der positiven Elektrode keine negative Ionenschicht.)

Als Elektroden werden Kupferplatten mit vorgelöteten Drähten verwendet. Ihre Arbeitsflächen sollten von Oxiden gereinigt werden. In diesem Fall empfiehlt es sich, ein grobkörniges Schleifpapier zu verwenden, das Kratzer hinterlässt. Diese Kratzer verbessern die Haftung der Holzkohle am Kupfer. Für eine gute Haftung müssen die Platten entfettet werden. Die Entfettung der Platten erfolgt in zwei Stufen. Zuerst werden sie mit Seife gewaschen, dann mit Zahnpulver eingerieben und mit einem Wasserstrahl abgewaschen. Danach sollten Sie sie nicht mit den Fingern berühren.

In der Apotheke gekaufte Aktivkohle wird in einem Mörser gemahlen und mit Elektrolyt vermischt, um eine dicke Paste zu erhalten, die auf sorgfältig entfetteten Platten verteilt wird.

Beim ersten Test werden die Platten mit einem Papierblock übereinander gelegt, danach versuchen wir es aufzuladen. Aber hier gibt es eine Feinheit. Bei einer Spannung von mehr als 1 V beginnt die Freisetzung der Gase H2, O2. Sie zerstören Kohleelektroden und verhindern, dass unser Gerät im Superkondensator-Modus arbeitet.

Daher müssen wir es von einer Quelle mit einer Spannung von nicht mehr als 1 V aufladen. (Diese Spannung für jedes Plattenpaar wird für den Betrieb von industriellen Superkondensatoren empfohlen.)

Details für Neugierige

Ab 1,2 V verwandelt sich der Superkondensator in einen Gasspeicher. Dies ist ein interessantes Gerät, das ebenfalls aus Aktivkohle und zwei Elektroden besteht. Aber strukturell ist es anders gemacht (siehe Abb. 2). Normalerweise nehmen sie zwei Kohlestäbe aus einer alten elektrochemischen Zelle und binden Gazebeutel mit Aktivkohle um sie herum. Als Elektrolyt wird eine KOH-Lösung verwendet. (Eine Natriumchloridlösung sollte nicht verwendet werden, da bei der Zersetzung Chlor freigesetzt wird.)

Die Energiekapazität des Gasspeichers erreicht 36.000 J/kg oder 10 Wh/kg. Das ist 10 mal mehr als bei einem Superkondensator, aber 2,5 mal weniger als bei einer herkömmlichen Blei-Säure-Batterie. Ein Gasspeicher ist jedoch nicht nur ein Akku, sondern eine ganz besondere Brennstoffzelle. Beim Laden werden an den Elektroden Gase freigesetzt - Sauerstoff und Wasserstoff. Sie "senken" sich auf der Oberfläche der Aktivkohle ab. Wenn ein Laststrom auftritt, werden sie zu Wasser und elektrischem Strom verbunden. Dieser Prozess ist jedoch ohne Katalysator sehr langsam. Und wie sich herausstellte, kann nur Platin ein Katalysator sein ... Daher kann ein Gasspeicher im Gegensatz zu einem Ionistor keine großen Ströme erzeugen.

Dennoch hat der Moskauer Erfinder A.G. Presnyakov (http: //chemfiles.narod .r u / hit / gas_akk.htm) setzte erfolgreich einen Gasspeicher ein, um einen LKW-Motor zu starten. Sein solides Gewicht – fast dreimal so viel wie üblich – war in diesem Fall erträglich. Aber die geringen Kosten und das Fehlen schädlicher Stoffe wie Säure und Blei schienen äußerst attraktiv.

Es stellte sich heraus, dass ein Gasspeicher einfachster Bauart in 4-6 Stunden zur vollständigen Selbstentladung neigte. Damit war den Experimenten ein Ende gesetzt. Wer braucht schon ein Auto, das nach einer Übernachtung nicht mehr gestartet werden kann?

Dabei hat die „große Technik“ auch die Gasspeicher nicht vergessen. Leistungsstark, leicht und zuverlässig sind sie auf einigen Satelliten zu finden. Der Prozess findet in ihnen unter einem Druck von etwa 100 atm statt, und als Gasabsorber wird schwammartiges Nickel verwendet, das unter solchen Bedingungen als Katalysator wirkt. Das gesamte Gerät ist in einem ultraleichten Kohlefaserzylinder untergebracht. Das Ergebnis sind Batterien mit einer fast 4-fach höheren Energiekapazität als die von Blei-Säure-Batterien. Auf ihnen könnte ein Elektroauto etwa 600 km fahren. Aber leider sind sie immer noch sehr teuer.

Sergey Asmakov

In den letzten Jahren haben wir uns an die rasante Entwicklung der digitalen Technologie gewöhnt. Aber wenn sich einige Kategorien von Komponenten (wie Mikroprozessoren oder Speichermodule) wirklich mit einer wahrhaft kosmischen Geschwindigkeit verbessern, dann sind die Fortschritte in einer Reihe anderer Bereiche nicht so spürbar. Letztere beinhalten wiederaufladbare Netzteile. Und es schafft sicherlich bestimmte Probleme, denn die Eigenschaften dieser Komponenten beeinflussen so wichtige Parameter wie die Batterielebensdauer, die Ladezeit sowie die Größe und das Gewicht des Endprodukts.

Die Feinheiten der Wahl einer Stromquelle

Derzeit verwenden tragbare elektronische Geräte Netzteile von mehreren verschiedene Typen... Diese Sorte ist keine Laune der Entwickler, sondern hat eine völlig logische Erklärung. Bei mobilen Geräten – wie Smartphones, Tablets oder Laptops – steht beispielsweise die spezifische Energieintensität (also die pro Volumeneinheit der Batterie gespeicherte Energiemenge) im Vordergrund. Je höher dieser Indikator ist, desto höher ist die Akkukapazität bei gleichen Abmessungen. Somit verlängert der Einbau eines Akkus mit einer höheren spezifischen Energiedichte die Akkulaufzeit eines Mobilgeräts, ohne seine Größe zu erhöhen – was angesichts der aktuellen Mode für Geräte in möglichst dünnen Gehäusen äußerst wichtig ist. Deshalb verwenden moderne Smartphones und Tablets Lithium-Ionen und Lithium-Polymer wiederaufladbare Batterien, die hinsichtlich der spezifischen Energieintensität derzeit in der Kategorie der kleinen wiederaufladbaren Netzteile führend sind.

Bei der Entwicklung von drahtlosen Peripheriegeräte die Prioritäten werden ganz andere sein. Da der Stromverbrauch von kabellosen Mäusen und Tastaturen im Vergleich zu den gleichen Smartphones gering ist, müssen in diesem Fall keine Netzteile mit einem rekordhohen Stromverbrauch verwendet werden. Darüber hinaus gibt es keine strengen Gewichts- und Maßbeschränkungen. Daher entscheiden sich Entwickler in vielen Fällen für das, wenn nicht das kompakteste, aber leichtere und/oder kostengünstigere Netzteil.

Es ist kein Zufall, dass im Laufe der Jahre ein stetiger Trend zu einem Anstieg des Anteils von drahtlosen Peripheriegeräten, die mit Standard-AA- oder AAA-Batterien betrieben werden, zu beobachten ist. Die offensichtlichsten Vorteile dieser Lösung sind Erschwinglichkeit und maximale Benutzerfreundlichkeit. Sie können Standardbatterien in fast jedem Geschäft kaufen. Außerdem reicht es aus, wenn der Akku vollständig entladen ist, ihn durch einen neuen zu ersetzen, und Sie können sofort weiterarbeiten. Keine zusätzlichen Kabel, Ladegeräte usw. Wie sie sagen, billig und fröhlich.

Unter diesem Gesichtspunkt erscheint die Verwendung von Akkus in drahtlosen Peripheriegeräten weniger komfortabel. Aufladen erfordert bestimmte Zeit(normalerweise 2-3 Stunden) und gleichzeitig ermöglicht das Design nicht alle Modelle, weiter zu arbeiten, wenn eine externe Stromquelle angeschlossen ist. Daher muss der Benutzer die Batteriestandsanzeige im Auge behalten, um kabellose Maus oder die Tastatur wurde im ungünstigsten Moment nicht ausgeschaltet.

Ein weiterer Faktor, der den Umstieg der Hersteller von drahtlosen Peripheriegeräten auf Batteriebetrieb beschleunigt hat, sind die signifikanten Fortschritte bei der Reduzierung des Energieverbrauchs elektronischer Komponenten, die die Entwickler in den letzten Jahren erreicht haben. Moderne Modelle von kabellosen Mäusen und Tastaturen können mit einem Batteriesatz mindestens mehrere Wochen oder sogar Monate arbeiten. Somit ist ein Batteriewechsel auch bei aktiver Nutzung nicht oft notwendig.

Natürlich spielt auch der Preis eine Rolle. Der Einbau sehr teurer Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus führt unweigerlich zu einer Verteuerung des Gerätes. Und dies ist bei Modellen mit einem Preis von etwa 20 bis 30 US-Dollar äußerst wichtig.Außerdem haben diese Akkutypen eine begrenzte Ressource - normalerweise 500 bis 1000 Lade-Entlade-Zyklen. Bei intensiver Nutzung wird daher die Batterieressource zum kritischen Faktor, der die Lebensdauer des Geräts begrenzt.

Batterien sind also billig, erschwinglich und praktisch. Wofür ist es nicht ideal kabellose Tastatur oder eine Maus? Aber vergessen wir nicht, dass Akkus auch Nachteile haben: Sie machen die Geräte spürbar schwerer (was bei einer Funkmaus kritisch sein kann) und müssen zudem, wenn auch selten, von Zeit zu Zeit gewechselt werden. Was können Entwickler als Alternative anbieten?

Alt noch nicht vergessen

Eine der vielversprechendsten Optionen sind Superkondensatoren, oder, wie es richtiger heißt, Superkondensatoren (englischsprachige Autoren verwenden oft die Abkürzung EDLC, um diese Elemente zu bezeichnen, was für Electric Double-Layer-Kondensator steht). Die ersten Muster von Superkondensatoren wurden vor mehr als 50 Jahren hergestellt. Gegenwärtig werden sie in einer Reihe von Elektrogeräten (insbesondere in Taschenlampen, Taschenlampen usw.) als Haupt- und Reservestromquellen verwendet. Darüber hinaus sind Superkondensatoren aufgrund ihrer Eigenschaften der ideale Energiespeicher für kinetische Energierückgewinnungssysteme, die bei vielen derzeit produzierten Fahrzeugen mit Elektro- und Hybridkraftwerken ausgestattet sind.

Die wichtigsten Vorteile von Superkondensatoren im Vergleich zu Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien sind eine hohe Ladegeschwindigkeit, Effizienz und eine enorme Ressource.

Superkondensatoren können speichern große Menge kurzzeitig Energie, was die Aufladezeit auf ein Minimum reduziert. Außerdem zeichnen sich Superkondensatoren durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Wenn moderne Lithium-Ionen-Batterien nur etwa 60 % des zum Laden aufgewendeten Stroms abgeben können, sind es bei Superkondensatoren über 90 %.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist eine riesige Ressource. Bei Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien wird nach mehreren hundert Lade-Entlade-Zyklen eine deutliche Degradation (Kapazitätsabfall gegenüber dem Ausgangswert) beobachtet. Und Superkondensatoren können die Größenordnung von mehreren zehntausend Zyklen ohne merkliche Verschlechterung überstehen.

Weitere Vorteile sind das geringe spezifische Gewicht und die Umweltfreundlichkeit. Aufgrund der geringen Toxizität der Materialien, aus denen die Superkondensatoren hergestellt werden, sind sie viel einfacher und sicherer zu entsorgen als Lithium-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- und Blei-Säure-Batterien.

Vielleicht stellt sich den Lesern hier eine ganz natürliche Frage: Wenn solche wunderbaren Stromquellen seit mehr als einem halben Jahrhundert bekannt sind, warum haben sie sich dann in digitalen Geräten noch nicht durchgesetzt? Tatsache ist, dass Superkondensatoren neben den oben aufgeführten Vorteilen ihre eigenen Nachteile haben. Die wichtigsten davon sind ein eher niedriger spezifischer Energieverbrauch, eine nichtlineare Entladekurve und ein hoher Selbstentladestrom.

Der Indikator für die spezifische Dichte der gespeicherten Energie in modernen Superkondensatoren beträgt 7 bis 9 Wh pro Liter Volumen. Zum Vergleich: Bei den aktuell produzierten Lithium-Ionen-Akkus schwankt dieser Indikator im Bereich von 250-400 Wh pro Liter.

Aufgrund des hohen Selbstentladungsstroms sind Superkondensatoren nicht für die Langzeitspeicherung von Strom geeignet. Außerdem ist die Entladekurve von Superkondensatoren nichtlinear: Die Ausgangsspannung hängt von der Restladung ab.

Aus den oben genannten Gründen sind die derzeit produzierten Superkondensatoren für den Einsatz in mobile Geräte, wobei das Verhältnis von Größe und Energiekapazität der Batterie im Vordergrund steht. Für drahtlose Peripheriegeräte sind Superkondensatoren jedoch eine interessante Alternative zu Einwegbatterien.

In diesem Fall sind solche Eigenschaften von Superkondensatoren wie eine hohe Laderate und ein hoher Wirkungsgrad nützlich. Der Besitzer einer kabellosen Maus oder Tastatur muss nicht wie bei Geräten mit Lithium-Akkus 2-3 Stunden warten: Das Aufladen dauert nur wenige Minuten. Während dieser Zeit können Sie eine Energiereserve ansammeln, die für mehrere Stunden aktiver Arbeit und bei nicht sehr intensiver Nutzung ausreicht - sogar für den ganzen Tag. Zum Beispiel beträgt der volle Ladezyklus der Genius DX-ECO Funkmaus mit eingebautem Superkondensator, die wir haben, nur 5 Minuten, und die während dieser Zeit angesammelte Energie reicht für 4 Stunden Betrieb.

Natürlich müssen Sie ein mit einem Superkondensator ausgestattetes drahtloses Gerät täglich (und vielleicht sogar noch häufiger) aufladen. Dieser Vorgang dauert jedoch, wie bereits erwähnt, nur wenige Minuten – gerade genug Zeit für eine Tasse Kaffee oder einfach nur ein wenig Ablenkung vom Computer. Und da Superkondensatoren selbst bei mehreren täglichen Aufladungen eine riesige Ressource haben, beträgt die Lebensdauer des Geräts mindestens zehn Jahre.

Ein wichtiger Vorteil von Superkondensatoren gegenüber Lithiumbatterien und herkömmlichen Batterien ist ihr spürbar geringeres Gewicht. Dies bedeutet, dass dieselbe kabellose Maus mit einem Superkondensator nur geringfügig schwerer ist als ihr kabelgebundenes Gegenstück.

Perspektiven

Superkondensatoren haben also eine hohe Laderate und Energieeffizienz sowie eine riesige Ressource. Aufgrund der geringen Toxizität der Materialien sind sie viel einfacher und kostengünstiger zu entsorgen als Lithiumbatterien. Diese Kombination von Eigenschaften macht Superkondensatoren zu einer vielversprechenden Option für den Einsatz als wiederaufladbare autonome Stromversorgung für drahtlose Peripheriegeräte. Und was das häufige Anschließen des Kabels zum Aufladen angeht, kann dieses Problem einfach mit einem kabellosen Ladegerät gelöst werden - zumal solche Lösungen jetzt auf dem Massenmarkt erscheinen.

Dank der Einführung neuer Materialien wird es in Zukunft möglich sein, Superkondensatoren mit einer (im Vergleich zu den derzeit hergestellten) viel höheren spezifischen Dichte an gespeicherter Energie herzustellen. Große Hoffnungen setzen Experten in die Entwicklung von Graphen-Superkondensatoren. Die Verwendung dieses innovativen Materials wird es in naher Zukunft ermöglichen, Proben mit einer spezifischen Dichte der gespeicherten Energie von etwa 60 Wh pro Liter zu erzeugen. Das ist natürlich deutlich weniger im Vergleich zu modernen Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Akkus, aber es ist schon mit den Eigenschaften von Blei-Säure-Akkus durchaus vergleichbar. Und es besteht kein Zweifel, dass der Einsatz der Serienproduktion von Graphen-Superkondensatoren den Anwendungsbereich dieser Stromversorgungen erheblich erweitern wird. Sie können nicht nur mit drahtlosen Manipulatoren und Tastaturen ausgestattet werden, sondern auch tragbar Akustiksysteme sowie Quellen unterbrechungsfreie Stromversorgung geringer Strom.

Ein Superkondensator, auch Ultrakondensator oder Doppelschichtkondensator genannt, unterscheidet sich von einem herkömmlichen Kondensator dadurch, dass er eine sehr große Kapazität besitzt. Ein Kondensator speichert Energie durch statische Aufladung, im Gegensatz zu den elektrochemischen Reaktionen der Batterie. Das Anlegen einer Differenzspannung zwischen den positiven und negativen Platten lädt den Kondensator auf. Dies ist vergleichbar mit der statischen Aufladung während der Reibung. Durch Berühren der Kondensatorplatte wird Energie freigesetzt.

Es gibt drei Arten von Kondensatoren, wobei der wichtigste der elektrostatische Kondensator mit Trockenseparator ist. Dieses klassische Kondensatormodell hat eine sehr kleine Kapazität und wird hauptsächlich in der Elektronik verwendet. Die Kapazität eines Kondensators wird in Farad gemessen und schwankt für Elektrostatik im Picofarad (pF)-Bereich.

Der nächste Kondensatortyp ist elektrolytisch, er bietet eine höhere Kapazität im Vergleich zu elektrostatischen und wird in Mikrofarad (μF) bewertet, was eine Million Mal mehr Picofarad ist. Der Abscheider in diesen Nasskondensatoren. Wie bei elektrischen Batterien haben Kondensatoren unterschiedliche Pole, die beim Gebrauch beachtet werden müssen.

Der dritte Typ ist ein Superkondensator, dessen Kapazität in Farad geschätzt wird und tausendmal größer ist als die Kapazität eines elektrolytischen. Ein Superkondensator wird verwendet, um Energie zu speichern, die häufigen Lade-/Entladezyklen bei hohen Strömen und kurzer Dauer unterliegt.

Die Einheit zur Messung der Kapazität ist Farad, benannt nach dem englischen Physiker Michael Faraday (1791-1867). Ein Farad speichert ein Coulomb elektrische Ladung bei einer Spannung von einem Volt. Ein Mikrofarad ist eine Million Mal weniger als ein Farad und ein Picofarad ist eine Million Mal weniger als ein Mikrofarad.

Die Ingenieure von General Electric begannen bereits 1957 mit dem Experimentieren mit einer frühen Version des Superkondensators, aber diese Entwicklungen weckten kein kommerzielles Interesse. 1966 entdeckte Standart Oil versehentlich den Doppelschichtkondensatoreffekt bei der Arbeit mit experimentellen Brennstoffzellendesigns. Durch den zweilagigen Aufbau wurde die Energiespeicherfähigkeit deutlich verbessert. Die Technologie wurde erneut nicht kommerzialisiert und fand erst in den 1990er Jahren ihre Anwendung.

Die Entwicklung von Superkondensatoren ist eng mit den Technologien elektrochemischer Stromquellen verflochten, von dort wurden spezielle Elektroden und Elektrolyte entlehnt. Während der grundlegende elektrochemische Doppelschichtkondensator (EDLC) auf elektrostatische Wirkung angewiesen ist, verwendet der asymmetrische elektrochemische Doppelschichtkondensator (AEDLC) batterieähnliche Elektroden, um eine höhere Energiedichte zu erzielen, was jedoch seine Lebensdauer begrenzt und ähnliche Einschränkungen wie bei eine elektrochemische Stromquelle. Es sieht vielversprechend aus zu verwenden Graphen als Elektrodenmaterial, aber die Forschung in diese Richtung ist noch im Gange.

Viele Arten von Elektroden wurden ausprobiert, und das gebräuchlichste elektrochemische Doppelschicht-Superkondensatorsystem ist heute die kohlenstoffbasierte Version mit einem organischen Elektrolyten. Der unbestreitbare Vorteil eines solchen Superkondensators ist seine einfache Herstellung.

Alle Kondensatoren haben eine Spannungsbegrenzung. Während der elektrostatische Kondensator Hochspannung hat, ist der Superkondensator auf 2,5-2,7 V begrenzt. Eine Erhöhung der Spannung über diesen Wert ist möglich, wirkt sich jedoch negativ auf die Lebensdauer aus. Um eine höhere Spannung zu erhalten, verwenden Sie daher serielle Verbindung mehrere Superkondensatoren. Die Reihenschaltung wiederum verringert die Gesamtkapazität und erhöht den Innenwiderstand. Diese Verbindung von mehr als drei Kondensatoren erfordert eine zusätzliche Symmetrierung, um Überspannungen in einer einzelnen Zelle zu vermeiden. In ähnlicher Weise ist das Lithium-Ionen-Batterieschutzsystem implementiert.

Nehmen Sie eine Stromquelle mit einer Nennspannung von 6 V und einer Abschaltspannung von 4,5 V. Wenn diese Stromquelle ein Superkondensator ist, erreicht sie aufgrund ihrer linearen Natur der Entladung den Abschaltpunkt im ersten Viertel des Zyklus werden die restlichen drei Viertel der Energiereserve für die Nutzung unzugänglich sein ... Sie können natürlich zusätzlich einen Spannungswandler verwenden - damit können Sie eine Stromquelle mit einem niedrigen Spannungswert verwenden, dies verursacht jedoch zusätzliche Kosten und führt zu Energieverlusten. Die elektrische Batterie hat eine Entladungskurve in Form einer relativ geraden Linie, die es ermöglicht, 90 bis 95 % der darin gespeicherten Energie zu nutzen.

Die Abbildungen 1 und 2 zeigen die Strom- und Spannungsverläufe beim Laden und Entladen eines Superkondensators. Beim Laden steigt die Spannung linear an und der Strom sackt ab, wenn der Kondensator vollständig geladen ist, wodurch sogar auf den Einsatz einer Vollladeerkennung verzichtet werden kann. Beim Entladen nimmt die Spannung ebenfalls linear ab. Um die Leistungsaufnahme bei Spannungsabfall konstant zu halten, nimmt der Spannungswandler immer mehr Strom auf. Die Entladung wird erreicht, wenn die Lastanforderungen nicht mehr erfüllt werden können.

Abbildung 1: Ladecharakteristik eines Superkondensators. Bei konstantem Ladestrom steigt die Spannung linear an. Wenn der Kondensator voll ist, sinkt der Ladestrom.

Abbildung 2: Entladecharakteristik eines Superkondensators. Beim Entladen nimmt die Spannung linear ab. Ein optionaler Spannungswandler kann eine bestimmte Nennspannung aufrechterhalten, dies erhöht jedoch die Entladestromstärke.

Die Ladezeit des Superkondensators beträgt 1 bis 10 Sekunden. Das Ladeverhalten ist ähnlich wie bei elektrochemischen Batterien und wird weitgehend durch die zulässige Stromstärke begrenzt Ladegerät... Ein Superkondensator kann nicht über seine Kapazität hinaus geladen werden, weshalb er kein Vollladungserkennungssystem benötigt - der Strom fließt einfach nicht mehr hinein.

Tabelle 3 vergleicht einen Superkondensator und eine Standard-Lithium-Ionen-Batterie.

Eigenschaften	Superkondensator	Standard-Lithium-Ionen-Akku
Ladezeit	1-10 Sekunden	10-60 Minuten
Die Anzahl der Zyklen	1 Million oder 30 Tausend Stunden	500 und mehr
Zellspannung	2,3 bis 2,75 V	3,6 V nominal
Spezifischer Energieverbrauch (W * h / kg)	5 (Standard)	120-240
Spezifische Leistung (W / kg)	bis zu 10 Tausend	1000-3000
Kosten pro Kilogramm Watt	10000 $ (Standard)	$ 250-1000 (große Systeme)
Lebenszeit	10-15 Jahre alt	von 5 bis 10 Jahren
Zulässiger Ladetemperaturbereich	von -40° bis 65°	von 0°С bis 45°С
Zulässiger Austrittstemperaturbereich	von -40° bis 65°	von -20° ° bis 60°С

Tabelle 3: Leistungsvergleich eines Superkondensators und einer Lithium-Ionen-Batterie.

Ein Superkondensator kann fast unbegrenzt oft geladen und entladen werden. Im Gegensatz zu einer elektrochemischen Batterie, die eine gewisse Lebensdauer hat, ist ein Superkondensator praktisch unempfindlich gegenüber den Auswirkungen des zyklischen Betriebs. Auch altersbedingte Veränderungen im Zusammenhang mit dem Materialabbau wirken sich schwächer aus. Unter normalen Bedingungen bleibt die Kapazität eines Superkondensators nach 10 Betriebsjahren bei 80 % der Nennleistung. Das Arbeiten mit hohen Spannungen kann jedoch die Lebensdauer verkürzen. Bemerkenswert ist auch der Vorteil des Superkondensators in Bezug auf Temperaturindikatoren - der Schwachpunkt aller elektrochemischen Stromquellen.

Die Selbstentladung eines Superkondensators ist bei herkömmlichen Kondensatoren viel höher und übertrifft die einer elektrochemischen Batterie geringfügig. Diese hohe Selbstentladung ist hauptsächlich auf die Eigenschaften des organischen Elektrolyten zurückzuführen. Zum Vergleich: Ein Superkondensator verliert in 30-40 Tagen die Hälfte seiner gespeicherten Energie, während sich Blei- und Lithiumbatterien nur um 5 % pro Monat selbst entladen.

Anwendung von Superkondensatoren

Superkondensatoren sind die ideale Wahl, wenn kurzfristiger Strombedarf besteht und die Möglichkeit besteht schnelles Laden... Im Gegensatz dazu sind elektrochemische Batterien auf eine relativ langfristige Stromversorgung optimiert. Die Kombination der beiden Systeme zu einem Hybrid-Netzteil nutzt die Stärken jedes einzelnen. Solche Hybriden existieren beispielsweise bereits in Form einer Vereinigung von Superkondensator und elektrochemisches Bleisäuresystem .

Superkondensatoren finden ihre Anwendung in Systemen, in denen es erforderlich ist, Strom für einige Sekunden bis mehrere Minuten bereitzustellen und können auch schnell geladen werden. Ein Schwungrad (Trägheitsbatterie) hat ähnliche Eigenschaften, so dass in bestimmten Prozessen, beispielsweise im Transportbereich, ein Superkondensator als Alternative dazu fungieren kann.

Derzeit laufen Versuche mit einem 2-MW-Superkondensatorsystem und einem 2,5-MW-Schwungradsystem zum Antrieb der Long Island Rail Road (LIRR). Der Zweck dieser Tests besteht darin, eine Lösung für das Problem des Spannungseinbruchs während der Beschleunigung zu finden. Beide Systeme müssen für 30 Sekunden ununterbrochen Strom einer bestimmten Leistung liefern und für die gleiche Zeit auch geladen werden. Hauptanforderungen sind Spannungsschwankungen im Bereich von maximal 10 %, geringe Betriebskosten und eine Lebensdauer von mindestens 20 Jahren. (Bisher haben Schwungräder mehr Interesse auf sich gezogen, da sie als langlebiger und sparsamer gelten, aber die Tests laufen noch.)

Japan erforscht und entwickelt auch aktiv den Einsatz von Superkondensatoren. In Gebäuden sind bereits 4 MW-Anlagen installiert, die das Stromnetz in Spitzenzeiten entlasten sollen. Es gibt auch Systeme, die in den Momenten zwischen einem Stromausfall und dem Start von Backup-Generatoren eine kurzfristige Stromversorgung bereitstellen.

Die Superkondensator-Technologie konnte auch den Bereich des elektrischen Transports durchdringen. Die Fähigkeit, mit Bremskräften aufzuladen und hohe Beschleunigungsströme bereitzustellen, machen Superkondensatoren für Hybrid- und Elektrofahrzeuge äußerst interessant. Der breite Betriebstemperaturbereich und die Haltbarkeit bieten in diesem Bereich einen Vorteil gegenüber elektrochemischen Batterien.

Aber die Nachteile von Superkondensatoren, wie geringe Energiedichte und hohe Kosten, haben einige Entwickler dazu veranlasst, sich für eine größere Batterie bei gleichen Kosten zu entscheiden. Tabelle 4 fasst die Vor- und Nachteile von Superkondensatoren zusammen.

Vorteile	Nahezu unbegrenzter Lebenszyklus; kann millionenfach aufgeladen werden Hohe Leistungsdichte und niedriger Innenwiderstand sorgen für hohe Lastströme Der Ladevorgang dauert Sekunden; stoppt das Laden von selbst Einfacher Ladevorgang und Bedingungen Sicher, resistent gegen Missbrauch Hervorragende Leistung bei niedrigen Temperaturen
Mängel	Geringer spezifischer Energieverbrauch Die lineare Natur des Spannungsabfalls erlaubt es nicht, die gesamte gespeicherte Energie zu nutzen Hohe Selbstentladung, höher als bei Elektrobatterien Niedrige Zellspannung, eine Notwendigkeit serielle Verbindung und Bilanzierungssysteme aus mehreren Zellen Hohe Kosten pro Watt Energie

Heute hat sich die Batterietechnologie deutlich weiterentwickelt und ist ausgefeilter als in den letzten zehn Jahren. Dennoch bleiben Akkus vorerst ein Verbrauchsmaterial, denn sie haben eine knappe Ressource.

Die Idee, einen Kondensator zum Speichern und Speichern von Energie zu verwenden, ist nicht neu und die ersten Versuche wurden mit Elektrolytkondensatoren durchgeführt. Die Kapazität von Elektrolytkondensatoren kann erheblich sein - Hunderttausende von Mikrofarad, aber es reicht immer noch nicht aus, um lange Zeit eine große Last zu versorgen, außerdem gibt es aufgrund der Konstruktionsmerkmale einen erheblichen Leckstrom.

Moderne Technologien stehen nicht still, und der Superkondensator wurde erfunden, dies ist ein Kondensator, er hat eine extrem große Kapazität - von Farad-Einheiten bis zu Zehntausenden von Farad. Farad-Kondensatoren werden in tragbarer Elektronik verwendet, um eine unterbrechungsfreie Stromversorgung für Schwachstromkreise, wie beispielsweise einen Mikrocontroller, bereitzustellen. Superkondensatoren mit einer Kapazität von zehntausenden Farad werden in Verbindung mit Batterien zum Antrieb verschiedener Elektromotoren verwendet. In dieser Kombination entlastet der Superkondensator die Batterien, was deren Batterielebensdauer deutlich erhöht und gleichzeitig den Startstrom erhöht, den das Stromversorgungssystem des Hybridmotors liefern kann.

Es wurde notwendig, den Temperatursensor mit Strom zu versorgen, um die Batterie darin nicht zu wechseln. Der Sensor wird mit einer AA-Batterie betrieben und schaltet sich ein, um alle 40 Sekunden Daten an die Wetterstation zu senden. Zum Zeitpunkt des Sendens verbraucht der Sensor durchschnittlich 6 mA für 2 Sekunden.

Es entstand die Idee, eine Solarbatterie und einen Superkondensator zu verwenden. Ausgehend von den ermittelten Verbrauchsmerkmalen des Sensors wurden folgende Elemente genommen:
1. Solarbatterie 5 Volt und Strom ca. 50 mA (in der Sowjetunion hergestellte Solarbatterie ca. 15 Jahre alt)
2. Superkondensator: Panasonic 5,5 Volt und 1 Farad.
3. Ionistoren 2 Stück: DMF 5,5 Volt und eine Gesamtkapazität von 1 Farad.
4. Schottky-Diode mit Gleichspannungsabfall bei geringem Strom 0,3 V.
Eine Schottky-Diode ist unerlässlich, um eine Kapazitätsentladung durch das Solarpanel zu verhindern.
Die Superkondensatoren sind parallel geschaltet und die Gesamtkapazität beträgt 2 Farad.

Foto 1.

Versuch Nr. 1- Ich habe einen Mikrocontroller mit einem monochromen LCD-Display und einer Gesamtstromaufnahme von 500 μA angeschlossen. Obwohl der Mikrocontroller mit dem Display funktionierte, bemerkte ich, dass die alten Solarzellen extrem wirkungslos waren, der Ladestrom im Schatten reichte nicht aus, um die Superkondensatoren überhaupt aufzuladen, die Spannung an der 5-Volt-Solarbatterie im Schatten lag unter 2 Volt. (Aus irgendeinem Grund ist der Mikrocontroller mit dem Display nicht auf dem Foto zu sehen).

Experiment # 2
Um die Erfolgschancen zu erhöhen, kaufte ich auf dem Funkmarkt neue Solarzellen mit einem Nennwert von 2 V, einem Strom von 40 mA und 100 mA, hergestellt in China, gefüllt mit optischem Harz. Zum Vergleich: Diese Batterien im Schatten gaben bereits 1,8 Volt ab, bei nicht großem Ladestrom, aber immer noch einem viel besser ladenden Superkondensator.
Nachdem Sie die Struktur bereits mit gelötet haben neue Batterie, mit einer Schottky-Diode und Kondensatoren, lege ich es auf die Fensterbank, damit der Kondensator aufgeladen wird.
Trotz der Tatsache, dass Sonnenlicht nicht direkt auf die Batterie traf, war der Kondensator nach 10 Minuten auf 1,95 V aufgeladen. Er nahm den Temperatursensor, entfernte die Batterie und schloss den Superkondensator mit einer Solarbatterie an die Kontakte des Batteriefachs an.

Foto 2.

Der Temperatursensor nahm sofort seine Arbeit auf und übermittelte die Raumtemperatur an die Wetterstation. Nachdem ich sichergestellt hatte, dass der Sensor funktioniert, habe ich einen Kondensator mit einer Solarbatterie daran befestigt und ihn aufgehängt.
Was danach geschah?
Der Sensor funktionierte zu allen Tagesstunden einwandfrei, aber mit Einsetzen der Dunkelheit, nach einer Stunde, hörte der Sensor auf, Daten zu übertragen. Offensichtlich reichte die gespeicherte Ladung nicht einmal für eine Stunde Sensorbetrieb, und dann wurde klar, warum ...

Experiment # 3
Ich beschloss, das Design leicht zu ändern, so dass der Superkondensator (die Superkondensatorbaugruppe von 2 Farad zurückgegeben) vollständig geladen war. Ich habe eine Batterie mit drei Zellen zusammengebaut, es ergab 6 Volt und einen Strom von 40 mA (bei voller Sonneneinstrahlung). Dieser Akku im Schatten gab bereits bis zu 3,7 V statt bisher 1,8 V (Foto 1) und einen Ladestrom von bis zu 2 mA. Dementsprechend lud sich der Superkondensator bis auf 3,7 V auf und hatte im Vergleich zu Experiment Nr. 2 bereits deutlich mehr gespeicherte Energie.

Foto 3.

Alles wäre gut, aber jetzt haben wir bis zu 5,5 V am Ausgang und der Sensor wird mit 1,5 V gespeist. Ein DC / DC-Wandler ist erforderlich, was wiederum zusätzliche Verluste mit sich bringt. Der Konverter, den ich auf Lager hatte, verbrauchte ca. 30 µA und lieferte am Ausgang 4,2 V. Bis ich den notwendigen Konverter gefunden habe, um den Temperatursensor aus dem modernisierten Design mit Strom zu versorgen. (Es ist notwendig, einen Wandler auszuwählen und das Experiment zu wiederholen).

Über Energieverluste:
Es wurde oben erwähnt, dass die Superkondensatoren einen Selbstentladungsstrom haben, in diesem Fall für die Montage von 2 Farad 50 μA, sowie Verluste im DC / DC-Wandler in der Größenordnung von 4% (deklarierter Wirkungsgrad 96 %) und seine Leerlaufdrehzahl von 30 μA werden hier addiert. Ohne Umwandlungsverluste haben wir bereits einen Verbrauch von ca. 80 μA.
Beim Energiesparen ist besondere Vorsicht geboten, da experimentell nachgewiesen wurde, dass ein Superkondensator mit einer Kapazität von 2 Farad geladen auf 5,5 V und entladen auf 2,5 V eine sogenannte "Batterie"-Kapazität von 1 mA hat. Mit anderen Worten, indem wir eine Stunde lang 1 mA vom Superkondensator verbrauchen, entladen wir ihn von 5,5 V auf 2,5 V.

Über Laderate bei direkter Sonneneinstrahlung:
Die Stromaufnahme aus der Solarbatterie ist um so höher bessere Batterie durch direktes Sonnenlicht beleuchtet. Dementsprechend steigt die Laderate des Superkondensators deutlich an.

Foto 4.

Aus den Messwerten des Multimeters ist ersichtlich (0,192 V, Anfangsmesswerte), nach 2 Minuten war der Kondensator auf 1,161 V aufgeladen, nach 5 Minuten auf 3,132 V und nach weiteren 10 Minuten 5.029 V. Innerhalb von 17 Minuten war der Superkondensator aufgeladen zu 90%. Zu beachten ist, dass die Ausleuchtung des Solarpanels während der gesamten Zeit ungleichmäßig war und durch ein Doppelfensterglas und Schutzfilm Batterien.

Experiment Nr. 3 Technischer Bericht
Layout-Spezifikationen:
- Solarbatterie 12 Zellen, 6 V, Strom 40 mA (bei voller Sonneneinstrahlung), (bei bewölktem Wetter 3,7 V und Strom 1 mA bei Belastung des Superkondensators).
- Die Superkondensatoren sind parallel geschaltet, die Gesamtkapazität beträgt 2 Farad, die zulässige Spannung beträgt 5,5 V, der Selbstentladungsstrom beträgt 50 μA;
- Schottky-Diode mit einem Durchlassspannungsabfall von 0,3 V, zur Entkopplung der Stromversorgung von Solarbatterie und Superkondensator.
- Abmessungen des Layouts 55 x 85 mm (Plastikkarte VISA).
Wir haben es geschafft, von diesem Layout aus hochzufahren:
Mikrocontroller mit LCD-Display (Stromaufnahme 500 μA bei 5,5 V, Betriebsdauer ohne Solarbatterie ca. 1,8 Stunden);
Temperatursensor, Tageslichtstunden mit Solarbatterie, 6 mA Verbrauch für 2 Sekunden alle 40 Sekunden;
Die LED leuchtete 60 Sekunden lang bei einem durchschnittlichen Strom von 60 mA ohne Solarbatterie;
Außerdem wurde ein DC/DC-Spannungswandler getestet (für eine stabile Stromversorgung), mit dem es möglich war, innerhalb von 60 Sekunden 60 mA und 4 V zu erhalten (wenn der Superkondensator auf 5,5 V aufgeladen wurde, ohne Solarbatterie).
Die erhaltenen Daten weisen darauf hin, dass die Superkondensatoren in diesem Design eine ungefähre Kapazität von 1 mA haben (ohne Nachladen durch eine Solarbatterie mit einer Entladung von bis zu 2,5 V).

Schlussfolgerungen:
Dieses Design ermöglicht es Ihnen, Energie in Kondensatoren zur kontinuierlichen Stromversorgung von Kleinstverbrauchern zu speichern. Die kumulierte Kapazität von 1 mA pro 2 Farad der Kondensatorkapazität sollte ausreichen, um die Funktionsfähigkeit des Mikroprozessors bei geringem Verbrauch im Dunkeln für 10 Stunden zu gewährleisten. In diesem Fall sollten die Gesamtstromverluste und -aufnahme der Last 100 μA nicht überschreiten. Tagsüber wird der Superkondensator auch im Schatten über eine Solarbatterie aufgeladen und kann eine Last im Pulsbetrieb mit einem Strom von bis zu 100 mA versorgen.

Wir beantworten die Frage im Titel des Artikels - Kann ein Superkondensator eine Batterie ersetzen?
- ersetzen kann, jedoch bisher mit erheblichen Einschränkungen der Stromaufnahme und der Betriebsweise der Last.

Mängel:

• geringe Kapazität der Energiereserve (ca. 1 mA pro 2 Farad des Superkondensators)
• erheblicher Selbstentladungsstrom von Kondensatoren (ungefähr 20 % Kapazitätsverlust pro Tag)
• die Abmessungen der Struktur werden durch die Solarbatterie und die Gesamtkapazität der Superkondensatoren bestimmt.

Vorteile:

• kein Verschleiß chemischer Elemente (Batterien)
• Betriebstemperaturbereich von -40 bis +60 Grad Celsius
• Einfachheit des Designs
• keine hohen kosten

Nach all den durchgeführten Experimenten kam die Idee, die Struktur wie folgt zu modernisieren

Foto 5.

Auf der einen Seite der Platine befindet sich eine Solarbatterie, auf der anderen Seite eine Baugruppe aus Superkondensatoren und einem DC/DC-Wandler.

Technische Eigenschaften:

• Solarbatterie 12 Zellen, 6 V, Strom 60 mA (bei voller Sonneneinstrahlung);
• Superkondensatoren Gesamtkapazität 4; 6 oder 16 Farad, zulässige Spannung 5,5 V, Gesamtselbstentladungsstrom, jeweils 120 \ 140 \ (noch nicht bekannt) μA;
• Dual-Schottky-Diode mit einem Durchlassspannungsabfall von 0,15 V zur Entkopplung der Stromversorgung der Solarbatterie und des Superkondensators;
• Layoutmaße: 55 x 85 mm (Kunststoff-VISA-Karte);
• Geschätzte Kapazität ohne Make-up von Solarplatten bei der Installation von Kondensatoren 4; 6 oder 16 Farad, entspricht ungefähr 2/3/8 mA.

P.S. Wenn Ihnen ein Tippfehler, Fehler oder Ungenauigkeiten in den Berechnungen auffallen - schreiben Sie uns eine persönliche Nachricht, und wir werden umgehend alles beheben.

Fortsetzung folgt…

Um Strom zu speichern, verwendeten die Menschen zunächst Kondensatoren. Dann, als die Elektrotechnik über Laborexperimente hinausging, wurden Batterien erfunden, die zum wichtigsten Mittel zur Speicherung elektrischer Energie wurden. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wird jedoch erneut vorgeschlagen, Kondensatoren zur Stromversorgung elektrischer Geräte zu verwenden. Wie ist das möglich und gehören die Batterien endlich der Vergangenheit an?

Der Grund, warum Kondensatoren durch Batterien ersetzt wurden, lag an der deutlich höheren Strommenge, die sie speichern können. Ein weiterer Grund ist, dass sich beim Entladen die Spannung am Ausgang der Batterie nur sehr wenig ändert, sodass ein Spannungsregler entweder nicht benötigt wird oder sehr einfaches Design.

Der Hauptunterschied zwischen Kondensatoren und Batterien besteht darin, dass Kondensatoren elektrische Ladung direkt speichern, während Batterien elektrische Energie in chemische Energie umwandeln, speichern und dann chemische Energie wieder in elektrische Energie umwandeln.

Bei der Umwandlung von Energie geht ein Teil davon verloren. Daher auch in beste batterien Der Wirkungsgrad beträgt nicht mehr als 90%, während er bei Kondensatoren 99% erreichen kann. Die Intensität chemischer Reaktionen hängt von der Temperatur ab, daher funktionieren Batterien bei Minusgraden viel schlechter als bei Raumtemperatur. Außerdem sind chemische Reaktionen in Batterien nicht vollständig reversibel. Daher die geringe Anzahl an Lade-Entlade-Zyklen (etwa einige Tausend, meistens beträgt die Batterielebensdauer etwa 1000 Lade-Entlade-Zyklen) sowie der "Memory-Effekt". Denken Sie daran, dass der "Memory-Effekt" darin besteht, dass die Batterie immer bis zu einer bestimmten Menge an angesammelter Energie entladen werden muss, dann ist ihre Kapazität maximal. Wenn nach dem Entladen mehr Energie darin verbleibt, nimmt die Kapazität des Akkus allmählich ab. Der "Memory-Effekt" ist charakteristisch für fast alle handelsüblichen Batterietypen, mit Ausnahme von Säurebatterien (einschließlich ihrer Sorten - Gel und AGM). Obwohl allgemein angenommen wird, dass Lithium-Ionen- und Lithium-Polymer-Batterien dies nicht haben, ist dies tatsächlich der Fall, es manifestiert sich nur in geringerem Maße als bei anderen Typen. Säurebatterien zeigen die Wirkung der Plattensulfatierung, die irreversible Schäden an der Stromquelle verursacht. Einer der Gründe ist das langfristige Vorhandensein der Batterie in einem Ladezustand von weniger als 50%.

Im Hinblick auf alternative Energien sind der "Memory-Effekt" und die Plattensulfatierung ernsthafte Probleme. Tatsache ist, dass der Energiefluss aus Quellen wie Sonnenkollektoren und Windkraftanlagen schwer vorherzusagen ist. Dadurch erfolgt das Laden und Entladen von Batterien chaotisch in einem nicht optimalen Modus.

Für den modernen Lebensrhythmus erweist es sich als absolut inakzeptabel, dass die Akkus über mehrere Stunden aufgeladen werden müssen. Wie stellen Sie sich zum Beispiel vor, ein Elektroauto über weite Strecken zu fahren, wenn eine leere Batterie mehrere Stunden an einer Ladestation verweilt? Die Ladegeschwindigkeit der Batterie wird durch die Geschwindigkeit der darin ablaufenden chemischen Prozesse begrenzt. Sie können die Ladezeit auf 1 Stunde reduzieren, jedoch nicht auf wenige Minuten. Gleichzeitig wird die Ladegeschwindigkeit des Kondensators nur durch den vom Ladegerät bereitgestellten maximalen Strom begrenzt.

Die aufgeführten Nachteile von Batterien haben es relevant gemacht, stattdessen Kondensatoren zu verwenden.

Verwendung einer elektrischen Doppelschicht

Seit vielen Jahrzehnten haben Elektrolytkondensatoren die größte Kapazität. Bei ihnen war eine der Platten eine Metallfolie, die andere ein Elektrolyt und die Isolierung zwischen den Platten bestand aus Metalloxid, das die Folie bedeckte. Bei Elektrolytkondensatoren kann die Kapazität Hundertstel Farad erreichen, was nicht ausreicht, um die Batterie vollständig zu ersetzen.

Konstruktionsvergleich verschiedene Typen Kondensatoren (Quelle: Wikipedia)

Große Kapazitäten, gemessen in Tausenden von Farad, können durch Kondensatoren auf Basis der sogenannten elektrischen Doppelschicht erreicht werden. Das Prinzip ihrer Arbeit ist wie folgt. An der Grenzfläche von Stoffen in fester und flüssiger Phase entsteht unter bestimmten Bedingungen eine elektrische Doppelschicht. Es bilden sich zwei Schichten von Ionen mit Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen, aber gleicher Größe. Wenn die Situation sehr vereinfacht ist, wird ein Kondensator gebildet, dessen "Platten" die angegebenen Ionenschichten sind, deren Abstand mehreren Atomen entspricht.

Superkondensatoren verschiedener Kapazitäten, hergestellt von Maxwell

Kondensatoren, die auf diesem Effekt basieren, werden manchmal Superkondensatoren genannt. Tatsächlich bezieht sich dieser Begriff nicht nur auf Kondensatoren, in denen eine elektrische Ladung gespeichert wird, sondern auch auf andere Geräte zur Speicherung von Elektrizität - mit einer teilweisen Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie unter Erhaltung der elektrischen Ladung (Hybrid-Superkondensator), sowie für Batterien auf Basis elektrischer Doppelschichten (sogenannte Pseudokondensatoren). Daher ist der Begriff "Superkondensatoren" angemessener. Manchmal wird stattdessen der Begriff "Ultrakondensator" verwendet.

Technische Umsetzung

Der Superkondensator besteht aus zwei mit Elektrolyt gefüllten Aktivkohleplatten. Dazwischen befindet sich eine Membran, die den Elektrolyten passieren lässt, aber die physikalische Bewegung von Aktivkohlepartikeln zwischen den Platten verhindert.

Es sollte beachtet werden, dass Superkondensatoren selbst keine Polarität haben. Darin unterscheiden sie sich grundlegend von Elektrolytkondensatoren, für die in der Regel die Polarität charakteristisch ist, deren Nichtbeachtung zum Ausfall des Kondensators führt. Die Polarität wird jedoch auch auf Superkondensatoren angewendet. Dies liegt daran, dass Superkondensatoren bereits geladen vom Werksförderer kommen, die Markierung bedeutet die Polarität dieser Ladung.

Superkondensatorparameter

Die maximale Kapazität eines einzelnen Superkondensators, die zum Zeitpunkt dieses Schreibens erreicht wurde, beträgt 12000 F. Bei seriengefertigten Superkondensatoren überschreitet sie nicht 3000 F. Die maximal zulässige Spannung zwischen den Platten überschreitet 10 V nicht. 3 - 2,7 V. Niedrige Betriebsspannung erfordert den Einsatz eines Spannungswandlers mit Stabilisatorfunktion. Tatsache ist, dass sich während der Entladung die Spannung an den Kondensatorplatten über einen weiten Bereich ändert. Einen Spannungswandler zum Verbinden einer Last und eines Ladegeräts zu bauen, ist keine triviale Aufgabe. Nehmen wir an, Sie müssen eine 60-W-Last mit Strom versorgen.

Um die Betrachtung zu vereinfachen, werden die Verluste im Spannungswandler und Stabilisator vernachlässigt. Für den Fall, dass Sie mit einem herkömmlichen Akku mit einer Spannung von 12 V arbeiten, muss die Steuerelektronik einem Strom von 5 A standhalten. Solche elektronischen Geräte sind weit verbreitet und kostengünstig. Eine ganz andere Situation ergibt sich jedoch bei der Verwendung eines Superkondensators, dessen Spannung 2,5 V beträgt. Dann kann der durch die elektronischen Komponenten des Wandlers fließende Strom 24 A erreichen, was neue Ansätze für die technische Ausrüstung und die moderne Elementbasis erfordert. Es ist die Komplexität der Konstruktion des Wandlers und des Stabilisators, die die Tatsache erklären kann, dass Superkondensatoren, deren Serienproduktion in den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts begann, erst jetzt in verschiedenen Bereichen weit verbreitet sind.

Schematische Darstellung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung
Spannung an Superkondensatoren, die Hauptknoten sind implementiert
auf einer von LinearTechnology hergestellten Mikroschaltung

Superkondensatoren können über eine Reihen- oder Parallelschaltung zu Batterien verbunden werden. Im ersten Fall steigt die maximal zulässige Spannung. Im zweiten Fall die Kapazität. Die Erhöhung der maximal zulässigen Spannung auf diese Weise ist eine Möglichkeit, das Problem zu lösen, aber der Preis dafür ist eine geringere Kapazität.

Die Abmessungen von Superkondensatoren hängen natürlich von ihrer Kapazität ab. Ein typischer 3000 F Superkondensator ist ein Zylinder mit einem Durchmesser von etwa 5 cm und einer Länge von 14 cm Bei 10 F hat der Superkondensator etwa die Größe eines menschlichen Nagels.

Gute Superkondensatoren halten Hunderttausenden von Lade-Entlade-Zyklen stand und übertreffen Batterien in diesem Parameter um das etwa 100-fache. Aber wie bei Elektrolytkondensatoren sind Superkondensatoren aufgrund des allmählichen Austretens von Elektrolyten dem Problem der Alterung ausgesetzt. Aus diesem Grund gibt es bisher keine vollständige Statistik über den Ausfall von Superkondensatoren, aber nach indirekten Daten kann die Lebensdauer von Superkondensatoren ungefähr auf 15 Jahre geschätzt werden.

Akkumulierte Energie

Die im Kondensator gespeicherte Energiemenge, ausgedrückt in Joule:

E = BE 2/2,
Dabei ist C die Kapazität, ausgedrückt in Farad, U ist die Spannung über den Platten, ausgedrückt in Volt.

Die im Kondensator gespeicherte Energiemenge, ausgedrückt in kWh, ist gleich:

W = CU 2/7200000

Somit kann ein 3000 F Kondensator mit einer Spannung zwischen den Platten von 2,5 V nur 0,0026 kWh in sich speichern. Was hat das zum Beispiel mit einer Lithium-Ionen-Batterie zu tun? Nimmt man seine vom Entladegrad unabhängige Ausgangsspannung von 3,6 V, dann wird die Energiemenge von 0,0026 kWh in einer Lithium-Ionen-Batterie mit einer Kapazität von 0,72 Ah gespeichert. Leider ein sehr bescheidenes Ergebnis.

Anwendung von Superkondensatoren

Bei Notbeleuchtungssystemen sind die Vorteile der Verwendung von Superkondensatoren anstelle von Batterien signifikant. Tatsächlich zeichnet sich diese Anwendung durch eine ungleichmäßige Entladung aus. Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass die Notleuchte schnell geladen wird und die darin verwendete Notstromversorgung eine höhere Zuverlässigkeit aufweist. Eine Superkondensator-Notstromversorgung kann direkt eingebaut werden LED-Lampe T8. Solche Lampen werden bereits von einer Reihe chinesischer Unternehmen hergestellt.

Bodenbetriebene LED-Leuchte
solarbetrieben, Energiespeicher
in dem es in einem Superkondensator durchgeführt wird

Wie bereits erwähnt, ist die Entwicklung von Superkondensatoren weitgehend auf das Interesse an alternativen Energiequellen zurückzuführen. Die praktische Anwendung beschränkt sich jedoch noch auf LED-Lampen, die Energie aus der Sonne beziehen.

Eine Richtung wie die Verwendung von Superkondensatoren zum Starten elektrischer Geräte entwickelt sich aktiv.

Superkondensatoren können in kurzer Zeit große Energiemengen liefern. Durch die Stromversorgung elektrischer Geräte beim Start mit einem Superkondensator können Spitzenlasten im Netz und letztendlich die Einschaltstrommargen reduziert werden, was zu enormen Kosteneinsparungen führt.

Durch die Verbindung mehrerer Superkondensatoren zu einer Batterie können wir eine Kapazität erreichen, die mit Batterien in Elektrofahrzeugen vergleichbar ist. Aber diese Batterie wird ein Vielfaches mehr wiegen als die Batterie, was für Fahrzeuge nicht akzeptabel ist. Das Problem lässt sich mit Graphen-basierten Superkondensatoren lösen, allerdings existieren sie bisher nur als Prototypen. Dennoch wird eine vielversprechende Version des berühmten "Yo-Mobils", die nur mit Strom betrieben wird, Superkondensatoren der neuen Generation als Stromquelle verwenden, die von russischen Wissenschaftlern entwickelt werden.

Auch Superkondensatoren werden vom Batteriewechsel in konventionellen Benzin- oder Dieselfahrzeugen profitieren – ihr Einsatz in solchen Fahrzeugen ist bereits Realität.

Als erfolgreichstes der umgesetzten Projekte zur Einführung von Superkondensatoren gelten inzwischen die neuen in Russland hergestellten Trolleybusse, die kürzlich auf den Straßen Moskaus erschienen sind. Wenn die Spannungsversorgung des Kontaktnetzes unterbrochen wird oder die Stromabnehmer „abfliegen“, kann der Trolleybus mit einer geringen (ca. 15 km/h) Geschwindigkeit von mehreren hundert Metern an einen Ort fahren, an dem er den Straßenverkehr nicht beeinträchtigt . Die Energiequelle für solche Manöver ist eine Batterie von Superkondensatoren.

Im Allgemeinen können Superkondensatoren Batterien nur in bestimmten "Nischen" verdrängen. Aber die Technologien entwickeln sich rasant, so dass wir erwarten, dass sich der Anwendungsbereich von Superkondensatoren in naher Zukunft deutlich erweitern wird.