Вступ до суперконденсаторів

Конденсатор є двотермінальним пасивним компонентом, який широко використовується в електроніці. Майже в кожному контурі, який ми зустрічаємо в електроніці, використовуємо один або кілька конденсаторів для різного використання. Конденсатори - це найбільш вживаний електронний компонент після резисторів. Вони мають особливу здатність накопичувати енергію. На ринку доступні різні типи конденсаторів, але той, який останнім часом набуває популярності і обіцяє заміну або альтернативу батареям в майбутньому, є суперконденсаторами або також відомими як ультраконденсатори.. Суперконденсатор - це не що інше, як конденсатор великої ємності зі значеннями ємності набагато вищими, ніж звичайні конденсатори, але нижчими межами напруги. Вони можуть зберігати в 10-100 разів більше енергії на одиницю об'єму або маси, ніж електролітичні конденсатори, можуть приймати і передавати заряд набагато швидше, ніж акумулятори та переносять більше циклів зарядки-розрядки, ніж акумулятори.

Суперконденсатори або ультраконденсатори - це нова технологія накопичення енергії, яка значною мірою розроблена в наш час. Суперконденсатори забезпечують значні промислові та економічні вигоди

Ємність конденсатора вимірюється у Фараді (F), як.1uF (мікрофарад), 1mF (міліфарад). Однак, хоча конденсатори нижчого значення є досить поширеними в електроніці, є також дуже цінні конденсатори, які зберігають енергію набагато більшої щільності і доступні в дуже великій ємності, імовірно, у Фараді.

На наведеному вище зображенні показано локальне зображення суперконденсатора 2,7 В, 1 Фарад. Номінальна напруга набагато нижча, але ємність вищезазначеного конденсатора досить висока.

Переваги суперконденсатора або ультраконденсатора

Попит на суперконденсатори зростає з кожним днем. Основна причина швидкого розвитку та попиту обумовлена ​​багатьма іншими перевагами суперконденсаторів, деякі з них зазначені нижче:

• Це забезпечує дуже хороший термін служби приблизно 1 мільйон циклів зарядки.
• Робоча температура становить від -50 градусів до майже 70 градусів, що робить його придатним для використання в споживчих цілях.
• Висока щільність потужності до 50 разів, що досягається за допомогою акумуляторів.
• Шкідливі матеріали, токсичні метали не є частиною процесу виробництва суперконденсаторів або ультраконденсаторів, що робить його сертифікованим як одноразовий компонент.
• Це ефективніше батарей.
• Не потребує технічного обслуговування порівняно з акумуляторами.

Суперконденсатори зберігають енергію в його електричному полі, але у випадку з батареями вони використовують хімічні сполуки для накопичення енергії. Крім того, завдяки своїй здатності швидко заряджати і розряджати, суперконденсатори повільно виходять на ринок акумуляторів. Низький внутрішній опір з дуже високою ефективністю, відсутність витрат на технічне обслуговування, більший термін служби є основною причиною його високого попиту на сучасному ринку джерел живлення.

Енергії в конденсаторі

Конденсатор магазин енергії у вигляді Q = C х V. Q означає заряд в кулонах, C - ємність у Фарадах, а V - напруга у вольтах. Отже, якщо ми збільшимо ємність, накопичена енергія Q також збільшиться.

Одиницею ємності є Фарад (F), який названий на честь М. Фарадея. Фарад - це ємність ємності по кулону / вольт. Якщо говорити про конденсатор з 1 Фарадом, то він створить 1-вольт різницю потенціалів між своїми пластинами в залежності від 1-кулонного заряду.

1 Farad - це конденсатор дуже великого значення, який використовується як загальний електронний компонент. В електроніці, як правило, використовується ємність мікрофарад до фако Піко. Микрофарад позначається як мкФ (1/1 мільйон Фарад або 10 ^-6 F), нано фарад, як нФ (1/1000000000 або 10 ^-9 F), і Піко фарад, як пФ (1 / 1,000,000,000,000 OR10 ^-12 F)

Якщо значення стає набагато вищим, як mF для декількох Фарадів (як правило, <10F), це означає, що конденсатор може утримувати набагато більше енергії між своїми пластинами, що називається конденсатором Ultra або Supercapacitor.

Енергії, що зберігаються в конденсаторі, становлять E = ½ CV ² Джоуля. E - накопичена енергія в джоулях, C - ємність у Фараді, V - різниця потенціалів між пластинами.

Будівництво

Суперконденсатор - це електрохімічний пристрій. Цікаво, що ніякі хімічні реакції не відповідають за збереження його електричної енергії, вони мають унікальну конструкцію з великою провідною пластиною або електродом, які розташовані впритул з дуже малою поверхнею. Його конструкція така ж, як електролітичний конденсатор з рідиною або вологим електролітом між електродами. Ви можете дізнатися про різні типи конденсаторів тут.

Суперконденсатор діє як електростатичний пристрій, що зберігає свою електричну енергію як електричне поле між провідними електродами.

Електроди, червоний і синій, мають двостороннє покриття. Як правило, вони виготовляються з графітового вуглецю у формі вуглецевих нанотрубок або гелів або спеціального типу провідних активованих вугілля.

Для блокування великого потоку електронів між електродами та пропускання позитивного іона використовується пориста паперова мембрана. Паперова мембрана також розділяє електроди. Як ми бачимо на наведеному вище зображенні, пориста паперова мембрана розташована посередині зеленого кольору. Електроди та сепаратор паперу просочуються рідким електролітом. Алюмінієва фольга використовується як струмоприймач, який встановлює електричне з'єднання.

Розділювальна пластина і площа пластин відповідають за величину ємності конденсатора. Відношення можна позначити як

Де, Ɛ - діелектрична проникність матеріалу, що знаходиться між плитами

А - площа пластини

D - відстань між пластинами

Отже, у разі суперконденсатора поверхню контакту потрібно збільшити, але є обмеження. Ми не можемо збільшити фізичну форму або розмір конденсатора. Для подолання цього обмеження застосовують спеціальний тип електролітів для збільшення провідності між пластинами, таким чином збільшуючи ємність.

Суперконденсатори також називають двошаровими конденсаторами. За цим є причина. Дуже невелике розділення і велика площа поверхні за допомогою спеціального електроліту, поверхневий шар електролітичних іонів утворює подвійний шар. Він створює дві конденсаторні конструкції, по одній на кожному вуглецевому електроді і названий двошаровим конденсатором.

Ці конструкції мають недолік. Напруга на конденсаторі стала дуже низькою через напругу розкладання електроліту. Напруга сильно залежить від матеріалу електроліту, матеріал може обмежувати накопичувальну здатність електричної енергії конденсатора. Отже, через низьку напругу на терміналі суперконденсатор можна підключити послідовно для зберігання електричного заряду на корисному рівні напруги. Завдяки цьому суперконденсатори послідовно видають вищу напругу, ніж зазвичай, і паралельно ємність стає більшою. Це можна чітко зрозуміти за допомогою наведеної нижче техніки побудови масиву суперконденсаторів.

Побудова масиву суперконденсаторів

Для збереження заряду при необхідній необхідній напрузі суперконденсатори потрібно підключати послідовно. А для збільшення ємності їх слід підключати паралельно.

Подивимося побудову масиву суперконденсатора.

На наведеному вище зображенні напруга комірки однієї комірки або конденсатора позначено як Cv, тоді як ємність однієї комірки позначена як Cc. Діапазон напруги суперконденсатора становить від 1 В до 3 В, послідовні з'єднання збільшують напругу, а більше конденсаторів паралельно збільшує ємність.

Якщо ми створимо масив, напруга послідовно буде

Загальна напруга = напруга комірки (Cv) x Кількість рядів

І ємність паралельно буде

Загальна ємність = ємність комірки (Cc) x (кількість стовпців / кількість рядків)

Приклад

Нам потрібно створити резервний запам'ятовуючий пристрій, і для цього необхідний супер-або суперконденсатор 2,5F з рейтингом 6В.

Якщо нам потрібно створити масив з використанням конденсаторів 1F з номіналом 3 В, то яким буде розмір масиву та кількість конденсаторів?

Загальна напруга = напруга комірки x номер рядка Тоді, номер рядка = 6/3 номер рядка = 2

Означає, що два конденсатори послідовно матимуть різницю потенціалів 6 В.

Тепер ємність, Загальна ємність = ємність комірки x (номер стовпця / номер рядка) Тоді, число Колоумена = (2,5 x 2) / 1

Отже, нам потрібні 2 рядки і 5 стовпців.

Побудуємо масив,

Загальна енергія, що зберігається в масиві, становить

Суперконденсатори добре зберігають енергію і там, де потрібна швидка зарядка або розрядка. Він широко використовується як резервні пристрої, де потрібне резервне живлення або швидкий розряд. Вони надалі використовуються у принтерах, автомобілях та різних пристроях для питної електроніки.