Πώς λειτουργεί το Supercapacitors

Σε αυτήν την ανάρτηση θα καταλάβουμε τι είναι ένας υπερσυμπιεστής, πόσο κοντά ή παρόμοιος με έναν συνηθισμένο πυκνωτή, όπου χρησιμοποιείται και θα κάνουμε σύγκριση μεταξύ μπαταριών και υπερ-πυκνωτών για να μάθουμε ποια από αυτές είναι ανώτερη.

Ας καταλάβουμε τα βασικά ενός συνηθισμένου πυκνωτή.

Πώς λειτουργεί ο Συνηθισμένος Πυκνωτής

Ένας πυκνωτής είναι ένα παθητικό ηλεκτρονικό στοιχείο που μπορεί να αποθηκεύσει μικρή ποσότητα ηλεκτροστατικής ενέργειας μεταξύ του παρεμβαλλόμενου αγώγιμου και διηλεκτρικού υλικού.

Μπορούμε να φορτίσουμε και να εκφορτίσουμε τον πυκνωτή με γρήγορο ρυθμό λόγω αυτής της ιδιότητας που τους χρησιμοποιούμε ως εξομαλυντές τάσης σε όλα τα κυκλώματα τροφοδοσίας.

Όλοι οι πυκνωτές έχουν κάποια προδιαγραφή επικαλυμμένη στο σώμα, όπως θερμοκρασία λειτουργίας, τάση λειτουργίας και τιμή του πυκνωτή, η οποία κυμαίνεται συνήθως από λίγα pico-farads έως μερικές χιλιάδες micro-farads.

Οι πυκνωτές που βρίσκουμε συνήθως σε ηλεκτρονικά είδη καταναλωτή είναι κεραμικοί, πολυεστέρας, χαρτί κ.λπ. Αυτοί οι τύποι πυκνωτών έχουν συνήθως χαμηλή χωρητικότητα στην περιοχή από λίγα pico-farads έως λιγότερο από ένα micro-farad.

Αυτό με υψηλότερη χωρητικότητα είναι ηλεκτρολυτικός τύπος, ο οποίος έχει χωρητικότητα που κυμαίνεται από 0,1uF έως αρκετές χιλιάδες microfarads.

Ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής αυξάνει τη χωρητικότητα αποθήκευσης φορτίου προσθέτοντας έναν ιστό εμποτισμένο με κάποιο χημικό ηλεκτρολύτη ως διηλεκτρικό και οποιαδήποτε από τις πλευρές με φύλλο αλουμινίου, όπως φαίνεται στο σχήμα.

Η στοίβα αλουμινίου και ιστού τυλίγεται σε μορφή κυλίνδρου και στεγάζεται σε πλαίσιο αλουμινίου. Η διάμετρος του κυλίνδρου, το ύψος και το πάχος του ιστού καθορίζει τις διάφορες παραμέτρους του πυκνωτή.

Οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές είναι πολωμένοι, πράγμα που σημαίνει ότι έχει τερματικό ανόδου και καθόδου και δεν πρέπει να ανταλλάσσουμε την πολικότητα τροφοδοσίας εισόδου στον πυκνωτή όπως κάνουμε σε άλλους τύπους πυκνωτών.

Πώς λειτουργεί το Supercapacitors

Το Supercapacitor ονομάζεται επίσης Ultracapacitor ή πυκνωτής διπλής στρώσης. Ο υπερσυμπιεστής έχει τεράστια χωρητικότητα αποθήκευσης φορτίου και συνήθως μετράται σε Farad (χωρίς προθέματα micro ή pico ή nano).

Ένας υπερσυμπιεστής μπορεί να κυμαίνεται από μερικές Farads έως μερικές χιλιάδες Farads. Σε αντίθεση με τους συνηθισμένους πυκνωτές, ο υπερσυμπιεστής έχει χαμηλότερη τάση λειτουργίας, η οποία είναι συνήθως μεταξύ 2,5V και 2,7V.

Συνδέονται σε σειρά και παράλληλη διαμόρφωση για την αύξηση της απόδοσης από την τράπεζα πυκνωτών.
Οι υπερσυμπιεστές χρησιμοποιούνται όπου οι μπαταρίες δεν μπορούν να χειριστούν τη συγκεκριμένη εργασία αποτελεσματικά, για άμεση αναγέννηση φρεναρίσματος στα οχήματα. Η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια και αποθηκεύεται για λίγο και επαναχρησιμοποιείται για να επιταχύνει το όχημα.

Αυτός ο μηχανισμός βελτιώνει τη συνολική απόδοση του οχήματος. Αλλά χρησιμοποιώντας μόνο μπαταρίες, η δέσμευση ενέργειας δεν είναι αποτελεσματική. Πολλές αυτοκινητοβιομηχανίες πειραματίζονται με supercapacitor σε συνδυασμό με μπαταρίες και φέρεται να βελτιώνουν τη συνολική απόδοση του συστήματος.

Το Supercapacitor έχει καλύτερους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης σε σύγκριση με τις μπαταρίες. Μια τυπική μπαταρία ιόντων λιθίου που βρίσκεται στα smartphones μας έχει περίπου 1000 κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης, όπου ως υπερκατασκευαστής έχει πάνω από 1 εκατομμύριο κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης.

Οι μπαταρίες επιδεινώνουν την πραγματική χωρητικότητά της όταν η μπαταρία αποφορτίζεται κάτω από συγκεκριμένη τάση για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ένας υπερσυμπιεστής δεν έχει τέτοια όρια που μπορεί να φτάσει μέχρι τα μηδενικά βολτ.

Ωστόσο, εάν αφήσετε οποιονδήποτε πυκνωτή για παρατεταμένη χρονική περίοδο, όπως περίπου ένα χρόνο, χωρίς φόρτιση, μπορεί επίσης να επιδεινωθεί η ικανότητα συγκράτησης φορτίου λόγω κάποιας χημικής αντίδρασης μεταξύ πλακών του πυκνωτή.

Κατασκευή Supercapacitor:

Η κατασκευή των υπερσυμπιεστών είναι ουσιαστικά ίδια με τον συνηθισμένο πυκνωτή μόνο η διαφορά είναι ο τύπος του υλικού που χρησιμοποιείται και κάποια μέθοδος χρησιμοποιείται για την αύξηση της ικανότητας αποθήκευσης ενέργειας.

Οι υπεραισθητήρες έχουν αγώγιμες πλάκες και στις δύο πλευρές του διαχωριστή εμποτισμένο με ηλεκτρολύτη και ο διαχωριστής είναι ένα πολύ λεπτό διηλεκτρικό υλικό κατασκευασμένο από πλαστικό ή άνθρακα ή χαρτί.

Ο διαχωριστής είναι πολύ λεπτός σε σύγκριση με τον συνηθισμένο πυκνωτή για αύξηση της αποτελεσματικότητας της μεταφοράς ιόντων μεταξύ των πλακών.

Οι υπερπυκνωτές αναφέρονται μερικές φορές ως διπλό στρώμα, διότι όταν οι πλάκες και στις δύο πλευρές φορτίζουν παράγει φορτίο και στις δύο πλευρές του διαχωριστή, όπως φαίνεται στο σχήμα.

Μέχρι τώρα θα έχετε μια ιδέα για το supercapacitor και τη θεμελιώδη λειτουργία του.

Μπαταρία έναντι Supercapacitor:

Ας συγκρίνουμε την ενεργειακή πυκνότητα και το βάρος σε μπαταρίες και supercaps

Το ιόν λιθίου και το πολυμερές λιθίου έχουν την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα σε σύγκριση με οποιαδήποτε άλλη τεχνολογία μπαταρίας που διατίθεται στο εμπόριο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα smartphone και άλλα φορητά ηλεκτρονικά μας είναι κατασκευασμένα με ιόντων λιθίου / πολυμερούς.

Η ενεργειακή πυκνότητα των supercaps είναι πολύ χαμηλή σε σύγκριση με τις μπαταρίες λιθίου, καθιστώντας το ιδανικό μόνο για μη φορητές συσκευές.

Τα supercaps είναι πολύ καλά στην ταχεία φόρτιση και εκφόρτιση. Αυτό δεν μπορεί να επιτευχθεί με μπαταρία λόγω υψηλότερης εσωτερικής αντίστασης σε όλα τα είδη μπαταριών.

Εάν προσπαθήσουμε να αποφορτίσουμε την μπαταρία πέρα ​​από το ασφαλέστερο όριο ρεύματος, ενδέχεται να καταστρέψουμε την μπαταρία. Αυτό συμβαίνει επειδή οι μπαταρίες έχουν εσωτερική αντίσταση και παράγουν θερμότητα. Η παραγόμενη θερμική ενέργεια είναι αρκετή για να δημιουργήσει μη αναστρέψιμη βλάβη στη χωρητικότητα της μπαταρίας.

Στα supercaps, η εσωτερική αντίσταση είναι πολύ μικρή, ακόμη μικρότερη από την εσωτερική αντίσταση σε ορισμένες μπαταρίες αυτοκινήτων που έχει σχεδιαστεί για να παρέχει υψηλό ρεύμα. Η πιθανότητα να καταστραφεί ο υπερκαταναλωτής λόγω θερμικής είναι πολύ χαμηλή.

Οι μπαταρίες μπορούν να διατηρήσουν τη φόρτιση για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά για την υπερφόρτιση supercaps είναι ένα πρόβλημα και δεν είναι κατάλληλο για αποθήκευση ενέργειας για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Τώρα η ώρα ολοκλήρωσής της,

Ποιο από αυτά είναι ανώτερο; Πιθανώς κανένα από αυτά δεν είναι ανώτερο μεταξύ τους. Οι μπαταρίες έχουν μεγάλη φορητότητα, αλλά τα supercaps έχουν πολύ υψηλό ρυθμό φόρτισης και εκφόρτισης. Στο τέλος της ημέρας εξαρτάται από την εφαρμογή τι χρησιμοποιούμε και αυτό αποφασίζει ποιο από αυτά είναι πιο κατάλληλο.

Ενημερώστε μας στην ενότητα σχολίων, πιστεύετε ότι μια μέρα οι υπερπυκνωτές θα αντικαταστήσουν τις μπαταρίες λόγω της ταχείας ανάπτυξης της τεχνολογίας.