Батареялардың орнына суперконденсаторлар: құрылғы, мүмкіндіктерді салыстыру, пайдалану артықшылықтары, шолулар

2024 Автор: Erin Ralphs | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-02-19 17:09

Жоғары меншікті сыйымдылық идеясы 1960 жылдары зерттелді, бірақ бүгінгі таңда соңғы өнімнің өнімділік қасиеттерінің бірегей үйлесіміне байланысты бұл технологияға қызығушылықтың жаңа толқыны пайда болды. Бүгінгі таңда осы технологияның негізінде суперконденсаторлар мен ультраконденсаторлардың әртүрлі модификациялары шығарылады, оларды толыққанды қуат батареясы ретінде қарастыруға болады. Төменде көрсетілген суперконденсатор концепциялары олардың кәдімгі батарея жинақтарымен (батареялармен) болашақ бәсекелестігі соншалықты керемет емес екенін көрсетеді.

Суперконденсатор дегеніміз не?

Мағынасы бойынша бұл ықшам конденсатор түрінде жасалған оңтайландырылған электрохимиялық батарея. Құрылғыны типтік құрылғымен үстірт салыстыру арқылы даавтомобильге арналған аккумулятор, сіз өлшемдегі айқын айырмашылықты көрсете аласыз, ал іс жүзінде артықшылықтар ұзақ қызмет ету мерзімі мен қуат түрінде де пайда болады. Басқаша айтқанда, суперконденсаторларды батареялардың орнына пайдалануға болады, бірақ энергия потенциалының жинақталуына байланысты шектеулерге байланысты кейбір ескертпелер бар. Мұндай нюанстар ионисторлардың технологиялық дамуының жетілмегендігіне байланысты әлі де орын алуда, дегенмен жағдай нарықтың қысымымен батареяларға деген өсіп келе жатқан талаптарымен өзгеруде.

Дизайн және өнім дизайны

Бұл конденсатордың негізін дәстүрлі түрде электролиттік орта орналасқан екі электрод құрайды. Батареядан айырмашылықтарды электродтарды өндіруге арналған материалдардың құрылымында байқауға болады, олардың пластиналары кеуекті белсендірілген көмірмен қапталған. Электролитке келетін болсақ, бұл қуатта органикалық және бейорганикалық қоспаларды қолдануға болады. Құрылымдық жағынан суперконденсаторлар құрылымындағы оқшаулаудың техникалық шешімі де ерекшеленеді. Диэлектрлік қабаты бар аккумуляторлық алюминий плиталарының орнына иондық және электронды өткізгіштіктің оңтайлы қасиеттері бар компоненттер қолданылады. Егер суперконденсаторды аккумулятор ретінде пайдалану мүмкіндігі туралы тұжырымдаманы жалғастыратын болсақ, онда кеуекті көміртегі электронды өткізгіш ретінде жақсы әрекет ете алады, ал күкірт қышқылының ерітіндісі иондық өткізгіш ретінде әрекет ете алады. Осылайша, электродтар арасындағы оңтайлы зарядты бөлу қабатын қосымша көлемді оқшаулағыштарды қоспай-ақ қамтамасыз етуге болады.

Суперконденсатордың түрлері

Қазірдің өзінде ионисторларды дамытудың бірнеше бағыттары бар. Ең көрнекті және перспективалы құрылғылардың келесі түрлері:

• Екі қабатты конденсаторлар. Электролит ретінде жоғарыда аталған электр өткізгіш материалдан жасалған электродтарды және арнайы сепараторды пайдаланатын стандартты модель. Энергия потенциалының жинақталуы электродтардағы зарядтардың бөлінуі нәтижесінде пайда болады.
• Псевдоконденсаторлар. Суперконденсатордың осы түрінен жасалған қайта зарядталатын батарея өте сәтті шешім болуы мүмкін, өйткені ол энергияны сақтаудың жетілдірілген жолдарын ұсынады. Біріншіден, кәдімгі батареяларда энергия жинақтау процестерімен байланысты Фарадей механизмінің принципі іске қосылады. Екіншіден, қос электрлік қабаттағы электродтар арасындағы электростатикалық әсерлесудің негізгі схемасы да сақталады.
• Гибридті конденсаторлар. Батареялар мен конденсаторлардың жеке оң ерекшеліктерін біріктіретін аралық тұжырымдама. Мұндай құрылғылар әдетте аралас оксидтерден және легирленген полимерлерден жасалған электродтардың комбинациясын пайдаланады. Бұл бағыттың одан әрі дамуы көміртегі тасымалдағыштарымен және өткізгіш полимерлермен толықтырылған композициялық материалдарды қолданумен байланысты.

Негізгі мүмкіндіктер

Бүгінгі күні ионисторлардың жақсы бекітілген өнімділік көрсеткіштері туралы айту қиын, өйткенітехнологиясы үнемі жетілдірілуде және электрохимиялық ток көздерін жақсарту үшін реттеледі. Бірақ егер біз суперконденсаторлардың негізгі сипаттамалары туралы орташа деректерді алсақ, онда нақты көрсеткіштер келесідей болады:

• Зарядтау уақыты - 1-10 секунд
• Зарядтау циклдерінің саны шамамен 1 миллион, бұл 30 000 сағатқа сәйкес келеді.
• Блоктық ұяшықтағы кернеу - 2,3-тен 2,75 В-қа дейінгі диапазон.
• Энергия қарқындылығы - стандартты мән 5 Втсағ/кг.
• Қуат - шамамен 10 000 Вт/кг.
• Төзімділік - 15 жылға дейін.
• Жұмыс температурасы -40°C - 65°C.

Кәдімгі батареялармен салыстыру

Негізгі ерекшеленетін параметрлері – энергияның жинақталу жылдамдығы және электр зарядының қайтарылу дәрежесі. Өлшемдері ұқсас суперконденсатордың жанында электрлік потенциалдың қос қабатын пайдаланудың арқасында электродтардың жұмыс бетінің ауданы артады. Яғни, батарея мен конденсатордың ең жақсы қасиеттерін біріктіру туралы айтуға болады. Егер аккумулятордың және суперконденсатордың токтарының жүктемеге таралуын салыстыратын болсақ, онда тұтынылатын ток көлемдерінің біркелкілігі жалпы алғанда бірдей болады, бірақ екі түзетумен. Аккумулятордың жұмысы кезінде блоктың төменгі бөлігінде орналасқан элементке қарай ең үлкен токты ауыстыруға болады, ал ионисторлар жағдайында, негізінен, төмен кернеуге байланысты потенциал аз болады. Сондай-ақ, айтарлықтай айырмашылықтар жұмыс ресурсының айырмашылығын қамтиды - суперконденсаторлар уақыт бойынша шамамен 25-30% ұзағырақ қызмет етеді.орындалатын жұмыс циклдерінің жоғары жылдамдығы.

Жұмыс істейтін суперконденсаторлардың артықшылықтары

Егер біз аккумулятордың орнына суперконденсаторларды пайдаланудың оң әсерін жалпы қарастыратын болсақ, онда келесі қасиеттер бірінші орынға шығады:

• Суперконденсаторлардың жоғары энергия тығыздығы оларды электронды құрылғыларда қысқа мерзімді қуат көзі ретінде пайдалануға мүмкіндік береді.
• Қоршаған орта қауіпсіздігі. Әрине, электрохимиялық компоненттер дизайнда әлі де сақталады, бірақ олардың улы әсері үнемі төмендейді.
• Жаңартылатын көздерден энергияны пайдалану мүмкіндігі - жел, күн, су және жер.
• Батареяларды құрылымдық біріктіру мүмкіндіктерін кеңейту - мысалы, күрделі электр станцияларына, гибридті электр машиналарына, сутегі отынымен жүретін көліктерге және т.б. қызмет көрсету үшін.

Кәдімгі конденсаторға қатысты суперконденсатордың кейбір артықшылықтарын атап өткен жөн. Олардың саны аз, бірақ энергияны сақтаудың үлкен сыйымдылығы принципті түрде маңызды. Бұл көрсеткіш бойынша ионисторлардың барлық модификациялары аккумуляторлармен бәсекелесе алмайды, дегенмен электр сыйымдылығы параметріндегі конденсаторлармен салыстырғанда олар сенімді түрде жеңеді.

Суперконденсаторлар туралы оң пікірлер

Суперконденсаторларды сынау және ішінара қолдану бүгінде әртүрлі салаларда жүзеге асырылады. Бұл құрылғылардың жұмысына шолулар көрсеткендей, олар өндірушілердің жоғары туралы мәлімдемелерін растайдысенімділік, экологиялық қауіпсіздік және жоғары қуаттылық. Суперконденсаторлар мен батареяларды салыстыру тұрғысынан ерекше маңызды нәрсе, біріншілері физикалық өңдеу кезінде ерекше жағдайлар жасауды талап етпейді. Бұл ішінара компоненттердің бірдей төмен уыттылығына байланысты, бірақ көп дәрежеде жұмыс эргономикасы корпустың жоғары қорғаныс дәрежесіне байланысты. Яғни, пайдаланушыға тығыздалған жағдайларда суперконденсаторларға қызмет көрсету үшін арнайы құрылғыларды ұсынудың қажеті жоқ. Төмен салмақ пен оңтайландырылған өлшемдер сонымен қатар күнделікті техникалық қызмет көрсету операцияларын орындауды жеңілдетеді.

Суперконденсаторлар туралы теріс пікірлер

Мұндай конденсаторлардың әлсіз жақтары да бар, олар іс жүзінде де анық көрінеді. Атап айтқанда, пайдаланушылар олардың төмен қуат тығыздығын, төмен өнімділігін және әрқашан жеткіліксіз кернеу деңгейін көрсетеді, бұл бір мақсатты тұтынушы бірлігіне қызмет көрсету үшін бірнеше элементтерді пайдалануды қажет етеді. Көптеген жолдармен, бұл кемшіліктер бүгінгі күні аккумуляторлардың орнына суперконденсаторларды пайдалануды болдырмайды, дегенмен, тағы да технологиялық даму бұл мәселелерді шешуге мүмкіндік береді.

Конденсаторларды дамыту перспективалары

Сарапшылар мен аккумуляторларды жасаушылардың айтуынша, жақын болашақта жаңа буын конденсаторлары барлық жерде қолданылады. Бұл құрылғылардың меншікті сыйымдылығын белсенді түрде арттырудың арқасында мүмкін болады. Бұл тұрарлықсуперконденсаторлардың техникалық және құрылымдық сипаттамаларын қосу және жақсарту, бұл бірінші кезекте өлшемдер мен салмаққа қатысты. Сонымен қатар, бүгінде қуаты 2,5 мВт-қа дейінгі ионисторларды сынау ұйымдастырылып жатыр. Болашақта мұндай жүйелерді көлік желілеріне, өнеркәсіптік нысандарға және тұрғын үй кешендеріне қызмет көрсетуде пайдалануға болады.

Қорытынды

Суперконденсатор концепциясы ток кернеуі бар қуат көзінің қысқа мерзімді қажеттілігі туындаған жағдайларда оңтайлы шешім болып саналады. Бұл ішінара, белгілі бір параметрлері бар қуатты ұзақ уақыт сақтауға бағытталған электрохимиялық батареялар идеясына қайшы келеді. Бірақ бұл операциялық мүмкіндікті ескере отырып, автомобильде аккумулятордың орнына суперконденсаторды қолдануға болады ма? Ықтималдықтың жоғары дәрежесімен жетілдірілген автоконцерндер сыйымдылығы жоғары конденсаторларды пайдаланады, бірақ тек суперконденсаторлардың оң қасиеттерін және дәстүрлі электрохимиялық компоненттерді біріктіретін арнайы гибридті нұсқаларында ғана. Мысалы, бүгінде мұндай ерітінділер электрохимиялық қорғасын-қышқыл құрылымы мен суперконденсатордың комбинациясы түрінде қолданылады.