Traditionellt, när vi tänker på att lagra energi ser vi automatiskt till batterier. På grund av deras kemiska egenskaper tar batterier tid att ladda, och inte minst vad gäller litiumpolymerbatterier. Därför är litiumjonbatterier bättre lämpade för elfordonsmarknaden, med hög effekttäthet och frånvaro av minneseffekt, vilket är när batterier blir svårare att ladda över tid. Trots dessa funktioner passar dock inte alltid batterier för vissa fordon, t ex hybrider. Det är här kondensatorer kan användas med stor effekt. Som vi redan vet från att använda kondensatorer i elektriska kretsar har de förmågan att snabbt laddas och laddas ur efter behov. Det är därför de är bäst lämpade för hybridfordon som kräver stor mängd energi på kortast möjliga tid, och varför superkondensatorer ofta används till detta.
Vad är superkondensatorer?
Superkondensatorer (eller ultrakondensatorer) skiljer sig i stort från traditionella kondensatorer på två sätt: de har större area och tätare avstånd mellan plattorna eftersom separatorn beter sig något annorlunda än ett vanligt dielektrikum.
I en vanlig kondensator finns två plattor, elektroder, belagda med ett metallporöst material för att ge ett större område för lagring av laddning, separerade med plastfilm eller ett keramisk dielektrikum. När kondensatorn laddas skapas det elektriska fältet från den positiva laddningen som bildas på ena plattan och den negativa på den andra. Detta polariserar sedan dielektrikumet och justerar molekylerna i motsatt riktning mot fältet, vilket minskar dess styrka och låter plattorna lagra mer laddning.
I en superkondensator finns inget dielektrikum på traditionellt sätt. Istället finns två plattor indränkta i en elektrolyt och åtskilda av en mycket tunnare induktor (vanligtvis plast eller papper). När plattorna i en superkondensator laddas bildas motsatt laddning på båda sidor om induktorn. Detta har kallats ett “elektriskt dubbelskikt”, och av denna anledning kan du också se superkondensatorer som kallas dubbelskiktkondensatorer. Kombinationen av följande funktioner gör det möjligt för superkondensatorer att uppnå en mycket högre kapacitansnivå:
- Plattor med större och effektivare yta
- Minskat avstånd mellan plattorna
Batteri vs superkondensator
Superkondensatorer har också egenskaper som är gemensamma för både batterier och traditionella kondensatorer. Huvudskillnaden mellan de två är att batterier har högre densitet (lagrar mer energi per massa) medan kondensatorer har högre effekttäthet (frigör och lagrar energi snabbare).
Superkondensatorer har de högsta tillgängliga kapacitansvärdena per volym och den största energitätheten för alla kondensatorer. Superkondensatorns effekttäthet är i allmänhet tio gånger högre än ett konventionellt batteri, vilket innebär att de kan hantera mycket snabbare laddnings-/urladdningscykler, förenklad laddkretslösning, betydligt längre livslängd, bredare driftstemperaturområde och hög toppurladdningshastighet för laster som kräver hög effekt under en kort varaktighet.
Tekniken närmar sig alltmer egenskaperna hos ett traditionellt uppladdningsbart batteri och bildar en hybrid i utrymmet mellan standardkondensatorn och batteriet. Detta innebär att de också är väl lämpade för parallellanslutning med batterier för att få de bästa funktionerna hos båda.
Om du behöver lagra en rimlig mängd energi under en relativt kort tid (från några sekunder till några minuter) har du för mycket energi att lagra i en vanlig kondensator och du har inte tid att ladda tt batteri, då kan en superkondensator vara precis vad du behöver.
Nuvarande användning och i framtiden
Superkondensatorer blir allt vanligare i allmänna konsumentprodukter då kostnaden har börjat komma i nivå med batterier. De tillhandahåller allt från extraenergi för mobiltelefoner till batterilivsförlängningar för enheter som ibland behöver snabba energitillskott som t ex en digitalkameras zoomfunktion.
De blir också vanligt förekommande i mer krävande applikationer för kraft- och energibehov som:
- Minnes-backup i elektronikutrustning för att hantera spänningsbortfall
- Elektriska fordonstillämpningar som ofta behöver kort, högt strömuttag
- Återvinning av bromsenergi för fordon som bussar och tåg
- Skörda energi i vind- och solkraft för att jämna ut intermittenta strömförsörjningar
Användning kan dock gå långt utöver detta och de ses alltmer som en äkta ersättning för batterier som en del av Green Energy Drive inom skörd av energi och elfordon.
SPSCAP är ledande inom denna teknik med sin modulserie kondensatorer. Tekniken används redan ofta i hybridbussar, plug-in hybridbussar, vagnbussar med dubbla källor, bränslecellsbussar, skolbussar och andra kommersiella fordon. Ultrakondensormodulerna kan användas som effektiva, mycket tillförlitliga, säkra och intelligenta energilagringsenheter för start, acceleration och återvinning av bromsenergi. Dessa principer prövas nu också i spårvagnar och tåg för att ytterligare stimulera denna omställning.
När IoT fortsätter att accelerera kommer enheter som ingår i nätverk troligen att förlita sig på någon form av att skörda energi för kontinuerlig användning och energihantering. Det är troligt att superkondensatorer, med sin kompakta form och kraftfulla lagringsfunktion, kommer att vara en integrerad del av detta. Utvecklingen av en “flexibel” superkondensator (utan förlust av funktioner) pågår också för närvarande och lovar oändliga applikationer. Detta kan vara avgörande för framtiden inte enbart för IoT, utan kroppsnära bärbara produkter, bärbara konsumentvaror och medicinska avläsningssystem och enheter.
Utvalda produkter
Eaton hybridsuperkondensatorer
En ny generation energilagringskomponenter som kombinerar fördelarna med Li-ion-batterier med lång livslängd och tillförlitligheten hos symmetriska superkondensatorer.
Vishay 196 HVC-serien lagringskondensatorer
Denna serie är skapad för att ge utvecklare en energilagringslösning som övervinner begränsningarna för uppladdningsbara batterier och superkondensatorer.
KEMET FT-serien superkondensatorer
Dessa enheter passar bäst för inbäddade mikroprocessorsystem med flashminne.
SPSCAP modulära superkondensatorer
Dessa kondensatorer erbjuder högsta kraft och över 1 000 000 arbetscykler i framkant av den gröna revolutionen.
