Superkondenzatorji, znani tudi kot ultrakondenzatorji ali kondenzatorji z dvojnim električnim slojem (angl. Electric Double-Layer Capacitor – EDLC), so še vedno dojeti kot novost. Nedavno popularizirana, sicer pa že stara tehnologija dvojnega sloja je zdaj že priljubljena in se vztrajno uveljavlja. S 3-voltno tehnologijo bo to potekalo še hitreje.
Številne tehnološke prednosti pomenijo, da so superkondenzatorji privlačni za številna področja uporabe: Elektrostatične naprave za shranjevanje energije imajo izredno nizke vrednosti notranje upornosti (ESR) in imajo stabilno ter ugodno temperaturno karakteristiko. Zaradi svoje velike zmogljivosti in ciklične zmogljivosti so odlično dopolnilo za trenutne rešitve s primarnimi ali polnilnimi baterijami, v nekateri primerih pa jih lahko tudi nadomestijo.
Podjetje Rutronik že ima patentirano rešitev za kombinacijo superkondenzatorjev in litij-ionskih baterij, ki temelji na zelo učinkoviti topologiji pretvornika DC/DC z izredno hitrimi preklopnimi funkcijami za zelo dinamične obremenitve z visokimi tokovnimi konicami. Tako združimo visokoenergijski hranilnik energije (baterijo) s hranilnikom z visoko razpoložljivo močjo (superkondenzator) in s tem ustvarimo novo generacijo hranilnika energije, ki hkrati ponuja prednosti litij-ionskih baterij ter superkondenzatorjev. Rezultati so podvojena življenjska doba baterije z odličnimi maksimalnimi tokovi in zmanjšanje izgub v litij-ionski bateriji.
V zadnjih dveh desetletjih so proizvajalci ultrakondenzatorskih celic veliko vlagali v svoje raziskovalne in razvojne dejavnosti. Eden glavnih ciljev: Postopno povečanje napetosti celic s prvotnih 2,3 V. Trenutno je najsodobnejša 3-voltna tehnologija. To ima nekaj prednosti v primerjavi s prejšnjimi različicami z nižjimi napetostnimi vrednostmi. Večja napetost pomeni večjo energijsko gostoto celice. Glede na način uporabe je mogoče uporabiti manjše število kondenzatorjev, kar pomeni prihranek v smislu prostora, teže in stroškov. Pri uporabi enakega števila kondenzatorjev je velik plus podaljšanje življenjske dobe. Poleg tega je mogoče izvesti aplikacije, ki so bile prej s superkondenzatorji zaradi majhne energijske gostote izvedljive le v omejenem obsegu, primer je vračanje energije zaviranja pri vozilih.
Pot do 3 V
Za dosego napetosti 3 V morajo biti vsi materiali med seboj optimalno usklajeni. Odločilni sta površinska struktura plasti aktivnega oglja in sestava elektrolita. Za dosego čim večje dostopne površine je treba izboljšati predvsem velikost, geometrijo in porazdelitev por ter kemične lastnosti površine ogljikovega materiala. K boljšemu napetostnemu potencialu prispeva tudi prilagajanje pozitivne in negativne ogljikove plasti lastnostnim anionov ter kationov v elektrolitu. Razmerje med različno nabitimi nosilci naboja je tako optimalno usklajeno in zagotavlja največjo možno električno površino.
S tem je zagotovljena tudi odlična skladnost celice s trenutnimi zahtevami v industriji. To pomeni: Če upoštevamo industrijska merila za življenjsko dobo, ki so odvisna od proizvajalca in so na primer 20-odstotna izguba kapacitivnosti in/ali povečanje ESR za 100 %, mora imeti 3-voltna celica najmanj enako življenjsko dobo kot 2,7-voltna. Pogosto znaša 1500 ur pri temperaturi okolja 65 °C.
Danes je 3-voltna tehnologija najsodobnejša in s svojimi prednostmi predstavlja priložnost za spodbujanje projektov ter uporabe superkondenzatorjev za različne aplikacije in nadaljnjo optimizacijo.
Daljša življenjska doba …
Če 2,7-voltno celico v obstoječi zasnovi preprosto zamenjate s 3-voltno celico, imate s tem enako število komponent in enake stroške sestavljanja, pridobite pa bistveno daljšo življenjsko dobo superkondenzatorja. Zaradi za 0,3 V večje napetostne trdnosti se s tem napetost zmanjša glede na nazivno vrednost celice, tako da superkondenzator pri enaki napetosti pridobi dodatno življenjsko dobo. Za nekatere aplikacije to lahko pomeni zadnji potrebni del zahtevane življenjske dobe in bodo s tem postale izvedljive. Pri tem lahko gre za nov razvoj ali prenovo zasnove, ki zaradi dosedanjih tehničnih specifikacij ne bi bila uspešna, zdaj pa lahko z novo tehnologijo izpolnjuje zahteve za življenjsko dobo. Pri obstoječih in delujočih zasnovah na osnovi 2,7-voltnih celic je mogoče s 3-voltnimi celicami bistveno podaljšati življenjsko dobo aplikacije.
… ali manj prostora
Včasih pa se splača tudi preveriti, koliko celic je dejansko potrebnih,
zlasti pri vezjih z veliko zaporedno vezanimi celicami. Če lahko zaradi višje napetosti na celico prihranimo pri številu sestavnih delov, dobimo s tem manjšo porabo prostora, ki pomaga pri miniaturizaciji, ki jo zdaj zahtevajo številne aplikacije.
Avtor: Tobias Baisch, vodja prodaje za kondenzatorje pri podjetju Rutronik
2021/293
Slika 1: 3-voltni superkondenzatorji imajo bistveno daljšo življenjsko dobo kot 2,7-voltni (vir slike: AVX, Eaton, Maxwell, Samwha, Sech) [iz posameznih slik je treba pripraviti kolaž]
