Porozumění superkondenzátorům a jejich vztahu k bateriím

Potřeba spolehlivých zdrojů na akumulaci energie dramaticky vzrostla v důsledku vzestupu internetu věcí (IoT), průmyslového internetu věcí (IIoT), přenosné elektroniky a větších aplikací, jako jsou průmyslové závody a datová centra. Baterie poskytují přímé napájení pro menší zařízení, zatímco baterie ve větších aplikacích se často používají pro zálohování v případě výpadku primárního napájecího zdroje.

Pro dosažení cílových požadavků malých rozměrů a minimální údržby se malá zařízení často spoléhají na lithium-iontové (Li-ion) nebo alkalické knoflíkové baterie. Li-ion články vyžadují pečlivou pozornost ohledně limitů nabíjecích cyklů a bezpečnosti. Baterie používané pro zálohování se mohou po rychlém nabití rychle opotřebovat a vyžadují výměnu. Tyto baterie také vyžadují složité systémy správy a stále mají sklon k nekontrolovatelnému přehřívání, což vede k obavám o bezpečnost.

Doplňkovou technologii k bateriím nabízejí elektrické dvouvrstvé kondenzátory (EDLC) neboli superkondenzátory. Tam, kde baterie mohou dodávat energii po relativně dlouhou dobu, mohou superkondenzátory zajistit rychlou a krátkodobou dodávku energie. Superkondenzátory jsou také šetrné k životnímu prostředí, nepodléhají nekontrolovatelnému přehřívání a mohou spolehlivě plnit funkci až 20 let. Mohou být použity jako jediný prostředek akumulace energie, v kombinaci s bateriemi nebo jako hybridní zařízení pro optimalizaci dodávky energie.

Tento článek stručně popisuje superkondenzátory ve vztahu k bateriím. Poté se zabývá některými jejich typickými aplikacemi v samostatném použití i v kombinaci s bateriemi. Pro ilustrativní účely jsou použity superkondenzátory od společnosti Eaton.

Rozdíly mezi superkondenzátorem a baterií

Superkondenzátor je zařízení na akumulaci energie s mimořádně vysokou specifickou kapacitou výkonu v porovnání srovnání s elektrochemickými úložnými zařízeními, jako jsou baterie. Baterie a superkondenzátory plní při napájení podobné funkce, fungují však odlišně. Superkondenzátor pracuje jako klasický kondenzátor ve smyslu, že jeho vybíjecí profil při konstantním vybíjecím proudu vykazuje lineární pokles napětí. Na rozdíl od baterie probíhá akumulace energie v superkondenzátoru elektrostatickou cestou, čímž v něm nedochází k žádným chemickým změnám a procesy nabíjení a vybíjení jsou takřka úplně reverzibilní. Znamená to, že superkondenzátor vydrží větší počet cyklů nabití-vybití.

Baterie ukládají energii elektrochemickou cestou. Vybíjecí profil Li-ion baterií je plochý; baterie vykazuje takřka konstantní napěťovou charakteristiku, dokud nedojde k jejímu úplnému vybití. Kvůli degradaci chemických procesů je však počet cyklů nabití-vybití Li-ion baterie omezený. Snížení kapacity baterie ovlivňují faktory jako jsou teplota, nabíjecí napětí a hloubka vybití.

Li-ion baterie jsou vystaveny nekontrolovatelnému přehřívání, samovznícení a dokonce explozi. Tvorba tepla je nevyhnutelná z důvodů chemickým reakcím během nabíjení a vybíjení vlivem odporového ohřevu. Baterie proto vyžadují monitorování teploty, aby byla zajištěna bezpečnost uživatele.

Porovnání specifikací superkondenzátoru a Li-ion baterie

Baterie poskytují vysokou energetickou hustotu. Superkondenzátory mají v porovnání s bateriemi nižší energetickou hustotu, avšak vysokou výkonovou hustotu, neboť se mohou takřka okamžitě vybít. Díky elektrochemickým procesům v baterii trvá dodávka energie do zátěže delší dobu. Obě zařízení mají funkce odpovídající konkrétním potřebám akumulace energie (obrázek 1).

Obrázek 1: znázornění srovnání vlastností superkondenzátorů a Li-ion baterií. (Zdroj obrázku: Eaton)

Nejvýznamnější rozdíl mezi zařízeními je patrný z porovnání energetické hustoty ve watthodinách na litr (Wh/L) a výkonové hustoty ve wattech na litr (W/L). Tento rozdíl také ovlivňuje doby vybíjení; superkondenzátory jsou určeny k dodávce energie v krátkých intervalech (přechodné události), zatímco baterie řeší dlouhé události. Superkondenzátor se vybije během několika sekund nebo minut, zatímco baterie může dodávat energii po dlouhé hodiny. Tato vlastnost ovlivňuje příslušnou aplikaci.

Superkondenzátory v porovnání s bateriemi podporují širší rozsah provozních teplot. Jejich takřka bezeztrátové elektrostatické procesy také přispívají k vyšší účinnosti a rychlejšímu nabíjení.

Příklady superkondenzátorů

Společnost Eaton nabízí kompletní řadu spolehlivých superkondenzátorů pro aplikace akumulace energie vyžadující vysokou výkonovou hustotu a rychlé nabíjení. Fyzická pouzdra jejích superkondenzátorů se někdy shodují s pouzdry baterií, zejména knoflíkových článků. Jsou také k dispozici v pouzdrech konvenčních válcových kondenzátorů (obrázek 2).

Obrázek 2: superkondenzátory jsou k dispozici v pouzdrech standardních válcových kondenzátorů s radiálními vývody; některé jsou zapouzdřeny tak, aby odpovídaly formátu knoflíkových článků Li-ion baterií. (Zdroj obrázku: Eaton)

Model TV1030-3R0106-R od společnosti Eaton na obrázku 2 (vlevo) je superkondenzátor o kapacitě 10 F s maximálním pracovním napětím 3 V. Je umístěn ve válcovém kovovém pouzdru s radiálními vývody. Kovové pouzdro má průměr 10,5  mm (0,413 palce (in.)) a výšku 31,5 mm (1,24 palce). Superkondenzátor rozsah provozních teplot -25 °C až +65 °C a rozšířený rozsah teplot -25 °C až +85 °C při snížení výkonu na provoz při napětí 2,5 V nebo nižším. Dokáže uchovat energii 12,5 mW/h a dodávat výkon 86,5 W ve špičkách. Je dimenzován na 500 000 cyklů nabití/vybití.

Superkondenzátory mohou nahrazovat knoflíkové baterie v mnoha aplikacích, například jako zdroje zálohování paměti. Model KVR-5R0C155-R od společnosti Eaton (obrázek 2 vpravo) je superkondenzátor o kapacitě1,5 F dimenzovaný na maximální pracovní napětí 5 V. Rozměry pouzdra jsou podobné jako u 20mm knoflíkového článku. Superkondenzátor je schopen dodávat výkon 0,208W ve špičkách. Rozsah provozních teplot je -25 °C až +70 °C. Je rovněž dimenzován na 500 000 cyklů nabití/vybití.

Zvyšování hustoty energie superkondenzátoru

Energie uložená v superkondenzátoru je úměrná jeho kapacitě a druhé mocnině napětí, na které je nabitý. Hustotu energie lze tedy zvýšit navýšením počtu článků a jejich paralelním propojením. Vyšší energetické hustoty lze dosáhnout vytvořením superkondenzátorových modulů s vysokou kapacitou a vyšším pracovním napětím (obrázek 3).

Obrázek 3: energetickou hustotu superkondenzátoru lze zvýšit přidáním dalších článků a zvýšením pracovního napětí. (Zdroj obrázku: Eaton)

Superkondenzátor PHVL-3R9H474-R od společnosti Eaton (obrázek 3, vlevo) je součástka o kapacitě 470 mF, 3,9 V se dvěma články. Velmi nízký efektivní sériový odpor (ESR) 0,4 Ω vede ke snížení ztrát vedením a ke schopnosti dodávat výkon ve špičkách až 9,5 W. Superkondenzátor rozsah provozních teplot -40 °C až +65 °C. Stejně jako dříve diskutované superkondenzátory je dimenzován na 500 000 cyklů nabití/vybití. Fyzické pouzdro je 14,5 mm (0,571 palce) vysoké, 17,3 mm (0,681 palce) dlouhé a 9 mm (0,354 palce) široké.

Modulární sady superkondenzátorů jsou schopné dodávat značná množství záložní energie. Superkondenzátor XLR-16R2507B-R od společnosti Eaton (obrázek 3, vpravo) má kapacitu 500 F a pracuje s maximálním napětím 16,2 V. Modul vykazuje ekvivalentní sériový odpor (ESR) 1,7 mΩ a je schopen dodávat výkon 38,6 kW ve špičkách. Rozsah provozních teplot je -40 °C až +65 °C (teplota článku). Pouzdro je 177 mm (6,97 palce) vysoké, 417 mm (16,417 palce) dlouhé a 68 mm (2,677 palce) široké.

Hybridní superkondenzátory

Snahy o spojení charakteristik superkondenzátorů a Li-ion baterií vyústily v hybridní superkondenzátor nazývaný Li-ion kondenzátor (LiC). Toto řešení zvyšuje energetickou hustotu superkondenzátoru a zároveň nabízí kratší doby odezvy než baterie. Kondenzátor LiC vykazuje asymetrickou strukturu využívající lithiem dotovanou grafitovou anodu a katodu s aktivním uhlím (obrázek 4).

Obrázek 4: hybridní superkondenzátor spojuje vlastnosti superkondenzátoru a Li-ion baterie. Ve srovnání s baterií nabízí vyšší počet cyklů nabíjení/vybíjení a vyšší rychlost vybíjení. (Zdroj obrázku: Eaton)

Hybridní superkondenzátor poskytuje konstruktérům svou strukturou znatelný přínos spojením elektrochemického charakteru lithiové baterie s elektrostatickými vlastnostmi superkondenzátoru. Pohyb náboje v kondenzátoru LiC probíhá elektrochemickým procesem, avšak s s menší hloubkou než u baterie, což má za následek zvýšený počet cyklů nabíjení/vybíjení a vyšší rychlosti vybíjení. Výsledný vybíjecí profil je velmi podobný superkondenzátoru.

Například model HS1016-3R8306-R je hybridní superkondenzátor 30 F, 3,8 V umístěný ve válcovém pouzdru s radiálními vývody. Tento hybridní superkondenzátor má ekvivalentní sériový odpor (ESR) 0,55  Ω a je schopen dodávat výkon 6,6 W ve špičkách. Rozsah provozních teplot je -15 °C až +70 °C a rozšířený rozsah teplot -15 °C až +85 °C při snížení výkonu na provoz při napětí 3,5 V nebo nižším. Hybridní superkondenzátor má jmenovitou životnost 1 000 hodin při jmenovitém napětí a maximální provozní teplotě. Pouzdro má výšku 18 mm (0,709 palce) a průměr 10,5 mm (0,413 palce). Stejně jako superkondenzátor je dimenzován na 500 000 nabíjecích/vybíjecích cyklů.

Grafy energetické a výkonové hustoty

Rozložení energetické a výkonové a hustoty u zařízení na akumulaci energie dává zásadní přehled o jejich využitelnosti a efektivní době provozu (obrázek 5).

Obrázek 5: křížový graf závislosti energetické hustoty na výkonové hustotě u baterií a superkondenzátorů poskytuje představu o době jejich provozu. (Zdroj obrázku: Eaton)

Graf znázorňuje energetickou hustotu v závislosti na výkonové hustotě. Poměr těchto parametrů poskytuje čas, který je též znázorněn graficky. Zařízení s vysokou energetickou, avšak nízkou výkonovou hustotou jsou znázorněna v levém spodním rohu. Patří mezi ně palivové články a baterie. Zařízení s vysokou výkonovou, avšak nízkou energetickou hustotou, například tradiční kondenzátory a superkondenzátory, zabírají pravý spodní roh. Mezi těmito dvěma skupinami leží hybridní superkondenzátory. Všimněte si časových měřítek jednotlivých skupin; superkondenzátory pracují po dobu několika sekund, hybridní superkondenzátory po dobu minut a baterie po dobu hodin a více.

Aplikace akumulace energie

Zařízení na akumulaci energie dodávají energii v případě výpadku primárního napájecího zdroje. Dobrým příkladem je záložní napájení paměti počítače. Ačkoli se dříve používaly baterie, v současné době nacházejí v těchto aplikacích své místo superkondenzátory, protože nabízejí výrazně vyšší počet cyklů nabíjení/dobíjení. U superkondenzátorů navíc odpadá potřeba výměny baterie po roce provozu.

Superkondenzátory se také používají v návrzích zařízení IoT a IIoT, která se spoléhají energy harvesting. Podobné uplatnění nacházejí superkondenzátory také ve vozidlech, kde ukládají energii získanou z brzdění.

Superkondenzátory poskytují vysoký výstupní výkon po krátkou dobu. Lze je použít k zajištění „překlenovacího“ napájení v kriticky důležitých instalacích, které potřebují překonat přibližně desetisekundové zpoždění, než dojde k připojení nouzového generátoru k síti. Superkondenzátor, který se dobíjí přibližně po stejnou dobu, jaká je doba jeho využití, je po výpadku napájení schopen rychle přejít zpět online.

Závěr

Superkondenzátory poskytují doplňkovou funkci k bateriím ve většině aplikací na akumulaci energie. Díky svým vyšším a okamžitě dostupným úrovním výkonu a krátkým časům nabíjení jsou ideálním řešením pro krátkodobou podporu napájení. Jejich vysoký počet cyklů nabíjení/dobíjení bez zhoršení kvality snižuje náklady na výměnu baterie a na zásoby.