Alapvető ismeretek a szuperkondenzátorokról és kapcsolatuk az akkumulátorokkal

A megbízható energiatároló eszközök iránti igény drámaian megnőtt a tárgyak internete (IoT), az ipari IoT (IIoT), a hordozható elektronikai eszközök és a nagyméretű rendszerek, például az ipari üzemek és az adatközpontok elterjedésével. Az akkumulátorok közvetlen áramellátást biztosítanak a kisebb eszközök számára, míg nagyobb berendezésekben gyakran használják őket tartalékként az elsődleges áramellátás kiesésekor.

Kisméretű eszközökben gyakran használnak lítium-ion (Li-ion) akkumulátorokat vagy alkáli gombelemeket a kis méretformátumhoz és a minimális karbantartás eléréséhez. A Li-ion celláknál gondosan ügyelni kell a lehetséges töltési ciklusok számára és a biztonságra. A tartalékként használt akkumulátorok a gyors feltöltés után gyorsan elhasználódhatnak, és ki kell őket cserélni. Ezek az akkumulátorok összetett akkumulátor-kezelő rendszereket is igényelnek, és még mindig fennáll a hőmegfutás lehetősége is, ami biztonsági aggályokat vet fel.

Az elektromos duplaréteg kondenzátorok (EDLC-k) vagy szuperkondenzátorok olyan kiegészítő technológia, amely az akkumulátorokkal együtt használható. Míg az akkumulátorok viszonylag hosszú ideig képesek energiát szolgáltatni, addig a szuperkondenzátorok rövid időre biztosítanak gyorsan energiát. A szuperkondenzátorok emellett környezetbarátok, nem hajlamosak a hőmegfutásra, és akár 20 évig is megbízhatóan tudnak működni. Használhatók egyedüli energiatárolási megoldásként, kombináltan akkumulátorokkal együtt, vagy hibrid eszközként az energiaellátás optimalizálásához.

Ez a cikk a szuperkondenzátorokat hasonlítja össze röviden az akkumulátorokkal. Ezután áttekint néhány tipikus, önálló és akkumulátorokkal kombinált alkalmazási esetet, az Eaton szuperkondenzátorait használva fel példaként.

A szuperkondenzátorok és akkumulátorok közötti különbségek

A szuperkondenzátorok az akkumulátorokhoz és más hagyományos elektrokémiai tárolóeszközökhöz képest jóval nagyobb teljesítménysűrűségű eszközök. Az akkumulátorok és a szuperkondenzátorok hasonló feladatokat látnak el az energiaellátásban, de működésük eltérő fizikai elven alapul. A szuperkondenzátor úgy működik, mint egy klasszikus kondenzátor, vagyis állandó kisütési áram mellett a kisütési görbén a feszültség lineárisan csökken. Az akkumulátorral ellentétben a szuperkondenzátorban az energia elektrosztatikusan tárolódik, így nem történnek kémiai változások az eszközben, és a töltési és kisütési folyamatok szinte teljes mértékben visszafordíthatók. Ez azt jelenti, hogy nagyobb számú töltési-kisütési ciklus elviselésére képesek.

Az akkumulátorok elektrokémiai úton tárolják a villamos energiát. A Li-ion akkumulátorok kisütési görbéje lapos, vagyis az ilyen típusú akkumulátorok majdnem a teljes lemerülésig közel állandó feszültséget biztosítanak. A kémiai mechanizmusok hatékonyságának leromlása miatt Li-ion akkumulátorok esetén a töltési-kisütési ciklusok száma korlátozott. A hőmérséklet, a töltési feszültség és a kisütés mélysége azok a tényezők, melyek befolyásolják az akkumulátor kapacitásának csökkenését.

A Li-ion akkumulátorok ki vannak téve a hőmegfutás, az öngyulladás és akár a robbanás veszélyének is. A hő termelődése elkerülhetetlen a töltés és kisütés során az ellenállás melegedéséből eredő kémiai reakciók miatt. Emiatt az akkumulátoroknál biztosítani kell a hőmérséklet-felügyeletet a felhasználók biztonsága érdekében.

A szuperkondenzátorok és a Li-ion akkumulátorok műszaki jellemzőinek összehasonlítása

Az akkumulátorok nagy energiasűrűséget kínáló eszközök. A szuperkondenzátorok energiasűrűsége kisebb, mint az akkumulátoroké, viszont nagy a teljesítménysűrűségük, mivel szinte azonnal lemeríthetők. Akkumulátoroknál, a bennük végbemenő elektrokémiai folyamatok következtében több időre van szükség ahhoz, hogy energiát tudjanak adni a terhelés számára. Mindkét eszköz rendelkezik olyan tulajdonságokkal, amelyek adott specifikus energiatárolási igényeknek teszik őket megfelelővé (1. ábra).

1. ábra: A képen a szuperkondenzátorok és a Li-ion akkumulátorok műszaki jellemzőinek összehasonlítása látható (kép: Eaton)

A Wh/L (wattóra/liter) mértékegységben kifejezett energiasűrűség és a W/L-ben (watt/liter) kifejezett teljesítménysűrűség összehasonlítása mutatja a legjelentősebb különbséget az eszközök között. Ez a kisütési időt is befolyásolja: a szuperkondenzátorok rövid időtartamra (átmeneti eseményekre) történő energiaellátásra szolgálnak, míg az akkumulátorok hosszabb ideig szolgáltatnak energiát. A szuperkondenzátor másodpercek vagy percek alatt lemerül, míg egy akkumulátor órákig képes energiát szolgáltatni. Ezen tulajdonságuk határozza meg, hogy használatuk mikor célszerű.

A szuperkondenzátorok névleges működési hőmérséklet-tartománya szélesebb, mint az akkumulátoroké. Mivel a rájuk jellemző elektrosztatikus folyamatok szinte veszteségmentesek, ezért igen hatékonyak és a gyorsan tölthetők.

Példák szuperkondenzátorokra

Az Eaton egy teljes termékcsaládot kínál megbízható szuperkondenzátorokból a nagy teljesítménysűrűséget és gyors töltést igénylő energiatároló áramkörökhöz. Fizikai méreteiket tekintve a szuperkondenzátorok tokozása néha megegyezik az elemekével, különösen a gombelemekével, de a henger alakú hagyományos kondenzátor-tokozásban is kaphatók (2. ábra).

2. ábra: A szuperkondenzátorok a szabványos henger alakú kondenzátorokéval azonos tokozásban kaphatók radiális kivezetésekkel, míg bizonyos esetekben a tokozásuk a Li-ion alapú gombelemek formátumának megfelelő (kép: Eaton)

Az Eaton 2. ábrán (balra) látható TV1030-3R0106-R jelű eszköze egy 10 F értékű szuperkondenzátor 3 V maximális üzemi feszültséggel. Hengeres tokozásúak, radiális kivezetésekkel. A tok 10,5 mm átmérőjű és 31,5 mm magasságú. Névleges üzemi hőmérséklettartománya -25 °C és +65 °C között van, míg a -25 °C és +85 °C közötti kibővített tartományban is működik 2,5 V vagy azon aluli feszültséggel való működtetés esetén. 12,5 mW/óra energia tárolására és 86,5 W csúcsteljesítmény leadására képes, és 500 000 töltési/kisütési ciklusra tervezték.

A szuperkondenzátorok számos áramkörben, például memóriák tartalék energiaellátásának biztosításakor tudnak a gombelemek helyébe lépni. Az Eaton KVR-5R0C155-R (2. ábra, jobbra) egy 1,5 F-os szuperkondenzátor, 5 volt maximális névleges üzemi feszültséggel. Tokjának mérete hasonló egy 20 mm-es gombeleméhez, és 0,208 watt csúcsteljesítmény leadására képes. Üzemi hőmérséklet-tartománya -25 °C és +70 °C között van, és szintén 500 000 töltési/kisütési ciklusra tervezték.

Szuperkondenzátorok energiasűrűségének növelése

A szuperkondenzátorban tárolt energia a kapacitás és a töltési feszültség négyzetével arányos. Így az energiasűrűség a cellák számának növelésével és párhuzamosan kapcsolásukkal növelhető. Nagy kapacitású és nagyobb üzemi feszültségű szuperkondenzátor-modulok létrehozásával nagyobb energiasűrűség érhető el (3. ábra).

3. ábra: A szuperkondenzátor energiasűrűsége több cella hozzáadásával és a működési feszültség növelésével növelhető (kép: Eaton)

Az Eaton PHVL-3R9H474-R szuperkondenzátor (3. ábra, balra) egy 470 mF kapacitású, 3,9 voltos, két cellás eszköz. Nagyon alacsony, 0,4 Ω effektív soros ellenállással (ESR) rendelkezik a vezetési veszteségek csökkentéséhez, és 9,5 W csúcsteljesítményű. Üzemi hőmérséklettartománya -40 °C és +65 °C között van. A korábban tárgyalt szuperkondenzátorokhoz hasonlóan ezt is 500 000 töltési/kisütési ciklusra tervezték. Fizikai tokozását illetően 14,5 mm magas, 17,3 mm hosszú és 9 mm széles.

A moduláris szuperkondenzátor-csomagok jelentős mennyiségű tartalék energiát képesek biztosítani. Az Eaton XLR-16R2507B-R jelű eszközének (3. ábra, jobbra) kapacitása 500 F, és 16,2 V maximális feszültséggel működik. A modul ESR-je 1,7 mΩ, és 38,6 kilowatt csúcsteljesítmény leadására képes. Üzemi hőmérséklet-tartománya -40 °C és +65 °C között van (cellahőmérséklet). Tokozását illetően 177 mm magas, 417 mm hosszú és 68 mm széles.

Hibrid szuperkondenzátorok

A szuperkondenzátorok és a Li-ion akkumulátorok előnyös tulajdonságainak ötvözésére tett törekvések eredményeként jöttek létre a Li-ion kondenzátornak (LiC) is nevezett hibrid szuperkondenzátorok. Energiasűrűségük nagyobb, mint a klasszikus szuperkondenzátoroké, miközben válaszidejük még mindig gyorsabb, mint az akkumulátoroké. Az LiC-k aszimmetrikus felépítésűek, lítiummal szennyezett grafit anóddal és aktívszén katóddal rendelkeznek (4. ábra).

4. ábra: A hibrid szuperkondenzátorok egyszerre rendelkeznek a klasszikus szuperkondenzátorok és a Li-ion akkumulátorok jellemzőivel. Az akkumulátorokhoz képest nagyobb töltési/kisütési ciklusszámmal rendelkeznek és kisütési sebességük is gyorsabb (kép: Eaton)

Felépítésüket tekintve a hibrid szuperkondenzátorok az elektrokémiai jellegű lítium akkumulátorok és az elektrosztatikus szuperkondenzátorok ötvözete, ami érzékelhető előnyöket biztosít a tervezők számára. Az LiC kondenzátoroknál a töltéshordozók mozgása elektrokémiai folyamattal, de kisebb mélységben megy végbe, mint az akkumulátoroknál, ami nagyobb számú töltési/kisülési ciklust és gyorsabb kisütési sebességet tesz lehetővé. Az eredő kisütési görbe nagyon hasonló a szuperkondenzátorokéhoz.

A HS1016-3R8306-R például egy 30 F-os, 3,8 V-os, radiális kivezetésekkel rendelkező henger alakú tokozású hibrid szuperkondenzátor. ESR értéke 0,55 Ω, és 6,6 W csúcsteljesítmény leadására képes. Névleges üzemi hőmérséklettartománya -15 °C és +70 °C között van, +85 °C-ig kiterjesztett működési tartománnyal 3,5 V vagy azon aluli feszültséggel való működtetés esetén. Élettartama 1000 óra névleges feszültségen és maximális üzemi hőmérsékleten történő használat mellett. A méreteit tekintve a tok 18 mm magas és 10,5 mm átmérőjű. A szuperkondenzátorhoz hasonlóan ezt is 500 000 töltési/kisütési ciklusra tervezték.

Energia- és teljesítménysűrűség ábrák

Az energiatároló eszközök energia- és teljesítménysűrűségeit ábrázoló eloszlásdiagramokból átfogó kép kapható használhatóságukról és tényleges működési időtartamukról (5. ábra).

5. ábra: Az akkumulátorok és szuperkondenzátorok energiasűrűségének és teljesítménysűrűségének keresztdiagramjaiból átfogó kép kapható működési időtartamukról (kép: Eaton)

Az ábrán az energiasűrűség és a teljesítménysűrűség látható egymás függvényében. A két paraméter aránya adja az időt, amely szintén leolvasható a grafikonról. A nagy energiasűrűségű, de alacsony teljesítménysűrűségű eszközök a bal felső sarokban találhatók. Ide tartoznak az üzemanyagcellák és az akkumulátorok. A nagy teljesítménysűrűségű, de alacsony energiasűrűségű eszközök, például a hagyományos kondenzátorok és a szuperkondenzátorok a jobb alsó sarokban helyezkednek el. A hibrid szuperkondenzátorok e két csoport között találhatók. Figyeljük meg mindegyikük esetén az időskálát: a szuperkondenzátorok másodpercekig, a hibridek percekig, az akkumulátorok pedig órákig vagy tovább képesek szolgáltatni energiát.

Energiatárolási felhasználási esetek

Az energiatároló eszközöknek az a feladata, hogy az elsődleges áramellátás megszűnésekor áramot szolgáltassanak a fogyasztóknak. Jó példa erre a számítógépes memóriákat tápláló energia ilyen esetekben. Erre a célra korábban akkumulátorokat használtak, de az egyre nagyobb töltési/újratöltési ciklusszámuknak köszönhetően a szuperkondenzátorok ilyen célú felhasználása mostanában egyre nagyobb teret nyer. Szuperkondenzátorok esetén ezenkívül nem kell egy év működés után elvégezni az akkumulátorok cseréjét.

A szuperkondenzátorokat az energia összegyűjtésére hagyatkozó IoT- és IIoT-konstrukciókban is használják. Ehhez hasonlóan, járművekben is alkalmazzák őket, ahol a fékezésből visszanyert energiát tárolják.

A szuperkondenzátorok nagy teljesítményt képesek leadni rövid ideig. Kiválóan alkalmasak olyan kritikus esetekben történő használatra, amikor át kell hidalni azt a körülbelül tíz másodperces késedelmet, amíg egy vészhelyzeti generátor működésbe lép. A szuperkondenzátor körülbelül az üzemelési idejével megegyező idő alatt töltődik fel, és áramkimaradás után gyorsan újra teljesen üzemképes állapotba hozható.

Összegzés

A szuperkondenzátorokat a legtöbb energiatároló rendszerben az akkumulátorok kiegészítésére használják. A magasabb és azonnal hasznosítható energiaszintjük valamint a gyors feltöltési idejük miatt ideálisak rövid időtartamú energiaellátás-biztosításra. Csökkentik az akkumulátorok karbantartási és készletezési költségeit mivel nagyszámú töltési/újratöltési ciklust képesek elviselni működésbeli teljesítményük romlása nélkül.