Superkondenzátor je perspektivním akumulátorem energie, schopným rychle akumulovat a následně odevzdat velké množství el. energie. Bez problémů snáší opakované nabíjení a vybíjení vysokými proudy, má dlouhou životnost, nevadí mu nízké provozní teploty a nedochází u něj k paměťovému efektu.

Co to je superkondenzátor?

Ukládání energie pro potřeby jejího přenosu nebo zálohování je s nárůstem využití elektroniky stále více všeobecně diskutované téma. V současné době existují dvě možnosti ukládání energie:

 

• Akumulátory (sekundární články) - pracují na chemickém principu a jsou vhodné pro "dlouhodobé" uložení el. energie a její pomalé čerpání. Vyžadují pomalé nabíjení.
  


• Kondenzátory - pracují na elektrostatickém principu uložení náboje a jsou vhodné pro krátkodobé uložení energie a její rychlé čerpání. Vyznačující se rychlým nabíjením.

Jako alternativa k obou typům se ukazuje využití tzv. superkondenzátorů (supercapacitors), někdy označovány i jako ultrakondenzátory (ultracapacitors) nebo EDLC (electric Double Layer Capacitor). U nich se energie uchovává ve formě elektrostatické energie, čímž mají blíže k "klasickým" kondenzátorům. Kondenzátor jako elektronickou součástku lze vyrobit mnoha různými technologiemi. Existují kondenzátory pro vysokofrekvenční aplikace na bázi keramiky, klasické svitkové nebo metalické kondenzátory s různým dielektrikem pro střední frekvence do řádu stovek kHz. Pro nízkofrekvenční a stejnosměrné aplikace je důležitý elektrolytický nebo tantalový kondenzátor. Uvedené typy kondenzátorů se běžně vyrábějí v rozsahu jednotek pF až mikroF. Náboj, který mohou zachytit tyto kondenzátory je proto relativně malý a pro dlouhodobější skladování energie mají jen malý význam. Nový typ kondenzátoru, tzv. superkondenzátor dosahuje běžně kapacit v pásmu jednotek až tisíců Faradů, a tak se již v tomto směru trochu blíží akumulátorům. Zvýšení měrné kapacity o mnoho řádů je dáno jejich principem, který je založen na využití vlastností elektrické dvouvrstvy.

K čemu to je ?

Zatímco dnešní akumulátory ukládají elektřinu v podobě chemické vazby, kondenzátory ji umějí uložit v podobě elektrického náboje. Hlavní výhodou kondenzátorů oproti běžným akumulátorům, které pravidelně používáme, je vysoká účinnost, schopnost podat okamžitě plný výkon, odolnost proti přebíjení i extrémnímu vybíjení, životnost několik desítek let, mnohonásobně větší počet nabíjecích cyklů a především krátká doba nabíjení.

Superkondenzátor je tak předurčen k nasazení v automobilové technice, kde je schopen pojmout brzdnou energii, která je následně využitelná ke startu spalovacího motoru, nebo urychlení vozidla. Nejnovější vyvíjené superkondenzátory mají elektrody tvořené z pórovitého uhlíku, jehož vnitřní povrch má plochu až 2tis. metrů čtverečních v jednom gramu. Tím dochází k mnohonásobnému nárůstu kapacity, která může být ještě zvýšena umístěním velkého množství uhlíkových nanotrubic do jednoho celku. Výše uvedené výhody těchto superkondenzátorů se začínají využívat především v automobilovém průmyslu. Elektromobily s tímto zdrojem energie by byly schopné mít dostatečný výkon při stoupání v těžkém terénu díky schopnosti podat maximální výkon během okamžiku, což by se projevilo i na prudké akceleraci. To jsou oblasti, kde klasické baterie ztrácejí dech, což je handicap elektromobilů.

Velké využití těchto "malých baterií" však v budoucnu může být i v běžné spotřební elektronice, kde s rostoucí integrací obvodů klesá i napájecí napětí i spotřeba. Výdrž by sice byla nižší než chemických akumulátorů, ale schopnost neuvěřitelně rychlého nabití v řádu sekund je lákavá. Jen si například představte nabití mp3 přehrávače za několik sekund a pak jeho provoz po několik hodin.

Struktura a princip funkce

Zatímco na první pohled vypadají zapouzdřené superkondenzátory jako zvláštní baterie (viz obrázek vlevo - superkondenzátor Maxwell BOOSTCAP), jejich funkce se více podobá "klasickým" kondenzátorům založené na elektrostatickém principu uložení náboje. Hlavní rozdíl je však v použití vlastností elektrické dvouvrstvy. Jedná se o vytvoření elektrochemické dvouvrstvy po přiložení napětí na elektrody ponořené ve vodivé tekutině.

Typická dvouvrstvá struktura superkondenzátoru je složena z následujících částí:

• kladná elektroda tvořená hliníkovou fólií
• aktivní uhlík
• separátor
• aktivní uhlík
• záporná elektroda tvořená hliníkovou fólií

 

V nenabitém stavu jsou částice s nenulovým nábojem (ionty) rovnoměrně rozloženy ve vodivé tekutině, tekutém nebo gelovém elektrolytu, který se nachází mezi elektrodami. Po přiložení napětí na elektrody se začnou záporné ionty pohybovat ke kladné elektrodě a naopak kladné ionty k záporné elektrodě. Na obou elektrodách se tak vytvoří dvouvrstva se zrcadlovým rozložením elektrického náboje. Použitelné napětí je omezeno hodnotou disociačního napětí. Průrazné napětí elektrické dvouvrstvy je velmi nízké a tak typické provozní napětí superkondenzátorové buňky obvykle nepřesahuje 2.3 [V].

Vhodným materiálem pro aktivní elektrody (vnitřní strana hliníkových vnějších kontaktních elektrod) superkondenzátoru je aktivní uhlík. Důvodem je velká dosažitelná plocha skutečného povrchu (vysoká poréznost), chemická netečnost, elektrická vodivost a relativně nízká cena. Lze dosáhnout povrchu elektrod až 2000 m2/g, což při extrémně malé tloušťce dvouvrstvy (do 10 nm) znamená kapacitu řádově tisíců Farad ve velmi malém objemu. Současně také zaručuje velmi nízký odpor přívodních elektrod. Tato vlastnost zaručuje vysokou rychlost nabíjecího a vybíjecího procesu a nízké ohmické ztráty při provozu. Například superkondenzátor s parametry 600 F / 2.3 V má rozměry 4 x 6 x 9 cm a váží pouze 290 g. Jeho měrný výkon (vztažený k objemu i hmotnosti) je tak v porovnání s elektrolytickým kondenzátorem přibližně 100 x vyšší.

Pod pojemem aktivní uhlík na vnitřní straně kontaktních elektrod se dnešní době obvykle skrývá jedna z následujících struktur:

• uhlíkový aerogel (Carbon aerogel) - aerogel je unikátní pevný materiál s nízkou hustotou vzniklý z normálního gelu náhradou kapalné složky vzduchem. Uhlíkový aerogel poskytuje extrémně velkou povrchovou plochu kolo 400-2000 m2/g. Malé superkondenzátory s aerogelem jsou vhodné jakou zálohovací baterie v nízkopříkonové mikroelektronice. Aerogel - více viz článek "Zajímavost - Co je to AEROGEL ?"
  


• uhlíkové polymery - polymery se vyznačují redukční-oxidační paměťovým mechanismem (reduction-oxidation storage mechanism) společně se velkou povrchovou oblastí.
  


• uhlíkové nanotrubice - jsou hlavní budoucností superkondenzátorů. Uhlíkové nanotrubice mají výbornou pórovitost s póry o velikosti několika nm. Navíc poskytují miniaturní prostory uvnitř trubic, které fungují jako dielektrikum.

V současných moderních superkondenzátorech z aerogelu jsou elektrody obvykle vyrobeny z netkaného papíru vyrobeného z uhlíkových vláken a pokrytý aerogelem pod nimiž dochází k pyrolýze. Papír je kompozitní materiál, kde uhlíková vlákna poskytují strukturální integritu a aerogel poskytuje požadovaná velký povrch. Kapacita takového superkondenzátoru může být až 2.6 kF = 2.6 kiloFaradů !!!!!

Vlastnosti a parametry superkondenzátorů

Jak již bylo zmíněno výše, maximální napětí superkondenzátoru závisí na druhu použitého elektrolytu a pohybuje se v rozmezí 1.2 - 3 V. Takové napětí je samozřejmě pro použití např. v automobilu, tedy obecně v oblasti výkonových zařízení, příliš nízké a tak je nutno spojovat více článků do série. Tím se dosáhne vyššího jmenovitého napětí superkondenzátoru za cenu snížení jeho celkové kapacity. Sériové spojení s sebou však přináší nutnost zajištění rovnoměrného rozložení napětí na jednotlivých článcích, jejichž kapacity se mohou mírně lišit. Řešením může být odporový dělič napětí (viz obrázek vedle), nebo aktivní elektronický dělič napětí. Nízký měrný odpor přívodů superkondenzátoru tak patří mezi zásadní sledované vlastnosti.

Například lze použít superkondenzátorovou baterii od firmy Epcos, s parametry 56 V / 100 F. Baterie je řešena sériovým spojením 27 superkondenzátorů s parametry 2.3 V / 2700 F s elektronickým děličem napětí. Některé firmy (Siemens, Maxwell technologies apod.) vyrábějí sérioparalelní kombinace jako jeden mechanický celek. Na ukázku uveďme např. modul Siemens/Matsushita 100 F / 56 V. Tento superkondenzátor má vnitřní odpor 0.15 Ω a specifický výkon 80 W/kg. Pro představu lze uvést, že tento plně nabitý prvek může dodávat po dobu 5 s výkon 12,5 kW. Výrobce zaručuje životnost větší než milión cyklů. Přední výrobci superkondenzátor předpokládají, že druhá generace výrobků, bude dosahovat hustotu energie až 15 Wh/kg a výkonovou hustotu do 4000 W/kg. Takové superkondenzátory již můžou být vhodným typem nosiče energie pro hybridní automobil.

Nabíjení a vybíjení superkondenzátoru

Z hlediska nabíjení a vybíjení se s superkondenzátory pracuje spíše jako s klasickými kondenzátory než s bateriemi. V tomto směru splňují požadavků náročných strojů a zařízení, kde se nejčastěji používají napěťové měniče řízené pulsně-šířková modulací (PWM). Charakteristickými hodnotami této metody řízení zdroje je spínací frekvence f resp. perioda spínání T = 1 / f a střída řízení z, daná poměrem doby zapnutí spínacího prvku a periody spínání z = tz / T.

Dle směru toku energie resp. proudu rozlišujeme dva režimy práce měniče:

• Snižovací režim - při snižovacím režimu přechází energie ze strany vyššího napětí na stranu nižšího napětí, neboli v našem případě teče proud ze ss obvodu do superkondenzátoru a ten se nabíjí.
  


• Zvyšovací režim - při zvyšovacím režimu je tok energie obvodem opačný a v našem případě dochází k vybíjení superkondenzátoru.

Výhody a nevýhody

Ukládání el. energie do superkondenzátoru má tyto výhody:

• Velmi vysoké úrovně nabíjení a vybíjení
• Malou degradaci v průběhu stovek až tisíců nabíjecích a vybíjecích cyklů
• Dobrá reverzibilita
• Vysoká účinnost (95% a více)

Nevýhody:

• Množství energie uložené na jednotku váhy je nižší než u elektrochemických článků (3-5 W.h/kg pro superkondenzátory v porovnání s 30-40 W.h/kg pro klasické baterie).
• Napětí se mění v závislosti na množství uložené energie (podobně jako u kondenzátorů).
• Mají nejvyšší dielektrickou absorpci ze všech typů kondenzátorů.

 

	olověná baterie	superkondenzátor	běžný kondenzátor
nabíjecí doba	1 – 5 h	0.3 – 30 s	10-3 – 10-6 s
vybíjecí doba	0.3 – 3 h	0.3 – 30 s	10-3 – 10-6 s
měrná energie [Wh/kg]	10 - 100	1 – 10	< 0.1
měrný výkon [W/kg]	< 1000	< 10 000	<100 000
životnost [cyklů]	1000	> 500 000	> 500 000
účinnost nabíjení a vybíjení [%]	70 – 85	85 –98	> 95

Závěr

Superkondenzátorům určitě patří budoucnost. Vyplňují místo mezi klasickými kondenzátory a nabíjecími akumulátory. Existuje totiž opravdu mnoho aplikací, kde kondenzátory mají malou kapacitu a naopak akumulátory mají pomalé nabíjení, limitované zatížení a krátkou životnost. Zvláště je budoucnost superkondenzátorů jako krátkodobých zálohovacích zdrojů krátkých výpadků napájení (hodiny, radiobudíky, stolní PC, rekordéry a vypalovací zařízení apod.), vyrovnávání a akumulaci el. energie pro malé větrné a solární elektrárny, hybridní automobily a napájení nízkopříkonové kapesní elektroniky (hodinky a budíky, mp3 přehrávače a rádia, svítilny, různé čtečky apod.)

DOWNLOAD & Odkazy

• Zajímavé stránky zabývající se superkondenzátory:
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor
  • http://www.maxwell.com/ultracapacitors/technical-support/index.asp
  • http://powerelectronics.com/images/archive/310PET23.pdf
  • http://powerelectronics.com/mag/power_ultracapacitor_technology_powers/index.html

 

• Zdeněk Čeřovský, Vladek Pavelka: "PODMÍNKY PRO VYBÍJENÍ SUPERKONDENZÁTORŮ POUŽITÝCH V HYBRIDNÍCH
  ELEKTRICKÝCH VOZIDLECH", Fakulta elektrotechnická ČVUT, Výzkumné centrum spal. motorů a automobilů Josefa Božka, XXVIII.poh.konference Plzeň
• Ing. Vladek Pavelka:"Akumulace brzdné energie vozidla v superkondenzátoru", Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka
• Články týkající se automatizace najdete na serveru automatizace.HW.cz