Elemente
tehnico-stiintifice:
“Condensatori electrochimici cu strat dublu”, “supercondensatori” sau
“ultracondensatori” sunt termeni utilizati la ora actuala pentru
acelasi tip de produs care se deosebeste de condensatorii
conventionali prin valoare cu ordine de marime mai mare a capacitatii
electrice.
Functionarea supercondensatorilor este asemanatoare, intr-o prima
analiza, cu a condensatorilor electrolitici conventionali. Schematic
un condensator electrolitic este indicat in Fig.1. Elementele de baza
constructive ale condensatorului electrolytic sunt: cele doua armaturi
metalice (1,2), separatorul (3) si electrolitul (4). Separatorul este
alcatuit dintr-un strat de material poros care este izolant din punct
de vedere al conductiei prin electroni. Acesta asigura izolarea
electrica adica impiedica contactul dintre cei doi electrozi (armaturi).
Electrolitul lichid patrunde in porii separatorului si prin urmare
ionii pot traversa fara probleme separatorul pentru a ajunge in
preajma armaturilor metalice.
Cand nu exista tensiune aplicata pe electrozii condensatorului, pe
suprafata lor nu exista nici un fel de sarcina electrica iar ionii
negativi si pozitivi ai electrolitului sunt dispersati uniform in masa
acestuia. Cand se aplica tensiune pe electrozi la suprafata interioara
a unuia se formeaza un strat de sarcina electrica pozitiva (5) iar la
suprafata interioara a celuilalt se formeaza un strat de sarcina
electrica negativa (7). Ionii negativi din electrolit sunt atrasi de
stratul de sarcina pozitiva formandu-se astfel al doilea strat de
sarcina ionica negativa (6) la foarte mica distanta de stratul de
sarcina pozitiva din metal (5). Avem astfel un strat dublu electric cu
distanta foarte mica de ordinul unei molecule intre cele doua straturi
de sacina negativa si pozitiva existenta la armaturile metalice. Din
acest motiv condensatorii electrolitici au capacitate electrica
specifica semnificativ mai mare comparativ alte tipuri de condensatori
conventionali. Strat dublu se formeaza la suprafata ambilor electrozi
de unde si denumirea acestor condensatori, aceea de “condensatori
electrochmici cu strat dublu”
Cresterea capacitatii condensatorilor electrolitici poate avea loc
prin marirea ariei electrozilor. Totusi cu marirea ariei electrozilor
creste in mod proportional atat volumul cat si greutatea
condensatorului electrolytic, ajungandu-se la valori de ordinul 1
litru sau 1kg fara crestere de capacitate care sa atinga o valoare de
1 Farad.
Valori ale capacitatii electrice de sute si mii de farazi se ating
prin marirea ariei dar fara crestere exagerata de volum sau greutate
prin utilizarea de armaturi sau “electrozi porosi”. Electrozi din
material conductor continand un numar foarte mare de pori cu
dimensiuni de ordinul a 10 nm fac posibila obtinerea unei arii de
expunere cu electrolitul de sute si chiar mii de metri patrati pe
gramul de electrod. Astfel asa cum se arata in Fig. 2, pentru
supercondensatori este posibila o crestere imensa a ariei electrodului
la dimensiuni si masa corespunzatoare condensatorilor conventionali,
ajungandu-se astfel la sute si mii de farazi capacitate electrica. Asa
dupa cum se vedea din Fig.2, stratul dublu electric se extinde in
volumul electrodului poros atingand o arie imensa in comparatie cu
situatia unui condensator electrolytic obisnuit (Fig.1).
Fig. 1 – Condensator electrolitic incarcat – prezentare
schematica;
1 - electrod metalic(armatura), 2 - al doilea electrod metalic (armatura),
3 – separator; 4 – electrolit; 5 - strat de sarcina electrica pozitiva
la suprafata electrodului metalic; 6 - strat de sarcina ionica
negativa langa suprafata electrodului; 7- strat de sarcina electrica
negativa (electroni) la suprafata celuilalt electrod metalic; 8 -
strat de sarcina ionica pozitiva langa suprafata celuilalt electrod;
Fig. 2 – Condensator electrochimic cu strat dublu (supercondensator)
incarcat –prezentare schematica;
1 - substrat metalic electrod sau armatura (colector de current) , 2 -
substrat metalic pentru celalalt electrod armatura (al doilea
collector de current), 3 – electrod (armatura), 4 – celalalt electrod
(armatura), 5 – separator, 6 – electrolit, 7 – pori in materialul
electrodului in care a intrat electrolitul, 8 – sarcina pozitiva, 9 –
ion negativ, 10 – sarcina negativa (electron), 11 - ion pozitiv
Pentru realizarea electrozilor porosi, nanostiintele si
nanotehnologiile aflate inca in dezvoltare au contributie determinanta.
Materiale cum ar fi pulbere din carbon activat sunt deja utilizate la
realizarea electrozilor porosi. Controlul in realizarea unei
distributii optime a porilor la scara nanometrica este inca greu de
realizat si noi dezvoltari tehnologioce sunt asteptate in acest
domeniu. Adancire a cunoasterii este necesara pentru interfata
electrod – electrolit si fenomenele asociate acesteia.
Programul cadru de cercetare al Uniunii Europene include programul
specific “Nanostiinte, nanotehnologii, materiale si noi tehnologii de
productie” care a existat atat in programul anterior PC6 (2002-2006)
si continua si in PC7 (2007 –2013).
In programul PC6 pentru aria tematica 3 (NMP) la pct. 3.4.2.3 -
Engineering support for materials development (sectiunea - “materials
for solid state ionics”: )s-a prevazut :
“ Understanding ionic transport in solids, and in particular in nano-structured
materials, is the key to many technological applications in wide
temperature ranges, for instance in solid–state batteries,
supercapacitors….”
Deasemenea in programul PC7 in cadrul aceluiasi program specific
exista sectiunea 4.2 –Materials, 4.2.1 – Mastering nano-scale
complexity in materials care include: nanostructured polymer-matrix
composites, nanostructured coatings and thin films, characterisation
of nanostructured materials. Primele apeluri pentru propuneri proiecte
de cercetare au fost deja lansate.
Supercondensatorii comerciali la ora actuala. Performante, avantaje,
dezavantaje si aplicatii:
Condensatori electrochimici cu strat dublu cu o capacitate electrica
incepand de la 1F si pana la sute si mii de Farazi sunt oferiti ca
produse comerciale de firme straine recunoscute ca: Maxwell
Technologies (San Diego , USA) care a achizitionat si firma Montena (Elvetia),
Epcos (Germania), NEC si Panasonic (Japonia), NessCap (Coreea de Sud)
, Elit si ESMA (Rusia).
Produsele existente pe piata sunt sub forma de celule supercondensator
avand tensiunea nominala de 2.5 V sau module supercondensator.
Modulele se obtin prin inserierea de celule atingandu-se tensiuni de
lucru de pana la 300 V. Capacitatea maxima a unei celule
supercondensator comerciale existente la ora actuala este de 5000 F.
Capsula de forma cilindrica a unor astfel de celule are urmatoarele
dimensiuni: lungime 190 mm, diametru 90 mm .
Capsula de forma prismatica are urmatoarele dimensiuni: 60 x 70 x 170
in milimetri.
Caracteristici ale unor celule supercondensator de dimensiuni mari
sunt indicate in Tabel I
TABEL I
|
Specificatii tehnice |
Tip celula
ESHSP-5000C0-002R7
(Firma NESSCAP) |
Tip celula
B49410B-
2506Q000
(Firma EPCOS) |
|
Capacitatea
electrica (Farads), toleranta %) |
5 000
-10%,
+20 % |
5 000
-10%, +30 % |
|
Tensiunea maxima de
lucru, VR (Volts) |
2.7 |
2.5 |
|
Rezistenta interna
maxima (mohmi) |
0.35 (0.4)
|
(0.2) 0.35 |
|
Curentul maxim de
fuga (mA) |
22 |
No spec. |
|
Tensiunea maxima
tranzitorie (Volts) |
2.85 |
2.8 |
|
Energia stocata maxima
la V=VR . (Joule
) |
18225
(5.06 Wh) |
15625
(4.34 Wh) |
|
Energia specifica (Wh/kg
; Wh/l) at V= VR |
5.69 ; 7.10 |
4.1 ; 4.7 |
|
Puterea specifica (
kW/kg ; kW/l) |
5.12; 6.39* |
2 ; 2.3** |
|
Greutatea (grame) |
890 |
1050 |
|
Volumul (ml) |
713 |
930 |
|
Temperatura de
functionare (oC) |
-40…+ 60
|
-30…+70 |
|
Durata de viata (cicluri
) |
500 000
|
500 000 |
* Sarcina celulei este
egala cu rezistenta sa interna
**Sarcina celulei este
mare decat rezistenta sa interna
TABEL II
|
Specificatii tehnice
|
Modul tip
EMHSP-5000C0-002R7
(Firma NESSCAP) |
Module tip
B48621A-9215Q024
(firma EPCOS) |
|
Capacitatea
electrica (Farad) |
238
(21 celule de 5000 F
/ 2.7V in serie) |
210
24 celule de 5000 F
/ 2.5V in serie |
|
Tensiunea maxima de
lucru, VR (Volts) |
52.5 (56.7max.) |
56 |
|
Rezistenta interna
maxima (mohm) |
7 (8.5)
|
4 (8) |
|
Currentul de fuga
maxim (mA) |
110 |
No spec. |
|
Tensiunea
tranzitorie maxima (Volts) |
59.8 |
64 |
|
Energia stocata maxima
la V= VR (Joule ) |
382600
(106 Wh) |
329280
(91.5 Wh) |
|
Energia specifica (Wh/kg
; Wh/l) at V= VR |
3.3 ; 2.8 |
3 ; 2.1 |
|
Puterea specifica
(kW/kg ; kW/l) |
3.0 ; 2.5* |
1.6; 1.1** |
|
Greutate (kg) |
32 |
30 |
|
Volum (litri) |
38.2 |
44 |
|
Temperatura de
functionare(oC) |
-40…+ 60
|
-30…+70 |
|
Durata de viata (cicluri)
|
500000
|
500000 |
*Sarcina modulului este egala cu rezistenta sa interna
**Sarcina modulului este mai mare decat rezistenta sa interna
Supercondensatorii constituie un mijloc de stocare a enegiei electrice
si utilizare cand este nevoie.
Supercondensatoarele constituie practic o provocare pentru bateriile
electrochimice.
Avantajele fata de baterii sunt:
- durata de functionare practic nelimitata;
- rezistenta serie mai redusa permitand astfel putere extrasa mai
ridicata;
- incarcare –descarcare rapida;
- metode simple de incarcare; nu este necesar circuit de detectie a
incarcarii complete;
- eficienta in stocarea energiei electrice; densitatea de energie mai
mica este compensata de durata mare de functionare;
Dezavantajele sunt:
- Nu se poate utiliza tot spectrul de energie disponibil;
- Densitate mai mica de energie comparativ cu bateriile ( 1/5 pana la
1/10 din energia specifica a bateriilor;
- Autodescarcarea este mai puternica ca la o baterie;
In multe aplicatii unde se utilizeaza bateriile, un
supercondensatorilor in paralel cu o baterie conduce la imbunatatirea
performantelor in functionare. Pornirea motoarelor cu combustie
interna la temperaturi scazute este usurata de utilizarea
supercondensatorilor.
La autovehiculele electrice hibride eficienta utilizarii energiei
creste prin utilizarea de supercondensatoare care recupereaza energia
din timpul franarii.
In sitemele electrice de putere bazate pe surse regenerabile cum ar fi
energie fotovoltaica sau eoliana utilizarea supercondensatorilor este
benefica.
Supercondensatoarele pot satisface varfurile de putere atunci cand e
nevoie pe care bateriile nu le pot genera.
|