Înțelegerea supercondensatoarelor și relația lor cu bateriile

Nevoia de surse fiabile de stocare a energiei a crescut în mod spectaculos datorită dezvoltării Internetului lucrurilor (IoT), a IoT-ului industrial (IIoT), a dispozitivelor electronice portabile și a aplicațiilor mai mari, cum ar fi instalațiile industriale și centrele de date. Bateriile asigură alimentarea directă a dispozitivelor mai mici, în timp ce bateriile din aplicațiile mai mari sunt utilizate frecvent ca sursă de rezervă în cazul unei întreruperi a alimentării principale.

Dispozitivele de mici dimensiuni se bazează frecvent pe baterii litiu-ion (Li-ion) sau pe baterii alcaline tip pastilă pentru a atinge obiectivele de factor de formă mic și întreținere minimă. Celulele Li-ion necesită atenție deosebită în ceea ce privește limitele ciclului de încărcare și siguranța. Bateriile utilizate pentru alimentare de rezervă se pot uza rapid după o reîncărcare rapidă și trebuie înlocuite. De asemenea, aceste baterii necesită sisteme complexe de gestionare a bateriilor și încă mai au potențialul de a intra în avalanșă termică, ceea ce duce la probleme de siguranță.

Condensatoarele electrice cu strat dublu (EDLC), sau supercondensatoarele, oferă o tehnologie complementară bateriilor. În timp ce bateriile pot furniza energie pentru perioade relativ lungi, supercondensatoarele pot furniza rapid energie pentru perioade scurte. Supercondensatoarele sunt, de asemenea, ecologice, nu intră în avalanșă termică și pot funcționa în mod fiabil timp de până la 20 de ani. Pot fi utilizate ca metodă unică de stocare a energiei, în combinație cu baterii, sau ca dispozitiv hibrid pentru optimizarea furnizării de energie.

Articolul de față descrie pe scurt supercondensatoarele în raport cu bateriile. În continuare, sunt trecute în revistă câteva aplicații tipice, de sine stătătoare și în combinație cu baterii. Pentru exemplificare se folosesc supercondensatoarele de la Eaton.

Diferențe între supercondensator și baterie

Un supercondensator este un dispozitiv de stocare a energiei cu o capacitate specifică de putere neobișnuit de mare în comparație cu dispozitivele de stocare electrochimică, cum ar fi bateriile. Bateriile și supercondensatoarele îndeplinesc funcții similare în ceea ce privește furnizarea de energie, dar funcționează diferit. Un supercondensator funcționează ca un condensator clasic, în sensul că profilul de descărcare pentru un curent de descărcare constant prezintă o scădere liniară a tensiunii. Spre deosebire de o baterie, stocarea energiei într-un supercondensator este electrostatică, astfel că nu există modificări chimice în dispozitiv, iar operațiunile de încărcare și descărcare sunt aproape în întregime reversibile. Acest lucru înseamnă că poate tolera un număr mai mare de cicluri de încărcare-descărcare.

Bateriile stochează energia pe cale electrochimică. Profilul de descărcare a bateriilor Li-ion este plat; acestea prezintă o caracteristică de tensiune aproape constantă până când bateria este aproape complet descărcată. Din cauza degradării mecanismelor chimice, numărul de cicluri de încărcare-descărcare al unei baterii Li-ion este limitat. Factori precum temperatura, tensiunea de încărcare și profunzimea de descărcare influențează reducerea capacității bateriei.

Bateriile Li-ion sunt supuse la avalanșe termice, autoaprindere și chiar explozie. Generarea de căldură este inevitabilă din cauza reacțiilor chimice din timpul încărcării și descărcării, ca urmare a încălzirii rezistive. Din acest motiv, pentru baterii este necesară monitorizarea temperaturii, în scopul de a garanta siguranța utilizatorului.

Compararea specificațiilor supercondensatorului și ale bateriei Li-ion

Bateriile oferă o densitate energetică ridicată. Supercondensatoarele au o densitate energetică mai mică decât bateriile, dar o densitate de putere ridicată, deoarece se pot descărca aproape instantaneu. Procesele electrochimice dintr-o baterie necesită mai mult timp pentru a furniza energie unei sarcini. Ambele dispozitive au caracteristici care se potrivesc nevoilor specifice de stocare a energiei (Figura 1).

Figura 1: Este prezentată o comparație a caracteristicilor supercondensatoarelor și ale bateriilor Li-ion. (Sursa imaginii: Eaton)

Compararea densității de energie, în wați-oră pe litru (Wh/L), și a densității de putere, în wați pe litru (W/L), arată cea mai semnificativă diferență între dispozitive. Acest lucru afectează și timpii de descărcare; supercondensatoarele sunt proiectate să furnizeze energie pe intervale scurte de timp (evenimente tranzitorii), în timp ce bateriile sunt concepute pentru evenimente de lungă durată. Supercondensatorul se descarcă în câteva secunde sau minute, în timp ce o baterie poate furniza energie pentru mai multe ore. Această caracteristică le dictează aplicațiile.

Supercondensatoarele suportă o gamă mai largă de temperaturi de funcționare decât bateriile. De asemenea, procesele lor electrostatice aproape fără pierderi contribuie la o eficiență mai mare și la rate de încărcare mai rapide.

Exemple de supercondensatoare

Eaton oferă o gamă completă de supercondensatoare fiabile pentru aplicații de stocare a energiei, care necesită o densitate mare de putere și încărcare rapidă. Capsularea fizică a supercondensatoarelor sale se potrivește uneori cu cea a bateriilor, în special cu a celulelor tip pastilă. De asemenea, sunt disponibile în capsule cilindrice convenționale de condensatoare (Figura 2).

Figura 2: Supercondensatoarele sunt disponibile în capsule standard de condensatoare cilindrice cu conductoare radiale; unele sunt capsulate pentru a se potrivi cu formatele de baterii tip pastilă Li-ion. (Sursa imaginii: Eaton)

TV1030-3R0106-R de la Eaton, prezentat în Figura 2 (stânga) este un supercondensator de 10 farazi (F) cu o tensiune maximă de lucru de 3 V. Acesta este capsulat într-un înveliș cilindric cu conductoare radiale. Învelișul are un diametru de 10,5 milimetri (mm) (0,413 in.) și o înălțime de 31,5 mm (1,24 in.). Are un interval al temperaturii de funcționare de la -25 °C la +65 °C și un interval de funcționare extins de la -25 °C la +85 °C atunci când i se reduce sarcina pentru a funcționa la sau sub 2,5 V. Poate stoca energie de 12,5 miliwatt-oră (mW/h) și poate produce o putere de vârf de 86,5 W. Este evaluat pentru 500.000 de cicluri de încărcare/descărcare.

Supercondensatoarele pot înlocui bateriile de tip pastilă în multe aplicații, cum ar fi alimentarea de rezervă pentru memorie. KVR-5R0C155-R de la Eaton (Figura 2, dreapta) este un supercondensator de 1,5 F cu o tensiune maximă de lucru de 5 volți. Dimensiunile capsulei sale sunt similare cu cele ale unei celule tip pastilă de 20 mm. Poate furniza o putere de vârf de 0,208 wați. Intervalul său de temperatură de funcționare este cuprins între -25 °C și +70 °C. De asemenea, are o capacitate nominală de 500.000 de cicluri de încărcare/descărcare.

Creșterea densității energetice a supercondensatorului

Energia stocată într-un supercondensator este proporțională cu capacitatea sa și cu pătratul tensiunii la care este încărcat. Astfel, densitatea de energie poate fi mărită prin creșterea numărului de celule, conectându-le în paralel. Se pot obține densități energetice mai mari prin crearea unor module de supercondensatoare cu capacitate mare și tensiuni de lucru mai mari (Figura 3).

Figura 3: Densitatea de energie a unui supercondensator poate fi crescută prin adăugarea mai multor celule și prin creșterea tensiunii de lucru. (Sursa imaginii: Eaton)

Supercondensatorul PHVL-3R9H474-R de la Eaton (Figura 3, stânga) este un dispozitiv de 470 milifarazi (mF), de 3,9 volți, cu celule duble. Are o rezistență efectivă în serie (ESR) foarte scăzută, de 0,4 ohmi (Ω), pentru a reduce pierderile conductive, și poate furniza o putere de vârf de 9,5 W. Are un interval de temperatură de funcționare de la -40 °C la +65 °C. La fel ca și supercondensatoarele discutate anterior, acesta este evaluat pentru 500.000 de cicluri de încărcare/descărcare. Capsula fizică are 14,5 mm (0,571 in.) înălțime, 17,3 mm (0,681 in.) lungime și 9 mm (0,354 in.) lățime.

Capsulele modulare de supercondensatoare pot furniza cantități semnificative de energie de rezervă. XLR-16R2507B-R de la Eaton (Figura 3, dreapta) are o capacitate de 500 F și funcționează cu o tensiune maximă de 16,2 V. Modulul are un ESR de 1,7 miliohmi (mΩ) și poate furniza o putere de vârf de 38,6 kilowați (kW). Intervalul de temperatură de funcționare este cuprins între -40 °C și +65 °C (temperatura celulei). Capsula are o înălțime de 177 mm (6,97 in.), o lungime de 417 mm (16,417 in.) și o lățime de 68 mm (2,677 in.).

Supercondensatoare hibride

Eforturile de a îmbina caracteristicile supercondensatoarelor și ale bateriilor Li-ion au dus la crearea unui supercondensator hibrid numit condensator Li-ion (LiC). Această combinație mărește densitatea energetică a supercondensatorului, oferind timpi de răspuns mai rapizi decât o baterie. LiC are o structură asimetrică care utilizează un anod de grafit dopat cu litiu și un catod de cărbune activat (Figura 4).

Figura 4: Supercondensatorul hibrid înglobează caracteristicile supercondensatorului și ale bateriei Li-ion. Are un număr mai mare de cicluri de încărcare/descărcare în comparație cu o baterie și rate de descărcare mai mari. (Sursa imaginii: Eaton)

Structura supercondensatorului hibrid îmbină natura electrochimică a bateriei cu litiu cu proprietățile electrostatice ale supercondensatorului pentru a oferi un beneficiu notabil proiectanților. Mișcarea de încărcare este un proces electrochimic în LiC, dar are loc la o profunzime mai mică decât într-o baterie, ceea ce duce la un număr mai mare de cicluri de încărcare/descărcare și la rate de descărcare mai mari. Profilul de descărcare rezultat este foarte asemănător cu cel al supercondensatorului.

De exemplu, HS1016-3R8306-R este un supercondensator hibrid de 30 F, 3,8 V, găzduit într-o capsulă cilindrică cu conductoare radiale. Acesta are un ESR de 0,55 Ω și poate furniza o putere de vârf de 6,6 W. Intervalul său de temperatură de funcționare este cuprins de la -15 °C la +70 °C și are un interval de funcționare extins de la -15 °C la +85 °C, cu sarcina redusă pentru a funcționa la sau sub 3,5 V. Are o durată de viață nominală de 1.000 de ore la tensiunea nominală și la temperatura maximă de funcționare. Capsula are o înălțime de 18 mm (0,709 in.) și un diametru de 10,5 mm (0,413 in.). La fel ca și supercondensatorul, acesta are o capacitate nominală de 500.000 de cicluri de încărcare/descărcare.

Diagrame de densitate de energie și de putere

Distribuția densității de energie și a densității de putere a dispozitivelor de stocare a energiei oferă o perspectivă foarte utilă asupra utilității acestora și a duratei efective de funcționare (Figura 5).

Figura 5: O diagramă încrucișată a densității de energie în funcție de densitatea de putere a dispozitivelor cu baterii și supercondensatoare oferă informații utile asupra duratei de funcționare a acestora. (Sursa imaginii: Eaton)

Graficul prezintă densitatea de energie în funcție de densitatea de putere. Raportul dintre acești parametri determină timpul, care este, de asemenea, reprezentat pe grafic. Dispozitivele cu o densitate energetică ridicată, dar cu o densitate de putere redusă, se află în colțul din stânga sus. Printre acestea se numără pilele de combustie și bateriile. Dispozitivele cu densitate mare de putere, dar cu densitate energetică scăzută, cum ar fi condensatoarele tradiționale și supercondensatoarele, ocupă colțul din dreapta jos. Supercondensatoarele hibride se încadrează între aceste două grupuri. Observați scara de timp a fiecăruia; supercondensatoarele funcționează pe perioade de câteva secunde, cele hibride pe perioade de câteva minute, iar bateriile pe perioade de câteva ore sau mai mult.

Aplicații de stocare a energiei

Dispozitivele de stocare a energiei furnizează energie atunci când se pierde energia primară. Un bun exemplu este alimentarea cu energie de rezervă pentru memoria computerului. Până acum s-au utilizat baterii, dar supercondensatoarele își fac loc în această aplicație datorită numărului semnificativ mai mare de cicluri de încărcare/reîncărcare. În plus, cu ajutorul supercondensatoarelor, nu mai este nevoie să se înlocuiască bateriile după un an de funcționare.

Supercondensatoarele sunt, de asemenea, utilizate în proiectele IoT și IIoT care se bazează pe recoltarea energiei. Acestea își găsesc aplicații similare în vehicule, unde stochează energia recuperată la frânare.

Supercondensatoarele oferă o putere de ieșire ridicată pentru perioade scurte de timp. Pot fi utilizate pentru a furniza energie „de compensare” în instalațiile critice care trebuie să acopere o întârziere de aproximativ zece secunde până la pornirea unui generator de urgență. Supercondensatorul se reîncarcă în aproximativ aceeași perioadă ca perioada de utilizare și poate fi repus rapid în funcțiune după o pierdere de energie electrică.

Concluzie

Supercondensatoarele asigură o funcționare complementară bateriilor în majoritatea aplicațiilor de stocare a energiei. Nivelurile de putere mai ridicate, disponibile imediat, și timpul de reîncărcare rapid le fac ideale pentru suportul energetic pe termen scurt. Numărul mare de cicluri de încărcare/reîncărcare pe care le pot accepta fără degradarea performanțelor reduce costurile de întreținere și de inventariere pentru înlocuirea bateriilor.