Rådgivare
Texten nedan är maskinöversatt från tysk originaltext.
Värt att veta om Gold Caps
Was supercap?
Hur fungerar en supercap?
Was skiljer mellan en supercap och ett batteri?
Var används supercaps?
Hur ansluts Supercaps?
Was supercap?
En superkondensator, Ultracap, Gold-Cap eller Supercap är i princip en kondensator som kan lagra enorma mängder elektrisk energi.
Om en spänning på 1 V tillämpas på en kondensator och en ström på 1 ampere flyter under 1 sekund, har kondensatorn en kapacitet på en Farad. Enheten 1 Farad döptes efter den brittiska experimentfysikern Michael Faraday.
Värdet 1 Farad (1 F) är ett mycket stort kapacitetsvärde som inte nödvändigtvis behövs i kommersiella elektroniska kretsar. Här behövs kondensatorer, som bara har en bråkdel av värdet. Vanliga värden är t.ex.:
Millifarad (MF) = 1/1000 Farad
mikrofimarad (µ F) = 1/1000 millifarad
Nanofarad (nF) = 1/1000 mikrofarad
picofarad (pf) = 1/1000 nanofarad
Med en Superkondensator rör sig den specifika kapaciteten på en helt annan nivå. Här har man nu uppnått kapacitetsvärden på upp till några tusen farads. Därför har superkondensatorer verkligen rätt namn.
För att uppnå dessa höga kapacitetsvärden har olika tekniker utvecklats hos snabbkondensatorer, där kondensatorerna är indelade.
Dubbelskiktskondensatorer
Vid dubbelskiktskondensatorer används aktivt kol som elektrodmaterial. Den elektriska energin sparas statiskt i dubbelskikten i hjälmen på elektroderna.
Pseudokondensatorer
Pseudokondensatorer har elektroder av metalloxider eller ledande polymerer. Den elektriska energin lagras elektrokemiskt genom det faradayiska laddningsutbytet.
Hybridkondensatorer
Hybridkondensatorer som t.ex. litiumjonbatterier använder både statisk och elektrokemisk lagring. Dessutom har de en elektrod med hög kapacitet i dubbelskikt och en elektrod med en hög pseudookapacitet.
Hur fungerar en supercap?
Grundläggande funktion
Figur 2: 1. Kollektor, 2. Polariserade elektroder, 3. Hjälmholz-dubbelskikt, 4. Elektrolyt med positiva och negativa joner, 5. Separator, 6. Spänningskälla.
En superkondensator består av två elektroder som är mekaniskt och elektriskt åtskilda av en separator.
Trots separering är separatorn genomsläpplig för joner. Tack vare laddningsutbytet kan en elektrolyt användas som innehåller positivt laddade joner (katjoner) och negativt laddade joner (anjoner).
Om en spänning läggs på kondensatorn bildas på båda elektroderna ett hjälmholts-dubbelskikt med negativt och positivt laddade joner (se bild 2).
På grund av elektrodernas olika laddning är skikten spegelbildlig.
De båda skikten verkar som två kondensatorer, som är seriekopplade. Kondensatorns totala kapacitet ska beräknas med formeln
C 1· C 2
C TOTALT = --------
----- C 1 + C 2
Statisk kapacitet i dubbelskikt:
Figur 3: 1. Kollektor, 2. Polariserade elektroder, 3. Molekylär blandning av polariserade lösningsmedelsmolekyler, 4. Elektrolyt, 5. Separator, 6. Sulfatiserade katjoner, 7. Gouy-Chapmann dubbelskikt. 8. Hjälmholz dubbelskikt.
Elektrodernas ytor fuktas över stora ytor. Exakt på denna beröringsyta (fasgräns) uppstår efter montering av en spänning två joniserade skikt (se bild 2).
Om elektrolyten är utspäd separeras de två skikten med hjälp av ett molekylärt läge med polära vattenmolekyler.
Vattenmolekylerna fäster både på elektroden (adsorption) och jonerna (solvation).
Laddningsseparationen fungerar ungefär som dielektrikum i en vanlig kondensator och ger statisk lagring av elektrisk energi i ett elektriskt fält.
Det extremt tunna hjälmholts-skiktet på några nanometer och den enormt stora elektroden med upp till 2500 m² per gram är den viktigaste orsaken till de extrema kapacitansvärdena hos dessa kondensatorer.
Elektrokemisk pseudookapacitet:
Figur 4: 1. Kollektor, 2. Polariserade elektroder, 3. Molekylär blandning av polariserade lösningsmedelsmolekyler, 4. Elektrolyt, 5. Separator, 6. Sulfatiserade katjoner som ännu inte har direkt kontakt med elektroderna 7. Inbyggda redoxjoner som har levererat sin laddning till elektroderna 8. Hjälmholz dubbelskikt.
Med hjälp av en kondensator med elektrokemisk pseudokapacitet kan jonerna överkomma separerande skikt av lösningsmedelsmolekyler och få direkt kontakt med elektrodytan.
Därmed förlorar jonerna Solvatfodralet som omger dig.
Vid den efterföljande ankring (adsorption) sker en överföring av elektronik (redoxreaktion) eller ett faradayiskt laddningsutbyte som bidrar till pseudookapacity.
En kemisk förbindelse mellan redoxjoner och anoden sker inte.
Förfarandet går att reversera vilket gör att laddningsutbytet vid kondensatorurladdas. gemacht wird.
Eftersom de deolvatiserade jonerna inte längre har något skyddshölje från lösningsmedels- eller lösningsmedelsvolekyler, behöver de mindre elektrodyta.
Följaktligen är pseudookapaciteten på en lämplig elektrod med samma yta flera gånger högre än vid en dubbelskiktskapacitet.
Was skiljer mellan en supercap och ett batteri?
Skillnaderna mellan en Superkondensator och ett batteri ligger i energitäthet och effekttäthet.
I praktiken innebär det att ett batteri med högre kapacitet eller högre energitäthet kan lagra betydligt mer energi än en Superkondensator med samma konstruktion.
På grund av sin högre effekttäthet kan en Super Cap ta upp energimängden mycket snabbare och avge snabbare. Korta laddningstider och mycket hög urladdningsströmmar är så lätta att realisera.
Dessutom har Supercaps ett högt cykelmotstånd och klarar mycket fler laddnings-/urladdningscykler än batterier. Livslängden är därmed mångfaldigt större. Tack vare dessa egenskaper kan Supercaps inom många användningsområden komplettera eller helt ersätta de batterier som hittills har använts.
Batteri och Supercap i direkt jämförelse
För jämförelse har två celler med ungefär samma konstruktion och storlek valts.
| NiMH-batteri | Supercap | |
|---|---|---|
| TYPEMMERICH NIMH-BATTERI SUB C 2400 MAH FT-1Z | EMMERICH NIMH-BATTERI SUB C 2400 MAH FT-1 | VINATech VEC3R0107QG Dubbelskikt |
| Kapacitans | 2400 mAh | 100 F |
| Driftspänning | 1,2 V | 3 V; |
| Lagrad energi* | 2,88 Wh | 0,08 Wh |
| Max. Strömstyrka | 48 A. | 75 A |
| Inre resistans: | 15 m. | 6 m |
| Cykelstabilitet | Min./max. 500 | Över 500.000 |
| Mått (Ø x H) | 22,5 x 43 mm | 22 x 45 mm |
| Vikt | 54 g. | 20 g |
| Temperatur | 0° C till +45° C. | -40° C till +65° C. |
*värdet är endast av matematisk storlek på grund av tekniska data och inte ett värde som kan användas i praktiken.
Slutsats: Tills energitätheten är överlägsen Supercaps batterier.
Men det finns en viktig punkt som måste beaktas: Eftersom driftspänningen för enskilda celler i många fall är för låg, kopplas batterier och supercaps gärna i serie för att öka den totala spänningen. För batterier (figur A) är kapaciteten hos två seriekopplade celler densamma, medan kapaciteten hos kondensatorerna (figur B) minskas.
Var används supercaps?
Tack vare den enorma kapaciteten kan dubbelskiktskondensatorer spela in mycket energi, spara energi med låg förlust och åter avge energi. Därför har de första dubbelskiktskondensatorerna använts för att spänningsförsörjning av flyktiga minnen i en mängd olika apparater. Även idag används superkondensatorer helst för strömförsörjning, som backupspänningskällor eller för nivåutjämning.
På grund av det höga inre motståndet hade de första superkondensatorerna dock ännu en icke förtigande brist. De kunde inte användas för apparater med hög strömförbrukning. På 1980-talet gjorde man ständigt ytterligare förbättringar av kondensatorerna på materialet och utvecklade ledande elektrolyter. På så sätt har kapaciteten och framför allt strömkapaciteten kunnat ökas avsevärt.
Tack vare dessa egenskaper efterfrågas lågohmiga LOW ESR-superkondensatorer överallt där det krävs en hög kopplingskapacitet under kort tid. Men även i fordon där energi sparas vid bromsning och där driften snabbare återförs till motorn (KERS eller rekuperation), används supercaps gärna.
Hur ansluts Supercaps?
Supercaps har på grund av konstruktionen en Plus-anslutning och en minus-anslutning. Vid praktisk användning måste man mycket noga se till att kondensatorn används korrekt polerad i kopplingen.
Ett annat viktigt kriterium är driftspänningen. Den kan beroende på kondensatortyp och konstruktion ligga mellan 2,5 V och 5,5 V.
Vissa tillverkare integrerar två kondensatorer i ett hölje för att uppnå driftspänningar på 6,0 V eller mer. Eftersom dessa spänningar ofta är för låga för många tillämpningar, blir Supercaps ofta seriellt kopplade. Detta minskar dock den användbara kapaciteten enligt följande formel:
1/C TOTALT = (1/C 1 ) + (1/C 2 ) + (1/C 3 ) + (1/C 4 )
Den lägre kapaciteten hos en seriekoppling kompenseras genom att flera seriella kondensatorkedjor kopplas parallellt. På så sätt uppnår man den nödvändiga spänningshållfastheten och den erforderliga kapaciteten. Genom passiv eller aktiv balans måste man dock se till att de enskilda cellerna inte överladdas.
Vid passiv balans används endast shuntmotstånd (R) kopplade parallellt med kondensatorn (se figur A). Detta kan göras i dynamiska system som ofta laddas och laddas ur. För statiska system som sällan laddas bör en aktiv balans göras. Varje shuntmotstånd kopplas in och ut elektroniskt via en brytare (s) (se figur B).