Суперконденсатори: для чого потрібні і де використовуються

Abstract

З наукової та технологічної точки зору суперконденсатори складаються з такого ряду електродних матеріалів, як вуглець, різні оксиди металів та провідні полімери. Більшість робіт проведено з мікропористим вуглецем, аніж з іншими матеріалами. Більшість комерційно доступних елементів використовують у своєму складі саме вуглецеві електроди з органічними електролітами. Питома енергія цих пристроїв становить 3–5 Вт·год/кг при питомій потужності 300–500 Вт/кг і досягає високого ККД (коефіцієнта корисної дії) 90–95% під час заряд-розряду. Прогнози щодо майбутніх композитів, які використовують вуглець, показують, що питома енергія може досягти 10 Вт·год/кг і навіть більше, при питомій потужності 1–2 кВт/кг. Головною проблемою у виготовленні цих пристроїв є тонкі електроди для струмовідводу та опір контактів – не менше 0,1 Ом·см2. У статті особлива увага приділяється порівнянню характеристик питомої потужності ультраконденсаторів та акумуляторів. Порівняння слід проводити при однаковій ефективності заряд-розряду. На додаток до високої потужності, іншими причинами для розгляду суперконденсаторів для практичного застосування є їх тривала відносно стабільна напруга та термін експлуатації. Особливо це стосується суперконденсаторів з використанням вугільних електродів. Протягом певного часу суперконденсатори будуть саморозряджатися до низької напруги, але вони збережуть свою ємність і, таким чином, зможуть заряджатися до вихідного стану. Суперконденсатори можна циклювати високими швидкостями (час розряду кілька секунд) протягом 500 000–1 000 000 циклів з відносно невеликою зміною характеристик (погіршення ємності та опору на 10–20%). Це неможливо з акумуляторами, навіть якщо величина розряду залишається невеликою (10–20%). Суперконденсатори, однак, можна заряджати за дуже короткий час (секунди або частки секунд) порівняно з акумуляторами, якщо джерело енергії доступне на необхідному високому рівні потужності.

The science and technology of ultracapacitors are reviewed for a number of electrode materials, including carbon, mixed metal oxides, and conducting polymers. More work has been done using microporous carbons than with the other materials and most of the commercially available devices use carbon electrodes and organic electrolytes. The energy density of these devices is 3–5 W·h/kg with a power density of 300–500 W/kg for high efficiency (90–95%) сharge/discharge. Projections of future developments using carbon indicate that energy densities of 10 W·h/kg or higher are likely with power densities of 1–2 kW/kg. A key problem in the fabrication of these advanced devices is bonding of thin electrodes to a current collector with contact resistance less than 0.1 Ω·cm2. Special attention is given in the paper for comparing the power density characteristics of ultracapacitors and batteries. The comparisons should be made at the same charge/discharge efficiency. In addition to high power capability, the other reasons for considering ultracapacitors for a practical application are their long relatively stable voltage and cycle life. This is especially true for ultracapacitors with carbon electrodes. Ultracapacitors will be self-discharged over a period of time to low voltage, but they will retain their capacitance and thus be capable for recharge to their original state. Ultracapacitors can be deep cycled at high rates (discharge times of few seconds) for 500,000–1,000,000 cycles with a relatively small change in characteristics (10–20% degradation in capacitance and resistance). This is not possible with batteries even if the depth of discharge is kept small (10–20%). Ultracapacitors can, however, be recharged in very short times (seconds or fraction of seconds) compared to batteries if a source of energy is available at the required high power level.