Superkondensatoren statt Batterien: Gerät, Funktionsvergleich, Einsatzvorteile, Testberichte

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-02-19 13:34

Die Idee einer hohen spezifischen Kapazität wurde in den 1960er Jahren untersucht, aber heute gibt es aufgrund der einzigartigen Kombination von Leistungseigenschaften des Endprodukts eine neue Welle des gesteigerten Interesses an dieser Technologie. Heute werden auf Basis dieser Technologie verschiedene Modifikationen von Superkondensatoren und Ultrakondensatoren hergestellt, die durchaus als vollwertige Leistungsbatterie angesehen werden können. Die unten gezeigten Superkondensator-Konzepte zeigen, dass ihre zukünftige Konkurrenz zu herkömmlichen Batteriepaketen (Batterien) nicht so fantastisch ist.

Was ist ein Superkondensator?

Im Wesentlichen ist dies eine optimierte elektrochemische Batterie in Form eines kompakten Kondensators. Schon bei einem flüchtigen Vergleich des Gerätes mit einem typischenBatterie für ein Auto, können Sie den offensichtlichen Größenunterschied hervorheben, und in der Praxis zeigen sich auch die Vorteile in Form einer längeren Lebensdauer und Leistung. Mit anderen Worten, Superkondensatoren können anstelle von Batterien verwendet werden, wenn auch mit einigen Einschränkungen aufgrund von Einschränkungen hinsichtlich der Akkumulation des Energiepotentials. Solche Nuancen finden immer noch aufgrund der Unvollkommenheit der technologischen Entwicklung von Ionistoren statt, die Situation ändert sich jedoch unter dem Druck des Marktes mit seinen wachsenden Anforderungen an Batterien.

Design und Produktdesign

Die Basis dieses Kondensators bilden zwei Elektroden, zwischen denen traditionell das elektrolytische Medium platziert wird. Unterschiede zur Batterie sind in der Struktur von Materialien zur Herstellung von Elektroden zu beobachten, deren Platten mit poröser Aktivkohle beschichtet sind. Als Elektrolyt können dabei organische und anorganische Mischungen verwendet werden. Strukturell sticht auch die technische Lösung der Isolierung in der Struktur von Superkondensatoren hervor. Anstelle von Batterie-Aluminiumplatten mit einer dielektrischen Schicht werden Komponenten mit optimalen Eigenschaften der Ionen- und Elektronenleitfähigkeit verwendet. Wenn wir das Konzept der möglichen Verwendung eines Superkondensators als Batterie fortsetzen, könnte poröser Kohlenstoff durchaus als elektronischer Leiter und eine Lösung aus Schwefelsäure als Ionenleiter wirken. Auf diese Weise kann eine optimale Ladungstrennschicht zwischen den Elektroden ohne den zusätzlichen Einbau von sperrigen Isolatoren bereitgestellt werden.

Sorten von Superkondensatoren

Bereits heute gibt es mehrere Richtungen in der Entwicklung von Ionistoren. Am auffälligsten und vielversprechendsten sind die folgenden Gerätetypen:

• Doppelschichtkondensatoren. Als Elektrolyt kommt das Standardmodell zum Einsatz, bei dem die oben genannten Elektroden aus elektrisch leitfähigem Material und ein spezieller Separator verwendet werden. Die Akkumulation des Energiepotentials erfolgt durch Ladungstrennung an den Elektroden.
• Pseudokondensatoren. Eine wiederaufladbare Batterie aus dieser Art von Superkondensatoren kann eine sehr erfolgreiche Lösung sein, da sie fortschrittlichere Möglichkeiten zur Energiespeicherung bietet. Erstens wird das Prinzip des Faraday-Mechanismus aktiviert, der mit den Prozessen der Energieakkumulation in herkömmlichen Batterien verbunden ist. Und zweitens bleibt auch das Grundschema der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen Elektroden in einer elektrischen Doppelschicht erh alten.
• Hybridkondensatoren. Ein Zwischenkonzept, das die einzelnen positiven Eigenschaften von Batterien und Kondensatoren vereint. Solche Vorrichtungen verwenden typischerweise eine Kombination von Elektroden, die aus gemischten Oxiden und dotierten Polymeren hergestellt sind. Die Weiterentwicklung dieser Richtung ist mit der Verwendung von Verbundwerkstoffen verbunden, die mit Kohlenstoffträgern und leitfähigen Polymeren ergänzt werden.

Hauptmerkmale

Heute ist es schwierig, über die etablierten Leistungsindikatoren von Ionistoren zu sprechen, weilDie Technologie wird ständig verbessert und an die Verbesserung der elektrochemischen Stromquellen angepasst. Aber wenn wir die Durchschnittsdaten zu den Hauptmerkmalen von Superkondensatoren nehmen, sehen spezifische Indikatoren so aus:

• Ladezeit - 1 bis 10 Sekunden
• Die Anzahl der Ladezyklen beträgt ca. 1 Million, was 30.000 Stunden entspricht.
• Spannung in der Blockzelle - Bereich von 2,3 bis 2,75 V.
• Energieintensität - Richtwert 5 Wh/kg.
• Leistung - ca. 10.000 W/kg.
• H altbarkeit - bis zu 15 Jahre.
• Betriebstemperatur -40°C bis 65°C.

Vergleich mit herkömmlichen Batterien

Die Hauptunterscheidungsparameter sind die Geschwindigkeit der Energieakkumulation und der Grad der Rückführung der elektrischen Ladung. Aufgrund der Verwendung einer doppelten elektrischen Potentialschicht in der Nähe des Superkondensators mit ähnlichen Abmessungen nimmt die Fläche der Arbeitsfläche der Elektroden zu. Das heißt, wir können davon sprechen, die besten Eigenschaften der Batterie und des Kondensators als solchen zu kombinieren. Wenn wir die Verteilung der Ströme der Batterie und des Superkondensators mit der Last vergleichen, ist die Gleichmäßigkeit der Volumina des verbrauchten Stroms im Allgemeinen identisch, jedoch mit zwei Korrekturen. Während des Betriebs der Batterie ist es möglich, den größten Strom in Richtung des Elements zu verschieben, das sich im unteren Teil des Blocks befindet, und bei Ionistoren ist das Potenzial aufgrund der niedrigen Spannung im Prinzip geringer. Zu den signifikanten Unterschieden gehört auch der Unterschied in der Arbeitsressource - Superkondensatoren arbeiten ungefähr 25-30 % länger, ganz zu schweigen davonhöhere Rate machbarer Arbeitszyklen.

Vorteile des Betriebs von Superkondensatoren

Betrachtet man generell die positiven Auswirkungen der Verwendung von Superkondensatoren anstelle von Batterien, dann rücken folgende Eigenschaften in den Vordergrund:

• Die hohe Energiedichte von Superkondensatoren ermöglicht den Einsatz in elektronischen Geräten als kurzzeitige Stromquelle.
• Umweltsicherheit. Natürlich bleiben elektrochemische Komponenten im Design erh alten, aber ihre toxischen Wirkungen nehmen ständig ab.
• Möglichkeit der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen - Wind, Sonne, Wasser und Land.
• Erweiterung der Möglichkeiten zur strukturellen Integration von Batterien - zum Beispiel für die Wartung von komplexen Kraftwerken, Hybrid-Elektromaschinen, wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen usw.

Es lohnt sich, einige der Vorteile eines Superkondensators gegenüber einem herkömmlichen Kondensator zu erwähnen. Es gibt wenige davon, aber eine große Kapazität zur Energiespeicherung ist von grundlegender Bedeutung. Laut diesem Indikator können nicht alle Modifikationen von Ionistoren mit Batterien konkurrieren, sie gewinnen jedoch im Vergleich zu Kondensatoren im Parameter der elektrischen Kapazität souverän.

Positive Bewertungen von Superkondensatoren

Tests und partielle Anwendungen von Superkondensatoren finden heute in einer Vielzahl von Branchen statt. Wie die Bewertungen zum Betrieb dieser Geräte zeigen, bestätigen sie die Aussagen der Hersteller über das HighZuverlässigkeit, Umweltsicherheit und hohe Kapazität. Was aus Sicht des Vergleichs von Superkondensatoren und Batterien besonders wichtig ist, ist, dass erstere nicht so anspruchsvoll sind, um besondere Bedingungen bei der physischen Handhabung zu schaffen. Das liegt zum Teil an der gleichen geringen Toxizität der Komponenten, aber zu einem größeren Teil ist die Ergonomie der Bedienung der hohen Schutzart des Gehäuses geschuldet. Das heißt, der Benutzer muss keine speziellen Vorrichtungen zur Wartung von Superkondensatoren unter abgedichteten Bedingungen bereitstellen. Das geringe Gewicht und die optimierten Abmessungen erleichtern zudem die Durchführung routinemäßiger Wartungsarbeiten.

Negative Bewertungen von Superkondensatoren

Auch bei dieser Art von Kondensatoren gibt es Schwächen, die sich auch in der Praxis deutlich bemerkbar machen. Anwender weisen insbesondere auf ihre geringe Energiedichte, geringe Leistung und nicht immer ausreichende Spannungslage hin, was den Einsatz mehrerer Elemente zur Versorgung eines Zielverbrauchers erforderlich macht. In vielerlei Hinsicht verhindern diese Mängel heutzutage die Verwendung von Superkondensatoren anstelle von Batterien, obwohl wiederum die technologische Entwicklung diese Probleme eher lösen wird.

Perspektiven für die Entwicklung von Kondensatoren

Laut Experten und Entwicklern von Batterien werden in naher Zukunft überall Kondensatoren der neuen Generation zum Einsatz kommen. Möglich wird dies durch die aktive Erhöhung der spezifischen Kapazität von Geräten. Das ist es wertHinzufügen und Verbessern der technischen und strukturellen Eigenschaften von Superkondensatoren, was hauptsächlich Abmessungen und Gewicht betrifft. Gleichzeitig werden bereits heute Tests von Ionistoren mit einer Leistung von bis zu 2,5 mW organisiert. Zukünftig können solche Systeme bei der Instandh altung von Verkehrsnetzen, Industrieanlagen und Wohnanlagen eingesetzt werden.

Schlussfolgerung

Das Superkondensatorkonzept gilt als optimale Lösung in Situationen, in denen kurzfristig eine Stromversorgung mit Live-Ladung benötigt wird. Teilweise steht dies im Widerspruch zur Idee der elektrochemischen Batterien, die mit bestimmten Parametern auf den langfristigen Erh alt der Leistung ausgerichtet sind. Aber ist es angesichts dieser Betriebsfunktion möglich, einen Superkondensator anstelle einer Batterie in einem Auto zu verwenden? Fortgeschrittene Autokonzerne werden mit hoher Wahrscheinlichkeit Kondensatoren mit hoher Kapazität verwenden, allerdings nur in speziellen Hybridversionen, die die positiven Eigenschaften von Superkondensatoren als solchen und traditionellen elektrochemischen Komponenten vereinen. Solche Lösungen werden heute beispielsweise in Form einer Kombination aus einer elektrochemischen Blei-Säure-Struktur und einem Superkondensator verwendet.