Ионолитиевые суперконденсаторы: новые накопители находят себе место под солнцем

Прежде чем рассказывать об электронных приборах нового вида, напомним читателям об обычных суперконденсаторах, которые также называют ионисторами. В англоязычной литературе их сокращённо именуют EDLC, что расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor (конденсатор с двойным электрическим слоем). От традиционного конденсатора ионистор отличается тем, что между его электродами нет прокладки из диэлектрика. Электроды ионистора изготовлены из веществ, насыщенных носителями заряда противоположной полярности, а роль диэлектрика выполняет потенциальный барьер. Поскольку разноимённые заряды находятся на крайне малом расстоянии друг от друга (в единицы нанометров), ёмкость получается очень большой, а максимальное напряжение - невысоким, в пределах 2,5-2,7 В.

Электрическая ёмкость конденсатора напрямую зависит от площади его обкладок. Поэтому электроды ионисторов часто изготавливают из активированного угля или вспененного углерода. Чтобы электроды физически не соприкасались друг с другом, между ними проложена мембрана и всё это погружено в электролит. Уже упомянутые тончайшие электрические слои, в которых накапливается энергия, образуются по обе стороны мембраны.

Что же такое ионолитиевый суперконденсатор (LIC, Li-Ion Capacitor)? Это полярный конденсатор с двойным электрическим слоем, в котором на отрицательном электроде нанесён углеродный материал, насыщенный ионами лития. Ионы лития повышают плотность запасаемой энергии и заодно смещают электродный потенциал. Следует особо отметить, что вопреки ещё одному распространённому названию - «гибридный электрохимический конденсатор» - ионы лития не участвуют в электрохимической реакции. Они чисто механически внедряются в пористую структуру углеродного материала, что позволяет электронному прибору выдерживать многие сотни тысяч циклов заряда-разряда.

Плотность энергии ионолитиевого суперконденсатора с учётом массы его корпуса составляет около 20 Вт·ч/кг, что примерно в четыре раза выше, чем у типичного ионистора, и в пять раз ниже, чем у ионолитиевой батареи. Однако энергия энергии рознь...

Традиционные суперконденсаторы сами по себе не очень удобны для применения в накопителях энергии и системах бесперебойного питания. Дело в том, что инверторы изначально создавались для работы с аккумуляторными батареями, у которых напряжение мало меняется в зависимости от степени заряда. Например, в источниках бесперебойного питания обычно устанавливают 12-вольтные свинцово-кислотные батареи, которые функционируют в диапазоне напряжений где-то от 11,5 до 13,5 В, накапливая и отдавая энергию практически полностью. При этом напряжение на входе инвертора, включённого после аккумулятора, никогда не падает ниже 10 В, так что его генератор и транзисторные ключи работают устойчиво. Замени аккумулятор на ионистор, и вся система разладится. Типовой суперконденсатор рассчитан на напряжение от 0 до 2,5 В, и если вы включите последовательно пять элементов, то получите диапазон 0-12,5 В. Со стандартным инвертором из этого диапазона придётся задействовать только участок 10-12,5 В, значит, львиная доля энергии, запасённой в ионисторах, окажется недоступной. Не удивительно, что суперконденсаторы чаще всего используют вместе с аккумуляторами. Первые обеспечивают пиковую мощность, а вторые - ёмкость.

Ионолитиевые суперконденсаторы не только полярны, но и имеют нижний предел рабочего напряжения, равный 2,2 В. Верхний предел находится на уровне 3,8-4,0 В, близком к максимальному напряжению ионолитиевых аккумуляторов (4,2 В). Это значит, что для LIC в принципе существуют готовые схемотехнические решения, изначально созданные для ионолитиевых аккумуляторов. Увы, напряжение на электродах новых приборов зависит от объёма накопленной энергии не так, как в случае аккумуляторов.

Ионолитиевые суперконденсаторы боятся перегрева. Они не огнеопасны, но могут при превышении допустимой температуры терять ёмкость. Ещё один недостаток новинки - повышенное эквивалентное последовательное сопротивление в сравнении с ионисторами, вызванное природой отрицательного электрода.

Блок цилиндрических ионолитиевых суперконденсаторов для монтажа в стойку

На эквивалентной схеме ионолитиевый суперконденсатор представляет собой последовательное соединение резистора и двух конденсаторов, из которых один имеет в несколько раз большую ёмкость, чем другой. Более ёмкий конденсатор заряжается и разряжается не полностью, так что паспортная плотность энергии, приводимая изготовителями, на практике может быть не достижима. К достоинствам LIC по отношению к ионисторам относится гораздо более медленный саморазряд.

Учёные постепенно дорабатывают, а индустрия осваивает новинки. Так, японское научное агентство JAMSTEC уже применило ионолитиевые суперконденсаторы для оснащения океанических буёв, которые собирают метеоданные и измеряют концентрацию углекислого газа, передавая информацию через спутник. Буи оснащены небольшими солнечными панелями мощностью 10 Вт, которые днём (даже в пасмурную погоду) подзаряжают блок ионолитиевых суперконденсаторов. Каждый буй проводит измерения и передаёт сигналы в среднем четыре раза в сутки.

Корпорация Meidensha (Япония) на основе ионолитиевых суперконденсаторов построила модульные системы, призванные компенсировать кратковременные прерывания сетевого напряжения. В зависимости от числа подсоединённых блоков суммарная мощность варьируется от 20 кВА до 10 МВА. При этом КПД установки доходит до 99%. Как отмечает компания, в случае применения источников бесперебойного питания с двойным преобразованием напряжения этот показатель не превышал бы 90%.

Система защиты от просадки напряжения поддерживает нагрузку мощностью 600 кВт в течение одиннадцати секунд

Компенсаторы Meidensha используются для питания критически важного оборудования на производстве и в медицине. Ионолитиевые суперконденсаторы в них дают энергию до тех пор, пока не запустится дизельный генератор или не произойдет подключение к резервной линии электропередачи.

Схожие устройства выпускает японская компания Shizuki Electric. Её продукция, обеспечивающая резервирование мощности до 120 кВА в течение десятков секунд, нацелена на применение в центрах обработки данных.

В Манчестере (Великобритания) ионолитиевые суперконденсаторы применяются в городских гибридных автобусах для регенеративного торможения. Накопительный блок мощностью 135 кВт при массе 135 кг и объёме 317 дм3 вмещает 0,55 кВт·ч энергии. В сравнении с вариантом на ионисторах масса накопителя снижена в два с половиной, а объём - в полтора раза. Такие автобусы ежегодно проезжают по 25-30 тысяч километров.

Ионолитиевые суперконденсаторы на крыше гибридного автобуса в Манчестере

Японские автомобильные компании исследуют возможности применения ионолитиевых суперконденсаторов в качестве дополнения к водородным топливным элементам и ионолитиевым аккумуляторным модулям. Автопроизводителей привлекает повышенная плотность мощности LIC, но сдерживает необходимость сертифицировать ещё не выпускаемые крупными тиражами изделия на безопасность в случаях перегрева, деформации и внешнего короткого замыкания.

Хотите оперативно узнавать о выходе других полезных материалов на сайте "ГИС-Профи"?
Подписывайтесь на нашу страницу в Facebook.
Ставьте отметку "Нравится", и актуальная информация о важнейших событиях в энергетике России и мира появится в Вашей личной новостной ленте в социальной сети.