Eine Einführung in Superkondensatoren

Der Kondensator ist eine passive Komponente mit zwei Anschlüssen, die in der Elektronik weit verbreitet ist. Fast jede Schaltung, die wir in der Elektronik finden, verwendet einen oder mehrere Kondensatoren für verschiedene Zwecke. Kondensatoren sind nach Widerständen die am häufigsten verwendete elektronische Komponente. Sie haben eine besondere Fähigkeit, Energie zu speichern. Es gibt verschiedene Arten von Kondensatoren auf dem Markt, aber einer, der in letzter Zeit immer beliebter wird und einen Ersatz oder eine Alternative für Batterien in Zukunft verspricht, sind Superkondensatoren oder auch als Ultrakondensatoren bekannt. Ein Superkondensator ist nichts anderes als ein Kondensator mit hoher Kapazität mit Kapazitätswerten, die viel höher sind als normale Kondensatoren, aber niedrigere Spannungsgrenzen. Sie können 10 bis 100 Mal mehr Energie pro Volumeneinheit oder Masse speichern als Elektrolytkondensatoren, können Ladung viel schneller empfangen und liefern als Batterien und tolerieren mehr Lade- / Entladezyklen als wiederaufladbare Batterien.

Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren sind eine neue Energiespeichertechnologie, die in der heutigen Zeit stark weiterentwickelt wird. Superkondensatoren bieten erhebliche industrielle und wirtschaftliche Vorteile

Die Kapazität eines Kondensators wird in Farad (F) gemessen, wie 0,1 uF (Mikrofarad), 1 mF (Millifarad). Während die Kondensatoren mit niedrigerem Wert in der Elektronik weit verbreitet sind, sind auch Kondensatoren mit sehr hohem Wert erhältlich, die Energie in viel höherer Dichte speichern und in sehr hohem Kapazitätswert verfügbar sind, was in Farad wahrscheinlich liegt.

In der obigen Abbildung ist ein lokal verfügbares 2,7-V-1-Farad-Superkondensatorbild dargestellt. Die Nennspannung ist viel niedriger, aber die Kapazität des obigen Kondensators ist ziemlich hoch.

Vorteile von Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren

Die Nachfrage nach Superkondensatoren steigt von Tag zu Tag. Der Hauptgrund für die rasche Entwicklung und Nachfrage liegt in vielen anderen Vorteilen von Superkondensatoren, von denen einige nachstehend aufgeführt sind:

• Es bietet eine sehr gute Lebensdauer von ca. 1 Million Ladezyklen.
• Die Betriebstemperatur beträgt fast -50 bis 70 Grad, was es für den Einsatz in Verbraucheranwendungen geeignet macht.
• Eine bis zu 50-fache hohe Leistungsdichte, die durch Batterien erreicht wird.
• Schädliche Materialien, giftige Metalle sind nicht Teil des Herstellungsprozesses von Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren, wodurch es als Einwegkomponente zertifiziert wird.
• Es ist effizienter als Batterien.
• Erfordert keine Wartung im Vergleich zu Batterien.

Superkondensatoren speichern Energien in ihrem elektrischen Feld, aber im Falle von Batterien verwenden sie chemische Verbindungen, um Energien zu speichern. Aufgrund ihrer Fähigkeit zum schnellen Laden und Entladen treten die Superkondensatoren langsam in den Batteriemarkt ein. Niedriger Innenwiderstand bei sehr hohem Wirkungsgrad, keine Wartungskosten, höhere Lebensdauern sind der Hauptgrund für die hohe Nachfrage auf dem modernen Markt für Stromquellen.

Energien im Kondensator

Ein Kondensator Speicher Energien in Form von Q = C x V. Q steht für Ladung in Coulomb, C für Kapazität in Farad und V für Spannung in Volt. Wenn wir also die Kapazität erhöhen, erhöht sich auch die gespeicherte Energie Q.

Die Kapazitätseinheit ist Farad (F), benannt nach M. Faraday. Farad ist die Kapazitätseinheit in Bezug auf Coulomb / Volt. Wenn wir von einem Kondensator mit 1 Farad sprechen, erzeugt er abhängig von der 1-Coulomb-Ladung eine Potentialdifferenz von 1 Volt zwischen seinen Platten.

1 Farad ist ein Kondensator mit sehr großem Wert, der als allgemeine elektronische Komponente verwendet werden kann. In der Elektronik wird im Allgemeinen die Kapazität von Mikrofarad zu Pico Farad verwendet. Mikrofarad wird als uF (1 / 1.000.000 Farad oder 10 ^-6 F), Nano-Farad als nF (1 / 1.000.000.000 oder 10 ^-9 F) und Pico Farad als pF (1 / 1.000.000.000.000 oder 10 ^-12 F) bezeichnet.

Wenn der Wert viel höher wird, wie mF auf wenige Farad (im Allgemeinen <10F), bedeutet dies, dass der Kondensator viel mehr Energien zwischen seinen Platten halten kann. Dieser Kondensator wird als Ultrakondensator oder Superkondensator bezeichnet.

Die in einem Kondensator gespeicherten Energien betragen E = ½ CV ² Joule. E ist die in Joule gespeicherte Energie, C ist die Kapazität in Farad und V ist die Potentialdifferenz zwischen den Platten.

Konstruktion von

Superkondensator ist ein elektrochemisches Gerät. Interessanterweise gibt es keine chemischen Reaktionen, die für die Speicherung seiner elektrischen Energien verantwortlich sind. Sie haben eine einzigartige Konstruktion mit einer großen leitenden Platte oder Elektrode, die eng beieinander liegen und eine sehr kleine Oberfläche haben. Sein Aufbau ist der gleiche wie bei einem Elektrolytkondensator mit einem flüssigen oder feuchten Elektrolyten zwischen seinen Elektroden. Hier erfahren Sie mehr über verschiedene Arten von Kondensatoren.

Der Superkondensator wirkt als elektrostatisches Gerät, das seine elektrische Energie als elektrisches Feld zwischen den leitenden Elektroden speichert.

Die Elektroden Rot und Blau sind doppelseitig beschichtet. Sie bestehen im Allgemeinen aus Graphitkohlenstoff in Form von Kohlenstoffnanoröhren oder -gelen oder einer speziellen Art von leitfähigen Aktivkohlen.

Um den großen Elektronenfluss zwischen den Elektroden und den Durchgang des positiven Ions zu blockieren, wird eine poröse Papiermembran verwendet. Die Papiermembran trennt auch die Elektroden. Wie wir im obigen Bild sehen können, befindet sich die poröse Papiermembran in der Mitte, die eine grüne Farbe hat. Die Elektroden und der Papierabscheider sind mit dem flüssigen Elektrolyten imprägniert. Die Aluminiumfolie wird als Stromkollektor verwendet, der die elektrische Verbindung herstellt.

Die Trennplatte und die Fläche der Platten sind für den Kapazitätswert des Kondensators verantwortlich. Die Beziehung kann als bezeichnet werden

Wobei Ɛ die Permittivität des zwischen den Platten vorhandenen Materials ist

A ist der Bereich der Platte

D ist der Abstand zwischen den Platten

Im Falle eines Superkondensators muss die Kontaktfläche vergrößert werden, es gibt jedoch eine Einschränkung. Wir können die physikalische Form oder Größe des Kondensators nicht erhöhen. Um diese Einschränkung zu überwinden, werden spezielle Elektrolyttypen verwendet, um die Leitfähigkeit zwischen den Platten zu erhöhen und somit die Kapazität zu erhöhen.

Die Superkondensatoren werden auch als Doppelschichtkondensator bezeichnet. Es gibt einen Grund dafür. Sehr kleiner Abstand und große Oberfläche unter Verwendung eines speziellen Elektrolyten, die Oberflächenschicht aus Elektrolytionen bildet eine Doppelschicht. Es erzeugt zwei Kondensatorkonstruktionen, eine an jeder Kohlenstoffelektrode und wird als Doppelschichtkondensator bezeichnet.

Diese Konstruktionen haben einen Nachteil. Die Spannung am Kondensator wurde aufgrund der Zersetzungsspannung des Elektrolyten sehr niedrig. Die Spannung ist stark vom Elektrolytmaterial abhängig, das Material kann die Speicherkapazität des Kondensators für elektrische Energie begrenzen. Aufgrund der niedrigen Klemmenspannung kann ein Superkondensator in Reihe geschaltet werden, um elektrische Ladung auf einem nützlichen Spannungsniveau zu speichern. Aufgrund dessen erzeugt der Superkondensator in Reihe eine höhere Spannung als gewöhnlich und parallel dazu wurde die Kapazität größer. Es kann durch die folgende Superkondensator-Array-Konstruktionstechnik klar verstanden werden.

Aufbau eines Superkondensator-Arrays

Um die Ladung bei einer nützlichen erforderlichen Spannung zu speichern, müssen Superkondensatoren in Reihe geschaltet werden. Und um die Kapazität zu erhöhen, sollten sie parallel geschaltet werden.

Sehen wir uns den Array-Aufbau des Superkondensators an.

In dem obigen Bild wird die Zellenspannung einer einzelnen Zelle oder eines Kondensators als Cv bezeichnet, während die Kapazität einer einzelnen Zelle als Cc bezeichnet wird. Der Spannungsbereich eines Superkondensators reicht von 1 V bis 3 V, die Reihenschaltungen erhöhen die Spannung und mehr Kondensatoren parallel erhöhen die Kapazität.

Wenn wir das Array erstellen, ist die Spannung in Reihe

Gesamtspannung = Zellenspannung (Cv) x Anzahl der Zeilen

Und die Kapazität parallel wird sein

Gesamtkapazität = Zellenkapazität (Cc) x (Anzahl der Spalten / Anzahl der Zeilen)

Beispiel

Wir müssen ein Backup-Speichergerät erstellen, und dafür ist ein 2,5-F-Super- oder Superkondensator mit einer Nennspannung von 6 V erforderlich.

Wenn wir das Array mit 1F-Kondensatoren mit einer Nennspannung von 3 V erstellen müssen, wie groß sind dann die Arraygröße und die Kondensatormengen?

Gesamtspannung = Zellenspannung x Zeilennummer Dann Zeilennummer = 6/3 Zeilennummer = 2

Bedeutet, dass zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren eine Potentialdifferenz von 6 V aufweisen.

Nun ist die Kapazität, Gesamtkapazität = Zellenkapazität x (Spaltennummer / Zeilennummer) Dann Spaltennummer = (2,5 x 2) / 1

Wir brauchen also 2 Zeilen und 5 Spalten.

Lassen Sie uns das Array konstruieren,

Die im Array gespeicherte Gesamtenergie beträgt

Superkondensatoren sind gut in der Speicherung von Energie und dort, wo schnelles Laden oder Entladen erforderlich ist. Es wird häufig als Backup-Gerät verwendet, bei dem eine Notstromversorgung oder eine schnelle Entladung erforderlich ist. Sie werden ferner in Druckern, Autos und verschiedenen Trinkelektronikgeräten verwendet.