Электричество играет большую роль в нашей жизни сегодня. В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили, работающие на ископаемом топливе, и отопление дома также должны будут перейти на электроэнергию, если мы не хотим катастрофических изменений климата.
Электричество является очень универсальной формой энергии, но у нее есть один большой недостаток: ее относительно сложно хранить в нужном количестве. Аккумуляторы могут хранить большое количество энергии, но они заряжаются часами. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но накапливают лишь незначительное количество энергии. В нашем будущем с электропитанием, когда нам нужно очень быстро накапливать и также быстро отдавать большое количество электроэнергии, вполне вероятно, что мы обратимся к суперконденсаторам (ультраконденсаторы), которые сочетают в себе все эти возможности.
Что такое суперкоденсаторы и как они работают
Как можно хранить электрический заряд? Обычная цинко — углеродная батарея заряжается электроэнергией на заводе и может быть использована только один раз, после чего ее можно будет только выбросить. Батареи, подобные этой, дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды во всем мире выбрасываются каждый год.
Аккумуляторы и конденсаторы выполняют аналогичную работу — накапливают электричество — но совершенно другими способами. Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом, называемым электролитом. Когда вы включаете питание, происходят химические реакции с участием, как электродов, так и электролита.
В результате химической реакции на электродах выделяются положительные и отрицательные заряды. Когда все химические вещества истощаются, реакция прекращается, и батарея разряжается. В перезаряжаемом аккумуляторе, таком как литий-ионный блок питания, используемый в ноутбуке или MP3-плеере, реакции могут протекать в любом направлении, так что вы можете заряжать и разряжать сотни раз, прежде чем аккумулятор износится.
Обычный слюдяной конденсатор
Такой конденсатор накапливает столько же энергии, сколько батарея, но может заряжаться и разряжаться мгновенно, практически любое количество раз. В отличие от батареи положительные и отрицательные заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никакие химические реакции не участвуют.
Конденсаторы используют статическое электричество (электростатику), а не химию для хранения энергии. Внутри конденсатора находятся две проводящие металлические пластины с изоляционным материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрический бутерброд, если так можно сказать. Зарядка конденсатора — это накопление зарядов на пластинах.
Положительные и отрицательные электрические заряды накапливаются на пластинах, которые изолируются, чтобы препятствовать их контакту, благодаря такому разделению пластин сохраняется энергия. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера накапливать больше заряда при данном напряжении, поэтому можно сказать, что он делает конденсатор более эффективным в качестве устройства хранения заряда.
Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они весят меньше, обычно не содержат вредных химикатов или токсичных металлов, и их можно заряжать и разряжать миллионы раз и не изнашиваются. Но у них также есть большой недостаток: конструкция конденсаторов не позволяет им сохранять такое же количество электрической энергии как в батареях. Что можно сделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию, которую накопит конденсатор, либо используя лучший материал для диэлектрика, либо используя большие металлические пластины.
Чтобы сохранить значительное количество энергии, вам нужно использовать колоссальные пластины. Например, грозовые облака — это супергигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и мы все знаем, насколько они велики! А как насчет увеличения емкости конденсаторов путем улучшения диэлектрического материала между пластинами? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторов в середине 20-го века.
Преимущества и недостатки аккумуляторов и конденсаторов
Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши в хранении большого количества энергии.
Что такое суперконденсатор? Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора в двух важных направлениях: его пластина имеет гораздо большую эффективность площадь, а расстояние между ними много меньше, потому что разделитель между ними работает по-другому принципу отличного от обычного диэлектрика. Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются взаимозаменяемо, существует различие: они обычно изготавливаются из разных материалов и структурируются немного по-разному, поэтому они хранят разное количество энергии. Для целей простого понимания мы предположим, что это одно и то же.
Как обычный конденсатор, суперконденсатор имеет две разделенные пластины. Пластины изготовлены из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, который эффективно дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда. Представьте себе, что электричество — это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вобрать небольшое количество воды, пористые пластины суперконденсатора делают больше похожими на кусочек губки, которая может впитывать воды во много раз больше. Пористые суперконденсаторные пластины — это губки впитывающие электричество.
Какой разделитель установлен между пластинами
В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как настраиваемый диск внутри радиоприемника). Когда конденсатор заряжается, положительные заряды образуются на одной пластине, а отрицательные — на другой, создавая электрическое поле между ними. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в направлении, противоположном полю, и уменьшают его прочность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при данном напряжении. Что показано на рисунке, который вы видите ниже.
Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, который называется диэлектриком (серый). Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их выравниваться противоположно полю. Это уменьшает напряженность поля и позволяет конденсатору хранить больше заряда для данного напряжения.
Суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий, «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых, обычно углеродных материалов, пропитанных электролитом. Пластины имеют большую эффективную площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность сохранять гораздо больший заряд.
В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, на каждой стороне сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый электрический двойной слой, толщиной всего в одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).
Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC). Если вы посмотрите на нижний рисунок, то увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора рядом.
Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. В двух словах, суперконденсаторы получают гораздо большую емкость, благодаря комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшего расстояния между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).
Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, изготовленных из таких материалов, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологий ), графен, аэрогель и титанат бария.
Сравнение суперконденсаторов с батареями и обычными конденсаторами
Суперконденсаторы могут использоваться в качестве прямой замены батарей. Вот беспроводная дрель с питанием от банок суперконденсаторов, также они используются в космосе (разработка НАСА). Большим преимуществом по сравнению с обычной длительной зарядкой является то, что его можно заряжать за считанные секунды, а не часы.
Базовая единица электрической емкости называется фарадом (F), названным в честь британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в схемах электроники хранят только незначительное количество электричества (обычно оцениваемое в единицах, называемых микрофарадами (миллионные доли фарада), нанофарадами (миллиардные доли фарада) или пикофарадами (триллионные доли фарада).
В отличие от этого, обычный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, в миллионы или даже в миллиарды раз больше(оценивается в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies, имеют емкости, оцениваемые до нескольких тысяч фарад. Это все еще составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) от электрической энергия, которую вы можете упаковать в батарею.
Но большое преимущество суперконденсатора заключается в том, что он может накапливать и высвобождать энергию практически мгновенно — гораздо быстрее, чем батарея. Это потому, что суперконденсатор работает, накапливая статические электрические заряды на твердых телах, в то время как батарея зависит от зарядов, которые производятся медленно в результате химических реакций, часто с участием жидкостей.
Обычные батареи и суперконденсаторы различаются величиной энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова взаимозаменяемы; в науке мощность — это количество энергии, использованной или произведенной за определенное время. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они накапливают больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут выделять энергию быстрее).
Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и высвобождения большого количества энергии, но батареи по-прежнему важны для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени. Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольт), они могут быть подключены последовательно (например в батареи) для получения больших напряжений, для использования в более мощном варианте.
Поскольку суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, их теоретически можно заряжать и разряжать любое количество раз (технические характеристики коммерческих суперконденсаторов предполагают, что вы можете циклически повторять их, возможно, миллион раз). Они имеют небольшое внутреннее сопротивление или вообще не имеют его, что означает, что они накапливают и выделяют энергию без затрат большого количества энергии — и работают с эффективностью, близкой к 100% (обычно 97–98%).
Для чего используются суперконденсаторы
Если вам нужно хранить большое количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии затрачивается на хранение в конденсаторе, и у вас нет времени для зарядки аккумулятора, суперконденсатор может быть как раз то, что вам нужно.
Суперконденсаторы широко используются в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «резервуаров энергии», которые сглаживают источники питания для электрического и электронного оборудования. Суперконденсаторы также могут быть подключены к батареям для регулирования мощности, которую они отдают.
Суперконденсаторы используются в регенеративных тормозах, широко используются в электромобилях. Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сгладить прерывистую мощность, создаваемую ветром. В электрических и гибридных транспортных средствах суперконденсаторы все чаще используются в качестве временных накопителей энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно теряет при остановке, кратковременно накапливается и затем используется повторно, когда он снова начинает движение).
Помогла вам статья?
