Forstå superkondensatorer og hvordan de kan sammenlignes med batterier

Behovet for pålitelige energilagringskilder har vokst dramatisk takket være fremveksten av tingenes Internett (IoT – Internet of Things), industriell IoT (IIoT), bærbar elektronikk og større konstruksjoner som industrianlegg og datasentre. Batterier gir direkte strøm til mindre enheter, mens batterier i større konstruksjoner ofte brukes for reservestrøm i tilfelle det skulle oppstå et strømbrudd på hovednettet.

Små enheter er ofte avhengige av litium-ion (Li-ion) eller alkaliske knappcellebatterier for å oppnå målene om liten formfaktor og minimalt vedlikehold. Litium-ionceller krever at det tas nøye hensyn til ladesyklusens grenser og sikkerhet. Batterier som brukes for reservestrøm kan slites ut innen kort tid ved rask opplading, og må derfor skiftes ut. Disse batteriene krever også komplekse batteristyringssystemer, og de har fortsatt potensial for ukontrollerbar termisk tilstand, noe som resulterer i sikkerhetsproblemer.

Elektriske dobbeltsidekondensatorer (EDLC – electric double-layer capacitor), også kalt superkondensatorer, tilbyr en komplementær teknologi til batterier. I tilfeller der batterier kan forsyne strøm i relativt lange perioder, kan superkondensatorer raskt forsyne strøm i korte perioder. Superkondensatorer er også miljøvennlige, ikke utsatt for ukontrollerbar termisk tilstand, og kan fungere i opptil 20 år. De kan brukes som den eneste energilagringsmetoden, i kombinasjon med batterier, eller som en hybridenhet for å optimalisere strømforsyningen.

Denne artikkelen beskriver kort superkondensatorer sammenlignet med batterier. Deretter gjennomgår den noen vanlige bruksområder, frittstående og i kombinasjon med batterier. Superkondensatorer fra Eaton brukes som illustrasjonsformål.

Forskjeller mellom superkondensatorer og batterier

En superkondensator er en energilagringsenhet med uvanlig høy spesifikk strømkapasitet sammenlignet med elektrokjemiske lagringsenheter som batterier. Batterier og superkondensatorer utfører lignende funksjoner når det gjelder strømforsyning, men de fungerer forskjellig fra hverandre. En superkondensator fungerer som en klassisk kondensator ved at utladningsprofilen for en konstant utladningsstrøm viser en lineær reduksjon i spenning. I motsetning til et batteri, er energilagringen i en superkondensator elektrostatisk, så det er ingen kjemiske endringer i enheten, og ladnings- og utladningshandlinger er nesten fullstendig reversible. Dette betyr at den kan tåle et større antall ladnings-/utladningssykluser.

Batterier lagrer energi på en elektrokjemisk måte. Utladningsprofilen til litium-ionbatterier er flat. De utviser en nesten konstant spenningskarakteristikk inntil batteriet er nesten fullstendig utladet. På grunn av nedbrytningen av de kjemiske mekanismene, er antall ladnings-/utladningssykluser i et litium-ionbatteri begrenset. Faktorer som temperatur, ladespenning og utladningsmengde påvirker reduksjonen i batterikapasitet.

Litium-ionbatterier er utsatt for ukontrollerbar termisk tilstand, selvantennelse og til og med eksplosjon. Varmegenerering er uunngåelig på grunn av resistiv oppvarming fra de kjemiske reaksjonene under ladning og utladning. Derfor krever batterier temperaturovervåkning for å sikre brukersikkerhet.

Sammenligning av spesifikasjoner for superkondensatorer og litium-ionbatterier

Batterier tilbyr høy energitetthet. Superkondensatorer har lavere energitetthet enn batterier, men høy effekttetthet fordi de kan utlades nesten umiddelbart. De elektrokjemiske prosessene i et batteri bruker mer tid på å levere energi til en last. Begge enhetene har egenskaper som er egnet for spesifikke energilagringsbehov (figur 1).

Figur 1: Her vises en sammenligning av egenskapene til superkondensatorer og litium-ionbatterier. (Bildekilde: Eaton)

En sammenligning av energitettheten, i wattimer per liter (Wh/L), og effekttettheten, i watt per liter (W/L), viser den mest signifikante forskjellen mellom enhetene. Dette påvirker også utladningstiden. Superkondensatorer er ment å forsyne energi over korte intervaller (forbigående hendelser), mens batterier håndterer langvarige hendelser. Superkondensatoren utlades i løpet av sekunder eller minutter, mens et batteri kan forsyne energi i timevis. Denne egenskapen påvirker anvendelsen av disse.

Superkondensatorer støtter et bredere driftstemperaturområde enn batterier. De nesten tapsfrie elektrostatiske prosessene deres bidrar også til høyere virkningsgrad og raskere ladehastigheter.

Eksempler på superkondensatorer

Eaton tilbyr en komplett serie med pålitelige superkondensatorer for energilagringsutrustninger som krever høy virkningsgrad og rask lading. Den fysiske kapslingen til superkondensatorene samsvarer noen ganger med batterier, spesielt knappcellebatterier. De er også tilgjengelige i konvensjonelle sylindriske kondensatorkapslinger (figur 2).

Figur 2: Superkondensatorer er tilgjengelige i standard sylindriske kondensatorkapslinger med radiale ledere, der noen er innkapslet slik at de samsvarer med litium-ionbatterier i knappcelleformater. (Bildekilde: Eaton)

Eaton TV1030-3R0106-R, vist i figur 2 (venstre), er en superkondensator på 10 farad (F) med en maksimal arbeidsspenning på 3 V. Den er innkapslet i en sylindrisk boks med radiale ledere. Boksen har en diameter på 10,5 millimeter (mm) (0,413 tommer) og en høyde på 31,5 mm (1,24 tommer). Den har et driftstemperaturområde på –25 °C til +65 °C, og et utvidet område på –25 °C til +85 °C når den reduseres til drift ved eller under 2,5 V. Den kan lagre 12,5 milliwattimer (mW/t) med energi og levere en spisseffekt på 86,5 W. Den er klassifisert for 500 000 ladnings-/utladningssykluser.

Superkondensatorer kan erstatte knappcellebatterier i mange utrustninger, for eksempel reservestrøm for minne. Eaton KVR-5R0C155-R (figur 2, høyre) er en superkondensator på 1,5 F med en maksimal arbeidsspenning på 5 volt. Kapslingens mål er nesten like de til et knappcellebatteri på 20 mm. Den kan levere en spisseffekt på 0,208 watt. Driftstemperaturområdet er fra –25 °C til +70 °C. Den er også klassifisert for 500 000 ladnings-/utladningssykluser.

Øke energitettheten til superkondensatorer

Energien som er lagret i en superkondensator er proporsjonal med kapasitansen og den kvadratiske verdien av spenningen den lades til. Dermed kan energitettheten økes ved å øke antallet celler og koble dem parallelt. Høyere energitettheter kan oppnås ved å opprette superkondensatormoduler med høy kapasitans og høyere arbeidsspenninger (figur 3).

Figur 3: Energitettheten til en superkondensator kan økes ved å legge til flere celler og øke arbeidsspenningen. (Bildekilde: Eaton)

Eaton PHVL-3R9H474-R-superkondensatoren (figur 3, venstre) på 470 millifarad (mF) og 3,9 volt, er en enhet med to celler. Den har en svært lav ekvivalent seriemotstand (ESR – effective series resistance–) på 0,4 ohm (Ω) for å redusere ledende tap, og den kan levere en spisseffekt på 9,5 W. Den har også et driftstemperaturområde fra –40 °C til +65 °C. I likhet med superkondensatorene vi tok for oss tidligere, er den klassifisert for 500 000 ladnings-/utladningssykluser. Målene er 14,5 mm (0,571 tommer) høy, 17,3 mm (0,681 tommer) lang og 9 mm (0,354 tommer) bred.

Modulære superkondensatorkapslinger kan forsyne betydelige mengder reserveenergi. Eaton XLR-16R2507B-R (figur 3, høyre) har en kapasitans på 500 F og er virksom med en maksimal spenning på 16,2 V. Modulen har en ESR på 1,7 milliohm (mΩ) og kan levere en spisseffekt på 38,6 kilowatt (kW). Driftstemperaturområdet er –40 °C til +65 °C (celletemperatur). Kapslingen er 177 mm (6,97 tommer) høy, 417 mm (16,417 tommer) lang og 68 mm (2,677 tommer) bred.

Hybride superkondensatorer

Arbeidet med å blande egenskapene til superkondensatorer og litium-ionbatterier har resultert i en hybrid superkondensator kalt litium-ionkondensatoren (LiC – Li-ion capacitor). Dette øker superkondensatorens energitetthet, samtidig som den kan tilby raskere responstider enn et batteri. LiC har en asymmetrisk struktur som bruker en litiumdopet grafittanode og en katode av aktivkull (figur 4).

Figur 4: Den hybride superkondensatoren innbefatter både superkondensatorens og litium-ionbatteriets egenskaper. Den har et høyere antall ladnings-/utladningssykluser sammenlignet med batterier og høyere utladningshastigheter. (Bildekilde: Eaton)

Strukturen til den hybride superkondensatoren slår sammen de elektrokjemiske egenskapene til litiumbatteriet med de elektrostatiske egenskapene til superkondensatoren, for å gi konstruktører en merkbar fordel. Ladningsbevegelsen er en elektrokjemisk prosess i LiC-en, men dette gjøres med en mindre dybde enn i et batteri, noe som resulterer i et høyere antall ladnings-/utladningssykluser og høyere utladningshastigheter. Den resulterende utladningsprofilen er lik utladningsprofilen til superkondensatoren.

For eksempel er HS1016-3R8306-R en hybrid-superkondensator på 30 F, 3,8 V, plassert i en sylindrisk kapsling med radial-ledere. Den har en ESR på 0,55 Ω og kan forsyne en spisseffekt på 6,6 W. Driftstemperaturområdet er fra –15 °C til +70 °C, og det har et utvidet område fra –15 °C til +85 °C, redusert til å være i drift ved eller under 3,5 V. Den har en klassifisert levetid på 1000 timer ved nominell spenning og maksimal driftstemperatur. Kapslingens mål er 18 mm (0,709 tommer) høy og 10,5 mm (0,413 tommer) i diameter. I likhet med superkondensatorene, er denne klassifisert for 500 000 ladnings-/utladningssykluser.

Diagram over energi- og effekttetthet

Distribusjonen av energi- og effekttetthet for energilagringsenheter gir betydelig innsikt i nytten de tilbyr og den virkelige driftsvarigheten (figur 5).

Figur 5: Et kryssdiagram over energitetthet vs effekttetthet for batteri- og superkondensatorenheter gir innsikt i driftsvarigheten deres. (Bildekilde: Eaton)

Diagrammet plotter energitetthet vs effekttetthet. Forholdet mellom disse parametrene gir tid, som også er plottet på grafen. Enheter med høy energitetthet, men lav effekttetthet, finner du øverst til venstre. Disse omfatter brenselceller og batterier. Enheter med høy effekttetthet, men lav energitetthet, for eksempel tradisjonelle kondensatorer og superkondensatorer, opptar hjørnet nederst til høyre. Hybride superkondensatorer kan plasseres mellom disse to gruppene. Legg merke til tidsskalaen for hver av dem. Superkondensatorer fungerer i perioder over sekunder, hybride enheter over minutter og batterier over timer eller mer.

Energilagringsløsninger

Energilagringsenheter forsyner strøm når hovedstrømmen forsvinner. Et godt eksempel er forsyning av reservestrøm til datamaskinminne. Batterier har tidligere blitt tatt i bruk, men superkondensatorer er nå på vei inn for dette bruksområdet på grunn av deres betydelig høyere antall ladnings-/utladningssykluser. Med superkondensatorer er det ikke nødvendig å bytte batterier etter ett års drift.

Superkondensatorer brukes også i IoT- og IIoT-utrustninger som er avhengige av energihøsting. De opplever lignende bruk i biler, der de lagrer energi gjenvunnet fra bremsing.

Superkondensatorer gir høy nytteeffekt i korte perioder. De kan brukes til å forsyne gjennomkjøringsstrøm (ride-through power) i kritiske installasjoner, noe som trengs for å håndtere overgangen på rundt ti sekunder som en nødgenerator trenger for å innkobles. Superkondensatoren lades på omtrent samme tid som bruksperioden, og de kan raskt tilkobles igjen etter et strømbrudd.

Konklusjon

Superkondensatorer gir komplementær drift for batterier i de fleste energilagringsutrustninger. De høyere, umiddelbart tilgjengelige effektnivåene og raske ladetidene gjør dem ideelle for kortvarig strømstøtte. Det høye antallet ladnings-/utladningssykluser de kan ha uten tap av ytelse, reduserer vedlikehold av batterier og lagerbeholdningskostnader.