Superkondensator

Superkondensator lub ultrakondensator – rodzaj kondensatora elektrolitycznego o specyficznej konstrukcji, który wykazuje niezwykle dużą pojemność elektryczną (rzędu kilku tysięcy faradów), w porównaniu z klasycznymi kondensatorami elektrolitycznymi dużej pojemności, lecz przy napięciu pracy 2-3 V (typowo 2,7 V)^[1].

Największą zaletą superkondensatorów jest bardzo krótki czas ładowania i rozładowania w porównaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np. akumulatorami). Pozwala to na uzyskanie mocy zasilania dochodzącej do 10 kW na kilogram masy kondensatora^[1].

Zależnie od rodzaju elektrod, superkondensatory dzielą się na trzy grupy:

• kondensatory elektrochemiczne z podwójną warstwą Helmholtza^[2] – z elektrodami węglowymi lub pochodnymi z dużo większą pojemnością niż elektrochemiczne kondensatory pseudopojemnościowe;
• kondensatory pseudopojemnościowe – z tlenkami metali lub polimerowymi elektrodami przewodzącymi;
• kondensatory hybrydowe – kondensatory z asymetrycznymi elektrodami, jedna z nich wykazuje większą pojemność elektrostatyczną a druga większą pojemność elektrochemiczną np. kondensator litowo-jonowy.

Rozwój poszczególnych elementów superkondensatorów

Na początku lat 50 XX wieku inżynierowie spółki General Electric rozpoczęli eksperymenty wykorzystując elektrody zbudowane z porowatego węgla aktywnego dla ogniw paliwowych oraz baterii elektrycznych. Węgiel aktywny jest przewodnikiem elektrycznym, który charakteryzuje się porowatą, „gąbczastą” strukturą z wysoce rozwiniętą powierzchnią właściwą. W roku 1957 H.Becker rozwinął „niskonapięciowe elektrolityczne kondensatory z elektrodami porowato-węglowymi”. Przypuszczał, że energia była w nich gromadzona jako wsad w porach węglowych, podobnie jak ma to miejsce w wytrawionej folii kondensatorów elektrolitycznych. Mechanizm podwójnej warstwy nie był w tym czasie znany, więc Becker stwierdził: „Nie jest do końca wiadomo co dokładnie dzieje się w komponentach użytych do gromadzenia energii, ale prowadzi to do ogromnie dużej pojemności”.

W 1966 roku badacze z Standard Oil of Ohio (SOHIO) opracowali inną wersję komponentu zwaną jako „aparat do magazynowania energii elektrycznej”, podczas pracy nad eksperymentalnym projektem ogniwa paliwowego. Natura elektrochemicznego gromadzenia energii nie została opisana w patencie. Wczesne kondensatory elektrochemiczne składały się z dwóch aluminiowych folii pokrytych węglem aktywnym, będącymi elektrodami nasączonymi elektrolitem i oddzielonych cienką warstwą porowatego izolatora. Ten model zapewniał kondensatorowi pojemność na poziomie jednego farada, a więc znacząco większą niż kondensatory elektrolityczne o tych samych rozmiarach. Ta podstawowa konstrukcja jest podstawą większości elektrolitycznych kondensatorów.

W ostatnich latach rozwinęły się dwa typy konstrukcji superkondensatorów: zwijane oraz składane. Główna różnica między nimi polega na tym, że składane mają mniejszą gęstość energii, znacznie większą moc, czyli możliwość pracy z wielkimi prądami oraz niskie straty. Pod względem budowy można wyróżnić kondensatory symetryczne i asymetryczne. W symetrycznych obydwie elektrody są zbudowane z porowatego węgla aktywnego, są ładowane i rozładowywane przez odwracalną adsorpcję jonów. W asymetrycznych występuje tylko jedna elektroda z węgla aktywnego, druga jest baterią. Cykl ładowania i rozładowania odbywa się przez odwracalną redukcję i utlenianie. Kondensatory asymetryczne charakteryzują się większą pojemnością.

Technologia superkondensatorów jest oparta na wykorzystaniu węgli aktywnych, grafenu^[3][4] lub węglowych aerożeli. Węgle aktywne wykazują dobre własności porowate, nawet do 2500 m²/g oraz wykorzystane są do konstrukcji elektrod o dużej powierzchni właściwej. Produkowane są zestawy złożone z połączonych szeregowo superkondensatorów na różne napięcia znamionowe od 14 V do 700 V, dlatego znajdują szerokie zastosowanie w energetyce.

• Bardzo duża szybkość ładowania/rozładowania (w porównaniu do baterii i akumulatorów)
• Niewielka degradacja właściwości przy wielokrotnym rozładowaniu i ładowaniu (nawet do miliona cykli)
• Duża sprawność (84–95%)^[1]
• Niewielka toksyczność użytych materiałów
• Szeroki zakres temperatury pracy od −40 °C do +60 °C
• Niski koszt na jednostkę pojemności
• Nie wymagają konserwacji
• Bezobsługowe
• Niskie koszty eksploatacyjne
• Można je bez szkody rozładować do zera

• Ilość zgromadzonej energii na jednostkę masy urządzenia jest ciągle o rząd wielkości niższa (5 Wh/kg) niż dla źródeł chemicznych (40 Wh/kg).
• Zmienna wartość napięcia na zaciskach superkondensatora (napięcie spada wykładniczo przy rozładowaniu). W celu efektywnego wykorzystania energii niezbędne są skomplikowane układy energoelektroniczne.
• Małe dopuszczalne napięcie pracy 2-3 V.
• Szybsze samorozładowanie (w porównaniu do baterii i akumulatorów).

Superkondensatory są coraz częściej stosowane równolegle z innymi źródłami energii (np. ogniwami paliwowymi) w celu krótkotrwałego dostarczania mocy szczytowej, co pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiarów całego układu. Próby z takimi rozwiązaniami przeprowadzane są m.in. w prototypach samochodów hybrydowych, pojazdów elektrycznych lub do wspomagania zasilania robotów.

Rozwijane są także prace badawcze i projekty wdrożeniowe nad zastosowaniem superkondensatorów do magazynowania elektrycznej energii odnawialnej (także w samochodach elektrycznych)^[5].

Supekondensatory stosowane są również jako źródła zasilania ciągłego w urządzeniach o niewielkiej mocy: pamięciach komputerowych, elektrycznych szczoteczkach do zębów itp. Ważną rolę odgrywają w tzw. UPS-ach, czyli systemach zasilania gwarantowanego, które zabezpieczają przed skutkami nieciągłości dostawy energii elektrycznej.

Najważniejsze zastosowanie znajdują w transporcie w tzw. układzie KERS, czyli procesie hamowania rekuperacyjnego – odbierają do przechowania energię pozyskaną podczas hamowania, co znacznie zwiększa sprawność energetyczną pojazdu i redukuje zanieczyszczanie powietrza. Ocenia się, że zatrzymywanie silnika i hamowanie regeneracyjne zmniejsza zużycie paliwa do 15%, a zmniejszenie emisji zanieczyszczeń powietrza przekracza 90%. W ten sposób także „oszczędzamy” akumulator, przedłużając jego żywotność. Świetnie sprawdziłyby się w ruchu miejskim, gdyż tam dominują manewry częstego zatrzymywania się i ruszania. Sprawdzają się również w coraz popularniejszych pojazdach elektrycznych i hybrydowych. Ultrakondensatory służą również do oszczędzania energii w pojazdach, pozwalając wyłączyć silnik po zatrzymaniu pojazdu i następnie błyskawicznie go uruchomić. Poza układem napędowym superkondensatory wspomagać mogą inne funkcje pojazdu, jak np. wspomaganie kierownicy, elektryczne ogrzewanie czy zasilanie podczas postoju (światło, radio).