seminarski rad superkondenzatori - fer.unizg.hr · pdf filestatičko električno polje u sloju...
TRANSCRIPT
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTRTEHNIKE I RAČUNARSTVA
SEMINARSKI RAD
Superkondenzatori
Nikolina Dobrenić 0036454290
Zagreb, siječanj 2014.
Sadržaj
Sadržaj ................................................................................................................................................1
1. Uvod ...............................................................................................................................................2
2. Izvedba superkondenzatora ............................................................................................................3
2.1 Standardni kondenzatori ...........................................................................................................3
2.2 Superkondenzatori ....................................................................................................................3
2.2.1 Elektrostatički dvoslojni kapacitet .......................................................................................3
2.2.2 Elektrode ............................................................................................................................5
2.2.3 Elektrolit .............................................................................................................................6
2.2.4 Separator ...........................................................................................................................6
3. Električni parametri superkondenzatora .........................................................................................7
3.1 Kapacitet ...................................................................................................................................7
3.2 Radni napon ..............................................................................................................................8
3.3 Unutarnji otpor .........................................................................................................................8
3.4 Struja opterećenja i stabilnost ciklusa ....................................................................................8
3.5 Gustoća snage i gustoća energije ...............................................................................................9
3.6 Životni vijek ............................................................................................................................. 10
3.7 Samopražnjenje ...................................................................................................................... 11
3.8 Polaritet .................................................................................................................................. 11
4. Primjena ....................................................................................................................................... 12
5. Zaključak ....................................................................................................................................... 13
6. Literatura ...................................................................................................................................... 14
1. Uvod
Superkondenzatori su jedinstveni električki uređaji za pohranu energije koji mogu pohraniti puno više
energije nego standardni kondenzatori te pružiti veću gustoću snage nego baterije. Baterije se
većinom koriste za pohranu energije u industrijskim i potrošačkim elektroničkim uređajima zbog
velike gustoće energije. Mana baterija je ograničena gustoća snage. Zbog toga, pri nazivnom naponu
ne mogu uređaju predati potrebnu snagu. Kada baterija treba predati uređaju impuls velike snage,
često propad napona bude prevelik uzrokujući manji napon od onog koji uređaj zahtjeva. Veliko
opterećenje smanjuje pohranjenu energiju u bateriji, oštećuje samu bateriju te skraćuje životni vijek.
U slučajevima kada se zahtijeva velika snaga u baterijski napajanim uređajima kombinacija paralelnog
spoja baterije i superkondenzatora daje predosti oba izvora: povećanje učinka i produljenje životnog
vijeka baterije iskorištavajući bateriju na maksimalnom potencijalu. Superkondenzator u paralelnom
spoju s baterijom smanjuje propad napona i vodi do:
Boljeg iskorištavanja energije i snage
Produljenja životnog vijeka baterije
Veće gustoće energije baterije
Snage proizvedene iz oba izvora, svaki dajući snagu inverznu vlastitom ESR
Manje zamjena starih baterija novim u nekim aplikacijama
U ovo radu obradit će se izvedba superkondenzatora te njihove električne karakteristike.
2. Izvedba superkondenzatora
2.1 Standardni kondenzatori Standardni kondenzator sastoji se od dvije metalne elektrode odvojene izolatorom (dielektrik)(Slika
1). Kada se na vodljive elektrode dovede napon, na njima se razdvajaju naboji istog iznosa ali
različitog polariteta. Budući da su elektrode odvojene dielektrikom, naboji ostaju odvojeni i između
elektroda pojavljuje se električno polje.
Kapacitet standarnog kondenzatora može se izraziti na dva
načina: kao omjer naboja i razlici napona na elektrodama (1)
ili kao omjer površine elektrode i debljine dielektrika (2).
Energija pohranjena u kondenzatoru ovisi o kapacitetu samog
kondenzatora i razlici napona na elektrodama (3).
2
2
1CUE
(3)
Maksimalnu snagu određuje ekvivalentni serijski otpor (ESR) (4). Karakteristika keramičkih
kondenzatora je vrlo mali ESR (0.01Ω – 0.1 Ω) te je njihova gustoća snage velika. To znači da teretu
mogu predati veliku količinu energije u jedinici vremena po jedinici mase ili volumena, ali njihova
gustoća energije je vrlo mala u usporedbi s baterijama.
Standardni kondenzatori se nazivaju i elektrostatičkim kondenzatorima.
2.2 Superkondenzatori Superkondenzator je elektrokemijski kondenzator i koristi drugačiji način pohrane naboja.
Superkondenzatori ne sadrže standardni dielektrik, a kapacitet je određen elektrostatičkim
kapacitetom u Helmholtzovoj dvoslojnoj strukturi između površina vodljive elektrode i elektrolita te
elektrokemijskim pseudokapacitetom. Napon na kondenzatoru linearan je odnosu na količinu
pohranjene energiju. Taj linearni gradijent napona razlikuje se od punjivih elektrokemijskih baterija
gdje napon između krajeva ovisi o količini pohranjene energije, dajući relativno stalan napon.
2.2.1 Elektrostatički dvoslojni kapacitet
Električki dvosloj u elektrokemijskim superkondenzatorima je struktura koja se nalazi između
vodljive elektrode i okolnog elektrolita. Kad se dovede napon generiraju se dva sloja iona, odnosno
električki dvosloj. Jedan sloj je površina rešetkaste strukture elektrode, dok drugi sloj, sa suprotnim
polaritetom, nastaje u elektrolitu (Slika 2). Ta dva sloja su razdvojena vrlo tankim slojem koji tvori
unutarnju Helmholtzovu ravninu (IHP). Ta ravnina odvaja suprotno polarizirane ione jedne od drugih.
Količina naboja na elektrodi odgovara veličini protunaboja u vanjskoj Helmholtzovoj ravnini(OHP).
Ovaj fenomen pohranjuje električni naboj kao i standardni kondenzator. Električni dvosloj formira
U
QC
(1)
d
AC
(2)
ESR
UP
4
2
max (4)
Slika 1. Standardni pločasti kondenzator
statičko električno polje u sloju molekula otapala
u IHP ravnini koji odgovara veličini dovedenog
napona.
Debljina nabijenog sloja na metalnoj elektrodi je
reda 0.1 nm. Ona uglavnom ovisi o gustoći
elektrona zato što su atomi u kristalnoj strukturi
elektrode stacionarni. U elektrolitu, debljina sloja
ovisi o veličini molekule otapala, gibanju i
koncentraciji iona u otapalu i reda veličine je od
0.1 do 10 nm. Vrlo mala debljina separatora
stvara vrlo snažno eletrično polje E između
odvojenih slojeva. Za npr. razliku potencijala od
2V i debljine separatora d=0.4 nm, električno polje iznosi:
mmkVnm
V
d
UE /5000
4.0
2
(5)
Električni dvosloj je kao dielektrični sloj kod standardnih kondenzatora, ali debljine jedne molekule.
Helmholtzov model pretpostavlja stalni diferencijski kapacitet Cd (4) neovisan o gustoći naboja,
ovisan o dielektričnoj konstanti ε i naboju odvojnog sloja δ.
4dC
(6)
Kapacitet se također može dobiti kao i kod standardnog kondenzatoru pomoću izraza (2). Kapacitet je
veći u superkondenzatorima napravljenih od materijala visoke permitivnosti, elektroda velike
površine i vrlo male udaljenosti između ravnina. Npr. površina aktivne ugljikove elektrode je od 10 do
40 μF/cm2.
Slika 3. Raspodjela iona tijekom pražnjenja (desno) i punjenja (lijevo) superkondezatora
Elektrokemijski kondenzator je sastavljen od dvije elektrode (slika 3), raspodjela naboja
Helmhotzovog sloja na jednoj elektrodi je zrcaljena u drugom Helmhotzovom sloju na drugoj
elektrodi, ali sa suprotnim polaritetom. Iz toga proizlazi da je ukupni kapacitet dvosloja rezultat dva
Slika 2. Helmholtzov model električkog dvosloja
serijski spojena kondenzatora. Ta dva Helmholtzova sloja odvojena su separatorom, odnosno tankom
membranom koja propušta ione i sprječava gibanje elektrona čime se ostvaruje električna izolacija
između dvije elektrode.
2.2.2 Elektrode
Elektrode su tipično napravljene od porozonog, spužvastog materijala kao što je aktivni ugljik sa
visokom specifičnom površinom. Takve elektrode su uglavnom tanki premazi preko vodljivog,
metalnog, strujnog kolektora. Zahtjevi za elektrode su raznovrsni. One moraju pokazati dobru
vodljivost, stabilnost pri visokim temperaturama, kemijsku stabilnost, otpornost na koroziju i velikih
površna po jednici volumena i mase. Ostali zahtjevi uključuju zaštitu okoliša i niske cijene.
Kao i kod standardnih kondenzatora, količina pohranjenog naboja po jednici napona je funkcija
površine elektrode i recipročne vrijednosti debljine dvosloja. Visoki kapacitet zahtijeva elektrode sa
najvećom mogućom površinom u najmanjem volumenu i vrlo tanki tanki dvosloj.
Općenito, što su manje pore elektrode, to su veći kapacitet i gustoća energije. Kakogod, manje pore
povećavaju ESR i smanjuju gustoću snage. Aplikacije sa visokim maksimumima („špicevima“) struje
zahtijevaju elektrode s većim porama i malim unutarnjim gubitakom, dok aplikacije koje zahtijevaju
manju gustoću energije trebaju elektrode s malim porama. Veličina pora u ugljiku kreće se od 2nm –
50nm.
Slika 4. Napunjeni kondenzator, raspodjela napona i ekvivalentni krug
Dvije elektrode tvore serijski krug sa dva posebna kondenzatora C1 i C2 . Ukupni kapacitet se računa
prema izrazu(7)
21
21
CC
CCCuk
(7)
Superkondenzatori mogu biti konstruirani sa simetričnim ili asimetričnim elektrodama. Simetrične
elektrode imaju isti iznos kapaciteta, dok za asimetrične to nije slučaj. U slučaju simetričnih elektroda
ukupni kapacitet Cuk iznosi pola kapaciteta jedne elektrode, dok u slučaju asimetričnih elektroda
ukupni kapacitet može biti jednak kapacitetu jedne elektrode što je dvostruko više.
Najčešće korišteni materijali u proizvodnji superkondenzatora je ugljik u raznim oblicima kao što su
aktivni ugljik, ugljična vlakna, ugljikov aerogel, grafit i ugljične nanocijevi (slika 5).
Slika 5. Aktivni ugljik (desno), aerogel (sredina) i ugljične nanocijevi(lijevo)
2.2.3 Elektrolit
Elektrolit sadrži otapalo i otopljene tvari koje se razdvoje u pozitivne katione i negativne anione
stvarajući elektrolit električki vodljivim. Što više iona elektrolit sadrži, to je bolja vodljivost. Elektroliti
su električki vodljivi spoj između dvije elektrode. U superkondenzatorima elektrolit sadrži molekule ta
odvojni (IHP) sloj u Helmholtzovom dvosloju. Elektrolit definira karakteristike kondenzatora, njegov
radni opseg, temperaturni opseg, ESR i kapacitet.
U superkondenzatorima koriste se dvije vrste elektrolita: organski i razvodnjeni. Voda je relativno
dobro otapalo neorganskih tvari. Voda tretirana kiselinama (npr. sumporna kiselina), lužinama (npr.
kalijev hidroksid) ili solima (npr. natrijev perklorat, litijev perklorat, litijev heksafluorid arsenat) pruža
relativno visoku vodljivost od otprilike 100 do 1000 mS/cm. Razvodnjeni elektroliti imaju napon
razdvajanja 1.15V po elektrodi (2.3 napon kondenzatora) i relativno mali temperaturni raspon i
koriste se u superkondenzatorima male gustoćom energije i velike gustoće snage.
Elektroliti sa organskim otapalima kao što su propilen karbonat, aceton, dietil-karbonat i otopine s
amonijevim solima su skuplji od razvodnjenih elektrolita, ali imaju veći napon razdvajanja od tipično
1.35V po elektrodi i veći temperaturni raspon. Manja električna vodljivost organskih otapala rezultira
manjom gustoćom snage. Kako se gustoća energije povećava s kvadratom napona, superkondenzator
sa organiskim otapalom ima veću gustoću energije.
2.2.4 Separator
Separator fizički odvaja dvije elektrode tako da omogućuje gibanje nabijenih iona,a spriječava
elektronski kontakt između elektroda. On može biti vrlo tanak i mora biti jako porozan na vodljive
ione kako bi smanjio ESR. Nadalje, on mora biti kemijski inertan kako bi održio stabilnost elektorlita i
održao njihovu vodljivot. Jefitni superkondenzatori koriste papir, dok oni sofisticiraniji koriste
porozne polimerne filmove poput poliakrilkarbonata, staklena vlakna ili porozna keramička vlakna.
3. Električni parametri superkondenzatora
3.1 Kapacitet Kapacitet je naveden kao nazivni kapacitet CR i to je vrijednost za koju je namijenjen kondenzator.
Pravi kapacitet mora biti unutar granica tolerancije kapaciteta. Tipične vrijednosti kapaciteta
superkondenzatora su u rangu Farada (F) i redovito su 3 do 6 reda veličine veći od elektrolitskih
kondenzatora.
Kapacitet standardnog kondenzatora obično se mjeri malim izmjeničnim napona i frekvencijom 100
kHz ili 1 kHz, ovisno o vrsti kondenzatora. Takvo mjerenje kapaciteta nudi brze rezultate. No,
vrijednost kapaciteta uvelike ovisi o mjernoj frekvenciji koja ovisi o strukturi porozne elektrode i
pokretljivosti iona u elektrolitu. Na niskim frekvencijama vrijednost izmjerenog kapaciteta padne sa
100% DC vrijednosti na oko 20% DC vrijednosti. Ova snažna ovisnost frekvencije može se objasniti
različitim udaljenostima iona koji se kreću u porama elektroda. Područje na početku pore je lako
dostupno ionima. Mala udaljenost popraćena je niskim električnim otporom. Što je veća udaljenost
iona, to je otpor veći. Ovaj fenomen može se opisati nizom kaskadno spojenih RC elementa sa
serijskom vremenskom konstantom. To rezultira odgođenim tokom struje, čime se smanjuje ukupna
površina elektrode koja može biti prekrivena ionima ako se polaritet promijeni – kapacitet se
smanjuje povećanjem frekvencije.
Slika 7. Ilustracija uvjeta za mjerenje kapaciteta
Eletrični paramatri moraju se mjeriti posebnom stalnom strujom punjenja i pražnjenja definiranim
IEC standardima.
Slika 6. Ekvivalentni krug sa kaskadnim RC elemntima(desno); Frekvencijska ovisnost kapaciteta(lijevo)
3.2 Radni napon Superkondenzatori su komponente niskog napona. Sigurni rad zahtijeva da napon ostane unutar
određenih granica. Nazivni napon je najveća vrijednost DC napona ili vrha naponskog impulsa koji se
može primijeniti kontinuirano unutar određenog temperaturnog raspona. Kondenzator nikada ne bi
trebao biti podvrgnut naponu većem od nazivnog.
Nazivni napon ima sigurnosni odmak od kemijski ograničenih stanja, odnosno probojni napon
elektrolita na kojem se elektrolit razgrađuje. Probojni napon u Helmholtzovom sloju razdvaja vodu u
vodik i kisik na naponu od 1.2V. Molekula otapala se zatim razbije i ne može se odvojiti električni
naboj jedan od drugoga. Kako kondenzator ima dvije elektrode, probojni napon leži iznad 2.4V.
Nazivni napon kod superkondenzatora sa razvodnjim elektrolitom je ograničen na 2.4V, dok je kod
superkondenzatora sa organskim elektrolitom ograničen na 3,6V.
Rad superkondenzatora ispod nazivnog napona poboljšava električne parametre. Kapacitet i
unutarnji otpor su stabilniji, a životni vijek i ciklusi punjenja/pražnjenja mogu se povećati. Takvi niski
naponi su općenito manji nego što aplikacije zahtijevaju i zbog toga se serijski spajaju ćelije kako bi se
dobio traženi napon.
3.3 Unutarnji otpor S električnim modelom kaskadnih, serijski spojenih RC
elemenata u porama elektroda, unutarnji otpor
povećava se sa povećanjem ulaska nositelja naboja u
pore. Unutarnji otpor je vremenski ovisan i povećava
se tijekom punjenja/pražnjenja. Unutarnji otpor Ri (8)
može se izračunati iz pada napona ΔV2 u trenutku
pražnjenja počinjući sa stalnom strujom pražnjenja
Ipražnjenja. To se dobije u sjecištu pomoćne linije od
ravnog dijela i vremenske baze u trenutku početka
pražnjenja (slika 8).
pražnjenja
iI
VR 2
(8)
Unutarnji otpor ne smije se miješati sa ESR. ESR je puno manji od unutarnjeg otpora i mjeri se na
frekvenciji od 1kHz.
Unutarnji otpor određuje nekoliko svojstva
superkondenzatora. On ograničava maksimalnu struju
punjenja i pražnjenja te utječe na vremensku konstantu koja određuje vrijeme punjenja/pražnjenja.
3.4 Struja opterećenja i stabilnost ciklusa
Budući da superkondenzatori rade bez formiranja kemijskih veza, struja opterećenja, uključujući
punjenje i pražnjenje nisu ograničeni. Struja opterećenja i stabilnost ciklusa su puno veći nego kod
baterija.
Slika 8. Mjerenje unutarnjeg otpora superkondenzatora
Struja opterećenja je jedino ograničena unutarnjim otporom, koji je puno manji nego kod baterija.
Unutarnji otpor Ri i struje punjenja/pražnjenja stvaraju unutarnji gubitak topline Ploss.
2IRP iloss (9)
Toplina općenito definira životni vijek kondenzatora zbog elektrolitske difuzije. Dopuštena toplina
tereta koja ima samo mali utjecaj na očekivani životni vijek treba biti manja 5 do 10K na maksimalnoj
temperaturi okoline. Iz tog razloga, navedene struje punjenja i pražnjenja s čestim ciklusima
punjenja/pražnjenja određene su unutarnjim otporom.
Slika 9. Ciklus punjenja/pražnjenja superkondenzatora i baterija
Važni čimbenici ciklusa su struja punjenja/pražnjenja, duljina impulsa i frekvencija. Oni su određeni u
određenom temperaturnom rasponu s punim naponskim rasponom za definirani životni vijek.
Općenito, manja struja opterećenja povećava životni vijek kondenzatora a povećava broj mogućih
ciklusa.
Superkondenzatori mogu potencijalno podržati više od milijun cikluca punjenja/pražnjenja bez pada
gubitka kapaciteta ili povećanja unutarnjeg otpora. To je još jedna prednost superkondezatora.
3.5 Gustoća snage i gustoća energije Superkondenzatori zauzimaju prazninu između snažnih elektrolitskih kondenzatora male energije i
punjivih baterija male potrošnje i velike energije (slika 10).
Slika 10. Smještaj superkondenzatora u ovisnosti o gustoći energije i gustoći snage
Količina energije pohranjena u superkondenzatoru naziva se specifična energija. Energija Wmax
kondenzatora dana je izrazom (10)
2
max2
1UCW uk
(10)
Gustoća snage je količina energije koju izvor može predati teretu u jedinici vremena po jedinici mase
ili volumena. Najveća snaga može se odrediti iz izraza (11)
iR
UP
2
max8
1
(11)
Gustoća snage superkondenzatora je tipično 10 do 100 puta veća nego kod baterija.
3.6 Životni vijek Superkondenzatori imaju životni vijek puno dulji nego bateria. Budući da superkondenzatori ne ovise
o kemijskim promjenama u elektrodi, životni vijek uglavnom ovisi o isparavanju elektrolita tijekom
vremena. Isparavanje elektrolita je funkcija temperature, struje opterećenja i napona. Struja
opterećenja uzrokuje unutarnje zagrijavanje tako da je temperatura ispravanja zbroj temperature
okoline i unutarnje topline. Napon je odgovoran za stvaranja plinove koji reduciraju tekućinu
elektrolita te tako smanjuju životni vijek.
Životni vijek može se procjeniti prema sljedećem izrazu (12)
100
0
2xTT
x LL
, (12)
gdje je Lx procijenjeni životni vijek, L0 određeni životni vijek od proizvođača, T0 nazivna temperatura i
Tx trenutna radna temperatura .
3.7 Samopražnjenje Pohranom električne energije u dvosloju odvajaju se nosioci naboja udaljavanjem od pora elektroda.
Kako su ove udaljenosti male, mogu se pojaviti nepravilnosti koje vode do male izmjene nosioca
naboja i postepenog pražnjenja. To samopražnjenje naziva se struja curenja. Curenje ovisi o
kapacitetu, naponu, temperaturi i kemijskoj stabilnosti spoja elektroda-elektrolit. Na sobnoj
temeperaturi, curenje je tako malo da se navodi vrijeme do samopražnjenja. Vrijeme samopražnjenja
superkondenzatora izražava se u satima, danima ili tjednima.
3.8 Polaritet Iako se katode i anode za simetrične superkondenzatore sastoje od istog materijala, teoretski
superkondenzator nema pravi polaritet. Ako se okrene smjer punjenja, superkondenzatoru će se
smanjiti kapacitet, ali neće doći do katastrofalnog ishoda. Preporuča se održavati polaritet elektroda
formiran tijekom proizvodnje. Asimetrični superkondenzatori su inherentno polarni.
4. Primjena Primjena superkondenzatora kao uređaja za pohranu energije se od svojih početaka pa sve do danas
raširila na mnoge grane industrije i potrošačke elektronike. Tako se superkondenzator ugrađuje
udaljene sustave za nadgledanje i mjerenje, digitalne kamere, kao izvanredni izvor energije u
avionima za otvaranje vrata, u vjetroelektranama, automobilskoj industriji i sl. Superkondenzator je
prikladan izvor energije kadgod je potrebno trošilu predati veliku snagu ili pohraniti energiju.
5. Zaključak Superkondenzatori su jedinstveni električki uređaji za pohranu energije koji mogu pohraniti puno više
energije nego standardni kondenzatori te pružiti veću gustoću snage nego baterije. U kombinaciji s
baterijom superkondenzator podiže trenutnu maksmalnu snagu baterije te produljuje njen životni
vijek. Životni vijek samog superkondenzatora, kao i broj ciklusa punjenja/pražnjenja su do nekoliko
redova veličine veći od baterija. Prednosti superkondenzatora u odnosu na baterije su dug životni
vijek, mali ESR, brzo punjenje/pražnjenje, jednostavna metoda punjenja, isplativa pohrana energija,
smanjeni propad napona, vrlo velik broj ciklusa punjenja pražnjenja, prošireni radni temperaturni
opseg, sigurnost... dok su mu mane mala gustoća energije, mali napon te veće samopražnjenje.
6. Literatura [1] http://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor
[2] http://whatis.techtarget.com/definition/ultracapacitor
[3] http://www.cellergycap.com/index.php?option=com_content&view=article&id=17&Itemid=
3
[4] http://www.altomelbilen.dk/presentationer/Maxwell,%20ultracapacitors.pdf
[5] http://www.tecategroup.com/app_notes/0_Tecate_Group_What%20is%20an%20ultracapac
itor.pdf
[6] http://powerelectronics.com/content/ultracapacitor-technology-powers-electronic-circuits
[7] http://energyphysics.wikispaces.com/Ultracapacitors
[8] http://www.mondragon.edu/en/phs/research/research-lines/electrical-energy/news-
folder/workshop/Mondragon%202012_06_22_Gallay.pdf
[9] http://www.maxwell.com/ultracapacitors/