Potřeba spolehlivých úložišť energie dramaticky vzrostla v důsledku vzestupu internetu věcí (IoT), průmyslového internetu věcí (IIoT) i přenosné elektroniky. Z větších aplikací jsou to průmyslové závody a datová centra. Baterie poskytují přímé napájení pro menší zařízení, zatímco úložiště ve větších aplikacích se často používají pro zálohování v případě výpadku primárního napájení.

Malá zařízení často spoléhají na lithium-iontové (Li-ion) nebo alkalické knoflíkové baterie k dosažení malých rozměrů a minimální údržby. Li-ion články vyžadují pečlivou pozornost s ohledem na limity nabíjecích cyklů a bezpečnosti. Velkým bateriím, používaným pro zálohování hrozí v případě rychlého a hlubokého nabíjení a vybíjení ztráta kapacity a musí být vyměněny. Tyto baterie také vyžadují složité systémy správy baterií. Navíc u nich hrozí nekontrolovatelné samovolné přehřívání, neboli „thermal runaway“, což s sebou nese bezpečnostní rizika.
Superkondenzátory jsou šetrné k životnímu prostředí, nehrozí u nich samovolné přehřívání a mohou spolehlivě fungovat až 20 let. Mohou být použity jako jediný způsob skladování energie, v kombinaci s bateriemi nebo jako hybridní zařízení pro optimalizaci dodávky energie.

Baterie a superkondenzátory plní podobné funkce napájení, ale fungují odlišně. Superkondenzátor pracuje jako klasický kondenzátor, čili při vybíjení konstantním proudem dochází k lineárnímu poklesu napětí. Na rozdíl od baterie je akumulace energie v superkondenzátoru elektrostatická, nedochází k žádným chemickým změnám a nabíjení / vybíjení jsou zcela reverzibilní. To znamená, že snese větší počet cyklů nabití/vybití. Baterie ukládá energii elektrochemicky a při vybíjení téměř neklesá její napětí dokud není úplně vybitá. Kvůli degradaci chemických mechanismů uvnitř baterie je počet cyklů nabití/vybití v Li-ion baterii omezený. Bohužel dochází k postupnému snížení kapacity baterie díky teplotě, nabíjecímu napětí a hloubce vybití.

Li-ion baterie vyžadují pečlivou pozornost při nabíjení a vybíjení. Je důležité hlídat jejich teplotu, jelikož pokud teplota baterie překročí hodnotu pro bezpečný provoz, dochází ke zrychlené degradaci jednotlivých článků. Tato degradace při vyšších teplotách má kladnou zpětnou vazbu a může končit až protržením, zahořením či explozí článku. Tomuto procesu se říká thermal runaway, neboli nekontrolovatelné přehřívání. Z tohoto důvodu baterie vyžadují monitorování teploty, aby byla zajištěna bezpečnost uživatele.

Elektrické dvouvrstvé kondenzátory (EDLC - Electric double-layer capacitors) neboli superkondenzátory tímto nežádoucím jevem netrpí a navíc jsou šetrné k životnímu prostředí, jsou schopny spolehlivě fungovat až 20 let.  Tento článek stručně popisuje superkondenzátory, které se někdy označují názvem „supercaps“ a jako příklad jsou použity superkondenzátory od Eatonu.

Porovnání vlastností superkondenzátoru a Li-ion baterie

Baterie poskytují vysokou hustotu energie. Superkondenzátory mají nižší hustotu energie než baterie, ale vysokou hustotu výkonu, protože se mohou téměř okamžitě vybít. Elektrochemické procesy v baterii vyžadují více času, než dodají energii do zátěže.

Obrázek 1: Srovnání vlastností superkondenzátorů a Li-ion baterií. (Zdroj obrázku: Eaton)

Porovnání hustoty energie ve watthodinách na litr (Wh/L) a hustoty výkonu ve wattech na litr (W/L) ukazuje nejvýznamnější rozdíl. Tento parametr ovlivňuje doby vybíjení. Superkondenzátory jsou určeny k dodávání energie v krátkých intervalech (přechodné události), zatímco baterie se vypořádávají s dlouhými událostmi. Superkondenzátor se vybije během několika sekund nebo minut, zatímco baterie může dodávat energii celé hodiny. Tato vlastnost ovlivňuje jejich způsob použití v aplikaci. Superkondenzátory obecně jsou vhodné do aplikací, kde je vyžadován širší rozsah provozních teplot. Jejich téměř bezeztrátové elektrostatické procesy také přispívají k jejich vyšší účinnosti a rychlejšímu nabíjení.

Příklady superkondenzátorů

Eaton nabízí kompletní řadu spolehlivých superkondenzátorů pro aplikace vyžadující vysokou hustotu výkonu a rychlé nabíjení. Pouzdra superkondenzátorů se někdy shodují s pouzdry baterií, například knoflíkové články. Superkondenzátory jsou také k dispozici ve standardních válcových pouzdrech jako klasické kondenzátory (obrázek 2).

Obrázek 2: Superkondenzátory jsou dostupné ve standardních válcových kondenzátorových pouzdrech s radiálními vývody. Některé jsou však zabaleny tak, aby odpovídaly formátu knoflíkových článků Li-ion baterie. (Zdroj obrázku: Eaton)

TV1030-3R0106-R zobrazený na obrázku 2 (vlevo) je superkondenzátor s kapacitou 10 F a s maximálním pracovním napětím 3 V. Je zabalen do válcového pouzdra s radiálními vývody o průměru 10,5 mm a výšce 31,5 mm. Je vhodný pro provozní teploty od -25 °C do +65 °C a pokud je pracovní napětí sníženo pod 2,5 V, tak se provozní teplota rozšíří na -25 °C až +85 °C. Dokáže uložit 12,5 mWh energie s výstupním špičkovým výkonem 86,5 W. Je dimenzován až na 500 000 cyklů nabití/vybití. Tento superkondenzátor je schopen nahradit knoflíkovou baterii v aplikacích jako je záložní napájení paměti.

KVR-5R0C155-R (obrázek 2, vpravo) je 1,5 F superkondenzátor dimenzovaný na maximální pracovní napětí 5 V. Rozměry pouzdra jsou podobné jako u 20 mm knoflíkového článku. Dokáže dodat špičkový výkon 0,208 wattu. Rozsah provozních teplot je -25 °C až +70 °C a je také dimenzován na 500 000 cyklů nabití/vybití.

Jak zvýšit hustotu energie superkondenzátoru?

Energie uložená v superkondenzátoru je úměrná jeho kapacitě a druhé mocnině napětí, na které je nabitý. Hustotu energie lze tedy zvýšit zvýšením počtem článků a jejich paralelním propojením. Vyšší hustoty energie lze dosáhnout vytvořením superkondenzátorových modulů s vysokou kapacitou a vyšším pracovním napětím (obrázek 3).

Obrázek 3: Hustotu energie superkondenzátoru lze zvýšit přidáním článků a zvýšením pracovního napětí. (Zdroj obrázku: Eaton)

PHVL-3R9H474-R (obrázek 3, vlevo) je superkondenzátor s kapacitou 470 mF a s pracovním napětím 3,9 V. Uvnitř se nachází dva články. Superkondenzátor má velmi nízký efektivní sériový odpor (ESR) 0,4 Ω. Díky tomu vykazuje velmi nízké ztráty a je schopen dodat špičkový výkon 9,5 W. Jeho rozsah provozních teplot je od -40 °C do +65 °C. Stejně jako výše uvedené superkondenzátory je dimenzován na 500 000 cyklů nabití/vybití. Je umístěn do pouzdra o rozměrech 14,5 x 17,3 x 9,0 mm.

Modulární sady superkondenzátorů jsou schopny dodávat značné množství záložní energie. Například XLR-16R2507B-R (obrázek 3, vpravo) má kapacitu 500 F a pracuje s maximálním napětím 16,2 V. Modul má ESR 1,7 mΩ a může dodávat špičkový výkon 38,6 kW. Rozsah provozních teplot je -40 °C až +65 °C. Pouzdro má rozměry 177 x 417 x 68 mm.

Hybridní superkondenzátory

Snahy o spojení vlastností superkondenzátorů a Li-ion baterií vyústily v hybridní superkondenzátor nazvaný Li-ion kondenzátor (LiC). Ten nabízí vyšší hustotu energie než superkondenzátor a zároveň nabízí rychlejší dobu odezvy než baterie. LiC má asymetrickou strukturu využívající lithiem dotovanou grafitovou anodu a katodu s aktivním uhlím (obrázek 4).

Obrázek 4: Hybridní superkondenzátor spojuje vlastnosti superkondenzátoru a Li-ion baterie. Má vyšší počet cyklů nabíjení/vybíjení ve srovnání s baterií a vykazuje vyšší rychlost vybíjení. (Zdroj obrázku: Eaton)

Struktura hybridního superkondenzátoru spojuje elektrochemickou povahu lithiové baterie s elektrostatickými vlastnostmi superkondenzátoru. Pohyb náboje je elektrochemický proces, ale je prováděn s menší hloubkou než u baterie, a to má za následek zvýšený počet cyklů nabíjení/vybíjení a vyšší rychlosti vybíjení. Výsledný výbojový profil je velmi podobný superkondenzátoru.

Například HS1016-3R8306-R je hybridní superkondenzátor s kapacitou 30 F a provozním napětím 3,8 V. Je umístěn do válcového pouzdra s radiálními vývody. Jeho ESR je 0,55 Ω a je schopen dodat špičkový výkon 6,6 W. Rozsah provozní teploty se pohybuje od -15 °C až do +70 °C. Pokud je provozní napětí sníženo pod 3,5 V, lze jej použít v rozsahu teplot od -15 °C až do +85 °C. Jeho životnost je 1000 hodin při jmenovitém provozním napětí a maximální provozní teplotě. Pouzdro je průměru 10,5 mm a jeho výška je 18 mm. Tento hybrid je dimenzován na 500 000 nabíjecích/vybíjecích cyklů.

Charakteristiky hustoty energie a výkonu

Rozložení energie a hustoty výkonu nabízí přehled o jejich užitečnosti a efektivní době provozu (obrázek 5).

Obrázek 5: Graf hustoty energie vs. hustoty výkonu baterie a superkondenzátoru  poskytuje náhled na dobu jejich provozu. (Zdroj obrázku: Eaton)

Graf zobrazuje hustotu energie vs. hustota výkonu. Poměr těchto parametrů dává čas, který je také vykreslen v grafu. Zařízení s vysokou hustotou energie, ale nízkou hustotou výkonu v levém horním rohu. Zde patří palivové články a baterie. Zařízení s vysokou hustotou výkonu, ale nízkou hustotou energie jako jsou tradiční kondenzátory a superkondenzátory jsou zobrazeny v pravém dolním rohu. Mezi těmito skupinami (uprostřed) jsou hybridní superkondenzátory. Všimněte si časového měřítka každého z nich. Superkondenzátory mají provozní dobu několik sekund, hybridní minut a baterie hodin.

Aplikace, kde je vhodné použít superkondenzátor

Dobrým příkladem záložního napájení je záloha napájení paměti počítače. Dřív se používaly baterie, ale superkondenzátory je začínají nahrazovat, protože mají výrazně vyšší počet cyklů nabíjení/dobíjení. Navíc u superkondenzátorů není potřeba vyměňovat baterie po roce provozu. Superkondenzátory se také používají v návrzích IoT a IIoT, které spoléhají na získávání energie z prostředí (Harvesting). Podobné uplatnění nacházejí ve vozidlech, kde ukládají energii získanou z brzdění.

Superkondenzátory sice poskytují vysoký výstupní výkon ale jen po krátkou dobu. Lze je tedy použít k zajištění napájení v kritických situacích, kde je potřeba překlenout desetisekundové zpoždění, než se nouzový generátor připojí k síti. Superkondenzátor se dobíjí přibližně za stejnou dobu jako je doba používání a po výpadku napájení je tedy rychle zpět připraven k opětovnému použití.

Závěr

Superkondenzátory se používají jako doplněk k bateriím ve většině aplikací pro ukládání energie. Jejich vyšší výkon a rychlá doba nabíjení je činí ideální volbou pro krátkodobou podporu napájení. Supecaps se vyznačují vysokým počtem nabíjecích cyklů, aniž by došlo ke zhoršení jeho vlastností.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com