Někteří výrobci je již vyrábějí i několik let, ale dá se říct, že až v současné době začínají být výrazněji využívány. Začíná totiž klesat jejich cena, i když vydat částku cca 3000,- Kč za kondenzátor se může většině lidí zdát divné. Jenže když tento kondenzátor má kapacitu několik tisíc Faradů, tedy označuje se jako ultrakondenzátor, hned musí být každému jasné, že to je něco výjimečného. Ale jak to známe z blízké historie, za pár let bude stát pár stovek a budou ho využívat i amatérští bastlíři. Ostatně již teď je lze v ČR koupit např. kondenzátory WIMA s kapacitou až 600 F v e-shopu české pobočky prodejce Conrad (např. http://www.conrad.cz/supercap-pametove-kondenzatory.k450816).

Na druhou stranu kapacita těchto kondenzátorů půjde jistě ještě nahoru (např. společnost WIMA na svých stránkách již letos nově nabízí až 6500 F) a spotřeba elektroniky rychle dolů, takže mám právo se domnívat, že již v blízké budoucnosti se možná dočkáme i napájení některé kapesní elektroniky ultrakondenzátory místo současných elekrochemických baterií. Ultrakondezátory totiž proti nim mají některé nesporné výhody.

Porovnání ultrakondenzátory vs. akubaterie

Výhody:

• 

  velký vybíjecí proud (až mnoho stovek A !),
• možnost velmi rychlého nabíjení (i jen několik desítek sekund),
• velká životnost z pohledu počtu nabití / vybití (přes 500 000x),
• delší časová životnost (i více než 10 let),
• větší el. výkon kW/kg,
• větší odolnost vůči prudkým změnám teploty,
• nižší hmotnost,
• bez nutnosti údržby,
• velká odolnost proti vznícení.

Nevýhody:

• s vybíjením rychle klesá napětí,
• menší kapacita energie Wh/kg,
• zatím dražší výroba.

Podobné vlastnosti:

• max. napětí obvykle cca 2,5 až 2,7 V.

Porovnání aktuálních hodnot kapacity klasických elektrolytických kondenzátorů (Aluminium condenser), ultrakondenzátorů s technologií EDLC a nabíjecích baterií (Secondary Battery).

Použití ultrakondenzátorů

Z výše uvedených bodů jasně vyplývají možnosti použití a náhrady baterií ultrakondenzátory. Aktuální stav je takový, že díky velmi rychlému nabíjení a možnosti krátkodobého zatížení (vybíjení) proudy až jednotek tisíc A vynikají jako krátkodobé a pulsní záložní zdroje pro velmi náročné spotřebiče el. energie, které se zejména vyznačují vysokým špičkovým zatížením, když průměrná spotřeba je výrazně nižší. Těmi například jsou velmi výkonné elektromotory, například takové jaké jsou dnes využívány v elektromobilech či ještě běžněji vlacích a lodích, tedy o výkonu nejen desítek, ale i tísíců kW. S pomocí ultrakondenzátorů, lze tyto vysokoampérové odběrové špičky, například při rozjedu elektromotorů snadno pokrýt a motor tím připojit i na výrazně slabší napájecí rozvod.

Možné je ale použití i jako „krátkodobý zdroj“ pro zařízení s trvale malým odběrem, která jsou například většinu času připojena na trvalý zdroj el. energie, ale je potřeba plná záloha napájení například pro dobu 15 minut. Typická situace je řídící jednotka průmyslových strojů, která by kvůli zajištění bezpečnosti měla běžet i alespoň nějaký čas po nečekaném výpadku napájení, či určitě by se i pro uživatele velkých kancelářských PC hodila schopnost běhu počítače i několik minut po výpadku napájení, např. pro potřeby uložení rozdělané práce. V tomto režimu běžné akumulátory, včetně těch Li-Ion, dost trpí, protože jsou většinu času jen dobíjeny a jen velmi málo času vybíjeny. To naopak vůbec nevadí ultrakondenzátorům. Navíc obvykle vyžadují o dost menší prostor a lze je přímo snadno zapájet do desek plošných spojů.

Dalšími typickými příklady použití jsou aplikace typu spuštění mikroturbíny, rozběh palivového článku, k výrobě elektrické energie na vrtných plošinách, plynových čerpacích stanicích, v nemocnicích, apod., spouštění dvouválcových spalovacích motorů pro pohon generátorů, rekuperace energie pro efektivní zpětné využití energie z brždění velkých vozidel a v železničním provozu nebo ukládání elektrické energie z fotočlánku a její poskytnutí v případě potřeby.

Příklady hodnoty sortimentu ultrakondenzárorů společnosti Samxon Electronics.

Pracovní princip  a struktura ultrakondenzátorů

Ultrakondenzátory využívají jinou strukturu než jim příbuzné elektrolytické kondenzátory. Nepoužívají klasické dielektrikum, ale elektrolyt (pevný nebo kapalný), který se nachází mezi dvěma aktivními elektrodami. Konkrétně jde strukturu označovanou zkratkou EDLC z anglického „Electrical Double Layer Capacitor“ (česky kondenzátor se dvěma elektrickými vrstvami).

V tomto systému se tedy využívá jevu zvaného elektrická dvojvrstva (Electrical Double Layer efekt), kde je ukládání náboje založeno na rozdělení a spojování iontů elektrolýzou elektrolytu na elektrodách. Přesněji řečeno jde o strukturu tvořenou jednou či jen pouze několik molekul tenkou vrstvou na rozhraní elektrolytu a elektrody, která na anodě kondenzátoru vytváří rozhraní z pozitivně nabitých „děr“ (ionty s kladným nábojem – „opak elektronů“) a negativně nabitých iontů a na katodě rozhraní elektronů a kladných iontů. Ionty se sem přemisťují z nitra (vnitřku) struktury po přiložení napětí na vnější elektrody (EDLC struktura se nabíjí). Takto vzniklá dvě rozhraní pak vytváří kondenzátor, protože kladný a záporný náboj vzájemně sobě množstvím zrcadlově odpovídá. Protože je mezi nimi vzdálenost pouze 1 nm, a protože celková hodnota kapacity kondenzátoru je úměrná převrácené hodnotě vzdálenosti, je tak mnohonásobně vyšší než například u elektrolytického kondenzátoru.

Základní popis funkce ultrakondenzátorů se strukturou EDL - vlevo: klidový stav bez nabití, uprostřed: rozdělení a nahromadění náboje na rozhraních přo nabíjení, vpravo: vybíjení.

To však není vše. Další zvýšení kapacity dochází vhodnou úpravou konstrukce struktury. Protože je EDLC dvojvrstva formována pouze na povrchu elektrod, jejich velikost také určuje množství akumulovaného náboje tak, jak to vyplývá z obecného vzorce pro výpočet kapacity. Proto je vhodné plochu co nevíce zvětšit. V tomto směru se zde využívá nových nanotechnologií v podobě tzv. aktivního uhlíku, konkrétně dnes v podobě uhlíkových nanotrubic či kulových tvarů, které mají stejné vlastnosti. Zatímco v případě elektrolytických kondenzátorů se problematika co největší plochy elektrody řeší svinutím dlouhého pásku struktury elektrod s dielektrikem do válečku, zde využívá ve vnitřním objemu ultrakondenzátoru (jeho elektrolytu) „roztroušených“ nanouhlíkových struktur, které tak vytváří velký aktivní povrch v objemu materiálu. Pro názorné přiblížení lze uvést přirovnání k pytlíku plnému rýže, kde každé zrno má svůj vlastní povrch a součet povrchů všech zrnek je výrazně větší než vnější povrch pytlíku v němž jsou zabalené. Protože povrch každého „zrnka“ nanouhlíkové struktury pracuje jako elektroda, která vytváří výše uvedené nábojové rozhraní, je celkový součet povrchu obrovský a z toho pramení i ona obrovská hodnota kapacity ultrakondenzátoru. Ta tak může být i v řádu mnoha tisíc Faradů. Aby se však elektrolyt s ionty dostal do všech míst musí být struktura velmi porézní, což však k tomuto účelu využívané tzv. CNT nanostruktury velmi dobře splňují. Konkrétně se například často využívá kulových nanostruktur o průměru 0,4 až 50 nm dělených do jednostěnné či vícestěnné uhlíkové trubice.

Velkokapacitní ultrakondenzátory EDLC maximalizují plochu aktivních elektrod použitím nanostruktur, které ve výsledku vytvářejí složitý, ale velký povrch, na němž vzniká aktivní rozhraní. Konečná rychlost pohybu iontů je z vnějšího pohledu interpretován jako vnitřní odpor struktury Rs. 

Struktura ultrakondenzátoru

Ultrakondenzátor s EDLC technologií se tak skládá z elektrod, elektrolytu a separátoru, který brání vzájemnému kontaktu elektrod. Elektrická dvojvrstva je pak formována na povrchu elektrod, kde dochází k jejímu kontaktu s elektrolytem. Elektrody jsou v podobě velmi pórovitého materiálu ve formě prášku či nanostruktur. Porézní hliník se pak využívá na základní „sběrné elektrody“ kondenzátoru a elektrolyt, který se nachází mezi aktivovanými uhlíkovými nanostrukturami, se často využívá v tekuté formě při běžné teplotě. Díky nízkému vypařovacímu tlaku je také velmi odolný proti vzplanutí. Celá kompletní struktura pak vykazuje velmi nízkou hmotnost, kompaktní rozměry a větší odolnost proti okolním podmínkám, než např. baterie.

Základní části ultrakondenzátoru s technologií EDLC: sběrné elektody (collector), separátor (separator), eleklektrolyt (elektrolyte) a hlavně aktivní elektrody tvořené aktivovanými uhlíkovými nanostrukturami (activated carbon Electrode).

Náhradní elektrické schéma

Obecné náhradní schéma EDLC struktury lze modelovat kapacitou anody a katody C1 a C2, odporem mezi aktivními elektrodami (Rs) tvořeného elektrolytem a způsobeným rychlostně limitovaným pohybem iontů a odporem sběrných elektrod (Re).

Náhradní elektrický obvod ultrakondenzátoru v jednodušší podobě.

Vybíjení a nabíjení

Ultrakondenzátory s EDLC strukturou se i přes velkou kapacitu stále při nabíjení a vybájení chovají jako klasické kondenzátory, tedy oproti bateriím jejich svorkové napětí při vybíjení rychle klesá. Úbytek napětí lze zhruba spočítat ze vztahu: Vdrop = I(R+t/C), kde R je hodnota vnitřního odporu ESR, C kapacita kodenzátoru, I je konstantní odebíraný proud a t doba vybíjení. 

Základná vztahy popisující vybíjení kodenzátoru konstatním proudem (nahoře) a konstantním výkonem (dole) při uvažování vnitřního odporu kondenzátoru ESR.

Vnitřní odpor ESR pak také v praxi hlavně určuje maximální vybíjecí proud. Maximální doporučený nabíjecí proud I je pak obecně definován vztahem I = Vw/5R, kde Vw je nabíjecí napětí a R je vnitřní odpor kondenzátoru ESR. Překročení tohoto proudu pak kondenzátor přehřívá a tím se mimo jiné právě zvyšuje hodnota ESR.

Proto u pulsní zátěže s krátkodobým vysokým odběrem je nutné volit hlavně provedení s co nejnižší hodnotou ESR, zatímco u pomalého vybíjení malým proudem je více důležitá co největší kapacita. ESR se v současné obecně pohybuje v řádu jednotek až desítek miliohmů a kapacita cca 1F až cca 3000 Faradů.

Dále se pak na vybíjení negativně podílí vliv teploty a opotřebení kondenzátoru.

Polarita ultrakondenzátorů

Kondenzátory struktury EDLC jsou vyráběny se symetrickým uspořádáním. Když jsou však prvně použité, jejich elektrodám musí být natrvalo přiřazen kladný a záporný pól. Protože kondenzátory jsou u výrobce při výrobě obvykle testovány, jsou již podobně jako elektrolytické kondenzátory prodávány jako polarizované a i při celém vybití vždy stále v nich zůstává malé množství náboje. V praxi však obvykle snesou vybíjení až na –2,5 V bez trvalého poškození. Větší přepólování pak již může mít vliv na jejich životnost a čím déle jsou však tyto kondenzátory jednostranně nabíjeny a vybíjeny, tím více jsou vnitřně polarizované a každé přepólování pak tím více snižuje jejich životnost.

Závěr

Ultrakondenzátory založené na technologii EDLC dnes vynikají ještě donedávna neuvěřitelnou kapacitou. Díky tomu umožňují svojí uchovanou energií dobře zálohovat krátkodobé výpadky napájení (krátkodobé UPS) či okamžitě pokrýt úseky zvýšené spotřeby v tomto směru náročných zařízení. U nich pak trvalá napájecí soustava nemusí být zbytečně předimenzována. Také po snížení jejich ceny se mohou trvale zabydlet jako záložní zdroje pamětí, které dnes jsou obvykle realizovány lithiovou knoflíkovou baterií či NiMh akumulátorem. Není nutné se za celou životnost zařízení o ně starat, a prostě dodávají energii jen, když to je opravdu nutné. 

V blízké budoucnosti tak pravděpodobně oblast krátkodobého napájení obsadí ultrakondezátory, zatímco doménou baterií, včetně těch nabíjecích, zůstane oblast dlouhodobého napájení mobilních zařízení. V některých aplikacích, jako jsou například elektromobily, pak nejvíce vyhovuje kombinace obou technologií, kdy ultrakondenzátory snadno pokryjí rozjezdy a akceleraci a lze je snadno rychle dobít při brždění, zatímco akumulátory pokryjí spotřebu v době plynulé jízdy.

Odkazy:

• http://www.wima.com/EN/tpl_products_supercap_overview.htm
• http://www.kawarada-lab.com/english/research/Carbon_nanotubes/Application_to_electrode.html
• http://global-sei.com/news/press/12/prs032_s.html
• http://www.maxwell.com/ultracapacitors/
• http://www.murata-northamerica.com/murata/murata.nsf/promo_edlc_technicalguide.pdf
• M. Endo, T. Takeda, Y. J. Kim, K. Koshiba and K. Ishii: „High Power Electric Double Layer Capacitor (EDLC’s); from Operating Principle to Pore Size Control in Advanced Activated Carbons“, Faculty of Engineering, Shinshu University, Nagano, Japan
• Takaya Sato, Shoko Marukane and Takashi Morinaga: „Ionic Liquids for the Electric Double Layer Capacitor Applications“, Tsuruoka National College of Technology, Japan
• http://www.conrad.cz/supercap-pametove-kondenzatory.k450816