Чем конденсатор отличается от аккумулятора: Чем отличается конденсатор от аккумулятора: устройство и принцип работы – Чем обусловлены различия между аккумуляторами и суперконденсаторами / Habr

Чем отличается конденсатор от аккумулятора: устройство и принцип работы

Аккумуляторы и конденсаторы, при первичном рассмотрении выполняют сходную роль – и тот и другой вид накапливает и отдает электрическую энергию. Но, принцип и особенности действия у них различны. Главная задача аккумулятора сохранять заряд длительное время, а в случае конденсатора собрать определенный уровень и дать быстрый разряд с определенной силой тока. Чем отличаются эти детали по строению друг от друга лучше разбирать подробно, так как применение в электронных и электрических схемах различно.

Общий принцип действия

Основная задача батареи и конденсатора заключается в накоплении определенных объемов энергии. Но, дальнейшее направление этого запаса различно. В случае с аккумулятором – длительное сохранение заряда и дальнейшее питание электронных и электрических приборов, а для электроемкого элемента – кратковременное накопление. Они устроены по разному принципу, что заметно в их названиях.

Строение конденсатора

Конденсатор – латинское происхождение названия от слова condensatio, что означает накопление или конденсация энергии. Устройство этой электронной детали простое – 2 токопроводящие пластины, разделенные диэлектриком определенной плотности. В зависимости от габаритов обкладок и проводимости промежуточного материала изменяется емкость конденсатора. Принцип работы этого устройства следующий:

  1. Подаваемый ток воздействует на пластины и создает между ними разницу потенциалов.
  2. Наведенное магнитное поле принуждает к распределению электронов в диэлектрике в определенном порядке.
  3. Ориентация диполей внутри устройства компенсирует воздействие ЭДС собственным потенциалом.
  4. Накопленный заряд после отключения питания сохраняется на короткое время – зависит от использованных материалов и емкости.
  5. При подключении конденсатора к нагрузке, происходит стремительный сброс заряда.

Внимание!

От величины обкладок в строении такого элемента и уровня проницаемости использованного диэлектрика зависит его емкость. Но, при большем накоплении энергии увеличивается и сила исходящего тока при разрядке.

Строение аккумулятора

Аккумулятор – наименование также происходит от латинского accumulo, и переводится, как накапливаю, собираю, аккумулирую. Внутри этого электронного устройства присутствует вещество-электролит, анод и катод. При внешнем электрическом воздействии происходит химический процесс, который выступает основой накопления заряда. Разобрать работу аккумулятора можно на примере литий-ионного устройства:

  1. При подаче электричества на контакты батареи, между катодом (алюминий) и анодом (медь) возникает наведенный потенциал.
  2. Ионы лития, под воздействием ЭДС, встраиваются в кристаллическую решетку анода.
  3. Когда подключена нагрузка к контактам аккумулятора, происходит обратный процесс выделения ионов лития и встраивание в алюминиевую решетку.

Автомобильные батареи работают на сходном принципе, только в качестве катода и анода выступает свинцовая решетка. Для положительного заряда в ячейках присутствует спрессованный диоксид (PbO2), а для отрицательного контакта прессованный порошковый свинец. Наполнены такие батареи кислотным составом, который постепенно, за период пользования высыхает. Характерная особенность АКБ – необходимость контроля скорости заряда/разряда, соблюдение полярности контактов, а также силы тока.

Главные различия

Для конденсатора характерно кратковременное содержание накопленной энергии в готовом виде, которая может быть выброшена мгновенно при подключении нагрузки. В свою очередь, АКБ сохраняет запас тока на длительный срок в виде рассчитанной химической перестройки. Основные различия между электронными устройствами и особенностями их работы можно посмотреть в таблице:

Аккумулятор Конденсатор
Заряд сохранен в форме химического процесса Для накопления применен электрический потенциал диэлектрика
Высокая плотность сохраняемого запаса Низкая плотность с малым запасом
Только постоянный ток Можно применять с переменным током
Замедленное накопление заряда Ускоренная зарядка и разрядка

Внимание!

Фактически – в аккумуляторной батарее заряда нет. При подключении нагрузки электричество вырабатывается за счет перехода ионов от анода к катоду.

Вне зависимости от схожести в функции, аккумулятор и конденсатор имеют значительные различия по собственному устройству и применению. Как основную разницу можно выделить то, что в батарее нет постоянного запаса энергии – ее выработка происходит только при подключении нагрузки. Для конденсатора невозможна длительная разрядка – весь потенциал сходит за короткий период.

Загрузка…

Чем обусловлены различия между аккумуляторами и суперконденсаторами / Habr

Электрохимические источники питания используются сегодня повсеместно и имеют отличительные характеристики: ёмкость, или количество хранимой энергии, а также мощность, или возможность быстро отдавать или накапливать эту энергию (разрядка/зарядка на высоких токах). К тому же, для элементов питания очень важны безопасность и долговечность. В этом посте я расскажу, чем отличаются аккумуляторы и суперконденсаторы на химическом уровне, и как это влияет на их технические характеристики.

Начну я с аккумуляторов. На сегодняшний день чаще всего используются литий-ионные и никель-метал-гидридные (NiMH) аккумуляторы, но литий-ионные постепенно вытесняют NiMH по нескольким причинам. Во-первых, литий-ионные аккумуляторы более энергоёмкие. Это объясняется тем, что по сравнению с щёлочными электролитами NiMH, которые ограничивают напряжение ячейки в 1.2 V, электролиты литий-ионных аккумуляторов на основе карбонатов обеспечивают напряжение в 3V. А это означает меньшее количество ячеек, необходимых, чтобы достичь определённого напряжения, а также более компактные размеры, что для современных портативных электронных устройств просто необходимо. И, самое главное, по сравнению с NiMH, где используются сплавы с редкоземельными металлами, литий-ионные аккумуляторы содержат более дешёвые материалы.
Работа литий-ионных аккумуляторов выглядит следующим образом: ионы лития встраиваются в слоистый материал анода (чаще всего графит) или катода (оксиды переходных металлов) при зарядке и разрядке. Ёмкость определяется тем, сколько лития встроилось в электроды, и если ёмкость, как говорилось выше, у литий-ионных аккумуляторов хорошая, то с мощностью (это возможность аккумулятора быстро заряжаться и разряжаться на высоких токах, например, при разгоне и рекуперативном торможении в электромобилях) всё не так просто. Например, при слишком быстрой зарядке ионы лития не успевают встраиваться в кристаллы и образуют цепочки металлического лития (дендриты) на аноде, которы могут привести к короткому замыканию, особенно при низкой температуре. А слишком быстрая разрядке может разрушить кристалл катода и привести к преждевременному старению аккумулятора.

От чего же зависит мощность аккумулятора? Мощность аккумулятора зависит от нескольких параметров: проводимости электрода, состоящего из активного материала и добавок, скорости электрохимических процессов, проходящих в активных материалах, а также ионной проводимости электролита. Чтобы как-то улучшить мощность литий-ионных аккумуляторов, если подразумевается их использование на высоких токах, производители создают специальные, более тонкие электроды: они содержат меньше активного материала, но больше углеродных добавок. В результате повышается проводимость электрода, но, увы, уменьшая количество активного материала уменьшается и ёмкость. К тому же, даже если такая технология улучшает проводимость электродов, не стоит забывать и о других параметрах, влияющих на мощность, особенно медленное встраивание лития в кристаллы (диффузионныe затруднения), на которую данная технология никак не влияет.

Но тут нам на помощь приходят наноматериалы: для того, чтобы встроиться в нанокристалл, литию не надо продвигаться на большие расстояния, поэтому интеркаляция проходит гораздо быстрее.


Но увы, у наноматериалов также есть и недостатки, в частности, их повышенная химическая реактивность, которая уменьшает срок эксплуатации аккумулятора. В общем, пытаясь улучшить один из параметров аккумулятора, зачастую ухудшаются все остальные.

Но если аккумулятор всё-таки должен работать на очень высоких токах, при которых ни метод производства электродов, ни структуриривание активых материалов не помогают, на помощь приходит суперконденсатор. Суперконденсатор на первый взгляд напоминает аккумулятор: у него тоже есть два электрода, помещённых в электролит. Но это только на первый взгляд. На самом деле, энергию суперконденсатор хранит в виде слоя ионов, которые присоединяются к поверхности электродов (двойной электрический слой). Ёмкость таких устройств напрямую зависит от поверхности электрода, и в качестве активного материала зачастую используется активированный уголь. Так как, в отичии от литий-ионных аккумуляторов, в суперконденсаторах нет окислительно- восстановительных реакций и ионы не должны никуда встраиваться, зарядка и разрядка проходят намного быстрее, а сами устройства более долговечны.


Но почему же, имея такую замечательную мощность, суперконденсаторы не могут использоваться как самостоятельные источники питания вместо аккумуляторов? А дело тут в том, что процесс образования двойного электрического слоя гораздо менее энергоёмкий чем окислительно-восстановительные реакции, поэтому, несмотря на то, что энергию суперконденсаторы накапливают и отдают быстро, количество её очень мало по сравнению с аккумуляторами. К тому же, суперконденсаторы подвержены сильному саморазряду: если заряженный аккумулятор за месяц теряет несколько процентов от ёмкости, то суперконденсатор за это время может разрядиться полностью. Поэтому суперконденсаторы обычно используют совместно с энергоёмкими аккумуляторами и берут на себя роль источника питания исключительно при пиковых нагрузках.

Саморазряд- это постепенное падение напряжения в электрохимическим источнике питания если он отключен от сети. В литий-ионных аккумуляторах он связан с постепенным окислением электролита на катоде, в результате чего выделяются электроны, которые используются материалами катода чтобы встроить в свою структуру литий (процесс, происходящий во время разрядки). Так как окисляется электролит медленно, саморазряд тоже медленный. А вот точный механизм саморазряда суперконденсаторов пока неизвестен, но его связывают с ионами электролита, которые вступают в окислительно-восстановительные реакции на поверхности электродов.

В конце стоит сказать, что существуют также «псевдоёмкие» суперконденсаторы, которые также называют электрохимическими суперконденсаторами, в которых на поверхности активных материалов проходят более энергоёмкие окислительно- восстановаительные процессы, но ёмкость таких устройств всё равно ниже, чем у аккумуляторов, и они также страдают от сильного саморазряда.

Источники:

Linden’s Handbook of Batteries, Fourth Edition
IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 24, N° 2, 2009
J. Electrochem.Soc., Vol. 145, N° 10, 1998
B. E. Conway, Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications, 1999

Суперконденсатор вместо аккумулятора для автомобиля

Электричество играет большую роль в нашей жизни сегодня. В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили, работающие на ископаемом топливе, и отопление дома также должны будут перейти на электроэнергию, если мы не хотим катастрофических изменений климата.

Батарея суперконденсаторов Maxwell для автомобилей

Электричество является очень универсальной формой энергии, но у нее есть один большой недостаток: ее относительно сложно хранить в нужном количестве. Аккумуляторы могут хранить большое количество энергии, но они заряжаются часами. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но накапливают лишь незначительное количество энергии. В нашем будущем с электропитанием, когда нам нужно очень быстро накапливать и также быстро отдавать большое количество электроэнергии, вполне вероятно, что мы обратимся к суперконденсаторам (ультраконденсаторы), которые сочетают в себе все эти возможности.

Что такое суперкоденсаторы и как они работают

Как можно хранить электрический заряд? Обычная цинко — углеродная батарея заряжается электроэнергией на заводе и может быть использована только один раз, после чего ее можно будет только выбросить. Батареи, подобные этой, дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды во всем мире выбрасываются каждый год.

Аккумуляторы и конденсаторы выполняют аналогичную работу — накапливают электричество — но совершенно другими способами. Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом, называемым электролитом. Когда вы включаете питание, происходят химические реакции с участием, как электродов, так и электролита.

Обычная батарейка

В результате химической реакции на электродах выделяются положительные и отрицательные заряды. Когда все химические вещества истощаются, реакция прекращается, и батарея разряжается. В перезаряжаемом аккумуляторе, таком как литий-ионный блок питания, используемый в ноутбуке или MP3-плеере, реакции могут протекать в любом направлении, так что вы можете заряжать и разряжать сотни раз, прежде чем аккумулятор износится.

Обычный слюдяной конденсатор

Такой конденсатор накапливает столько же энергии, сколько батарея, но может заряжаться и разряжаться мгновенно, практически любое количество раз. В отличие от батареи положительные и отрицательные заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никакие химические реакции не участвуют.

Небольшой обычный конденсатор

Конденсаторы используют статическое электричество (электростатику), а не химию для хранения энергии. Внутри конденсатора находятся две проводящие металлические пластины с изоляционным материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрический бутерброд, если так можно сказать. Зарядка конденсатора — это накопление зарядов на пластинах.

Положительные и отрицательные электрические заряды накапливаются на пластинах, которые изолируются, чтобы препятствовать их контакту, благодаря такому разделению пластин сохраняется энергия. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера накапливать больше заряда при данном напряжении, поэтому можно сказать, что он делает конденсатор более эффективным в качестве устройства хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они весят меньше, обычно не содержат вредных химикатов или токсичных металлов, и их можно заряжать и разряжать миллионы раз и не изнашиваются. Но у них также есть большой недостаток: конструкция конденсаторов не позволяет им сохранять такое же количество электрической энергии как в батареях. Что можно сделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию, которую накопит конденсатор, либо используя лучший материал для диэлектрика, либо используя большие металлические пластины.

Чтобы сохранить значительное количество энергии, вам нужно использовать колоссальные пластины. Например, грозовые облака — это супергигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и мы все знаем, насколько они велики! А как насчет увеличения емкости конденсаторов путем улучшения диэлектрического материала между пластинами? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторов в середине 20-го века.

Преимущества и недостатки аккумуляторов и конденсаторов

Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши в хранении большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор? Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора в двух важных направлениях: его пластина имеет гораздо большую эффективность площадь, а расстояние между ними много меньше, потому что разделитель между ними работает по-другому принципу отличного от обычного диэлектрика. Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются взаимозаменяемо, существует различие: они обычно изготавливаются из разных материалов и структурируются немного по-разному, поэтому они хранят разное количество энергии. Для целей простого понимания мы предположим, что это одно и то же.

Как обычный конденсатор, суперконденсатор имеет две разделенные пластины. Пластины изготовлены из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, который эффективно дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда. Представьте себе, что электричество — это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вобрать небольшое количество воды, пористые пластины суперконденсатора делают больше похожими на кусочек губки, которая может впитывать воды во много раз больше. Пористые суперконденсаторные пластины — это губки впитывающие электричество.

Какой разделитель установлен между пластинами

В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как настраиваемый диск внутри радиоприемника). Когда конденсатор заряжается, положительные заряды образуются на одной пластине, а отрицательные — на другой, создавая электрическое поле между ними. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в направлении, противоположном полю, и уменьшают его прочность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при данном напряжении. Что показано на рисунке, который вы видите ниже.

Работа обычного конденсатора

Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, который называется диэлектриком (серый). Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их выравниваться противоположно полю. Это уменьшает напряженность поля и позволяет конденсатору хранить больше заряда для данного напряжения.

Работа суперконденсатора

Суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий, «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых, обычно углеродных материалов, пропитанных электролитом. Пластины имеют большую эффективную площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность сохранять гораздо больший заряд.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, на каждой стороне сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый электрический двойной слой, толщиной всего в одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).

Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC). Если вы посмотрите на нижний рисунок, то увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. В двух словах, суперконденсаторы получают гораздо большую емкость, благодаря комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшего расстояния между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, изготовленных из таких материалов, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологий ), графен, аэрогель и титанат бария.

Сравнение суперконденсаторов с батареями и обычными конденсаторами

Суперконденсаторы могут использоваться в качестве прямой замены батарей. Вот беспроводная дрель с питанием от банок суперконденсаторов, также они используются в космосе (разработка НАСА). Большим преимуществом по сравнению с обычной длительной зарядкой является то, что его можно заряжать за считанные секунды, а не часы.

Базовая единица электрической емкости называется фарадом (F), названным в честь британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в схемах электроники хранят только незначительное количество электричества (обычно оцениваемое в единицах, называемых микрофарадами (миллионные доли фарада), нанофарадами (миллиардные доли фарада) или пикофарадами (триллионные доли фарада).

В отличие от этого, обычный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, в миллионы или даже в миллиарды раз больше(оценивается в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies, имеют емкости, оцениваемые до нескольких тысяч фарад. Это все еще составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) от электрической энергия, которую вы можете упаковать в батарею.

Но большое преимущество суперконденсатора заключается в том, что он может накапливать и высвобождать энергию практически мгновенно — гораздо быстрее, чем батарея. Это потому, что суперконденсатор работает, накапливая статические электрические заряды на твердых телах, в то время как батарея зависит от зарядов, которые производятся медленно в результате химических реакций, часто с участием жидкостей.

Обычные батареи и суперконденсаторы различаются величиной энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова взаимозаменяемы; в науке мощность — это количество энергии, использованной или произведенной за определенное время. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они накапливают больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут выделять энергию быстрее).

Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и высвобождения большого количества энергии, но батареи по-прежнему важны для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени. Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольт), они могут быть подключены последовательно (например в батареи) для получения больших напряжений, для использования в более мощном варианте.

Поскольку суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, их теоретически можно заряжать и разряжать любое количество раз (технические характеристики коммерческих суперконденсаторов предполагают, что вы можете циклически повторять их, возможно, миллион раз). Они имеют небольшое внутреннее сопротивление или вообще не имеют его, что означает, что они накапливают и выделяют энергию без затрат большого количества энергии — и работают с эффективностью, близкой к 100% (обычно 97–98%).

Для чего используются суперконденсаторы

Если вам нужно хранить большое количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии затрачивается на хранение в конденсаторе, и у вас нет времени для зарядки аккумулятора, суперконденсатор может быть как раз то, что вам нужно.

Электрическая дрель с питанием от ультраконденсаторов

Суперконденсаторы широко используются в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «резервуаров энергии», которые сглаживают источники питания для электрического и электронного оборудования. Суперконденсаторы также могут быть подключены к батареям для регулирования мощности, которую они отдают.

Суперконденсатор от автобуса, разработанный НАСА

Суперконденсаторы используются в регенеративных тормозах, широко используются в электромобилях. Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сгладить прерывистую мощность, создаваемую ветром. В электрических и гибридных транспортных средствах суперконденсаторы все чаще используются в качестве временных накопителей энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно теряет при остановке, кратковременно накапливается и затем используется повторно, когда он снова начинает движение).

Тоже интересные статьи

от аккумуляторных батарей до суперконденсаторов

Батареи и конденсаторы предназначены для хранения электричества, но принцип работы у них совершенно разный…

Если вы думаете, что электричество сегодня играет просто важную роль в нашей жизни, то вы еще не осознали насколько она значительная! К примеру, в ближайшие несколько десятилетий наша транспортная система, отопительные сети и др., использующие в качестве источника энергии ископаемое топливо, нуждаются в переходе на электроэнергию, если мы хотим иметь предотвратить катастрофические изменения в окружающей среде. Электричество является чрезвычайно универсальной формой энергии, но имеет один большой недостаток: батареи могут сохранять большое количество энергии, но это занимает несколько часов для зарядки. Суперконденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но могут хранить небольшое количество энергии. В нашем электроприводном будущем, когда будет нужно аккумулировать и быстро расходовать большое количество электроэнергии, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам, которые сочетают в себе лучшее от обычных батарей и конденсаторов. Каковы они и как они работают, рассмотрим поближе.

Как хранится электрический заряд?

Аккумуляторные батареи, так и конденсаторы предназначены для хранения электричества, но принцип работы у них совершенно разный. Батареи имеют два электрических контакта (электрода), разделенных химическим веществом, называемым электролитом. При включении питания, химические реакции происходят с участием обоих электродов и электролита. Эти реакции преобразования химических веществ внутри батареи в другие вещества, сопровождаются выделением электрической энергии. Как только эти химические вещества истощаются, реакции останавливаются, и аккумулятор становится разряженным. Аккумуляторная батарея, например, литий-ионный блок питания, используемый в ноутбуках, мобильных телефонах и других гаджетах, успешно работает на таком цикле, так что вы можете разряжать и заряжать аккумулятор гаджета сотни раз, прежде чем батарея будет нуждаться в замене.

В конденсаторах же применяется принцип статического электричества (электростатика), а не химии для хранения энергии. Внутрь конденсатора помещается две проводящих металлические пластины с изоляционным материалом, диэлектриком, между ними, — так называемый, диэлектрический бутерброд.

Конденсаторы имеют много преимуществ по сравнению с аккумуляторами: они весят меньше, как правило, не содержат вредных химических веществ и токсичных металлов, также их можно заряжать и разряжать миллиард раз, без износа. Но у них есть и большой недостаток: чтобы сохранить значительное количество энергии, вам нужно использовать огромные металлические плиты или же искать более эффективный материал для диэлектрика.

Изучение варианта усовершенствования диэлектрического материала между металлическими пластинами привело ученых в середине 20 столетия к суперконденсаторам.

Что являет собой суперконденсатор?

Суперконденсаторы (часто называемые ультраконденсаторами) имеют много общего и с батарей и с конденсаторами. Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух пластин, разделенных диэлектриком. Но пластины сделаны не из металла, а из пористого вещества, например, порошкообразного углерода, который дает им эффективно большую площадь для хранения соответственно большего заряда.

Если сравнить электричество с водой, то обычный конденсатор похож на ткань, которая может поглотить небольшое количество влаги, а пористые пластины суперконденсаторов больше похожи на губку, которая может впитать намного больше воды. Это сравнение можно назвать удачным, поскольку пластины суперконденсаторов очень похожи на пористую губку пропитанную электроэнергией.

Как и батареи, суперконденсаторы имеют электролит, электрически активное химическое вещество внутри него, которое отделяет его пластины, что больше похоже на электролит в батарее, чем на диэлектрик в обычных конденсаторах. Электролит, электрически активный слой суперконденсатора, добавляет еще один аспект: заряженные пластины поляризуют электролит, заставляя положительные ионы в нем двигаться в одну сторону, а отрицательные в противоположную, вызывая последующую систему зарядки, что образует, так называемый, электрический двойной слой, который позволяет пластинам сохранять большое количество энергии. Это, кстати, объясняет, почему суперконденсаторы еще называют двухслойными конденсаторами. В отличие от батарей, положительные и отрицательные заряды в суперконденсаторах образуются исключительно за счет статического электричества, а не во время химических реакций.

Суперконденсаторы могут хранить больше энергии, чем обычные батареи и конденсаторы, создавая двойной слой зарядов , разделенных между двумя пластинами из пористых углеродных материалов. Пластины создают между собой двойной слой полярного электролита (на рисунке в — желтый цвет).

Первые суперконденсаторы были придуманы в конце 1950-х с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор, достижения в области материаловедения привели к применению более эффективных материалов для изготовления пластин, например, углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, образованные с использованием нанотехнологий), графен, аэрогель, титанат бария и др.

В чем отличие суперконденсаторов от аккумуляторов и обычных конденсаторов?

Суперконденсаторы иногда могут использоваться в качестве прямой замены батарей. Аккумуляторная дрель на фото, предназначенная для использования в космосе, работает на суперконденсаторах, разработанных NASA. Огромным преимуществом над обычным сверлом является то, что дрель на суперконденсаторах может заряжаться за считанные секунды, а не часы. Фото: NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

В качестве единицы измерения электрического заряда в физике используется фарад (F), названный в честь британского новатора, химика и физика Майкла Фарадея (1791-1867). Типичные конденсаторы, используемые в электросхемах, могут хранить лишь незначительное количество электроэнергии (показатели варьируются в единицах, называемых микрофарад или пикофарад, которые составляют миллионные и миллиардные от 1 фарада). В тоже время, суперконденсаторы могут хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (номинальный фарад).

Коммерческие версии суперконденсаторов, сделанные крупнейшими компаниями, имеют емкости мощностью до нескольких тысяч фарад, что все еще представляет собой только часть (может быть, 10-20 процентов) электрической энергии, которую можно «упаковать» в батарею. Но большое преимущество суперконденсаторов состоит в том, что он может заряжаться энергией почти мгновенно, гораздо быстрее, чем батареи. Это объясняется тем, что суперконденсатор работает путем создания статических электрических зарядов на твердых телах, в то время как батареи зависят от медленно текущих химических реакций, часто при участии жидкостей.

Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут выделять энергию намного быстрее). Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (около 2-3 вольт), они могут быть последовательно соединены для получения большего напряжения, что может быть использовано в более мощном оборудовании.

Суперконденсаторы функционируют по электростатическому принципу, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и разряжаться любое количество. Они практически не имеют внутреннего сопротивления, что позволяет развить близкую к 100% эффективность их работы.

Группой американских ученых из Университета Дрекселя (Drexel University) в Филадельфии под руководстовом профессора Ю.Гогоци и французской научно-исследовательской организации CNRS , были опубликованы в научном журнале Nature Nanotechnology результаты исследований в области развития суперконденсаторов с особыми свойствами. Используя собственную методику обработки наноматериалов и наноалмазов, американские ученые разработали новую технологию производства миниатюрных суперконденсаторов.

Технология суперконденсаторов можеть найти широкое применение в приборостроении, энергетике (например, дним из распространенных применений является использование в ветряных турбинах, где суперконденсаторы помогают сгладить прерывистое питание от ветра), автомобилестроении, машиностроении, электротехника(в электрических и гибридных транспортных средствах для питания электропривода), также эффективно использование в качестве питания мобильных гаджетов, и др.

 Интервью с профессором Юрием Гогоци об устройствах, которые придут на смену традиционным батарейкам и аккумуляторам, и ситуации на Украине

 

 

 

< Предыдущая   Следующая >

Друзья помогите. В чем отличие электролитического конденсатора от бумажного конденсатора

В обоих конденсаторах в качестве изоляционного слоя между обкладками используется бумага. Но в электролитических бумага пропитана электролитом-это позволило значительно увеличить ёмкость таких конденсаторов, Эта особенность и вынудила выделить эти конденсаторы в отдельный тип. Первые электролиты были полярными-напряжение могло подаваться строго с соблюдением полярности. Потом появились и неполярные электролитический конденсаторы.

В электролитическом конденсаторе как в аккумуляторе — кислота внутри.

Электролитический полярный

В электолетическом изолятор между пластинами электролит, а в бумажном бумага .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *