Capacitores grandes como baterias. Como os supercapacitores são usados ​​em carros híbridos

É possível usar capacitores em veículos em vez de baterias caprichosas, de curta duração e que requerem manutenção? Acontece que é possível, e as vantagens do capacitor na frente da bateria são suficientes para abandonar as baterias, e se não completamente, pelo menos complementar a capacidade da bateria, que é muito reduzida no frio, com a capacidade do capacitor. Falaremos sobre as vantagens e desvantagens de ambas as fontes de eletricidade neste artigo.

Apenas alguns anos atrás, um ou dois capacitores farad eram considerados exóticos e eram exibidos apenas em exibições de ricos amantes da música. Agora, esses capacitores podem ser comprados em qualquer barraca de autoacústica, e capacitores ainda maiores não são difíceis de encontrar em lojas especializadas que vendem sistemas de áudio Hi-Fi pesados ​​​​(sobre música em um carro ou motocicleta).

E o que me deixa especialmente feliz é que, atualmente, a indústria russa, ainda vários anos à frente dos fabricantes orientais e ocidentais, dominou a produção em pequena escala do último tipo de supercapacitores, cuja capacidade é de dezenas de milhares de farads!

Um pouco de teoria.

Como você sabe, o capacitor consiste em cargas separadas - positivas em um eletrodo de placa e cargas negativas em outro. Sem entrar em muitos detalhes, observarei apenas que a energia (capacidade) que um capacitor é capaz de absorver depende diretamente da área das placas do eletrodo, bem como da distância entre elas. E quanto maior essa área e menor a distância entre as placas, mais favorável para o acúmulo de uma carga maior.

Segue-se disso que, aumentando a primeira condição e diminuindo a segunda, o sucesso nessa questão pode ser alcançado. Mas é tão simples quanto isso. E como é na realidade? Nos capacitores mais recentes, material poroso de carbono é usado para fazer o eletrodo negativo, e é aí que está toda a diversão. Graças a este material, uma placa plana aparentemente comum, graças à sua estrutura porosa, parece ter uma segunda dimensão (a área das placas aumenta). A partir disso, a área de acúmulo de cargas aumenta significativamente!

Conseguimos um aumento na área das placas, resta trabalhar com a distância. O novo nome para os mais novos supercapacitores é capacitores elétricos de camada dupla. Sua peculiaridade é que a eletricidade é acumulada em uma área especial, ou seja, na interface entre o eletrólito e o corpo sólido. A partir disso, a distância entre a área de posição de cargas negativas e positivas é muito reduzida, tanto quanto 2-3 ordens de magnitude!

De tudo o que foi dito acima, podemos finalmente dizer que é hora de esses supertanques ocuparem seu lugar sob o capô do carro, mas em que capacidade? Existem várias opções, mas considere as mais realistas.

Utilizando um capacitor como principal fonte de eletricidade para o motor (tração elétrica).

Ônibus elétrico Luzhok viaja muito rápido. A fumaça saindo do aquecedor interno a gasolina é visível por baixo.

Mais recentemente, ninguém levava a sério as baterias para carros elétricos. Mas os carros elétricos já estão começando a inundar o mundo, por exemplo, um táxi elétrico já está operando em Londres. Isso significa que o caminho para os capacitores é extremamente claro, especialmente se você levar em consideração suas vantagens sobre a bateria, mas sobre as vantagens um pouco mais tarde. Deixe-me apenas dizer que um exemplo “ao vivo”, que funciona com eletricidade de capacitores de tração, pode ser visto na foto à esquerda. Este é um ônibus ecológico e, para ser mais preciso, um ônibus elétrico chamado Luzhok, que é fabricado em pequenas séries na cidade de Troitsk, perto de Moscou (na fábrica da Esma). Só aqui, para aquecer o interior no frio, é preciso acender o fogão, que funciona com gasolina, mas isso, como dizem, é uma ninharia.

O ônibus elétrico é utilizado para transportar turistas em curtas distâncias (até 10 km), por exemplo, pelo território de parques e reservas, que estão sujeitos a rígidas restrições ambientais. Luzhok fará seus primeiros voos comerciais através do território do Centro de Exposições de Moscou. Uma carga de capacitores é suficiente em algum lugar para 8 a 10 km. Em seguida, 10 a 15 minutos de carregamento e novamente na estrada (as baterias teriam que ser carregadas por pelo menos 20 horas). Por exemplo, se você for trabalhar, que em cidades pequenas pode ser apenas de 5 a 10 km, esse carro seria o máximo, especialmente para viagens diárias. Afinal, o ciclo de carga e descarga dos capacitores, ao contrário de uma bateria, é quase infinito. Além disso, o carro não é tão pesado quanto um ônibus, o que significa que a quilometragem por carga pode aumentar.

Além dos ônibus, a empresa produz alguns Gazelles, vários carregadores e um carro elétrico para transporte de mercadorias pela fábrica. A principal diferença entre toda essa tecnologia de capacitores e a tecnologia de baterias é que ela pode ser usada 24 horas por dia, pois leva alguns minutos para carregá-las. E embora também sejam descarregados rapidamente, a vida útil dos capacitores excede dez vezes a vida útil das baterias.

Usando um capacitor como auxiliar de bateria ao dar partida em clima frio.

O uso de um novo tipo de capacitor em máquinas como força de tração é, claro, útil e interessante, mas não o mais relevante. É muito mais útil usá-los como uma solução de curto prazo força elétrica grande capacidade, e principalmente para ligar o motor do carro. Isso já é usado por engenheiros de equipamentos militares, e testes e melhorias são constantemente realizados em equipamentos do exército. Por exemplo, duas baterias recarregáveis ​​pesadas de 190 Amp horas cada, em uma geada de 45 graus negativos, são capazes de apenas uma rolagem de quinze segundos do motor de partida Kamaz (e, consequentemente, do motor Kamaz congelado). Mas se você conectar em paralelo um capacitor com capacidade de apenas 0,18 kF, o motor de partida Kamaz já fará vários pergaminhos frios! A diferença é óbvia, isso é especialmente útil para equipamentos usados ​​​​no Extremo Norte, por exemplo, equipamentos militares e de construção.

Obviamente, para motoristas que vivem em climas mais quentes, os benefícios dos capacitores que não têm medo do frio não são tão úteis. Mas o principal é diferente. Os capacitores não são perigosos para alta densidade de corrente e suportam um grande número de ciclos de carga e descarga e até não requerem manutenção. Mas o mais importante é que o capacitor duplique a vida útil da bateria. Afinal, quando há apenas uma bateria (especialmente não nova), ela é considerada inutilizável se começar a lidar mal com as tarefas iniciais, especialmente em climas frios. Mas emparelhada com um capacitor conectado em paralelo, a bateria velha servirá enquanto for capaz de recarregá-la. E como eu disse, a bateria se transforma em um fígado longo.

Além disso, emparelhado com um colega capacitor, a capacidade da bateria do seu carro ou moto pode ser reduzida pela metade. Para um carro de passeio com motor de 1,5 - 1,8 cubos, 25 Ah serão suficientes e caminhão apenas 60 Ah serão suficientes. E não será mais possível usar uma bateria do tipo starter, projetada para altas correntes, mas sim uma normal, que costuma ter uma vida útil 2 a 3 vezes maior. Como resultado, a combinação de uma bateria mais um capacitor aumentará significativamente a vida útil desse par. E para não trocar a bateria do carro por 15 anos, muitas pessoas sonham com isso e, nessa época, as pessoas costumam trocar o carro por um mais novo. Acontece que esse par (bateria e capacitor) é suficiente para toda a vida útil da máquina. Mas o mais importante, os motoristas vão esquecer a difícil partida no frio, e essas palavras "irmão, me dê uma luz, não consigo dar partida" (como acender um cigarro com segurança no carro de outra pessoa).

O que pode ser dito no final. Os supercapacitores de nova geração ainda estão sendo produzidos em pequenos lotes, custam o dobro de uma bateria normal e provavelmente não encontrarão seus compradores tão cedo, pelo menos os nossos domésticos. Poucos capacitores vão para consumidores estrangeiros, mas isso não é muito suporte para nossa indústria. Mas, se desejado, e patrocinadores normais, para publicidade e desenvolvimento de produção em massa mais barata, esse negócio pode ser configurado de maneira normal. Tudo é possível. Afinal, ninguém queria comprar baterias caras de nova geração também, no início de sua produção. E agora os fabricantes de carros elétricos os estão comprando às toneladas, e isso é apenas o começo. Acho que novos capacitores logo terão grande demanda e, se não substituirem completamente as baterias, se tornarão assistentes confiáveis. Espere e veja. Boa sorte a todos!

Entre as últimas inovações em ciência e tecnologia, é necessário destacar o surgimento de um novo tipo de capacitor - um ionistor, também chamado de supercapacitor. Que tipo de animal é esse e pode ser usado em um carro DVR e outros dispositivos eletrônicos como fonte de energia de backup?

Sabe-se de um curso de física da escola que um capacitor pode armazenar energia acumulando uma carga de eletricidade. Isso é apenas o valor dessa carga é muito pequeno, então é suficiente apenas para uma boa faísca em um curto-circuito. Crianças em idade escolar também usam capacitores de metal-papel corrente alternada a 400 ... 1000 Volts para se baterem com corrente elétrica, tendo previamente carregado em uma tomada de 220 V. E basicamente, os capacitores são utilizados como componente de rádio em aparelhos eletrônicos.

Mas no final do século passado, um novo tipo de capacitor foi inventado em laboratórios secretos, nos quais eletrólitos e outras coisas complicadas são usadas em vez de uma fita de metal. substancias químicas. Graças a esse design, um novo tipo de capacitor de pequenas dimensões possui grande capacidade, que já pode ser usado para acumular carga suficiente para operação de curto prazo. dispositivos eletrônicos com baixo consumo de corrente. É chamado de ionistor porque funciona devido ao transporte de íons no ambiente químico entre os eletrodos.

Em nosso tempo, os ionistores são usados ​​como fonte de energia de backup. Por exemplo, no Aliexpress por 5 ... 10 dólares você pode comprar um ionistor de 5 volts, que fica totalmente carregado em apenas 10 ... 100 segundos. No entanto, pode alimentar a média lanterna led dentro de 20 ... 30 minutos.

Visão geral do ionistor chinês

Agora vamos ver se um supercapacitor pode substituir uma bateria em um carro DVR? Não há componentes no regulador que consumam muita corrente - servos, motores elétricos, lâmpadas de iluminação potentes. Portanto, o consumo de corrente é bastante pequeno - 50 ... 100 mA. O ionistor de média escala será capaz de garantir o funcionamento do DVR por 3 ... 10 minutos. Isso é mais do que suficiente para terminar o vídeo e concluir o trabalho corretamente.

Portanto, se você hesita em comprar um DVR com um supercapacitor em vez de uma bateria embutida, todas as dúvidas são em vão. Este dispositivo realizará todas as funções necessárias no seu carro, mesmo que a rede de bordo seja desligada em caso de acidente. No entanto, este tipo de gravador não pode ser usado como uma câmera de vídeo portátil comum fora do carro - a gravação de vídeo ao ar livre exigirá uma fonte de alimentação externa.

O supercapacitor é projetado para instalação em carros e equipamentos especiais Vários tipos, trata-se de uma fonte moderna de acúmulo e entrega de energia pulsada no momento certo. Essa energia pode ser usada tanto para ligar o motor com uma bateria descarregada ou congelada quanto para estabilizar a tensão da rede de bordo do carro.

Os módulos Titan permitem:

fornecer a tensão e corrente necessárias para dar partida no motor em baixas temperaturas (até -40°C); ligue o motor de combustão interna com uma bateria descarregada, que não é capaz de fornecer corrente de partida, mas tem energia suficiente para carregar o módulo supercapacitor; ligue o motor com uma bateria congelada ou descarregada com um pré-aquecedor (Webasto, etc.); fornecer a quantidade certa de energia pulsada para a operação estável da rede de bordo sob cargas pesadas; aumentar a confiabilidade da operação, reduzir o risco de falha dos elementos da rede elétrica do veículo devido à sobrecarga; aumentar a vida útil da bateria em 2-4 vezes.

Estabilização de tensão da rede de bordo em altas cargas

O módulo é conectado em paralelo com a bateria padrão. Este tipo de conexão requer um bom estado da bateria padrão. É usado para estabilizar a tensão da rede de bordo.

O supercapacitor ajudará no funcionamento de dispositivos que consomem uma grande quantidade de energia em um curto período de tempo. Tais cargas ocorrem, por exemplo, durante a operação de sistemas de áudio sérios ou um guincho em um veículo off-road. Essas cargas de choque causam danos à bateria. Devido à menor resistência interna e à capacidade de assumir uma carga de impulso, o supercapacitor fornece um modo de operação confortável para a bateria e prolonga sua vida útil.

O Titan ajudará a ligar o motor no frio. Temperaturas abaixo de -10°C afetam negativamente a capacidade da bateria, o que pode causar problemas ao ligar o motor de combustão interna. A capacitância do supercapacitor praticamente não muda com o tempo frio, o que permitirá sempre dar o máximo de energia ao circuito para rolar o starter.

Tipo de conexão paralela, com módulo buffer

Ligar o motor com uma bateria descarregada

O módulo é conectado em série à bateria padrão e diretamente aos terminais do starter. esta opção fornece a presença de tensão constante nos terminais de partida, necessária para uma partida confiável do motor de combustão interna. O uso de módulos Titan para conexão serial será relevante para veículos com grande quantia equipamentos adicionais que consomem eletricidade. Por exemplo, em táxis, polícia, ambulâncias, etc., onde equipamentos de iluminação, walkie-talkie e navegação GPS estão constantemente funcionando. O funcionamento do equipamento diminui constantemente a carga da bateria, e o gerador, quando emprego permanente ICE em marcha lenta, não fornece carga suficiente. O uso de supercapacitores com baixa resistência interna, alta densidade de potência e saída de energia confiável em baixas temperaturas permite iniciar com uma carga de bateria baixa (de 9 Volts) e até mesmo em baixas temperaturas.

O supercapacitor também será útil para proprietários de carros com sistema de pré-aquecimento instalado, que garante a preparação do motor de combustão interna para partida em clima frio. Todos os pré-aquecedores são alimentados por uma bateria e a descarregam durante o processo de aquecimento, portanto, existe a possibilidade de problemas de partida mesmo com o motor quente.

Características da operação do módulo Titan com pré-aquecedores:

Partida garantida de um motor de combustão interna aquecido, quando a bateria é descarregada pelo aquecedor;
Reduzindo a carga em uma bateria congelada.
O starter pode não rolar apenas devido ao forte desgaste e/ou carga muito baixa da bateria, que não é capaz de fornecer corrente ao relé retrator.

Tipo de conexão serial, com conversor DC-DC

Partida confiável do motor e estabilização da tensão da rede de bordo

EM este caso, um módulo elevador CC-CC conectado diretamente ao motor de partida garante partida e partida confiáveis ​​do motor de combustão interna, e um módulo tampão conectado em paralelo à bateria alimenta o relé solenóide. Esse supercapacitor combina todas as vantagens dos módulos com buffer e tipos de conexão serial. Assim, mesmo com as baterias gastas, o mais alto nível estabilização de todos os parâmetros da rede elétrica de bordo e partida confiável do motor nas temperaturas mais baixas.

A instalação do módulo Titan com um tipo de conexão híbrida permitirá:

comece com baterias descarregadas que não são capazes de fornecer corrente de partida, mas têm energia suficiente para carregar
supercapacitores;
lançamento em baixas temperaturas;
aumentar a vida útil das baterias em 2-4 vezes;
ao trabalhar em conjunto com um pré-aquecedor de partida, garanta a partida de um motor de combustão interna aquecido, com aquecedor descarregado ou bateria congelada;
fornecer dispositivos e sistemas adicionais com energia pulsada, melhorar a confiabilidade da rede elétrica do veículo como um todo.

Tipo de conexão híbrida, com módulo buffer e conversor DC-DC

Principais vantagens dos supercapacitores

Alta densidade de potência Um dispositivo ideal para trabalhar com mudanças bruscas e significativas de potência (várias vezes).
Propriedades de alta estabilização. Carga/descarga rápida (segundos).
Eficiência na recuperação de energia e partida do motor.
Ampla faixa de temperatura operacional de -45 a 70°C.
Capacidade de trabalhar em condições extremas.
Vida útil de pelo menos 10 anos, até 1 milhão de ciclos de carga e descarga.
Não há necessidade de substituir por um longo tempo.
Redução dos custos operacionais dos sistemas.
Estanqueidade e respeito pelo meio ambiente.
Baixo custo de propriedade, sem custos operacionais e de descarte.
Pequeno peso e pequenas dimensões.
Ampla gama de aplicações, autonomia, mobilidade.
Colaboração com pré-aquecedores.
Os dispositivos são certificados de acordo com GOST.

Diretrizes para instalação de módulos MCCA em um carro

O método de fixação e conexão dos módulos MCCA no carro é descrito abaixo. É considerada uma variante de montagem do módulo com a ajuda de braçadeiras de metal adimensionais na lateral ou na parte superior da bateria do carro. São dadas recomendações e fotografias dos módulos instalados desta forma. Esta técnica também pode ser usada para montar módulos em partes de suporte de carga da carroceria do veículo, como vigas, suportes de fixação, etc.

Preparação para instalação.
Para montar o módulo na bateria, você precisará de:

• 2 braçadeira de metal 1 metro de comprimento;
• 2 travas para grampos;
• Um tubo termorretrátil de diâmetro tal que pode ser colocado em uma braçadeira com uma pequena folga - 2 metros;
• Fio com seção transversal de pelo menos 16 mm2 para conectar o módulo à bateria. O comprimento é determinado dependendo do local de instalação e da conveniência da instalação segura do fio;
• Dicas para um fio do diâmetro correspondente;
• Junta em folha de borracha ou silicone, com 3-5 mm de espessura e ligeiramente maior que o módulo.

Ferramentas:

• Chave de fenda com fenda e Phillips nº 2;
• Alicate ou alicate;
• Cortadores laterais;
• Prensa para pontas de crimpagem (em vez de prensa, pode-se usar uma morsa ou martelo com bigorna);
• Construção do secador para encolhimento do tubo;
• Lâmpada de carro 12V 55W com fios (é melhor um farol de neblina, ao qual são conectados fios com clipes de crocodilo).

Escolha do método de montagem.
O módulo deve ser fixado no carro de forma a evitar danos acidentais aos dispositivos do carro, fiação, etc. Você também deve excluir a possibilidade de um curto-circuito acidental nos terminais do módulo e nos terminais da bateria.
Dependendo disso, decidimos como fixar o módulo na bateria (superior ou lateral). O capô e a tampa do compartimento da bateria fecharão, o corpo do módulo não tocará nos fios condutores de corrente, um leve movimento do módulo durante o movimento levará a um curto-circuito?

Montagem do módulo na bateria.
Por conveniência, recomendamos remover a bateria do compartimento e prender o módulo a ela em uma sala quente sobre uma mesa ou bancada. Se isso for difícil de fazer, montaremos o módulo sem remover a bateria do carro.
Primeiro, vamos preparar os grampos.

Nós os cortamos no comprimento necessário, para que possamos cobrir a bateria junto com o módulo. Fixamos as travas nos grampos e colocamos um tubo termorretrátil nos grampos de forma que fique no ponto de contato do grampo e do módulo, além de isolar os grampos dos fios e terminais da bateria próximos.
Fixe o tubo termorretrátil nas braçadeiras com um secador de cabelo. Instale o módulo no lado desejado da bateria, prenda-os com braçadeiras e aperte as travas da braçadeira.
A localização das travas pode ser arbitrária, mas é escolhida de forma que não toquem em outras partes do carro e em sua fiação.
Por conveniência, e em alguns casos para proteger os terminais da bateria de curto-circuito, é necessário colocar uma junta de folha de borracha entre o módulo e a bateria, que não só servirá como amortecedor, mas também protegerá os terminais da bateria e fios indo para eles.

Instalando a bateria com o módulo no carro.
Pegamos a bateria com o módulo acoplado a ela e colocamos a bateria em seu lugar normal. Verificamos se a tampa da bateria (se houver) está colocada livremente e o módulo instalado não interfere em nada e está rigidamente fixado à bateria.
Fixamos firmemente a bateria com fixadores padrão e conectamos os terminais à bateria.

Conectando o módulo à rede onboard.

Medimos o comprimento necessário do fio para conectar o terminal "-" do módulo ao terminal "-" da bateria. O fio deve ser o mais curto possível, mas não deve ficar sobre arestas vivas. partes de metal corpo, não deve ser esfregado contra outras partes quando o carro estiver em movimento. Fazemos um fio semelhante para conectar o terminal “+” do módulo ao terminal “+” da bateria.
Nas pontas dos fios que vão para o módulo, pressionamos os terminais com uma prensa. Se não houver pressão, você pode prender a ponta no fio em um torno ou alisá-lo com um martelo na bigorna.
O principal é que o contato do fio com a ponta seja confiável, e o fio não fique pendurado na ponta. Em seguida, colocamos um pedaço de tubo termorretrátil nos pontos de pressão e os assentamos com um secador de cabelo para que não se aproximem acidentalmente da caixa do módulo.
Nas extremidades dos fios que serão conectados à bateria, dependendo do tipo de terminais, podem ser fixados terminais semelhantes aos que estão conectados ao módulo e terminais tubulares. Pode ser que os terminais da bateria permitam conectar fios sem terminais. Aqui é necessário ser guiado por uma situação específica.

Agora conecte o fio aos terminais do módulo e da bateria. O terminal “-” do módulo é conectado ao terminal “-” da bateria. E por enquanto, conectamos o segundo fio apenas ao terminal “+” do módulo e não conectamos a segunda extremidade desse fio em lugar nenhum.
Nós carregamos o módulo. Para isso, acendemos uma lâmpada entre o fio que sai do terminal “+” do módulo e o terminal “+” da bateria. A lâmpada deve acender, o que indica o início do carregamento do módulo. O carregamento do módulo pode levar de 3 a 20 minutos, dependendo da potência da lâmpada e da capacidade do módulo. Assim que a luz se apagar completamente (não brilhará fracamente, mas se apagará), ela pode ser desligada e o fio do terminal “+” do módulo é conectado ao terminal “+” da bateria.
As conexões dos fios do módulo à bateria e ao módulo devem ser as mais confiáveis ​​​​possíveis, pois não depende apenas da eficiência do módulo no carro, mas também da segurança. Conexões ruins podem corroer os contatos, aquecê-los durante a operação e até causar um incêndio.
Recomenda-se isolar adicionalmente os terminais da bateria e do módulo colocando capas isolantes sobre eles ou protegendo-os com uma composição especial que polimeriza no ar, formando uma película protetora. Você também pode usar um selante de silicone neutro. Isso também protegerá adicionalmente os terminais contra corrosão durante a operação.

Exemplos de instalação de supercapacitores

O que são supercapacitores (ionistores)

O supercapacitor é um novo acumulador de energia e fonte de corrente que, pelas suas características técnicas, ocupa uma posição intermédia entre as baterias e os condensadores tradicionais. Características distintas os supercapacitores são de alta potência, capacidade de liberar e armazenar energia rapidamente, resistência a fatores ambientais adversos, durabilidade, confiabilidade operacional e respeito pelo meio ambiente.

Recentemente, os supercapacitores têm desempenhado um papel cada vez maior em todo o mundo, a taxa de crescimento do mercado de supercapacitores é de 30 a 40% ao ano. Os campos de aplicação dos supercapacitores estão em constante expansão, encontrando cada vez mais novas aplicações em todas as indústrias, sem exceção, desde eletrônicos de consumo, celulares e computadores para transporte híbrido, sistemas Smart Grid e tecnologias espaciais. Os supercapacitores estão firmemente estabelecidos em sistemas de energia de qualidade para a indústria e telecomunicações, bem como na indústria de energia renovável. O uso de supercapacitores em dispositivos e sistemas já se tornou não apenas uma necessidade técnica, mas também um símbolo de inovação e modernidade dos dispositivos, tecnologias e sistemas utilizados.

Capacitores Elétricos de Camada Dupla (DES)

Os mais atrativos comercialmente são os Capacitores Elétricos de Camada Dupla (EDLC), ou como são chamados EDLC (Capacitor Elétrico de Camada Dupla), que possuem uma densidade de energia excepcionalmente alta em comparação aos capacitores convencionais. Em comparação com as baterias, os supercapacitores têm dez vezes mais potência e uma vida útil muito mais longa. Estas são as duas principais razões pelas quais os engenheiros estão cada vez mais escolhendo supercapacitores para várias aplicações. Os supercapacitores DES são dispositivos de armazenamento de energia que podem substituir capacitores convencionais ou baterias em muitas aplicações que requerem mais energia do que os capacitores convencionais e/ou alta potência e longa vida que as baterias não podem fornecer.

DES são dois eletrodos de carbono altamente porosos inativos e um coletor de corrente imerso em um eletrólito com um determinado potencial de tensão.

Em uma célula de capacitor DEL, um potencial de eletrodo positivo atrai íons carregados negativamente, enquanto o mesmo potencial no eletrodo negativo atrai íons carregados positivamente. O separador evita que os eletrodos criem um curto-circuito. A grande quantidade de energia que um DES pode armazenar é conseguida devido à enorme área de superfície fornecida por eletrodos de carbono poroso.

O acúmulo de energia no DPP é um processo físico e reversível com perdas mínimas, o que determina uma longa vida útil do DPP e seu enorme recurso cíclico. Como a taxa de carga e descarga depende exclusivamente do movimento físico dos íons, o DES pode armazenar e liberar energia muito mais rapidamente do que as baterias, nas quais o processo depende diretamente da lenta reações químicas. Isso também determina a capacidade do DES de produzir ordens de magnitude de energia mais altas do que as baterias.

Um supercapacitor (ou em outras palavras um ionistor) é um dispositivo para armazenar energia elétrica, ocupando uma posição intermediária entre uma bateria e um eletrólito. É verdade que, ao contrário deles, esses produtos são incomparavelmente menores e se parecem com capacitores eletrolíticos comuns (veja a figura abaixo).

De acordo com suas características, um supercapacitor (SC) difere significativamente dos produtos eletrolíticos comuns, pois é mais durável e apresenta menor fuga de corrente. O principal objetivo do desenvolvimento desses produtos é criar uma nova geração de dispositivos de armazenamento de energia que possam substituir as baterias convencionais.

Diferenças características

Além das vantagens já listadas acima, um supercapacitor é caracterizado por uma capacidade específica superior às baterias, o que permite que seja utilizado como fonte de energia em veículos elétricos, por exemplo. Devido às propriedades energéticas únicas, o tempo de carregamento desta célula eletrolítica é visivelmente reduzido (o mesmo pode ser dito sobre seu período de descarga).

Informações adicionais. Essas propriedades permitem o uso de capacitores de alta capacidade em fontes modernas de energia renovável (baterias solares, geradores eólicos, etc.).

Durante sua operação, é possível obter um modo de operação mais econômico devido à possibilidade de acumular o excesso de energia recebida das fontes de energia.

Externamente, o supercapacitor se parece com um elemento convencional com dois eletrodos, usado no lugar de uma bateria.

Como uma bateria, ela também contém um eletrólito em suas cavidades internas, que, ao interagir com as placas, gera eletricidade.

Recursos de design e fabricantes

Os eletrodos deste produto são feitos de um material poroso especial coberto com uma fina camada de carvão ativado. Como composição eletrolítica, são utilizadas misturas de origem inorgânica ou orgânica. Suas principais diferenças em relação ao capacitor usual são as seguintes:

• Entre as placas neste produto não há uma camada dielétrica comum, mas com o dobro da espessura, o que permite obter uma folga muito fina. Este projeto oferece a capacidade de acumular eletricidade em grandes volumes (a capacidade elétrica neste caso aumenta significativamente);
• Além disso, o supercapacitor, ao contrário de outras amostras, acumula e consome carga rapidamente;
• Devido ao uso de uma dupla camada dielétrica, a área total dos eletrodos aumenta, enquanto as dimensões permanecem as mesmas. Especificações produtos são significativamente melhorados.

As características desses capacitores, que surgiram em 1962, também devem incluir a estrutura energética de seus eletrodos, um dos quais possui condutividade eletrônica e o outro - o chamado "iônico". Como resultado, no processo de carregamento, as cargas de sinais opostos são separadas, levando ao acúmulo de potenciais positivos e negativos nas placas (ver foto).

Em 1971, a conhecida corporação japonesa NEC recebeu uma licença para a produção desses produtos exclusivos, tendo dominado com sucesso quase todas as áreas da engenharia elétrica na época. Foi ela quem conseguiu promover e finalmente aprovar uma tecnologia única para a produção de supercapacitores no mercado de produtos eletrônicos. Desde os anos 2000, foi dominado com sucesso em quase todos os países economicamente desenvolvidos do mundo.

Tipos de supereletrólitos

Todas as amostras conhecidas de produtos eletrolíticos desta classe são divididas nos seguintes tipos:

• Estruturas de capacitores de dupla camada (DSC);
• Células eletrolíticas híbridas;
• Pseudocapacitores.

Vamos considerar cada um deles com um pouco mais de detalhes.

As estruturas de duas camadas possuem em sua composição dois eletrodos porosos com revestimento de carbono condutivo, separados por uma composição especial (separador de eletrólito). O processo de acúmulo de energia nessas formações é realizado devido à separação de cargas opostas em sinal, acompanhada pela formação de potenciais de amplitude significativa nos eletrodos.

Pela quantidade carga elétrica Tais estruturas são significativamente afetadas pela capacitância da dupla camada de armazenamento, que desempenha a função de uma espécie de capacitor de superfície. Entre si, esses dois sistemas de armazenamento são conectados em uma cadeia em série por meio de um eletrólito que os une.

Informações adicionais. Nesse caso, ele desempenha o papel de um condutor com condutividade do tipo iônico.

Os eletrólitos híbridos podem ser classificados como estruturas de transição que ocupam uma posição intermediária entre uma bateria e um capacitor. A escolha desse nome para esses produtos se deve ao fato de os eletrodos neles serem feitos de materiais tipo diferente, como resultado da qual a natureza do acúmulo de carga é um pouco diferente.

Normalmente, a função do cátodo neles é realizada por um material com a chamada "pseudocapacitância", e o processo de acúmulo de carga ocorre devido à ocorrência de reações redox. Essa "arquitetura" de eletrólitos desse grupo permite aumentar a capacitância total do capacitor, bem como expandir a faixa de tensões permitidas.

Esses produtos geralmente usam combinações complexas de material de eletrodo, que é uma combinação de um tipo especial de polímeros condutores (ou óxidos mistos). Pesquisas estão em andamento em outros materiais promissores (compósitos, em particular) obtidos pela deposição de óxidos metálicos sobre bases de carbono ou polímeros.

Os pseudocapacitores estão muito mais próximos dos recarregáveis ​​​​em termos de parâmetros técnicos. baterias tendo dois eletrodos de estado sólido. Sua ação é baseada em uma combinação dos dois mecanismos a seguir:

• Processos de carga e descarga (semelhantes às reações que ocorrem nas baterias convencionais);
• Interações de natureza eletrostática inerentes a estruturas com dupla camada elétrica.

O prefixo "pseudo" significa que a capacidade desses elementos é determinada não tanto pela natureza dos processos eletrostáticos quanto pela dependência de reações associadas à transferência de cargas eletrolíticas.

Áreas de uso

Na maioria das vezes, os produtos desta classe são usados ​​nos seguintes mecanismos, montagens e amostras de equipamentos:

• Em sistemas com fontes de energia renováveis ​​que precisam acumular potenciais acumulados ( painéis solares, geradores eólicos, etc.);
• Em veículos modernos (carros elétricos, por exemplo), bem como em dispositivos para dar partida em motores de carros movidos a hidrogênio;
• Devido à alta densidade de energia e maior capacidade específica, esses produtos são amplamente utilizados em equipamentos eletrônicos (como fontes de pulsos de curta duração e potentes);
• Eles também são procurados em sistemas de energia ininterrupta, que aproveitam ao máximo sua principal vantagem - fornecer transferência instantânea de energia.

Observação! Isso também deve incluir o desenvolvimento de indústrias que envolvam o uso de sistemas de energia contínua com combustível econômico.

Além disso, os supercapacitores podem ser usados ​​nos seguintes dispositivos:

• Em sistemas de amortecimento de cargas energéticas, bem como em dispositivos de partida de motores elétricos;
• Em complexos cujo funcionamento esteja associado a cargas críticas (equipamentos de portos, hospitais, torres móveis, centros bancários, etc.);
• Em fontes de alimentação de backup para equipamentos de PC e sistemas de aquisição de dados (microprocessadores e memória), bem como em telefones celulares.

Vantagens e desvantagens dos produtos capacitores

Entre as vantagens dos produtos desta classe destacam-se:

• Baixo custo específico (por unidade de capacidade);
• Alta densidade capacitiva e eficiência dos ciclos de carga e descarga (até 95% e superior);
• Confiabilidade, durabilidade e respeito pelo meio ambiente;
• Excelentes indicadores de potência específica;
• Gama suficientemente ampla de temperaturas em que a sua operação é possível;
• A maior taxa de carga e descarga possível para produtos desta categoria;
• Admissibilidade de perda total de capacidade (praticamente a zero).

Outra vantagem importante dos SCs é seu tamanho e peso relativamente pequenos (em relação a outros tipos de produtos eletrolíticos).

Entre os "pontos negativos" inerentes a eles, gostaria de observar as seguintes deficiências:

• Densidade relativamente baixa de energias acumuladas;
• Baixa tensão por unidade de capacitância do elemento;
• Alto nível de autodescarga descontrolada.

Adicione a isso a tecnologia não totalmente desenvolvida para a produção de produtos.

Perspectivas de aplicativos

Em um futuro próximo, espera-se o uso quase universal de supercapacitores, que serão introduzidos na maioria das indústrias de uso intensivo de energia (incluindo a indústria médica, indústria aeroespacial e equipamentos militares).

Simultaneamente à sua introdução, aumenta cada vez mais a capacidade específica destes produtos, o que no futuro permitirá substituir totalmente as baterias por condensadores. Ele também descreve o processo de integração de supercapacitores em várias estruturas de produção eletrônica moderna, incluindo a fabricação de elementos reguladores e de controle.

Em conclusão, notamos que os produtos capacitores desta classe permitem implementar maneiras ecologicamente corretas de economizar energia, que são muito mais promissoras do que todas as conhecidas até agora. Em um futuro próximo, espera-se uma maior expansão do escopo dessas tecnologias, que podem abranger toda a indústria automotiva, bem como dispositivos de comunicação e equipamentos móveis.

Vídeo

O supercapacitor, que se espalhou recentemente, não é exatamente o nome correto para um dispositivo como um ionistor. Um ionistor, por sua vez, é um tipo de capacitor. O ionistor foi inventado há muito tempo - nos anos 50, mas na forma que está agora existe desde 1982. Os primeiros ionistores com baixa resistência interna para uso em circuitos de alta potência foram desenvolvidos pela PRI em 1982.

Com o advento dos ionistores, tornou-se possível usar capacitores em circuitos elétricos não apenas como elemento conversor, mas também como fonte de tensão. O ionistor é amplamente utilizado como substituto de baterias para armazenar informações sobre os parâmetros do produto na ausência de alimentação externa. Essas células têm várias vantagens sobre as fontes de corrente química convencionais - células galvânicas e baterias:

• Altas taxas de carga e descarga.
• Simplicidade carregador
• Pouca degradação mesmo após centenas de milhares de ciclos de carga/descarga
• Peso leve em comparação com capacitores eletrolíticos de capacidade semelhante
• Baixa toxicidade de materiais
• Não polaridade (embora "+" e "-" sejam indicados nos ionistores, isso é feito para indicar a polaridade da tensão residual depois de carregada na fábrica).

A densidade de energia dos ionistores ainda é várias vezes menor do que as capacidades das baterias. Por exemplo, a densidade de energia de um ionistor BCAP3000 3000F x 2,7V com uma massa de 0,51 kg é de 21,4 kJ / kg. Isso é 7,6 vezes menos que a densidade de energia das baterias eletrolíticas de chumbo, 25 vezes menos que as baterias de polímero de lítio, mas dez vezes mais que a densidade de energia de um capacitor eletrolítico. A densidade de potência de um ionistor depende da resistência interna. Nos modelos mais recentes de ionistores, a resistência interna é bastante pequena, o que permite obter uma potência comparável à de uma bateria.

Em 1997, pesquisadores da CSIRO desenvolveram um supercapacitor que poderia armazenar grandes quantidades de carga usando polímeros semelhantes a filmes como dielétrico. Os eletrodos foram feitos de nanotubos de carbono. Os capacitores convencionais têm uma energia específica de 0,5 Wh/kg, enquanto os capacitores PET têm 4 vezes mais energia.

Em 2008, os pesquisadores desenvolveram um protótipo de ionistor baseado em eletrodos de grafeno com uma capacidade de energia específica de até 32 Wh/kg, comparável à das baterias de chumbo-ácido (30–40 Wh/kg).

A vida útil dos ionistores é grande. Estudos foram realizados para determinar o número máximo de ciclos de carga-descarga. Após 100.000 ciclos, nenhuma degradação de desempenho foi observada. De acordo com declarações recentes de funcionários do MIT, os ionistores poderão em breve substituir as baterias convencionais. Além disso, em 2009, foram realizados testes em uma bateria baseada em ionistor, na qual nanopartículas de ferro foram introduzidas no material poroso. A dupla camada elétrica resultante passou os elétrons duas vezes mais rápido, criando um efeito de túnel.

Um novo projeto de supercapacitor proposto pela Nanotek Instruments Inc. (EUA), possui eletrodos constituídos por grafeno com impurezas que aumentam a condutividade do acetileno e um ligante de PTFE. O eletrólito utilizado foi uma substância conhecida em eletroquímica como EMIMBF4. A propósito, foi esse grupo científico que sugeriu pela primeira vez em 2006 que o grafeno poderia, em princípio, ser usado para criar tais dispositivos. Como resultado do uso dessas substâncias, os cientistas criaram capacitores do tamanho de uma moeda em uma câmara protetora.

A densidade de energia do dispositivo resultante é comparável a baterias de níquel-hidreto metálico. Se falamos de números, a densidade de energia no dispositivo criado é de cerca de 85,6 W * h / kg em temperatura do quarto e cerca de 136 Wh / kg a 80 graus Celsius. No entanto, conforme observado acima, o dispositivo tem uma enorme vantagem sobre as baterias convencionais, pois pode ser carregado e descarregado com extrema rapidez. Os próprios desenvolvedores consideram sua criação um verdadeiro avanço tecnológico. A capacidade de carregamento rápido significa que o design pode ser usado para alimentar telefones celulares e outros dispositivos portáteis de consumo no futuro.

supercapacitores russos

Na Universidade Nacional de Pesquisa Tecnológica da Rússia MISiS, em colaboração com o TEEMP, a partir de um material único semelhante ao grafeno e nanotubos, desenvolveram supercapacitores que foram utilizados em sistemas de partida de motores de equipamentos pesados ​​em temperaturas extremamente baixas.

Dentro do supercapacitor está um material de nanocarbono feito de fibra orgânica com alta condutividade de corrente e maior densidade de energia - até 20 F/cc de massa ativa (um de seus nomes comuns na comunidade científica é "bigodes") e baixo custo de produção. Uma nova ideologia para a montagem de módulos supercapacitores, que reduz o trabalho de fabricação de acionamentos, e uma tecnologia original para produzir materiais de eletrodos a partir de fibras orgânicas no futuro podem reduzir o custo de fabricação de um dispositivo de armazenamento de energia em quase 3 vezes, dizem representantes do TEEMP. A produção dos mais recentes supercapacitores russos usando a tecnologia descrita acima está planejada para ser lançada no primeiro trimestre de 2017 na região de Moscou.

A primeira linha de dispositivos usando um novo tipo de supercapacitores já foi criada. Os desenvolvedores se concentram no sistema de partida do motor, "contendo dentro de um dispositivo híbrido de armazenamento de energia baseado em um módulo supercapacitor e um gerador a gasolina". É capaz de funcionar offline, não requer a presença de rede elétrica e, quando carregado, pode dar partida, por exemplo, em um caminhão basculante pesado 10 vezes seguidas em temperaturas de -40 ° C a -60 ° C. O sistema pode ser usado para iniciar pequenas aeronaves que requerem alto poder em um curto período de tempo, o que desativa rapidamente as baterias convencionais. Esse dispositivo já foi testado no outono de 2016 para lançar equipamentos militares e recebeu feedback positivo.