Υπερπυκνωτές — συσκευή, πρακτική εφαρμογή, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Τι είναι ένας υπερπυκνωτής

Οι υπερπυκνωτές ή υπερπυκνωτές μοιάζουν με συνηθισμένους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, αν και διαφέρουν από τους τελευταίους σε πολύ μεγαλύτερη ηλεκτρική χωρητικότητα (εξαιρετικά μεγάλοι πυκνωτές). Όσον αφορά τις ιδιότητές του, ένας ιονιστής είναι μια διασταύρωση μπαταρίας και πυκνωτή. Η συσκευή του μπορεί να περιγραφεί ως πυκνωτής με ηλεκτρικό διπλό στρώμα, δεν είναι για τίποτα που οι υπερπυκνωτές ονομάζονται EDLC — Electric Double Layer Capacitor στους αγγλικούς πόρους.

Ένας τέτοιος πυκνωτής λειτουργεί χάρη στις ηλεκτροχημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε αυτόν και όχι απλώς λόγω του ηλεκτρικού πεδίου που αποθηκεύεται στο διηλεκτρικό μεταξύ των πλακών, όπως σε έναν συμβατικό πυκνωτή. Δεν υπάρχει κλασικό διηλεκτρικό στρώμα μεταξύ των πλακών και οι ίδιες οι πλάκες αποτελούνται από ουσίες διαφορετικούς σε φορείς φορτίου του αντίθετου τύπου.

Στο βαθμό που χωρητικότητα του πυκνωτή είναι ευθέως ανάλογο με το εμβαδόν των πλακών του. για να αποκτήσετε μεγάλη χωρητικότητα, είναι απαραίτητο να έχετε μια εκτεταμένη περιοχή των πλακών. Αυτός είναι ο λόγος που τα ηλεκτρόδια του υπερπυκνωτή είναι συνήθως κατασκευασμένα από αφρώδες άνθρακα, ο οποίος δίνει μια πολύ σημαντική περιοχή «πλάκες».

Τα ηλεκτρόδια διαχωρίζονται με διαχωριστή και βρίσκονται σε στερεό όξινο ή αλκαλικό ηλεκτρολύτη. Ο διαχωριστής εξαλείφει ένα βραχυκύκλωμα μεταξύ των ηλεκτροδίων. Ο κρυσταλλικός ηλεκτρολύτης ρουβιδίου, αργύρου και ιωδίου καθιστά δυνατή τη δημιουργία ιονιστών υψηλής χωρητικότητας, χαμηλής αυτοεκφόρτισης, ανθεκτικών σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Οι υπερπυκνωτές με χαμηλή εσωτερική αντίσταση λαμβάνονται, για παράδειγμα, με βάση το διάλυμα θειικού οξέος, αλλά η τάση λειτουργίας τέτοιων υπερπυκνωτών περιορίζεται στο 1 volt, επιπλέον, τέτοια διαλύματα είναι τοξικά, επομένως χρησιμοποιούνται σπάνια.

Μια ηλεκτροχημική αντίδραση στον υπερπυκνωτή αναγκάζει μερικά από τα ηλεκτρόνια να φύγουν από τα ηλεκτρόδια, γεγονός που φορτίζει θετικά τα ηλεκτρόδια. Τα αρνητικά ιόντα έλκονται από τον ηλεκτρολύτη προς τα θετικά φορτισμένα ηλεκτρόδια. Αυτό σχηματίζει ένα ηλεκτρικό στρώμα.

Ως αποτέλεσμα, το φορτίο του υπερπυκνωτή αποθηκεύεται στη διεπαφή μεταξύ άνθρακα και ηλεκτρολύτη και το πάχος του ηλεκτρικού στρώματος που σχηματίζεται από κατιόντα και ανιόντα είναι μόνο 1-5 nm, που ισοδυναμεί με μια πολύ μικρή απόσταση μεταξύ των πλακών πυκνωτών . Αυτό έχει ως αποτέλεσμα σημαντική χωρητικότητα που μετράται σε farads. Ο υπερπυκνωτής είναι πολικός, επομένως, όταν συνδέεται στο κύκλωμα, είναι απαραίτητο να παρατηρήσετε τη σωστή πολικότητα.

Εφαρμογή υπερπυκνωτών

Σήμερα, οι υπερπυκνωτές βρίσκονται συχνά στην ψηφιακή τεχνολογία ως εφεδρικά τροφοδοτικά για μικροελεγκτές, κυκλώματα μνήμης, τσιπ CMOS, ηλεκτρονικά ρολόγια και πολλά άλλα.

Όταν χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με μπαταρίες, οι υπερπυκνωτές μπορούν επίσης να αυξήσουν την απόδοση και να επιτρέψουν τη μείωση του βάρους και του μεγέθους των μπαταριών, παρέχοντας πρόσθετη ισχύ κατά τα φορτία αιχμής.

Όντας σε ενδιάμεση θέση μεταξύ πυκνωτών και μπαταριών, οι υπερπυκνωτές ισχύουν σε διάφορους τομείς: αποθήκευση ενέργειας σε συστήματα πέδησης με ανάκτηση, εφαρμογές χαμηλής ισχύος και εφαρμογές γρήγορης φόρτισης (κεραυνός, συσκευή αναπαραγωγής, μνήμη κ.λπ.).

Το μέλλον είναι πιθανό να περιλαμβάνει φορητές ηλεκτρονικές συσκευές, ηλεκτρικά αυτοκίνητα και οτιδήποτε λειτουργεί με μπαταρίες σήμερα, με το πλεονέκτημα ότι μπορούν να φορτιστούν σε λίγα λεπτά. Οι υπερπυκνωτές είναι επίσης απαραίτητοι όταν απαιτείται μεγάλος αριθμός κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης υπό συνθήκες βραχυπρόθεσμης κατανάλωσης ισχύος.

Παραθέτουμε μόνο μερικούς από τους τομείς επιτυχούς εφαρμογής υπερπυκνωτών σήμερα:

• αιολική ενέργεια,
• ιατρικός εξοπλισμός,
• περιττή παροχή ρεύματος,
• ενεργειακό απόθεμα,
• αναγέννηση ενέργειας πέδησης,
• τρόφιμα για ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης και συσκευές κουζίνας,
• τροφοδοσία LED και αισθητήρων,
• εφεδρική μνήμη,
• διατήρηση της τροφοδοσίας ηλεκτρονικών κλειδαριών,
• σταθεροποίηση τάσης.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Τα μειονεκτήματα των υπερπυκνωτών περιλαμβάνουν χαμηλή τάση λειτουργίας (έως 2,7 βολτ ανά στοιχείο, γεγονός που οδηγεί στην ανάγκη συλλογής υπερπυκνωτών σε μπαταρίες) και μια μάλλον υψηλή τιμή σε σύγκριση με τις μπαταρίες και τους πυκνωτές.

Θετικά χαρακτηριστικά υπερπυκνωτών: ταχύτητα φόρτισης και εκφόρτισης, πόρος εκατοντάδων χιλιάδων κύκλων, χωρίς συντήρηση, μικρό μέγεθος και βάρος, ευκολία στη χρήση, μεγάλο εύρος θερμοκρασιών λειτουργίας, μεγάλη διάρκεια ζωής.

Δείτε επίσης: Ποια είναι η διαφορά μεταξύ μπαταριών και πυκνωτών