Аккумулятор сверхъемкий: Создан сверхъёмкий аккумулятор на основе углекислого газа — Ferra.ru

Сверхъемкие графеновые аккумуляторы запустили в массовое производство

Испанские ученые создали полимерные графеновые аккумуляторы для электрокаров. С их помощью зарядка и эксплуатация автомобиля становится легче и выгоднее.

Над разработкой новинки работали научные сотрудники корпораций Graphenano и Grabat Energy в содружестве с представителями Университета Кордовы. По словам специалистов Graphenano, поточное производство батарей начато в 2015 году.

Срок службы полимерных аккумуляторов в четыре раза выше, чем у обычных накопителей. Благодаря небольшому весу графена повысится экономичность эксплуатации электрокаров. Да и стоимость батарей на 77 % дешевле, чем у литиевых аккумуляторов, — веский довод для покупки.

Преимущество новых накопителей энергии было подтверждено тестами нескольких немецких автоконцернов. Во время одного из исследований было доказано, что 8-минутной зарядки графенового аккумулятора хватило для поездки электрокара на дистанцию 1000 км.

Это весьма впечатляющий результат, но на достигнутом Graphenano останавливаться не собирается. Работы в данной области продолжаются. Результативность разработки два года назад предсказал Илон Маск — гендиректор Tesla Motors. В 2014 году от компании поступила информация о модификации литий-ионных аккумуляторов с помощью графена. Благодаря этому удалось вдвое повысить емкость обычного накопителя, обеспечив пробег в 800 километров. Интервью с руководителем крупнейшего в США производителя электрокаров было напечатано в британском автомобильном журнале «Auto Express». В нем Маск признал, что 800 км — не предел. Благодаря изобретению графена этот порог удалось перешагнуть.

Графен — один из самых прочных и одновременно тонких материалов, был синтезирован впервые в 2004 году. Его разработка — заслуга профессора Андрея Гейма, нобелевского лауреата по физике-2010. Графеновый накопитель весит вполовину меньше обычного литий-ионного. Это свойство облегчает его подзарядку и позволяет повысить экономичность электротранспорта. Несмотря на такое количество преимуществ, стоимость накопителя невысока.

Сущность его действия состоит в трансформации химической энергии в электрическую. При этом реакция в графеновом аккумуляторе проходит более эффективно и не приводит к загрязнению окружающей среды. «Протонный фильтр», как назвал графен его создатель, несмотря на высокую прочность способен пропускать сквозь себя протоны. Именно это и делает рациональным его использование в топливных элементах. Как сито, графен отсеивает водород из воздуха, используя энергию этого химического элемента для инициации движения электронов и возникновения тока. При этом утечка энергоносителя не возникает, что положительно сказывается на экономичности технологии.

Благодаря необычным свойствам материала Департамент энергетики США в своих планах до 2020 года делает ставку на повсеместное внедрение графеновых технологий.

Сверхъемкие аккумуляторы. Репортаж из XXI века

Сверхъемкие аккумуляторы

О таких аккумуляторах мечтают во многих отраслях техники и промышленности. Представьте себе автомобиль. Вместо бака с горючим он возит небольшой ящичек с аккумуляторами. Изредка водитель автомобиля подключает клеммы к электрической сети, а на бензозаправочные колонки и не оглядывается. Ездит такой автомобиль почти бесшумно: ведь в его электрических двигателях нет движущихся возвратно-поступательно частей — поршней, клапанов, обычных для двигателей внутреннего сгорания; нет цилиндров, в которых бы сгорало, а точнее, взрывалось, — так стремительно это сгорание, — топливо. И воздуха обсаженных зеленью улиц не портит выхлопами копоти и сажи такой автомобиль… Нет, определенно, это была бы настоящая греза шофера!

Или представьте еще. Приехали в неисследованный горный район геологи. По обрывистым склонам стремительных горных рек, по обнаженным скалам застучали их молотки. И вот обнаружено место, к которому ведут со всех сторон следы косвенных улик. Да, по всей вероятности, именно здесь, под каменистой, заросшей соснами почвой прекрасной и дикой пади скрыты залежи руд драгоценного металла. Надо убедиться в этом, провести разведочное бурение, установить границы залежи.

Геологи собирают небольшую буровую установку, подключают к ней клеммы сверхъемкого аккумулятора — и поползли вниз, в недра земли, одна за другой колонковые трубы. Не надо к этой буровой установке подвозить горючее на вьючных лошадях по непроходимым горным тропам или даже с помощью вертолетов, как это нередко делается сейчас. Не надо тянуть высоковольтную электрическую линию через горные перевалы и глубокие ущелья.

А в авиации… Сколько дополнительных тонн груза можно было бы перевозить на аэропланах и вертолетах, если бы не нужны были громоздкие и тяжелые баки с горючим, а вместо них стояли бы небольшие легкие ящички со сверхъемкими аккумуляторами!

Да, будь созданы такие аккумуляторы, совершенно по другому пути пошло бы развитие всех транспортных средств. Вместо загрузки углем и водой тендера паровоза просто меняли бы на станциях аккумуляторные батареи. Не было бы паутины трамвайных и троллейбусных проводов над улицами городов — весь городской транспорт работал бы на аккумуляторах. Да, возможно, не было бы и высоковольтных линий электропередачи — дорогих, требующих постоянного контроля.

Вместо передачи по проводам электроэнергию привозили бы в заряженных аккумуляторах.

Как бы ни был удален в этом случае населенный пункт от электростанции и как бы он ни был мал, будь это хотя бы одинокий домик лесника в доброй сотне километров от ближайшего села, он не испытывал бы недостатка электроэнергии. Раз в год привозили бы сюда те же самые ящички с аккумуляторами.

Нет, бесспорно, создание такого аккумулятора произвело бы революцию в целом ряде отраслей современной техники!

Но будут ли когда-нибудь созданы такие аккумуляторы? Возможны ли они вообще? Нет ли закона природы, который утверждал бы невозможность создания такого аккумулятора?

Мы обратились с этими вопросами к академику Александру Наумовичу Фрумкину, известному своими работами в области электрохимических источников тока.

— Сразу же определим, — сказал академик, — круг вопросов, которые мы затронем. Если решим, что нас интересует область электрохимических источников тока, то придется ответить, что наряду со столь важной задачей этого участка фронта, какой является создание сверхъемких аккумуляторов, существуют и другие, в частности задача создания устройства для прямого превращения химической энергии топлива в электроэнергию, причем такого устройства, коэффициент полезного действия которого был бы достаточно высоким.

Многие знают, что четыре пятых всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии производят тепловые электростанции, сжигающие уголь, торф и другие виды топлива. А знаете ли вы, что, если электростанция превращает в электрический ток 30 процентов заключающейся в топливе энергии и теряет «только» 70 процентов, это уже считается отличным показателем! Две трети добытой из-под земли трудом людей химической энергии топлива, как правило, теряется без пользы. Что бы сказал мучимый жаждой человек, если бы, добравшись до воды и зачерпнув полный стакан, ему удалось поднести к губам едва треть его? А ведь именно в таком положении находится человечество: из наполненного до краев кубка энергии ему удается полезно использовать едва четверть!

Есть ли пути повышения коэффициента полезного действия тепловых электростанций? Теплотехники сразу ответят: для этого надо поднять начальные параметры пара — его температуру и давление. И сразу же предупредят, что это дело очень сложное, что практически по этому пути они дошли уже почти до предела, что трубопроводы свежего пара у них и так уже работают чуть ли не при малиновом калении, что для борьбы с крипом — ползучестью металлов при высоких температурах — приходится применять дорогие легированные стали и т. д., и т. п. Повышение электрического коэффициента полезного действия тепловых электростанций до 50 процентов — это почти не осуществимая мечта современных теплотехников.

Дело здесь не в усовершенствовании отдельных узлов и борьбе с отдельными потерями энергии. Дело в принципиальной невозможности повышения коэффициента полезного действия электростанций, в топках которых сжигается топливо, а в турбинах работает водяной пар!

Для того чтобы поднять коэффициент полезного превращения химической энергии топлива в электрическую, следует искать новые пути таких превращений, принципиально отличные от применяемых на современных электростанциях.

…Яростное пламя клокочет в топке гигантского — высотой с восьмиэтажный дом — парового котла электростанции. А что такое пламя? В чем физическая сущность процесса горения?

Топливо состоит в основном из углерода. При горении его атомы теряют электроны. Атомы кислорода, наоборот, приобретают их. Атомы углерода и кислорода соединяются в молекулы углекислого газа. Так как все эти процессы, изложенные здесь в упрощенном виде, происходят очень энергично, атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это означает повышение их температуры. Они начинают испускать свет, а это и есть пламя.

Значит, при горении происходит непрерывный обмен электронами, их движение. А ведь электрический ток — это тоже движение электронов, только упорядоченное. Значит, если упорядочить движение электронов в горящем веществе, можно получить электрический ток. Только надо не позволить электрически заряженным ионам хаотически растратить свою электрическую энергию при взаимных встречах, не дать ей превратиться в тепло.

Кстати, это давно уже научились делать. Ведь электрохимические процессы, происходящие в любом аккумуляторе, в любой батарейке от карманного фонаря, принципиально ничем не отличаются от обычного горения. Там тоже происходит обмен электронами между двумя химическими элементами, происходит «горение». Только движение электронов в аккумуляторе строго упорядоченно, и их энергия не превращается в тепловую в хаосе пламени.

В батарейке карманного фонаря «сгорает» цинк. В свинцовом аккумуляторе— свинец. Есть множество различных электрохимических источников тока — батарей и аккумуляторов различных типов, в которых «сгорают» самые различные элементы. Можно построить, например, батарею, в которой «сгорает» железо, и процесс его окисления, который при ржавлении железа приводит к бесполезной потере металла, сделать источником энергии. Ну, а нельзя ли создать устройство — батарею, аккумулятор, в котором также без огня и пламени медленно «сгорало» бы, порождая электрический ток, наше обычное топливо электростанций — каменный уголь?

Первым энтузиастом этой идеи был известный русский инженер Павел Николаевич Яблочков. Однако техническое осуществление ее оказалось настолько сложным, что и сегодня практически действующих конструкций таких аппаратов еще не существует. Есть только лабораторные образцы устройств, в которых может осуществляться «беспламенное», или лучше сказать «электрическое», сгорание некоторых видов топлива.

Одно из таких устройств — их называют обобщенно топливными элементами — предложил немецкий ученый Бауэр. Здесь «сгорает» порошок кокса, помещаемый и цилиндрическую чашечку из пористой глины. Эту чашечку опускают в большой сосуд, наполненный железной окалиной. Работает такой топливный элемент при температуре около 1000°. К сожалению, этот элемент работает периодически: когда порция кокса выгорит, элемент надо охлаждать и заменять топливо новым. Конечно, этот чисто конструктивный недостаток может быть устранен, но дело это отнюдь не простое.

Дальнейшая работа в том же направлении привела, однако, к выводу, что топливный элемент можно создать пока лишь на основе газообразного, но не твердого топлива.

Имеется целый ряд конструкций топливных элементов, в которых сгорает не твердое топливо, а газ. Английский ученый Бэкон разработал конструкцию элемента, в котором «сгорает» водород. Устроен он следующим образом: в раствор едкого кали опущены два электрода, сделанных из пористого никеля. К одному электроду подводят водород, к другому — кислород. Газы проникают сквозь бесчисленные поры никеля и соприкасаются с электролитом. Этот элемент работает при давлении газов около 50 атмосфер и при температуре 200–240°.

По сообщениям зарубежной печати, батарея Бэкона развивает на каждый кубометр объема мощность до 80 киловатт. Это весьма значительная мощность, позволяющая ставить вопрос о возможности практического использования батарей таких элементов. Описаны в настоящее время и другие аналогичные элементы, работающие на водороде при более низких температурах и атмосферном давлении. Недостатком их является то, что они работают на чистом водороде, который слишком дорог. Очень существенно было бы использовать более дешевое газообразное топливо, в первую очередь генераторный газ. Это, вообще говоря, возможно, но пока все элементы, использующие генераторный газ, работают только при высоких температурах, например 800°. Такую установку для «сжигания» горючего газа построил советский ученый О. К. Давтян. Она представляет собой кожух, в который подаются с одной стороны обыкновенный воздух, с другой — генераторный газ. Потоки воздуха и генераторного газа разделены слоем твердого электролита. С каждого кубометра объема такого элемента можно получить до 5 киловатт мощности. Это в 5 раз больше, чем на современной тепловой электростанции. Коэффициент полезного действия этого элемента высок, но, к сожалению, через некоторое время электролит изменяет свой состав, и элементы делаются непригодными.

Задача огромной важности — создание электролита и электродов для топливного элемента, которые могли бы длительное время работать на природном горючем газе.

Представляете ли вы себе, какие преимущества принесло бы широкое внедрение в будущем топливных элементов? Но до его осуществления еще далеко. Чтобы оно стало реальностью, надо очень и очень много работать.

А теперь вернемся к нашему вопросу об аккумуляторах. Возможно ли значительно увеличить емкость электрического аккумулятора, не увеличивая его объема и веса? Да, возможно.

Оглянемся назад. На самой заре XIX столетия, в 1800 году, известный итальянский физик и физиолог Алессандро Вольта изобрел первый длительно действующий электрохимический источник тока — Вольтов столб. Он состоял из ряда цинковых и медных кружков, проложенных суконными кружками, смоченными соленой водой. Собственно, с этого времени и надо начинать историю развития современной электротехники.

А уже через год, в 1801 году, открыто явление поляризации, а именно, замечено, что два одинаковых электрода, погруженных в подкисленную воду и находящихся в соединении с полюсами Вольтова столба, способны сами давать ток после того, как их отключили от первоначального источника тока. Так возникла идея аккумулирования, запасания электрического тока. Первым практически использовал аккумулятор русский ученый Якоби.

Однако только в 1860 году французский физик Планте, исходя из представлений Якоби, предложил распространенный и сегодня, конечно, значительно с тех пор усовершенствованный свинцовый аккумулятор. И еще сорок лет должно было пролететь, прежде чем появился изобретенный Эдисоном второй тип аккумуляторов — щелочной аккумулятор с электродами из окиси никеля и железа. Щелочные аккумуляторы ныне распространены так же широко, как кислотные.

Эти два типа аккумуляторов нашли и находят широкое применение и на транспорте. Первое применение электрохимических источников тока — но не аккумуляторов, а гальванических элементов — на транспорте связано также с именем Якоби. Всем памятно интереснейшее событие из истории техники — создание Якоби судна, которое приводилось в движение на Неве электромоторами от гальванических батарей. Хотя и не оправдались полностью ожидания ученых того времени, что электрохимические источники тока станут основными для приведения в движение транспортных машин, уже сегодня есть виды транспорта, использующие в качестве энергоисточника аккумуляторные батареи. Всем, вероятно, известны электрокары, обслуживающие грузовые поезда. Все знают также, что и винты подводной лодки в погруженном состоянии приводят в движение электрические двигатели. Но с бензиновым баком на легковом автомобиле ни свинцовый, ни железо-никелевый аккумулятор конкурировать не может, хотя для железнодорожного транспорта в определенных условиях перевод на питание аккумуляторами может оказаться экономически целесообразным.

В последние годы появился новый вид аккумулятора, способный действительно соперничать с жидким топливом. Это серебряно-цинковые аккумуляторы. Их энергоемкость на единицу веса примерно в четыре раза выше, чем у аккумуляторов других типов. Недостаток их — высокая стоимость. Конечно, сравнивать энергоемкость такого аккумулятора и бензина надо правильно. В серебряно-цинковом аккумуляторе «сгорает» цинк, Эта реакция дает несколько меньше энергии на единицу веса, чем выделяется при сжигании углерода. Но ведь из энергии, освобожденной при сгорании углерода и водорода, заключенных в молекулах бензина, в двигателе автомобиля удается полезно использовать едва 20–25 процентов. А серебряно-цинковый аккумулятор позволит полезно применить 70–75 процентов заключенной в нем энергии. Если мы будем исходить из такого расчета, мы можем сказать, что уже и сегодня килограмм серебряно-цинкового аккумулятора, установленного на легковой автомашине, «полезнее» килограмма бензина, запасенного в баке. Этот килограмм аккумулятора обеспечит более длительный пробег автомашины, чем килограмм бензина. Основной недостаток — дороговизна. Но в некоторых случаях, например при установке на спутниках, — это не препятствие. И действительно, такие аккумуляторы честно работали на третьем советском искусственном спутнике.

В принципе и емкость серебряно-цинкового аккумулятора — не предел.

Но работать над этим придется еще очень много. Последние десятилетия позволили резко продвинуть вперед теорию электрохимических источников тока. Мы уже несравненно отчетливее представляем себе сейчас, что происходит на границе соприкосновения металла и электролита, как раз там, где рождается и устремляется по заранее предписанному руслу поток электронов — электрический ток, и это позволит нам продвигаться дальше в решении прикладных вопросов.

Идей, которые требуют развития, мыслей, которые ждут воплощения, нехоженых путей, которые могут привести к интереснейшим открытиям, в электрохимии бесконечно много.

…Перед нами широкий простор проспекта Ленина. По нему стремительно проносятся многочисленные легковые машины и солидные, тяжеловесные автобусы. За ними клубятся, мгновенно тая, голубые облачка выхлопных газов. Ровно движется полупрозрачная, состоящая из одних плексигласовых окон, коробка троллейбуса. Своими длинными штангами он неотступно касается проводов.

Все эти машины ждут, когда в сером здании энергетического института, из двери которого мы только что вышли, или еще в каком-нибудь месте люди изобретут способ дешево и просто запасать в небольшом объеме большие количества электрической энергии.

Речь идет об аккумуляторе в широком смысле слова. Об аккумуляторе более энергоемком, чем лучшие химические, более энергоемком, чем лучшее современное топливо.

Речь идет именно об этом. И может быть, не химический аккумулятор, а атомный позволит решить эту задачу. Ведь уже существуют атомные батареи, способные в течение многих лет вырабатывать электрический ток. рождаемый распадом крупинки радиоактивного вещества. Еще невелик этот ток — он едва может питать лампочку карманного фонаря. Еще недолго работает и батарейка — тонкий механизм входящих в ее устройство полупроводников разрушает радиоактивное излучение. Но это первая ласточка. Может быть, за ней будущее?

А может быть, будущее за каким-либо другим устройством, сам принцип которого еще ждет своего открывателя?

Во всяком случае, сверхъемкие аккумуляторы энергии — их ждет техника — будут созданы.

Когда мы сможем заряжать телефон за минуты: дайджест инноваций № 15

Фото: РБК Тренды

Тема недели: новая эра источников питания

Батареи и аккумуляторы перестают быть узким горлышком развития мобильных технологий — от транспорта до гаджетов. Производители смартфонов соревнуются в мощности зарядных устройств. Сразу три китайские марки, OPPO, Realme, iQOO, анонсируют модели, которые можно будет полностью зарядить за 15-20 минут при мощности зарядного устройства в 120-125 Вт (обычно зарядные устройства современных смартфонов имеют мощность от 5 Вт до 45 Вт и заряжают гаджет около часа).

Китайская компания Amperex Technology Limited заявила, что готова создать для автомобилей Tesla аккумулятор, которого хватит почти на 2 млн км или на 16 лет службы. Может показаться, что этот излишний запас прочности не оправдан, ведь сейчас никто столько не проезжает на одном автомобиле. Но эксперты сразу увидели в новые возможности: поменять автомобиль, но оставить аккумулятор, или использовать один и тот же аккумулятор сразу для нескольких устройств.

От Tesla ждали собственного прорыва в увеличении емкости аккумуляторов — компания еще в 2019 году рассказывала об экологических преимуществах такого решения. Для автопроизводителей это будет означать, что лояльнее станут те покупатели, которые не уверены в долговечности аккумуляторов. Автопарки такси и общественного транспорта, где пробег в среднем значительно выше, чем у частного автовладельца, получат запас по длительности эксплуатации. А подержанные авто с долговечным аккумулятором будут значительно меньше терять в цене.

В результате, возможно, сработает закономерность: когда какую-то технологию делают лучше, то и потребляют ее в большем объеме. Уже сейчас концерн Hyundai-Kia к 2025 году планируют продать первый миллион электромобилей. А недавно производитель анонсировал новое поколение машин, которые будут подзаряжаться всего за 20 минут и проезжать на этом заряде до 450 км.

Выгоды от этого прорыва не такие уж однозначные, если присмотреться. По одной из версий автоэкспертов, «миллионные» электродвигатели придется неоднократно перепрофилировать, чтобы оптимально использовать их емкость, которая со временем неизбежно сокращается. Сейчас эти технологии только набирают мощности.

В 2020 году в Европе будет использовано около 300 МВт·ч от перепрофилированных аккумуляторов электромобилей. Промышленный выпуск более долговечных батарей усилит нагрузку на добычу кобальта, одного из ключевых материалов для этой технологии. Утилизация и переработка этого металла все еще не налажена. Китай и Европа только обозначали планы создать дорожную карту и планируют переложить ответственность за вторичное использование кобальта на производителей. А предприятия переработки батарей обеспокоены перспективой дефицита сырья. Длительный срок использования существенно растянет во времени их производственный цикл, ведь каждый аккумулятор до отправки в утиль придется ждать намного дольше.

Компании Audi и EnBW уже строят завод по утилизации аккумуляторов электромобилей, где смогут получать энергию даже из аккумуляторов с истекшим сроком службы. По данным немецкого автопроизводителя, использованная батарея электромобиля может функционировать как источник питания в течение еще трех-десяти лет. Партнер Audi, компания EnBW, разрабатывает методы хранения аккумуляторной энергии для ее последующей продажи промышленным потребителям — коммунальным службам или электростанциям.

• Проблема и ее решения

Одним из основных химических элементов в составе современных аккумуляторов стал литий. Ежегодно мировая промышленность перерабатывает более 160 тыс. т этого легкого металла. Эксперты прогнозируют рост потребности в литии в десять раз в течение следующего десятилетия. При этом его запасы ограничены и локализованы в нескольких странах. Но в Стэнфордском университете заявляют, что нашли почти неограниченный источник. Мировой океан содержит около 180 млрд т лития, но в сильно разбавленном виде. Американские ученые придумали, как получить металл для аккумуляторов из морской воды. Правда, сами авторы этого процесса признают, что пока он выходит слишком дорогим.

Команда Техасского университета сообщает о создании экологичного аккумулятора на основе жидких металлов. В прототипе батареи используются свойства сплава натрия с калием и галлия.

Российские ученые предложили альтернативу литию в аккумуляторах — более доступный и распространенный натрий. Исследования ведутся в НИТУ МИСиС и ИБХФ РАН. А экспериментальный образец батареи сделают их партнеры в Германии на базе Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф. На это потребуется не меньше года.

Другой прорыв российских ученых, который приближает эру сверхъемких аккумуляторов ― технологии промышленного синтеза углеродных нанотрубок. Это материал нового поколения с высокими показателями тепло- и электропроводности. Компания из Новосибирска OCSiAl в июне 2020 года стала крупнейшим поставщиком этого продукта в страны Евросоюза. Использование нанотрубок в производстве аккумуляторов позволяет в десятки раз увеличить их производительность.

«В литий-ионных батареях нанотрубки дают несколько сильных эффектов и увеличивают емкость. Сейчас у вас телефон или автомобиль, скажем, заряжаются полчаса или час, а с нанотрубками можно заряжать за 10 минут». — Доктор физико-математических наук, академик РАН Михаил Предтеченский.

Одной строкой

Исследование недели

В Microsoft проанализировали опыт международных команд, которые в период пандемии перешли на удаленные форматы работы и коммуникации.

Сотрудники стали испытывать больше эмпатии в отношении коллег:

• 62% — среди всех участников исследования;
• 65% — среди опрошенных в Мексике;
• 91% — среди опрошенных в Китае.

Те сотрудники, которые участвовали в видеоконференциях, почувствовали, что их больше ценят:

• 52% — среди всех участников исследования;
• 57% — среди опрошенных в Германии;
• 65% — среди опрошенных в Китае.

Источник: Microsoft

Видео недели

Японцы посадили на пустой стадион роботов, чтобы они поддержали команды на бейсбольном матче. Два десятка машин, в том числе, небезызвестные собачки от Boston Dynamics, пританцовывали и размахивали флагами на трибунах вместо реальных болельщиков.

Подписывайтесь на Telegram-канал РБК Тренды и будьте в курсе актуальных тенденций и прогнозов о будущем технологий, эко-номики, образования и инноваций.

Создан «вечный» аккумулятор, который можно заряжать раз в неделю

07 Декабря 2018 18:0207 Дек 2018 18:02

|

Поделиться

Батареи нового типа, в которых используются отрицательные ионы фтора, можно заряжать раз в неделю, а при экономичном использовании гаджетов – еще реже.

Литий больше не нужен

Группа ученых из Калифорнийского технологического университета под руководством лауреата Нобелевской премии 2005 г. по химии Роберта Граббса (Robert Grabbs) разработали новый вид аккумуляторных батарей, в которых в качестве основного вещества используется не литий, а фторид (химическое соединение фтора с другими элементами). По словам ученых, использование этого материала в мобильных аккумуляторах позволит заряжать смартфоны в восемь раз реже, чем сейчас. Результаты своих исследований они отразили в статье, опубликованной в журнале Science.

В современных литий-ионных АКБ, применяемых в портативной электронике, в качестве так называемого «химического поршня» для проведения электрического заряда через контур используются положительно заряженные катионы лития Li2+. Когда аккумулятор полностью заряжен, катионы находятся в аноде и при подключении нагрузки (при включении смартфона, к примеру) начинают перетекать в анод, тем самым генерируя электрический ток. Это классический принцип работы элементов питания на литии, но Роберт Граббс с командой ученых пошли совсем другим путем.

Новые старые технологии

Химик Граббс в своей работе использовал достижения ученых, еще в 1970-х годах доказавших, что «химический поршень» может работать в обратном направлении – нужно лишь использовать отрицательно заряженные ионы, в том числе ионы фтора (F-). Но на тот момент этот процесс происходил только при нагреве аккумуляторных батарей до 150 градусов Цельсия, что делало технологию неприменимой в потребительской электронике.

В будущем этот до боли знакомый символ мы будем видеть очень редко

Роберт Граббс нашел способ обхода этого ограничения: он разработал вещество, растворяющее электролит и позволяющее анионам (отрицательно заряженным ионам) фтора смешиваться с электронами при комнатной температуре.

Технология за авторством Граббса и его коллег пока находится на ранней стадии разработки, и о серийном производстве аккумуляторов нового типа речь не идет. Тем не менее, ученые подчеркивают высокую степень значимости их работы для дальнейшего развития элементов питания мобильных устройств. К основным преимуществам АКБ на основе фторида ученые отнесли, помимо длительного удержания заряда, еще долговечность и надежность, что указывает на замедленные процессы деградации по сравнению с литий-ионными батареями и на низкую вероятность воспламенения при деформации или механическом воздействии. Для элементов питания мобильных устройств это очень важно – напомним, что всего два года назад компания Samsung выпустила смартфон Galaxy Note 7, ставший самым опасным за всю историю мобильных средств связи – его литиевый аккумулятор содержал заводской дефект, приводивший к спонтанным возгораниям или даже взрывам. Существуют официально зафиксированные случаи получения травм и материального ущерба от сгоревшего Note 7.

Альтернатива фторидным аккумуляторам

Роберт Граббс – не единственный, кто стремится сделать аккумуляторы надежнее и долговечнее. В этом направлении работают многие крупные компании: к примеру, Microsoft в 2015 г. разработала прототип программно-конфигурируемой системы аккумуляторов, в состав которой входили несколько небольших АКБ, каждая из которых по своим химическим свойствам лучше подходит для решения той или иной задачи. Годом ранее ученые из США усовершенствовали традиционные литиевые батареи за счет своего рода защитного кожуха, окутывающего анод и представляющего собой сетку толщиной 20 нм из углеродных куполов. Решение позволило повысить надежность аккумуляторов и увеличить их емкость.

Телемедицина, нейрокомпьютерные интерфейсы и роботы: что ждет сферу социальных инноваций Москвы

Инновации и стартапы

Но дальше всех зашли китайцы – пока весь остальной мир разрабатывает технологии, они уже перешли непосредственно к производству элементов питания нового типа. Cтартап Qing Tao начал выпуск твердотельных аккумуляторов, по всем основным параметрам превосходящих литиевые. Они легче, у них более высокая плотность энергии, и они не так зависят от изменения температуры воздуха. В производство твердотельных АКБ китайцы уже вложили €126 млн.

Внешняя батарея PowerGorilla: непревзойденно емкий аккумулятор

Если вы являетесь счастливым обладателем IPhone, IPad, IPod, MacВook и при этом вынуждены много времени проводить в деловых поездках или просто любите путешествовать, то вы, скорее всего, уже сталкивались с проблемой зарядки мобильной техники в полевых условиях.

Устройства Apple весьма энергоемкие и требуют электроэнергии со стабильными параметрами. Поэтому обычная внешняя аккумуляторная батарея вряд ли в состоянии удовлетворить запросы таких прожорливых девайсов (особенно если вы привыкли пользоваться несколькими приборами). Вам нужен сверхъемкий аккумулятор с могущественным названием – PowerTraveller PowerGorilla.

Внешняя аккумуляторная батарея PowerGorilla: главные характеристики

PowerGorilla – это универсальное высокотехнологичное зарядное устройство, которое прошло испытания в различных климатических зонах – в Замибии и Афганистане, в Норвегии и Антарктике. При этом аккумулятор чрезвычайно прост в использовании.

Эта внешняя батарея производится под неустанным контролем разработчика – британской компании PowerTraveller, имеющей в копилке своих достижений большое количество наград за развитие инновационных технологий.

Создатели PowerTraveller, похоже, предусмотрели абсолютно все. Устройство оснащено системами защиты от короткого замыкания, перезарядки и перегрева. Дисплей информирует об уровне заряда. При полной зарядке батарея отключается автоматически.

Корпус имеет резиновые вставки, защищающие «внутренности» ЗУ от ударов в случае падения. Таким образом, вероятность того, что аккумулятор выйдет из строя, сведена к минимуму. Годовой коэффициент статического разряжения также довольно низкий — всего 10%.

Размеры батареи – 220x130x15 мм, а вес – 631 г. Для кого-то устройство может показаться слишком громоздким. Но ваши сомнения развеются через секунду после того, как вы узнаете емкость внешней батареи PowerGorilla.

21000 мА/ч!

Возможности PowerGorilla

Небольшое пояснение для тех, кто не очень хорошо разбирается в автономных источниках питания: 21000 мА/ч – это:

• от 3 до 4 зарядок для IPad или другого планшета;




• от 6 до 10 зарядок для IPhone или другого смартфона;




• от 8 до 12 зарядок обычного сотового телефона;




• 6 дополнительных часов работы вашего ноутбука.

Если ваши потребности не настолько велики, но вас привлекает надежность PowerGorilla, то вы можете сделать выбор в пользу его «младшего брата» — аккумулятора PowerTraveller MiniGorilla. При его изготовлении применялись те же технологии, но емкость меньше в 2 с лишним раза – 9000 мА/ч.

Важно отметить, что существует возможность сократить время зарядки IPad. Для этого к PowerGorilla нужно подключить специальный переходник Gorilla-pad Connector, который преобразует стандартную силу тока и напряжения таким образом, чтобы они соответствовали требованиям планшета Apple.

Комплектация

Словом, PowerGorilla – это сплошные преимущества. Вы будете приятно удивлены еще и тем, что в комплект поставки входит не только сама внешняя батарея, но и переходники для различной техники, DC-кабель, а также защитный неопреновый чехол. Важный момент – длина DC-кабеля – 80 см, это действительно самый оптимальный вариант.

Для переходников, кабелей и адаптера предусмотрены специальные карманы на чехле, так что все необходимые штекеры не будут теряться.

Бренд: 
PowerTraveller

Лазерный нивелир-уровень CONDTROL Omniliner 3D | Лазерные нивелиры (уровни) по НИЗКИМ ЦЕНАМ

CONDTROL Omniliner 3D – профессиональный лазерный нивелир, способный строить две вертикальные и одну горизонтальную плоскости с углом развертки 360 градусов. Высокая степень защиты IP 65, ударопрочный корпус и большой набор функций позволяют использовать нивелир как в закрытых помещениях, так и на открытых строительных площадках.

Трёхмерная разметка​. Нивелир CONDTROL Omniliner 3D проецирует три ортогональные лазерные плоскости с развёрткой 360°. Пересечение двух вертикальных плоскостей образует точки отвеса (зенит-надир). При помощи кнопки последовательного включения лазерных линий можно выбрать удобный для себя режим работы.

Защита от пыли и влаги IP 65. Корпус нивелира надёжно защищён от воздействия пыли, влаги и грязи, поэтому может работать в суровых условиях стройплощадки при любой погоде. Таким высоким показателем IP не может похвастаться ни один нивелир другой марки.

Защита от падений​. Лазерный нивелир CONDTROL Omniliner 3D отличается от конкурентов ударопрочной конструкцией, которая надёжно защищает его от падений с метровой высоты. Рельефные резиновые вставки обеспечивают надежный захват и не позволят нивелиру выскользнуть из рук во время его установки.

Построение наклонных плоскостей​. Благодаря возможности блокировки компенсатора можно строить линии под любым углом. Режим работы под наклоном пригодится во время установки лестничных перил или при декорировании стен.

Сверхъемкий аккумулятор. В отличие от своих конкурентов, CONDTROL Omniliner 3D оснащен мощной аккумуляторной батареей (Li-ion 4500 мАч), обеспечивающей длительную автономную работу. У вас не будет необходимости каждый раз покупать комплект батареек. Достаточно зарядить аккумулятор и можно снова приступать к работе.

Дальность работы. ​Рабочий диапазон лазерного нивелира – 20 м. Этого достаточно, чтобы делать разметку внутри помещений. Для работ на улице дальность действия можно увеличить до 60 м при помощи детектора, поставляемого в качестве отдельной опции.

● 3D разметка избавляет от необходимости вращать прибор;
● режим работы под наклоном позволяет строить линий под произвольным углом;
● сверхъёмкий аккумулятор обеспечивает длительное время работы без подзарядки;
● высокая защита от пыли IP 65 уберегает нивелир от суровых условий работы на стройке;
● дальность работы – 50 м, применение детектора увеличит дальность действия до 100 м.

Лазерный нивелир CONDTROL Omniliner 3D разработан специально для работы в суровых условиях стройки. Его можно использовать как для интерьерных работ: выравнивание стен и углов между ними, монтаж подвесных потолков, перегородок из гипсокартона, для расположения элементов декора строго на одной линии, даже при размещении на противоположных сторонах, прокладки кабелей электропроводки и коммуникаций, установки дверей и окон, так и для работ на открытых стройплощадках: выравнивание фундамента, стен, оконных и дверных проёмов, а также монтажа вентилируемых фасадов.

CONDTROL Omniliner 3D – один из самых компактных, но при этом самых точных 3D построителей лазерных плоскостей 360°, который значительно упростит проведение строительных и ремонтных работ благодаря большому набору функций.

Комплектация: лазерный нивелир, сумка, зарядное устройство, руководство пользователя.

Гарантия: 24 мес.

Технические характеристики:

В ближайшее время планируется выпуск сверхъемких аккумуляторов для электромобилей по новой технологии

Твердотельные аккумуляторы большой емкости для электромобилей планируют производить на вновь создаваемом совместном предприятии (СП) компании Toyota и Panasonic, сообщает информресурс Nikkei Asian Review.

Соответствующее соглашение стороны уже заключили.

Согласно доступной информации, к 2020 году объединенное предприятие планирует построить пять заводов по производству твердотопливных батарей в Японии и Китае. Эти батареи и легче, и безопаснее, и энергоэффективнее своих предшественниц – традиционных литий-ионных батарей.

Новое СП при производстве твердотопливных батарей будет использовать технологию пока еще не используемую в промпроизводстве. С ее помощью производители собираются увеличить емкость аккумуляторов в 50 раз по сравнению с ныне существующими аналогами.

Ко всему прочему, Toyota уже некоторое время работает над технологией производства твердотельных батарей, однако никаких официальных комментариев по этому поводу нет -эта информация пока строго конфиденциальная.

Некоторое время назад сообщалось, что японская компания TDK также создала миниатюрные твердотельные аккумуляторы. Правда, они предназначались не для автомобилей, а для переносных устройств и смартфонов. Эти мини-батареи способны выдерживать до 1 тыс циклов перезарядки, они безопаснее, чем литий-ионные аккумуляторы.

Такая батарея также может применяться в домашних устройствах – пульты дистанционного управления, в смартфонах и планшетах.

Издание Nikkei ранее сообщало, что TDK разошлет партнерам первую тестовую партию аккумуляторов, так как планирует запустить их в широкое производство.

В настоящее время информации о том, сколько будет стоить батарея, нет, но известно, что применение таких твердотопливных мини-батарей позволит еще больше снизить размер гаджетов, увеличив при этом их мощность, так как появится возможность устанавливать дополнительные компоненты внутрь “коробки”.

Суперконденсаторы против батарей — База знаний BatteryGuy.com

В суперконденсаторах нет ничего нового. General Electric пробовала использовать их потенциал в 1950-х годах, но сегодня пресса внезапно загорелась рассказами о том, что эта технология навсегда изменит способ хранения энергии. Было даже предположение, что батареи в том виде, в каком мы их знаем, больше никогда не будут прежними.

Волнение действительно кажется заслуженным. У них есть способность перезаряжаться за секунды и в отличие от всех

.
Электрические автобусы с питанием от суперконденсаторов используются в Китае почти десять лет.

типов батарей, которые зависят от внутренних химических реакций и поэтому изнашиваются, а суперконденсаторы со временем не разрушаются.Это означает, что суперконденсатор на 2,7 В сегодня будет суперконденсатором на 2,7 В через 15 лет. Все остальные современные конструкции аккумуляторов постепенно теряют производительность, а это означает, что ваша 12-вольтовая батарея сегодня может превратиться в 11,4-вольтовую батарею всего за 3 года.

Пожалуй, больше всего привлекает внимание то, что суперконденсаторы можно напечатать на 3D-принтере, что делает их в высшей степени универсальными для любой формы без необходимости создания производственной линии. Не меньшее восхищение вызывает их ультратонкая природа, что означает, что их можно легко интегрировать в одежду и другие ткани.

Так стоит ли готовить учебники истории для батарей? Еще не совсем.

Развитие портативной энергетики не было линейным. Технологический прогресс не всегда продвигал производительность аккумуляторов на каждый уровень. Вот почему, хотя литий-ионный аккумулятор, который питает ваш телефон, появился в 1990-х годах, тот, который запускает ваш автомобиль, скорее всего, все еще свинцово-кислотный и основан на конструкции, которой более 200 лет!

«Новое» обычно означает «лучше» или способов.Литий-ионные батареи хорошо разряжают стабильную энергию в течение длительных периодов времени, но они дороги. Свинцово-кислотные батареи быстро производят большое количество энергии и, что наиболее важно, дешевы в производстве.

История батареи изобилует техническими достижениями, но на каждом этапе старые химические элементы выживают и продолжают использоваться, потому что, хотя вся новая концепция захватывает заголовки, она никогда не становится лучше в каждые .

Суперконденсаторы ничем не отличаются… на данный момент.Несмотря на то, что они могут заряжаться быстро, работать намного дольше, сохранять большую мощность и работать при экстремальных температурах, большинство других химикатов просто не могут справиться с ними, они плохо обеспечивают постоянную мощность в течение длительных периодов, как показано на графике ниже.

Суперконденсатор в сравнении с характеристиками заряда и разряда батареи. Батареи поддерживают постоянное напряжение во время разряда, суперконденсаторы — нет — график Tecate Group

С точки зрения накопления энергии существует распространенная путаница. В то время как суперконденсатор, имеющий такой же вес, как батарея, может удерживать большую мощность, его мощность в ваттах / кг — Power Density до десяти раз лучше, чем у литий-ионных батарей.Его неспособность к медленному разряду означает, что его Energy Density (Ватт-час / кг или Втч / кг) — это лишь часть того, что предлагает литий-ионный аккумулятор.

Плотность мощности и плотность энергии суперконденсаторов по сравнению с другими формами хранения — Изображение: Tecate Group

Они также довольно плохо удерживают свой заряд, саморазряжаясь до половины своей емкости в течение 40 дней, когда не используются, — это не та характеристика, которую вы хотите под капотом вашего автомобиля или в вашей дымовой пожарной сигнализации.

Наконец, у суперконденсаторной ячейки напряжение около 2.5 по сравнению с литий-ионным 3,6. Вы можете начать соединять их вместе, но сама схема становится причиной внутреннего сопротивления, которое может уменьшить преимущества суперконденсатора.

Короче говоря, все еще остается желать лучшего для тех, кто хочет полностью заменить все батареи на суперконденсаторы.

Так к чему весь такой ажиотаж?

Так же, как литий-ионная батарея сделала возможными мобильные телефоны, но не заменила батареи легковых и грузовых автомобилей, суперконденсатор определенно играет роль в портативных источниках энергии.

Китай уже использует их в некоторых гибридных автобусах с 2006 года. Когда автобус тормозит, останавливаясь и забирая пассажиров, энергия, генерируемая тормозами, передается на суперконденсаторы. Он хранится там, пока пассажиры садятся на борт, а затем обеспечивает готовый источник ускорения при трогании с места.

Это означает, что автобусу требуется меньше литий-ионных батарей (в некоторых случаях вообще не требуется), что делает его легче и позволяет проехать дальше на одной зарядке. Дэн Йе, исполнительный директор Sinautec, a U.Южнокитайское совместное предприятие, производящее автобусы только с суперконденсаторами, утверждает, что автомобили могут идти на 40% больше, чем стандартные электрические автобусы, и на 40% дешевле в производстве.

Но когда дело касается автомобилей, нужно проявлять осторожность. Автобусы постоянно останавливаются и трогаются с места, поэтому существует гарантированный постоянный источник энергии, перемещающийся от тормозов к суперконденсаторам. Они также следуют обычному маршруту, где могут быть размещены резервные зарядные станции, если при торможении суперконденсаторы недостаточно заряжены.

Джо Шиндалл — профессор электротехники и информатики Массачусетского технологического института. Он отмечает, что из-за этих проблем суперконденсаторы «не подходят только для электромобилей».

Суперконденсаторы в смартфонах и ноутбуках?

В настоящее время это маловероятно, потому что, хотя способность перезаряжаться в течение нескольких секунд заставляет многих пускать слюни с нетерпением, суперконденсаторы не сохраняют стабильное напряжение или емкость при разряде. Это именно то, что нужно смартфонам и ноутбукам для работы в течение длительного времени, поэтому кажется, что литий-ионные батареи пока не сойдутся с места.

Когда дело доходит до полной замены батарей другого химического состава, суперконденсатор пока этого не сделает.

Вместо этого они стремятся присоединиться к аккумуляторным батареям в мире портативных источников энергии и предлагают улучшения в некоторых областях, но ничего близкого к полной замене, похоже, не подразумевают многие заголовки.

Последняя битва

В общем, суперконденсаторы подходят для приложений, требующих возможности быстрой зарядки и разрядки, где это время измеряется в секундах или нескольких минутах.Для всего, что требует более длительного времени, батареи остаются лучшим решением.

Дополнительная литература и источники:

Суперконденсатор против батареи — Плюсы и минусы ультраконденсатора

Что такое суперконденсаторы? Возможно, вы слышали этот термин раньше или, может быть, имеете представление о том, как мы используем его в повседневной жизни.Многие думают, что это родственные литий-ионные батареи. Мы кратко изложим основы суперконденсаторов (иногда называемых ультраконденсаторами) и разберем их преимущества и недостатки как носителя информации.

Введение в суперконденсатор

Короче говоря, суперконденсаторы — это конденсаторы большой емкости. У них более высокая емкость и более низкие пределы напряжения, чем у других типов конденсаторов, и функционально они находятся где-то между электролитическими конденсаторами и аккумуляторными батареями.

На практике это означает, что они:

1. Заряжается намного быстрее, чем аккумуляторы

2. Может хранить намного больше энергии, чем электролитические конденсаторы

3. Иметь срок службы (измеренный в циклах зарядки / разрядки) где-то посередине (больше, чем у аккумуляторных батарей и меньше, чем у электролитических конденсаторов)

Для сравнения срока службы примите во внимание, что, хотя электролитические конденсаторы имеют неограниченное количество циклов зарядки, литий-ионные батареи в среднем составляют от 500 до 10 000 циклов.Однако суперконденсаторы имеют срок службы от 100 000 до миллиона циклов.

Преимущества и недостатки

К преимуществам суперконденсаторов относятся:

1. Уравновешивание накопителя энергии со временем заряда и разряда . Хотя они не могут хранить столько энергии, сколько литий-ионные батареи сопоставимых размеров (они хранят примерно энергии по весу), суперконденсаторы могут компенсировать это скоростью заряда. В некоторых случаях они почти в 1000 раз быстрее, чем время зарядки аккумулятора аналогичной емкости.

   • Некоторые электрические игрушки, в которых используются суперконденсаторы, могут заряжаться почти мгновенно. Такие компании, как Nawa, стремятся реализовать ту же идею в реальных электромобилях. Представьте себе электромобили, работающие на суперконденсаторах (а не на аккумуляторных батареях), которые могут полностью заряжаться за меньшее время, чем требуется для заправки двигателя на ископаемом топливе бензином, а не за часы зарядки, обычно требуемые для автомобилей с батарейным питанием.

2. Широкий диапазон рабочих температур .Суперконденсаторы имеют гораздо более широкую эффективную рабочую температуру (примерно от -40 ° F до + 150 ° F).

С другой стороны, скорость обмена энергией в некотором смысле является ошибкой, а также недостатком. Вот некоторые недостатки суперконденсаторов:

1. Скорость саморазряда . Суперконденсаторы не подходят для длительного хранения энергии. Скорость разряда суперконденсаторов значительно выше, чем у литий-ионных аккумуляторов; они могут терять до 10-20 процентов своего заряда в день из-за саморазряда.

2. Постепенное падение напряжения . В то время как батареи обеспечивают почти постоянное выходное напряжение до полного разряда, выходное напряжение конденсаторов линейно падает с их зарядом.

Где можно применить суперконденсаторы?

Ультраконденсаторы

чрезвычайно хорошо подходят для любого приложения, которое предполагает частые циклы зарядки и разрядки, экстремальные рабочие температуры или быструю разрядку большого количества энергии. Вот несколько интересных приложений на горизонте:

1. Общественный транспорт .Гибридные автобусы и другие транспортные средства (например, небольшие электромобили для совместного использования) могут извлечь выгоду из широкого диапазона рабочих температур суперконденсаторов. Суперконденсаторы могут гарантировать, что автомобили будут работать даже в разгар зимы или в самые жаркие летние дни. В Китае в некоторых гибридных автобусах уже используются суперконденсаторы для ускорения, а суперконденсаторы помогают трамваям путешествовать от одной остановки к другой, подзаряжаясь на станциях.

2. Гибридный суперконденсатор-аккумулятор .Такая компоновка сочетает в себе быстрое потребление энергии суперконденсатором с возможностью длительного хранения батареи, предлагая лучшее из обоих миров. Успешное объединение этих технологий улучшит баланс между временем зарядки и дальностью действия. Мы также увидим захватывающие возможности для повышения эффективности рекуперативного торможения во всем, от электромобилей до гибридных поездов и строительной техники.

3. Увеличение времени работы . Время работы может показаться незначительным по сравнению с другими приложениями.Но рассмотрите преимущества продления срока службы бытовой электроники (например, ноутбуков и мобильных устройств) и стабилизации источника питания в устройствах с колеблющейся нагрузкой. Электроинструменты, такие как электродрели, имеют значительно более короткое время работы, когда в них используются суперконденсаторы, а не батареи, но вы можете быстро перезарядить их (примерно за 90 секунд), что делает их эффективными для работы на месте.

4. Стабилизация мощности . Суперконденсаторы полезны для различных приложений стабилизации мощности, таких как системы резервного копирования и буферы питания.Они обеспечивают значительную экономию затрат на источники бесперебойного питания при замене электролитических конденсаторов.

Суперконденсаторы находятся где-то между традиционными электролитическими конденсаторами и аккумуляторными батареями по сроку службы, хранению энергии и эффективной рабочей температуре. Они эффективно устраняют функциональный разрыв между этими двумя технологиями и набирают обороты, поскольку мы разрабатываем новые способы использования их уникального сочетания способности к обмену и накоплению энергии.Соединение суперконденсаторов с батареями в гибридных массивах дает возможность получить лучшее из обоих миров. Следует ожидать, что в будущем суперконденсаторы будут появляться чаще.

Теги статей

Суперконденсаторы — жизнеспособная альтернатива технологии литий-ионных батарей?

11 ноя 2020

10570 Просмотры

8 мин чтения

Введение

Суперконденсаторы

, также называемые ультраконденсаторами, двухслойными конденсаторами или электрохимическими конденсаторами, представляют собой тип системы накопления энергии, привлекающий в последние годы многих экспертов.Проще говоря, их можно представить как нечто среднее между обычным конденсатором и батареей; тем не менее, они отличаются от обоих.

Прежде чем мы углубимся в нюансы того, могут ли суперконденсаторы сами по себе влиять на то, как можно хранить энергию в будущем, стоит узнать больше о том, как они работают и чем они отличаются от литий-ионных аккумуляторов.

Суперконденсаторы и батареи, они оба являются методами хранения. Если мы посмотрим на литий-ионные батареи, они полностью зависят от химических реакций.Они состоят из положительной и отрицательной стороны, технически называемых анодом и катодом. Эти две стороны погружены в жидкий электролит и разделены микроперфорированным сепаратором, через который проходят только ионы. Во время зарядки и разрядки аккумуляторов ионы имеют тенденцию перемещаться взад-вперед между анодом и катодом. В процессе переноса ионов батарея нагревается, расширяется, а затем сжимается. Эти реакции постепенно разрушают батарею, что приводит к сокращению срока ее службы.Однако существенным преимуществом аккумуляторной технологии является то, что она имеет очень высокую удельную энергию или плотность энергии для хранения энергии для последующего использования.

Но суперконденсаторы разные; они не полагаются на химическую игру, чтобы функционировать. Вместо этого они накапливают в себе потенциальную энергию электростатически. В суперконденсаторах между пластинами используется диэлектрик или изолятор, чтобы разделить скопление положительных (+ ve) и отрицательных (-ve) зарядов на пластинах с каждой стороны. Именно такое разделение позволяет устройству накапливать энергию и быстро ее высвобождать.Он в основном улавливает статическое электричество для использования в будущем. Самым значительным преимуществом этого является то, что конденсатор 3 В теперь по-прежнему будет конденсатором 3 В через 15-20 лет. Напротив, с другой стороны, аккумулятор может терять емкость по напряжению со временем и при повторном использовании.

Кроме того, в отличие от батареи, они имеют более высокую пропускную способность, что означает, что они могут заряжаться и разряжаться за меньшее время. Тем не менее, они имеют очень низкую удельную энергию по сравнению с батареями. Суперконденсаторы лучше всего подходят для очень небольших всплесков мощности.

Сама концепция «суперконденсатора » вовсе не нова. Первый суперконденсатор был создан GE (General Electric) в 1957 году. Standard Oil, случайно в 1966 году открыли двухслойный конденсатор при работе с топливными элементами. Тем не менее, только в конце 1970-х годов японская компания NEC начала коммерчески предлагать первый «суперконденсатор» для резервного копирования памяти компьютера.

Мы находимся на этапе, когда применение суперконденсаторов только начинается.В целом было обнаружено, что суперконденсаторы имеют наибольший потенциал для применения в гибридных транспортных средствах (намекает на приобретение Tesla — Maxwell).

Peugeot-Citroen, Toyota, Mazda и даже Lamborghini выпустили модели автомобилей, в которых используется определенная комбинация суперконденсаторов и обычных литий-ионных аккумуляторов. Такие автомобили, как концепт Toyota Hybrid-R и мощный Sian от Lamborghini, используют суперконденсаторы для определенной роли. Например, они использовали его в системах рекуперации энергии во время замедления автомобиля.Проще говоря, когда автомобили замедляются, энергия, генерируемая в результате этого действия, накапливается бортовыми суперконденсаторами и позже используется для ускорения. Приводит к экономии батарей для менее напряженных действий, чем ускорение и замедление. В нем используется превосходная пропускная способность суперконденсаторов.

Интересно, что Илон Маск недавно заявил, что приобретение Tesla компании Maxwell окажет значительное влияние на батареи . Это было связано с объявлением Tesla о приобретении компании Maxwell, производящей ультраконденсаторы и аккумуляторы из Сан-Диего, за более чем 200 миллионов долларов.Было неясно, было ли это для основного бизнеса компании, суперконденсаторов, или для ее новейшей технологии аккумуляторов, такой как новая технология сухих электродов для аккумуляторных элементов.

В Швейцарии можно увидеть фантастический пример того, насколько эффективны суперконденсаторы. Парк автобусов имеет зарядные станции на различных остановках на своем ежедневном коммутационном маршруте. Всего за 15 секунд можно зарядить аккумулятор, а для полной зарядки хватит всего нескольких минут. За счет частых дозаправок он восполняет недостаток плотности и накопления энергии.А поскольку суперконденсаторы потребляют более низкий ток в течение нескольких минут за раз, это снижает нагрузку на сеть.

Почему суперконденсаторы вызывают большой интерес и чем они отличаются, например, от литий-ионных батарей?

Ответ на этот вопрос может во многом зависеть от приложений, для которых они могут использоваться. У каждой технологии действительно есть несколько явных преимуществ и недостатков. Как упоминалось ранее, батареи имеют гораздо более высокую плотность энергии и , чем суперконденсаторы.

Это означает, что батареи больше подходят для приложений с более высокой плотностью энергии, например, для приложений, в которых устройство должно работать в течение длительных периодов времени без подзарядки. С другой стороны, суперконденсаторы имеют гораздо более высокую удельную мощность, чем батареи. Это делает их идеальными для приложений с высоким энергопотреблением, таких как питание электромобиля. Пожалуйста, обратитесь к выставке ниже для сравнительного обзора.

Суперконденсаторы

также имеют гораздо больший срок службы, чем батареи. Обычная батарея может выдерживать около 2000-3000 циклов зарядки и разрядки, в то время как ультраконденсаторы обычно выдерживают более 1000000 циклов.Это может дать значительную экономию материалов и затрат.

Волнение действительно кажется заслуженным. Суперконденсаторы могут перезаряжаться за секунды, и в отличие от батарей, которые зависят от внутренних химических реакций и, следовательно, быстро изнашиваются, суперконденсаторы не разлагаются со временем. Суперконденсатор на 2,7 В сегодня будет суперконденсатором на 2,7 В через 15 лет. Для сравнения, все современные конструкции аккумуляторов постепенно теряют производительность, а это означает, что ваша 12-вольтовая батарея сегодня может быть 11-вольтовой.Аккумулятор на 4 вольта всего за три года.

Возможно, все еще существует некоторая распространенная путаница с точки зрения хранения энергии. Таблица 6, показанная ниже, может прояснить, как эти две технологии сравниваются по характеристикам плотности мощности и плотности энергии, включая некоторые другие формы накопления энергии.

Хотя суперконденсатор с таким же весом, как батарея, может выдерживать большую мощность, его ватт / кг (удельная мощность) до 10 раз лучше, чем у литий-ионных батарей. Однако неспособность суперконденсаторов медленно разряжаться означает, что их количество ватт-часов / кг (плотность энергии) — это лишь часть того, что предлагает литий-ионный аккумулятор.

Суперконденсаторы ждут захватывающие времена — следите за ними!

С приведенными выше сравнениями и всеми примерами различных приложений суперконденсаторов, исследуемых многочисленными производителями оригинального оборудования, похоже, не наблюдается какого-либо массового движения к замене батарей на суперконденсаторы. Итак, почему все это волнение?

Суперконденсаторы

превосходят традиционные конденсаторы благодаря своей способности накапливать и выделять энергию; однако они не смогли заменить обычные литий-ионные батареи.Это происходит главным образом потому, что литий-ионные аккумуляторы обладают такой мощностью, которую суперконденсаторы не могут дать в виде удельной энергии или плотности энергии (литий-ионные ~ 250 Втч / кг по сравнению с суперконденсаторами ~ 20 Вт-час / кг).

Основываясь на недавних исследованиях суперконденсаторов, можно сделать прорыв в суперконденсаторах на основе графена, что приведет к значительному прогрессу в суперконденсаторах. Результатом исследования Квинслендского технологического университета и Университета Райса стали две статьи, опубликованные в журналах Journal of Nanotechnology и Power Sources .Исследователи из этих университетов предложили решение, состоящее из двух слоев графена со слоем электролита между ними. Эта пленка получается прочной, тонкой и может выделять большое количество энергии за короткое время. Эти факторы даны как данность — в конце концов, это суперконденсатор. Это исследование делает это исследование уникальным и интересным, потому что исследователи предполагают, что новые, более тонкие суперконденсаторы могут заменить более громоздкие батареи в будущих электромобилях.

Даже такие компании, как Skeleton Technologies, которые в значительной степени сосредоточились на технологии суперконденсаторов, признают, что гибридизация литий-ионных систем и систем, управляемых суперконденсаторами, может продвинуть электрические технологии в новую эру.

Соавтор исследования

Цзиньчжан Лю говорит, что «Ожидается, что в будущем суперконденсаторы можно будет модифицировать для хранения большего количества энергии, чем литий-ионный аккумулятор, при этом сохраняя способность выделять свою энергию в 10 раз быстрее. Это означает, что суперконденсаторы в его кузовных панелях могут полностью питать автомобиль ». Он добавляет, что «после одной полной зарядки этот автомобиль должен быть в состоянии проехать до 500 км (310 миль) — аналогично автомобилю с бензиновым двигателем и более чем вдвое превышает лимит тока электромобиля.”

Для технологии, которой почти 65 лет, суперконденсаторы еще не нашли свое место в электрических технологиях. Но похоже, что вместе с литий-ионными батареями и с более широким применением графена суперконденсаторы постепенно начинают играть жизненно важную роль в гибридно-электрических технологиях. Суперконденсаторы могут сыграть роль в создании литий-ионных батарей, которые имеют высокую плотность энергии, более полезными в течение более продолжительных периодов времени.

Список литературы

1. Разница между батареей и суперконденсатором
2. Как работают суперконденсаторы?
3. Суперконденсатор против батареи — сравнение и практический пример
4. Могут ли суперконденсаторы заменить батареи?
5. Суперконденсаторы против батарей: выдержат ли батареи испытание временем?
6. Конденсаторы заменят батареи?
7. Новые материалы делают суперконденсаторы лучше аккумуляторов
8. Узнайте, как суперконденсатор может улучшить аккумулятор
9. Могут ли ультраконденсаторы заменить батареи в электромобилях будущего?

Могут ли ультраконденсаторы заменить батареи в электромобилях будущего?

Ультраконденсаторы — это круто.Но смогут ли они заменить батареи в электромобилях будущего?

Ультраконденсаторы имеют значительные преимущества перед батареями, в конце концов, они намного легче, быстрее заряжаются, безопаснее и нетоксичны. Однако есть места, где батарейки протирают ими пол. По крайней мере на данный момент.

СВЯЗАННЫЙ: TESLA ПРИСОЕДИНЯЕТСЯ К «ПРОРЫВНЫМ» ИННОВАЦИЯМ В БАТАРЕЯХ

С недавним приобретением производителей ультраконденсаторов такими компаниями, как Tesla, ультраконденсаторы могут оказаться на грани вытеснения аккумуляторов в качестве источника питания для электромобилей.

Что такое ультраконденсатор?

Ультраконденсаторы, также называемые суперконденсаторами, двухслойными конденсаторами или электрохимическими конденсаторами, представляют собой тип системы накопления энергии, который набирает популярность в последние годы. Их можно рассматривать как нечто среднее между обычным конденсатором и батареей, но они отличаются от того и другого.

Ультраконденсаторы имеют очень высокую емкость по сравнению с их традиционными альтернативами — отсюда и название. Как и батарея, у ультраконденсаторных элементов положительный и отрицательный электроды разделены электролитом.Но в отличие от батарей ультраконденсаторы накапливают энергию электростатически (так же, как конденсатор), а не химически, как батарея.

Ультраконденсаторы также имеют диэлектрический разделитель, разделяющий электролит, как и конденсатор. Такая внутренняя структура ячеек позволяет ультраконденсаторам иметь очень высокую плотность хранения энергии, особенно по сравнению с обычными конденсаторами.

Ультраконденсаторы действительно потребляют меньше энергии, чем батареи аналогичного размера. Но они могут высвобождать свою энергию гораздо быстрее, поскольку разряд не зависит от протекающей химической реакции.

Еще одним большим преимуществом ультраконденсаторов является то, что их можно перезаряжать огромное количество раз с незначительной деградацией или без нее (более 1 миллион циклов зарядки / разрядки не редкость). Это связано с тем, что при их подзарядке не происходит никаких физических или химических изменений.

По этой причине суперконденсаторы часто используются в приложениях, требующих множества быстрых циклов зарядки / разрядки, а не в долговременных компактных накопителях энергии, таких как автомобильные бустерные блоки и блоки питания.

Источник: stantontcady / Flickr

Наиболее часто используемым электродным материалом для ультраконденсаторов является углерод в различных формах, например активированный уголь, углеродное волокно-ткань, углерод на основе карбида, углеродный аэрогель, графит (графен) и углеродные нанотрубки ( УНТ).

Как заряжать ультраконденсатор?

Когда на положительную и отрицательную обкладки конденсатора подается разность напряжений, он начинает заряжаться. По данным Battery University, «это похоже на накопление электрического заряда при ходьбе по ковру.Прикосновение к объекту высвобождает энергию через палец ».

Некоторые из самых первых примеров этой технологии были разработаны в конце 1950-х годов в General Electric, но в то время не было жизнеспособных коммерческих приложений. Это заняло бы до 1990-х годов. за достижения в области материаловедения и производства для улучшения характеристик ультраконденсаторов и снижения их стоимости, чтобы сделать их коммерчески жизнеспособными.

Как работают ультраконденсаторы? потребляемой мощности, а затем улавливают и быстро накапливают избыточную энергию, которая в противном случае может быть потеряна.

Источник: Electronics Tutorials

По этой причине они являются отличным дополнением к первичным источникам энергии, так как заряжаются и разряжаются очень быстро и эффективно.

Несмотря на то, что аккумуляторы могут удерживать большое количество энергии, на их перезарядку уходит несколько часов. Напротив, конденсаторы, и особенно ультраконденсаторы, заряжаются почти мгновенно, но они могут хранить только небольшое количество энергии.

По этой причине ультраконденсаторы являются идеальным решением, когда системе требуется быстрая зарядка и не нужно хранить электричество в течение длительного времени.Они также весят меньше, чем батареи, стоят меньше и, как правило, не содержат токсичных металлов или вредных материалов.

Могут ли ультраконденсаторы заменять батареи?

Ответ на этот вопрос во многом зависит от того, для чего они будут использоваться. У каждого есть свои преимущества и недостатки. Как упоминалось ранее, батареи имеют гораздо более высокую плотность энергии и , чем ультраконденсаторы.

Это означает, что они больше подходят для приложений с более высокой плотностью энергии или когда устройству необходимо работать в течение длительных периодов времени на одной зарядке.У суперконденсаторов мощности и плотности намного выше, чем у аккумуляторов. Это делает их идеальными для приложений с высоким энергопотреблением, таких как питание электромобиля.

Как упоминалось выше, ультраконденсаторы имеют гораздо больший срок службы, чем батареи. Обычная батарея может выдержать около 2000-3000 циклов зарядки и разрядки, в то время как ультраконденсаторы обычно выдерживают более 1000000 . Это может дать огромную экономию материалов и затрат.

Извлечено из: skeletontech

Ультраконденсаторы также намного безопаснее и значительно менее токсичны.Они не содержат вредных химикатов или тяжелых металлов и с гораздо меньшей вероятностью взорвутся, чем батареи.

Кроме того, ультраконденсаторы имеют гораздо больший рабочий диапазон, чем батареи. Фактически, в этой области они безнадежно превосходят батареи, поскольку они могут работать в диапазоне от -40 до +65 градусов по Цельсию.

Ультраконденсаторы также могут заряжаться и разряжаться намного быстрее, чем батареи, обычно в течение нескольких секунд, и они намного эффективнее саморазряда, чем батареи.

Многие ультраконденсаторы также имеют гораздо более длительный срок хранения, чем батареи. Некоторые из них, такие как ячейки SkelCap, могут храниться до 15 лет одновременно с незначительным снижением емкости или без него.

Источник: Windell Oskay / Flickr

Как и в случае с большинством других технологий, основным фактором, способствующим применению ультраконденсаторов, является их соотношение цены и качества. Ультраконденсаторы, как правило, являются более экономичным выбором в долгосрочной перспективе для приложений, требующих коротких всплесков энергии.

Батареи, однако, являются гораздо лучшим выбором для приложений, требующих постоянного низкого тока с течением времени.

Могут ли ультраконденсаторы заменить батареи в электромобилях будущего?

Как мы видели, ультраконденсаторы лучше всего подходят для ситуаций, когда требуется много энергии за короткий промежуток времени. Что касается электромобилей, это будет означать, что они будут иметь преимущества перед батареями, когда транспортному средству нужны всплески энергии — например, во время ускорения.

Фактически, это именно то, что Toyota сделала с концептуальным автомобилем Yaris Hybrid-R, который использует суперконденсатор для использования во время разгона.

PSA Peugeot Citroen также начала использовать ультраконденсаторы в составе своих систем экономии топлива start-stop. Это позволяет значительно ускорить начальное ускорение.

Система Mazda i-ELOOP также использует ультраконденсаторы для хранения энергии во время замедления. Накопленная мощность затем используется для систем запуска и остановки двигателя.

Суперконденсаторы также используются для быстрой зарядки источников питания в гибридных автобусах при их движении от остановки к остановке.

Когда гибридная энергия используется исключительно для повышения производительности, такие вопросы, как дальность действия и способность удерживать заряд, не так важны — и поэтому некоторые производители высокого класса, такие как Lamborghini, также начинают включать в двигатель электромоторы с питанием от суперконденсаторов. их гибриды.

Однако ультраконденсаторы пока не заменяют батареи в большинстве электромобилей. Литий-ионные аккумуляторы, вероятно, станут основным источником питания для электромобилей в ближайшем или отдаленном будущем.

Многие полагают, что более вероятно, что ультраконденсаторы станут более обычным явлением в качестве систем рекуперации энергии во время замедления. Эту накопленную мощность можно затем повторно использовать во время периодов ускорения, а не напрямую заменять батареи.

Источник: Mic / Flickr

Однако, согласно этому исследованию, они также могут применяться в гибридных транспортных средствах вместо батарей, когда «потребляемая мощность меньше мощности электродвигателя; когда потребляемая мощность транспортного средства превышает мощность электродвигателя, двигатель работает, чтобы удовлетворить потребность транспортного средства в мощности, а также обеспечить мощность для перезарядки блока суперконденсатора.«

Недавние исследования суперконденсаторов на основе графена могут также привести к прогрессу в использовании суперконденсаторов в электромобилях. Одно исследование, проведенное учеными из Университета Райса и Технологического университета Квинсленда, привело к появлению двух статей, опубликованных в журнале Journal of Power Sources и Nanotechnology .

Они предложили решение, состоящее из двух слоев графена со слоем электролита между ними.Пленка получается прочной, тонкой и способной выделять большое количество энергии за короткое время.

Эти факторы даны как данность — в конце концов, это суперконденсатор. Что отличает это исследование, так это то, что исследователи предполагают, что новые, более тонкие ультраконденсаторы могут заменить более громоздкие батареи в будущих электромобилях.

Это также может включать в себя интеграцию ультраконденсаторов, например, в панели кузова, обшивку крыши, полы и даже двери. Теоретически это могло бы обеспечить транспортное средство всей необходимой энергией и сделать его значительно легче, чем электромобили с батарейным питанием.

Источник: Depositphotos

Такой электромобиль будет заряжаться значительно быстрее, чем современные автомобили с батарейным питанием. Но, как и все ультраконденсаторы, это решение по-прежнему не может удерживать столько энергии, сколько стандартные батареи.

«В будущем есть надежда, что суперконденсатор будет разработан для хранения большего количества энергии, чем литий-ионный аккумулятор, сохраняя при этом способность выделять свою энергию в 10 раз быстрее, что означает, что автомобиль может полностью питаться от суперконденсаторы в его корпусных панелях », — сказал соавтор исследования Цзиньчжан Лю.

«После одной полной зарядки этот автомобиль должен иметь возможность проехать до 500 км ( 310 миль ) — аналогично автомобилю с бензиновым двигателем и более чем вдвое превышает лимит тока электромобиля».

Кажется, впереди интересное время. Наблюдайте за этим пространством.

Суперконденсаторы как альтернатива батареям

Представьте, что зарядите свой мобильный телефон всего за несколько секунд. Или подумайте, как бы изменился транспорт, если бы потребовалось всего несколько минут, чтобы заправить электромобиль.

Технология быстрого включения питания существует уже несколько десятилетий — в суперконденсаторах. Суперконденсаторы не только заряжаются быстрее, чем батареи, но и служат дольше, потому что не страдают от физических потерь при зарядке и разрядке, которые изнашивают батареи. У них также есть ряд преимуществ в плане безопасности. Однако суперразмер суперконденсаторов — они должны быть намного больше, чтобы удерживать ту же энергию, что и батареи, — и их сверхвысокая стоимость сдерживают их.

Но ряд ученых считает, что недавние открытия сделали быстрый, надежный и потенциально более безопасный накопитель энергии в суперконденсаторах, иногда называемых ультраконденсаторами, в пределах досягаемости, позволяя лучше конкурировать с батареями.

«Ультраконденсаторы похожи на молнию в бутылке, если хотите, — сказал Майкл Сунд, вице-президент Maxwell Technologies, ведущего производителя новой технологии, который продает тысячи единиц для зарядки автобусов в Китае.

Проблемы с безопасностью аккумуляторов

Любой, у кого закончился заряд во время важного телефонного разговора или кто пытался успокоить ребенка, чей игрушечный грузовик внезапно остановился, знает пределы заряда аккумуляторов. Аккумуляторы заряжаются долго, они относительно тяжелые — большая проблема для рынка электромобилей — и их безопасность часто возникает как проблема.

Этим летом крупному розничному торговцу пришлось отозвать тысячи запасных батарей для ноутбуков, произведенных Apple, только одним из многих производителей ноутбуков и сотовых телефонов, у которых были отозваны собственные батареи из соображений безопасности. (См. Соответствующий тест: «Что вы не знаете о батареях».)

Пожары с батареями в начале этого года также помогли временно заземлить новый Dreamliner Boeing. В одной из самых страшных трагедий, связанных с отказом аккумуляторной батареи, два члена экипажа погибли в 2010 году в результате крушения самолета UPS в Дубае, которое следователи связали с пламенем, поднимающимся из груза батарей.(См. Статью по теме: «Преобразование полета для повышения топливной эффективности: пять технологий на взлетно-посадочной полосе».)

Опасные подводные камни, связанные с использованием батарей, являются частью того, что способствует возобновлению интереса к суперконденсаторам.

Безопасность — это гораздо большая проблема, чем это было в прошлом, сказал Питер Харроп, председатель IDTechEx, исследовательской фирмы, базирующейся в Кембридже, Великобритания. Он и другие поклонники новых технологий утверждают, что суперконденсаторы будут процветать по мере того, как компании будут искать новые. и более надежные источники питания, которые к тому же более безопасны, чем современные батареи.

Вместо химических веществ, которые затрудняют управление батареями, суперконденсаторы используют своего рода статическое электричество для хранения энергии. Это означает, что их характеристики более предсказуемы, их материалы более надежны и менее уязвимы к перепадам температуры, и они могут быть полностью разряжены для более безопасной транспортировки, сказал Харроп. (См. Соответствующие фотографии: «Семь ингредиентов для улучшения аккумуляторов электромобилей».)

Открытие для суперконденсаторов?

Ученым давно известно, что энергия может храниться в виде электрического заряда, а не в химических реактивах, как в батареях.Знаменитый эксперимент Бенджамина Франклина с рядами лейденских сосудов, которые он назвал «батареей» после военного термина, обозначающего совместное функционирование оружия, на самом деле был ранней версией конденсатора.

Но недавний прорыв в материалах суперконденсаторов может сделать их конкурентами батареям в большем количестве приложений. «Суперконденсаторы улучшаются намного быстрее, чем батареи», — сказал Харроп.

С другой стороны, суперконденсаторы уже много лет находятся на грани коммерческого успеха. Заголовок 1995 года, например, предполагал, что ультраконденсаторы «рвутся вперед».«Но они остались небольшим бизнесом по сравнению с аккумуляторными батареями — в первую очередь потому, что они хранят относительно мало энергии по сравнению с обычными элементами.

В аккумуляторах накопление электрического заряда называется« плотностью энергии », в отличие от« плотности мощности »или как быстро доставляется энергия.

Плотность энергии суперконденсаторов бледнеет по сравнению с литий-ионными батареями — технологией, обычно используемой сегодня в телефонах и ноутбуках. Литий-ионные батареи хранят, возможно, в 20 раз больше энергии, чем суперконденсаторы для данного веса и размера.Это означает, что iPhone 5, возможно, должен быть на два или три дюйма толще, чтобы удерживать суперконденсатор, что делает устройство едва ли стройным.

Суперконденсаторы, с другой стороны, превосходны, когда дело доходит до удельной мощности. Они обладают огромной мощностью — их можно быстро заряжать и высвобождать эту мощность быстрыми всплесками тока. Подумайте о тех резких электрических ударах, которые могут возникнуть, если неправильно натереть ворсистое ковровое покрытие. Или, может быть, лучше подумайте о разрядах электричества, которые зажигают летнюю бурю.

Производитель суперконденсаторов Maxwell Technologies сообщил, что наибольшие продажи идут производителям автобусов. Операторы используют суперконденсаторы, чтобы улавливать энергию, генерируемую при торможении автобуса на одной из своих многочисленных остановок, а затем разряжать электроэнергию, чтобы автобус начал движение с полной остановки. С этой целью суперконденсаторы могут полностью заменить батареи в гибридных автобусах, в то время как полностью электрические автобусы требуют меньше батарей.

Это, вероятно, лучший способ продолжить продажу суперконденсаторов в качестве дополнения к батареям или двигателям, работающим на топливе, сказал Сунд.«Суперконденсаторы часто дополняют батареи», — сказал он. «Поэтому мы стараемся держаться подальше от того, что мы называем« вышибанием батарей »».

Тем не менее, есть и другие места, где суперконденсаторы полностью заменяют батареи. Один из примеров — ветряные турбины, особенно расположенные на море и труднодоступные. Суперконденсаторы могут обеспечивать, например, всплески мощности, необходимые для регулировки лопастей турбины при изменении ветровых условий.

Аккумуляторы традиционно удовлетворяли эту потребность.Но батареи изнашиваются, потому что их химические вещества со временем теряют свою эффективность. Поскольку они не используют химические вещества для хранения электроэнергии, конденсаторы служат намного дольше, что является важным фактором для турбин, чья высота и удаленное расположение делают их обслуживание дорогостоящим.

Некоторые европейские автомобили также используют суперконденсаторы аналогично автобусам. Европейские «микрогибридные» автомобили выключаются, когда обычно работают на холостом ходу. Эта технология «старт-стоп» обычно работает только от батарей, но французский автопроизводитель PSA использует суперконденсаторы Maxwell в некоторых своих автомобилях Citroen и Peugeot.

Аккумуляторы, тем не менее, продолжают занимать большую часть рынка микрогибрид, потому что суперконденсаторы и сопутствующая электроника могут добавить пару сотен долларов к стоимости автомобиля. Сторонники технологии утверждают, что суперкапсы в долгосрочной перспективе стоят меньше, потому что они служат дольше, чем батареи, и экономят больше топлива, поскольку работают более надежно.

Тем не менее, когда дело доходит до микрогибридных автомобилей, начальная цена покупки пока превосходит эффективность и долгосрочную стоимость владения, сказал Сунд.

Преодолеть препятствия

Новые материалы могут помочь суперконденсаторам лучше конкурировать по плотности энергии. Многие ученые сосредотачиваются на графене, углероде толщиной всего в один атом, который вызвал большое волнение с тех пор, как он был усовершенствован около десяти лет назад. Производство графена оказалось дорогим. Но недавно лаборатория показала, что дешевое обычное бытовое устройство может производить графен в недорогих высококачественных листах. Аспирант использовал записывающее устройство DVD, чтобы сделать графен в химической лаборатории, которой руководит Рик Канер, профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

DVD-привод имеет функцию под названием LightScribe, которая наносит изображения на поверхность DVD-дисков. Оказывается, лазер также преобразует обычный материал, оксид графита, в листы графена. Открытие было описано в прошлом году в журнале Science.

Лазер производит графен с характеристикой, которая делает его особенно перспективным для суперконденсаторов: он выходит с отверстиями или порами. Этот высокопористый графен можно уложить в несколько слоев, при этом обе стороны каждого слоя остаются доступными.В экспериментах это удвоило или утроило плотность энергии суперконденсаторов, сделанных из графена.

Диск размером с DVD из лаборатории Рика Канера содержит микроконденсаторы.

Фотография любезно предоставлена ​​Аргоннской национальной лабораторией

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Один слой атомов углерода не хранит много энергии, сказал Канер. «Это когда вы можете складывать сотни или даже тысячи слоев — и это то, что мы делаем.«

Он не будет предсказывать, когда новый материал может появиться в коммерческих суперконденсаторах, кроме как выразить надежду, что это произойдет не через десять или даже пять лет. Даже в этом случае суперконденсаторы, вероятно, будут работать в тандеме с батареями». «пока они не заменят батареи», — сказал Канер. сказал.«Кроме того, в отличие от батарей, они не перезаряжаются и не перегреваются».

По словам Харропа из IDTechEX, преимущества суперконденсаторов в области безопасности будут расти по мере роста спроса на портативную энергию. Конденсаторы сами по себе создают проблемы с безопасностью, потому что любая технология, которая хранит энергию, потенциально опасна. Но производители постепенно отказываются от токсичных и легковоспламеняющихся химикатов, которые использовались в суперконденсаторах, и даже эти суперконденсаторы имеют лучшие показатели безопасности, чем литий-ионные батареи, сказал он.

Между тем безопасность аккумуляторов станет более важной проблемой по мере увеличения размеров элементов, таких как те, которые сейчас используются в электромобилях. Харроп добавил, что чем больше батарея, тем больше вероятность того, что что-то пойдет не так. «Легче сделать аккумулятор безопасным для чего-то вроде телефона, чем для автомобиля».

Эта история — часть специальной серии, посвященной вопросам энергетики. Для получения дополнительной информации посетите The Great Energy Challenge.

Ультраконденсаторный гибрид радикально увеличивает мощность и эффективность литиевых батарей

Сочетание уникальных достоинств литиевых батарей с безумно быстрой зарядкой углеродные ультраконденсаторы могут сэкономить тонну веса и значительно увеличить запас хода и мощность электромобилей. в Nawa Technologies.Этот замечательный французский стартап, расположенный за пределами Марселя, работает над новым типом аккумуляторов, который, по его мнению, может дать некоторые огромные преимущества в области электромобилей, среди многих других.

Основным продуктом Nawa Technologies является новый тип углеродного ультраконденсатора с рядом замечательных преимуществ по сравнению с типичными литий-ионными аккумуляторными элементами.

Преимущества углеродного ультраконденсатора Nawa

Nawa Technologies

Преимущества сверхконденсатора

Начнем с того, что как конденсатор, его скорость заряда и разряда абсолютно впечатляющая по сравнению с батареями — до 1000 раз быстрее.Мы говорим о зарядке всего автомобильного аккумулятора за считанные секунды, может быть, в три раза быстрее, чем заправка бака ископаемым топливом.

И поскольку не происходит никакой химической реакции, а просто физическое разделение протонов и электронов, сверхбыстрая зарядка не вызывает нагрева или вздутия батареи. Это дает углеродному ультраконденсатору исключительно долгий срок службы — до миллиона циклов зарядки.

Чудовищная скорость разряда ультраконденсатора также дает еще одно преимущество перед литиевыми батареями.В мощных электромобилях низкая скорость разряда батарей часто означает, что вам необходимо увеличить емкость батареи, чтобы повысить производительность. Например, Tesla Model S не сможет активировать свой скоростной режим Ludicrous с меньшим аккумулятором, потому что медленная скорость разряда аккумуляторов приведет к ограничению мощности. Это абсолютно не проблема с ультраконденсатором; эти штуки разряжаются достаточно быстро, чтобы выдавать огромную мощность с очень маленькой батареей.

Это также очень дешево и просто в производстве, используя процесс, который основатель Nawa и главный операционный директор Паскаль Буланже описывает нам по телефону как «тот же процесс, который используется для создания фотоэлектрических панелей.Это проверено, высокоэффективно и рентабельно ».

Но эти замечательные преимущества не являются ключевым фактором для Буланже. Он считает, что экологические преимущества углеродного ультраконденсатора — его главная визитная карточка.

« Для меня мечта приходит из тот факт, что мы не используем литий, кобальт, редкоземельные металлы, — говорит Буланже. — Эти материалы загрязняют окружающую среду, и их очень сложно извлечь из Земли. Мы переходим от общества, в котором мы добываем масло для использования в автомобилях, к той же теме, но добываем металлы и минералы для использования в электромобилях.Это нехорошо, потому что мы разрушаем нашу планету.

«В суперконденсаторах Nawa используются только углерод и алюминий. Наш углерод поступает из природных экологически чистых источников. Нам не нужно его добывать. Когда я создавал Nawa, я хотел продвигать именно это: реальный и экологически безопасный путь. мечта. Создание более безопасных и чистых батарей ».

Могли бы вы управлять автомобилем полностью на углеродной технологии Nawa? Да, говорит генеральный директор Nawa Ульрик Грейп.

«Людям, которые ищут небольшие автомобили, которые используются в основном для небольших поездок, например, в центре города, наша технология была бы идеальной», — говорит Грейп.«Вы можете проехать от 50 до 100 километров (от 31 до 62 миль) только с помощью нашей технологии, и вы можете перезарядить автомобиль менее чем за 10 или 20 секунд. Это идеально подходит для парка электромобилей для совместного использования».

Но у этой сверхконденсаторной технологии есть недостатки.

Ультраконденсаторы Nawa заряжаются до 1000 раз быстрее, чем литиевая батарея, работают до миллиона циклов и работают в кольцевом режиме вокруг литиевых батарей для обеспечения удельной мощности

Nawa Technologies

Недостатки и гибридное решение

Для начала, в то время как удельная мощность (количество выходной мощности на единицу веса) зашкаливает, плотность энергии не конкурирует с литием.Ультраконденсатор будет удерживать только около 25 процентов энергии на единицу веса, с которой может справиться литиевая батарея, поэтому автомобильный аккумулятор с ультраконденсатором того же размера будет иметь только четверть диапазона.

Во-вторых, конденсаторы отстой при длительном хранении энергии. Оставьте свой автомобиль заряженным в гараже, и вы можете рассчитывать, что каждый день будет терять около 10-20 процентов своей энергии.

Команда Nawa считает, что весь потенциал сверхконденсатора, по крайней мере, в области электромобилей, раскрывается, когда он сочетается с литиевой батареей.

Гибридная литиево-угольная аккумуляторная система может предложить лучшее из обоих миров — длительное непрерывное вождение и долгосрочное хранение энергии благодаря литиевому блоку, а также сверхбыструю частичную зарядку и экстремальную выходную мощность благодаря сверхконденсатору. .

У этого типа гибридной системы есть еще одно скрытое преимущество: рекуперативное торможение станет примерно на 450 процентов лучше при рекуперации энергии. Современные системы регенерации вынуждены отбрасывать подавляющее большинство энергии, генерируемой обратно через колеса при торможении, просто потому, что литий заряжается так медленно, что некуда все это положить.

«Большая часть энергии при рекуперативном торможении теряется в виде тепла, может быть, 80 процентов», — говорит Грейп. «Возможно, окупается 20 процентов. Электродвигатели очень эффективны при выработке этой энергии, но батарея просто не может принять такую ​​скорость заряда. Если вы объедините нашу технологию с литиевой батареей, мы сможем принять до 90 процентов этой энергии. . »

В обычной ситуации вождения это может легко увеличить диапазон заряда аккумулятора. В гоночном электромобиле такая система была бы еще более эффективной: она аккумулировала бы почти всю вашу энергию торможения, приходящую на поворот, а затем откачивала ее обратно с огромной скоростью для огромного ускорения на выходе из поворота.

«Например, возьмем гонки Формулы Е», — говорит Грейп. «Если вы посмотрите на аккумуляторы, которые у них есть на этих автомобилях, мы провели моделирование, используя данные нашего партнера по сотрудничеству, и проанализировали их. Когда вы объедините нашу технологию с литиевой батареей, мы сможем уменьшить размер и вес аккумуляторной батареи от 300 кг (661 фунт) до примерно 200 кг (441 фунт) — и у вас также будет большее расстояние вождения, потому что мы намного эффективнее ».

Мы совершенно уверены, что нам не нужно указывать, какое огромное преимущество будет иметь снижение веса на 100 кг (220 фунтов) в гоночном приложении; это значительно расширит ваш диапазон и показатели ускорения, добавив при этом дополнительную мощность этой огромной скорости разряда.

Эти преимущества могут быть перенесены и на электрические грузовые автомобили.

«Когда грузовик спускается с холма или тормозит, нужно собрать так много энергии, а системы рекуперации энергии на этих транспортных средствах просто не могут справиться со всей возвращающейся энергией», — говорит Грейп.

Другие приложения, которые изучает Nawa, включают промышленные инструменты и транспортные средства, автоматизированные инвентаризационные роботы, автобусы, грузовики и общественный транспорт, а также электроинструменты

Nawa Technologies

Другие приложения

Углеродный ультраконденсатор может пригодиться и во многих других случаях.Nawa работает с производителями промышленных электроинструментов, которые рассматривают сверхбыструю зарядку и длительный срок службы как возможности для создания инструментов с более длительным сроком службы для производственных линий, которые будут заряжаться за секунды между работами. Затем есть фабричные и складские роботы.

«У нас есть проект, в котором мы работаем над решениями AGV — транспортные средства с автоматическим управлением, которые вы можете увидеть на складах», — говорит Грейп. «Эти маленькие роботы, которые бегают, собирают пакеты и перемещают их.Вы можете подумать о таких компаниях, как Amazon, о больших складах. Мы работаем над проектом с европейским производителем AGV, чтобы продемонстрировать это в таком приложении ».

Углеродные ультраконденсаторы также могут найти применение в приложениях типа« Интернет вещей ».

« В области Интернета вещей «Люди говорят о датчиках без батареек», — говорит Буланже. «У вас есть источник энергии внутри датчиков, и датчики должны выполнять какие-то измерения, а затем передавать информацию.Вам нужен очень короткий буфер. Наша технология абсолютно фантастична для этого ».

А в автомобильном мире нет никаких ограничений на то, как вы можете заряжать эти вещи, что открыло некоторые интересные идеи для индуктивной зарядки. Представьте себе, что вы просто ведете свой автомобиль по поверхности за плату. станции, заплатив за пополнение счета и уехав через 10-20 секунд. Если бы вы могли заряжать его так быстро, запас хода электромобиля стал бы почти несущественным.

«Если вы хотите пойти немного дальше, вы можете представьте себе, что ультраконденсаторы закопаны под дорожное покрытие, — говорит Грейп.«И когда автобус проезжает мимо, он может заряжаться очень быстро. А сам ультраконденсатор может медленнее заряжаться от сети, когда приближается следующий автобус».

Nawa сейчас находится на стадии прототипа, но утверждает, что во второй половине 2019 года начнется полномасштабное производство в сети.

Nawa Technologies

Еще одно ключевое преимущество: структурные батареи.

И последнее, чего мы еще не коснулись, — это выдающиеся механические свойства углеродного ультраконденсатора.Он легкий и сверхпрочный, что дает возможность встраивать ультраконденсаторы в саму структуру предмета так, как литий просто невозможно использовать.

«У нас был проект с Airbus, где мы протестировали нашу технологию, чтобы увидеть, как она будет действовать с точки зрения механики и хранения», — говорит Буланже. «Мы можем интегрировать аккумулятор в любую структуру из углеродного волокна».

«Механические свойства нашего электрода очень и очень сильные, — добавляет Грейп. — Его можно использовать для усиления механической структуры композита.Вы можете встроить аккумулятор в корпус автомобиля. Шасси, двери, крыша, где угодно ».

Действительно, идея автомобиля без отдельного аккумуляторного блока вполне возможна.

Nawa в настоящее время тестирует и работает с прототипами, но Команда заявляет, что ко второй половине 2019 года у компании будет запущена полномасштабная производственная линия недалеко от Марселя.Потенциал этих сверхбыстрых углеродных ультраконденсаторов звучит просто потрясающе.Мы с нетерпением ждем серьезных испытаний технологии Nawa.

Источник: Nawa Technologies

(PDF) Использование суперконденсаторов для улучшения характеристик батареи

Первый вариант — использовать балансировочные резисторы. Это решение

является наименее дорогим и требует наименьшего объема.

Однако ток утечки увеличивается. Второй вариант

— использовать больше ячеек. Это дает наибольший срок службы

из-за пониженного напряжения элемента и минимального тока утечки

.Однако это было бы дороже и занимало бы на

больше объема. Выбор, очевидно, определяется приложением.

Еще одно важное соображение — это пусковой ток.

Подключение разряженного суперконденсатора к источнику питания

может потреблять много ампер в течение многих секунд. Обычно требуется какая-либо схема ограничения тока

.

Все устройства имеют частотную характеристику, которая должна быть

, которую следует учитывать в любом приложении. На рис. 2 показана частотная характеристика типичного суперконденсатора

–

.Параметры RLC

могут использоваться в симуляциях первого порядка. Дополнительную информацию о емкости

как функции напряжения, тока, частоты, температуры и времени

можно найти у производителя

[4].

B. Ноутбуки, КПК и мобильные телефоны

Ноутбуки, карманные персональные компьютеры (КПК) и мобильные телефоны

— это обычные аккумуляторы, которые часто бывают очень пиковыми

, и требуется повышение производительности аккумулятора.Шумное напряжение батареи

может вызвать преждевременное отключение, т. Е.

, когда в батарее еще остается значительная энергия. Это

преобладает в тех продуктах, которые имеют запас высокого напряжения

, где обоснование состоит в том, что лучше завершить работу

раньше, чем потерять данные. На рис. 10 показано, как переходные процессы

могут вызвать преждевременное отключение.

Беспроводные КПК и мобильные телефоны работают в импульсном режиме, и

нагружает аккумулятор во время передачи.Так же, как и преждевременные отключения

, отрицательные всплески напряжения влияют на мощность усилителей

, которые имеют минимальные требования к напряжению.

Также могут быть затронуты другие параметры системы. Частота

сдвиг и потеря внутриполосной передаваемой мощности являются побочными эффектами

неадекватного регулирования нагрузки. Это вызвано скачком нагрузки на

во время передачи. Включение суперконденсатора

дает возможность либо улучшить производительность

, либо, для достижения той же производительности, использовать меньшую

и менее дорогую батарею.Суперконденсаторы

идеально подходят для GSM и GPRS, особенно для более высоких классов

, где танталовые конденсаторы просто не справляются.

C. Compact Flash

Замечательное приложение для суперконденсаторов — это использование с картами PCMCIA

и картами Compact Flash (CF +).

В этой статье было продемонстрировано, что суперконденсатор

может значительно уменьшить переходные напряжения

и заставить батарею обеспечивать средний ток.

Спецификация CF + требует, чтобы нагрузка не могла потреблять

более 500 мА в пиковом или непрерывном режиме, будь то при 3,3 В или

5 В. Максимальная доступная мощность составляет 1,65 Вт и

2,5 Вт соответственно. Для работы GPRS класса 10 для передачи требуются 2 из

8 временных интервалов, т.е. средний рабочий цикл

составляет 25%. 1,65 Вт и 2,5 Вт

в непрерывном режиме можно преобразовать в 6,6 Вт и 10 Вт при рабочем цикле

, равном 25%.Следовательно, фильтрующая способность суперконденсатора

может существенно увеличить передаваемую мощность

при сохранении тока батареи ниже 500 мА.

D. Горячая замена

Суперконденсаторы могут использоваться для устранения времени простоя из-за

разряженной батареи путем «горячей замены». Разряженный аккумулятор удаляется

, пока нагрузка все еще присутствует, а суперконденсатор имеет достаточно энергии

, чтобы поддерживать нагрузку в течение от десятков секунд до

минут.

E. Резервное копирование памяти

Поскольку суперконденсаторы имеют большую емкость постоянного тока, а

не имеют срока годности, их можно использовать для резервного копирования памяти.

Обычно суперконденсаторы с высоким ESR находят свое применение в приложениях резервного копирования памяти

, потому что потребляется очень маленький ток

и, следовательно, нет падения напряжения. Именно здесь традиционно использовались суперконденсаторы

, поскольку только недавно стали доступны суперконденсаторы с низким ESR

.Суперконденсаторы с самым низким ESR

используются в импульсных системах питания.

В. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Батареи, как правило, не справляются с подачей энергии из-за большого сопротивления источника

, а традиционные конденсаторы

не могут удерживать энергию, необходимую для поддержания пиковых нагрузок в течение

длительных периодов. Комбинация батареи с суперконденсатором с низким ESR

дает лучшее из обоих миров. Суперконденсатор

обеспечивает пиковую мощность, а аккумулятор

обеспечивает энергию.В этой статье показано, как суперконденсаторы

могут быть использованы в качестве дополнения к батарее.

Переходные процессы подавляются, и время работы батареи

может быть увеличено, тем самым улучшая производительность системы.

Объяснение конструкции суперконденсатора с двойным углеродным слоем

было дано вместе с экспериментальными графиками подавления переходных процессов

и продления времени работы.

ССЫЛКИ

[1] А. Берк, «Ультраконденсаторы: почему, как и где

— это технология», Journal of Power Sources, 2000, стр.37-

50.

[2] П.Дж. Махон, Г.Л. Пол, С.М. Кешишян, А.

Вассалло, «Измерение и моделирование мощных

характеристик углеродных суперконденсаторов», журнал

Power Sources, 2000, стр.