Forstå superkondensatorer og deres forhold til batterier

Behovet for pålidelige energilagringskilder er vokset dramatisk med fremkomsten af Internet of Things (IoT), Industrial IoT (IIoT), bærbar elektronik og større applikationer som industrianlæg og datacentre. Batterier giver direkte strøm til mindre enheder, mens batterier i større applikationer ofte bruges som backup i tilfælde af strømsvigt.

Små enheder er ofte afhængige af lithium-ion (Li-ion) eller alkaliske knapcellebatterier for at opnå målene om små formfaktorer og minimal vedligeholdelse. Li-ion-celler kræver, at man er meget opmærksom på grænserne for opladningscyklusser og sikkerhed. Batterier, der bruges til backup, kan hurtigt blive slidt efter hurtig genopladning og skal udskiftes. Disse batterier kræver også komplekse batteristyringssystemer og har stadig potentiale for termisk runaway, hvilket fører til sikkerhedsproblemer.

Elektriske dobbeltlagskondensatorer (EDLC), eller superkondensatorer, er en teknologi, der supplerer batterier. Hvor batterier kan levere strøm i relativt lange perioder, kan superkondensatorer hurtigt levere strøm i korte perioder. Superkondensatorer er også miljøvenlige, ikke udsat for termisk runaway og kan fungere pålideligt i op til 20 år. De kan bruges som eneste energilagringsmetode, i kombination med batterier eller som en hybridenhed for at optimere strømforsyningen.

Denne artikel beskriver kort superkondensatorer i forhold til batterier. Derefter gennemgås nogle typiske anvendelser, enkeltstående og i kombination med batterier. Superkondensatorer fra Eaton er brugt til illustrative formål.

Forskelle på superkondensatorer og batterier

En superkondensator er en energilagringsenhed med usædvanlig høj specifik effektkapacitet sammenlignet med elektrokemiske lagringsenheder som batterier. Batterier og superkondensatorer har samme funktion, når de leverer strøm, men de fungerer forskelligt. En superkondensator fungerer som en klassisk kondensator, idet afladningsprofilen for en konstant afladningsstrøm udviser et lineært fald i spændingen. I modsætning til et batteri er energilagringen i en superkondensator elektrostatisk, så der sker ingen kemiske ændringer i enheden, og op- og afladning er næsten fuldstændig reversibel. Det betyder, at den kan tåle et større antal op- og afladningscyklusser.

Batterier lagrer energi elektrokemisk. Li-ion-batteriers afladningsprofil er flad; de udviser en næsten konstant spændingskarakteristik, indtil batteriet er næsten helt afladet. På grund af nedbrydningen af de kemiske mekanismer er antallet af op- og afladningscyklusser i et Li-ion-batteri begrænset. Faktorer som temperatur, ladespænding og afladningsdybde påvirker reduktionen af batterikapaciteten.

Li-ion-batterier er udsat for termisk runaway, selvantændelse og endda eksplosion. Varmeudvikling er uundgåelig på grund af kemiske reaktioner under opladning og afladning fra resistiv opvarmning. Derfor kræver batterier temperaturovervågning for at sikre brugernes sikkerhed.

Sammenligning af specifikationer for superkondensatorer og Li-ion-batterier

Batterier giver høj energitæthed. Superkondensatorer har lavere energitæthed end batterier, men høj effekttæthed, fordi de kan aflades næsten øjeblikkeligt. De elektrokemiske processer i et batteri tager længere tid om at levere energi til en belastning. Begge enheder har funktioner, der passer til specifikke behov for energilagring (figur 1).

Figur 1: Her ses en sammenligning af superkondensatorers og Li-ion-batteriers egenskaber. (Billedkilde: Eaton)

En sammenligning af energitætheden i watttimer pr. liter (Wh/l) og effekttætheden i watt pr. liter (W/l) viser den mest markante forskel mellem enhederne. Dette påvirker også afladningstiden; superkondensatorer er beregnet til at levere energi over korte intervaller (transiente hændelser), mens batterier håndterer langvarige hændelser. Superkondensatoren aflades på sekunder eller minutter, mens et batteri kan levere energi i timevis. Denne egenskab påvirker deres anvendelse.

Superkondensatorer understøtter et bredere driftstemperaturområde end batterier. Deres næsten tabsfrie elektrostatiske processer bidrager også til deres større effektivitet og hurtigere opladningshastigheder.

Eksempler på superkondensatorer

Eaton tilbyder en komplet serie af pålidelige superkondensatorer til energilagring, der kræver høj effekttæthed og hurtig opladning. Superkondensatorernes fysiske indpakning svarer nogle gange til batteriernes, især møntcellernes. De fås også i konventionelle cylindriske kondensatorpakker (figur 2).

Figur 2: Superkondensatorer fås i standard cylindriske kondensatorpakker med radiale ledninger; nogle er pakket, så de passer til Li-ion-batteriers møntcelleformater. (Billedkilde: Eaton)

Eaton TV1030-3R0106-R vist i figur 2 (til venstre) er en 10 Farad (F) superkondensator med en maksimal driftsspænding på 3 V. Den er pakket i en cylindrisk dåse med radiale ledninger. Dåsen har en diameter på 10,5 millimeter (mm) (0,413 tommer (in.)) og en højde på 31,5 mm (1,24 in.). Den har et driftstemperaturområde på -25 °C til +65 °C og et udvidet driftsområde på -25 °C til +85 °C, når den er reduceret til at fungere ved eller under 2,5 V. Den kan lagre 12,5 milliwatt-timer (mW/hr) energi og levere en spidseffekt på 86,5 W. Den er beregnet til 500.000 op- og afladningscyklusser.

Superkondensatorer kan erstatte knapcellebatterier i mange sammenhænge, f.eks. til backup af hukommelse. Eaton KVR-5R0C155-R (figur 2, til højre) er en 1,5 F superkondensator med en maksimal arbejdsspænding på 5 volt. Dens pakkedimensioner svarer til en 20 mm møntcelle. Den kan levere en spidseffekt på 0,208 watt. Dens driftstemperaturområde er -25 °C til +70 °C. Den er også klassificeret til 500.000 op- og afladningscyklusser.

Øget energitæthed i superkondensatorer

Den energi, der lagres i en superkondensator, er proportional med dens kapacitans og kvadratet på den spænding, den oplades til. Således kan energitætheden øges ved at øge antallet af celler og forbinde dem parallelt. Højere energitæthed kan opnås ved at skabe superkondensatormoduler med høj kapacitans og højere driftsspændinger (figur 3).

Figur 3: Energitætheden i en superkondensator kan øges ved at tilføje flere celler og øge arbejdsspændingen. (Billedkilde: Eaton)

Eatons superkondensator PHVL-3R9H474-R (figur 3, til venstre) er en 470 millifarad (mF), 3,9 volt enhed med to celler. Den har en meget lav effektiv seriemodstand (ESR) på 0,4 ohm (Ω) for at reducere ledningstab, og den kan levere en spidseffekt på 9,5 W. Den har et driftstemperaturområde på -40 °C til +65 °C. Ligesom de tidligere omtalte superkondensatorer er den beregnet til 500.000 op- og afladningscyklusser. Den fysiske pakke er 14,5 mm høj, 17,3 mm lang og 9 mm bred.

Modulære superkondensatorpakker kan levere betydelige mængder backup-energi. Eaton XLR-16R2507B-R (figur 3, højre) har en kapacitans på 500 F og arbejder med en maksimal spænding på 16,2 V. Modulet har en ESR på 1,7 milliohm (mΩ) og kan levere en spidseffekt på 38,6 kilowatt (kW). Driftstemperaturområdet er -40°C til +65°C (celletemperatur). Pakken er 177 mm (6,97 in.) høj, 417 mm (16,417 in.) lang og 68 mm (2,677 in.) bred.

Hybride superkondensatorer

Bestræbelserne på at blande egenskaberne fra superkondensatorer og Li-ion-batterier har resulteret i en hybrid superkondensator kaldet Li-ion-kondensatoren (LiC). Det øger superkondensatorens energitæthed, mens den stadig giver hurtigere responstid end et batteri. LiC har en asymmetrisk struktur med en anode af litiumdopet grafit og en katode af aktivt kul (figur 4).

Figur 4: Den hybride superkondensator indeholder superkondensatorens og Li-ion-batteriets egenskaber. Det har et øget antal opladnings- og afladningscyklusser sammenlignet med et batteri og højere afladningshastigheder. (Billedkilde: Eaton)

Strukturen i den hybride superkondensator forener litiumbatteriets elektrokemiske natur med superkondensatorens elektrostatiske egenskaber for at give designerne en mærkbar fordel. Opladningsbevægelsen er en elektrokemisk proces i LiC, men den foregår med en mindre dybde end i et batteri, hvilket resulterer i et større antal opladnings-/afladningscyklusser og højere afladningshastigheder. Den resulterende afladningsprofil er meget lig superkondensatorens.

For eksempel er HS1016-3R8306-R en 30 F, 3,8 V, hybrid superkondensator i en cylindrisk indpakning med radiale ledninger. Den har en ESR på 0,55 Ω og kan levere en spidseffekt på 6,6 W. Dens driftstemperaturområde er -15 °C til +70 °C, og den har et udvidet driftsområde på -15 °C til +85 °C, der er reduceret til at fungere ved eller under 3,5 V. Den har en nominel levetid på 1.000 timer ved nominel spænding og maksimal driftstemperatur. Pakkens dimensioner er 18 mm (0,709 in.) høj og 10,5 mm (0,413 in.) i diameter. Ligesom superkondensatoren er den beregnet til 500.000 op- og afladningscyklusser.

Energi- og effekttæthedsdiagrammer

Energi- og effekttæthedsfordelingerne for energilagringsenheder giver betydelig indsigt i deres anvendelighed og effektive driftstid (figur 5).

Figur 5: Et krydsplot af energitæthed vs. effekttæthed for batteri- og superkondensatorenheder giver indsigt i deres driftsvarighed. (Billedkilde: Eaton)

Grafen viser energitæthed i forhold til effekttæthed. Forholdet mellem disse parametre giver tiden, som også er indtegnet på grafen. Enheder med høj energitæthed, men lav effekttæthed, er i øverste venstre hjørne. Det gælder blandt andet brændselsceller og batterier. Enheder med høj effekttæthed, men lav energitæthed, som f.eks. traditionelle kondensatorer og superkondensatorer, befinder sig i nederste højre hjørne. Hybride superkondensatorer passer ind mellem de to grupper. Bemærk tidsskalaen for hver enkelt; superkondensatorer fungerer i perioder på sekunder, hybrider i minutter og batterier i timer eller mere.

Anvendelser til energilagring

Energilagringsenheder leverer strøm, når den primære strøm går tabt. Et godt eksempel er at levere backup-strøm til computerens hukommelse. Man har tidligere brugt batterier, men superkondensatorer er nu ved at finde vej til denne anvendelse på grund af deres betydeligt højere antal opladnings-/genopladningscyklusser. Med superkondensatorer er det heller ikke nødvendigt at udskifte batterier efter et års drift.

Superkondensatorer bruges også i IoT- og IIoT-designs, der er afhængige af energihøstning. De finder lignende anvendelser i køretøjer, hvor de lagrer energi, der genvindes ved opbremsning.

Superkondensatorer giver høj effekt i korte perioder. De kan bruges til at levere "ride-through"-strøm i kritiske installationer, der har brug for at overvinde de ca. ti sekunders forsinkelse, indtil en nødgenerator kan komme i gang. Superkondensatoren genoplades på omtrent samme tid som brugsperioden og kan hurtigt være online igen efter et strømsvigt.

Konklusion

Superkondensatorer fungerer som et supplement til batterier i de fleste energilagringsapplikationer. Deres højere, umiddelbart tilgængelige effektniveauer og hurtige opladningstider gør dem ideelle til kortvarig strømstøtte. Det høje antal opladnings-/genopladningscyklusser, de kan have, uden at ydeevnen forringes, reducerer vedligeholdelses- og lageromkostningerne ved udskiftning af batterier.