Анализ эффективности применения современных электрохимических конденсаторов

Турышева Анна Вахтанговна — Sat, 31 May 2014 10:06:25 +0000

В настоящее время стремительное развитие получили новые технологии создания электрохимических конденсаторов – суперконденсаторов, нашедшие применение в промышленности в качестве источников тока. Включение электрохимического конденсатора, обеспечивающего запасенной энергий потребителей, позволит увеличить срок службы аккумуляторной батареи при необходимости обеспечения нагрузки значительной величиной кратковременного тока.
Электрическая энергия в данном устройстве запасается в двойном электрическом слое на границе раздела электрода и электролита. Этот слой при приложенном напряжении образуется в результате накопления анионов и катионов раствора электролита на поверхностях положительного и отрицательного электродов.
Поскольку толщина двойного электрического слоя измеряется ангстремами, а поверхность проводника достигает 1500-2000 кв.м/г (активированный уголь), то особенностью электрохимического конденсатора является значительно более высокая, чем у обычных источников тока, запасенная энергия. В зависимости от материалов, используемых в качестве электродов: уголь, углеродные нанотрубки, графены, и используемого электролита: водный, органический, исследователи разработали электрохимические конденсаторы с разной удельной энергоемкостью, внутренним сопротивлением, электрическими свойствами [1, Арсентьев, с.20; 2. Конышев с.84] Органический электролит облает худшей электропроводностью, горюч и дорогостоящ, однако дает возможность увеличить рабочее напряжение, прикладываемое к ячейке конденсаторного устройства, в два раза по сравнению с водным раствором, что позволяет создать суперконденсаторы с большей удельной энергоемкостью.
Величина приложенного напряжения ограничена конструктивными особенностями суперконденсатора, поскольку при увеличении предельного значения происходит разложение электролита, возникает дополнительный ток, происходит нагрев и выход из строя.
В настоящее время разработчиками электрохимических конденсаторов в России являются ООО МНПО «ЭКОНД», ЗАО НПП «Инкар-М», ОАО Энергия, ЗАО Элит, ВСКБ «РИКОН», ОАО Элеконд, Элтон, РОСНОУ, проект университета «Дубна» и НПО «Восток» [3,12 ]. За рубежом: AVX Corp.; Cooper Bussmann; Cornell Dubilier; Elna America Inc.; EPCOS; Maxwell Technologies, Inc.; NEC; NessCap Co Ltd.; Nichicon; Panasonic Industrial Components; Seiko Instruments USA Inc.; Taiyo Yuden; Vishay; United Chemi-Con; Wima; LS Ultracapacitor. Сравнительные характеристики суперконденсаторов представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Сравнительные характеристики суперконденсаторов

Тип системы	620ИКЭ108/400 ТехноКор	120ВМОD0063-Р125 Maxwell	100*10ЭК303 ЭЛТОН
Диапазон рабочих напряжений, В	800-400	810-405	800-400
Запасаемая энергия, МДж	50,2	51,7	57,6
Максимальная мощность, МВт	57,1	30,4	3,6
Масса, т	24,3	6,95	3,4
Габаритный объем, м³	30,4	11,9	2,3
Отдаваемая энергия, МДж (при мощности 350кВт)	50	51	51
Рабочая температура, ⁰С	-45/+50	-40/+65	-50/+70
Вспомогательное оборудование	нет	Система выравнивания напряжений элементов	нет
Электролит	водный	ацетонитрил	водный
Цена, млн. руб.	15,5	24	10,2

Существует множество принципов построения данного устройства. Например, особенностью электрохимических конденсаторов ЭЛТОН является “асимметричная” конструкция, который состоит из отрицательных и положительных электродов, сепаратора и электролита. Применение сепаратора между электродами необходимо для предотвращения возникновения короткого замыкания между электродами, при проникновении ионов. Отрицательный электрод выполнен из активированного углеродного материала, а положительный электрод – из гидроксида никеля. В качестве электролита используется водный раствор щелочи [4].
Емкость электрохимического конденсатора можно найти по выражению:
(1)
где I – постоянный ток разряда, t – время разряда, - номинальное напряжение , - диапазон изменения напряжений [5, Кочетов, с. 19]
К недостаткам суперконденсаторов следует отнести: энергетическую плотность (1-10Вт/кг) большую, чем у конденсаторов, но меньшую чем у аккумуляторов; небольшую удельную энергоемкость по сравнению с аккумуляторами; линейное изменение напряжение при заряде и разряде постоянным током; высокую стоимость (до 10 долларов за кДж накопленной энергии); значительно более высокую, по сравнению с конденсаторными установками, величину внутреннего сопротивления.
Преимуществами данного устройства являются: высокая мощность, значительно превышающая мощность аккумуляторов; значительный ресурс – большое число циклов “заряд-разряд” (100.000) и длительный срок службы (более 10 лет); быстрый процесс заряда (15-40 мин); возможность работы при низких и высоких температурах без значительных изменений выходных характеристик (–50/+70 0С); возможность пропускать большие токи при разряде, заряде [6, Шурыгина, с.15; 7, Деспотули, с.13. ]
Эффективность совместного применения суперконденсаторов и аккумуляторных батарей подтверждается опытом их использования в автотранспорте (табл. 2)

Таблица 2 – Характеристики пускового режима

Старт дизеля Камаз
	Обычный	С суперконденсатором
Тип и емкость источников тока	2 аккумулятора по 190Ач	2 аккумулятора по 90Ач и суперконденсатор
Вес, кг	116	81
Объем, л	68	53
Срок эксплуатации, мес	36	60

Рассмотренный успешный опыт применения суперконденсаторов в качестве гибридного источника тока совместно с аккумуляторными батареями позволяет рекомендовать их для использования в электротехническом комплексе для пуска генерирующего агрегата, работающего в режиме электродвигателя.

Электронный научно-практический журнал «Современная техника и технологии» » electrochemical condensers

Анализ эффективности применения современных электрохимических конденсаторов