Sursa imaginii: PRBX / Shutterstock / Sakkmesterke
Super-condensatoarele sunt aproape peste tot, cu toate că, din cauză că sunt văzute ca niște componente pasive cu o conotație tehnică scăzută, acestea sunt rareori în lumina reflectoarelor. Este momentul de a le readuce pe scenă, așa că haideți să vedem povestea fascinantă și tehnologia din spatele puterii tăcute a super-condensatoarelor.
De la Howard Becker la Elon Musk
În anii ’50, atunci când condensatoarele erau realizate din hârtie și mică, General Electric a cercetat căi de a crește capacitatea pentru a înmagazina și elibera nivele de energie mai ridicate și de a fi capabile de a absorbi distorsiuni de tensiune în electronică și în aplicații militare top secret. Cercetările au fost conduse de Howard I. Becker și echipa sa, iar în 14 aprilie 1954 au solicitat un patent pentru un “condensator electrolitic de joasă tensiune” utilizând un electrod de carbon poros. Pe 23 iulie 1957, patentul US2800616A a fost eliberat, deschizând drumul către inovații viitoare. Invenția lui Becker a fost începutul unei curse între laboratoare pentru a transforma invenția într-o componentă capabilă de a fi fabricată în masă (de exemplu în 1958, Philips NV a patentat un proces de producție a electrozilor pentru condensatoare electrolitice) cu performanțe mai ridicate. Condensatorul electrolitic s-a născut.
Cu toate că invenția condensatorului electrolitic a fost un pas important înainte pentru industria electronicii, capacitatea nu era încă suficientă pentru a stoca nivele mai ridicate de energie, care sunt necesare pentru a stabiliza o rețea electrică sau pentru a furniza nivelele de energie extrem de ridicate solicitate de unele aplicații din industria de apărare. A durat încă șase ani de cercetare, după patentul lui Becker, până când inginerului Robert A. Rightmire de la Standard Oil Company să îi fie acordat, pe 29 noiembrie 1966, patentul US3288641A pentru un “aparat electric pentru stocarea energiei” descris ca: “Un dispozitiv electric pentru stocarea energiei în condiții electrostatice date de un strat dublu de electroni-ioni și protoni-ioni și interfețe de co-acționare … ” Super-condensatorul s-a născut… Interesant este faptul că a mai durat încă 10 ani pentru ca invenția să devină o realitate pe piață.
Datorită capacității lor de a stoca și elibera nivele ridicate de energie în perioade foarte mici de timp, s-au intensificat cercetările asupra super-condensatoarelor de înaltă performanță în zona EV (vehiculelor electrice), iar numărul de invenții și patente a crescut foarte mult. Majoritatea aplicațiilor în EV erau de a stoca energia generată la decelerare și fânare, pentru a o reutiliza la alimentarea motorului pentru accelerare. Potențialul super-condensatoarelor a trezit atenția în martie 2011 la Forumul Cleantech din San Francisco, atunci când Elon Musk spunea cu privire la viitorul vehiculelor electrice: “Dacă ar trebui să fac o predicție, aș crede că există o mare probabilitate ca, nu bateriile, ci super-condensatoarele să fie acelea care să asigure alimentarea în viitorul EV.” Doar ca să ne amintim, Musk a venit inițial în California pentru a studia la Stanford fizica condensatoarelor cu densitate mare energetică. Vorbele sale au stârnit o mulțime de speculații despre potențialul super-condensatoarelor, cu percepția că ele ar putea fi soluția pentru stocarea energiei, eventual înlocuind bateriile. Realitatea este un pic diferită deși, de la patentele originale ale lui Becker și Rightmire până astăzi, tehnologia super-condensatoarelor a progresat într-o echitabilă tăcere “în spatele scenei”.
Figura 1: Celula de super-condensator constă la bază din doi electrozi, un separator și un electrolit. Sursa imaginii: PRBX
Cum lucrează?
După cum ne amintim de la școală, un condensator constă din două armături metalice sau conductoare separate de un izolator, precum aer sau film din plastic sau ceramică. Pe durata încărcării, electronii se acumulează pe un conductor și îl părăsesc pe celălalt. Utilizând metode de fabricație normale, stocarea energiei condensatorului convențional este limitată de legile fizicii, iar aici este situația în care invenția lui Robert A. Rightmire a deschis noi căi pentru stocarea unor energii mari.
O celulă de super-condensator constă din doi electrozi, un separator și un electrolit. Electrozii sunt realizați dintr-un colector metalic, care este partea înalt conductoare și dintr-un material activ (cel mai adesea sunt utilizați oxizi metalici, carbon și grafit), care este partea de suprafață mare. Cei doi electrozi sunt separați de o membrană ce permite mobilitatea ionilor încărcați, dar interzice conducția electrică. Sistemul este impregnat cu un electrolit (figura 1). Dimensiunile geometrice ale celor două foi de carbon și a separatoarelor au fost proiectate în așa fel încât să aibă o suprafață foarte mare. Datorită structurii sale, carbonul de înaltă porozitate poate stoca mai multă energie decât un condensator electrolitic.
Atunci când se aplică o tensiune pe armătura pozitivă, ea atrage ionii negativi din electrolit, iar când o tensiune este aplicată pe armătura negativă, ea atrage ionii pozitivi din electrolit. Ca rezultat, straturile de ioni formate pe ambele părți ale armăturii realizează ceea ce se numește formație “dublu strat”, conducând la faptul că ionii sunt stocați lângă suprafața de carbon. Acest mecanism oferă super-condensatoarelor abilitatea de a stoca și de a utiliza apoi energii ridicate în perioade foarte mici de timp.
Suprafața părții active este cheia capacității super-condensatorului, iar din ce știm, creșterea suprafeței conduce la creșterea capacității. Ceea ce este în particular interesant și incitant în tehnologia super-condensatoarelor este posibilitatea oferită de introducerea nano-tehnologiilor. Un exemplu este înlocuirea stratului convențional de carbon activ cu un strat fin de miliarde de nano-tuburi. Fiecare nano-tub este ca un cilindru uniform de 5nm diametru și lung de 100µm, crescut perpendicular pe electrozii conductivi, iar prin utilizarea a miliarde de astfel de nano-tuburi este posibilă obținerea unor nivele extrem de dense de capacitate.
Figura 2: Energie vs. Densitate de putere pentru diferite tipuri de dispozitive de stocare a energiei Sursa imaginii: PRBX
Vor înlocui super-condensatoarele bateriile?
În urma declarațiilor lui Elon Musk de la Forumul Cleantech 2011, s-a stârnit un interes ridicat pentru super-condensatoare și, desigur, pentru potențialul oferit de nanotehnologii, care menține speranțele ridicate că, undeva în viitor, super-condensatoarele ar putea atinge punctul în care să egaleze performanțele bateriilor. După cum se poate observa în figura 2, care exprimă energie vs. densitate de putere pentru diferite tipuri de dispozitive de stocare a energiei, la momentul actual, nivelele de performanță ale celulelor de combustie, bateriilor, ultra-condensatoarelor și condensatoarelor convenționale nu se suprapun. Cu toate acestea, ele se completează, iar recentele progrese tehnologice reduc decalajul dintre baterii și super-condensatoare.
Fiecare dintre tehnologii are propriile avantaje și dezavantaje, de care proiectanții de putere țin seama atunci când dezvoltă sisteme de putere.
În figura 3 sunt comparați parametrii cheie ai bateriilor Li-ion și ai super-condensatoarelor și este evident că unul dintre avantajele cheie ale super-condensatoarelor este numărul extrem de ridicat de cicluri de utilizare, însemnând că poate fi încărcat și descărcat de un număr virtual nelimitat de ori, ceea ce este puțin probabil să fie vreodată cazul bateriilor electro-chimice care au definit un ciclu de viață mult mai scurt.
Fenomenul de îmbătrânire este, de asemenea, în favoarea super-condensatoarelor. În condiții normale, de la o capacitate originală de 100%, ele vor pierde numai 20% în 10 ani, ceea ce este mult peste nivelele atinse de orice baterii. Pentru proiectanții de sisteme care trebuie să alimenteze sisteme de putere în medii dure, super-condensatoarele vor opera la temperaturi de la foarte joase la foarte ridicate fără a se degrada, ceea ce știm că nu este cazul bateriilor. Pe de altă parte însă, descărcarea super-condensatoarelor în 30-40 de zile este de la 100 la 50%, în timp ce auto-descărcarea bateriilor cu plumb sau litiu este de numai 5% în aceeași perioadă, dar tehnologia se îmbunătățește zilnic, iar super-condensatoarele devin din ce în ce mai bune.
Figura 3 (Tabel): Comparație a parametrilor cheie între bateriile Li-Ion și super-condensatoare Sursa imaginii: PRBX
Odată cu creșterea cerințelor pentru energie regenerabilă și problemele legate de stocarea energiei, se ridică din ce în ce mai mult întrebarea asupra motivului din spatele construirii de bancuri uriașe de baterii Litiu Ion. Cu toții știm că aceste baterii au o durată de viață limitată, dar și că folosesc materiale prețioase care nu se reciclează ușor și care sunt asociate cu riscuri legate de mediu. Aici este locul în care cercetările sunt foarte interesante, stârnind aprecieri pentru prezentări precum cele realizate de Universitățile din Surrey și Bristol în februarie 2018 asupra dezvoltării de materiale polimerice. Ele au atins valori practice de capacitate de până la 4 F/cm2, când standardul industrial este de 0.3 F/cm2 și se așteaptă atingerea în viitorul apropiat a unor valori de 11-20 F/cm2. Atunci când vor fi atinse asemenea niveluri de capacitate, vom putea vorbi de 180Wh/kg, ceea ce este similar bateriilor litiu ion. Nivelul de cercetare în zona super-condensatoarelor este cu adevărat impresionant, iar ruptura dintre condensatoare și baterii se închide. Cât de repede se va întâmpla acest lucru rămâne necunoscut, dar dacă luăm în considerare numărul de patente, articole prezentate și nivelul de interes al industriei, nu ar trebui să dureze prea mult.
Își face treaba în liniște
Super-condensatoarele sunt aproape peste tot și este aproape imposibil să se scrie o listă exhaustivă a aplicațiilor. De la experimentul cu autobuzul din Shanghai și anume utilizarea unei flote de autobuze alimentate numai de super-condensatoare, până la dispozitive de măsurare inteligente și dispozitive de recuperare energetică, ele sunt peste tot. Desigur că abilitatea lor de a susține numeroase cicluri de încărcare și descărcare, le face ideale pentru instalații și vehicule electrice private sau publice. De exemplu, instalațiile precum macaralele de port pot acumula și reutiliza energia. Dar în numeroase aplicații, atunci când proiectanții au nevoie de putere de vârf, super-condensatoarele sunt acolo.
Dacă sunteți audiofil, amplificatorul dvs. audio poate conține un banc de super-condensatoare, capabil de a furniza kilowați la putere de vârf către difuzorul de bași, atunci când Ferruccio Furlanetto interpretează notele adânci din Don Quichotte. Dacă aveți acasă un dispozitiv de măsurare inteligent, cel mai probabil conține un super-condensator capabil de a furniza puterea de vârf atunci când transmite datele stocate prin modulul GPRS. Și din nou, dacă sunteți obsedat de tehnologie și urmăriți proiectul Lamborghini ‘Terzo Millennio’, veți putea observa ce rol important joacă super-condensatoarele în motorizarea acestei mașini sport foarte speciale.
Figura 4: Super-condensatorul PRBX 29F înlocuiește bateriile în aplicații solicitante ca soluție de vârf de energie și unitate de rezervă. Sursa imaginii: PRBX
Siguranța este un alt avantaj al super-condensatoarelor, iar acesta este motivul pentru care ele sunt prima alegere când este nevoie de backup sau putere de vârf într-un mediu restrictiv. Aplicațiile critice, care operează în medii ostile sau cu constrângeri, sunt strict normate în termeni de riscuri chimice sau de altă natură, reducând sau interzicând anumite tipuri de baterii, precum cele Litiu Ion. Din motive de siguranță, aceste aplicații trebuie să dispună de o rezervă de energie suficientă pentru a porni alarmele și de a închide în siguranță procesele. În astfel de situații dure bateriile uzuale sunt înlocuite cu super-condensatoare, a căror valoare poate fi de la câțiva Farazi la 200 Farazi, pentru aplicații generale (figura 4).
Ce urmează?
După cum am văzut, tehnologia super-condensatoarelor se mișcă foarte rapid. Provocările date de problemele de stocare a energiei, reprezintă probabil zona în care vom vedea imediat avantajele nano-tehnologiilor implicate în super-condensatoare.
Un exemplu în încheierea acestui articol, este o cercetare foarte interesantă desfășurată sub conducerea Universității Central Florida, asupra combinării cablurilor de distribuție cu capacitatea super-condensatoarelor. Profesorul Jayan Thomas de la NanoScience Technology Center a găsit o cale de a îmbunătăți un conductor de cupru uzual pentru a îl transforma în cablu super-condensator. Pe baza tehnologiei nanowhisker se poate transforma conductorul de cablu din cupru standard, într-un super-condensator capabil de a stoca și livra cantități mari de energie.
Astfel, cu anumite grade de silențiozitate, super-condensatoarele devin componentele cele mai promițătoare pentru viitor. Numeroși proiectanți de putere implementează deja soluții bazate pe super-condensatoare, dar, luând în considerare cât de repede au loc cercetările și provocările uriașe cărora omenirea trebuie să le facă față ca urmare a schimbărilor climatice, într-una din zilele unui viitor nu tocmai îndepărtat, super-condensatoarele vor fi inima soluțiilor moderne de putere.
Autor: Patrick Le Fèvre, Director Marketing & Communication, Powerbox
Bibliografie:
Howard I. Becker “Low voltage electrolytic capacitor” US Patent US2800616A
https://patents.google.com/patent/US2800616A/en
Robert A. Rightmire “Electrical energy storage apparatus” US Patent US3288641A
https://patents.google.com/patent/US3288641A/en?oq=US3288641A
University of Bristol | https://www.bristol.ac.uk/
University of Central Florida | https://www.ucf.edu/
Elon Musk speech at Cleantech 2011 in San Francisco | https://youtu.be/hTBZGWEzR_E
Powerbox (PRBX) | www.prbx.com