Un supercapacitor este un capacitor electrochimic pentru stocarea energiei pe baza principiului capacitiv și are o capacitate mult mai mare decât a unui capacitor obișnuit, datorită suprafeței efective mai mari a plăcilor și a distanței mai mici dintre ele. Supercapacitoarele sunt proiectate pentru a stoca și elibera rapid o cantitate mare de energie electrică într-un timp scurt.
Bateriile au o energie specifică mai mare și pot furniza de ~ 10 ori mai multă energie pe perioade de timp mult mai lungi decât pot supercapacitoarele. Supercapacitoarele au o putere specifică mai mare și pot furniza energie de ~ 10 ori mai rapid decât bateriile. Supercapacitoarele stochează energie într-un câmp electric, în timp ce bateriile folosesc reacții chimice pentru a stoca și elibera energie.
Notă. Caracteristicile de bază care la fac “Supercapacitoare” pentru aplicații Back-Up și Power Pulse:
- Capacități extrem de mari (multi Farad)
- Folosesc carbon poros cu greutate mică, conductiv electric, izolator termic
- Dimensiuni de până la 2000 ori mai mici decât capacitoarele electrolitice echivalente
- Rezistență internă (ESR) extrem de scăzută pentru putere mare a impulsului
- Factorul de supratensiune de 10 mai mare comparativ cu bateriile Li-ion
- Cicluri de descărcare extrem de mari, aproape nelimitate în comparație cu bateriile
- Curent de scurgere extrem de scăzut − poate menține încărcarea timp de săptămâni
- Gestionează curentul la supratensiune și crește durata de viață a bateriei atunci când operează în paralel.
Notă. Principala diferență dintre un supercapacitor și un capacitor obișnuit constă în mecanismul de stocare a energiei. În timp ce un capacitor obișnuit se bazează pe stocarea sarcinii electrice într-un mediu dielectric, un supercapacitor utilizează fenomene electrochimice pentru a stoca energie într-un electrolit și la interfața cu electrozii.
Supercapacitoarele sunt alcătuite din doi electrozi cu suprafețe mari, separați printr-un electrolit. Electrozii sunt fabricați din materiale cu suprafețe poroase sau cu nanostructuri, cum ar fi carbonul activat sau dioxidul de titan. Această structură poroasă crește mult suprafața de contact dintre electrod și electrolit, ceea ce permite stocarea unei cantități mari de sarcină electrică.
Deoarece energia este stocată prin intermediul unui mecanism electrostatic, în locul unui proces chimic de deplasare a ionilor, supercapacitoarele pot fi încărcate și descărcate foarte rapid, ceea ce le face ideale pentru aplicații care necesită o eliberare instantanee de energie, cum ar fi dispozitivele electronice portabile, vehiculele electrice, echipamentele de stocare a energiei regenerabile și multe altele.
Comparativ cu bateriile reîncărcabile, supercapacitoarele au o densitate energetică mai mică, deci pot stoca mai puțină energie pe unitatea de volum. Acest lucru limitează, în prezent, utilizarea lor în aplicații care necesită stocarea unei cantități mari de energie pentru perioade lungi de timp.
Bateriile reîncărcabile se confruntă cu „oboseală de încărcare” după sute de cicluri, dar supercapacitoarele se pot reîncărca și descărca în mii de cicluri. Dar, marele dezavantaj este că nu au, încă, puterea pe durată mare ca bateriile.
Ultracapacitoarele sunt mult mai sigure și considerabil mai puțin toxice. Nu conțin substanțe chimice dăunătoare sau metale grele și e mult mai puțin probabil să explodeze, decât bateriile. În plus, ultracapacitoarele au o gamă de temperatură mult mai mare decât a bateriilor, deoarece pot funcționa între -40 și +65°C, +85°C.
Notă. O baterie cu Litiu-ion are o durată de viață de 300 până la 500 de cicluri de încărcare. Dacă o descărcare completă poate da capacitatea Q, bateriile cu litiu pot furniza sau suplimenta o putere totală de 300Q-500Q pe durata de viață, dacă nu se ia în considerare scăderea capacității după fiecare ciclu de încărcare.
Noile materiale și tehnologii arată o mare promisiune de „a face ca bateriile Litiu-ion să devină învechite”.
Comparație între ultracapacitor și baterie: fiecare are avantaje.
Analogia apă/conductă pentru electricitate este utilă pentru a explica tensiunea, curentul și puterea. Se reprezintă astfel: energia electrică – cantitatea de apă, tensiunea – presiunea apei, curentul – debitul apei. Puterea este cantitatea totală de apă care curge într-un interval de timp. Energia electrică este adesea confundată cu puterea electrică, dar sunt 2 noțiuni diferite – puterea măsoară capabilitatea de a livra curent, iar energia măsoară livrarea.
Tipuri de supercapacitor (ultracapacitor)
Supercapacitoarele folosesc 2 principii de bază pentru stocarea energiei: pseudocapacitanța electrochimică și capacitatea statică cu două straturi, fiind clasificate în 3 tipuri diferite.
KEMET – Seria FS − Ultracapacitor, 1F, 5.5, 11, 12VDC. Tehnologia dublu strat (EDLC). Aplicații de stocare de energie. (Sursa: KEMET)
Pseudocapacitoare. Pseudocapacitanța este stocarea electrochimică a electricității într-un capacitor electrochimic. Electrozii conducători sunt din polimeri sau oxizi de metal. Stocarea energiei electrice e un proces electrochimic și se realizează prin reacții redox − pe suprafața electrodului sunt absorbiți ioni în mod specific.
Capacitoare cu două straturi. Stocarea energiei electrice se realizează prin separarea a două straturi de sarcini electrice opuse din jurul unor particule coloidale, cunoscută sub numele de strat dublu electric Helmholtz. Electrozii sunt fabricați din cărbune activ sau cu derivați care au o capacitate electrostatică dublu stratificată mai mare decât o pseudocapacitanță electrochimică.
Capacitoare hibride. Electrozii sunt asimetrici. Unul dintre electrozi prezintă proprietăți electrostatice, în timp ce celălalt prezintă capacitate electrochimică. Deoarece atât pseudocapacitanța, cât și capacitatea cu două straturi au contribuții inseparabile la capacitatea completă a unui capacitor electrochimic, au fost propuse denumiri de Supercabattery și Supercapattery. Astfel se clarifică dispozitivele hibride care acționează atât ca o baterie, cât și ca un supercapacitor.
Cornell Dubilier (CDE) – Supercapacitor DSF207Q3R0, 200F, 3VDC, dimensiuni: 30 × 50 mm, temperaturi -40°C … +65°C. (Sursa: CDE)
Prețul unui supercapacitor comparativ cu o baterie de aceeași capacitate energetică variază în funcție de tehnologia specifică, performanțele, mărimea și cererea pieței în momentul respectiv. În general, supercapacitoarele sunt mai scumpe decât bateriile echivalente, relativ la aceeași capacitate energetică.
Producerea supercapacitoarelor este, în general, mai scumpă decât cea a bateriilor, din cauza materialelor și proceselor de fabricație pentru a obține o structură poroasă a electrozilor și a unui electrolit adecvat.
Costurile bateriilor au scăzut în ultimii ani, pe măsură ce tehnologia a avansat și cererea a crescut. De asemenea, densitatea energetică a bateriilor este mai mare, ceea ce înseamnă că pot stoca o cantitate mai mare de energie pe unitatea de volum, ceea ce poate influența prețul per unitate de energie.
Este important de menționat că prețurile supercapacitoarelor și bateriilor pot varia semnificativ în funcție de aplicație și volumul de producție. În unele cazuri, costurile inițiale mai ridicate ale supercapacitoarelor pot fi compensate de durabilitatea și viața utilă mai mari, de capacitatea lor de a fi reîncărcate rapid și de alte avantaje specifice aplicației.
Maxwell Technologies – Seria BC de la Maxwell acoperă intervalul de capacitate medie de la 300F la 450F. (Sursa: Maxwell Technologies)
Dimensiuni
Există diferite tipuri de supercapacitoare, cum ar fi pe bază de electrozi în formă de foi, cu electrozi în formă de cilindru și cu electrozi în formă de monedă. Dimensiunile acestora variază în funcție de specificațiile producătorului și de cerințele aplicației.
Cele în formă de monedă (numite „coin cell”) au, în general, diametre de aproximativ 20-60 mm și grosimi de 1-10 mm. Sunt utilizate în aplicații portabile: ceasuri, dispozitivele de control al accesului și alte dispozitive electronice mici.
Supercapacitoarele cilindrice pot avea dimensiuni mai mari, în funcție de capacitatea și tensiunea nominală. Pot avea diametre între 10 și 35 mm și înălțimi între 20 și 60 mm, fiind utilizate în aplicații cum ar fi vehiculele electrice, iluminatul de urgență și echipamentele de stocare a energiei regenerabile.
Elna – Supercapacitor electrolitic dublu strat 1.0F, 6.3V, ELNA DK-6R3D105T (Sursa: Elna)
Aceste dimensiuni sunt doar o indicație generală și pot varia în funcție de producător și specificațiile exacte ale produsului.
Supercapacitoarele au o varietate de utilizări în diferite domenii, datorită caracteristicilor lor unice.
Principalele utilizări ale supercapacitoarelor:
Stocarea energiei regenerabile. Sunt utilizate în sistemele de stocare a energiei regenerabile, produsă de panouri solare și turbine eoliene. Ele pot absorbi rapid energia generată și o pot elibera ulterior în momentele în care producția de energie este mai mică sau când este necesar un vârf de putere.
Vehicule electrice și hibride. Sunt utilizate în vehiculele electrice și hibride pentru a asigura o recuperare eficientă a energiei la frânare și pentru a oferi un impuls puternic de putere în timpul accelerării. Ele pot absorbi rapid energia generată la frânare și o pot elibera rapid la accelerare.
Sisteme de pornire pentru vehicule. Pot fi utilizate în sistemele de pornire pentru vehicule pentru a oferi un impuls puternic de curent pentru a porni rapid motoarele.
Eaton – Familia de supercapacitoare XT variază de la 275F la 555F / 3V, în temperaturi -40°C … +85°C. Sunt utilizate pentru stocare de energie de sine stătătoare sau în combinație cu baterii pentru a prelungi durata de funcționare. (Sursa: Eaton)
Aparate electronice portabile. Sunt utilizate în dispozitivele electronice portabile, precum telefoane mobile și ceasuri inteligente, oferind o sursă rapidă de energie atunci când este necesară o încărcare rapidă.
Stocarea energiei în rețelele electrice. Pot fi utilizate pentru a stoca energie în rețelele electrice pentru a ajuta la gestionarea vârfurilor de putere și la compensarea fluctuațiilor în furnizarea de energie.
Aparate medicale. Sunt utilizate în dispozitive medicale, cum ar fi defibrilatoare și pompe de insulină, pentru a oferi rapid o energie puternică în caz de urgență sau în procedurile medicale critice.
Sisteme de iluminare de urgență. Pot fi utilizate în sistemele de iluminare de urgență ca sursă rapidă de energie în caz de întrerupere a alimentării cu curent electric.
De ce pierd energie. Supercapacitoarele nu sunt complet eficiente și pot pierde energie în anumite situații. Câteva cauze comune:
Efecte de auto-descărcare. Toate capacitoarele au pierderea treptată a sarcinii, respectiv a energiei ce se disipează din capacitor. Acest fenomen este determinat de materiale și de tehnologia capacitorului. Supercapacitoarele, deși au o auto-descărcare mai mică decât capacitoarele electrolitice tradiționale, totuși pierd energie în timp.
KYOCERA AVX Seria SCM. Supercapacitor, maxim 7.5F (-10 … +30% toleranță), 4.6VDC, 5.4VDC, dimensiuni: 12.5 (Dia.) × 32mm. Temperaturi: -40 … +85°C. (Sursa: KYOCERA AVX)
Pierderi ohmice. Supercapacitoarele au o rezistență internă care provoacă pierderi de energie sub formă de căldură în timpul procesului de încărcare și descărcare. Aceste pierderi pot fi atribuite rezistenței electrozilor și electrolitului.
Efecte termice. Încărcarea și descărcarea repetată a supercapacitoarelor poate genera căldură în timpul procesului, ceea ce poate duce la pierderi de energie. Dacă temperatura capacitorului crește prea mult, acest lucru poate afecta capacitatea sa și performanța generală.
Pierderi de energie în circuitul extern. Atunci când supercapacitoarele sunt utilizate pentru a alimenta dispozitive sau circuite externe, pierderile de energie pot apărea în componentele sau cablurile asociate. Aceste pierderi pot fi cauzate de rezistența electrică a circuitului, inductanță sau alte caracteristici neideale ale componentelor folosite.
TDK – Supercapacitor 350 mF (EDLC), 4.2 V, montare SMD. (Sursa: TDK)
În concluzie, supercapacitoarele pot păstra energia stocată pentru o perioadă mai scurtă de timp în comparație cu bateriile. În câteva ore până la câteva zile, o cantitate semnificativă de energie poate fi pierdută din supercapacitoare. Dar, este important de menționat că timpul de păstrare a energiei poate varia în funcție de specificațiile și calitatea supercapacitorului.
Comparativ cu bateriile, care pot păstra energie timp de luni sau chiar ani în anumite condiții, supercapacitoarele sunt mai potrivite pentru aplicații în care este necesară eliberarea rapidă de energie și nu se impune o perioadă lungă de stocare a acesteia.
Concluzie. Bateriile și supercapacitoarele, dacă lucrează ca o echipă, reprezintă sistemul ideal de stocare a energiei pentru multe aplicații: surse regenerabile, vehicule electrice, dispozitive medicale, dispozitive portabile, robotică și multe aplicații care solicită brusc stocare sau eliberare de energie.
Cei mai buni 7 producători de supercapacitoare din lume, August 2022;
TDK. Supercapacitoarele EDLC cu profil redus, au capacitate mare și rezistență scăzută. Dau asistență instantanee pentru puterea de vârf, putere de rezervă când sursa de alimentare este întreruptă, stabilizarea ieșirii și alte efecte pozitive. Cer înălțime mică a zonei de montare. Supercapacitoarele TDK extind posibilitățile de dezvoltare a aplicațiilor legate de energie. (Sursa: TDK)
TDK
Supercapacitoare cu două straturi (EDLC) de la TDK. Tehnologia ce utilizează folie metalică laminată foarte subțire oferă capacitate mare și rezistență internă mică. Utilizare în surse auxiliare de alimentare de vârf și stocare la recoltarea energiei solare și eoliene. Produse cu capacitatea maximă de 500mF, dar și variante subțiri de 0,45mm (5 … 15mF) sunt disponibile la tensiuni de 3,2V … 5,5V pentru PCB.
KEMET
Oferă o gamă largă de supercapacitoare cu montare pe suprafață, având caracteristici comune bateriilor cât și capacitoarelor. Un supercapacitor poate fi utilizat ca baterie secundară de joasă tensiune în sisteme de microprocesoare cu memorie flash.
KYOCERA AVX
Supercapacitoarele cu strat dublu oferă o combinație unică de caracteristici: puterea impulsului foarte mare și densități mari de capacitate. Supercapacitoarele PrizmaCap™ (seria SCP) sunt EDLC-uri cu cel mai scăzut profil și cea mai largă temperatură de funcționare (-55 … +90°C). Folosite singure sau împreună cu bateriile primare sau secundare, oferă un timp de rezervă prelungit, o durată de viață mai lungă a bateriei și oferă impulsuri de putere instantanee. Sunt utilizate în aplicații care necesită controlul puterii impulsurilor, stocarea energiei, recuperarea energiei/puterii și asistența bateriei.
Eaton
Oferă o mare varietate de soluții pentru aplicații alimentate de la câțiva microamperi timp de câteva zile, la sute de amperi timp de câteva secunde.
Cornell Dubilier (CDE)
Compania oferă produse de calitate cu o gamă largă de valori ale capacității și tensiunii, în factori de formă variați: tip monedă, terminale radiale sau montare PCB. Aplicațiile sunt de la backup-ul bateriei la frânarea regenerativă și stocarea energiei.
Maxwell Technologies
(Din 2019 e parte din divizia Tesla Energy) − unul dintre principalii producători de supercapacitoare, pentru aplicații industriale, automobile electrice, energie regenerabilă și electronică de consum. Îndeplinește cele mai înalte standarde din industrie pentru durabilitate, întreținere minimă și durată de viață.
Elna
Produce supercapacitoare electrolitice cu polimer conductiv solid cu două straturi. Aplicații în domeniile industriale, automobile, telecomunicații, medicale, consum.
Există și alți producători de supercapacitoare de înaltă performanță, pe piață, precum Skeleton Technologies, Panasonic, Nippon Chemi-Con, Ioxus, LS Mtron.
TDK este cunoscută pentru inovațiile sale în domeniul materialelor și componentelor electronice, și are o prezență globală puternică. Supercapacitoarele TDK sunt utilizate într-o serie de industrii, inclusiv automobile electrice, electronică de consum, echipamente industriale și telecomunicații.
TDK este un jucător important pe piața componentelor electronice, iar supercapacitoarele sale sunt recunoscute pentru calitatea și performanța lor.
Constantin Savu
Director General – Ecas Electro
ECAS Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro asigură aprovizionarea și servicii pentru produsele TDK
Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro
Referințe WEB
• https://www.hy-line-group.com/ch-en/products/energy-storage/super-capacitor-modules
• https://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor
• https://www.electronics-notes.com/articles/electronic_components/capacitors/specifications-parameters.php
• https://interestingengineering.com/science/could-ultracapacitors-replace-batteries-in-future-electric-vehicles
• https://www.freeingenergy.com/understanding-the-basics-of-electricity-by-thinking-of-it-as-water
• https://www.capacitechenergy.com/blog/batteries-vs-supercapacitors-the-answer-is-both
• https://www.bisinfotech.com/top-7-supercapacitors-manufacturers-in-the-world
• https://product.tdk.com/en/products/capacitor/edlc/edlc/technote.html
• https://product.tdk.com/en/landing/edlc/index-b.html