SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTRTEHNIKE I RAČUNARSTVA

SEMINARSKI RAD

Superkondenzatori

Nikolina Dobrenić 0036454290

Zagreb, siječanj 2014.

Sadržaj

Sadržaj ................................................................................................................................................1

1. Uvod ...............................................................................................................................................2

2. Izvedba superkondenzatora ............................................................................................................3

2.1 Standardni kondenzatori ...........................................................................................................3

2.2 Superkondenzatori ....................................................................................................................3

2.2.1 Elektrostatički dvoslojni kapacitet .......................................................................................3

2.2.2 Elektrode ............................................................................................................................5

2.2.3 Elektrolit .............................................................................................................................6

2.2.4 Separator ...........................................................................................................................6

3. Električni parametri superkondenzatora .........................................................................................7

3.1 Kapacitet ...................................................................................................................................7

3.2 Radni napon ..............................................................................................................................8

3.3 Unutarnji otpor .........................................................................................................................8

3.4 Struja opterećenja i stabilnost ciklusa ....................................................................................8

3.5 Gustoća snage i gustoća energije ...............................................................................................9

3.6 Životni vijek ............................................................................................................................. 10

3.7 Samopražnjenje ...................................................................................................................... 11

3.8 Polaritet .................................................................................................................................. 11

4. Primjena ....................................................................................................................................... 12

5. Zaključak ....................................................................................................................................... 13

6. Literatura ...................................................................................................................................... 14

1. Uvod

Superkondenzatori su jedinstveni električki uređaji za pohranu energije koji mogu pohraniti puno više

energije nego standardni kondenzatori te pružiti veću gustoću snage nego baterije. Baterije se

većinom koriste za pohranu energije u industrijskim i potrošačkim elektroničkim uređajima zbog

velike gustoće energije. Mana baterija je ograničena gustoća snage. Zbog toga, pri nazivnom naponu

ne mogu uređaju predati potrebnu snagu. Kada baterija treba predati uređaju impuls velike snage,

često propad napona bude prevelik uzrokujući manji napon od onog koji uređaj zahtjeva. Veliko

opterećenje smanjuje pohranjenu energiju u bateriji, oštećuje samu bateriju te skraćuje životni vijek.

U slučajevima kada se zahtijeva velika snaga u baterijski napajanim uređajima kombinacija paralelnog

spoja baterije i superkondenzatora daje predosti oba izvora: povećanje učinka i produljenje životnog

vijeka baterije iskorištavajući bateriju na maksimalnom potencijalu. Superkondenzator u paralelnom

spoju s baterijom smanjuje propad napona i vodi do:

Boljeg iskorištavanja energije i snage

Produljenja životnog vijeka baterije

Veće gustoće energije baterije

Snage proizvedene iz oba izvora, svaki dajući snagu inverznu vlastitom ESR

Manje zamjena starih baterija novim u nekim aplikacijama

U ovo radu obradit će se izvedba superkondenzatora te njihove električne karakteristike.

2. Izvedba superkondenzatora

2.1 Standardni kondenzatori Standardni kondenzator sastoji se od dvije metalne elektrode odvojene izolatorom (dielektrik)(Slika

1). Kada se na vodljive elektrode dovede napon, na njima se razdvajaju naboji istog iznosa ali

različitog polariteta. Budući da su elektrode odvojene dielektrikom, naboji ostaju odvojeni i između

elektroda pojavljuje se električno polje.

Kapacitet standarnog kondenzatora može se izraziti na dva

načina: kao omjer naboja i razlici napona na elektrodama (1)

ili kao omjer površine elektrode i debljine dielektrika (2).

Energija pohranjena u kondenzatoru ovisi o kapacitetu samog

kondenzatora i razlici napona na elektrodama (3).

2

2

1CUE

(3)

Maksimalnu snagu određuje ekvivalentni serijski otpor (ESR) (4). Karakteristika keramičkih

kondenzatora je vrlo mali ESR (0.01Ω – 0.1 Ω) te je njihova gustoća snage velika. To znači da teretu

mogu predati veliku količinu energije u jedinici vremena po jedinici mase ili volumena, ali njihova

gustoća energije je vrlo mala u usporedbi s baterijama.

Standardni kondenzatori se nazivaju i elektrostatičkim kondenzatorima.

2.2 Superkondenzatori Superkondenzator je elektrokemijski kondenzator i koristi drugačiji način pohrane naboja.

Superkondenzatori ne sadrže standardni dielektrik, a kapacitet je određen elektrostatičkim

kapacitetom u Helmholtzovoj dvoslojnoj strukturi između površina vodljive elektrode i elektrolita te

elektrokemijskim pseudokapacitetom. Napon na kondenzatoru linearan je odnosu na količinu

pohranjene energiju. Taj linearni gradijent napona razlikuje se od punjivih elektrokemijskih baterija

gdje napon između krajeva ovisi o količini pohranjene energije, dajući relativno stalan napon.

2.2.1 Elektrostatički dvoslojni kapacitet

Električki dvosloj u elektrokemijskim superkondenzatorima je struktura koja se nalazi između

vodljive elektrode i okolnog elektrolita. Kad se dovede napon generiraju se dva sloja iona, odnosno

električki dvosloj. Jedan sloj je površina rešetkaste strukture elektrode, dok drugi sloj, sa suprotnim

polaritetom, nastaje u elektrolitu (Slika 2). Ta dva sloja su razdvojena vrlo tankim slojem koji tvori

unutarnju Helmholtzovu ravninu (IHP). Ta ravnina odvaja suprotno polarizirane ione jedne od drugih.

Količina naboja na elektrodi odgovara veličini protunaboja u vanjskoj Helmholtzovoj ravnini(OHP).

Ovaj fenomen pohranjuje električni naboj kao i standardni kondenzator. Električni dvosloj formira

U

QC

(1)

d

AC

(2)

ESR

UP

4

2

max (4)

Slika 1. Standardni pločasti kondenzator

statičko električno polje u sloju molekula otapala

u IHP ravnini koji odgovara veličini dovedenog

napona.

Debljina nabijenog sloja na metalnoj elektrodi je

reda 0.1 nm. Ona uglavnom ovisi o gustoći

elektrona zato što su atomi u kristalnoj strukturi

elektrode stacionarni. U elektrolitu, debljina sloja

ovisi o veličini molekule otapala, gibanju i

koncentraciji iona u otapalu i reda veličine je od

0.1 do 10 nm. Vrlo mala debljina separatora

stvara vrlo snažno eletrično polje E između

odvojenih slojeva. Za npr. razliku potencijala od

2V i debljine separatora d=0.4 nm, električno polje iznosi:

mmkVnm

V

d

UE /5000

4.0

2

(5)

Električni dvosloj je kao dielektrični sloj kod standardnih kondenzatora, ali debljine jedne molekule.

Helmholtzov model pretpostavlja stalni diferencijski kapacitet Cd (4) neovisan o gustoći naboja,

ovisan o dielektričnoj konstanti ε i naboju odvojnog sloja δ.

4dC

(6)

Kapacitet se također može dobiti kao i kod standardnog kondenzatoru pomoću izraza (2). Kapacitet je

veći u superkondenzatorima napravljenih od materijala visoke permitivnosti, elektroda velike

površine i vrlo male udaljenosti između ravnina. Npr. površina aktivne ugljikove elektrode je od 10 do

40 μF/cm2.

Slika 3. Raspodjela iona tijekom pražnjenja (desno) i punjenja (lijevo) superkondezatora

Elektrokemijski kondenzator je sastavljen od dvije elektrode (slika 3), raspodjela naboja

Helmhotzovog sloja na jednoj elektrodi je zrcaljena u drugom Helmhotzovom sloju na drugoj

elektrodi, ali sa suprotnim polaritetom. Iz toga proizlazi da je ukupni kapacitet dvosloja rezultat dva

Slika 2. Helmholtzov model električkog dvosloja

serijski spojena kondenzatora. Ta dva Helmholtzova sloja odvojena su separatorom, odnosno tankom

membranom koja propušta ione i sprječava gibanje elektrona čime se ostvaruje električna izolacija

između dvije elektrode.

2.2.2 Elektrode

Elektrode su tipično napravljene od porozonog, spužvastog materijala kao što je aktivni ugljik sa

visokom specifičnom površinom. Takve elektrode su uglavnom tanki premazi preko vodljivog,

metalnog, strujnog kolektora. Zahtjevi za elektrode su raznovrsni. One moraju pokazati dobru

vodljivost, stabilnost pri visokim temperaturama, kemijsku stabilnost, otpornost na koroziju i velikih

površna po jednici volumena i mase. Ostali zahtjevi uključuju zaštitu okoliša i niske cijene.

Kao i kod standardnih kondenzatora, količina pohranjenog naboja po jednici napona je funkcija

površine elektrode i recipročne vrijednosti debljine dvosloja. Visoki kapacitet zahtijeva elektrode sa

najvećom mogućom površinom u najmanjem volumenu i vrlo tanki tanki dvosloj.

Općenito, što su manje pore elektrode, to su veći kapacitet i gustoća energije. Kakogod, manje pore

povećavaju ESR i smanjuju gustoću snage. Aplikacije sa visokim maksimumima („špicevima“) struje

zahtijevaju elektrode s većim porama i malim unutarnjim gubitakom, dok aplikacije koje zahtijevaju

manju gustoću energije trebaju elektrode s malim porama. Veličina pora u ugljiku kreće se od 2nm –

50nm.

Slika 4. Napunjeni kondenzator, raspodjela napona i ekvivalentni krug

Dvije elektrode tvore serijski krug sa dva posebna kondenzatora C1 i C2 . Ukupni kapacitet se računa

prema izrazu(7)

21

21

CC

CCCuk

(7)

Superkondenzatori mogu biti konstruirani sa simetričnim ili asimetričnim elektrodama. Simetrične

elektrode imaju isti iznos kapaciteta, dok za asimetrične to nije slučaj. U slučaju simetričnih elektroda

ukupni kapacitet Cuk iznosi pola kapaciteta jedne elektrode, dok u slučaju asimetričnih elektroda

ukupni kapacitet može biti jednak kapacitetu jedne elektrode što je dvostruko više.

Najčešće korišteni materijali u proizvodnji superkondenzatora je ugljik u raznim oblicima kao što su

aktivni ugljik, ugljična vlakna, ugljikov aerogel, grafit i ugljične nanocijevi (slika 5).

Slika 5. Aktivni ugljik (desno), aerogel (sredina) i ugljične nanocijevi(lijevo)

2.2.3 Elektrolit

Elektrolit sadrži otapalo i otopljene tvari koje se razdvoje u pozitivne katione i negativne anione

stvarajući elektrolit električki vodljivim. Što više iona elektrolit sadrži, to je bolja vodljivost. Elektroliti

su električki vodljivi spoj između dvije elektrode. U superkondenzatorima elektrolit sadrži molekule ta

odvojni (IHP) sloj u Helmholtzovom dvosloju. Elektrolit definira karakteristike kondenzatora, njegov

radni opseg, temperaturni opseg, ESR i kapacitet.

U superkondenzatorima koriste se dvije vrste elektrolita: organski i razvodnjeni. Voda je relativno

dobro otapalo neorganskih tvari. Voda tretirana kiselinama (npr. sumporna kiselina), lužinama (npr.

kalijev hidroksid) ili solima (npr. natrijev perklorat, litijev perklorat, litijev heksafluorid arsenat) pruža

relativno visoku vodljivost od otprilike 100 do 1000 mS/cm. Razvodnjeni elektroliti imaju napon

razdvajanja 1.15V po elektrodi (2.3 napon kondenzatora) i relativno mali temperaturni raspon i

koriste se u superkondenzatorima male gustoćom energije i velike gustoće snage.

Elektroliti sa organskim otapalima kao što su propilen karbonat, aceton, dietil-karbonat i otopine s

amonijevim solima su skuplji od razvodnjenih elektrolita, ali imaju veći napon razdvajanja od tipično

1.35V po elektrodi i veći temperaturni raspon. Manja električna vodljivost organskih otapala rezultira

manjom gustoćom snage. Kako se gustoća energije povećava s kvadratom napona, superkondenzator

sa organiskim otapalom ima veću gustoću energije.

2.2.4 Separator

Separator fizički odvaja dvije elektrode tako da omogućuje gibanje nabijenih iona,a spriječava

elektronski kontakt između elektroda. On može biti vrlo tanak i mora biti jako porozan na vodljive

ione kako bi smanjio ESR. Nadalje, on mora biti kemijski inertan kako bi održio stabilnost elektorlita i

održao njihovu vodljivot. Jefitni superkondenzatori koriste papir, dok oni sofisticiraniji koriste

porozne polimerne filmove poput poliakrilkarbonata, staklena vlakna ili porozna keramička vlakna.

3. Električni parametri superkondenzatora

3.1 Kapacitet Kapacitet je naveden kao nazivni kapacitet CR i to je vrijednost za koju je namijenjen kondenzator.

Pravi kapacitet mora biti unutar granica tolerancije kapaciteta. Tipične vrijednosti kapaciteta

superkondenzatora su u rangu Farada (F) i redovito su 3 do 6 reda veličine veći od elektrolitskih

kondenzatora.

Kapacitet standardnog kondenzatora obično se mjeri malim izmjeničnim napona i frekvencijom 100

kHz ili 1 kHz, ovisno o vrsti kondenzatora. Takvo mjerenje kapaciteta nudi brze rezultate. No,

vrijednost kapaciteta uvelike ovisi o mjernoj frekvenciji koja ovisi o strukturi porozne elektrode i

pokretljivosti iona u elektrolitu. Na niskim frekvencijama vrijednost izmjerenog kapaciteta padne sa

100% DC vrijednosti na oko 20% DC vrijednosti. Ova snažna ovisnost frekvencije može se objasniti

različitim udaljenostima iona koji se kreću u porama elektroda. Područje na početku pore je lako

dostupno ionima. Mala udaljenost popraćena je niskim električnim otporom. Što je veća udaljenost

iona, to je otpor veći. Ovaj fenomen može se opisati nizom kaskadno spojenih RC elementa sa

serijskom vremenskom konstantom. To rezultira odgođenim tokom struje, čime se smanjuje ukupna

površina elektrode koja može biti prekrivena ionima ako se polaritet promijeni – kapacitet se

smanjuje povećanjem frekvencije.

Slika 7. Ilustracija uvjeta za mjerenje kapaciteta

Eletrični paramatri moraju se mjeriti posebnom stalnom strujom punjenja i pražnjenja definiranim

IEC standardima.

Slika 6. Ekvivalentni krug sa kaskadnim RC elemntima(desno); Frekvencijska ovisnost kapaciteta(lijevo)

3.2 Radni napon Superkondenzatori su komponente niskog napona. Sigurni rad zahtijeva da napon ostane unutar

određenih granica. Nazivni napon je najveća vrijednost DC napona ili vrha naponskog impulsa koji se

može primijeniti kontinuirano unutar određenog temperaturnog raspona. Kondenzator nikada ne bi

trebao biti podvrgnut naponu većem od nazivnog.

Nazivni napon ima sigurnosni odmak od kemijski ograničenih stanja, odnosno probojni napon

elektrolita na kojem se elektrolit razgrađuje. Probojni napon u Helmholtzovom sloju razdvaja vodu u

vodik i kisik na naponu od 1.2V. Molekula otapala se zatim razbije i ne može se odvojiti električni

naboj jedan od drugoga. Kako kondenzator ima dvije elektrode, probojni napon leži iznad 2.4V.

Nazivni napon kod superkondenzatora sa razvodnjim elektrolitom je ograničen na 2.4V, dok je kod

superkondenzatora sa organskim elektrolitom ograničen na 3,6V.

Rad superkondenzatora ispod nazivnog napona poboljšava električne parametre. Kapacitet i

unutarnji otpor su stabilniji, a životni vijek i ciklusi punjenja/pražnjenja mogu se povećati. Takvi niski

naponi su općenito manji nego što aplikacije zahtijevaju i zbog toga se serijski spajaju ćelije kako bi se

dobio traženi napon.

3.3 Unutarnji otpor S električnim modelom kaskadnih, serijski spojenih RC

elemenata u porama elektroda, unutarnji otpor

povećava se sa povećanjem ulaska nositelja naboja u

pore. Unutarnji otpor je vremenski ovisan i povećava

se tijekom punjenja/pražnjenja. Unutarnji otpor Ri (8)

može se izračunati iz pada napona ΔV2 u trenutku

pražnjenja počinjući sa stalnom strujom pražnjenja

Ipražnjenja. To se dobije u sjecištu pomoćne linije od

ravnog dijela i vremenske baze u trenutku početka

pražnjenja (slika 8).

pražnjenja

iI

VR 2

(8)

Unutarnji otpor ne smije se miješati sa ESR. ESR je puno manji od unutarnjeg otpora i mjeri se na

frekvenciji od 1kHz.

Unutarnji otpor određuje nekoliko svojstva

superkondenzatora. On ograničava maksimalnu struju

punjenja i pražnjenja te utječe na vremensku konstantu koja određuje vrijeme punjenja/pražnjenja.

3.4 Struja opterećenja i stabilnost ciklusa

Budući da superkondenzatori rade bez formiranja kemijskih veza, struja opterećenja, uključujući

punjenje i pražnjenje nisu ograničeni. Struja opterećenja i stabilnost ciklusa su puno veći nego kod

baterija.

Slika 8. Mjerenje unutarnjeg otpora superkondenzatora

Struja opterećenja je jedino ograničena unutarnjim otporom, koji je puno manji nego kod baterija.

Unutarnji otpor Ri i struje punjenja/pražnjenja stvaraju unutarnji gubitak topline Ploss.

2IRP iloss (9)

Toplina općenito definira životni vijek kondenzatora zbog elektrolitske difuzije. Dopuštena toplina

tereta koja ima samo mali utjecaj na očekivani životni vijek treba biti manja 5 do 10K na maksimalnoj

temperaturi okoline. Iz tog razloga, navedene struje punjenja i pražnjenja s čestim ciklusima

punjenja/pražnjenja određene su unutarnjim otporom.

Slika 9. Ciklus punjenja/pražnjenja superkondenzatora i baterija

Važni čimbenici ciklusa su struja punjenja/pražnjenja, duljina impulsa i frekvencija. Oni su određeni u

određenom temperaturnom rasponu s punim naponskim rasponom za definirani životni vijek.

Općenito, manja struja opterećenja povećava životni vijek kondenzatora a povećava broj mogućih

ciklusa.

Superkondenzatori mogu potencijalno podržati više od milijun cikluca punjenja/pražnjenja bez pada

gubitka kapaciteta ili povećanja unutarnjeg otpora. To je još jedna prednost superkondezatora.

3.5 Gustoća snage i gustoća energije Superkondenzatori zauzimaju prazninu između snažnih elektrolitskih kondenzatora male energije i

punjivih baterija male potrošnje i velike energije (slika 10).

Slika 10. Smještaj superkondenzatora u ovisnosti o gustoći energije i gustoći snage

Količina energije pohranjena u superkondenzatoru naziva se specifična energija. Energija Wmax

kondenzatora dana je izrazom (10)

2

max2

1UCW uk

(10)

Gustoća snage je količina energije koju izvor može predati teretu u jedinici vremena po jedinici mase

ili volumena. Najveća snaga može se odrediti iz izraza (11)

iR

UP

2

max8

1

(11)

Gustoća snage superkondenzatora je tipično 10 do 100 puta veća nego kod baterija.

3.6 Životni vijek Superkondenzatori imaju životni vijek puno dulji nego bateria. Budući da superkondenzatori ne ovise

o kemijskim promjenama u elektrodi, životni vijek uglavnom ovisi o isparavanju elektrolita tijekom

vremena. Isparavanje elektrolita je funkcija temperature, struje opterećenja i napona. Struja

opterećenja uzrokuje unutarnje zagrijavanje tako da je temperatura ispravanja zbroj temperature

okoline i unutarnje topline. Napon je odgovoran za stvaranja plinove koji reduciraju tekućinu

elektrolita te tako smanjuju životni vijek.

Životni vijek može se procjeniti prema sljedećem izrazu (12)

100

0

2xTT

x LL

, (12)

gdje je Lx procijenjeni životni vijek, L0 određeni životni vijek od proizvođača, T0 nazivna temperatura i

Tx trenutna radna temperatura .

3.7 Samopražnjenje Pohranom električne energije u dvosloju odvajaju se nosioci naboja udaljavanjem od pora elektroda.

Kako su ove udaljenosti male, mogu se pojaviti nepravilnosti koje vode do male izmjene nosioca

naboja i postepenog pražnjenja. To samopražnjenje naziva se struja curenja. Curenje ovisi o

kapacitetu, naponu, temperaturi i kemijskoj stabilnosti spoja elektroda-elektrolit. Na sobnoj

temeperaturi, curenje je tako malo da se navodi vrijeme do samopražnjenja. Vrijeme samopražnjenja

superkondenzatora izražava se u satima, danima ili tjednima.

3.8 Polaritet Iako se katode i anode za simetrične superkondenzatore sastoje od istog materijala, teoretski

superkondenzator nema pravi polaritet. Ako se okrene smjer punjenja, superkondenzatoru će se

smanjiti kapacitet, ali neće doći do katastrofalnog ishoda. Preporuča se održavati polaritet elektroda

formiran tijekom proizvodnje. Asimetrični superkondenzatori su inherentno polarni.

4. Primjena Primjena superkondenzatora kao uređaja za pohranu energije se od svojih početaka pa sve do danas

raširila na mnoge grane industrije i potrošačke elektronike. Tako se superkondenzator ugrađuje

udaljene sustave za nadgledanje i mjerenje, digitalne kamere, kao izvanredni izvor energije u

avionima za otvaranje vrata, u vjetroelektranama, automobilskoj industriji i sl. Superkondenzator je

prikladan izvor energije kadgod je potrebno trošilu predati veliku snagu ili pohraniti energiju.

5. Zaključak Superkondenzatori su jedinstveni električki uređaji za pohranu energije koji mogu pohraniti puno više

energije nego standardni kondenzatori te pružiti veću gustoću snage nego baterije. U kombinaciji s

baterijom superkondenzator podiže trenutnu maksmalnu snagu baterije te produljuje njen životni

vijek. Životni vijek samog superkondenzatora, kao i broj ciklusa punjenja/pražnjenja su do nekoliko

redova veličine veći od baterija. Prednosti superkondenzatora u odnosu na baterije su dug životni

vijek, mali ESR, brzo punjenje/pražnjenje, jednostavna metoda punjenja, isplativa pohrana energija,

smanjeni propad napona, vrlo velik broj ciklusa punjenja pražnjenja, prošireni radni temperaturni

opseg, sigurnost... dok su mu mane mala gustoća energije, mali napon te veće samopražnjenje.

6. Literatura [1] http://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor

[2] http://whatis.techtarget.com/definition/ultracapacitor

[3] http://www.cellergycap.com/index.php?option=com_content&view=article&id=17&Itemid=

3

[4] http://www.altomelbilen.dk/presentationer/Maxwell,%20ultracapacitors.pdf

[5] http://www.tecategroup.com/app_notes/0_Tecate_Group_What%20is%20an%20ultracapac

itor.pdf

[6] http://powerelectronics.com/content/ultracapacitor-technology-powers-electronic-circuits

[7] http://energyphysics.wikispaces.com/Ultracapacitors

[8] http://www.mondragon.edu/en/phs/research/research-lines/electrical-energy/news-

folder/workshop/Mondragon%202012_06_22_Gallay.pdf

[9] http://www.maxwell.com/ultracapacitors/