Supercondensators en hun relatie met batterijen begrijpen

De behoefte aan betrouwbare energieopslagbronnen is enorm gegroeid door de opkomst van het Internet of Things (IoT), het Industrial IoT (IIoT), draagbare elektronica en grotere toepassingen zoals industriële installaties en datacenters. Batterijen leveren directe stroom voor kleinere apparaten, terwijl accu's in grotere toepassingen vaak worden gebruikt als back-up in geval van een primaire stroomstoring.

Kleine apparaten vertrouwen vaak op lithium-ion (Li-ion) of alkaline knoopcelbatterijen om de doelstellingen van kleine vormfactoren en minimaal onderhoud te bereiken. Li-ion-cellen vereisen zorgvuldige aandacht voor laadcycluslimieten en veiligheid. Batterijen die als back-up worden gebruikt, kunnen na snel opladen snel verslijten en moeten worden vervangen. Deze batterijen vereisen ook complexe batterijbeheersystemen en hebben nog steeds de mogelijkheid van thermische runaway, wat leidt tot veiligheidsproblemen.

Elektrische dubbellaagse condensators (EDLC), of supercondensators, bieden een aanvullende technologie voor batterijen. Waar batterijen voor relatief lange perioden stroom kunnen leveren, kunnen supercondensators snel voor korte perioden stroom leveren. Supercondensators zijn ook milieuvriendelijk, hebben geen last van thermische runaway en kunnen tot 20 jaar betrouwbaar werken. Ze kunnen worden gebruikt als enige energieopslagmethode, in combinatie met batterijen of als hybride apparaat om de energietoevoer te optimaliseren.

Dit artikel geeft een korte beschrijving van supercondensatoren in vergelijking met batterijen. Vervolgens worden enkele typische toepassingen besproken, zowel autonoom als in combinatie met batterijen. Supercondensators van Eaton worden gebruikt ter illustratie.

Verschillen tussen supercondensators en batterijen

Een supercondensator is een energieopslagapparaat met een ongewoon hoge specifieke energiecapaciteit in vergelijking met elektrochemische opslagapparaten zoals batterijen. Batterijen en supercondensators hebben vergelijkbare functies in het leveren van energie, maar werken verschillend. Een supercondensator werkt als een klassieke condensator in die zin dat het ontlaadprofiel bij een constante ontlaadstroom een lineaire afname van de spanning vertoont. In tegenstelling tot een batterij is de energieopslag in een supercondensator elektrostatisch, dus er zijn geen chemische veranderingen in het apparaat en de laad- en ontlaadbewerkingen zijn bijna volledig omkeerbaar. Dit betekent dat hij een groter aantal oplaad-/ontlaadcycli kan verdragen.

Batterijen slaan energie elektrochemisch op. Het ontladingsprofiel van Li-ion-batterijen is vlak; ze vertonen een bijna constante spanningskarakteristiek totdat de accu bijna volledig ontladen is. Door de degradatie van de chemische mechanismen is het aantal laad/ontlaadcycli in een Li-ion-batterij beperkt. Factoren zoals temperatuur, laadspanning en ontladingsdiepte beïnvloeden de capaciteitsvermindering van de batterij.

Li-ion-batterijen zijn onderhevig aan thermische runaway, zelfontbranding en zelfs explosie. Warmteontwikkeling is onvermijdelijk door chemische reacties tijdens het laden en ontladen door resistieve verwarming. Daarom moet de temperatuur van batterijen worden bewaakt om de veiligheid van de gebruiker te garanderen.

Specificaties van supercondensators en Li-ion-batterijen vergelijken

Batterijen hebben een hoge energiedichtheid. Supercondensators hebben een lagere energiedichtheid dan batterijen, maar een hoge energiedichtheid omdat ze bijna onmiddellijk kunnen worden ontladen. De elektrochemische processen in een batterij hebben meer tijd nodig om energie te leveren aan een belasting. Beide apparaten hebben kenmerken die passen bij specifieke behoeften op het gebied van energieopslag (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Hier zie je een vergelijking van de eigenschappen van supercondensators en Li-ion-batterijen. (Bron afbeelding: Eaton)

Een vergelijking van de energiedichtheid, in watturen per liter (Wh/L), en de vermogensdichtheid, in watt per liter (W/L), laat het meest significante verschil tussen de apparaten zien. Dit heeft ook invloed op de ontlaadtijden; supercondensators zijn bedoeld om energie te leveren gedurende korte intervallen (voorbijgaande gebeurtenissen), terwijl batterijen zich bezighouden met langdurige gebeurtenissen. De supercondensator ontlaadt zich in seconden of minuten, terwijl een batterij urenlang energie kan leveren. Deze eigenschap beïnvloedt hun toepassing.

Supercondensators ondersteunen een breder bedrijfstemperatuurbereik dan batterijen. Hun bijna verliesloze elektrostatische processen dragen ook bij aan hun grotere efficiëntie en snellere oplaadsnelheden.

Voorbeelden van supercondensators

Eaton biedt een complete lijn betrouwbare supercondensatoren voor energieopslagtoepassingen die een hoge vermogensdichtheid en snel opladen vereisen. De fysieke verpakking van supercondensators komt soms overeen met die van batterijen, vooral muntcellen. Ze zijn ook verkrijgbaar in conventionele cilindrische condensatorpakketten (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Supercondensators zijn verkrijgbaar in standaard cilindrische condensatorverpakkingen met radiale aansluitdraden; sommige zijn zo verpakt dat ze overeenkomen met de formaten van muntcellen van Li-ion-batterijen. (Bron afbeelding: Eaton)

De Eaton TV1030-3R0106-R in afbeelding 2 (links) is een 10 Farad (F) supercondensator met een maximale werkspanning van 3 V. Het is verpakt in een cilindrische bus met radiale draden. Het blik heeft een diameter van 10,5 millimeter (mm) (0,413 inch (in.)) en een hoogte van 31,5 mm (1,24 in.). Het heeft een bedrijfstemperatuurbereik van -25 °C tot 65 °C en een uitgebreid werkbereik van -25 °C tot 85 °C wanneer hij gereduceerd is om bij of onder 2,5 V te werken. Het kan 12,5 milliwattuur (mW/hr) energie opslaan en een piekvermogen van 86,5 W leveren. Het is berekend op 500.000 laad-/ontlaadcycli.

Supercondensators kunnen muntcelbatterijen vervangen in veel toepassingen, zoals back-upvermogen voor het geheugen. De Eaton KVR-5R0C155-R (Afbeelding 2, rechts) is een 1,5 F supercondensator met een maximale werkspanning van 5 volt. De afmetingen van de behuizing zijn vergelijkbaar met die van een 20 mm knoopcel. Het kan een piekvermogen leveren van 0,208 watt. Het bedrijfstemperatuurbereik is -25 °C tot 70 °C. Het is ook berekend op 500.000 laad-/ontlaadcycli.

Energiedichtheid van supercondensators verhogen

De energie die wordt opgeslagen in een supercondensator is evenredig met de capaciteit en het kwadraat van de spanning waarmee hij wordt opgeladen. De energiedichtheid kan dus worden verhoogd door het aantal cellen te verhogen en ze parallel te schakelen. Hogere energiedichtheden kunnen worden bereikt door supercondensatormodules te maken met een hoge capaciteit en een hogere werkspanning (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De energiedichtheid van een supercondensator kan worden verhoogd door meerdere cellen toe te voegen en de werkspanning te verhogen. (Bron afbeelding: Eaton)

De Eaton PHVL-3R9H474-R-supercondensator (Afbeelding 3, links) is een apparaat van 470 millifarad (mF), 3,9 volt met dubbele cellen. Het heeft een zeer lage effectieve serieweerstand (ESR) van 0,4 ohm (Ω) om geleidingsverliezen te beperken en hij kan een piekvermogen van 9,5 W leveren. Het heeft een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot 65 °C. Net als de eerder besproken supercondensatoren is deze berekend op 500.000 laad-/ontlaadcycli. Het fysieke pakket is 14,5 mm hoog, 17,3 mm lang en 9 mm breed.

Modulaire supercondensatorpakketten kunnen aanzienlijke hoeveelheden reserve-energie leveren. De Eaton XLR-16R2507B-R (Afbeelding 3, rechts) heeft een capaciteit van 500 F en werkt met een maximale spanning van 16,2 V. De module heeft een ESR van 1,7 milliohms (mΩ) en kan een piekvermogen van 38,6 kilowatt (kW) leveren. Het bedrijfstemperatuurbereik is -40 °C tot 65 °C (celtemperatuur). Het pakket is 177 mm (6,97 inch) hoog, 417 mm (16,417 inch) lang en 68 mm (2,677 inch) breed.

Hybride supercondensators

Pogingen om de eigenschappen van supercondensators en Li-ion-batterijen te combineren hebben geresulteerd in een hybride supercondensator genaamd de Li-ion-condensator (LiC). Dit verhoogt de energiedichtheid van de supercondensator terwijl hij nog steeds sneller reageert dan een batterij. De LiC heeft een asymmetrische structuur met een lithium-gedoteerd grafiet anode en een geactiveerde houtskool kathode (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De hybride supercondensator belichaamt de kenmerken van de supercondensator en de Li-ion-batterij. Het heeft een groter aantal laad/ontlaadcycli in vergelijking met een batterij en hogere ontlaadsnelheden. (Bron afbeelding: Eaton)

De structuur van de hybride supercondensator voegt de elektrochemische aard van de lithiumbatterij samen met de elektrostatische eigenschappen van de supercondensator om een merkbaar voordeel te bieden aan ontwerpers. De laadbeweging is een elektrochemisch proces in de LiC, maar het gebeurt minder diep dan in een batterij, wat resulteert in een groter aantal laad/ontlaadcycli en hogere ontlaadsnelheden. Het resulterende ontladingsprofiel lijkt erg op dat van de supercondensator.

De HS1016-3R8306-R is bijvoorbeeld een 30 F, 3,8 V, hybride supercondensator in een cilindrische behuizing met radiale aansluitdraden. Het heeft een ESR van 0,55 Ω en kan een piekvermogen van 6,6 W leveren. Het bedrijfstemperatuurbereik is -15 °C tot 70 °C, en het heeft een uitgebreid werkbereik van -15°C tot 85 °C, gereduceerd om bij of onder 3,5 V te werken. Het heeft een nominale levensduur van 1000 uur bij nominale spanning en maximale bedrijfstemperatuur. De afmetingen van de verpakking zijn 18 mm (0,709 inch) hoog en 10,5 mm (0,413 inch) in diameter. Net als de supercondensator is deze berekend op 500.000 laad-/ontlaadcycli.

Energie- en vermogensdichtheidsplots

De distributie van energie en vermogensdichtheid van energieopslagapparaten biedt een aanzienlijk inzicht in hun bruikbaarheid en effectieve operationele duur (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Een kruisplot van energiedichtheid versus vermogensdichtheid van batterij- en supercondensatoren geeft inzicht in hun operationele duur. (Bron afbeelding: Eaton)

De grafiek zet de energiedichtheid uit tegen de vermogensdichtheid. De verhouding van deze parameters levert de tijd op, die ook in de grafiek wordt uitgezet. Apparaten met een hoge energiedichtheid maar een lage energiedichtheid staan in de linkerbovenhoek. Deze omvatten brandstofcellen en batterijen. Apparaten met een hoge vermogensdichtheid maar een lage energiedichtheid, zoals traditionele condensators en supercondensators, staan rechtsonder. Hybride supercondensators zitten tussen deze twee groepen in. Let op de tijdschaal van elk; supercondensatoren werken in perioden van seconden, hybriden in minuten en batterijen in uren of langer.

Toepassingen voor energieopslag

Energieopslagapparaten leveren stroom wanneer de primaire stroom wegvalt. Een goed voorbeeld is het leveren van back-upstroom voor computergeheugen. Voorheen werden batterijen gebruikt, maar supercondensatoren vinden nu hun weg naar deze toepassing vanwege hun aanzienlijk hogere aantal laad-/laadcycli. Met supercondensators is het bovendien niet nodig om batterijen na een jaar te vervangen.

Supercondensators worden ook gebruikt in IoT- en IIoT-ontwerpen die afhankelijk zijn van het oogsten van energie. Ze vinden vergelijkbare toepassingen in voertuigen waar ze energie opslaan die wordt teruggewonnen bij het remmen.

Supercondensators leveren een hoog vermogen voor korte perioden. Ze kunnen worden toegepast om 'ride-through' stroom te leveren in kritieke installaties die de vertraging van ongeveer tien seconden moeten overbruggen tot een noodgenerator online kan komen. De supercondensator wordt opgeladen in ongeveer dezelfde periode als de gebruiksperiode en kan snel weer online zijn na een stroomonderbreking.

Conclusie

Supercondensators vormen een aanvulling op batterijen in de meeste toepassingen voor energieopslag. Door hun hogere, onmiddellijk beschikbare energieniveaus en snelle oplaadtijden zijn ze ideaal voor kortetermijnstroomondersteuning. Het hoge aantal laad-/herlaadcycli dat ze kunnen hebben zonder dat de prestaties afnemen, verlaagt de onderhoudskosten en voorraadkosten voor het vervangen van batterijen.