Advies
Deze tekst is automatisch vertaald.
Meer informatie over super caps
-
WAS is een supercap?
-
Hoe werkt een supercap?
-
WAS is het verschil tussen een supercap en een accu?
-
Waar worden super caps geplaatst?
-
Hoe worden super caps aangesloten?
WAS is een supercap?
Een super condensator, Ultracap, Gold-Cap of ook supercap , is in principe een condensator, die enorme hoeveelheden elektrische energie kan opslaan.
Als er aan een condensator een spanning van 1 V wordt aangelegd en vervolgens voor de duur van 1 seconde een stroom van 1 ampère stroomt, heeft de condensator een capaciteit van een farad . De eenheid 1 Farad werd volgens de Britse Experimentalphysiker Michael genoemd basis.
De waarde 1 Farad (1 F) is een zeer grote capaciteit waarde , de in de handel verkrijgbare schakelingen van elektronische apparatuur niet absoluut nodig is. Hier worden condensatoren nodig, die slechts een fractie van de waarde hebben. Gangbare waarden zijn bijv.:
Millivolt Farad (mF) = 1/1000 Farad
microfarad (µ F) = 1/1000 millivolt farad
Nanofarad (LF) = 1/1000 microfarad
pico Farad (PF) = 1/1000 Nanofarad
Bij een supercondensator beweegt het specifieke capaciteit op een heel ander niveau. Hier worden inmiddels capaciteit waarden van tot enige duizenden farad bereikt. Daarom dragen super condensatoren uw naam echt terecht.
Om deze hoge capaciteit waarden te bereiken, zijn bij super condensatoren verschillende technologieën ontwikkeld waar de condensatoren zijn opgedeeld.
Dubbellaags condensatoren
Bij dubbellaags condensatoren komt actieve koolstof als materiaal elektrode gebruikt. De elektrische energie wordt statisch in de helmholtz-doppelschichten op de elektroden opgeslagen.
Pseudo condensatoren
Pseudo condensatoren hebben elektroden van metalloxiden of geleidende polymeren. De elektrische energie wordt elektrochemisch door de kooi van Faraday lading vervanging opgeslagen.
Hybride condensatoren
Hybride condensatoren zoals de lithium-ion-condensatoren gebruiken zowel de statische als de elektrochemische opslag. Hiervoor hebt u een elektrode met een hoge dubbellaags capaciteit en een elektrode met een hoge pseudo capaciteit.
Hoe werkt een supercap?
Principiële werking
Afbeelding 2: 1. Collector, 2. Gepolariseerde elektrode, 3. Helmholtz-Doppelschicht, 4. Elektrolyt met positieve en negatieve ionen, 5. De afscheider, 6. Spanningsbron
Een super condensator bestaat uit twee elektroden , die door een afscheider mechanisch en elektrisch van elkaar gescheiden zijn.
Ondanks de scheiding is de afscheider voor ionen doorlatend . De lading mogelijk maakt een elektrolytische , de positief geladen ionen (Kationen) en negatief geladen ionen (Anionen) bevat.
Wanneer aan de condensator een bedrijfsspanning wordt aangesloten, vormt zich aan beide elektroden een helmholtz-doppelschicht van negatief en positief geladen ionen (zie afb. 2).
Vanwege de verschillende ladingen van de elektroden zijn de lagen in spiegelbeeld opgebouwd.
De beide lagen werken net zoals twee condensatoren , de in serie zijn geschakeld. De totale capaciteit van de condensor wordt berekend volgens de formule:
C 1· C 2
C totaal = -----
C 1 + C 2
Statische dubbellaags capaciteit:
Afbeelding 3: 1. Collector, 2. Gepolariseerde elektrode, 3. Moleculaire laag van gepolariseerde losungsmittelmolekulen, 4. Elektrolyt, 5. De afscheider, 6. Sulvatisierte Kationen, 7. Gouy-Chapmann dubbele laag. 8) Helmholtz dubbele laag.
De oppervlakken van de elektroden worden door de elektrolyt royaal bevochtigt. Precies in deze Pasvlak (fase-grens) ontstaan na het aansluiten van een spanning twee ionisierte lagen (zie afb. 2).
Bij een waterige elektrolyt worden de beide lagen door een moleculaire laag van polaire watermoleculen gescheiden.
De water moleculen hechten zowel aan de elektrode geadsorbeerd als aan de ionen (Solvation).
De ladingsscheiding werkt net zoals het diëlektricum in een conventionele condensator en zorgt ervoor dat de statische opslag van de elektrische energie in een elektrisch veld .
De extreem dunne helmholtz-schicht van enkele nano meter en de reusachtige oppervlak van de elektroden met maximaal 2500 m² per gram zijn het basisprincipe voor de extreme capaciteit waarden van deze condensatoren.
Elektrochemische pseudo capaciteit:
Foto 4: 1. Collector, 2. Gepolariseerde elektrode, 3. Moleculaire laag van gepolariseerde losungsmittelmolekulen, 4. Elektrolyt, 5. De afscheider, 6. Sulvatisierte kationen die nog geen direct contact met de elektrode hebben, 7. Embedded redox-ionen, die uw lading op de elektrode hebt afgegeven, 8. Helmholtz dubbele laag.
Bij een condensator met elektrochemische pseudo capaciteit lukt het de ionen , de scheidings laang uit losungsmittelmolekulen te omzeilen en direct contact met de elektrode-oppervlakken te krijgen.
Daarbij verliest de ionen het omringende solvathulle .
Bij de daaropvolgende hechting geadsorbeerd vindt een elektron transfer (redoxcreactie) of een faradayscher lading, dat de voor de pseudo-capaciteit bijdraagt.
Een chemische verbinding tussen de redox ionen en de anode vindt niet plaats .
Het proces is omkeerbaar , waardoor de lading vervanging bij het ontladen van de condensor ongedaan wordt gemaakt.
Omdat de desolvatisierten ionen geen beschermhoes van losungsmittelmolekulen meer vertonen, is minder elektrode-oppervlakken .
Daarom is de pseudo capaciteit op een geschikte elektrode bij dezelfde oppervlak vele malen hoger zijn dan bij een dubbellaagse capaciteit.
WAS is het verschil tussen een supercap en een accu?
De verschillen tussen een supercondensator en een accu liggen in de energiedichtheid en de vermogensdichtheid.
In de praktijk betekent dit dat een accu met zijn hogere capaciteit of zijn hogere energiedichtheid duidelijk meer energie op te slaan kan als een super condensator met hetzelfde type.
Het kan echter zijn een super-cap vanwege de hogere vermogensdichtheid de energiehoeveelheid aanzienlijk sneller opnemen en ook sneller weer afgeven. Korte laadtijden en zeer hoge ontlaadstromen zijn zo licht te realiseren.
Bovendien hebben super caps een hoge cyclusvastheid en gaan veel meer laad-/ontlaadcycli stand dan accu's. De levensduur is daarmee met een veelvoud groter. Vanwege deze eigenschappen kunnen super caps in veel toepassingen de tot op heden gebruikte accu's aanvullen of zelfs volledig vervangen.
Accu en supercap in bij de rechtstreekse vergelijking
Ter vergelijking zijn twee cellen met bijna dezelfde vorm en maat gekozen.
| NiMH accu | Supercap | |
|---|---|---|
| TypEMMERICH NIMH-accu sub-C 2400 MAH FT-1Z |
Emmerich NIMH-accu sub-C 2400 MAH FT-1Z |
VINATech VEC3R0 107QG dubbellaags condensator |
| Capaciteit | 2400 mAh | 100 F |
| Voedingsspanning | 1,2 V | 3 V |
| Opgeslagen energie* | 2,88 Wh | 0,08 Wh |
| Max. Stroomsterkte | 48 A | 75 A |
| Inwendige weerstand | 15 m | 6 m |
| Constante cyclus | Min. 500 | Meer dan 500.000 |
| Afmetingen (Ø x h) | 22,5 x 43 mm | 22 x 45 mm |
| Gewicht | 54 g | 20 g |
| temperatuurbereik | 0° C tot +45° C | -40° C tot +65° C |
*Bij de waarde gaat het om een zuiver berekende grootte vanwege de technische gegevens en niet om een in de praktijk bruikbare waarde.
Conclusie: tot op de energiedichtheid zijn super caps de accu's.
Maar er is een belangrijke van de moet letten: omdat in veel gevallen de bedrijfsspanning van afzonderlijke cellen te laag is, als er accu's en super caps graag in serie geschakeld om de totale spanning te verhogen. Terwijl bij accu's (afbeelding A) de capaciteit van twee in serie geschakelde cellen gelijk blijft, wordt bij de condensatoren (afb. B) van de capaciteit waarde.
Waar worden super caps geplaatst?
Vanwege de enorme opslagcapaciteit kunt dubbellaagse condensatoren veel energie opnemen, verliesarm opslaan en ook weer afgeven. Daarom zijn de eerste dubbellaags condensatoren voor voeding van vluchtige opslaan in de meest uiteenlopende apparatuur gebruikt. Ook vandaag de dag worden super condensatoren nog bij voorkeur voor de stroomvoorziening, als back-up spanningsbronnen of de last zelfrichtfunctie gebruikt.
Maar hadden de eerste super condensatoren vanwege het hoge inwendige nog een niet te verschweigendes minpuntje. U kunt niet voor toepassingen met hoge laadstroom worden gebruikt. Zo heeft men in de jaren '80 jaar op de materialen van de condensatoren nog steeds voor verbeteringen aangebracht en leitfahigere elektrolyten ontwikkeld. Hierdoor kan de capaciteit en vooral de stroombelastbaarheid aanzienlijk worden verhoogd.
Dankzij deze eigenschappen zijn laagohmige LOW ESR-Super condensatoren overal te gebruiken, waar een hoge schakelfrequentie belastbaarheid nodig is. Maar ook in voertuigen , waar bij het remmen energie opgeslagen en bij het versnellen de aandrijving weer wordt toegevoerd in overeenstemming zijn (of rekuperation), worden super caps graag gebruikt.
Hoe worden super caps aangesloten?
Super caps hebben gezien de constructie een plus-aansluiting en een min-aansluiting. De praktijk moet men zeer nauwkeurig erop letten, dat de condensator volgens de juiste polariteit in de schakeling wordt gebruikt.
Een ander belangrijk criterium is de voedingsspanning. De kan bij afzonderlijke cellen afhankelijk van soort condensator en constructie tussen 2,5 V en 5,5 V liggen.
Enkele fabrikanten integreren twee condensatoren in één behuizing om bedrijfsspanningen van 6,0 V of meer te bereiken. Omdat deze spanningen voor vele toepassingen vaak te laag zijn, worden super caps zeer vaak serieel geschakeld. Hierdoor neemt echter overeenkomstig de volgende formule de bruikbare capaciteit zal zijn.
1/C totaal = (1/C 1 ) + (1/C 2 ) + (1/C 3 ) + (1/C 4 )
De lagere capaciteit van een serieschakeling wordt daardoor gecompenseerd, dat meerdere seriële condensator kettingen parallel worden geschakeld. Zo bereikt u de vereiste spanningsvastheid en de vereiste capaciteit. Maar dan moet door passief of actief balancing worden gewaarborgd dat de afzonderlijke cellen niet worden overladen.
Bij het passieve balancing worden slechts shuntweerstanden (R) parallel aan de condensator geschakeld (zie afbeelding A). Dit kan bij dynamische systemen worden gemaakt, die vaak op- en ontladen worden. Bij statische systemen die waarschijnlijk niet worden geladen, moet actief balancing worden gemaakt. Daarbij wordt elke shuntweerstand via een schakelaar (S) elektronisch in- en weggeschaltet (zie afbeelding B).