Superkondensaattoreiden ja akkujen välisen suhteen ymmärtäminen

Luotettavien energianvarastointilähteiden tarve on kasvanut dramaattisesti esineiden internetin (IoT), teollisen esineiden internetin (IIoT), kannettavan elektroniikan ja suurempien sovellusten, kuten teollisuuslaitosten ja datakeskusten, yleistymisen myötä. Akut tarjoavat suoraa virtaa pienemmille laitteille, kun taas suuremmissa sovelluksissa niitä käytetään usein varavirtalähteenä, jos ensisijaisesta virtalähteestä katkeaa sähkö.

Pienissä laitteissa käytetään usein litiumioniakkuja (li-ioni) tai alkalinappiakkuja pienen koon ja minimaalisen huollon tavoitteiden saavuttamiseksi. Litiumionikennojen lataussyklirajoihin ja turvallisuuteen on kiinnitettävä paljon huomiota. Varavirtalähteenä käytettävät akut voivat tyhjentyä nopeasti nopean latauksen jälkeen ja ne täytyy vaihtaa. Nämä akut vaativat myös kompleksisia akunhallintajärjestelmiä ja niissä voi silti tapahtua lämpöryntäys, mikä aiheuttaa turvallisuusongelmia.

Sähköiset kaksikerroskondensaattorit (EDLC) eli superkondensaattorit tarjoavat akkuja täydentävän tekniikan. Siinä missä akut voivat syöttää virtaa suhteellisen pitkän aikaa, superkondensaattorit voivat tarjota virtaa nopeasti lyhyen aikaa. Superkondensaattorit ovat lisäksi ympäristöystävällisiä, niissä ei esiinny lämpöryntäystä, ja ne voivat toimia luotettavasti jopa 20 vuoden ajan. Kondensaattoreita voidaan käyttää ainoana energianvarastointimenetelmänä, yhdessä akkujen kanssa tai hybridilaitteena virransyötön optimoimiseksi.

Tässä artikkelissa vertaillaan ensin lyhyesti superkondensaattoreita ja akkuja. Sen jälkeen siinä tarkastellaan joitakin tyypillisiä sovelluksia, sekä erillisratkaisuina että yhdessä akkujen kanssa. Eatonin superkondensaattoreita käytetään havainnollistamistarkoituksessa.

Superkondensaattorin ja akun väliset erot

Superkondensaattori on energianvarastointilaite, jolla on epätavallisen korkea erityinen tehokapasiteetti sähkökemiallisiin varastointilaitteisiin, kuten akkuihin, verrattuna. Akut ja superkondensaattorit suorittavat samankaltaisia tehtäviä virransyötössä, mutta toimivat eri tavoin. Superkondensaattori toimii kuten perinteinen kondensaattori siinä mielessä, että vakiosuuruisen purkausvirran purkausprofiilissa voidaan nähdä jännitteen laskun olevan lineaarista. Toisin kuin akussa, superkondensaattorissa energian varastointi on sähköstaattista, joten laitteessa ei tapahdu kemiallisia muutoksia, ja lataus- ja purkutoiminnot ovat lähes täysin palautuvia. Tämä tarkoittaa sitä, että se voi kestää suuremman lataus- ja purkusyklimäärän.

Akut varastoivat energiaa sähkökemiallisesti. Litiumioniakkujen purkausprofiili on tasainen; niiden jänniteominaiskäyrä on lähes vakio, kunnes akku on lähes täysin purkautunut. Kemiallisten mekanismien heikkenemisen vuoksi litiumioniakkujen lataus- ja purkusyklien määrä on rajallinen. Sellaiset tekijät kuten lämpötila, latausjännite ja purkautumissyvyys vähentävät akun kapasiteettia.

Litiumioniakut ovat alttiita lämpöryntäykselle, itsestään syttymiselle ja jopa räjähdykselle. Lämmönmuodostus on väistämätöntä, koska latauksen ja purkauksen aikana tapahtuu resistiivisestä lämpenemisestä johtuvia kemiallisia reaktioita. Tästä syystä akut vaativat lämpötilan seurantaa käyttäjäturvallisuuden varmistamiseksi.

Superkondensaattorin ja litiumioniakun spesifikaatioiden vertailu

Akut tarjoavat korkean energiatiheyden. Superkondensaattoreilla on akkuja pienempi energiatiheys, mutta niiden tehotiheys on korkea, koska ne voidaan purkaa lähes välittömästi. Akun sähkökemialliset prosessit vaativat enemmän aikaa energian syöttämiseksi kuormaan. Molemmilla laitteilla on ominaisuuksia, jotka sopivat tiettyihin energianvarastointitarpeisiin (kuva 1).

Kuva 1: Kuvassa esitetään superkondensaattoreiden ja litiumioniakkujen spesifikaatioiden välinen vertailu. (Kuvan lähde: Eaton)

Energiatiheyden (wattituntia litraa kohti (Wh/L)) ja tehotiheyden (wattia litraa kohti (W/L)) vertailu osoittaa laitteiden välisen suurimman eron. Se vaikuttaa myös purkautumisaikoihin. Superkondensaattorit on tarkoitettu syöttämään energiaa lyhyellä aikavälillä (transienttitapahtumat), kun taas akut on tarkoitettu pitkiin tapahtumiin. Superkondensaattori purkautuu sekunneissa tai minuuteissa, kun taas akku voi syöttää energiaa tuntien ajan. Tämä ominaisuus vaikuttaa kondensaattoreiden käyttökohteisiin.

Superkondensaattorit tukevat akkuja laajempaa käyttölämpötila-aluetta. Niiden lähes häviöttömät sähköstaattiset prosessit parantavat myös niiden tehokkuutta ja mahdollistavat korkeammat latausnopeudet.

Esimerkkejä superkondensaattoreista

Eaton tarjoaa kattavan valikoiman luotettavia superkondensaattoreita energianvarastointisovelluksiin, joissa vaaditaan korkeaa tehotiheyttä ja nopeaa latausta. Sen superkondensaattoreiden fyysinen malli muistuttaa joskus akkujen, erityisesti nappikennojen, muotoa. Niitä on saatavana myös perinteisissä lieriömäisissä kondensaattorikoteloissa (kuva 2).

Kuva 2: Superkondensaattoreita on saatavana tavallisissa lieriömäisissä kondensaattorikoteloissa radiaalijaloilla. Jotkin taas muistuttavat litiumioniakkujen nappikennomuotoa. (Kuvan lähde: Eaton)

Kuvassa 2 (vasemmalla) esitetty Eaton TV1030-3R0106-R on 10 faradin (F) superkondensaattori, jonka maksimi käyttöjännite on 3 V. Se on pakattu lieriömäiseen koteloon, jossa on radiaalijalat. Kotelon halkaisija on 10,5 millimetriä (mm) (0,413 tuumaa (in.)) ja korkeus 31,5 mm (1,24 tuumaa). Sen käyttölämpötila-alue on −25 ... +65 °C ja laajennettu toiminta-alue −25 ... +85 °C, kun käyttöjännite on alennettu arvoon 2,5 V tai sen alapuolelle. Se voi varastoida 12,5 milliwattituntia (mW/h) energiaa ja syöttää 86,5 W:n huipputehon. Sille luvataan 500 000 lataus-/purkusykliä.

Superkondensaattorit voivat korvata nappiakut monissa sovelluksissa, kuten muistien varavoimalähteenä. Eatonin KVR-5R0C155-R (kuva 2, oikealla) on 1,5 F:n superkondensaattori, jonka maksimi käyttöjännite on 5 volttia. Sen kotelomitat ovat samanlaiset kuin 20 mm:n nappiakulla. Se voi tuottaa 0,208 watin huipputehon. Sen käyttölämpötila-alue on −25…+70 °C. Sillekin luvataan 500 000 lataus-/purkusykliä.

Superkondensaattorin energiatiheyden lisääminen

Superkondensaattoriin varastoitu energia on verrannollinen sen kapasitanssiin ja sen latausjännitteen neliöön. Energiatiheyttä voidaan siis parantaa lisäämällä kennojen määrää ja kytkemällä ne rinnakkain. Korkeampi energiatiheys voidaan saavuttaa luomalla superkondensaattorimoduuleja, joilla on korkea kapasitanssi ja korkeampi käyttöjännite (kuva 3).

Kuva 3: Superkondensaattorin energiatiheyttä voidaan parantaa lisäämällä useita kennoja ja nostamalla käyttöjännitettä. (Kuvan lähde: Eaton)

Eatonin PHVL-3R9H474-R-superkondensaattori (kuva 3, vasemmalla) on kaksikennoinen 470 millifaradin (mF) ja 3,9 voltin komponentti. Sen tehollinen sarjavastus (ESR) on johtavuushäviöiden vähentämiseksi erittäin alhainen, 0,4 ohmia (Ω), ja se voi tuottaa 9,5 W:n huipputehon. Moduulin käyttölämpötila-alue on −40 °C ... +65 °C. Edellä esiteltyjen superkondensaattoreiden tavoin sille luvataan 500 000 lataus-/purkusykliä. Fyysisen kotelon korkeus on 14,5 mm (0,571 tuumaa), pituus 17,3 mm (0,681 tuumaa) ja leveys 9 mm (0,354 tuumaa).

Modulaarisilla superkondensaattorikoteloilla voidaan tuottaa merkittävä määrä varavirtaa. Eatonin XLR-16R2507B-R-superkondensaattorin (kuva 3, oikealla) kapasitanssi on 500 F ja se toimii 16,2 V:n maksimijännitteellä. Moduulin tehollinen sarjavastus on 1,7 milliohmia (mΩ), ja se voi syöttää 38,6 kilowatin (kW) huipputehon. Käyttölämpötila-alue on −40 ... +65 °C (kennon lämpötila). Kotelon korkeus on 177 mm (6,97 tuumaa), pituus 417 mm (16,417 tuumaa) ja leveys 68 mm (2,677 tuumaa).

Hybridisuperkondensaattorit

Superkondensaattoreiden ja litiumioniakkujen ominaisuuksien yhdistäminen on johtanut hybridisuperkondensaattoriin, jota kutsutaan litiumionikondensaattoriksi (LiC). Se lisää superkondensaattorin energiatiheyttä ja tarjoaa samalla akkua nopeamman vasteajan. LiC on rakenteeltaan epäsymmetrinen. Se koostuu litiumilla seostetusta grafiittianodista ja aktivoidusta hiilikatodista (kuva 4).

Kuva 4: Hybridisuperkondensaattori tarjoaa superkondensaattorin ja litiumioniakun ominaisuudet. Akkuun verrattuna sen lataus-/purkusyklien määrä on suurempi ja purkunopeudet korkeampia. (Kuvan lähde: Eaton)

Hybridisuperkondensaattorirakenne yhdistää litiumakun sähkökemiallisen luonteen ja superkondensaattorin sähköstaattiset ominaisuudet ja tarjoaa suunnittelijoille merkittäviä etuja. Litiumionikondensaattorien varausliike on sähkökemiallinen prosessi, mutta sen syvyys on pienempi kuin akussa, jolloin saavutetaan suurempi lataus-/purkusyklien määrä ja korkeampi purkausnopeus. Tuloksena oleva purkausprofiili on hyvin samanlainen kuin superkondensaattorissa.

Esimerkiksi HS1016-3R8306-R on 30 F:n ja 3,8 V:n hybridisuperkondensaattori radiaalijalallisessa lieriömäisessä kotelossa. Sen tehollinen sarjavastus on 0,55 Ω ja se voi tuottaa 6,6 W:n huipputehon. Sen käyttölämpötila-alue on −15 ... +70 °C, ja sen laajennettu käyttöalue on −15  ... +85 °C, kun käyttöjännite on alennettu arvoon 3,5 V tai sen alapuolelle. Sen nimellinen käyttöikä on 1000 tuntia nimellisjännitteellä ja maksimikäyttölämpötilassa. Kotelon korkeus on 18 mm (0,709 tuumaa) ja halkaisija 10,5 mm (0,413 tuumaa). Superkondensaattorin tavoin sille luvataan 500 000 lataus-/purkusykliä.

Energia- ja tehotiheyden kuvaajat

Energianvarastointilaitteiden energia- ja tehotiheysjakaumat tarjoavat merkittävää tietoa niiden käyttökelpoisuudesta ja tehollisesta kestoajasta (kuva 5).

Kuva 5: Akkujen ja superkondensaattorikomponenttien energia- ja tehotiheyden hajontakuvaaja tarjoaa tietoa niiden kestoajasta. (Kuvan lähde: Eaton)

Kuvaaja näyttää energiatiheyden ja tehotiheyden suhteen. Näiden parametrien välinen suhde ilmaisee ajan, joka on myös esitetty kuvaajassa. Laitteet, joilla on korkea energiatiheys mutta alhainen tehotiheys, ovat vasemmassa yläkulmassa. Niihin kuuluvat polttokennot ja akut. Laitteet, joilla on korkea tehotiheys mutta alhainen energiatiheys, kuten perinteiset kondensaattorit ja superkondensaattorit, ovat oikeassa alakulmassa. Hybridisuperkondensaattorit sijoittuvat näiden kahden ryhmän väliin. Huomaa kunkin ryhmän aikaskaala: superkondensaattorit toimivat sekuntien, hybridit minuuttien ja akut tuntien ajan tai pidempään.

Energianvarastointisovellukset

Energianvarastointilaitteet syöttävät virtaa, kun ensisijainen virta katkeaa. Hyvä esimerkki on varavirta tietokoneen muistia varten. Aiemmin tähän on käytetty akkuja, mutta superkondensaattorit ovat nyt löytämässä tiensä tähän sovellukseen, koska niiden lataus- ja uudelleenlataussyklien määrä on huomattavasti suurempi. Lisäksi superkondensaattoreita käyttämällä akkuja ei tarvitse vaihtaa vuoden käytön jälkeen.

Superkondensaattoreita käytetään myös sellaisissa IoT- ja IIoT-ratkaisuissa, jotka perustuvat energian talteenottoon. Niitä käytetään myös ajoneuvoissa, joissa ne varastoivat jarrutuksen aikana talteen otettua energiaa.

Superkondensaattorit tuottavat korkean lähtötehon lyhytaikaisesti. Niitä voidaan käyttää kriittisissä järjestelmissä kattamaan noin kymmenen sekunnin siirtymäaika, joka tarvitaan varavirtageneraattorin käynnistymiseen. Superkondensaattori latautuu suunnilleen samassa ajassa kuin sen käyttöjakso kestää, ja se voi olla käytettävissä uudelleen nopeasti sähkökatkon jälkeen.

Yhteenveto

Superkondensaattorit täydentävät akkuja useimmissa energianvarastointisovelluksissa. Niiden korkeammat, välittömästi käytettävissä olevat tehotasot ja nopeat latausajat tekevät niistä ihanteellisia lyhytaikaiseen virransyöttöön. Koska lataus-/uudelleenlataussyklien määrä on suuri ilman suorituskyvyn heikkenemistä, akkujen vaihtohuolto- ja varastointikustannukset pienenevät.