Что такое суперконденсаторы (ионисторы) и где они применяются

Интерес к ионисторам и их применению резко вырос вместе с развитием электротранспорта и возобновляемой энергетики. Суперконденсаторы эффективно работают в режимах частых разгонов, торможений и пиковых нагрузок — например, при рекуперации энергии торможения в электробусах или стабилизации напряжения в энергосетях.

Суперконденсаторы (их еще называют ионисторами) — это устройства для накопления электрической энергии. Отличает их то, что они могут заряжаться очень быстро (за секунды) и при этом выдерживать сотни тысяч циклов работы без заметного износа. Их применяют там, где обычные аккумуляторы выходят из строя или не могут оперативно отдавать мощность: в электротранспорте, промышленном оборудовании, системах резервного питания и электронике.

Что такое суперконденсатор (ионистор)

Ионисторы занимают промежуточное положение между классическими конденсаторами, запасающими и хранящими сравнительно мало энергии, и аккумуляторами, которые могут накопить много энергии, но при этом заряжаются медленно и постепенно теряют емкость.

У суперконденсаторов заряд накапливается на поверхности электродов за счет электростатического взаимодействия ионов электролита с материалом электрода. 

В отличие от аккумулятора в суперконденсаторе не происходит химических реакций с преобразованием веществ. При зарядке и разрядке ионы лишь перераспределяются у поверхности электродов. Поэтому процесс обратим и почти не вызывает износа.

Обычный конденсатор накапливает энергию между двумя металлическими пластинами, разделенными диэлектриком. Его емкость ограничена площадью пластин и толщиной изолятора, поэтому запас небольшой.

В суперконденсаторе же вместо гладких пластин используют пористые электроды с большой внутренней поверхностью. Например, активированный уголь со всеми его нанопорами внутри при «разворачивании» дает сотни и даже тысячи квадратных метров площади в пересчете на грамм (!) материала. Электроды погружены в электролит. Заряд накапливается в так называемом электрическом двойном слое на границе «электрод — электролит». За счет большой площади контакта емкость возрастает в тысячи раз по сравнению с обычными конденсаторами сопоставимых размеров.

Суперконденсатор сочетает свойства обычного конденсатора и аккумулятора. Он быстро накапливает и отдает энергию, отдает большую мощность и хранит относительно большое количество энергии. При этом он лишен многих слабых мест батарей: выдерживает сотни тысяч циклов заряда-разряда, устойчив к глубоким разрядам и неплохо работает при низких температурах. Именно поэтому ионисторы используют там, где нужна высокая мощность и долговечность, но не требуется длительное автономное питание.

Принцип работы суперконденсаторов

При подключении напряжения к ионистору электроны поступают на один электрод и уходят с другого. В ответ ионы электролита перемещаются к противоположно заряженным поверхностям. У поверхности каждого электрода формируется тонкий слой ионов, компенсирующий его заряд.

Между зарядом на электроде и слоем ионов возникает область разделения зарядов, так называемый двойной электрический слой. Он выполняет роль диэлектрика с чрезвычайно малой толщиной. Поскольку двойной слой образуется на всей внутренней поверхности пористых электродов, процесс накопления энергии происходит одновременно в огромном числе микроскопических участков. В отличие от аккумулятора заряд накапливается без химических превращений веществ.

Основные характеристики ионисторов

Как и у любого другого радиоэлмента, у суперконденсатора есть параметры, по которым определяется их применимость.

Основной параметр — емкость, измеряется в фарадах. У ионистора она на порядки выше, чем у обычных конденсаторов, и может достигать сотен и тысяч фарад. Чем больше емкость, тем больше энергии получается накопить при том же напряжении. На нее ориентируются, когда устройство должно работать как буфер энергии или компенсировать кратковременные провалы питания. У коммерческих суперконденсаторов она обычно лежит в диапазоне примерно от 1-10 Ф у компактных устройств, и до 300–3000 Ф у крупных промышленных образцов.

Рабочее напряжение ионистора ограничено устойчивостью электролита и обычно составляет около 2,5–2,7 В. Это предельное значение: его превышение приводит к ускоренной деградации и выходу устройства из строя. Если системе требуется более высокое напряжение, суперконденсаторы соединяют последовательно. В таких сборках суммарное напряжение может достигать десятков и даже сотен вольт.

Однако они требуют системы балансировки, чтобы напряжение распределялось равномерно между отдельными устройствами. Поэтому на практике часто используют готовые модули, рассчитанные на нужный уровень напряжения.

Плотность энергии (Вт*ч/кг) у ионистора в реальных продуктах обычно порядка 4-5 Вт*ч/кг; часто приводят диапазон ≈5-15 Вт*ч/кг как типичный по рынку, при этом плотность редко превышает 8 Вт*ч/кг. На практике это означает, что суперконденсатор не может долго держать нагрузку. Если ваша задача требует питания в течение минут или (тем более) часов, то почти всегда придется брать традиционный аккумулятор. Ионистор же можно поставить как буфер, а не как основной накопитель.

Плотность мощности (кВт/кг) у коммерческих суперконденсаторов обычно находится в пределах ≈5–15 кВт/кг, и в отдельных изделиях может приближаться к ~20 кВт/кг, но это уже не массовый уровень. При выборе важно помнить, что высокая плотность мощности должна подтверждаться допустимыми токами и тепловыми ограничениями конкретного изделия.

Если нужно отрабатывать пусковые токи, импульсную нагрузку, рекуперацию, подхватывать питание на провалах, то ионистор почти всегда будет удачным решением за счет мощности и скорости отдачи/приема энергии.

Полная зарядка суперконденсатора в типичных применениях может занимать от секунд до минут. Скорость определяется допустимым током и тепловыми ограничениями: при больших токах возрастает нагрев и потери энергии на внутреннем сопротивлении. Поэтому один и тот же ионистор можно заряжать с разной скоростью. Высокие токи позволяют резко сократить время зарядки, но при этом усиливают нагрев, что может влиять на эффективность и срок службы устройства.

При корректном выборе токов зарядки и разрядки проявляется одно из основных преимуществ суперконденсаторов: высокая устойчивость к частым циклам работы. Их ресурс достигает сотен тысяч и даже миллионов циклов, что значительно превосходит параметры лучших аккумуляторов. Ускоряет же износ ионисторов превышение расчетных напряжений, токов или нагрева. При эксплуатации в пределах номинальных параметров деградация происходит медленно, и устройство может сохранять работоспособность в течение многих лет.

Где применяются суперконденсаторы

Используются там, где требуется быстро накапливать и отдавать энергию, работать с большими токами и выдерживать частые циклы без заметного износа.

• В транспорте они применяются в системах рекуперации торможения, где энергия замедления преобразуется в электрическую и затем используется снова при следующем разгоне. Это особенно эффективно для городского электротранспорта с частыми остановками электробусов, трамваев, поездов метро или в плотном городском трафике. 
• Также ионисторы используют в автомобильных системах запуска двигателей и как буфер питания для бортовой сети при резких изменениях нагрузки.
• В энергетике их применяют для сглаживания пиков потребления и кратковременной стабилизации напряжения. Они могут компенсировать провалы и скачки нагрузки быстрее аккумуляторов, поэтому используются в системах распределения энергии и в составе резервных источников питания, где требуется быстрый отклик до включения генераторов или батарей.
• В электронике служат для резервного питания устройств на короткое время: сохранения данных, корректного завершения работы оборудования при неожиданном отключении питания. Они часто находят применение в источниках бесперебойного питания как элемент, сокращающий длительность провала в подаче энергии при отключении основного источника.
• В промышленности применяются в подъемных механизмах, робототехнике и оборудовании с циклическими нагрузками. Как и в транспорте, за счет рекуперации они позволяют накапливать энергию при торможении движущихся частей и возвращать ее при следующем рабочем цикле, снижая энергопотребление и нагрузку на сеть, повышая КПД всей системы.

В целом суперконденсаторы эффективны в системах с кратковременными мощными импульсами энергии и частыми повторяющимися циклами, где использование аккумуляторов не позволяет добиться нужной долговечности или скорости реакции на изменение ситуации.

Ограничения и недостатки

Основной недостаток ионисторов — низкая удельная энергия по сравнению с традиционными аккумуляторами. Они не подходят для длительного автономного питания.

Второй существенный недостаток — саморазряд. Даже без нагрузки напряжение со временем заметно снижается из-за внутренних утечек, поэтому хранить энергию в суперконденсаторе длительное (часы и сутки) время неэффективно.

Также важным фактором остается стоимость. Если пересчитывать цену устройства на запасаемую энергию, то ионисторы обходятся дороже аккумуляторов.

Наконец, существует ограничение по рабочему напряжению. Для работы в системах с высоким напряжением требуется использовать целые блоки суперконденсаторов с дополнительными системами контроля их согласованной работы.

Продукция АО «Элеконд»: серии суперконденсаторов и модули

АО «Элеконд» выпускает ионисторы и модули на их основе для общепромышленного и ответственного применения. В качестве базовой ячейки компания использует органический электролит со стандартным для большинства EDLC-суперконденсаторов номинальным рабочим напряжением 2,7 В.

В линейке присутствуют малогабаритные серии для электроники и буферного питания (например, К58-26), а также более емкие промышленные исполнения. Покупателям доступны серии с диапазонами емкостей от сотен до тысяч фарад (в том числе К58-34 и К58-35 при 2,7 В). Эти решения хорошо подходят под типовые задачи: подхват питания при провалах, обработку импульсных нагрузок, обеспечения кратковременного резервирования, построение моста для переключения источников, работу с большими разрядными токами.

Отдельно представлены готовые модули на суперконденсаторах. В них заранее решают проблему неравномерного распределения напряжения при последовательном соединении. «Элеконд» выпускает малогабаритные модульные сборки, где применяются электронные схемы активной балансировки и защиты от перенапряжения (напряжения модулей — от единиц до десятков вольт). Такой формат удобен, когда системе нужно не 2,7 В на ячейку, а сразу законченный узел для питания связи, измерительного оборудования или транспорта.

Возвращаясь к вопросу применения суперконденсаторов, отметим, что они особенно эффективны в качестве буферных накопителей: при рекуперации энергии, сглаживании пиков нагрузки, стабилизации питания и обеспечении кратковременного резервирования. В этих задачах их преимущества перекрывают ограничения по энергоемкости и саморазряду, которые делают их непригодными для длительного хранения энергии. По мере развития электротранспорта, распределенной энергетики и промышленной автоматизации роль ионисторов будет только расти.