Förstå superkondensatorer och deras förhållande till batterier

Behovet av tillförlitliga källor för energilagring har ökat dramatiskt i takt med utvecklingen av Internet of Things (IoT), Industrial IoT (IIoT), bärbar elektronik och större tillämpningar som t.ex. fabriker och datacenter. Batterier förser mindre enheter med direkt strömförsörjning, medan batterier i större tillämpningar ofta används som reservkraft vid strömavbrott.

Små enheter förlitar sig ofta på litiumjonbatterier (Li-ion) eller alkaliska knappceller för att uppnå målen med små format och minimalt underhåll. Litiumjonceller kräver noggrann uppmärksamhet på begränsningar av laddningscykler och säkerhet. Batterier som används för reservkraft kan snabbt bli uttjänta efter snabb uppladdning och behöva bytas ut. Sådana batterier kräver även komplexa batterihanteringssystem och har fortfarande potential för termisk instabilitet, vilket leder till säkerhetsproblem.

Elektriska kondensatorer med dubbla lager (EDLC), eller superkondensatorer, erbjuder en teknik som kompletterar batterier. Batterier kan leverera ström under relativt långa perioder, medan superkondensatorer kan leverera ström snabbt under korta perioder. Superkondensatorer är även miljövänliga, råkar inte ut för termisk instabilitet och kan arbeta tillförlitligt i upp till 20 år. De kan användas som enda energilagringsmetod, i kombination med batterier eller som en hybridenhet för att optimera strömförsörjningen.

Artikeln beskriver kortfattat superkondensatorer i förhållande till batterier. Därefter beskrivs några typiska tillämpningar, fristående och i kombination med batterier. Superkondensatorer från Eaton används för illustrativa ändamål.

Skillnader mellan superkondensatorer och batterier

En superkondensator är en energilagringsenhet med ovanligt hög specifik effektkapacitet jämfört med elektrokemiska lagringsenheter som batterier. Batterier och superkondensatorer har liknande funktioner för att leverera ström men fungerar på olika sätt. En superkondensator fungerar som en klassisk kondensator genom att urladdningsprofilen för en konstant urladdningsström uppvisar en linjär minskning av spänningen. Till skillnad från ett batteri är energilagringen i en superkondensator elektrostatisk, vilket innebär att det inte sker några kemiska förändringar i enheten och att laddnings- och urladdningsoperationerna är nästan helt reversibla. Det innebär att den tål ett större antal laddnings- och urladdningscykler.

Batterier lagrar energi på elektrokemisk väg. Litiumjonbatteriernas urladdningsprofil är platt; de uppvisar en nästan konstant spänningskarakteristik tills batteriet är nästan helt urladdat. På grund av försämringar i de kemiska mekanismerna är antalet laddnings- och urladdningscykler i ett litiumjonbatteri begränsat. Faktorer som temperatur, laddningsspänning och urladdningsdjup påverkar försämringen av batteriets kapacitet.

Litiumjonbatterier är känsliga för termisk instabilitet, självantändning och till och med explosion. Värmeutvecklingen är oundviklig på grund av de kemiska reaktionerna vid laddning och urladdning till följd av resistiv uppvärmning. Därför måste batterierna temperaturövervakas för att garantera användarnas säkerhet.

Jämförelse av specifikationer för superkondensatorer och litiumjonbatterier

Batterier har hög energitäthet. Superkondensatorer har lägre energitäthet än batterier, men hög effekttäthet eftersom de kan laddas ur nästan omedelbart. Det tar längre tid för de elektrokemiska processerna i ett batteri att leverera energi till en last. Båda enheterna har egenskaper som passar för specifika behov av energilagring (figur 1).

Figur 1: Tabell över jämförelse av egenskaperna hos superkondensatorer och litiumjonbatterier (Bildkälla: Eaton)

En jämförelse mellan energitätheten, i wattimmar per liter (Wh/L), och effekttätheten, i watt per liter (W/L), visar den mest betydande skillnaden mellan enheterna. Detta påverkar även urladdningstiden; superkondensatorer är avsedda att ge energi under korta intervaller (transienta händelser), medan batterier hanterar långvariga händelser. Superkondensatorn laddas ur på sekunder eller minuter, medan ett batteri kan leverera energi i timmar. Denna egenskap påverkar deras tillämpning.

Superkondensatorer klarar ett bredare drifttemperaturområde än batterier. Deras nästan förlustfria elektrostatiska processer bidrar även till deras högre effektivitet och snabbare laddningshastigheter.

Exempel på superkondensatorer

Eaton har ett komplett sortiment av tillförlitliga superkondensatorer för energilagringstillämpningar som kräver hög effekttäthet och snabb laddning. Superkondensatorernas fysiska kapsling motsvarar ibland den för batterier, och då i synnerhet knappceller. De finns även i vanliga cylindriska kondensatorkapslingar (bild 2).

Figur 2: Superkondensatorer finns i vanliga cylindriska kondensatorkapslingar med radiella anslutningar. Vissa har kapslingar så att de motsvarar litiumjonbatteriernas knappcellsformat. (Bildkälla: Eaton)

TV1030-3R0106-R från Eaton som visas i figur 2 (till vänster) är en superkondensator på 10 F med en maximal driftspänning på 3 V. Den är förpackad i en cylindrisk kanna med radiella anslutningar. Kannan har en diameter på 10,5 mm och en höjd på 31,5 mm. Den har ett drifttemperaturområde på -25 °C till +65 °C och ett utökat driftområde på -25 °C till +85 °C vid minskning av drift vid eller under 2,5 V. Den kan lagra 12,5 mW/hr energi och avge en toppeffekt på 86,5 W. Den är klassificerad för 500 000 laddnings-/urladdningscykler.

Superkondensatorer kan ersätta knappceller i många tillämpningar, t.ex. som reservkraft för minnen. KVR-5R0C155-R från Eaton (figur 2, höger) är en superkondensator på 1,5 F med en maximal driftspänning på 5 V. Dess mått liknar måtten för en knappcell på 20 mm. Den kan ge en toppeffekt på 0,208 W. Drifttemperaturområdet är -25 °C till +70 °C. Den är även klassificerad för 500 000 laddnings-/urladdningscykler.

Öka energitätheten hos superkondensatorer

Den energi som lagras i en superkondensator är proportionell mot dess kapacitans och kvadraten på den spänning som den laddas med. På så sätt kan energitätheten ökas genom att öka antalet celler och parallellkoppla dessa. Högre energitäthet kan uppnås genom att skapa moduler med superkondensatorer som har hög kapacitans och högre driftspänningar (figur 3).

Figur 3: Energitätheten hos en superkondensator kan ökas genom att lägga till flera celler och öka driftspänningen. (Bildkälla: Eaton)

Superkondensatorn PHVL-3R9H474-R från Eaton (figur 3, vänster) är en enhet på 470 mF och 3,9 V med dubbla celler. Den har en mycket låg effektivt serieresistans (ESR) på 0,4 Ω för att minska ledningsförlusterna, och kan leverera en toppeffekt på 9,5 W. Den har ett drifttemperaturområde på -40 °C till +65 °C. På samma sätt som de tidigare nämnda superkondensatorerna är den klassificerad för 500 000 laddnings-/urladdningscykler. Den fysiska kapslingen är 14,5 mm hög, 17,3 mm lång och 9 mm bred.

Modulära superkondensatorpaket kan leverera betydande mängder reservkraft. XLR-16R2507B-R från Eaton (figur 3, höger) har en kapacitans på 500 F och arbetar med en maximal spänning på 16,2 V. Modulen har en ESR på 1,7 mΩ och kan ge en toppeffekt på 38,6 kW. Drifttemperaturområdet är -40 °C till +65 °C (celltemperatur). Kapslingen är 177 mm hög, 417 mm lång och 68 mm bred.

Hybridsuperkondensatorer

Försöken att kombinera egenskaperna hos superkondensatorer och litiumjonbatterier har resulterat i en hybridsuperkondensator som kallas litiumjonkondensator (LiC). Detta ökar superkondensatorns energitäthet samtidigt som den fortfarande ger snabbare svarstider än ett batteri. Litiumjonkondensatorn har en asymmetrisk struktur med en anod av litiumdopad grafit och en katod av aktivt kol (figur 4).

Figur 4: Hybridsuperkondensatorn kombinerar egenskaperna hos superkondensatorn och litiumjonbatteriet. Den har ett ökat antal laddnings-/urladdningscykler jämfört med ett batteri och högre urladdningshastigheter. (Bildkälla: Eaton)

Hybridsuperkondensatorns struktur förenar litiumbatteriets elektrokemiska egenskaper med superkondensatorns elektrostatiska egenskaper och ger konstruktörer en märkbar fördel. Laddningsrörelsen är en elektrokemisk process i litiumjonkondensatorn, men den sker med ett mindre djup än i ett batteri, vilket resulterar i ett ökat antal laddnings-/urladdningscykler och högre urladdningshastigheter. Det medför en urladdningsprofil som är mycket lik superkondensatorns profil.

HS1016-3R8306-R är exempelvis en hybridsuperkondensatorer på 30 F, 3,8 V i en cylindrisk kapsling med radiella anslutningar. Den har en ESR på 0,55 Ω och kan leverera en toppeffekt på 6,6 W. Drifttemperaturområdet är -15°C till +70°C, och det utökade driftområdet är -15°C till +85°C, minskat för drift vid eller under 3,5 V. Den har en nominell livslängd på 1000 timmar vid märkspänning och maximal driftstemperatur. Kapslingen är 18 mm hög och 10,5 mm i diameter. På samma sätt som superkondensatorn är den klassificerad för 500 000 laddnings-/urladdningscykler.

Diagram över energi- och effekttäthet

Energi- och effekttäthetsfördelningen för energilagringsenheter ger en betydande inblick i deras användbarhet och effektiva drifttid (figur 5).

Figur 5: Ett korsdiagram över energitäthet kontra effekttäthet för batterier och superkondensatorer ger en inblick i deras drifttid. (Bildkälla: Eaton)

Diagrammet visar energitäthet kontra effekttäthet. Förhållandet mellan dessa parametrar ger tiden, som också ritas in i diagrammet. Enheter med hög energitäthet men låg effekttäthet är placerade i det övre vänstra hörnet. Bland dessa finns bränsleceller och batterier. Enheter med hög effekttäthet men låg energitäthet, t.ex. traditionella kondensatorer och superkondensatorer, är placerade i det nedre högra hörnet. Hybridsuperkondensatorer passar in mellan dessa två grupper. Notera tidsskalan för respektive enhet; superkondensatorer arbetar under perioder på sekunder, hybrider under minuter och batterier under timmar eller mer.

Energilagringstillämpningar

Energilagringsenheter levererar ström när den primära strömmen försvinner. Ett bra exempel är reservkraft för datorminnen. Tidigare har man använt batterier, men nu börjar superkondensatorer bli allt vanligare för denna tillämpning eftersom de har ett betydligt högre antal laddnings- och återladdningscykler. Med superkondensatorer behöver man inte heller byta batterier efter ett års drift.

Superkondensatorer används även i IoT- och IIoT-konstruktioner som förlitar sig på energiutvinning. De har liknande användningsområden i fordon där de lagrar energi som återvinns vid inbromsning.

Superkondensatorer har hög uteffekt under korta perioder. De kan användas för att tillhandahålla "överkopplingsström" i viktiga installationer som behöver överbrygga de cirka tio sekunders fördröjning som uppstår innan en nödgenerator kan kopplas in. Superkondensatorn laddas upp på ungefär samma tid som användningsperioden och kan snabbt vara tillbaka i drift efter ett strömavbrott.

Sammanfattning

Superkondensatorer fungerar som komplement till batterier i de flesta energilagringstillämpningar. Deras högre, omedelbart tillgängliga effektnivåer och snabba laddningstider gör dem perfekta för kortvarig reservkraft. Det stora antalet urladdnings- och laddningscykler som de kan ha utan försämrad prestanda minskar kostnaderna för batteribyten och lagerhållning av batterier.