Суперконденсаторы и их применение в качестве перспективных источников питания для электромобилей

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы применения суперконденсаторов в качестве источников питания для электромобилей. Отмечены как недостатки, так и преимущества суперконденсаторов по сравнению с современными АКБ (аккумуляторные батареи). Рассмотрены перспективы наращивания промышленного производства суперконденсаторов.

Суперконденсаторы и их применение в качестве перспективных источников питания для электромобилей

Около 20 лет назад стали доступны конденсаторы с емкостью в сотни тысяч фарад. Идея создания таких конденсаторов появилась в 50-е годы прошлого века [1,2]. Их называют конденсаторами с двойным электрическим слоем, суперконденсаторами, ультраконденсаторами, ионисторами. Производят суперконденсаторы с самыми разнообразными емкостями и в разных размерах – от малогабаритных до крупногабаритных [3,4].

Суперконденсаторы превосходят другие типы конденсаторов по количеству запасаемой энергии, величине заряда и емкости, и с каждым годом становятся все более совершенными. Ученые и инженеры всего мира работают над повышением их удельной емкости. Через 5-7 лет суперконденсаторы смогут полностью заменить все виды аккумуляторов. Этими суперконденсаторными модулями можно будет заменить АКБ в большинстве энергоемких производств (включая медицинскую отрасль, аэрокосмическую промышленность и военную технику). В скором будущем планируется использование суперконденсаторов в сотовых телефонах, вторичных источниках электропитания, специальных компьютерах, ноутбуках, источниках бесперебойного питания, флэш-картах, беспроводных сетях, игрушках, пультах дистанционного управления, цифровых плеерах и камерах, промышленных и медицинских приборах, в системах наблюдения и контроля, в электротранспорте и в многих других отраслях [5].

Промышленные партии суперконденсаторов выпускаются такими фирмами как MaxwellTechnologies и Ioxus (США), Panasonic, Nippon Chemicon и NEC Tocin (Япония), WIMA (Германия), Batscap (Франция), CapXX (Австралия), NESSCap, LS Cable, SK Energy, Korchip (Корея), ELTON, ECOND International (Москва), ЭЛИТ (Курск), «Юнаско-Украина» и многими другими [6].

Одним из наиболее актуальных применений суперконденсаторов является их использование для уменьшения массы и габаритов АКБ (особенно для электромобилей). По весу суперконденсаторы намного легче применяемых в данное время АКБ. Во время запуска двигателя современного автомобиля среднего класса требуется мощность 4-7 киловатта в течение нескольких секунд. В настоящее время оптимальным источником электропитания для электромобилей, как неоднократно указывалось авторами, является применение системы АКБ небольшой емкости и суперконденсатора. 

На сегодня суперконденсаторы уступают по запасаемой удельной энергии лучшим типам аккумуляторов. Авторами проведен обзор последних исследований по теме разработки суперконденсаторов и достигнутых результатов в этой области. В продаже можно встретить суперконденсаторы, способные накапливать заряд в 5000 фарад (это сравнимо с емкостью литиевых ячеек). С каждым годом улучшаются технико-конструктивные характеристики суперконденсаторов, уменьшается их размер и вес. Емкость же суперконденсаторов при тех же размерах неуклонно растет. Уже сейчас организуются испытания суперконденсаторов мегаваттной мощностью. Также достигнуты следующие показатели количества циклов заряд-разряд: более 10 000 раз без падения характеристик (без значительной потери емкости при удельной энергии на уровне 15-20 кВт/кг.)

В 2016 году в Центре нанотехнологий Университета Центральной Флориды (UCF) разработан суперконденсатор, который выдерживает более 30 тысяч циклов заряд-разрядки [7].

Ученые из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) в 2019 году разработали новый способ замещения атомов углерода на атомы азота в кристаллической решетке суперконденсаторов, который позволяет шестикратно увеличить их емкость, а также увеличить стабильность в циклах зарядки-разрядки [8].

Учеными Калифорнийского университета получен суперконденсатор нового типа, который по удельной энергии в два раза превосходит современные аналоги. В нем используется пористая структура из графена, покрытого частицами рутения. На сегодняшний день это наиболее перспективные суперконденсаторы. Небольшие размеры при большой емкости делают его целесообразной заменой аккумуляторов. Такие суперконденсаторы захотят использовать в своей продукции прежде всего производители переносной электроники и медицинских приборов. В перспективе – внедрение таких суперконденсаторов в производство источников питания как для промышленности, так и для электротраспорта.

В сфере электромобилестроения суперконденсаторы находят следующие применения:

1. Пусковое устройство, работающее паралельно с АКБ.
2. Супрконденсаторы подходят для применение в гибридном транспорте. При небольшой емкости – значительная выходная мощность.
3. Суперконденсаторы также актуальны при использовании в качестве основного источника питания.

Суперконденсаторы обладают множеством преимуществ по сравнению с аккумуляторами в автомобильной промышленности. Они превосходно выдерживают перепады напряжения. Модули характеризуются легкостью, поэтому можно устанавливать их в большом количестве. Согласно заявлениям сотрудников Массачусетского технологического института (MIT) от 2006 года, суперконденсаторы в скором времени заменят аккумуляторы [9].

Проведенные авторами литературные и патентные исследования показали, что фирм производителей суперконденсаторов на мировом рынке недостаточно для эффективного продвижения этих устройств в промышленность и бытовую сферу. Такие показатели связаны с тем, что эти устройства появились не так давно. Хотя цена на суперконденсаторы пока выше, чем литий-ионный и иные аккумуляторы, (что является главным их недостатком), прослеживается тенденция значительного роста спроса на такие устройства в разных сферах производства как электроники, так и электромобилей. На основе анализа рынка суперконденсаторов можно сделать вывод о необходимости создания крупных заводов по их производству на территории Европы, Америки и Азии. 

Авторы статьи:

Федорец С.Г., ведущий конструктор УКРНИИТМ, Днепр, Украина

Федоров С.И., ст.преподаватель кафедры Электротехники, Национальный технический универститет «Днепровская политехника», Днепр, Украина.

Божок И.М., главный инженер, Украинский научно-исследовательский институт машиностроительных технологий, Днепр, Украина

Мазан Н.Н., инженер, Украинский научно-исследовательский институт машиностроительных технологий, г. Днепр, Украина

Литература:

1. H.I. Becker: Low voltage electrolytic capacitor, U.S. Patent 2800616
2. R.A.Rightmire, “Electrical energy storage apparatus”, U.S. Patent 3288641
3. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработка и производство. Ж. Компоненты и технологии, № 6, 2005 г. 
4. Кузнецов В.П. и др. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): новые разработки. Ж. Электрическое питание №2, 2006 г. 
5. Применение суперконденсаторов в автомобилях А.П. Ахмедов к.ф.-м.н., доцент (ТИПСЭАД) С.М. Гиясов, старший преподаватель (ТГТУ). 
6. Радиационная восприимчивость суперконденсаторов и перспективы их космического применения. Космічна наука і технологія. 2013. Т.19.№ 3. С 47-60.
7. Ученые предложили метод создания гибких  суперконденсаторов, способных полностью зарядить смартфон за секунды на Wayback Machine// geektimes.ru
8. Nikolay V. Suetin, Iskander S. Akhatov, Elena V. Zenova, Alexander A. Pavlov, Sergei V. Vavilov. N-Doped Carbon Nano Walls for Power Sources (англ.) //Scientific Reports. – 2019-04-30. – Vol. 9, iss. 1. – P.6716. – ISSN 2045 – 2322. – doi:10.1038/s41598-019-43001-3. Архивировано 17 июня 2022 года.
9. МІТ разработал углеродную «мини-батарейку». Архивировано  16 ноября 2013 года. 

_____________________________________________________

✒️Подписывайтесь на наш Telegram канал «Гранит науки»
✒️Читайте нас на Яндекс Дзен

📩У нас есть страница на Facebook и Вконтакте
📩Журнал «Гранит Науки» в Тeletype
📩Прислать статью unbelievablesci55@gmail.com
📩Написать редактору glavred@un-sci.com