Introducción a los supercondensadores

Con el desarrollo de la sociedad y la economía, la gente presta cada vez más atención a la energía verde y al medio ambiente ecológico. Como nuevo tipo de dispositivo de almacenamiento de energía, los supercondensadores han atraído cada vez más atención debido a sus ventajas irremplazables. Los ingenieros han comenzado a reemplazar las baterías tradicionales con supercondensadores en algunos diseños que requieren soluciones de alta potencia y alta eficiencia. Defectos en la tecnología de las baterías Las nuevas baterías, como las de iones de litio y NiMH, pueden proporcionar una solución fiable de almacenamiento de energía y se han utilizado ampliamente en muchos campos. Como todos sabemos, las baterías químicas almacenan cargas eléctricas mediante reacciones electroquímicas, lo que da como resultado la transferencia de carga de Faraday. Tienen una vida útil corta y se ven muy afectados por la temperatura. Ésta es también la dificultad que enfrentan los diseñadores de baterías de plomo-ácido (baterías).

Al mismo tiempo, la alta corriente puede afectar directamente la vida útil de estas baterías, por lo que para algunas aplicaciones que requieren una larga vida útil y alta confiabilidad, estas baterías basadas en reacciones químicas muestran varias deficiencias. Características y ventajas de los supercondensadores El principio de los supercondensadores no es una tecnología nueva. La mayoría de los supercondensadores comunes tienen una estructura eléctrica de doble capa. En comparación con los condensadores electrolíticos, este supercondensador tiene una densidad de energía y una densidad de potencia muy altas. En comparación con los condensadores tradicionales y las baterías secundarias, los supercondensadores tienen una mayor capacidad de almacenamiento de carga que los condensadores ordinarios y tienen las características de velocidad de carga y descarga rápida, alta eficiencia, no contaminan el medio ambiente, ciclo de vida prolongado, amplio rango de temperatura de funcionamiento y alta seguridad. . Además de poder cargarse y descargarse rápidamente, otra característica clave de los supercondensadores es su baja impedancia. Entonces, cuando un supercondensador está completamente descargado, exhibirá una característica de resistencia pequeña y, si no hay límite, extraerá la posible fuente de corriente.

Por lo tanto, se debe utilizar un cargador de corriente constante o voltaje constante. Hace 10 años, los supercondensadores sólo se podían vender en cantidades muy pequeñas cada año, y el precio era muy caro, alrededor de 1 a 2 dólares estadounidenses por faradio. Ahora, los supercondensadores se han suministrado al mercado en grandes cantidades como productos estándar y el precio se ha reducido considerablemente, con un promedio de 0,01. ~$0,02/faradio. En los últimos años, los supercondensadores han comenzado a entrar en muchos campos de aplicación, como la electrónica de consumo, la industria y el transporte. La estructura de los supercondensadores Aunque hay muchos fabricantes de supercondensadores en el mundo que pueden proporcionar muchos tipos de productos de supercondensadores, la mayoría de los productos se basan en una estructura eléctrica similar de doble capa. La estructura de los supercondensadores es similar a la de los condensadores electrolíticos. Muy similares, su principal diferencia es el material del electrodo. Los electrodos de los primeros supercondensadores estaban hechos de carbono. El material del electrodo de carbono tiene una gran superficie y la capacitancia depende de la distancia entre el área de la superficie y los electrodos. Puede ser muy grande, la mayoría de los supercondensadores pueden tener un nivel de faradio y el rango de capacitancia general es de 1 ~ 5000F. Uso de supercondensadores Los supercondensadores tienen una amplia gama de usos. Combinados con sustancias de alta densidad energética, como las pilas de combustible, los supercondensadores pueden proporcionar una rápida liberación de energía para satisfacer las altas demandas de energía, permitiendo que las pilas de combustible se utilicen únicamente como fuente de energía. En la actualidad, la densidad de energía de los supercondensadores puede llegar a 20 kW/kg, lo que ha comenzado a apoderarse de esta parte del mercado entre los condensadores y las baterías tradicionales.

En aquellas aplicaciones que requieren alta confiabilidad pero bajos requisitos de energía, se pueden usar supercondensadores para reemplazar las baterías, o se pueden combinar supercondensadores y baterías para aplicaciones con altos requisitos de energía, de modo que se pueda usar un tamaño más pequeño. Baterías más económicas. Los supercondensadores tienen valores de ESR muy bajos, lo que les permite generar grandes corrientes y absorberlas rápidamente. En comparación con el principio de carga química, el principio de funcionamiento de los supercondensadores hace que el rendimiento de este producto sea más estable y, por lo tanto, la vida útil de los supercondensadores es más larga. Los supercondensadores son una fuente de energía ideal para dispositivos que requieren una carga rápida, como herramientas eléctricas y juguetes. Algunos productos son adecuados para un sistema híbrido de batería/supercondensador. El uso de supercondensadores puede evitar el uso de baterías voluminosas para obtener más energía. Un ejemplo son las cámaras digitales en la electrónica de consumo, donde el uso de supercondensadores permite que las cámaras digitales utilicen baterías alcalinas baratas (en lugar de costosas baterías de iones de litio). El rango de voltaje nominal de las celdas (celdas) de supercondensador es de 2,5 a 2,7 V, por lo que muchas aplicaciones requieren el uso de múltiples celdas de supercondensador. Al conectar estas celdas en serie, el ingeniero de diseño debe considerar el equilibrio y la carga entre las celdas. Cualquier supercondensador se descargará a través de la resistencia paralela interna cuando esté energizado. Esta corriente de descarga se denomina corriente de fuga y afectará la autodescarga de la unidad del supercondensador.

De manera similar a algunas tecnologías de baterías secundarias, los voltajes de los supercondensadores deben equilibrarse cuando se usan en serie porque hay una fuga de corriente y el tamaño de la resistencia de derivación interna determinará la distribución de voltaje a través de las celdas de supercondensadores conectadas en serie. Cuando el voltaje en el supercondensador se estabiliza, el voltaje en cada unidad cambiará con la corriente de fuga, no con el valor de capacitancia. Cuanto mayor sea la corriente de fuga, menor será la tensión nominal; por el contrario, cuanto menor sea la corriente de fuga, mayor será la tensión nominal. Esto se debe a que la corriente de fuga hace que la celda del supercondensador se descargue, lo que reduce el voltaje, lo que a su vez afecta los voltajes de otras celdas en serie con ella (suponiendo que estas celdas en serie estén alimentadas por el mismo voltaje constante). Para compensar la variación de la corriente de fuga, un método común es conectar una resistencia en paralelo al lado de cada unidad para controlar la corriente de fuga de toda la unidad. Este método reduce efectivamente la variación de la resistencia paralela correspondiente entre las unidades.

Otro método recomendado es el equilibrio activo de celdas, en el que cada celda se monitorea y equilibra activamente entre sí cuando hay un cambio de voltaje. Este enfoque reduce cualquier carga adicional en la unidad, lo que hace que el trabajo sea más eficiente. Si el voltaje excede el voltaje nominal de la unidad, la vida útil de la unidad se acortará. Para los supercondensadores de alta confiabilidad, cómo mantener el voltaje dentro del rango requerido es un punto clave, y el voltaje de carga debe controlarse para garantizar que no exceda el voltaje nominal de cada celda.