Ультраконденсаторы от LS Mtron

Ультраконденсатор (Ultracapacitor) – элемент питания, сочетающий свойства традиционных аккумуляторов и обыкновенных конденсаторов. Ультраконденсаторы имеют емкость, приближающуюся к емкости химических аккумуляторов, скорость и мощность заряда и разряда на уровне электролитических конденсаторов. Популярность этих элементов в последнее время значительно возросла, в том числе благодаря снижению их стоимости. Это, в свою очередь, стало следствием прихода на рынок крупных производителей. Одним из таких производителей стала компания LS Mtron, которая была создана на базе одного из подразделений LG Electronics. LS Mtron выпускает широкий спектр ультраконденсаторов – от одиночных цилиндрических и призматических до модульных.

Традиционные химические аккумуляторы имеют целый ряд преимуществ: большую емкость, низкие токи утечек, малые габариты. Однако есть у них и недостатки: длительный цикл заряда, относительно невысокая нагрузочная способность, ограниченное число циклов заряда-разряда. В то же время обычные электролитические конденсаторы отличаются гораздо большим числом циклов заряда-разряда и высокой пиковой отдаваемой мощностью. Естественно, инженерам хотелось бы иметь такой элемент питания, который сочетал бы достоинства аккумуляторов и конденсаторов.

Стоит отметить, что идея создания подобных элементов питания не так уж нова. Начало было положено в 1957 году компанией General Electric, которая создала и запатентовала первый электрохимический конденсатор с двойным электрическим слоем. Далее последовали подобные разработки других фирм. В Советском Союзе выпускались аналогичные элементы – ионисторы КИ1-1.

Здесь необходимо сделать одно замечание. Часто, с целью обеспечения патентной чистоты, для новых элементов придумывали новые названия. По сути, двухслойный электрохимический конденсатор, ультраконденсатор, суперконденсатор и ионистр – это одно и то же.

Структура ультраконденсатора похожа на устройство электролитического алюминиевого конденсатора (Рис. 1). Внешние выводы ультраконденсатора погружены в жидкий электролит, а на их поверхности сформирован слой пористого углеродного покрытия. Для того чтобы электроды не замыкались, между ними расположен проницаемый для электролита сепаратор.

Рис. 1. Структура ультраконденсатора.

При приложении внешнего напряжения электролит поляризуется, и его свободные ионы перемещаются в сторону противоположно заряженных электродов. При этом, достигая поверхности электрода, ионы не проникают в него из-за электро-химических особенностей углеродного покрытия. В результате образуется два электронных слоя, которые и являются источником запасаемой энергии.

Ключевой особенностью ультраконденсаторов является уникальное углеродное покрытие. Во-первых, оно обеспечивает минимальное расстояние между ионами электролита и ионами электродов. В современных элементах оно составляет единицы нанометров. Во-вторых, углеродное покрытие имеет чрезвычайно развитую пористую структуру с размерами пор менее 1 нанометра!

Если вспомнить школьный курс физики и формулу для расчета емкости С = (ε × ε₀ × S) / d, то становится понятным, что благодаря большой площади и малому расстоянию между ионами, емкость ультраконденсаторов должна достигать фантастических значений. И это действительно так! Например, емкость 3000 Ф уже является типовым значением, которое приближается к емкости аккумуляторов.

Таким образом, ультраконденсаторы занимают промежуточное положение между электролитами и традиционными аккумуляторами (Рис. 2).

Рис. 2. Сравнение характеристик различных питающих элементов.

Еще одно достоинство ультраконденсаторов заключается в скорости и предсказуемости их циклов заряда и разряда (Рис. 3). Как известно, обычные химические аккумуляторы имеют длительный цикл заряда, который к тому же является нелинейным. По этой причине качественные зарядные устройства необходимо оснащать интеллектуальными функциями, чтобы соблюдать правильную траекторию заряда. Для ультраконденсаторов все значительно проще. С одной стороны они отличаются увеличенной скоростью заряда, а с другой стороны, сама зарядная характеристика имеет линейный вид.

Рис. 3. Особенности циклов заряда и разряда аккумулятора и ультраконденсатора.

Скорость разряда для ультраконденсаторов составляет от единиц до десятков секунд, а заряда – всего от единиц секунд до нескольких минут. К сравнению, для химических аккумуляторов цикл разряда хотя и достигает нескольких часов, но после этого требуется столь же длительный процесс заряда.

Важнейшим достоинством ультраконденсаторов является их длительный срок службы, который достигает полумиллиона циклов заряда-разряда. Это достигается за счет того, что принцип их работы имеет практически исключительно физическую составляющую и связан с переносом зарядов. При этом не происходит быстрой деградации материалов структуры. В противоположность этому аккумуляторы, использующие химические реакции в процессе заряда и разряда, вполне очевидно подвержены неизбежной деградации материалов. Это приводит к ухудшению электрических свойств и ограничению срока службы.

Стоит сказать, что емкость ультраконденсаторов в документации, как правило, приводится в фарадах, а емкость аккумуляторов в ампер∙часах. Этот факт иногда вводит потребителей в недоумение. Чтобы перевести емкость ультраконденсатора в более привычные единицы следует воспользоваться двумя формулами.

Для начала рассчитывается энергия в джоулях:

E(Дж) = ½ × С (Ф) × U2 (В).

Далее можно определить емкость в Ватт-часах:

E(Вт∙ч) = E(Дж) / 3600 (с).

Говоря о свойствах ультраконденсаторов от LS Mtron, стоит отметить их достоинства:

• Рабочее напряжение одиночных элементов до 2.85 В;
• Высокая емкость одиночных элементов: до 3400 Ф;
• Значительный ресурс циклов заряда-разряда: до 1 миллиона;
• Широкий диапазон рабочих температур: –40…65 °C;
• Наличие в портфолио компании одиночных цилиндрических и призматических, а также модульных ультраконденсаторов.

В настоящее время номенклатура ультраконденсаторов от LS Mtron достаточно разнообразна (Рис. 4):

• Одиночные цилиндрические и призматические ультраконденсаторы с рабочим напряжением 2.8 В и емкостью от 100 до 3000 Ф;
• Одиночные цилиндрические ультраконденсаторы с рабочим напряжением 2.7 В и емкостью от 650 до 3000 Ф;
• Одиночные цилиндрические ультраконденсаторы с рабочим напряжением 2.85 В и емкостью от 650 до 3400 Ф;
• LSUM 016R2C 0500F EA – модульный ультраконденсатор с напряжением 16.2 В и емкостью 500 Ф;
• LSUM 129R6C 0062F EA – модульный ультраконденсатор с напряжением 129.6 В и емкостью 62 Ф;
• LSUM 048R6C 0166F EA DC00 – модульный ультраконденсатор с напряжением 48.6 В и емкостью 166 Ф;
• LSUM 016R8L 0058F EA – модульный ультраконденсатор с напряжением 16.8 В и емкостью 58 Ф;
• LSUM 086R4C 0093F EA – модульный ультраконденсатор с напряжением 86.4 В и емкостью 93 Ф.

Рис. 4. Внешний вид ультраконденсаторов и ультраконденсаторных модулей.

Областями применения ультраконденсаторов являются: автомобили с гибридными силовыми установками, системы резервного питания зданий, троллейбусы, системы рекуперации энергии (в железнодорожном и автомобильном транспорте, строительной технике и т.д.), вспомогательное питание электропогрузчиков, питание автономных систем сбора информации с альтернативным источником энергии и многие другие.

О компании

LS Mtron выделилась из состава компании LG в 2008 году для продвижения специализированных продуктов: ультраконденсаторов, разъемов, антенн, материалов печатных плат. Сейчас LSMtron входит в группу компаний LS. Численность сотрудников фирмы составляет 4100 человек, а денежный оборот превышает 1.7 миллиардов долларов.

Посмотреть подробные характеристики модульных ультраконденсаторов LS Mtron