Существует целый ряд областей, в которых электронным устройствам в буквальном смысле приходится выживать, работая в жесточайших условиях окружающей среды. Сверхвысокие или сверхнизкие температуры, мощные ударные и вибрационные нагрузки, воздействие агрессивных сред – обыденные условия для космических, авиационных, автомобильных приложений. Все это напрямую касается элементов питания и, в частности, суперконденсаторов. Долгое время на рынке присутствовали суперконденсаторы с узким рабочим диапазоном температур. Относительно недавно компания FastCAP предложила серийные образцы, которые работают при температурах до 150 °С и выше.
 |
|
| Рис. 1. | Суперконденсаторы от FastCAP. |
Ультраконденсаторы – элементы питания, занимающие промежуточное положение между традиционными аккумуляторами и обыкновенными конденсаторами.
Если провести качественное сравнение различных элементов, используемых для накопления энергии, то окажется, что традиционные химические аккумуляторы отличаются рекордной емкостью и низкими токами утечки (Рис. 2). Вместе с тем, есть у них и недостатки: длительный цикл заряда, относительно невысокая нагрузочная способность, ограниченное число циклов заряда-разряда. Обычные электролитические конденсаторы характеризуются большим числом циклов заряда-разряда и высокой пиковой отдаваемой мощностью. Ультраконденсаторы по своим характеристикам занимают промежуточное положение между электролитами и традиционными аккумуляторами.
 |
|
| Рис. 2. | Сравнение характеристик различных питающих элементов. |
Важно отметить и особенности зарядных и разрядных кривых элементов питания. Обычные химические аккумуляторы имеют длительный и нелинейный цикл заряда/ разряда, а значит, их 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.
Устройство ультраконденсаторов похоже на устройство электролитических алюминиевых конденсаторов (Рис. 3). 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. 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 электрохимических особенностей углеродного покрытия. В результате образуется два электронных слоя, которые и являются источником запасаемой энергии.
 |
|
| Рис. 3. | Структура суперконденсаторов FastCAP. |
Первые ультраконденсаторы были созданы и запатентованы в 1957 году компанией General Electric. Далее последовали подобные разработки других фирм. При этом с целью обеспечения патентной чистоты для новых элементов придумывали новые названия. По сути, двухслойный электрохимический конденсатор, ультраконденсатор, суперконденсатор и ионистор – это одно и то же. В Советском Союзе выпускались ионисторы КИ1-1.
До недавнего времени на рынке присутствовали суперконденсаторы с небольшим диапазоном рабочих температур (до 75 °C), предназначенные для работы в относительно «тепличных» условиях. Однако в ряде отраслей требовались элементы, способные работать в более жестком окружении. Речь идет в первую очередь об авиационной, космической и нефтегазовой сферах. Для космических приборов необходимо было обеспечить работоспособность при сверхнизких температурах, а в газовой отрасли при высоких. Первой решить проблемы с рабочими температурами удалось компании FastCAP.
Уже в 2012 году в лабораторных условиях были получены образцы, сохраняющие работоспособность при температурах до 100 °C, 125 °C и 150 °C. В 2012 году, после получения гранта от американского правительства, были созданы серийные образцы с рабочими диапазонами 250 °C. В 2014 году при финансовой поддержке НАСА рабочие пределы удалось расширить до 350 °C.
Ключевой особенностью ультраконденсаторов FastCAP является уникальное углеродное покрытие (Рис. 4). Оно представляет собой вертикальную структуру из нанотрубок высотой 300 мкм. С одной стороны, это далеко от коммерческих аналогов, для которых толщина слоя составляет единицы нанометров. А с другой стороны, вертикальное выравнивание позволяет получать структуру, устойчивую как к механическим воздействиям, так и к температуре. В итоге образцы FastCAP значительно уступают коммерческим суперконденсаторам по удельной емкости, но также значительно превосходят их по живучести.
 |
|
| Рис. 4. | Увеличенное изображение структуры электродов. |
Еще одной особенностью ультраконденсаторов FastCAP является запатентованная формула электролита. Она позволяет значительно увеличить срок эксплуатации и достичь высокой температурной устойчивости.
Яркую видеодемонстрацию сверхживучести ультраконденсаторов FastCAP можно посмотреть на заглавной странице сайта компании https://www.fastcapsystems.com/. В ней продукция компании подвергается всем перечисленным и даже более жестким воздействиям.
Если говорить о серийных суперконденсаторах FastCAP, то они отличаются следующими преимуществами:
- работа с широким диапазоном температур –40…150 °C;
- устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам 500G (пиковое) и 20G среднеквадратичное;
- герметичное исполнение и возможность работы в вакууме и агрессивных средах;
- значительный срок службы с числом циклов заряда-разряда до 1,000,000;
- срок службы в экстремальных граничных условиях (максимальная температура и номинальное напряжение) составляет 1,500 часов.
В качестве подтверждения вышесказанного стоит привести пример температурной зависимости величины емкости и внутреннего сопротивления для ультраконденсаторов серии EE (Рис. 5). Стремительное изменение характеристик для них начинается только после –10 °C. При –20 °C емкость снижается на 60%, что, конечно же, достаточно много, однако работоспособность элемента сохраняется.
 |
|
| Рис. 5. | Температурная зависимость емкости и сопротивления суперконденсаторов серии EE. |
Исследование временнóй стабильности характеристик суперконденсаторов показало отличные результаты. Относительное изменение параметров оказывается незначительным даже при предельных температурах окружающей среды. Например, тестирование в лабораторных условиях при температуре +200 °С продемонстрировало изменение емкости и сопротивления лишь на 25% за 4000 часов.
 |
|
| Рис. 6. | Временная зависимость емкости и сопротивления суперконденсаторов серии EE. |
В настоящий момент FastCAP выпускает несколько серий суперконденсаторов.
Серия EE (Рис. 7а) объединяет представителей с максимальной рабочей температурой 100/125/150 °C, номинальной емкостью 35 и 350 Ф, номинальным напряжением 1/1.5/2 В.
Серия EX (Рис. 7б) разработана для работы с рабочими температурами –40…125 °C в составе приложений, требующих высокой мощности. Они могут использоваться и в космической технике.
Сборки Ultracapacitor Modules (Рис. 7в) разрабатываются под требования конкретного заказчика, с учетом уровня номинального напряжения, емкости и т. д.
Ультраконденсаторы со встроенным радиатором Heat Sink Ultracapacitor (Рис. 7г) – особый вид ультраконденсаторов от FastCAP. Их главной отличительной чертой является интеграция в одном компоненте теплостока и самого суперконденсатора. Дополнительный отвод тепла позволяет еще больше продлить срок службы таких элементов питания.
 |
|
| Рис. 7. | Внешний вид различных серий суперконденсаторов от FastCAP. |
В качестве заключения хотелось бы еще раз отметить, что описанные в статье суперконденсаторы уступают существующим на рынке моделям по емкости, но превосходят их по живучести. Именно это качество делает их весьма перспективными для космической, авиационной и нефтегазовой отраслей.
Характеристики ультраконденсаторов EE100-350:
- номинальное напряжение: 2 В;
- номинальная емкость при 25 °С: 360 Ф;
- начальное собственное сопротивление: 7.4 мОм;
- ток утечки при 25 °С: 0.6 мА;
- срок службы: 1500 часов;
- срок хранения: более 10 лет;
- число циклов перезаряда: более 20,000;
- стойкость к ударным и вибрационным нагрузкам: 500G (пиковое) и 20G среднеквадратичное;
- диапазон рабочих температур: –40…100 °C;
- габаритные размеры: 31.75 × 70 мм.
О компаниии
FastCAP – компания, специализирующаяся на разработке и производстве ультраконденсаторов для экстремальных условий. Первый в мире производитель ультраконденсаторов с диапазонами рабочих температур –110…80 °C и –5…300 °C для космических и авиационных приложений.
Посмотреть более подробно технические характеристики ультраконденсаторов компании FastCAP
