Introdução aos Supercapacitores

Com o desenvolvimento da sociedade e da economia, as pessoas prestam cada vez mais atenção à energia verde e ao ambiente ecológico. Como um novo tipo de dispositivo de armazenamento de energia, os supercapacitores têm atraído cada vez mais atenção devido às suas vantagens insubstituíveis. Os engenheiros começaram a substituir as baterias tradicionais por supercapacitores em alguns projetos que exigem soluções de alta potência e alta eficiência. Defeitos na tecnologia de baterias Novas baterias, como íons de lítio e NiMH, podem fornecer uma solução confiável de armazenamento de energia e têm sido amplamente utilizadas em muitos campos. Como todos sabemos, as baterias químicas armazenam cargas elétricas através de reações eletroquímicas, resultando na transferência de carga de Faraday. Eles têm uma vida útil curta e são muito afetados pela temperatura. Esta é também a dificuldade enfrentada pelos projetistas de baterias (baterias) de chumbo-ácido.

Ao mesmo tempo, a alta corrente pode afetar diretamente a vida útil dessas baterias, portanto, para algumas aplicações que exigem longa vida útil e alta confiabilidade, essas baterias baseadas em reações químicas apresentam várias deficiências. Características e vantagens dos supercapacitores O princípio dos supercapacitores não é uma tecnologia nova. A maioria dos supercapacitores comuns possui uma estrutura elétrica de dupla camada. Comparado com os capacitores eletrolíticos, este supercapacitor tem uma densidade de energia e densidade de potência muito altas. Comparados com capacitores tradicionais e baterias secundárias, os supercapacitores têm maior capacidade de armazenamento de carga do que os capacitores comuns e possuem as características de velocidade rápida de carga e descarga, alta eficiência, sem poluição ao meio ambiente, ciclo de vida longo, ampla faixa de temperatura operacional e alta segurança. . Além de serem capazes de carregar e descarregar rapidamente, outra característica importante dos supercapacitores é a sua baixa impedância. Assim, quando um supercapacitor estiver totalmente descarregado, ele apresentará uma pequena característica de resistência e, se não houver limite, puxará a possível corrente da fonte.

Portanto, um carregador de corrente constante ou de tensão constante deve ser usado. Há 10 anos, os supercapacitores só podiam ser vendidos em quantidades muito pequenas a cada ano e o preço era muito caro, cerca de 1 a 2 dólares americanos/farad. Agora, os supercapacitores têm sido fornecidos ao mercado em grandes quantidades como produtos padrão, e o preço foi bastante reduzido, com média de 0,01. ~$0,02/farad. Nos últimos anos, os supercapacitores começaram a entrar em muitos campos de aplicação, como eletrônicos de consumo, indústria e transporte. A estrutura dos supercapacitores Embora existam muitos fabricantes de supercapacitores no mundo, que podem fornecer muitos tipos de produtos de supercapacitores, a maioria dos produtos é baseada em uma estrutura elétrica semelhante de camada dupla. A estrutura dos supercapacitores é semelhante à dos capacitores eletrolíticos. Muito semelhantes, a principal diferença é o material do eletrodo. Os eletrodos dos primeiros supercapacitores eram feitos de carbono. O material do eletrodo de carbono possui uma grande área superficial e a capacitância depende da distância entre a área superficial e os eletrodos. Pode ser muito grande, a maioria dos supercapacitores pode ter nível farad e a faixa geral de capacitância é de 1 ~ 5000F. Usando Supercapacitores Os supercapacitores têm uma ampla gama de utilizações. Combinados com substâncias de alta densidade energética, como células de combustível, os supercapacitores podem fornecer rápida liberação de energia para atender a altas demandas de energia, permitindo que as células de combustível sejam usadas apenas como fonte de energia. Atualmente, a densidade de energia dos supercapacitores pode chegar a 20kW/kg, o que começou a conquistar esta parte do mercado entre os capacitores e baterias tradicionais.

Nas aplicações que exigem alta confiabilidade, mas baixos requisitos de energia, supercapacitores podem ser usados ​​para substituir baterias, ou supercapacitores e baterias podem ser combinados para aplicações com altos requisitos de energia, de modo que tamanhos menores possam ser usados. , baterias mais econômicas. Os supercapacitores têm valores ESR muito baixos, permitindo-lhes fornecer grandes correntes e absorver grandes correntes rapidamente. Comparado com o princípio de carregamento químico, o princípio de funcionamento dos supercapacitores torna o desempenho deste produto mais estável e, portanto, a vida útil dos supercapacitores é mais longa. Os supercapacitores são uma fonte de energia ideal para dispositivos que requerem carregamento rápido, como ferramentas elétricas e brinquedos. Alguns produtos são adequados para um sistema híbrido de bateria/supercapacitor. O uso de supercapacitores pode evitar o uso de baterias volumosas para obter mais energia. Um exemplo são as câmeras digitais em produtos eletrônicos de consumo, onde o uso de supercapacitores permite que as câmeras digitais usem baterias alcalinas baratas (em vez de baterias caras de íons de lítio). A faixa de tensão nominal das células supercapacitores (células) é de 2,5 a 2,7 V, portanto, muitas aplicações requerem o uso de múltiplas células supercapacitores. Ao conectar essas células em série, o engenheiro de projeto precisa considerar o equilíbrio e a carga entre as células. Qualquer supercapacitor descarregará através da resistência paralela interna quando for energizado. Essa corrente de descarga é chamada de corrente de fuga, que afetará a autodescarga da unidade supercapacitora.

Semelhante a algumas tecnologias de bateria secundária, as tensões dos supercapacitores precisam ser equilibradas quando usados ​​em série porque há corrente de fuga e o tamanho da resistência de derivação interna determinará a distribuição de tensão entre as células do supercapacitor conectadas em série. Quando a tensão no supercapacitor se estabiliza, a tensão em cada unidade mudará com a corrente de fuga, não com o valor da capacitância. Quanto maior for a corrente de fuga, menor será a tensão nominal, pelo contrário, quanto menor for a corrente de fuga, maior será a tensão nominal. Isso ocorre porque a corrente de fuga faz com que a célula do supercapacitor se descarregue, diminuindo a tensão, o que por sua vez afeta as tensões de outras células em série com ela (assumindo que essas células em série sejam alimentadas pela mesma tensão constante). Para compensar a variação da corrente de fuga, um método comum é conectar um resistor em paralelo próximo a cada unidade para controlar a corrente de fuga de toda a unidade. Este método reduz efetivamente a variação da resistência paralela correspondente entre as unidades.

Outro método recomendado é o balanceamento ativo de células, no qual cada célula é ativamente monitorada e balanceada entre si quando há uma mudança de tensão. Esta abordagem reduz qualquer carga extra na unidade, tornando o trabalho mais eficiente. Se a tensão exceder a tensão nominal da unidade, a vida útil da unidade será reduzida. Para supercapacitores de alta confiabilidade, como manter a tensão dentro da faixa exigida é um ponto chave, e a tensão de carga deve ser controlada para garantir que não exceda a tensão nominal de cada célula.