süper kapasitör

Bir süperkondansatör a, kondansatör ve özellikle tekniğin mümkün bir elde edilmesine olanak sağlayan güç yoğunluğu ve bir enerji yoğunluğu arasındaki ara piller ve elektrolitik kapasitörler .

Seri-paralel bağlı birkaç hücreden oluşurlar, yüksek bir çıkış voltajı ve akımına izin verirler (birkaç kW / kg mertebesinde güç yoğunluğu ) ve aşağıda belirtilen iki depolama modu arasında bir miktar enerji depolarlar. bir miktar Wh / kg) ve bir pilden daha hızlı geri yükleyebilir. Bu nedenle genellikle pillere veya bir yakıt hücresine ek olarak ek bir enerji depolama elemanı olarak kullanılırlar . Çok düşük sıcaklıklarda etkili olma avantajına sahiptirler.

Bir süper kapasitör esas olarak akım toplayıcılardan (genellikle alüminyum), genellikle organik veya sulu elektrolit emdirilmiş aktif karbondan yapılmış elektrotlardan (bir anot ve bir katot) ve iki elektrotu birbirinden izole eden bir ayırıcıdan oluşur .

Çalışma prensibi

Satılan süper kapasitörlerin çoğu, elektrokimyasal çift katmanlı işlem kullanılarak üretilir , dolayısıyla EDLC ( elektrokimyasal çift katmanlı kapasitör ) kısaltmasıdır .

Süper kapasitör , genellikle aktif karbondan yapılmış ve elektrolit ile emprenye edilmiş , yalıtkan ve gözenekli bir zarla ayrılmış (iyonik iletimi sağlamak için) iki gözenekli elektrottan oluşur . Elektrikli çift katman, her elektrot-elektrolit arayüzü üzerinde gelişir, böylece bir süperkapasitör şematik olarak , biri pozitif elektrotta, diğeri elektrotta negatif olan seri bağlı iki kapasitörün birleşimi olarak görülebilir . Çok daha az hidratlı olan anyonların hareketliliği , katyonlarınkinden daha fazladır . Aktif karbonun yapısında daha kolay hareket ederler ve daha ince bir tabaka oluştururlar, böylece katoda göre daha yüksek bir anot kapasitans değeri gözlenir . Kondansatörlerin birleşme yasaları nedeniyle, seri montajın kapasitansı her zaman bu iki kondansatörün düşük olanından daha düşüktür. Bu nedenle süper kapasitör polarizedir, her elektrot ya anyonlar ya da katyonlar için optimize edilmiştir.

Bir kapasitörün kapasitansının esas olarak armatürlerin geometrisi (spesifik yüzey alanı S ve mesafe e ) ve yalıtkan(lar ) ın ( dielektrik ) doğası tarafından belirlendiğini biliyoruz . Değerini tahmin etmek için genellikle aşağıdaki formül kullanılır:

Burada, organik çözücü molekülleri dielektrik ( geçirgenlik ε) rolünü oynar . Küçük kalınlıkta Bu tekabül e (a göre daha az yalıtım nanometre bu bileşenlerin, birim alan başına kapasite yüksek olduğu anlamına gelir,): 0.1 ila 0.3  , F / m 2 .

Öte yandan, sahip olan bir alüminyum film ile aktif karbon bir yatırma kullanımı sayesinde , tipik spesifik yüzeyleri S 3000, 2000  m 2 gramı başına, elektrot ve elektrolit arasındaki temas yüzeyi mümkün kılan, çok yüksektir çok yüksek kapasitans değerleri elde edin.

Voltaj direnci, organik çözücünün bozunmasıyla sınırlıdır. Şu anda 2.7 V aralığında  .

Güç yoğunluğu, enerji yoğunluğu

Hücre başına maksimum voltaj şu anda yaklaşık 2,7  V'dir . Bu tip kapasitör polarizedir. İç direnç çok düşüktür, bu da güçlü akımlarla şarj veya deşarja izin verir; buna göre, şarj süresi birkaç saniye olabilir.

Performans karşılaştırması (büyüklük sıraları)
  yakıt
hücresi 		Davul
süper kapasitör
elektrolitik kapasitör
Güç yoğunluğu (W / kg) 120 150 1.000 - 5.000 100.000
Enerji yoğunluğu (Wh / kg) 150 - 1.500 50 - 1.500 4 - 6 0.1

Enerji yoğunlukları ile ilgili olarak ticari süperkapasitörler için 0,5 ile 10 Wh/kg arasındadır  . Amerikan MIT Üniversitesi, 30 Wh/kg'a ulaşan bir değer elde etti  , Japon firmaları Advanced Capacitor Technologies ve JEOL, 20 Wh/kg enerji yoğunluğuna sahip bir süper kapasitör geliştirdiklerini duyurdular  .

Özgül güç / özgül enerji oranı açısından volanlarla karşılaştırılabilirler .

Pazarlama

Süper kapasitörler farklı isimler altında ve farklı ticari isimler altında pazarlanmaktadır:

Uygulamalar

Bazı uygulamalar şunlardır elektrikli otomobil (arasında bir enerji tamponu olarak değişken hızlı bir sürücü ve pil , ancak aynı zamanda her durumda aynı zamanda pilin ömrünü uzatabilir), elektrik enerjisi depolama iklim koşullarına sahip. Aşırı (örneğin başlatıcı bölgesinin lokomotif yönünü kontrol bıçaklar arasında rüzgar türbinleri ).

Süper kapasitörler, frenleme enerjisini geri kazanmak için giderek daha fazla kullanılmaktadır ( KERS sistemi ). Bazı otomobiller , yakıttan tasarruf etmek için motorun otomatik olarak yeniden çalıştırılmasına izin veren Stop & Start sistemlerine güç sağlamak için bunları kullanır .

Dayanıklılık araba yarışlarında , Japon Toyota, frenleme sırasında enerjiyi geri kazanmak için 2012'den beri süper kapasitörler kullanıyor. Süper kapasitör şarj edildikten sonra sürücü, hibrit otomobilin elektrik motoruna güç sağlayacak süper kapasitör gücünü kullanarak otomobilini güçlendirebilir. Küçük bir seri üretimin parçası olarak,eylül 2019, Lamborghini sunulan Sian modeli türetilmiş Aventador . Klasik 785 beygir gücündeki V12 termik motora ek olarak, 34 beygir gücünde küçük bir elektrik motoru ile donatılmıştır . Bu motor, aracı düşük hızda hareket ettirir ve yalnızca elektrikli olan ters tahrik sağlar. Lityum iyon pillerle değil, frenleme sırasında geri kazanılan kinetik enerjiyle çalışan bir süper kapasitör tarafından çalıştırılır. Bir lityum iyon pilden üç kat daha hafif olan süper kapasitör, daha hızlı şarj ve deşarj olabilir. Süper kapasitör-motor grubunun ek ağırlığı 34  kg'dır . Sadece hız alıcıları geliştirildi. Son yıllarda büyük ölçüde düşen maliyet yüksek kalmaya devam ediyor, ancak model sadece altmış üç kopya üretilecek, hepsi zaten satılan Aventador için standart olarak 320 ila 420.000 Euro'ya karşı vergiler hariç iki milyon Euro'dan fazla bir fiyata rağmen .

Süper kapasitörler, sık sık duran ve frenleme enerjisini geri kazanmak için büyük süper kapasitörlerle donatılabilen otobüsler için özellikle ilgi çekicidir . Fransa'daMart 2013, Özerk Paris Ulaşım Otoritesi (RATP)% 30 yakıt tasarruf onbeş dizel / süperkapasitörü hibrid otobüs, sipariş etti. Çin'de 2009'dan beri %100 elektrikli süper kapasitörlü otobüsler çalışıyor. Her otobüs durağında bir pantograf kullanılarak (tramvayda olduğu gibi) şarj ediliyorlar. Otobüsü %50'ye şarj etmek için otuz saniye yeterli ve %100'e şarj etmek 80 saniye sürüyor. İçindeŞubat 2013Şanghay toplu taşıma departmanı, kendisini hem pil hem de süper kapasitörlerle donatılmış 200 elektrikli otobüsle donatmaya karar verdi.

Maliyetler ve kullanım ömrü

Seri üretim ile, onların maliyeti 2700 için örneğin bırakarak, hızla düştü farad kapasitör  dan, $ 270  (yani bir fiyat neredeyse dört yıl içinde on bölü) 2004 yılında 27 $ 2000 yılında.

Kullanım ömürleri de (üreticilere göre yaklaşık on yıl) pillerden daha uzundur.

Araştırma

Fransa'da "Enerjinin Elektrokimyasal Depolanması Üzerine Fransız Ağı" (RS2E) dahil olmak üzere, pek çok araştırma bu konuya odaklanmıştır .

Araştırma özellikle şunlara odaklanmaktadır:

Notlar ve referanslar

Notlar

  1. Şu anda Maxwell Technologies tarafından tutulan rekor .

Referanslar

  1. Süper kapasitörler cnrs.fr sitesinde dev bir adım atıyor
  2. Gualous H, Gallay R & Berthon A (2004) Yerleşik enerji depolama için süper kapasitörlerin kullanımı: taşıma uygulamaları . Elektrik ve Elektronik İnceleme, (8), 83-90.
  3. (in) İletken alt tabakaya transfer , armee-du-futur.com sitesi
  4. Nawa Technologies devrim niteliğindeki karbon pillerini sanayileştirecek , Les Échos , 23 Ekim 2017.
  5. Bogdan Vulturescu ve Christophe Forgez, “Süper kapasitörlerle ilişkili kurşun-asit pillerin kullanım ömrü üzerine deneysel sonuçlar”, Elektrik Mühendisliği Sempozyumu 2014, Cachan, Fransa, [ çevrimiçi oku ] [PDF] .
  6. "  Yarış arabalarını güçlendirmek ve frenleme enerjisini geri kazanmak için süper kapasitör  " , Supercapensateur.com,6 Haziran 2012.
  7. "  Süper kapasitör otobüsü: hibrit otobüs Paris'e geliyor  " , Supercondensateur.com,21 Mart 2013.
  8. "  Çin'de kabul edilen süper kapasitör elektrikli otobüs  " , Supercapacitor.com,23 Mart 2013.
  9. (in) P. Kreczanik P. Venet , A. Hijazi ve G. Clerc , "  Çalışma Yaşlanma ve Ömür Boyu Tahmin süper kapasitör Selon Gerilim, Sıcaklık ve Akım RMS  " , Endüstriyel Elektronikte IEEE İşlemleri , IEEE , cilt.  61, n o  9,eylül 2014, s.  4895–4902 ( ISSN  0278-0046 , DOI  10.1109 / TIE.2013.2293695 , çevrimiçi sunum ).
  10. Simon, P. (2015, Mayıs). Elektrokimyasal enerji depolama: ilkeler, uygulamalar ve gelecekteki zorluklar. Annales des Mines-Sorumluluk ve çevre içinde (No. 2, s. 67-72). FFE ( özet )
  11. Pastre, A., Raulin, K., Boé, A., Rolland, N., Cristini, O., & Bernard, R. (2014). Mikro süper kapasitörler için altın filmlerde gözeneklilik kontrolü . 17 e Gün Doktora Ağı Ulusal Mikro-Nano-elektronik, JNRDM 2014 (s. 3 sayfa)
  12. Vialat P (2014) Kobaltlı Çift Katmanlı Hidroksitlerin bileşimi, yapısı ve elektrokimyasal davranışı: elektrot malzemeleri olarak uygulamalara yönelik  ; Mühendislik / malzeme mekaniği enerji ortamı süreçleri üretimi (Grenoble) doktora tezi, Clermont-Ferrand 2 Üniversitesi'nde savundu.
  13. Dabonot, A. (2014). Süper kapasitörler için yeni malzemeler: geliştirme ve karakterizasyon  ; Yeni enerji teknolojileri ve nanomalzemeler için İnovasyon laboratuvarı (Grenoble) (laboratuvar) ile ortaklaşa yapılan mühendislik - malzeme mekaniği enerji çevre süreçleri üretimi (Grenoble) doktora tezi , 09-29-2014 tarihinde Grenoble'da savundu ( özet )
  14. "  Yeni pil teknoloji saniyede gün, ücretleri sürer  " üzerine, Engadget (erişilen 2017 Temmuz 25, )
  15. DINH, TM (2014). { https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01150481/document Silikon üzerinde entegre mikro süper kapasitörlerin üretimi için teknolojik kanalların geliştirilmesi] (Doktora tezi, University Toulouse III Paul Sabatier)

Şuna da bakın:

İlgili Makaleler

bibliyografya