Er det et batteri, er det en kondensator? – Nei, det er en superkondensator

Med sine egenskaper, inkludert høy livssyklus, hurtigladning og utladningstid, kan småcelle-superkondensatorer erstatte knappecellebatterier for reservekraftfunksjoner i utstyr alt fra IoT-enheter, smarte målere eller medisinsk utstyr, til bilelektronikk og industriell databehandling. Typiske applikasjoner inkluderer å opprettholde systemets sanntidsklokke eller flyktig minne når hovedsystemets strøm er borte, for eksempel ved strømbrudd eller når hovedbatteriet er fjernet for utskifting.

Frigjør fra batteribegrensninger
Ved å bruke en superkondensator i disse situasjonene, kan produktleverandørene frigjøre begrensningene som følger med bestemt batterilevetid. De kan også eliminere den dyre og store batteriholderen på kretskortet, til fordel for en liten, loddet enhet, og eliminere produksjonsutfordringer som å administrere batteriets levetid under lagring og sette inn batterier før frakt og levering. Superkondensatorens hendige åpen-krets feilmodus står i sterk kontrast til typiske kortslutningsfeil i batterier som kan føre til avgassing eller antenning.

Kostnadseffektivt
Superkondensatorer med kapasitansverdier opptil 5 Farad representerer det mest kostnadseffektive alternativet til små backupbatterier, og kan lagre nok energi til å gi sikkerhetskopiering med varighet fra noen få sekunder til flere dager, avhengig av type last og strømkrav.

En titt under kappen

Superkondensatoren, også kjent som den elektriske tolagskondensatoren (EDLC), består av to elektroder belagt i et porøst materiale som vanligvis er karbonbasert, separert av en elektro-
lytt som selv er delt med en membran.

Raske prosesser
I motsetning til et batteri lagrer og overfører superkondensatoren energi raskt gjennom fysisk adsorpsjon og desorpsjon av ioner i elektrolytten som er holdt mellom elektrodene. Disse prosessene er mye raskere enn de kjemiske reaksjonene som er involvert i batterilading. Gitt superkondensatorens lave indre motstand, kan enheten være fulladet i løpet av noen få sekunder, mens en sekundærcelle kan ta fra ti minutter til flere timer for å bli fulladet. Videre er det ingen teoretisk grense for syklus-levetiden, mens en litium-ion sekundærcelle har en endelig levetid på ca. 500 sykluser.

Moderne fremskritt i karbonbaserte materialer gjør at porøse elektroder kan ha et stort overflateareal, noe som resulterer i høy kapasitansverdi og små ytre dimensjoner.

God sikkerhet
Elektrolytten har også en viktig innflytelse på egenskapene, og er typisk enten en organisk forbindelse eller en væskebasert løsning. Væskebaserte elektrolytter er svært ledende, har liten miljøpåvirkning og er ikke brennbare, noe som gir sterke ytelses- og sikkerhetsegenskaper. De har også typisk større motstand mot fuktabsorpsjon enn organiske forbindelser, noe som resulterer i lengre levetid med bedre stabilitet.

For alle enhetstyper bestemmer elektrolyttegenskapene superkondensatorens spenning. Spenningen, når den er fulladet, er vanligvis mindre enn 3V.

Kan gjøres feil
En konvensjonell tilnærming til konstruksjon av småcelle-superkondensatorer er sammenlignbar med en knappcelle, med nedre og øvre metallkapslinger som sammenføyes ved krymping/forming og innkapsling av karbonelektroder og organisk elektrolytt. Selv om en intern pakning bidrar til forseglingen, kan elektrolytten tørke i løpet av en relativt kort tid, og termisk sjokk kan ødelegge strukturell integritet.

Ingen vanlig superkondensator
KEMETs småcelle superkondensatorer har en vulkanisert gummibinding med høy styrke som sikrer høy sikkerhet mot væskelekkasje. Tverrsnittet i figur 1 viser hvordan disse superkondensatorene er konstruert, inkludert væskeelektrolytten, gummierte elektroder og separasjonsmembranen.

Seriekoblet
For å oppnå ønsket utgangsspenning høyere enn basisspenningen til en enkelt celle, er flere celler koblet i serie. For eksempel blir kondsatorer av knappcelletypen ofte stablet inne i en ekstern boks, eller i et rør av varmekrympemateriale, og med elektroder festet til øvre og nedre overflater.

Stables
Superkondensatorer som inneholder væskeelektrolytt kan stables effektivt for å oppnå høyere spenningsverdier i mindre kapslingsstørrelser, med den ekstra fordelen av en sterk forsegling for å beskytte mot termisk og mekanisk støt. Robuste og pålitelige enheter kan dekke et bredt spekter av driftsspenninger, fra 3,5V til 12V. Figur 2 viser hvordan en slik flercellestruktur er innkapslet i en harpiksstøpt pakke. Alternativt kan den ytre emballasjen være en forseglet metallboks, og termineringer kan enten være gjennomgående eller overflatemonterte.

I den virkelige verden
I tillegg til å ha spesielle krefter og en alias - som enhver superhelt - har superkondensatorer også sårbarheter. De krever terskelstrøm over en minimumsgrense, kalt absorpsjonsstrømmen, mens de lades, og som vanlige kondensatorer er de utsatt for lekkasje og parametrisk forandring på grunn av miljøeffekter og aldring.

Høy startstrøm
Absorbsjonsstrømmen som oppstår under lading, kommer fra omfordeling av ioner i det porøse elektrodematerialet. Ioner som opprinnelig absorberes på overflaten, har en tendens til å diffundere inn i elektrodestrukturen over tid, og forbruker en andel av strømmen som går inn i enheten. Det er derfor det er nødvendig med en høy startstrøm for å fortsette å lade superkondensatoren. Det kan ta mange timer for absorpsjonsstrømmen å falle til en stabil lekkasjestrømsverdi, typisk noen få mikroamper (μA).

Parametriske endringer
Parametriske endringer kan oppstå som følge av miljøforhold som høy omgivelsestemperatur eller fuktighet, så vel som aldring. Enheter med væskeelektrolytt er av natur bedre i stand til å tåle høye temperaturer og fuktighet uten å tørke ut eller absorbere fuktighet, sammenlignet med alternativer med organisk elektrolytt, og viser dermed typisk større stabilitet. Figur 3 sammenligner endringen i ekvivalent serieresistens (ESR) for væske og organiske typer når de blir utsatt for økende temperatur, og viser at væsketypen har betydelig høyere temperaturstabilitet.

Konklusjon
Superkondensatorer er et ypperlig alternativ til batterier i et bredt utvalg av reservestrøm-applikasjoner, og gir langt høyere livssyklus og designere slipper å bekymre seg om utskifting eller opplading av batterier.

Forbedringer i elektrodematerialer og elektrolyttsammensetninger gjør at disse kraftige enhetene kan lagre mer energi og er enklere å stable for å gi den nødvendige utgangsspenningen. De siste superkondensatorene med væskeelektrolytt er klare til å komme til redning i RTC hold-up og NVM backup-applikasjoner over hele energi-, sikkerhets-, bilindustri- og medisinske markedssegmenter.

Artikkelen startet i Elektronikk nr 5/2019. Dette er komplett versjon.