Nezařazené / Novinky

Superkondenzátory: nahradí v budoucnu lithium-iontové baterie?

- by Václav Diopan - 54 komentářů
Boostcap Superkondenzátory a ultrakondenzátory

Skladování elektrické energie prostřednictvím chemických změn v akumulátoru má lidstvo dobře zvládnuté. Z dostupných technologických variant převládá dnes jediná varianta: lithium-iontová baterie.

Boostcap Superkondenzátory a ultrakondenzátory
foto: Mouser Electronics

Jen pro li-ion baterie se v současnosti plánují a budují obrovské výrobní kapacity. Mají posloužit k uspokojení předpokládaných potřeb elektromobility a záloh pro obnovitelné zdroje. Ostatní starší typy článků pomalu opouštějí scénu.

Poslední větší ostrov zastaralosti, olověné startovací akumulátory, pokud tedy dříve nepodlehnou spalovací motory legislativnímu zákazu, ztratí samovolně postupem času dominanci. Nikl-metal hydridové zdroje se prozatím drží, protože ty lithiové poskytují nekompatibilní napětí.

NEPŘEHLÉDNĚTE Co nahradí lithium? Hledá se náhrada pro baterie budoucnosti

Také lithiové akumulátory pravděpodobně budou v budoucnu vystaveny soutěži. O svůj tržní podíl jistě jednou budou bojovat alternativy založené buď na sodíku, vápníku, hořčíku, zinku nebo hliníku. Jakoby těch adeptů nebylo málo, do čela favoritů nenápadně dospívají superkondenzátory.

Superkondenzátory diskvalifikuje nízká energetická hustota odpovídající jedné dvacetině až jedné desetině hustoty lithium-iontových článků. Proto se mu svěřují na spotřebu nenáročné činnosti, k nimž patří krátkodobé zato intenzivní zatížení.

Uplatnění ve stejné kvalitě, jiným způsobem nedosažitelné, našel při rekuperaci během brzdění. Zachráněná kinetická energie následně slouží k opětovnému rozjezdu. V Číně dokonce jezdí autobusy výhradně napájené superkondenzátory, ale ty je potřeba nabíjet po ujetí dvou až tří zastávek.

Ostatní parametry superkondenzátorů značně převyšují klasické elektrochemické články. Jsou jimi doba životnosti limitně blízká nesmrtelnosti bez úbytku kapacity s přibývajícími cykly, stálost výkonů v extrémních teplotních podmínkách a velmi rychlá doba nabíjení/vybíjení.

Nejkratší možná doba potřebná k nabití zabere natolik málo času, že se tak výkonné nabíječky pro osobní elektromobily konstruovat nebudou, ale dobití mobilního telefonu do minuty jistě bude oblíbená výhoda, až superkondenzátory dozrají.

Před samotnou podstatou sdělení článku neuškodí ještě říct něco vzrušujícího k principu superkondenzátoru a hlavně to, že se od klasických elektrochemických článku výrazně neodlišují.

Běžný kondenzátor se skládá ze dvou vodivých elektrod oddělených nevodivým materiálem (dielektrikum). Po připojení napětí se elektrická energie hromadí v podobě elektrického náboje, jež vzniká orientací elektrických dipólů dielektrika jedním směrem. Kapacita kondenzátoru přímo úměrně závisí na ploše elektrod a kvalitě dielektrika.

Superkondenzátor akumuluje energii poněkud odlišným způsobem. Neobsahuje klasické dielektrikum, nýbrž elektrolyt a separátor. Při nabíjení se formuje pohybem kationtů a aniontů v elektrolytu u každé z elektrod tenká polarizovaná elektrická dvojvrstva uchovávající náboj. Přičemž kapacitu pomáhají zvýšit porézní elektrody s velkým povrchem na bázi uhlíkových částic.

Na celkové kapacitě se u superkondenzátorů ještě podílí takzvaná pseudokapacita. Je velmi důležitá, protože jestliže je záměrně posílena, kapacitně přispívá více než náboj vytvářený elektrickou dvojvrstvou.

Podstata pseudokapacity pramení z plně vratných redoxních reakcí (oxidace a redukce), která elektrodě dodá nebo vezme elektron a účastní se ji specie (oxidy přechodných kovů) přítomné v elektrolytu. Na podobném obecném oxidoredukčním základě fungují akumulátory.

Rozdíl je v tom, že tady nevznikají nové chemické vazby, zapojené specie nereagují s elektrodou a jejích interakce s ní spíše spočívá v adsorpci na ni. K dosažení pseudokapacitních vlastností jsou elektrody dopovány redoxní složkou.

Jednou z zkoumaných cest je její vkládání do vodivých polymerů. A právě jich se týká popisovaný pokrok vzešlý ze spolupráce britských instituci univerzit Surrey, Bristol a společnosti SuperCapacitor Materials.

Před rokem v prvním veřejném výstupu vyvolali jejich zaměstnanci rozruch prohlášením o mimořádném úspěchu na poli vývoje superkondenzátorů. Tenkrát informovali o nadějném materiálu se superschopnostmi 1000x až 10 000x převyšující zažité standardy, i když nikdo pořádně nevěděl, co to znamená.

Nyní tým vědců dal o sobě znovu vědět a představil jednoduché demonstrační vzorky: malý 1,5 V článek a zapojení tří článků v sérii, jejichž funkčnost ověřil na elektromotoru osazeného vrtulí a světelné diodě. Mimoto zveřejnil o kolik zázrak z jejich dílny překonává ostatní superkondenzátory.

Lépe než jakékoli další superlativy o významu dosaženého pokroku přesvědčí hodnoty kapacit. Stávající superkondenzátory typicky zachytí 0,3 F/cm2. S novým polymerem a cenově příznivou hladkou kovovou folií je tato hodnota posunuta až k 4 F/cm2. Mnohem impozantnější výsledek byl zaznamenán u elektrod s speciálně upraveným povrchem. Tam kapacita vystřelila na 11-20 F/cm2.

Naštěstí odborníci, zřejmě abychom mohli my i oni žasnout, těžko porovnatelný údaj kapacity ve faradech převedli na energetickou hustotu. Pokud by podle posledně jmenovaného vzoru byl vyroben napájecí zdroj, poskytl by 180 Wh na každý kilogram hmotnosti.

Za výrazným zdokonalení stojí objev hydrofilních, prostorově zasíťovaných polymerů s unikátními vlastnostmi, nahrazující konvenční elektrolyt a zvyšující elektrostatický příspěvek do celkové kapacity. Jsou podobné materiálu kontaktních čoček.

Objev totiž přímo vychází ze znalostí získaných dlouholetým výzkumem a přípravou kontaktních čoček. Směr odkud vítr vane napovídá původní název společností Augmented Optics, která byla založena za účelem komercionalizace vynálezu a teď nese trefnější název SuperCapacitor Materials.

Kroky lidí stojící za projektem výjimečného superkondenzátoru skutečně naznačují, že záměr o komercionalizaci myslí vážně. Napovídá tomu neobvykle rychlý postup vývoje, jejich optimismus, vznik dceřiné firmy, získání patentu na polymery, zažádání si o patent na elektrody a rozhodnutí v další etapě vytvořit výzkumné a maloobjemové výrobní centrum.

Rádi by změnili svět ukládání elektrické energie, ale momentálně nelze vyloučit, že se vyskytne komplikace, na které vše ztroskotá. Výzkumníci určitě dobrovolně nepřiznají negativa, která nalezli. Vždy vylíčí skutečnosti v příznivějším světle, než opravdu jsou. Kdyby jim to nevyšlo, nic se neděje. Jak zaznělo v úvodu, lithium-iontová technologie je dostatečně vyspělá a vystačíme si s ní.

vlastní

Související články

Čtyřletý projekt ve spolupráci s firmami Hyundai Steel a EcoPro Bm se zaměří na přímou syntézu materiálů s cílem omezit emise při výrobě a zároveň snížit výrobní náklady. foto: Kia

Kia v Jižní Koreji rozšiřuje výrobní řetězec baterií

Designová stohovatelná baterie Schlieger Tower H2. foto: Schlieger

Přichází boom domácích baterií: zde jsou základní pravidla bezpečnosti

Největší bateriové úložiště v České republice – instalovaný výkon 20 MW, kapacita 22 MWh. foto: Siemens

U Mělníka spuštěn unikátní hybridní zdroj energie Energy nest 

54 Comments on “Superkondenzátory: nahradí v budoucnu lithium-iontové baterie?”

  1. Elektrolytické kondenzátory už dávno existují. Myslím,
    Elektrolytické kondenzátory už dávno existují. Myslím, že jen dali elektrolytickým kondenzátorem (ačkoli vylepšeným) nový „marketingový“ název: superkondenzátory.

    Ale s použitím tých polymerů pěkně vytáhli kapacitu.

    Jak píší také v článku „Výzkumníci určitě dobrovolně nepřiznají negativa, která nalezli.„,
    např. max. napětí nebo vliv teploty na kapacitu.

    A právě ty běžné elektolytické kondenzátory jsou dost náchylné na kažení. Při nevhodných podmínkách a často i bez nich 🙂

    · Tendence vysychat po delším provozu, a tím měnit resp. ztratit kapacitu
    · Životnost závisí na teplotě okolí, pro běžný kondenzátor při max. teplotě (85 ° C nebo 105 ° C) může být pouze 2 000 hodin, ale při snížení teploty okolí na polovinu maximální stoupá životnost až na 250 000 hodin a více

    Velmi často najdeš tyto běžné kondenzátory vyduté na hlavičce.
    Už z toho je jasné, že tam došlo ke strukturálním změnám a kapacita je již zřejmě úplně jiná než vyznačená na obalu.

    Porovnej i pokrok v minulosti 🙂
    s25.postimg.org/x7jbua6b3/IMG_0016.jpg

    gme.sk/data/product/1024_1024/watermark-2/pctdetail.123-400.1.jpg

    Oba fungují pro přibližně stejné napětí, ale ten menší (a novější) má 4-násobnú kapacitu.

          1. Nikdo nemusí házet do vody plasty. Na Bali je smeťák jak
            Nikdo nemusí házet do vody plasty. Na Bali je smeťák jak hovado hned vedle moře takže, když přijde bouřka a fukéř tak to všechno nalítá do moře. Celkem logický že. :(((
            Pak se to vyplaví na pláž, odkud to shrábnou budlozery a zase se to odveze na ten smeták a tak pořád dokola jako u blbečků na dvorku.
            https://www.youtube.com/watch?v=0nvwkpqPvoM

  4. Ale číselně jim to vůbec nepasuje. Na začátku říkají
    Ale číselně jim to vůbec nepasuje. Na začátku říkají že kondenzátor má dvacetkrát nižší hustotu energie než li-ion. A ten kondenzátor teď vylepšili 60x (20F/cm2/0,3F/cm2). Tak by sakra kondenzátor měl být teď aspoň 3x lepší než lion, ne ?

  6. Je to blbost. Jednak píší až 10.000 lepší, ale reálně
    Je to blbost. Jednak píší až 10.000 lepší, ale reálně je to tak 100x. Viz údaje v článku.
    Další problém je, že kondenzátoru strmě klesá napětí hned jak se začne odebírat proud. Takže potřebujete měnič s velkým rozsahem pracovních napětí. Baterie to podle mne nikdy plně nenahradí.

    Jaké max. napětí kapacitor zvládne? Důležité protože sériovým řazením s něčím jako balancér bude docházet k samovybíjení. Jaké je vůbec samovybíjení?

  9. Takže podtrženo a sečteno: 1kg =180Wh. 100kg =18 kW a v
    Takže podtrženo a sečteno: 1kg =180Wh. 100kg =18 kW a v elektromobilu ještě stále přijatelných 500 kg = 90kW…. Hmmm a kde je jádro pudla?

    a ) cesta z labáku do výroby bude trvat 10 let
    b) cesta do výroby bude trvat pouze 1-2 roky a v tom případě by
    investice do HE3DA a do Elonovy Gigafactory šly do kytek.
    c) Článek je hoax a jako destítky dalších převratných objevů skončí
    teorie v koši.

    U supekapacitorů by nebylo zapotřebí instalovat do auta 90kW. Stačí 40-60 kw. Možnost dobít 200-300 km dojezdu za 3 minuty plně všecho řeší. Nabíjecí proudy by sice byli šílené, ale kde je psáno, že nabíječka nemůže obsahovat 2-3 kontejnery plné dalších vyrovnávacích superkapacitorů, které poskytnou špičkový proud aby se nepřetěžovala síť…

    No kdo ví …. Počkáme…..

      1. Tak možná nějaká chytrá hlava přijde na to, že do
        Tak možná nějaká chytrá hlava přijde na to, že do elektromobilu daj část kapacity v LION bateriích a část v superkapacitorech (stačilo by na dojezd 180 km) Potom – jestli by každých 100- 150 km byla dobíjecí stanice, je všechno v cajku. A na destiantion chargerech by se dobíjelo doplna … Možností je nesčetně …:-)

        (Jo a napadlo mě , že pro autobusy, taxíky, dodávky, poštu a doručovací služby co jezdí jenom kolem komína by superkapacitor taky byl na zamyšlení ….)
        Někde jsem to kdysi dávno četl, autobus – na střeše pantograf a když je v zastávce dobije superkondenzátor, kerej vystačí na 5-6 km jízdy….)

      1. cena pre domacnosti je okolo 0.12eur/kWh s dph.
        Podla mna je
        cena pre domacnosti je okolo 0.12eur/kWh s dph.

        Podla mna je toto velmi dobry posun hlavne pre majitelov malych aut – predtym bola platba za minuty – a to vychadzalo aj na 1eur/kWh

        Takto so spotrebou 12kWh/100km je ta cena pre mna sice stale trochu vysoka, ale uz OK.

        1. Pokrok je to jen vůči primitivnímu měsíčnímu
          Pokrok je to jen vůči primitivnímu měsíčnímu předplatnému, ale platit za minuty blokování nabíječek bude do budoucna potřeba, jinak to nebude pořádně fungovat.
          I na té konečné ceně je vidět, že samotná hrubá cena elektřiny nemá ten hlavní vliv na nákladech.

      1. Mometalne polske GW karty funguju aj na slovensku. A do
        Mometalne polske GW karty funguju aj na slovensku. A do 7.5.2018 by malo byt nabijanie zadarmo (s polskou kartou) aj na Slovensku.

        Neviem ako to bude s roamingom potom.

        Ak mate slovensku kartu GW, tu je slovensky cennik:
        https://greenway.sk/wp-content/uploads/2018/03/GWI-SR-Cennik-1.4.2018-1.pdf

        Ak mate polsku kartu greenway, tu je polsky cennik (uctovanie za kWh od 7.5.2018, dovtedy zadarmo)
        http://greenwaypolska.pl/sites/default/files/GWP_cennik_uslug_pol.pdf

        je mozne mat obe karty, staci sa zaregistrovat aj na polskej GW

      1. No Bohužel máte pravdu a v případě použití
        No Bohužel máte pravdu a v případě použití srovnatelného moderního vozu a provozu v zimě jste v tomto případě skoro na dvounásobku jízdy na benzín.

        např. Nissan Leav 2 20Kwh/100Km-tabulková spotřeba
        Kia NIRO 3,8 l/100 Km- tabulková ,ale ze zkušenosti reálná

        9€ za elektřinu vs: 4,94€ za benzín.

        takže tam asi budou nabíjet jen ti co nutně potřebují a minimum na dojetí do cíle, takže zase nebudou tržby a máme tu začarovaný kruh.

          1. Dobry den, ono jestli nechcete porovnavat tabulky, tak ale u
            Dobry den, ono jestli nechcete porovnavat tabulky, tak ale u obou aut. Mam teslu model X a ted v tech mrazech mam efektivitu 50-60%, takze dvojnasobna spotreba elektriny.
            Dle aplikace v telefonu, co mam k autu, tak mi to ukazalo i max cca 13l/100km. No ale zrovna v tech mrazech jsem nabijel na stanicich CEZ s pausalem nebo na superchargeru, takze mi to bylo uplne jedno:-) To se spalovakem nemate jinou sanci, nez tankovat za prachy jak blazen…
            Takze treba v tomhle je ta vyhoda… jedna z mnoha

              1. Zrovna, kdyz byly ty mrazy, tak jsem parkoval venku. Casto si
                Zrovna, kdyz byly ty mrazy, tak jsem parkoval venku. Casto si vyhrivam auto dopredu, a to i hodinu pred jizdou, topim na 22-23, jezdim velmi svizne. Navic jsem mel hodne kratkych popojizdek, kdy byl cas, aby zchladla baterie, resp. se ani neohrala. Proto ta zvysena spotreba. Ono to nebylo tak vysoke cislo na spotrebe auta, ale prave na tom phantom drain, jak tomu rikaji. Kdyz jedu na dlouhou trasu, tak mam zvyseni spotreby asi taky tak o 10-20%.
                Ja chtel spis svym komentarem rict, ze si muzu dovolit s elektromobilem mnohem vetsi komfort, nez se spalovakem, a porad usetrim.
                Pokud by nekdo chtel rypnout, ze musim tvrdnout na nabijecce, tak k tomu reknu, ze jsem si to auto koupil i kvuli tomu… abych musel odpocivat a nepracoval tolik:-)

                1. Tak to vysvetluje tu spotrebu. Na kratkych trasach s
                  Tak to vysvetluje tu spotrebu. Na kratkych trasach s parkovaním vonku som si zvyšenú spotrebu tiež všimol, ale nič tragické. Celkovú spotrebu za celú zimu mám 213Wh/km
                  A „tvrdnutie“ na nabíjačkách? Niekedy mi je 30-40min. aj málo, tak ten čas letí 🙂
                  Do spalováku ani za trest.

                2. Já mám v zimě spotřebu 301Wh/km, v létě 283Wh/km. Ale
                  Já mám v zimě spotřebu 301Wh/km, v létě 283Wh/km. Ale jak jsem řekl, jezdím nešetrně, ale o to víc si to užívám. Navíc opravdu si topím v zimě a chladím v létě tak, abych měl vždy plný komfort. Zjistil jsem, že snížením rychlosti, akcelerace, úprava teploty, tak jsem na 220Wh/km, ale to by mě nebavilo:-) S Range Roverem jsem uměl jezdit taky za 8l/100km, ale jezdil jsem za 12l/100km…

                3. Ja sa tiež neobmedzujem a mám vela akcelerácií, ktoré ja
                  Ja sa tiež neobmedzujem a mám vela akcelerácií, ktoré ja ani nepotrebujem ale pasažieri si to vyslovene vyžadujú 🙂
                  KLasické brzdy však nepoužívam takmer vôbec, aj to sa určite pozitívne prejaví na priemerke. A samozrejme S má lepšiu spotrebu ako X.

            2. Já myslel že tesla x je na elektřinu, tak proč Vám to
              Já myslel že tesla x je na elektřinu, tak proč Vám to ukazuje v litrech to je jako virtuální přepočet na klasické palivo?

              Máte nějaká číslo o spotřebě elektřiny včetně vytápění před jízdou jen pro srovnání. Ono vytopit auto v mrazu -15 na 23 je dost energeticky náročné možná až zbytečné.

              Znám lidi co mají v autě nastaveno +28 st v zimě ,ale jak padne léto tak dají na klimě 17 stupnů, asi musejí mít vždy extrém.

              Já třeba v Niru v mrazech topím jen na 15 stupnů, protože jednak je to stejně o 30 víc než venku a navíc spalovací jednotka se o poznání méně spouští.

              Uvítal bych i možnost nastavit na kratší cesty třeba jen 10 st.,ale nejde když se dá míň jak 15, tak se topení vypne úplně a to je pak kosa.

              1. No jasne, ze cista elektrina. Pouzivam aplikaci pro iphone
                No jasne, ze cista elektrina. Pouzivam aplikaci pro iphone Stats a ta ma nekolik grafu pro uzivani tesly, jako napr. prepocet spotreby ci phantom drain atd.. Oni americani hodne prepocitavani spotrebu na MPGe/mil. Po me zadosti bylo upraveno pro evropsky trh i na l/100km. Je to spis pro porovnani. Ani nevim, jaky tam je prepocet. Nicmene dnes mi to ukazuje 2,3l/100km a topim na 22. Ukazuje to samozrejme jen v te aplikaci, ne v aute.
                A co se tyka vytapeni ci chlazeni, tak souhlasim, ze to je energeticky zbytecne… ale prijemne. Jde o to, ze v techto mrazech se ohriva nejen vnitrek auta, ale i sedacky, volant a sterace. A hlavne baterie, kdy pak hned funguje rekuperace a ne treba az po nekolika desitkach kilometru. Ja mam nastaveno nejcasteji 22 po cely rok.

          2. auto-mania.cz/kia-niro-drzi-rekord-jako-nejuspornejsi-hybrid-v-
            auto-mania.cz/kia-niro-drzi-rekord-jako-nejuspornejsi-hybrid-v-realnych-podminkach-v-ceske-republice/

            autobible.euro.cz/kia-niro-se-zapisuje-guinnessovy-knihy-rekordu-jako-nejuspornejsi-vuz-s-hybridnim-pohonem/

            Obe auta výše byly verze se 16 koly a rekuperací tepla ze spalin s normovanou spotřebou 3,8 já mám verzi bez rekuperace s 18 koly a normovanou spotřebou 4,4 ,ale když chci a využiju zkušenosti z letitého provozování elektromobilu tak se na delší trase dostanu taky na 3,8 l/100 Km

            bavím se o zahřátém voze, při cukání studený start a 4 Km a pak zase studený start to je o ničem jiném

            Ale o tom nebyla řeč diskuze vedla o rychlonabíjecí sítí a tam se předpokládal cestu po okreskách napříč Slovenskem

            Garantuji Vám že trasu Bratislava- Košice a zpět dáte s jakýmkoliv úsporným hybridem za 60% ceny než při využití té nabíjecí sítě.

          1. Psal jsem v zimě , to by se muselo dát ujet Leafem2 cca 300
            Psal jsem v zimě , to by se muselo dát ujet Leafem2 cca 300 Km se spotřebou 13 kWh a to je utopie, reálný zimní dojezd je cca 200-220 Km s topením max.

            Vy píšete spotřebu z palubního počítače, já uvažuji tu co se dobije, tedy včetně ztrát v baterii a při nabíjení vozu, tedy to co platíte u dobíjecí stanice.

            I když u nás máme ohromnou výhodu , že díky Čezu nás ta spotřeba nemusí při neomezeném paušálu nijak omezovat.

            1. Proč by se s Leafem 2 nedalo jezdit v zimě za 13kWh? Vy s
              Proč by se s Leafem 2 nedalo jezdit v zimě za 13kWh? Vy s ním máte dlouhodobé zkušenosti?
              Já jezdil tři dny s Nirem. Je to skvělé auto, až bude čistě na elektřinu, určitě ho koupím do firmy. Ale hybrid jezdí za 3,8 pouze za optimálních podmínek. Stejně jako Leaf 2 umí za 10,5kWh,ale ne v zimě.

  15. Nerozumím údajům v článku. Na začátku se píše že
    Nerozumím údajům v článku. Na začátku se píše že energetická hustota superkondenzátoru odpovídá jedné dvacetině až jedné desetině hustoty lithium-iontových článků. A dále se dozvíme že to odpovídá plošné hustotě 0,3 F/cm2, která se ovšem podařila zvýšit až na 20 F/cm2, tj. šedesátinásobně. Takže když to srovnám s úvodní informací, dojdu logicky k závěru, že energetická hustota nového superkondenzátoru je už několikanásobné (aspoň 3x ?) vyšší než u li-ionky.

    Akorát nevím jestli to koresponduje s údajem 180 Wh na každý kilogram hmotnosti. Je to správně, nebo si autor článku protiřečí ?

Napsat komentář