Superkondensaator

Superkondensaator ehk ülikondensaator ehk kaksikkihtkondensaator (ingl EDLC electric double-layer capacitor) on elektrotehniline seadis, mille abil saab elektrostaatilist energiat salvestada süsinikelektroodide pinnale. Superkondensaator on väga suure mahtuvuse ja energiatihedusega kondensaator.

Kaksikkihtkondensaatori elektroodid moodustavad koos nendevahelise elektrolüüdiga kahe kondensaatori C1 ja C2 jadaühenduse, mille kogumahtuvus

Ajalugu 

Selline elektrienergia salvestamise meetod avastati juba 1957. aastal seoses kütuseelemendi uuringutega. Katsete käigus ilmnes anomaalia: elektrivool ei katkenud kohe pärast gaasivoo sulgemist, vaid element tootis elektrit mõnda aega edasi. Uurimisel selgus, et selle põhjuseks oli kütuseelemendis aktiivse materjali kandjana kasutatud poorne süsinikelektrood, mis suutis hoida märkimisväärset laengut. Sel ajal süsinik eripinnaga 400 m2/g omas energiatihedust 80 F/g. Järgmistel aastatel "elektrokeemilise kondensaatori", nagu seda algul nimetati, uurimised laienesid. Peagi jõuti ka esimese patendini. Sarnaselt tänapäevaga püüti selliseid suure energiatihedusega süsteeme kasutada esmalt elektriautodel.

Ka Eestis käib arendustöö superkondensaatorite vallas. Tartu Ülikooli juurde on loodud vastav labor, kus uuritakse ja arendatakse uuetüübilisi energiaallikaid, ja superkondensaatorite tootmisega tegeleb eraettevõtte Skeleton Technologies.

Superkondensaatori erimahtuvus  
Nagu superkondensaatori nimetus ise märgib, on tegu väga suure erimahtuvusega kondensaatoriga, keskmiselt 5–7 F/cm3. Energiaskaalas väljendades on see suurusjärgus 10 Wh/l. Võrdlusena parimate elektrolüütkondensaatorite erimahtuvus on ~10 mikrofaradit kuupsentimeetrile.

Superkondensaatori väga suurt mahtuvust võimaldab suure eripinnaga (kuni 2000 m2/g) süsinikmaterjali kasutamine.

Superkondensaatori energia  sõltub mahtuvusest  ja laadimispingest  ning avaldub kujul:

Superkondensaatori omadused 
 Peamisena olgu märgitud energia salvestamise ja energia kättesaamiseks kulutatav aeg, mis võib kesta tunde, kuid võib toimuda ka sekundite jooksul. Reeglina on kondensaatorite minimaalne laadimise aeg võrdne 3RC, kus R on sisetakistus ja C on mahtuvus. Kui parimatel elektrolüütkondensaatoritel on RC millisekundi suurusjärgus, siis superkondensaatoril on RC vahemikus 0,5–10 sekundit, sõltuvalt kasutatavatest komponentidest.
 Teise olulise eelisena tuleb märkida superkondensaatori tühjendamisel saadavat suurt võimsust, mille garanteerib juba eespool mainitud väike RC ja üliväike sisetakistus. Suure kasutatava võimsuse poolest ületab superkondensaator keemilisi vooluallikaid tunduvalt.
 Adsorptsiooniline laengute salvestamise protsess tagab väga suure kasuteguri, kuni 99%. Võimsuse ja energia sõltuvust väljendatakse Ragone graafikul, millel on kujutatud erivõimsuse ja erienergia logaritmilises teljestikus.
 Märkimist väärib ka superkondensaatori pikk kasutusiga s.o täis- ja tühjakslaadimise tsüklite arv. Kui akude normaalse kasutamise korral räägitakse kuni 2000 laadimiskorrast, siis superkondensaatoritel on see tänu keemiliste protsesside puudumisele kuni üks miljon tsüklit.

Kuidas superkondensaator töötab 

Väliselt akudega väga sarnast süsteemi eristab oluliselt elektrilaengute kogumise mehhanism. Akudes salvestatakse energia elektrokeemilise protsessi tulemusena, mis seisneb enamasti selles, et aku laadimisel lahuses olevad metallioonid viiakse elektroodi pinnale ja muudetakse vabaks metalliks. Aku kasutamisel (tühjakslaadimisel) toimub uuesti metalli lahustumine ja elektrokeemiliste protsesside tõttu. Saadud protsessi iseloomustab suur energiatihedus, kuid mittetäieliku pöörduvuse tõttu akude omadused ajas muutuvad ja lõpmatult seda protsessi korrata ei saa.

Superkondensaatoris salvestatakse elektrienergia samuti elektroodidele, kuid mitte keemiliselt. Nimelt liidetakse elektroodi pinnale ioonid füüsikalise adsorptsioonilisel teel. Tänu elektroodi materjali suurele eripinnale >1000 m2/g, ja süsiniku suurele erimahtuvusele, saadakse ka märkimisväärsed mahtuvused ~1 F/cm2 ühe elektroodi pinnaühiku kohta. Seetõttu piisab suhteliselt väikesemõõtmelistest elektroodidest, et saada märkimisväärne mahtuvus.
 
Superkondensaator koosneb positiivsest ja negatiivsest elektroodist, mille välisküljele on ühendatud voolukogujad (kollektorid) ja sisemisi külgi eraldab separaator. Kogu süsteem on impregneeritud sobiva elektrolüüdiga ja suletud korpusesse. Elektrolüüdina kasutatakse vesilahusel baseeruvaid või mittevesilahusel nn. orgaanilisi ehk aprotoonseid süsteeme. Vastavalt süsteemile valitakse ka separaatori ja voolukollektori ning korpuse materjal. Kasutatav elektrolüüt dikteerib ka üksikelemendile rakendatava pinge väärtuse, mis vesilahuste korral küünib umbes 1 voldini ja orgaanilisi elektrolüüte kasutades 3 voldini. Kõrgema pinge saamiseks ühendatakse elemendid järjestikku kondensaatorpatareiks ehk mooduliks. Paljud kondensaatorite tootjaid eelistavad orgaanilisi elektrolüüte, sest kondensaatorpatarei vajaliku pinge saavutamiseks kulub 3 korda vähem üksikelemente.

Superkondensaatori laadimisel elektrolüüdi positiivselt laetud ioonid, katioonid, liiguvad katoodile (‒), tekitades pinnal negatiivse laengu, ja anioonid liiguvad anoodile (+), tekitades sellel positiivse laengu. Suurepinnalise süsiniku poorid toimivad seejuures laengusäilitajatena. Seetõttu on oluline optimeerida kogu süsteem nii, et kasutatava nanopoorse süsiniku poorid oleksid ioonidele sobivate "mõõtmetega". Elektroodipaarist moodustub kaks järjestikku ühendatud kondensaatorit C+ ja C‒. Plaatide pindala määrab mahtuvuse ja elektroodide vaheline kaugusest, ehk elektrolüüdiga impregneeritud separaatori paksusest sõltub sisetakistus. Superkondensaatoris kogutakse laengud elektroodi pinnalt kokku voolukollektorite kaudu ning kui ühendada välisahelas + ja ‒ kokku, toimub tühjakslaadimine ja ioonid liiguvad lahuse sügavusse. Laadimisel protsess kordub taas.

Tühjenemis-laadimiskõverad on akudel ja kondensaatoritel erinevad. Kui akut laetakse püsipinge allikast, siis superkondensaatori laadimisel pinge ajas muutub. Selline omapära muudab mõnevõrra keerulisemaks tarbijad, kus soovitakse akud asendada otseselt superkondensaatoritega. Samas lubab selline omapära täpselt määrata kondensaatori laadumise astet igal ajahetkel. Enamgi veel, tänu eelmainitud füüsikalisele adsorptsiooni protsessidele saab tarbida kondensaatorist energiat kuni praktiliselt null voldini, ilma süsteemi kahjustamata. Reeglina on superkondensaatoritega süsteemid optimeeritud nii, et kasutatakse ära kuni pool kogupingest, mis energiaskaalas võrdub 75% maksimaalsest võimalikust väärtusest.

Superkondensaatorite kasutamine 

Superkondensaatorite turg on aasta-aastalt kasvanud. Tavalisele tootearengule on omajagu kaasa aidanud ka digitaaltehnoloogia võidukäik, kus energiaallikatest vajatakse üha suuremaid võimsusi lühikese aja jooksul. Enamikul kondensaatorite tootjatel jäävad üksikelementide mahtuvused ühe faradi kuni mõne tuhande faradi piiresse (vaata tabel).

Mitmed tootjad (Maxwell, NESS, Epcos ja teised) on jaganud oma tooted vastavalt kasutusotstarbele – suure energiaga kondensaatoriteks ning suure võimsusega kondensaatoriteks. Suhteliselt väikese mahtuvusega superkondensaatoreid kasutatakse olmeelektroonikas, raadiosaatjates, mänguasjades jm. Eriti suure mahtuvusega moodulid on mõeldud suurt lühiajalist võimsust vajavatele süsteemidele, kus akud ei suuda selliste koormustega toime tulla.

Autotööstuses 
Ka mitmed autotöösturid tegelevad oma laborites superkondensaatoritega. Tuntud tegija selles vallas on Honda, kelle kütuseelemendi ja kondensaatoriga varustatud sõidukid FCX-3 vuravad mitmel mandril maakeral juba aastaid. Honda kasutab oma süsteemis superkondensaatori energiat sõiduki käigushoidmiseks kütuseelemendi ülessoojendamise ajal. Samuti kasutatakse sellises kombinatsioonis ära ka auto kineetiline energia ehk pidurdusenergia, mis salvestatakse jällegi kondensaatoritesse.

Näiteks Honda FCX kasutab liikumiseks elektriajamit ja lisaks kütuseelemendile ka superkondensaatorite süsteemi. Ka rallimaailmas, F1 tehnikale on pandud piirang mootorite võimsuse arendamise suunas ning on pööratud pilgud energiasäästlikumale sõidustiilile, mis sunnib sellise tehnikaklassi arendajaid süvenema uutele võimalustele.

Tavatranspordivahendite jaoks on katsetanud superkondensaatoreid paljud tootjad, näiteks Nissan diiselmootoriga kaubaautodes, General Motors, BMW oma Experimental X5 jt.

Kõigil tootjatel on eesmärgiks kütusekulu ja heitmete vähendamine, kaasates pidurdusenergia kogumisel ja kiirendamisel superkondensaatorite abi. Hiinas Shanghais on käimas projekt, kus liinibussid kasutavad liikumiseks superkondensaatoritesse talletatud elektrienergiat. Pidurdamisel kogutakse kineetiline energia taas kondensaatoritesse, kusjuures peatustes toimub vajadusel täiendav laadimine. Ka saastumise vaatevinklist on see kasulik, vähendades niigi saastunud suurlinnas kahjulikke heitmeid.

Olmeelektroonikas 
Olmeelektroonikas on superkondensaatorid kasutusel lauaarvutites, kus lühikese voolukatkestuse korral hoitakse muutmälu ja kõvaketas töös ning pärast normaalolukorra taastumist saab tööd jätkata. Sülearvutites on kasutusel kondensaatorid, mis lubavad arvutil akut vahetada tööd katkestamata. Sel juhul superkondensaator hoiab süsteemi üleval väidetavalt minuti ja enamgi.

Superkondensaatorid on leidnud koha ka mänguasjades. Patareitoite korral unustatakse tihti toide välja lülitada ja järgmise mängukorra ajaks tuleb vooluallikad asendada või laadida. Asendades vooluallikad kondensaatoritega, saab mänguasja kiiresti laadida ja pärast kasutamist võib mänguasja taas unustada, sest kondensaatori laadimata hoidmine ei kahjusta süsteemi mingilgi määral.

Suuremate tootjate superkondensaatorite põhiandmed (2013. a)

Vaata ka
kondensaator

Viited

Kirjandus 
 B. E. Conway, "Electrochemical Supercapacitors. Scientific Fundamentals and Technological Applications". Kluwer Academic Publish-Ers / Plenum, New York, 1999.

Välislingid
Karbiidset päritolu süsinikelektroodidega superkondensaatorid

Kondensaatorid