Desventajas de la tecnología de baterías
Las baterías nuevas, como las de iones de litio y las de hidruro metálico de níquel, pueden proporcionar soluciones confiables de almacenamiento de energía y se han utilizado ampliamente en muchos campos. Como todos sabemos, las baterías químicas utilizan la transferencia de carga de Faraday para almacenar carga mediante reacciones electroquímicas. Tienen una vida corta y se ven muy afectadas por la temperatura. Esta también es una dificultad que enfrentan los diseñadores de baterías de plomo-ácido (baterías de almacenamiento). Al mismo tiempo, la alta corriente afectará directamente la vida útil de estas baterías, por lo que para algunas aplicaciones que requieren una larga vida útil y alta confiabilidad, estas baterías basadas en reacciones químicas presentan varias deficiencias.
Características y ventajas de los supercondensadores
El principio de los supercondensadores no es una tecnología nueva. El supercondensador más común es una estructura eléctrica de doble capa. Este supercondensador tiene una densidad de energía y una densidad de potencia muy altas en comparación con los condensadores electrolíticos. En comparación con los condensadores tradicionales y las baterías secundarias, los supercondensadores tienen mayores capacidades de almacenamiento de carga que los condensadores ordinarios y tienen las características de velocidad de carga y descarga rápida, alta eficiencia, ausencia de contaminación para el medio ambiente, ciclo de vida prolongado, amplio rango de temperatura y alta seguridad.
Además de la carga y descarga rápida, otra característica principal de los supercondensadores es la baja impedancia. Por lo tanto, cuando un supercondensador está completamente descargado, exhibirá una característica de resistencia pequeña y, si no está restringido, consumirá la posible fuente de corriente. Por lo tanto, se debe utilizar un cargador de corriente constante o voltaje constante.
Hace diez años, los supercondensadores sólo se podían vender en pequeñas cantidades cada año y eran muy caros, entre 1 y 2 dólares EE.UU. por faradio. Ahora se han suministrado al mercado supercondensadores como productos estándar en grandes cantidades y el precio también se ha reducido significativamente, con un promedio de 0,01 ~ 0,02 dólares estadounidenses por faradio. En los últimos años, los supercondensadores han comenzado a entrar en muchos campos de aplicación, como la electrónica de consumo, la industria y el transporte.
Estructura del supercondensador
Aunque hay muchos fabricantes de supercondensadores en el mundo que pueden proporcionar una variedad de productos de supercondensadores, la mayoría de ellos se basan en estructuras similares de doble capa. Los supercondensadores son estructuralmente muy similares a los condensadores electrolíticos, siendo la principal diferencia los materiales de los electrodos, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2 La principal diferencia estructural entre un supercondensador y una batería o condensador electrolítico es el material del electrodo.
Los electrodos de los primeros supercondensadores estaban hechos de carbono. El área de superficie del material del electrodo de carbono es muy grande y la capacitancia depende del área de superficie y de la distancia entre los electrodos. La gran superficie de los electrodos de carbono y la pequeña distancia entre los electrodos hacen que la capacitancia de los supercondensadores sea muy grande. La mayoría de los supercondensadores pueden alcanzar el nivel de Farad, y el rango de capacitancia general es de 1 ~ 5000 F.
Uso de supercondensadores
Los supercondensadores tienen muchos usos. Combinados con materiales de alta densidad energética, como las pilas de combustible, los supercondensadores pueden proporcionar una rápida liberación de energía y satisfacer requisitos de alta potencia, lo que permite que las pilas de combustible se utilicen únicamente como fuente de energía. En la actualidad, la densidad de energía de los supercondensadores puede llegar a 20 kW/kg y han comenzado a apoderarse de esta parte del mercado entre los condensadores y las baterías tradicionales.
En aplicaciones que requieren alta confiabilidad pero bajos requisitos de energía, se pueden usar supercondensadores en lugar de baterías, o se pueden combinar supercondensadores y baterías para aplicaciones que requieren alta energía, de modo que se puedan usar baterías más pequeñas y más económicas. baterías.
Los supercondensadores tienen valores de ESR muy bajos, por lo que pueden generar grandes corrientes y absorber grandes corrientes rápidamente. En comparación con el principio de carga química, el principio de funcionamiento de los supercondensadores hace que el rendimiento de este producto sea más estable, por lo que la vida útil de los supercondensadores es más larga. Para herramientas eléctricas, juguetes y otros equipos que deben cargarse rápidamente, los supercondensadores son sin duda una fuente de energía ideal.
Algunos productos son adecuados para sistemas híbridos de batería/supercondensador. El uso de supercondensadores puede evitar el uso de baterías de gran capacidad para obtener más energía. Por ejemplo, las cámaras digitales en la electrónica de consumo son un ejemplo. El uso de supercondensadores permite que las cámaras digitales utilicen baterías alcalinas económicas (en lugar de costosas baterías de iones de litio).
El rango de voltaje nominal de las baterías de supercondensador es de 2,5 ~ 2,7 V, por lo que muchas aplicaciones requieren el uso de varias baterías de supercondensador. Al conectar estas unidades en serie, los ingenieros de diseño deben considerar el equilibrio y la carga entre unidades.
Cualquier supercondensador se descarga a través de una resistencia interna en paralelo cuando se energiza. Esta corriente de descarga se denomina corriente de fuga y afecta la autodescarga de la unidad del supercondensador. Al igual que algunas tecnologías de baterías secundarias, los supercondensadores necesitan equilibrar el voltaje cuando se usan en serie porque hay una fuga de corriente y el tamaño de la resistencia interna en paralelo determinará la distribución de voltaje entre las celdas del supercondensador en serie. Cuando el voltaje en el supercondensador es estable, el voltaje en cada celda variará con diferentes corrientes de fuga en lugar de con diferentes valores de capacitancia. Cuanto mayor sea la corriente de fuga, menor será la tensión nominal. Por el contrario, cuanto menor sea la corriente de fuga, mayor será la tensión nominal. Esto se debe a que la corriente de fuga hará que la celda del supercondensador se descargue, lo que reducirá el voltaje, y este voltaje afectará el voltaje de otras celdas en serie con él (aquí asumimos que todas estas celdas en serie están alimentadas por el mismo tensión constante).
Para compensar los cambios en la corriente de fuga, un método común es conectar una resistencia en paralelo al lado de cada unidad para controlar la corriente de fuga de toda la unidad. Este enfoque reduce efectivamente la variación en la resistencia paralela correspondiente entre unidades.
Otro método recomendado es el equilibrio activo de celdas, que monitorea y equilibra activamente cada celda a medida que cambia el voltaje. Este enfoque reduce cualquier carga unitaria adicional y hace que el trabajo sea más eficiente.
Si el voltaje excede el voltaje nominal de la unidad, la vida útil de la unidad se acortará. Para los supercondensadores de alta confiabilidad, cómo mantener el voltaje dentro del rango requerido es un punto clave. El voltaje de carga debe controlarse para garantizar que no exceda el voltaje nominal de cada unidad.