Hybrid-Superkondensatoren bieten eine Alternative zur Energiespeicherung

Der Akku und der Superkondensator haben jeweils relative Vor- und Nachteile, aber a Hybriddesign, das beide Technologien in einer einzigen Struktur vereint, kann viele der jeweiligen Einschränkungen überwinden.

Der elektrische Doppelschichtkondensator (EDLC) – meist als „Superkondensator“ und manchmal als „Ultrakondensator“ bezeichnet – ist eine erstaunliche passive Energiespeicherkomponente. Aufgrund seiner hohen Kapazität von mehreren Farad und seiner geringen Größe bietet es eine hochdichte Energiespeicherung sowohl nach Volumen als auch nach Gewicht. In einigen Fernerkundungs-, IoT- und Energy-Harvesting-basierten Anwendungen sind Supercaps eine Alternative zu wiederaufladbaren Batterien; in anderen Situationen werden sie in Verbindung mit Batterien verwendet, um einige der Schwächen dieser elektrochemischen Energiespeicherkomponenten zu überwinden. Es ist nicht so, dass das eine von Natur aus besser ist als das andere; Stattdessen haben Supercaps und wiederaufladbare Batterien (unabhängig von der Chemie) jeweils ihre relativen Stärken und Schwächen. Die Prioritäten der Anwendung bestimmen, welche am sinnvollsten ist, oder beide werden in einer Art Tandem-Anordnung benötigt.

Es gibt eine weitere interessante Alternative, nur eine oder sogar beide als zwei diskrete Komponenten zu wählen:den Hybrid-Superkondensator. Dieser Energiespeicher ist nicht nur eine offensichtliche Kombination aus einem Akku und einem Supercap. Stattdessen verwendet es eine einzigartige Konstruktion, bei der die einzelne Baugruppe gleichzeitig ein Supercap- und ein Li-Ionen-Akku ist, Abbildung 1 (siehe Referenzen für weitere Details).

Abbildung 1:Diese Top-Tier-Ansicht der Struktur des Hybrid-Superkondensators zeigt, dass es sich nicht um einen Supercap und eine Batterie handelt, die sich ein einzelnes Paket mit zwei Anschlüssen teilt. (Bildquelle:Taiyo Yuden)

Zu den Anbietern dieser Hybrid-Supercaps gehören Taiyo Yuden (das Unternehmen nennt sie Lithium-Ionen-Superkondensatoren, was technisch durchaus richtig ist), Eaton und Maxwell Technologies, Inc. (jetzt Teil von Tesla).

Es gibt viele veröffentlichte Tabellen mit Vergleichen zwischen Standard-Supercaps und wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien (Tabelle 1). Denken Sie daran, dass jede Ressource und jeder Anbieter erwartungsgemäß eine andere Perspektive hat und sich die Technologie selbst rasant weiterentwickelt.

Tabelle 1:Vergleicht die erstklassigen Eigenschaften von Superkondensatoren mit wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien; jeder kann je nach Informationsquelle und Zeitpunkt einen anderen Satz von Einträgen aufweisen. (Bildquelle:Maxwell Technologies, Inc., über Battery University)

Trotz der offensichtlichen Vorzüge dieser Hybrid-Supercaps hatte ich immer gemischte Gefühle gegenüber Hybridgeräten und -strukturen im Allgemeinen. Auf der einen Seite ermöglicht uns die Kombination zweier Technologien oder Materialien oft, das Beste von jedem zu erhalten und gleichzeitig einige Schwächen zu überwinden. Das gilt nicht nur für die Elektronik:Denken Sie an stabbewehrten Beton oder die kohlenstofffaserverstärkten Polymere (CFK), die als Haut der neuesten Generation von Flugzeugkarosserien und -Anhängern verwendet werden.

Gleichzeitig weisen diese Kombinationen manchmal neue Mängel auf. Beispielsweise können Multifunktionsprüfgeräte im Vergleich zu optimierten Einzweck-Einheiten reduzierte Spezifikationen oder einige Flexibilitätsgrenzen aufweisen. Das weithin bekannte „Schweizer Taschenmesser“ ist ein nicht-elektrisches Beispiel:Jedes seiner einzelnen Werkzeuge mag „OK genug“ sein, ist aber definitiv nicht so gut wie ein dediziertes Werkzeug; Dennoch bringt die Gesamtkombination aus Klinge/Zubehör und Verpackung Vorteile in Bezug auf Größe, Gewicht und Kosten.

Bei Hybrid-Supercaps gibt es auch ein Managementproblem. Li-Ionen-Akkus haben ihre spezifischen Anforderungen in Bezug auf die Überwachung von Lade- und Entladeraten, Coulomb-Zählung und Temperatur (um nur einige Faktoren zu nennen) – und Supercaps haben ihre eigene vergleichbare Liste. Wie soll der Hybrid-Supercap verwaltet werden? Werden die Taktiken widersprüchlich sein oder sind sie ähnlich genug, dass ein einziger Ansatz für den Zwei-Terminal-Hybrid funktionieren kann?

Ich denke an die Tunneldiode:Trotz ihrer attraktiven Leistungsmerkmale war sie als Gerät mit zwei Anschlüssen ohne unterschiedliche Eingangs-Ausgangs-Masse-Verbindungen ziemlich schwierig zu verwenden und fiel daher in Ungnade; das gleiche gilt für die PIN-Diode (schauen Sie sich nur einige ihrer Anwendungsschaltpläne an). Vielleicht funktionieren ICs wie der kürzlich eingeführte Maxim MAX38889, ein umkehrbarer Abwärts-/Aufwärtsregler von 2,5 V bis 5,5 V, 3 A, der für Supercap-Backup-Anwendungen optimiert ist, für beide gut genug? (Abbildung 2)

Abbildung 2:Der MAX38889 zielt speziell auf das Superkondensator-Management ab; Möglicherweise befindet sich auch eine Batterie im Stromkreis. (Bildquelle:Maxim Integrated Products)

Bei der Entscheidung, ob für ein bestimmtes Problem eine Hybridlösung verwendet werden soll, müssen oft schwer abzuschätzende Kompromisse abgewogen werden. Zusätzlich zu den offensichtlichen Vorteilen, bei denen jeder Bestandteil einen oder mehrere Kurzschlüsse des anderen überwindet, gibt es auch viele Fälle, in denen neue Schwächen auftreten.

Ist es sinnvoll, den Supercap-Hybrid zu verwenden? Die Antwort ist einfach:Es kommt darauf an. In einigen Fällen ist ein neuer Mangel in der Anwendung inakzeptabel, in anderen überwiegen die neuen Vorteile die Nachteile. Quantitativ muss das Modell nicht nur die Gleichung „Ist 1 +1 <, =, oder> 2?“ lösen. muss aber auch alle Lücken bewerten, die die Lösung schafft.

Welche Erfahrungen haben Sie mit hybriden – kombinierten oder zusammengeführten – Lösungen (und nicht nur mit Hybrid-Supercaps) gemacht? War der Gesamtgewinn wichtiger als alle zusätzlichen Nachteile? Wie beurteilen Sie die Abwägung zwischen den Vor- und Nachteilen des hybriden Ansatzes?

Referenzen
Eaton, „Hybrid-Superkondensatoren erklärt“

Eaton, „Whitepaper zu HS-Hybrid-Superkondensatoren“

Battery University, „BU-209:Wie funktioniert ein Superkondensator?“

Taiyo Yuden, „Lithium-Ionen-Kondensatoren:Der ultimative EDLC-Ersatz“

Taiyo Yuden, „Energiespeichergeräte:Lithium-Ionen-Kondensatoren; Elektrische Doppelschichtkondensatoren“

Tech Briefs, „Superkondensatoren werden hybrid für mehr Leistung und Effizienz“

>> Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserer Schwesterseite EE veröffentlicht Zeiten.

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