Основным видом устройств для хранения электрической энергии сейчас являются химические источники – аккумуляторы. Однако существует еще как минимум один интересный вид устройств, суперконденсаторы или ионисторы. В отличие от батарей, принимающих и вырабатывающих электроэнергию за счет химических реакций между электродами, они ничего не вырабатывают, а запасают и отдают заряд в готовом виде.
Обычный конденсатор, как правило, имеет емкость от нескольких пико- (триллионных долей) до единиц милли- (тысячных долей) фарад. Энергоемкость такого заряда ничтожна в сравнении с аккумуляторами. У ионисторов эта величина на порядки больше. В продаже можно встретить суперконденсаторы, способные накапливать заряд в 5000 фарад (5 кФ). Это немало, примерно 18,2 кДж или 5,15 Втч, что сравнимо с емкостью литиевых ячеек.
Читайте также: Немного о GPS: почему идеальная точность навигации в городе невозможна
Плюсы суперконденсаторов
В сравнении с аккумуляторами, у суперконденсаторов имеются преимущества. В первую очередь, это скорость зарядки. Литиевые батареи не очень хорошо переносят токи величиной порядка 1C (C – емкость в Ач), при таких токах они склонны перегреваться, быстро деградировать и могут даже взорваться. Из-за этого проблематично зарядить батарею меньше, чем за час.
Суперконденсатор может заряжаться очень быстро. Нередко на практике скорость процесса ограничена возможностями источника (розетки) и кабелей, которые подают ток. Это значит, что питаемое ионистором устройство можно очень быстро зарядить полностью.
Второе преимущество заключается в долговечности. Литиевые ячейки демонстрируют срок службы порядка 1000 циклов заряда/разряда без существенной потери емкости. Суперконденсатор способен пережить и 10, и 100 тысяч, и даже миллион циклов без последствий.
Суперконденсаторы мало боятся температур, слабо зависят от них. Они не очень токсичны, большинство используемых в конструкции веществ химически не так активны, как литий, а потому безопаснее. То есть, большинства минусов аккумуляторов у ионисторов нет. Но, к сожалению, есть другие.
Минусы суперконденсаторов
Главный минус суперконденсаторов – удельная емкость. Она пока что намного ниже, чем у аккумуляторов. Упомянутые в начале ионисторы на 5000 Ф имеют длину 21 см, диаметр 6 см, и весят 800 грамм. Для сравнения, литиевая ячейка схожей емкости, формата 18500, имеет длину 5, диаметр 1,8 см, и весит около 30-35 грамм. Разница по объему – почти в 50 раз, по весу – около 25.
Вторым минусом является цена. Ценник на упомянутые суперконденсаторы на 5000 Ф в начале 2019 доходит до $100, что при емкости 5 Втч дает удельную стоимость $20/Втч. Удельная стоимость емкости лития уже опустилась до уровня чуть ниже $200/кВтч или $0,2/Втч. Разница – в 100 раз. То есть, если батарея современного электромобиля на литиевых элементах стоит $10 тыс., то при использовании ионисторов – подорожает до миллиона. Кроме того, она будет в 50 раз больше и в 25 – тяжелее.
Можно использовать сборки конденсаторов меньшей емкости (например, 500 Ф), и тогда цена может упасть на порядок-два. Удельная емкость будет почти не дороже лития. Но в таком случае объем и масса сборки окажутся еще внушительнее, ни в какой автомобиль такая батарея, имеющая хотя бы 100 кВтч емкости, не влезет.
Третий ключевой минус – зависимость напряжения на суперконденсаторе от остаточного заряда. У литиевых батарей, по мере разрядки, вольтаж падает примерно от 4,2 до 3 вольт. Ионистор же разряжается до нуля, а это значит, что для получения стабильного напряжения для питания устройств требуется повышающий преобразователь-стабилизатор, который занимает место и приводит к потерям части энергии (из-за КПД <100%).
Кажется, что при таких недостатках у ионисторов нет никакого шанса стать заменой аккумуляторам. Ведь смартфон или ноутбук с дорогой батареей, весящей несколько кило, никому не нужен, а в авто суперконденсаторы вообще не поместить. Но не все так печально.
Читайте также: Почему за авто из композитных материалов – будущее
Перспективы для суперконденсаторов
Несмотря на все имеющиеся недостатки, не позволяющие использовать ионисторы для питания авто или портативной электроники, у них есть право на жизнь. Конечно, ни автомобиля, способного проехать сотни километров, ни смартфона, заражающегося за 5 минут и работающего неделю, сделать с ними не выйдет. Но если взглянуть шире, есть и другие сферы применения суперконденсаторов.
Ученые уже не один год проводят исследования графеновых технологий, которые позволят увеличить емкость суперконденсаторов на порядок и больше. Вряд ли это произойдет в ближайшие год или два, но когда технологию освоят, отставание от аккумуляторов уже не будет столь существенным.
Да, суперконденсаторы не заменят литий, потому что аккумуляторы тоже прогрессируют, а ионисторы вряд ли станут на пару порядков вместительнее в обозримом будущем. Но они способны выполнять роль буферного источника питания, а также могут использоваться в городском транспорте. Подобные решения уже разрабатываются и выпускаются.
Белорусский «Белкоммунмаш» в 2017 представил электробус АКСМ-Е433 Vitovt, оборудованный ионисторами. Он способен пройти на одном заряде 12 км, а время полной зарядки батареи из суперконденсаторов составляет 7 минут. Учитывая, что городской автобус останавливается через каждые несколько сотен метров, а его маршрут редко превышает пару десятков километров – можно заряжать его на конечных остановках (белорусы так и сделали).
Батарея АКСМ-Е433 весит около 1,5 тонн, что много по меркам авто. Но если ученые добьются повышения емкости ионисторов на порядок, то аналогичная сборка ионисторов сможет проехать не 12, а 120 км, или же иметь прежнюю дальность, но при массе до 150 кг. Это откроет перспективы перед электрическим внутригородским и междугородным транспортом ближнего сообщения, а также электромобилями для города.
Появление суперконденсаторов с на порядок большей удельной емкостью скажется позитивно и на электронике. В ноутбук или смартфон такой ионистор, все равно, вряд ли поместится, но в роли буферного накопителя энергии (внешнего аккумулятора) ионистор сгодится. Можно будет перед выходом из дома за зарядить его за минуту, положить в сумку, и уже в пути передать энергию носимому электронному устройству.
Читайте также: Исследователь предупреждает: алгоритмы используют и даже контролируют нас
Безусловно, в нынешнем виде ионистор – весьма узкоспециализированное устройство, которое имеет ограниченное применение. Пока что суперконденсаторы можно использовать только там, где надежность, долговечность и скорость зарядки гораздо важнее автономности и цены. Городской автобус – как раз такой случай. Но если ученым удастся воплотить в реальность свои планы, а промышленность сможет наладить массовый выпуск суперконденсаторов по новым технологиям, нас ждет серьезное соперничество на рынке накопителей энергии.
Даже если ионисторы и не смогут вытеснить химические источники, превзойдя их по параметрам (или хотя бы сравнившись по удельной емкости), в некоторых сферах они составят существенную конкуренцию. Определенно, в таком случае суперконденсаторам – быть. И на транспорте, и в области портативной электроники.