Superkondensatory, znane również jako ultrakondensatory lub elektryczne kondensatory dwuwarstwowe (EDLC), stanowią znaczący postęp w technologii magazynowania energii ze względu na ich wysoką pojemność i możliwości szybkiego ładowania/rozładowywania. Koncepcja nowych superkondensatorów obejmuje maksymalizację powierzchni i optymalizację materiałów na poziomie nanoskali w celu zwiększenia pojemności i gęstości energii. W przeciwieństwie do tradycyjnych kondensatorów, które magazynują energię poprzez oddzielenie ładunków elektrycznych na płytkach przewodzących, superkondensatory przechowują energię elektrostatycznie w podwójnej warstwie elektrycznej utworzonej na styku elektrody z roztworem elektrolitu. Taka konstrukcja umożliwia superkondensatorom osiągnięcie znacznie wyższych wartości pojemności niż w przypadku konwencjonalnych kondensatorów, przy jednoczesnym zachowaniu szybkich cykli ładowania i rozładowywania.
Nowe technologie superkondensatorów skupiają się na poprawie zdolności magazynowania energii, gęstości mocy i żywotności cyklu dzięki innowacyjnym materiałom elektrod i elektrolitom. Grafen i nanorurki węglowe są szeroko badane pod kątem ich dużej powierzchni i przewodności, które zwiększają wydajność superkondensatorów. Dodatkowo postęp w procesach produkcyjnych ma na celu zmniejszenie oporu wewnętrznego i zwiększenie efektywności przenoszenia ładunku w ogniwach superkondensatorów. Zmiany te mają kluczowe znaczenie dla rozszerzenia zakresu zastosowań superkondensatorów w magazynowaniu, transporcie i elektronice energii odnawialnej, gdzie istotne jest szybkie uwalnianie i ładowanie energii.
Zasada działania superkondensatora opiera się na elektrostatycznym magazynowaniu energii elektrycznej. Superkondensatory składają się z dwóch elektrod oddzielonych elektrolitem i separatorem. Po przyłożeniu napięcia jony z elektrolitu gromadzą się na powierzchni elektrod, tworząc podwójną warstwę elektryczną. Proces ten zapewnia wysoką pojemność ze względu na dużą powierzchnię dostępną do przechowywania ładunku. W przeciwieństwie do akumulatorów, które magazynują energię w wyniku reakcji chemicznych, superkondensatory magazynują energię elektrostatycznie, umożliwiając szybkie cykle ładowania i rozładowywania przy minimalnej degradacji w czasie. Ta cecha sprawia, że superkondensatory nadają się do zastosowań wymagających wysokiego dostarczania mocy i efektywności energetycznej.
Fizyka superkondensatorów opiera się na tworzeniu podwójnej warstwy elektrycznej na granicy faz elektroda-elektrolit. Ta podwójna warstwa składa się z jonów z elektrolitu przyciąganych do powierzchni elektrody. Mechanizm magazynowania jest głównie elektrostatyczny, co oznacza, że energia jest magazynowana poprzez oddzielenie ładunków dodatnich i ujemnych na powierzchniach elektrod. Kluczowe czynniki wpływające na wydajność superkondensatorów obejmują powierzchnię elektrod, rodzaj użytego elektrolitu i właściwości fizyczne materiałów elektrod. Zrozumienie tych zasad pomaga zoptymalizować projekty superkondensatorów pod kątem konkretnych zastosowań i poprawić ich ogólną wydajność i niezawodność.
Celem superkondensatorów jest wypełnienie luki pomiędzy konwencjonalnymi kondensatorami a akumulatorami poprzez zaoferowanie dużej pojemności magazynowania energii, szybkiego ładowania/rozładowania i długiego cyklu życia. W przeciwieństwie do akumulatorów, które wyróżniają się gęstością energii, ale mogą mieć ograniczoną gęstość mocy i wolniejsze tempo ładowania, w superkondensatorach priorytetem jest gęstość mocy i szybkie dostarczanie energii. Ich celem jest zapewnienie uzupełniającego rozwiązania w zakresie magazynowania energii, które spełnia wymagania nowoczesnych zastosowań, takich jak regeneracyjne układy hamulcowe w pojazdach elektrycznych, magazynowanie energii odnawialnej i oszczędzanie mocy szczytowej w zastosowaniach przemysłowych i na skalę sieciową. Zwiększając efektywność energetyczną i niezawodność, superkondensatory mają przyczynić się do zrównoważonych rozwiązań energetycznych i poprawić ogólną wydajność systemu w różnych sektorach.
