Ny forståelse af superkondensatorer kan revolutionere opladningsstandarder

En ny forståelse af superkondensatorer kan hjælpe med at gøre det muligt at oplade din telefon eller elbil på sekunder. Denne uge offentliggjorde forskere fra CU Boulder en undersøgelse i Proceedings of the National Academy of Science om dynamikken i ionoverførsel via porøs elektrisk-dobbeltlag (EDL) opladning, som har potentiale til at revolutionere superkondensatormarkedet. Her er, hvad du skal vide.

Hvad er superkondensatorer?

Kondensatorer er en afgørende komponent i nutidens elektronik. Disse enheder lagrer elektrostatiske energi i et elektrisk felt i stedet for at skabe energi via kemiske metoder som traditionelle batterier. Som sådan har de unikke egenskaber, der gør dem ideelle, når ekstremt høj pulsstyrke og kapacitans er påkrævet.

Superkondensatorer vs batterier

Superkondensatorer og batterier lagrer begge energi, men på meget forskellige måder. De mest almindelige batterier lagrer energi ved hjælp af kemiske reaktioner. Denne metode er ideel til langsigtede energibehov, men har alvorlige ulemper, såsom lange opladningstider og vægt. Superkondensatorer tilføjer kapacitans, hvilket gør dem til det ideelle system til at levere energiburst, når det er nødvendigt.

Da superkondensatorer lagrer energi gennem en statisk ladning i stedet for en elektrochemisk reaktion, kan de gøres lettere. I de fleste tilfælde bruges de til at supplere DC‑kredsløb og kan findes i mange almindelige elektroniske enheder.

Hvordan fungerer superkondensatorer?

Superkondensatorer opbygger ladning ved at fange ioner i porer. Denne opladningsmetode gør det muligt for en superkondensator at blive fuldt opladet på sekunder. Indtil for nylig var denne metode til at lagre elektricitet begrænset med hensyn til lag og porer. Det er dog netop denne unikke opladningsmetode, der fangede opmærksomheden hos biokemisk ingeniør Ankur Gupta og hans team.

Videnskabelige felter mødes

Gupta og hans forskerteam sorterede gennem data opnået ved at undersøge flow gennem porøse materialer og anvendte dem på superkondensatorer. I de fleste tilfælde blev denne videnskab anvendt på ikke‑elektroniske enheder såsom vandfiltreringssystemer. Bemærkelsesværdigt indså Gupta, at hans ekspertise også kunne bruges i elektronik. Deres resultater viste, at elektrisk-dobbeltlag (EDL) opladningsmetoder kunne forbedres ved hjælp af deres model for at skabe mere effektive energilagringsenheder, herunder batterier, der kan oplades på sekunder.

Detaljer om undersøgelsen

Forskerne begyndte med at gennemgå, hvordan poreforbindelser og polydispersitet påvirker opladning med hensyn til effektivitet og kapacitet. For at udføre denne opgave udviklede de nye metoder til at forudsige elektrolytbevægelse gennem lagdelte porer arrangeret i komplekse strukturer.

Ny model forbedrer ingeniørplanlægning

Modellen simulerede tusindvis af sammenkoblede porer stablet i lag og overvågede ionbevægelse. Tilføjelse af flere lag af disse systemer viste sig at være en effektiv måde at muliggøre større energifangstkapacitet på. Nøglen er at skabe en struktur, der tillader det maksimale antal ioner at blive fanget uden at forårsage en fuldstændig tilstopning.

Bemærkelsesværdigt fastslog forskerne, at maksimering af overfladearealet kunne forbedre ydeevne og lagringskapacitet. Som sådan tilføjede de dybde til deres simulationer. Deres model gør det muligt for ingeniører at forudsige struktur‑egenskabs‑relationer og hvordan de påvirker energioverførsel præcist på disse komplekse lagdelte filtre. Dataene blev derefter krydsrefereret for at bestemme de mest effektive metoder til at generere og aflade energi, når det er nødvendigt.

Undersøgelsesresultater

Undersøgelsen gjorde det muligt for forskerne at skabe modeller og teste resultater mange gange hurtigere end tidligere metoder. Specifikt blev resultaterne maksimeret i et trekantet gitter med fem tusinde porer, hvilket tog 6 minutter at gennemføre. I fremtiden håber de at simulere Debye–Hückel-grænsen uden begrænsninger på EDL‑tykkelse og pore‑radius.

Kirchhoffs lov

Forskerne bemærkede, at de fik idéen efter at have modificeret Kirchhoffs lov. Den tyske fysiker Gustav Kirchhoff udarbejdede i 1845 to love, der regulerer elektrisk adfærd, kaldet Kirchhoffs spændings‑ og strømlov. Disse love bruges den dag i dag til at bestemme modstand i komplekse netværk.

Superkondensatorers anvendelser i den virkelige verden

Superkondensatorer har mange anvendelser i den virkelige verden på tværs af industrier. Du kan finde disse nyttige enheder brugt til at buffer systemer, drive køretøjer og meget mere. Her er de mest almindelige anvendelser af superkondensatorer i dag.

Hukommelsesbeskyttelse og intern batteribackup

En af de mest populære anvendelser af superkondensatorer i dag er hukommelsesbeskyttelse og backup‑batteristøtte. Superkondensatorer er ideelt egnet til denne opgave, da de er lette, mindre end batterier, pålidelige og ikke kræver vedligeholdelse. Som sådan findes disse enheder i de fleste DC‑elektroniske apparater i dag.

Superkondensatorer kan levere pålidelig hukommelsesbackup på grund af deres evne til hurtigt at holde høje belastninger. Denne egenskab gør dem ideelle ved uventede nedlukninger eller andre strømtabsscenarier. I sådanne scenarier er det almindeligt, at disse enheder sender cachen til flash‑hukommelse, så dit arbejde gemmes i de kritiske sekunder under strømtabet.

Strømbuffer

En anden meget almindelig anvendelse af superkondensatorer er at fungere som buffer for højintensitetssystemer. Superkondensatorer giver den perfekte løsning, når der er behov for et strømboost. Denne evne gør det muligt for disse enheder at udjævne strømfluktuationer for at sikre en glat strømlevering.

Strømbuffering i elektronik er populært, og superkondensatorer er den mest almindelige måde at få disse enheder til at fungere problemfrit på. Disse enheder leverer den nødvendige effekt‑densitet og leveringskapacitet til at injicere energi, når systemet kræver det, uden behov for ekstra systemer. Som sådan kan du finde superkondensatorer, der assisterer i din trækningskontrol, hastighedsboost og andre vitale opgaver, som elbiler udfører.

Energihøstning

Energihøstningsmetoder kan forbedres betydeligt ved brug af superkondensatorer. Superkondensatorers egenskaber, såsom evnen til at lagre ekstra energi og frigive den på sekunder, gør dem velegnede til energihøstningsprocessen. Her spiller de en vigtig rolle i at udjævne ujævne strømstød.

Energihøstningsteknologi fortsætter med at udvide sit omfang og betydning. I dag har superkondensatorer vitale roller i at sikre en jævn og konsistent strømforsyning på tværs af fællesskabsnet, langtidsholdbare batterier, brændselsceller eller endda avancerede forbrændingsmotorer. I den nærmeste fremtid vil superkondensatorer spille en endnu vigtigere rolle i energihøstning, da de vil hjælpe med at maksimere udbyttet fra næste generations sol‑ og vindfarme.

Integration med batterier

Det er let at se, hvorfor superkondensatorer kan indeholde nøglen til bedre batterier. Allerede nu findes der batterier, der integrerer disse enheder for at sikre en glat strømlevering og opladning. Her sikrer superkondensatorer, at ujævn spænding ikke beskadiger kredsløb eller skaber problematiske spidser.

Forskning har vist, at superkondensatorer kan hjælpe med at løfte batteriydeevnen til nye højder. Deres høje kapacitet og hurtige frigivelse gør det muligt for disse enheder at lagre mere energi end batterier. Derudover kan den energi anvendes, hvor den er nødvendig, 10 gange hurtigere end traditionelle leveringsmetoder.

Energilagring i hybridkøretøjer

Hybridkøretøjer er en anden industri, der har fundet anvendelse for superkondensatorer. I løbet af de sidste 5 år har der været en målrettet indsats for at udvikle fuldt kondensator-drevne motorer til køretøjer. Denne udvikling ville revolutionere branchen, da den ville muliggøre næsten øjeblikkelig genopladning via en række muligheder, herunder regenerativ bremsning, omgivende strømkilder og andre avancerede metoder.

Målet er at lade superkondensatorer blive den primære energikilde for disse enheder. Dette skridt ville reducere omkostningerne og vægten af elbiler betydeligt. Det ville også forbedre holdbarhed og pålidelighed, mens vægten af disse køretøjer reduceres markant. Alle disse faktorer har fået hybridproducenter til at investere betydelige midler i at undersøge de bedste muligheder.

IoT – Internet of Things

IoT er et enormt netværk af smarte enheder, der er vokset til at omfatte milliarder af enheder. Disse enheder er smarte, fordi de har sensorer og kommunikerer med internettet. Disse ofte små og lavenergi‑enheder kan udnytte superkondensatorer til at opfylde deres strømkrav, mens de forbliver små og overkommelige.

IoT er i vækst, og analytikere forudsiger, at dette milliarder‑stærke netværk af enheder vil stige markant i de kommende år. Således er strømforsyning af disse enheder blevet et hovedfokus for udviklere, ingeniører og producenter.

Fordele ved denne forskning

Hovedfordelen ved forskernes undersøgelse er forbedringen af superkondensatorer. Deres model vil gøre det muligt for producenter at skabe komplekse og mere effektive enheder, der kan drive superhurtigt opladende batterier, elnet, transport og meget mere. Her er nogle virksomheder, der kan drage fordel af denne teknologi i de kommende år.

1. FREYR Battery

FREYR Battery (TE ) er en luxembourgisk battericelleproducent, der forbliver den dominerende kraft på markedet. Virksomheden blev grundlagt i 2018 for at betjene det voksende EV‑batterimarked. I dag specialiserer firmaet sig i energilagring, luftfart, bil- og elektriske batteritjenester.

FREYR Battery er en kraftcentral på markedet med store operationer i Norge og USA. Georgia vil blive hjemsted for firmaets nu under konstruktion Giga‑batteriplan. Disse massive batterier er designet til at betjene den industrielle sektor, hvilket gør denne fabrik til en banebrydende indsats på markedet.

FREYR Battery har en MCAP, der svinger omkring $225M til $359,74M. Når man ser på aktien over den seneste 52‑ugers periode, har værdierne svinget mellem $1,21 og $10,10, med en rekordhøj på $16,94 den 6. oktober 2022. I øjeblikket forudsiger analytikere, at FREY Battery er en stærk “hold”, da prognoserne ligger mellem $10,00 og $1,90.

2. QuantumScape

QS Prisdiagram

QuantumScape (QS ) blev finansieret af Jagdeep Singh, Tim Holme og Fritz B. Prinz. Det kom ind på markedet i 2010 og er baseret i Californien. Virksomheden specialiserer sig i solid‑state batteriteknologi og andre energibesparende strategier. Bemærkelsesværdigt kan dette innovative batterifirma i fremtiden integrere forskernes fremskridt for at opgradere sine tilbud.

QuantumScape søger at skubbe grænserne for batteriteknologi for at forbedre effektivitet og bæredygtighed. Virksomheden vakte for nylig opsigt efter at være den eneste producent, der har udviklet anode‑fri battericeller. Denne forbedring giver højere energitæthed og reducerer produktionsomkostningerne.

Handlere vil bemærke, at QuantumScape‑aktien har svinget mellem $4,92 og $13,86 i de sidste 52 uger. MCAP for dette aktiv har haft værdier fra $2 mia. til $3 mia. På trods af at formen ikke viser afkast for handlere, betragtes den stadig som et godt tilføjelse, fordi dens innovationer har et højt potentiale til at ryste markedet i de kommende måneder.

Fremtiden for superkondensatorer

Fremtiden for superkondensatorer er lysende. Flere virksomheder fortsætter med at forske i, hvordan man kan forbedre disse nyttige enheder og integrere dem i eksisterende systemer for at opgradere ydeevnen. Som sådan er superkondensatormarkedet meget aktivt og fuld af innovationer. I fremtiden vil forskere afsætte tid til at udforske nye materialer.

Derudover vil der blive lagt mere opmærksomhed på disse enheders fysiske egenskaber. De kan snart blive blødere, bøjelige eller endda strækbare for at betjene bløde robotter og andre fremvoksende markeder. At gøre disse enheder mindre er en anden stor bekymring, der vil drive innovation.

Grøn økonomi

Fremtiden for superkondensatorer er grøn. Der er meget forskning i, hvordan man kan gøre disse enheder biologisk nedbrydelige i fremtiden. Denne opgradering vil hjælpe med at reducere deres påvirkning af miljøet, efterhånden som deres brug fortsætter med at stige. Bæredygtighed er en stor bekymring for al teknologi fremover. Som sådan vil superkondensatormaterialer blive mere eksotiske over tid for at sikre, at de forårsager mindre skade på økosystemet.

Nye superkondensatorer får nye kapaciteter

Når du ser på den kritiske rolle, som superkondensatorer spiller i dit daglige liv, er det let at forstå, hvorfor denne forskning har fået så meget opmærksomhed. Disse enheder driver den elektronik, som så mange mennesker er blevet afhængige af i hverdagen. I fremtiden er superhurtigt opladende batterier og elnet præcis det, markedet kræver. Som sådan er det en klog beslutning at holde sig opdateret på denne forskning, mens den udfolder sig.

Lær om andre tankevækkende projekter her.