Ny forståelse av superkondensatorer kan revolusjonere ladestandarder

En ny forståelse av superkondensatorer kan bidra til å gjøre det mulig å lade telefonen eller el‑bilen din på sekunder. Denne uken publiserte forskere fra CU Boulder en studie i Proceedings of the National Academy of Science om dynamikken i ionetransfer via porøs elektrisk dobbeltlag (EDL)‑lading som har potensial til å revolusjonere superkondensatormarkedet. Her er det du trenger å vite.

Hva er superkondensatorer?

Kondensatorer er en viktig komponent i dagens elektronikk. Disse enhetene lagrer elektrostatisk energi i et elektrisk felt i stedet for å skape energi via kjemiske metoder som tradisjonelle batterier. Som sådan har de unike egenskaper som gjør dem ideelle når ekstremt høy pulsekraft og kapasitans kreves.

Superkondensatorer vs batterier

Superkondensatorer og batterier lagrer begge energi, men på svært forskjellige måter. De mest vanlige batteriene lagrer energi ved hjelp av kjemiske reaksjoner. Denne metoden er ideell for langsiktige energibehov, men har alvorlige ulemper, som lange ladetider og vekt. Superkondensatorer tilfører kapasitans, noe som gjør dem til det ideelle systemet for å levere energibølger når det trengs.
Siden superkondensatorer lagrer energi gjennom en statisk ladning i stedet for en elektro‑kjemisk reaksjon, kan de gjøres lettere. I de fleste tilfeller brukes de til å supplere DC‑kretser og finnes i mange vanlige elektroniske enheter.

Hvordan fungerer superkondensatorer?

Superkondensatorer bygger opp ladning ved å fange ioner i porer. Denne ladningsmetoden gjør det mulig for en superkondensator å lade fullt på sekunder. Inntil nylig var denne metoden for lagring av elektrisitet begrenset når det gjelder lag og porer. Imidlertid er det nettopp denne unike ladningsmetoden som fanget oppmerksomheten til biokjemi‑ingeniør Ankur Gupta og hans team.

Vitenskapelige fag møtes

Gupta og hans forskerteam sorterte gjennom data innhentet ved å studere strømning gjennom porøse materialer og anvendte dette på superkondensatorer. I de fleste tilfeller ble denne vitenskapen brukt på ikke‑elektroniske enheter som vannfiltreringssystemer. Merkverdig innså Gupta at hans ekspertise også kunne brukes i elektronikk. Resultatene deres viste at ladningsmetoder med elektrisk dobbeltlag (EDL) kunne forbedres ved hjelp av deres modell for å skape mer effektive energilagringsenheter, inkludert batterier som kan lade på sekunder.

Detaljer om studien

Forskerne begynte med å gjennomgå hvordan poreforbindelser og polydispersitet påvirker lading med hensyn til effektivitet og kapasitet. For å utføre denne oppgaven utviklet de nye metoder for å forutsi elektrolyttbevegelse gjennom flerlagsporer arrangert i komplekse strukturer.

Ny modell forbedrer ingeniørplanlegging

Modellen simulerte tusenvis av sammenkoblede porer stablet i lag og overvåket ionebevegelse. Å legge til flere lag av disse systemene viste seg å være en effektiv måte å muliggjøre større energifangstkapasitet på. Nøkkelen er å skape en struktur som gjør det mulig å fange maksimalt antall ioner uten å forårsake full blokkering.
Merkverdig fastslo forskerne at maksimal overflateareal kunne forbedre ytelse og lagringskapasitet. Som sådan ga de dybde til simuleringene sine. Modellen deres gjør det mulig for ingeniører å forutsi struktur‑egenskaps‑relasjoner og hvordan de påvirker energioverføring nøyaktig i disse komplekse flerlagede filtrene. Dataene ble deretter kryssreferert for å fastslå de mest effektive metodene for å generere og slippe ut energi når det kreves.

Studieresultater

Studien gjorde det mulig for forskerne å lage modeller og teste resultater mange ganger raskere enn tidligere metoder. Spesielt ble resultatene maksimert i et trekantgitter med fem tusen porer, som tok 6 minutter å fullføre. I fremtiden håper de å simulere Debye–Hückel‑grensen uten begrensninger på EDL‑tykkelse og pore‑radius.

Kirchhoffs lov

Forskerne bemerket at de kom på ideen etter å ha modifisert Kirchhoffs lov. Den tyske fysikeren Gustav Kirchhoff utviklet i 1845 to lover som regulerer elektrisitetsoppførsel, kalt Kirchhoffs spenning‑ og strømlov. Disse lovene brukes den dag i dag for å bestemme motstand i komplekse nettverk.

Virkelige anvendelser av superkondensatorer

Superkondensatorer har mange virkelige anvendelser på tvers av industrier. Du kan finne disse nyttige enhetene brukt til å buffer systemer, drive kjøretøy og mye mer. Her er de mest vanlige bruksområdene for superkondensatorer i dag.

Minnebeskyttelse og intern batterireserve

En av de mest populære bruksområdene for superkondensatorer i dag er minnebeskyttelse og støtte for reservebatteri. Superkondensatorer er ideelt egnet for denne oppgaven siden de er lette, mindre enn batterier, pålitelige og krever ingen vedlikehold. Som sådan finnes disse enhetene i de fleste DC‑elektroniske produkter i dag.
Superkondensatorer kan gi pålitelig minnebackup på grunn av deres evne til raskt å holde høy effektbelastning. Denne egenskapen gjør dem ideelle ved uventede nedstengninger eller andre strømtapsscenarier. I slike situasjoner er det vanlig at disse enhetene sender cache til flash‑minne, og lagrer fremdriften din i de kritiske sekundene under strømtapet.

Strøm‑buffering

En annen svært vanlig bruk av superkondensatorer er å tilby en buffer for høyintensitetssystemer. Superkondensatorer gir den perfekte løsningen når en kraftboost er nødvendig. Denne evnen gjør at enhetene kan jevne ut kraftfluktuasjoner for å sikre en jevn kraftleveranse.
Strøm‑buffering i elektronikk er populært, og superkondensatorer er den mest vanlige måten å få disse enhetene til å fungere jevnt på. Disse enhetene gir nødvendig krafttetthet og leveringskapasitet for å injisere energi når systemet krever det uten behov for ekstra systemer. Som sådan kan du finne superkondensatorer som bistår i trekkontroll, hastighetsboost og andre viktige oppgaver som el‑biler utfører.

Energi‑innhøsting

Energi‑innhøstingsmetoder kan forbedres betydelig ved bruk av superkondensatorer. Superkondensatorers egenskaper, som evnen til å lagre ekstra energi og frigjøre den på sekunder, gjør dem svært egnet for bruk i energi‑innhøstingsprosessen. Her spiller de en viktig rolle i å jevne ut ujevne strømtoppene.
Energi‑innhøstings‑teknologi fortsetter å vokse i omfang og betydning. I dag har superkondensatorer viktige roller for å sikre jevn og konsistent kraft over samfunnsnett, lang‑levetids‑batterier, brenselceller eller til og med avanserte forbrenningsmotorer. I nær fremtid vil superkondensatorer ha en enda viktigere rolle i energi‑innhøsting, da de vil bidra til å maksimere avkastningen fra neste generasjons sol‑ og vindparker.

Integrering med batterier

Det er lett å se hvorfor superkondensatorer kan være nøkkelen til bedre batterier. Allerede finnes det batterier som integrerer disse enhetene for å sikre jevn kraftleveranse og lading. Her sørger superkondensatorer for at ujevn spenning ikke skader kretser eller skaper problematiske spiker.
Forskning har vist at superkondensatorer kan bidra til å øke batteriytelsen til nye høyder. Deres høye kapasitet og raske utløsning gjør at disse enhetene kan lagre mer energi enn batterier. I tillegg kan den kraften brukes der den trengs 10 ganger raskere enn tradisjonelle leveringsmetoder.

Energilagring i hybridkjøretøy

Hybridkjøretøy er en annen bransje som har funnet bruk for superkondensatorer. I løpet av de siste fem årene har det vært en målrettet innsats for å utvikle fullt kondensator‑drevne motorer for kjøretøy. Denne utviklingen ville revolusjonere industrien ved å muliggjøre nesten umiddelbar lading via en rekke alternativer, inkludert regenerativ bremsing, omgivelses‑kraftkilder og andre avanserte metoder.
Målet er at superkondensatorer skal være hovedkraftkilden for disse enhetene. Dette tiltaket vil redusere kostnadene og vekten på el‑biler betydelig. Det vil også forbedre holdbarhet og pålitelighet samtidig som vekten på disse kjøretøyene reduseres betraktelig. Alle disse faktorene har ført til at hybridprodusenter bruker betydelige midler på å forske på de beste alternativene.

IoT – tingenes internett

IoT er et enormt nettverk av smarte enheter som har vokst til å omfatte milliarder av enheter. Disse enhetene er smarte fordi de har sensorer og kommuniserer med internett. Disse ofte små og lav‑effekt‑enhetene kan utnytte superkondensatorer for å møte deres strømkrav samtidig som de forblir små og rimelige.
IoT er i vekst, og analytikere forutsier at dette milliard‑sterke nettverket av enheter vil øke betydelig i de kommende årene. I likhet med at strømforsyning av disse enhetene har blitt et hovedfokus for utviklere, ingeniører og produsenter.

Fordeler med denne forskningen

Den viktigste fordelen med forskernes studie er forbedringen av superkondensatorer. Deres modell vil gjøre det mulig for produsenter å lage komplekse og mer effektive enheter som vil drive superraskt ladende batterier, strømnett, reise og mye mer. Her er noen selskaper som kan dra nytte av denne teknologien i de kommende årene.

1. FREYR Battery

FREYR Battery (TE ) er en luxembourgsk battericelleprodusent som fortsatt er den dominerende kraften i markedet. Selskapet ble grunnlagt i 2018 for å betjene det voksende el‑batterimarkedet. I dag spesialiserer firmaet seg på energilagring, luftfart, bil og elektriske batteritjenester.

FREYR Battery er en kraftpakke i markedet med store operasjoner i Norge og USA. Georgia vil bli hjemmet til selskapets nå under bygging Giga‑batterifabrikk. Disse massive batteriene er designet for å betjene industrisektoren, noe som gjør dette anlegget til et banebrytende tiltak i markedet.

FREYR Battery har en markedsverdi (MCAP) som svinger mellom ca. $225 M og $359,74 M. Når man ser på aksjen over den siste 52‑ukersperioden, har verdiene svingt mellom $1,21 og $10,10, med en all‑time høyde på $16,94 den 6. oktober 2022. For øyeblikket forutsier analytikere at FREY Battery er en sterk «hold», med prognoser fra $10,00 til $1,90.

2. QuantumScape

QS Prisdiagram

QuantumScape (QS ) ble finansiert av Jagdeep Singh, Tim Holme og Fritz B. Prinz. Selskapet gikk inn i markedet i 2010 og har base i California. Firmaet spesialiserer seg på solid‑state batteriteknologi og andre energispare‑strategier. Merkverdig kan dette innovative batteriselskapet i fremtiden integrere forskernes fremskritt for å oppgradere sine produkter.

QuantumScape søker å presse grensene for batteriteknologi for å forbedre effektivitet og bærekraft. Selskapet har nylig tiltrukket oppmerksomhet etter å ha blitt den eneste produsenten som utviklet anode‑løse battericeller. Denne forbedringen gir høyere energitetthet og reduserer produksjonskostnadene.

Handlere vil merke at QuantumScape‑aksjen har svingt mellom $4,92 og $13,86 de siste 52 ukene. MCAP for dette aktivumet har ligget mellom $2 milliarder og $3 milliarder. Til tross for at formen ikke viser avkastning for tradere, anses den fortsatt som et godt tillegg fordi innovasjonene har høy potensial til å ryste markedet i de kommende månedene.

Fremtiden for superkondensatorer

Fremtiden for superkondensatorer er lysende. Flere firmaer fortsetter å forske på hvordan de kan forbedre disse nyttige enhetene og integrere dem i eksisterende systemer for å oppgradere ytelsen. Som sådan er superkondensatormarkedet svært aktivt og fullt av innovasjoner. I fremtiden vil forskere dedikere tid til utforskning av nye materialer.
I tillegg vil mer oppmerksomhet bli viet til disse enhetenes fysiske egenskaper. De kan snart bli mykere, bøylige eller til og med strekkbare for å betjene myke roboter og andre fremvoksende markeder. Å gjøre disse enhetene mindre er en annen viktig bekymring som vil drive innovasjon.

Grønn økonomi

Fremtiden for superkondensatorer er grønn. Det pågår mye forskning på hvordan disse enhetene kan gjøres biologisk nedbrytbare i fremtiden. Denne oppgraderingen vil bidra til å redusere deres påvirkning på miljøet etter hvert som bruken øker. Bærekraft er en viktig bekymring for all teknologi fremover. Som sådan vil materialer for superkondensatorer bli mer eksotiske over tid for å sikre at de gjør mindre skade på økosystemet.

Nye superkondensatorer får nye muligheter

Når du ser på den kritiske rollen superkondensatorer spiller i ditt daglige liv, er det lett å forstå hvorfor denne forskningen har fått så mye oppmerksomhet. Disse enhetene driver elektronikken som så mange har blitt avhengige av i hverdagen. I fremtiden vil superraskt ladende batterier og strømnett være akkurat det markedet krever. Som sådan er det en klok beslutning å holde seg oppdatert på denne forskningen etter hvert som den utvikler seg.

Lær om andre tankevekkende prosjekter her.