Ny förståelse av superkondensatorer kan revolutionera laddningsstandarder

En ny förståelse av superkondensatorer kan hjälpa till att göra det möjligt att ladda din telefon eller elbil på sekunder. Denna vecka publicerade forskare från CU Boulder en studie i Proceedings of the National Academy of Science om dynamiken i jonöverföring via porös elektrisk dubbel lager (EDL) laddning som har potential att revolutionera superkondensatormarknaden. Här är vad du behöver veta.

Vad är superkondensatorer?

Kondensatorer är en avgörande komponent i dagens elektronik. Dessa enheter lagrar elektrostatiskt energi i ett elektriskt fält snarare än att skapa energi via kemiska metoder som traditionella batterier. På så sätt har de unika egenskaper som gör dem idealiska när extremt hög pulseffekt och kapacitans krävs.

Superkondensatorer vs batterier

Superkondensatorer och batterier lagrar båda energi men på mycket olika sätt. De vanligaste batterierna lagrar energi genom kemiska reaktioner. Denna metod är idealisk för långsiktiga energibehov men har allvarliga nackdelar, såsom långa laddningstider och vikt. Superkondensatorer har extra kapacitans, vilket gör dem till det ideala systemet för att leverera energiburstar när det behövs.
Eftersom superkondensatorer lagrar energi genom en statisk laddning snarare än en elektrolytisk reaktion, kan de göras lättare. I de flesta fall används de för att komplettera DC‑kretsar och kan hittas i många vanliga elektronikprodukter.

Hur fungerar superkondensatorer?

Superkondensatorer bygger upp laddning genom att fånga joner i porer. Denna laddningsmetod gör det möjligt för en superkondensator att laddas fullt på sekunder. Fram till nyligen var denna metod för att lagra elektricitet begränsad när det gäller lager och porer. Det är dock just denna unika laddningsmetod som fångade biokemiingenjör Ankur Gupta och hans teams uppmärksamhet.

När vetenskapliga fält möts

Gupta och hans forskarlag gick igenom data som erhölls genom att studera flöde genom porösa material och tillämpade den på superkondensatorer. I de flesta fall användes denna vetenskap på icke‑elektroniska enheter såsom vattenfiltreringssystem. Noterbart insåg Gupta att hans expertis också kunde användas inom elektronik. Deras resultat visade att laddningsmetoder med elektrisk dubbel lager (EDL) kunde förbättras med deras modell för att skapa mer effektiva energilagringsenheter, inklusive batterier som kan laddas på sekunder.

Detaljer om studien

Forskarna började med att granska hur poranslutning och polydispersitet påverkar laddning när det gäller effektivitet och kapacitet. För att utföra detta skapade de nya metoder för att förutsäga elektrolytens rörelse genom flerskiktsporer arrangerade i komplexa strukturer.

Ny modell förbättrar ingenjörsplanering

Modellen simulerade tusentals sammankopplade porer staplade i lager och övervakade jonrörelsen. Att lägga till fler lager av dessa system visade sig vara ett effektivt sätt att möjliggöra större energifångstkapacitet. Nyckeln är att skapa en struktur som möjliggör att maximalt antal joner fångas utan att orsaka en total igensättning.
Speciellt fastställde forskarna att maximering av ytan kunde förbättra prestanda och lagringskapacitet. Därför skapade de djup i sina simuleringar. Deras modell gör det möjligt för ingenjörer att förutsäga strukturegenskapsrelationer och hur de påverkar energitransfer exakt på dessa komplexa flerskiktsfilter. Data korsrefererades sedan för att bestämma de mest effektiva metoderna för att generera och urladda energi när det behövs.

Studieresultat

Studien gjorde det möjligt för forskarna att skapa modeller och testa resultat många gånger snabbare än tidigare metoder. Specifikt maximerades resultaten i ett triangulärt gitter med fem tusen porer, vilket tog 6 minuter att slutföra. I framtiden hoppas de kunna simulera Debye–Hückel-gränsen utan begränsningar på EDL‑tjocklek och porradier.

Kirchhoffs lag

Forskare noterade att de kom på idén efter att ha modifierat Kirchhoffs lag. Den tyske fysikern Gustav Kirchhoff skapade 1845 två lagar som styr elektricitetsbeteende, kallade Kirchhoffs spännings- och strömlag. Dessa lagar används än idag för att bestämma resistans i komplexa nätverk.

Superkondensatorers verkliga tillämpningar

Superkondensatorer har många verkliga tillämpningar som sträcker sig över olika industrier. Du kan hitta dessa användbara enheter som används för att buffra system, driva fordon och mycket mer. Här är de vanligaste användningarna av superkondensatorer idag.

Minneskydd och intern batteribackup

En av de mest populära användningarna av superkondensatorer idag är minnesskydd och backupbatteristöd. Superkondensatorer är idealiska för denna uppgift eftersom de är lätta, mindre än batterier, pålitliga och kräver inget underhåll. Därför finns dessa enheter i de flesta DC‑elektronikprodukter idag.
Superkondensatorer kan erbjuda pålitlig minnesbackup tack vare deras förmåga att snabbt hålla hög effektbelastning. Denna kapacitet gör dem idealiska vid oväntade avstängningar eller andra strömavbrottsscenarier. I dessa situationer är det vanligt att enheterna skickar cache till flashminne, vilket sparar ditt arbete under de kritiska sekunderna vid strömavbrott.

Effektbuffring

En annan mycket vanlig användning för superkondensatorer är att fungera som en buffert för högintensiva system. Superkondensatorer erbjuder den perfekta lösningen när en kraftökning behövs. Denna förmåga gör att enheterna kan jämna ut effektfluktuationer för att säkerställa en jämn energileverans.
Effektbuffring i elektronik är populärt och superkondensatorer är det vanligaste sättet att få dessa enheter att fungera smidigt. Dessa enheter levererar den nödvändiga effekt­densiteten och leveranskapaciteten för att injicera energi när systemet kräver det utan behov av extra system. Därför kan du hitta superkondensatorer som assisterar i ditt dragkraftssystem, hastighetsökningar och andra viktiga funktioner som elbilar utför.

Energihämtning

Energihämtning kan förbättras avsevärt med hjälp av superkondensatorer. Superkondensatorers egenskaper, såsom förmågan att lagra extra energi och släppa den på sekunder, gör dem väl lämpade för energihämtningsprocessen. Här spelar de en viktig roll i att jämna ut ojämna strömökningar.
Tekniken för energihämtning fortsätter att öka i omfattning och betydelse. Idag har superkondensatorer viktiga roller för att säkerställa jämn och konsekvent kraft i samhällsgrids, långlivade batterier, bränsleceller eller till och med avancerade förbränningsmotorer. På kort sikt kommer superkondensatorer att spela en ännu viktigare roll i energihämtning, då de hjälper till att maximera avkastningen från nästa generations sol- och vindkraftsparker.

Integration med batterier

Det är lätt att förstå varför superkondensatorer kan vara nyckeln till bättre batterier. Redan finns det batterier som integrerar dessa enheter för att säkerställa jämn kraftleverans och laddning. Här ser superkondensatorer till att ojämn spänning inte skadar kretsar eller skapar problematiska spikar.
Forskning har visat att superkondensatorer kan hjälpa till att lyfta batteriprestanda till nya nivåer. Deras höga kapacitet och snabba urladdning gör att dessa enheter kan lagra mer energi än batterier. Dessutom kan den kraften tillämpas där den behövs 10 gånger snabbare än traditionella leveransmetoder.

Energilagrning i hybridfordon

Hybridfordon är en annan bransch som har hittat en användning för superkondensatorer. Under de senaste fem åren har det pågått ett samordnat arbete för att utveckla helt kondensatordrivna motorer för fordon. Denna utveckling skulle revolutionera branschen eftersom den möjliggör nästan omedelbar uppladdning via en rad alternativ, inklusive regenerativ bromsning, omgivningskraft och andra avancerade metoder.
Målet är att superkondensatorer ska vara den huvudsakliga energikällan för dessa enheter. Detta skulle avsevärt minska kostnaderna och vikten för elbilar. Det skulle också förbättra hållbarhet och tillförlitlighet samtidigt som fordonens vikt minskar markant. Alla dessa faktorer har lett till att hybridtillverkare investerar betydande medel i att forska om de bästa alternativen.

IoT – Internet of Things

IoT är ett enormt nätverk av smarta enheter som har vuxit till att omfatta miljarder enheter. Dessa enheter är smarta eftersom de har sensorer och kommunicerar med internet. Dessa ofta små och lågströmsenheter kan utnyttja superkondensatorer för att möta sina energikrav samtidigt som de förblir små och prisvärda.
IoT växer med analytiker som förutspår att detta miljardstarka nätverk av enheter kommer att öka avsevärt under de kommande åren. Såväl som att driva dessa enheter har blivit ett huvudfokus för utvecklare, ingenjörer och tillverkare.

Fördelar med denna forskning

Den främsta fördelen med forskarnas studie är förbättringen av superkondensatorer. Deras modell kommer att göra det möjligt för tillverkare att skapa komplexa och mer effektiva enheter som kan driva supersnabbt laddande batterier, elnät, transport och mycket mer. Här är några företag som kan dra nytta av denna teknik under de kommande åren.

1. FREYR Battery

FREYR Battery (TE ) är en luxemburgisk tillverkare av battericeller som fortsatt är den dominerande kraften på marknaden. Företaget grundades 2018 för att betjäna den växande EV‑batterimarknaden. Idag specialiserar företaget sig på energilagring, flyg, bil och elbatteritjänster.

FREYR Battery är en kraftpaket på marknaden med stora verksamheter i Norge och USA. Georgia kommer att vara hem för företagets pågående Giga‑batterifabrik. Dessa enorma batterier är designade för att betjäna industrisektorn, vilket gör denna fabrik till ett banbrytande initiativ på marknaden.

FREYR Battery har ett marknadsvärde (MCAP) som varierar mellan cirka 225 M$ och 359,74 M$. Vid granskning av aktien under de senaste 52 veckorna har värdena fluktuerat mellan 1,21 $ och 10,10 $, med ett rekordhögt värde på 16,94 $ den 6 oktober 2022. För närvarande förutspår analytiker att FREY Battery är en stark ”håll” med prognoser mellan 10,00 $ och 1,90 $.

2. QuantumScape

QS Prisdiagram

QuantumScape (QS ) finansierades av Jagdeep Singh, Tim Holme och Fritz B. Prinz. Företaget gick in på marknaden 2010 och är baserat i Kalifornien. Företaget specialiserar sig på fast‑tillstånds‑batteriteknik och andra energisparande strategier. Noterbart är att detta innovativa batteriföretag kan integrera forskarnas framsteg i framtiden för att förbättra sitt erbjudande.

QuantumScape strävar efter att tänja på gränserna för batteriteknik för att förbättra effektivitet och hållbarhet. Företaget väckte nyligen uppmärksamhet genom att bli den enda tillverkaren som utvecklat anodlösa battericeller. Denna förbättring ger högre energitäthet och minskar tillverkningskostnaderna.

Handlare kommer att notera att QuantumScape‑aktien fluktuerade mellan 4,92 $ och 13,86 $ under de senaste 52 veckorna. MCAP för denna tillgång har legat mellan 2 Mrd $ och 3 Mrd $. Trots att formen inte visar avkastning för handlare, anses den fortfarande vara ett bra tillskott eftersom dess innovationer har hög potential att omvälva marknaden under de kommande månaderna.

Framtiden för superkondensatorer

Framtiden för superkondensatorer är ljus. Fler företag fortsätter att forska i hur man förbättrar dessa hjälpsamma enheter och integrerar dem i befintliga system för att höja prestanda. Därför är superkondensatormarknaden mycket aktiv och full av innovationer. I framtiden kommer forskare att ägna tid åt att utforska nya material.
Dessutom kommer mer uppmärksamhet att ägnas åt dessa enheters fysiska egenskaper. De kan snart göras mjukare, böjliga eller till och med stretchbara för att betjäna mjuka robotar och andra framväxande marknader. Att göra dessa enheter mindre är en annan viktig fråga som kommer att driva innovation.

Grön ekonomi

Framtiden för superkondensatorer är grön. Det pågår mycket forskning kring hur man kan göra dessa enheter biologiskt nedbrytbara i framtiden. Denna förbättring skulle hjälpa till att minska deras påverkan på miljön i takt med att deras användning fortsätter att öka. Hållbarhet är en stor fråga för all teknik framöver. Därför kommer material för superkondensatorer att bli mer exotiska med tiden för att säkerställa att de skadar ekosystemet mindre.

Nya superkondensatorer får nya förmågor

När du ser på den kritiska roll som superkondensatorer spelar i ditt dagliga liv är det lätt att förstå varför denna forskning har fått så mycket uppmärksamhet. Dessa enheter driver den elektronik som så många människor har kommit att förlita sig på i vardagen. I framtiden är supersnabbt laddande batterier och elnät exakt vad marknaden kräver. Därför är det ett klokt beslut att hålla sig uppdaterad om denna forskning när den utvecklas.

Läs om andra tankeväckande projekt här.