Superkondensaattoreita on jo pitkään käytetty esimerkiksi muistin suojaamiseen tai sisäiseen akkuvaravoimaan, mutta viime vuosina niiden sovellusalue on laajentunut merkittävästi esimerkiksi hybridiajoneuvoihin, älypuhelimiin ja energiankeruuseen. Uudet näkyvissä olevat teknologiat lupaavat nostaa superkondensaattorit haastamaan toden teolla myös ladattavat akut.

Superkondensaattori sijoittuu edullisesti kondensaattorien ja akkujen välimaastoon. Yksi superkondensaattori voi varastoida paljon enemmän energiaa kuin perinteinen kondensaattori. Varauskapasiteetti jää jälkeen akuista, mutta jos varastoitu energia riittää sovellusta varten, superkondensaattoreilla on monia etuja puolillaan. Ne käynnistyvät välittömästi, latautuvat nopeasti ja tulevat toimeen huomattavasti yksinkertaisemmalla latauspiiristöllä.

Elektroniikkasuunnittelujoiden kannalta superkondensaattorin tärkeisiin ominaisuuksiin kuuluuvat suuri tehotiheys ja erittäin pitkä käyttöikä latauskerroista riippumatta. Tämä on selvä etu akkuihin verrattuna.

Nämä ominaisuudet sopivat erinomaisesti moniin uusiin laitteisiin, joissa tehontarve vaihtelee, kuten älypuhelimissa. Tällaisissa laitteissa superkondensaattoria voidaan käyttää pidentämään akun käyttöikää. Superkondensaattorit ovat myös korvaamassa sekä perinteisiä kondensaattoreita että akkuja monissa vanhemmissa sovelluksissa.

Superkondensaattorin perusteet

Toisin kuin perinteisessä kondensaattorissa, jossa energia varastoidaan kiinteän eristeen eristämiin elektrodeihin, superkondensaattoreissa on kaksi kerrosta, ja niihin usein viitataan termillä EDLC (sähkökemiallinen kaksikerroksinen kondensaattori). EDLC:ssä fyysinen mekanismi tuottaa kaksi sähköistä kerrosta, jotka toimivat eristeen tavoin. Lataus-purkaus -jakso syntyy ionisoidussa kerroksessa positiivisesti ja negatiivisesti aktivoitujen hiilielektrodien pinnalla. Varausten välinen etäisyys EDLC:n kaksikerrosrakenteessa on erittäin pieni, luokkaa 0,3-0,8 nanometriä. Kuva 1 näyttää ionien liikkeen latauksessa (vasemmalla) ja purkauksessa (oikealla).

EDLC:t varastoivat yleensä energiaa aktivoituihin hiilielektrodeihin (kuva: Panasonic).

EDLC:t käyttävät ionien siirtymistä ohuen hiilikalvon sisällä sähkölatauksen varastointiin. Jännitteen ohjaaminen kondensaattorin kahden elektrodin välillä saa elektrolyytin ionit liikkumaan, kun ne yrittävät kääntää elektrodien varausta (jakson latausosa). Posiitivisesti varatut ionit liikkuvat negatiiviseen elektrodiin ja negatiivisesti varatut ionit positiiviseen elektrodiin, mikä synnyttää kaksi varattua kerrosta elektrolyytin sisälle: positiivisen ja negatiivisen. Jännitteen poistaminen saa ionit liikkumaan päinvastaiseen suuntaan, mikä käynnistää varauksen purkautumisjakson.

Superkondensaattorien kapasitanssiarvoa määrittävät niiden koko, rakenne ja rakennusmateriaalit. Alumiinielektrolyytteihin perustuvan laitteen kapasitanssi vaihtelee välillä 10-6 - 10-2 faradia (F). Panasonicin kultasuperkondensaattorien perhe tarjoaa kapasitansseja aina 70 F:een asti. Kuluttajalaitteista löytyvien ladattavien paristojen kapasitanssit ovat paljon korkeampia akkujen koosta riippuen.

Eksoottisilla materiaaleilla superkondensaattoreihin saadaan lisää suorituskykyä niiden kilpaillessa akkutekniikan kanssa. Tutkijat ovat valmistaneet grafeenilaitteita, jotka varastoivat yhtä paljon energiaa kuin nikkelimetallihydridiakut - luokkaa 85 Wh/kg huoneenlämpötilassa.Kaikkein superkondensaattorien tavoin nekin latautuvat hyvin nopeasti, sekunneissa tai minuuteissa.

Uusilla johtavilla polymeereilla rakennettujen superkondensaattoien lisääntynyt kapasitanssi perustuu pseudokapasitanssi-ilmiöön, joka syntyy kemiallisessa redox-reaktiossa (reduktio-oksidaatio) elektrodissa. Tyypillisesti ioni on O2+. Latausjakson aikana toisessa elektrodissa on reduktioreaktio, kun toinen elektrodi hapettuu. Latauksen purkautumisen aikana reaktio kääntyy ja ionit liikkuvat toiseen suuntaan elektrolyytin yli.

Kaksikerrosrakenteen kapasitanssi ja pseudokapasitanssi määrittävät yhdessä superkondensaattorin kapasitanssiarvon. Suhteelliset osuudet vaihtelevat suuresti ja riippuvat elektrodien suunnittelusta ja materiaaleista (Compositions). Joissakin tapauksissa pseudokapasitanssi lisää kapasitanssiarvoa jopa kertaluokan verran kaksikerrosrakenteeseen verrattuna.

Sovellusalueet

Energian varastoinnin high end -päässä superkondensaattoreita käytetään lisäämään hybridiautojen hyötysuhdetta monin tavoin. Tämän päivän hybridiautot tyypillisesti sammuttavata koko polttomoottorit auton pysähtyessä vaikka vain lyhyeksi aikaa. Auton moottori käynnistyy uudestaan hyvin nopeasti superkondensaattoreihin varastoidun energian avulla. Maxwell Technologiesilla on superkondensaattoripohjaisten moduulien perhe, joka yltää aina 3000 faradiin asti. Maxwell onkin myynyt yli 600 000 superkondensaattoria tähän hybridiautojen sovellukseen.

Mazwellin osuus superkondensaattoreista on Muita eri alueille tähttävien superkondensaattorien komponenttitoimittajia ovat Nichicon, AVX, Murata, Cornell Dubilier, ja Vishay. Junat, lentokoneet ja lastiautot muodostavat Paumanok Publications Inc:n mkaaan oin 40 prosenttia 400 miljoonan dollain vuotuisista superkondensaatorien markkinoista. Kuljetussovellukset sisältävät maglev-junat, teho ja jarrutysjärjestelmät, trukkinosturit ja ratojen vaihtamiseen.

Tyypillisen suunnittelijan kannalta mielenkiintoisempi on suunnitella tekniikkaa kulutuselektroniikkaan, tietokoneisiin tai tietoliikennesovelluksiin. Superkondensaattoreita suunnitellaan yhä useammin suojaamaan muistia. Sisäinen varavoima on myös yksi yleinen sovellus. Superkondensaattoria voidaan käyttää sekä akun korvaajana, että tai lyhytaikaisena redundanttina varavoimana.

Älykkäiden sähkömittarien nopeasti yleistyessä niiden ja kaasumittarien varavirtaan kiinnitetään yhä enemmän huomiota, koska mikäli päävirta katkeaa, älymittari todennäköisesti pettää myös. Ladattavat akut ovat perintienen ratkaisu, mutta ne vaativat latauspiiristön, mikä kasvattaa suunnittelun kustannuksia.

Älysähkömittarin kaksi tärkeintä varavoiman vaatimusta ovat: 1) varasähkö voidaan saadaan käyttöön välittömästi ja 2) sen pitää toimia matalissa lämpötiloissa, koska mittarit asennetaan usein ulkotiloihin. Superkondensaattorit täyttävät nämä molemmat vaatimukset loistavasti, sillä ne reagoivat välittömästi minkä ansiosta mittari voi sekä lähettää hälytysen että siirtää tietoa statuksestaan ja virrankäytöstä.

Superkondaattorivaravoiman lisääminen järjestelmään on helpompi suunnitella kuin ladataavan akun, mutta samaa latauksen ohjauspiiriä käytetään yleensä molempiin. Vaikka teholähde on yksinkertaisempi superkondensaattorissa, on sen suunnittelussa silti omat haasteensa. Esimerkiksi diodin käyttö takaisinvirran estämiseksi nostaisi superkondensaattorin latausrajaa diodin jännitepudotuksen verrab. Regulaattorin käyttö poistaa tämän ongelman ja alnetaa latausrajaa. Tämä strategia tulee ongelmalliseksi, kun superkondensaattorin varaus on käytetty loppuun, sillä sen lataaminen kestää pidemmän aikaa.

Parhaat opit teholähteiden suunnitteluun löytyvät tehonhallintapiirien valmistajien datakirjoista ja sovellusohjeista. Texas Instrumentsin bq24640 ja Maxim Integratedin MAX17710 ovat kaksi hyvää esimerkkiä.

Superkondensaattoreita käytetään myös suojaamaan CMOS-logiikkaa ja virtaistamaan elektronisia leluja. Turvallisuusjärjestelmät, UPS-varavoimalaitteet ja aurinkosähköratkaisut ovat muita yleisiä sovellusalueita.

Viime aikoihin asti superkondensaattorien markkinat ovat kasvaneet perinteisten kkondensaattorien kustannuksella. Tällä hetkellä tekniikka näyttää valtaavan litiumioni-akkujen markkinaosuuksia älypuhelimissa ja muissa laitteissa, joissa useita toimintoja suoritetaan samanaikaisesti. Näissä kaikissa käyttö aiheuttaa energiapiikkejä.

Litiunakkuen potentiaalinen energiasisältö putoaa, mikäli energiaa imetän ulos nopeasti. Toisin sanoen välitön suuri energiantarve tarkoittaa, että akusta saadaan vähemmän energiaa irti. Superkondensaattoreilla ei ole tätä rajoitusta.

Superkondensaattoreita käytetään aurinkopaneeleissa ja ne sopivat hyvin myös mikrokokoisiin energiankeruulaitteisiin, joissa ei tarvitse varastoida suuria määriä energiaa. Ympäristön lämmöstä tai tärinästä siepatuilla milliwateilla voidaan sähköistää esimerkiksi monitoroivia ja moottoria ohjaavia antureita. Pyörivien roottorien tärinän tuottama energia voidaan varastoida superkondensaattoriin, kunhan se on ensin muunnettu sähköenergiaksi keruulaitteessa. Superkondensaattoreilla voidaan poistaa tarve vaihtaa akkuja tai syöttää vortaa uudelleen ladattavalle akulle. Kuva 2 näyttää energiankeruulaitteen geneerisen lohkokaavion. Vaikka superkondensaattorit voisivat teoriassa toimia myös ainoana virranlähteenä, tämän päivän suunnittelukäytännöt lähtevät yleensä siitä, että pitkäaikaisesta virrantarpeesta huolehtii akku ja superkondensaattoreilla hoidetaan virtapiikit.

Mikroenergiankeruulaitteiden suunnittelussa hyödytään superkondensaattorien käytöstä (kuva: Texas Instruments).

Aiemmin mainittua latauspiiriä MAX 17710 voidaan käyttää energiankeruusovelluksissa. Siihen on integroitu boost-regulaattori, joten se suoritiutuu jopa alhaisista 800 millivoltin varauksista. MAX 17710 -piiri kykenee keräämään energiaa yhdestä mikrowatista 100 milliwattiin asti. Suojatakseen akku/superkondensaattorin energianvarastointia se rajoittaa tulojännitettä ja reguloi tai sulkee kokonaan pois ylimääräisen virran. Ylilataamisen estää LDO-regulaattrm jonak jännite on valittavissa 1,8 tai 3,3 voltiksi. Lisätietoja energiankeruun tekniikoista ja tuotteista löytyy sivulta Mouserin verkkosivuilta.

Lähitulevaisuus

Viime aikoihin asti superkondensaattoreiden käyttö oli rajoitettu hyvin arkipäiväisiin sovelluksiin kuten muistin suojaamiseen tai sisäiseen akkuvaravoimaa, mutta viime vuosina niiden sovellusalue on laajentunut merkittävästi esimerkiksi hybridiajoneuvoihin, älypuhelimiin ja energiankeruuseen. Uudet näkyvissä olevat teknologiat lupaavat nostaa superkondensaattorit haastamaan toden teolla myös ladattavat akut.