초대형 커패시터. 내연 기관의 콜드 스타트. Titan 하이브리드 모듈을 설치하면

슈퍼커패시터는 점점 더 자동차 전자 시스템의 필수 구성요소가 되고 있습니다. 자동차용 슈퍼커패시터는 엔진 시동 문제를 해결해 배터리 부하를 줄여준다. 또한 배선도를 최적화하여 차량 중량을 줄였습니다.
슈퍼커패시터는 하이브리드 자동차 제조에 폭넓게 적용되고 있습니다. 발전기의 작동은 내연 기관에 달려 있으며 자동차는 전기 모터로 구동됩니다. 이러한 방식의 자동차용 슈퍼커패시터는 움직이기 시작하고 가속할 때 빠르게 획득되는 에너지의 원천입니다. 제동하는 동안 드라이브가 재충전됩니다.
현재 슈퍼커패시터는 배터리 대신 부분적으로만 사용되고 있다. 그러나 과학자들이 그러한 기술을 적극적으로 개발하고 있기 때문에 가까운 장래에 완전한 교체가 현실화될 가능성이 가장 높습니다.

엔진을 시동하는 데 슈퍼 커패시터가 필요한 경우는 언제입니까?
자동차용 슈퍼커패시터는 표준 배터리가 내연기관 시동 작업을 감당하지 못할 위험이 있는 경우에 필요하다. 예를 들어 자동차용 슈퍼커패시터는 다음과 같은 상황에서 도움이 됩니다.
-단거리를 자주 여행하는 조건에서 배터리가 만성적으로 충전되지 않습니다.
- 배터리 전원이 엔진을 시동하기에 충분하지 않습니다. 대부분이 문제는 겨울에 발생합니다.
- 배터리의 수명을 연장하려면 배터리의 피크 부하를 줄여야 합니다.
배터리가 완전히 고장난 경우에도 배터리 대신 슈퍼 커패시터를 사용하는 경우가 있습니다. 엔진 시동 문제를 해결하고 앞으로 온보드 네트워크는 주로 발전기에서 전원을 공급받습니다. 그러나 새 배터리를 장착할 수 있을 때까지 비상 모드에서만 배터리 대신 슈퍼 커패시터를 사용하는 것이 좋습니다.
정상적인 상황에서 슈퍼 커패시터는 다음 형식으로 엔진을 시동하는 데 사용됩니다. 축전지와 병렬로 연결되어 시동시 주부하를 인수합니다. 지연된 스타터는 매우 높은 전류(수백 암페어)를 끌어올 수 있습니다. 자동차용으로 생성될 고정 스타터 및 크랭크축에 대한 이 초기 시동 전류입니다. 주 부하가 제공되면 배터리와 함께 슈퍼커패시터가 모터를 더 조용한 모드로 시작합니다.
자동차용 이오니스터는 배터리 수명을 연장할 뿐만 아니라 온보드 전자 장치의 작동에도 긍정적인 영향을 미칩니다. 자동차용 슈퍼커패시터를 사용하면 시동 시 전압 강하가 감소하여 모든 전자 부품이 보다 안정적인 모드로 작동합니다. 같은 이유로 점화 시스템의 성능이 향상됩니다.
운전할 때 배터리 묶음과 자동차용 슈퍼커패시터는 온보드 네트워크에서 발생하는 전압 강하를 완화합니다. 이는 서로 다른 부하 및 엔진 속도에서 서로 다른 전기 장비가 작동하는 방식에서 발생합니다. 회로에 슈퍼커패시터가 있으면 이러한 서지의 부정적인 영향을 최소화합니다. 배터리 대신 슈퍼커패시터를 사용할 수 있는 가능성과 배터리와 병렬로 사용할 수 있는 가능성에 대해 컨설턴트로부터 자세히 알아볼 수 있습니다.

오늘날 배터리 기술은 지난 10년보다 크게 발전했으며 더 정교합니다. 그러나 여전히 이차 전지는 자원이 짧기 때문에 당분간은 소모품으로 남아 있습니다.

에너지를 저장하고 저장하기 위해 커패시터를 사용한다는 아이디어는 새로운 것이 아니며 첫 번째 실험은 전해 커패시터로 수행되었습니다. 전해 커패시터의 용량은 수십만 마이크로 패럿으로 상당할 수 있지만 여전히 오랜 시간 동안 부하를 공급하기에는 충분하지 않지만 큰 것은 아니지만 설계 특성으로 인해 상당한 누설 전류가 있습니다.

현대 기술가만히 있지 말고 슈퍼 커패시터가 발명되었습니다. 커패시터입니다. 패럿 단위에서 수만 패럿에 이르는 초대형 용량을 가지고 있습니다. 패러드 커패시터는 마이크로컨트롤러와 같은 저전류 회로에 무정전 전원 공급을 제공하기 위해 휴대용 전자 제품에 사용됩니다. 수만 패럿 용량의 슈퍼 커패시터는 배터리와 함께 사용되어 다양한 전기 모터에 전력을 공급합니다. 이 조합에서 슈퍼커패시터는 배터리의 부하를 줄여 배터리 수명을 크게 늘리는 동시에 하이브리드 엔진 전원 공급 시스템이 전달할 수 있는 시동 전류를 증가시킵니다.

배터리를 교체하지 않도록 온도 센서에 전원을 공급해야했습니다. 센서는 AA 배터리로 구동되며 40초마다 기상 관측소에 데이터를 전송하기 위해 켜집니다. 송신 시 센서는 2초 동안 평균 6mA를 소모합니다.

태양 전지와 슈퍼 커패시터를 사용하는 아이디어가 떠올랐습니다. 식별된 센서의 소비 특성을 기반으로 다음 요소를 취했습니다.
1. 태양전지 5볼트, 전류 약 50mA (소련제 태양전지 약 15년)
2. 슈퍼커패시터: Panasonic 5.5V 및 1패럿.
3. 이오니스터 2개: DMF 5.5볼트 및 총 용량 1패럿.
4. 저전류 0.3V에서 직접 전압 강하가 있는 쇼트키 다이오드.
쇼트키 다이오드는 태양 전지판을 통한 용량 방전을 방지하는 데 필수적입니다.
슈퍼커패시터는 병렬로 연결되고 총 커패시턴스는 2패럿이다.

사진 1.

실험 # 1- 나는 단색 LCD 디스플레이와 500μA의 총 전류 소비가 있는 마이크로 컨트롤러를 연결했습니다. 디스플레이가 있는 마이크로컨트롤러가 작동했지만 오래된 태양 전지는 매우 비효율적이며 그늘의 충전 전류는 슈퍼커패시터를 전혀 충전하기에 충분하지 않으며 그늘의 5볼트 태양 전지의 전압은 2 미만입니다. 볼트. (어떤 이유로 디스플레이가 있는 마이크로 컨트롤러는 사진에 표시되지 않습니다.)

실험 # 2
성공 가능성을 높이기 위해 나는 광학 수지로 채워진 중국산 공칭 값 2V, 전류 40mA 및 100mA의 새 태양 전지를 라디오 시장에서 구입했습니다. 비교를 위해 그늘에 있는 이 배터리는 이미 1.8볼트를 출력했으며 충전 전류는 크지 않지만 여전히 충전 슈퍼커패시터가 훨씬 좋습니다.
이미 구조를 납땜 한 후 새 배터리, 쇼트키 다이오드와 캐패시터로 창턱에 올려놓고 캐패시터를 충전한다.
햇빛이 배터리에 직접 닿지 않았음에도 불구하고 10분 후에 커패시터가 1.95V로 충전되었습니다. 그는 온도 센서를 가져 와서 배터리를 제거하고 태양 전지가 있는 슈퍼 커패시터를 배터리 구획의 접점에 연결했습니다.

사진 2.

온도 센서는 즉시 작동을 시작했고 실내 온도를 기상 관측소로 전송했습니다. 센서가 작동하는지 확인한 후 태양 전지가 있는 축전기를 부착하고 제자리에 걸어두었습니다.
다음에 무슨 일이 일어났습니까?
낮 동안에는 센서가 제대로 작동했지만 어두워지기 시작하면 한 시간 후에 센서가 데이터 전송을 중지했습니다. 분명히 저장된 충전량은 1 시간의 센서 작동에도 충분하지 않았으며 그 이유가 명확 해졌습니다 ...

실험 # 3
슈퍼커패시터(2패럿의 슈퍼커패시터 어셈블리 반환)가 완전히 충전되도록 설계를 약간 수정하기로 결정했습니다. 나는 3 개의 셀로 구성된 배터리를 조립했는데 6 볼트와 40 mA의 전류가 나타났습니다 (전체 태양 조명에서). 그늘에있는이 배터리는 이전 1.8V (사진 1) 대신 최대 3.7V와 최대 2mA의 충전 전류를 이미 포기했습니다. 따라서 슈퍼커패시터는 3.7V까지 충전되었고 이미 실험 2와 비교하여 훨씬 더 많은 저장 에너지를 가지고 있었다.

사진 3.

모든 것이 괜찮을 것이지만 이제 출력에서 ​​최대 5.5V가 발생하고 센서는 1.5V에서 전원이 공급됩니다. DC/DC 컨버터가 필요하므로 추가 손실이 발생합니다. 재고가 있는 컨버터는 약 30μA를 소비하고 출력에서 ​​4.2V를 제공했습니다.지금까지 현대화된 디자인에서 온도 센서에 전원을 공급하는 데 필요한 컨버터를 찾을 수 없었습니다. (변환기를 선택하고 실험을 반복해야 합니다).

에너지 손실 정보:
슈퍼커패시터는 자체 방전 전류를 가지고 있다고 위에서 언급했는데, 이 경우 2패럿 조립의 경우 50μA였으며 DC/DC 컨버터에서 4% 정도의 손실(선언 효율 96 %) 및 30μA의 유휴 속도가 여기에 추가됩니다. 변환 손실을 고려하지 않으면 이미 약 80μA의 소비가 있습니다.
5.5V로 충전하고 2.5V로 방전하는 2패럿 용량의 슈퍼커패시터가 1mA의 소위 "배터리" 용량을 갖는다는 것이 실험적으로 입증되었기 때문에 에너지 절약에 특히 주의할 필요가 있습니다. 즉, 슈퍼커패시터에서 1시간 동안 1mA를 소비하여 5.5V에서 2.5V로 방전합니다.

직접 요금에 대해 햇빛:
태양 전지에서 끌어온 전류가 높을수록 배터리가 직접적으로 더 잘 조명됩니다. 태양열... 이에 따라 슈퍼커패시터의 충전율이 크게 증가한다.

사진 4.

멀티미터의 판독값에서 볼 수 있습니다(0.192V, 초기 판독값). 2분 후에 커패시터가 1.161V로 충전되고, 5분 후에 3.132V로, 또 다른 10분 후에 5.029V로 충전됩니다. 17분 이내에 슈퍼커패시터가 다음으로 충전됩니다. 90%. 태양광 패널의 조명은 전체 시간에 걸쳐 고르지 않았으며 이중창 유리와 배터리 보호 필름을 통해 발생했습니다.

실험 # 3 기술 보고서
레이아웃 사양:
- 태양 전지 12셀, 6V, 전류 40mA(태양에 완전히 노출됨), (흐린 날씨의 그늘에서 3.7V 및 슈퍼 커패시터에 부하가 있는 전류 1mA).
- 슈퍼 커패시터는 병렬로 연결되고 총 커패시턴스는 2패럿, 허용 전압은 5.5V, 자체 방전 전류는 50μA입니다.
- 순방향 전압 강하가 0.3V인 쇼트키 다이오드, 태양열 배터리와 슈퍼커패시터 전원 공급 장치를 분리하는 데 사용됩니다.
- 레이아웃 치수 55 x 85 mm(플라스틱 카드 VISA).
우리는 이 레이아웃에서 전원을 켤 수 있었습니다.
LCD 디스플레이가 있는 마이크로컨트롤러(5.5V에서 전류 소비 500μA, 태양 전지 없이 작동 시간, 약 1.8시간);
온도 센서, 일광 시간, 태양열 배터리 사용, 40초마다 2초 동안 6mA 소비;
LED는 태양 전지 없이 60mA의 평균 전류에서 60초 동안 켜졌습니다.
DC/DC 전압 변환기도 테스트했는데(안정적인 전원 공급을 위해) 60초 이내에 60mA 및 4V를 얻을 수 있었습니다(슈퍼 커패시터가 태양 전지 없이 5.5V까지 충전된 경우).
얻은 데이터는 이 설계의 슈퍼커패시터가 대략 1mA의 용량을 갖는다는 것을 나타냅니다(최대 2.5V의 방전으로 태양 전지에서 재충전하지 않음).

결론:
이 설계를 통해 마이크로 소비 장치의 지속적인 전원 공급을 위해 커패시터에 에너지를 저장할 수 있습니다. 커패시터 용량의 2패럿당 1mA의 누적 용량은 어두운 곳에서 10시간 동안 소비량이 적은 마이크로프로세서의 작동성을 보장하기에 충분해야 합니다. 이 경우 부하에 의한 총 전류 손실 및 소비는 100μA를 초과해서는 안 됩니다. 낮 동안 슈퍼커패시터는 그늘에서도 태양전지로 충전되며 최대 100mA의 전류로 펄스 모드로 부하를 공급할 수 있다.

우리는 기사 제목의 질문에 대답합니다. 슈퍼커패시터가 배터리를 대체할 수 있나요?
-대체할 수 있지만 지금까지는 부하의 전류 소비 및 작동 모드에 상당한 제한이 있습니다.

결점:

• 에너지 예비의 작은 용량(슈퍼커패시터 커패시턴스의 2패럿마다 약 1mA)
• 커패시터의 상당한 자체 방전 전류(하루에 약 20% 용량 손실)
• 구조의 치수는 태양 전지와 슈퍼커패시터의 총 용량에 의해 결정됩니다.

• 화학 원소(배터리)를 착용하지 않음
• 작동 온도 범위 -40 ~ +60 섭씨
• 디자인의 단순성
• 높은 비용이 아닌

사진 5.

보드의 한 면에는 태양열 배터리가 있고 다른 면에는 슈퍼커패시터와 DC/DC 컨버터 어셈블리가 있습니다.

명세서:

• 태양 전지 12셀, 6V, 전류 60mA(완전한 태양 노출에서);
• 슈퍼커패시터 총 용량 4; 6 또는 16 패럿, 허용 전압 5.5 V, 총 자체 방전 전류, 각각 120 \ 140 \ (아직 알려지지 않음) μA;
• 순방향 전압 강하가 0.15V인 이중 쇼트키 다이오드, 태양 전지와 슈퍼 커패시터의 전원 공급 장치를 분리하는 데 사용됩니다.
• 레이아웃 크기: 55 x 85mm(플라스틱 VISA 카드)
• 커패시터를 설치할 때 태양 전지판에서 재충전되지 않은 예상 용량 4; 6 또는 16 패럿은 약 2/3/8 mA입니다.

추신 계산에 오타, 오류 또는 부정확성을 발견하면 개인 메시지를 보내주십시오. 즉시 모든 것을 수정하겠습니다.

계속하려면…

물리학 과정에서 알 수 있듯이 지구의 전기 커패시턴스는 약 700μF입니다. 이 용량의 기존 커패시터는 무게와 부피면에서 벽돌과 비교할 수 있습니다. 그러나 모래 알갱이와 같은 크기의 지구의 전기 용량을 가진 커패시터도 있습니다 - 슈퍼 커패시터.

이러한 장치는 20년 전에 비교적 최근에 나타났습니다. 그들은 다르게 불립니다: ionistors, ionics, 또는 단순히 슈퍼커패시터.

그것들이 일부 고공 비행 우주 회사에서만 사용할 수 있다고 생각하지 마십시오. 오늘날 상점에서 동전 크기와 1패럿 용량의 슈퍼커패시터를 구입할 수 있습니다. 이는 지구 용량의 1,500배이며 가장 큰 행성 용량에 가깝습니다. 태양계- 목성.

모든 커패시터는 에너지를 저장합니다. 슈퍼커패시터에 저장된 에너지가 얼마나 크거나 작은지를 이해하려면 그것을 무언가와 비교하는 것이 중요합니다. 다음은 다소 독특하지만 시각적인 방법입니다.

일반 커패시터의 에너지는 약 1.5미터 점프하기에 충분합니다. 1V의 전압으로 충전된 0.5g의 질량을 가진 작은 58-9V 슈퍼커패시터는 293m 높이까지 점프할 수 있습니다!

슈퍼커패시터가 모든 배터리를 대체할 수 있다고 생각되는 경우가 있습니다. 기자들은 슈퍼커패시터로 구동되는 무소음 전기 자동차로 미래의 세계를 묘사했습니다. 그러나 이것은 아직 멀었습니다. 1kg 무게의 이오니스터는 3000J의 에너지를 저장할 수 있으며 최악의 납산 배터리(86400J)는 28배 더 많습니다. 그러나 짧은 시간에 높은 전력을 공급할 경우 배터리가 빨리 열화되고 절반만 방전됩니다. 슈퍼커패시터는 연결 전선만 견딜 수 있는 경우 반복적으로 전력을 방출하고 자체에 해를 끼치지 않습니다. 또한 슈퍼커패시터는 몇 초 만에 충전할 수 있으며 배터리는 일반적으로 몇 시간이 걸립니다.

이것은 슈퍼커패시터의 적용 분야를 결정합니다. 전자 장비, 손전등, 자동차 시동 장치, 전기 착암기 등 짧은 시간 동안 많은 전력을 소비하지만 충분한 경우가 있는 장치의 전원으로 좋습니다. 슈퍼커패시터는 군사용으로도 전자파 무기의 전원으로 사용될 수 있다. 그리고 소형 발전소와 결합하여 슈퍼 커패시터를 사용하면 전기 휠 구동 및 100km당 1-2리터의 연료 소비로 자동차를 만들 수 있습니다.

다양한 용량과 작동 전압을 위한 이오니스터가 판매되고 있지만 가격이 비쌉니다. 따라서 시간과 관심이 있다면 직접 이온화기를 만들어 볼 수도 있습니다. 그러나 구체적인 조언을 하기 전에 약간의 이론.

그것은 전기 화학에서 알려져 있습니다. 금속이 물에 잠기면 반대 전하인 이온과 전자로 구성된 소위 이중 전기 층이 표면에 형성됩니다. 서로 끌어당기는 힘이 작용하지만 전하가 가까워질 수는 없습니다. 이것은 물과 금속 분자의 인력에 의해 방해를 받습니다. 기본적으로 전기 이중층은 커패시터에 불과합니다. 표면에 집중된 전하는 판의 역할을 합니다. 그들 사이의 거리는 매우 작습니다. 그리고 아시다시피 커패시터의 커패시턴스는 플레이트 사이의 거리가 감소함에 따라 증가합니다. 따라서 예를 들어 물에 잠긴 기존 강철 스포크의 용량은 수 mF에 이릅니다.

본질적으로 슈퍼커패시터는 전해질에 잠긴 매우 넓은 면적을 가진 두 개의 전극으로 구성되며, 그 표면에는 인가된 전압의 작용으로 전기 이중층이 형성됩니다. 사실, 일반 평판을 사용하면 수십 mF의 커패시턴스를 얻을 수 있습니다. 이오니스터의 대용량 특성을 얻기 위해 기공 표면이 크고 외형 치수가 작은 다공성 물질로 만들어진 전극이 사용됩니다.

이 역할을 위해 티타늄에서 백금에 이르는 스폰지 금속이 적시에 시도되었습니다. 그러나 그것은 다른 모든 사람들보다 비교할 수 없을 정도로 좋은 것으로 판명되었습니다 ... 일반 활성탄. 특수 가공을 거쳐 다공성이 되는 숯입니다. 이러한 석탄 1cm3의 공극 표면적은 수천 평방 미터에 이르며 전기 이중층의 용량은 10패럿입니다!

집에서 만든 슈퍼커패시터 그림 1은 슈퍼커패시터의 설계를 보여줍니다. 그것은 두 개의 금속판으로 구성되어 있으며, "채움"에 대해 단단히 눌러져 있습니다. 활성탄... 석탄은 전자를 전도하지 않는 물질의 얇은 분리 층이 있는 두 개의 층으로 놓여 있습니다. 이 모든 것은 전해질로 포화되어 있습니다.

슈퍼커패시터가 충전되면 표면에 전자가 있는 이중 전기층이 절반은 석탄 기공에 형성되고 다른 절반에는 양이온이 있는 이중 전기층이 형성된다. 충전 후 이온과 전자는 서로를 향해 흐르기 시작합니다. 그것들이 만나면 중성 금속 원자가 형성되고 축적된 전하가 감소하고 시간이 지남에 따라 완전히 사라질 수 있습니다.

이를 방지하기 위해 활성탄층 사이에 분리층이 도입됩니다. 다양한 얇은 플라스틱 필름, 종이 및 면모로 구성 될 수 있습니다.
아마추어 이온화기에서 전해질은 25% 염화나트륨 용액 또는 27% KOH 용액입니다. (낮은 농도에서는 양극에 음이온층이 형성되지 않습니다.)

미리 납땜 된 와이어가있는 구리 플레이트가 전극으로 사용됩니다. 작업 표면은 산화물로 청소해야 합니다. 이 경우 긁힌 자국이 남는 거친 사포를 사용하는 것이 좋습니다. 이러한 흠집은 목탄과 구리의 접착력을 향상시킵니다. 접착력을 높이려면 플레이트를 탈지해야 합니다. 플레이트의 탈지는 두 단계로 수행됩니다. 먼저 비누로 씻은 다음 치약으로 문지르고 물줄기로 씻어냅니다. 그 후에는 손가락으로 만지면 안됩니다.

약국에서 구입한 활성탄을 절구에 넣고 전해질과 혼합하여 두꺼운 페이스트를 얻은 다음 조심스럽게 탈지한 접시에 펴 발라줍니다.

첫 번째 테스트에서 종이 패드가 있는 판을 다른 판 위에 놓은 다음 충전을 시도합니다. 그러나 여기에는 미묘함이 있습니다. 1V 이상의 전압에서 가스 H2, O2의 방출이 시작됩니다. 탄소 전극을 파괴하고 장치가 슈퍼커패시터 모드에서 작동하는 것을 방지합니다.

따라서 1V 이하의 전압으로 소스에서 충전해야 합니다. (산업용 슈퍼 커패시터의 작동에 권장되는 각 플레이트 쌍의 전압입니다.)

궁금하신 분들을 위한 디테일

1.2V 이상에서는 슈퍼커패시터가 가스 축전지로 바뀝니다. 이것은 활성탄과 두 개의 전극으로 구성된 흥미로운 장치입니다. 그러나 구조적으로는 다르게 만들어집니다(그림 2 참조). 일반적으로 그들은 오래된 전기화학 전지에서 두 개의 탄소 막대를 가져오고 그 주위에 활성탄의 거즈 백을 묶습니다. KOH 용액은 전해질로 사용됩니다. (염화나트륨 용액은 분해 시 염소가 방출되므로 사용하지 마십시오.)

가스 축 압기의 에너지 용량은 36,000J / kg 또는 10Wh / kg에 이릅니다. 이는 슈퍼커패시터의 10배 수준이지만 기존 납축전지의 2.5배 수준이다. 그러나 가스 축전지는 단순한 축전지가 아니라 매우 독특한 연료 전지입니다. 충전되면 산소와 수소와 같은 가스가 전극에서 방출됩니다. 그들은 활성탄 표면에 "침착"합니다. 부하 전류가 나타나면 물이 형성되고 연결이 발생합니다. 전류... 그러나 촉매가 없는 이 과정은 매우 느립니다. 그리고 밝혀진 바와 같이 백금만이 촉매가 될 수 있습니다 ... 따라서 이오니스터와 달리 가스 축전지는 큰 전류를 생성 할 수 없습니다.

그럼에도 불구하고 모스크바 발명가 A.G. Presnyakov(http: //chemfiles.narod .r u / hit / gas_akk.htm)는 가스 축압기를 사용하여 트럭 엔진을 시동하는 데 성공했습니다. 평소보다 거의 3배나 더 많은 견고한 무게는 이 경우 견딜 수 있었습니다. 그러나 저렴한 비용과 산 및 납과 같은 유해 물질의 부재는 매우 매력적으로 보였습니다.

가장 단순한 디자인의 가스 축 압기는 4-6 시간 안에 자체 방전을 완료하는 경향이 있는 것으로 나타났습니다. 이것으로 실험은 끝이 났습니다. 하룻밤 숙박 후 시동이 걸리지 않는 차가 필요한 사람은 누구입니까?

하지만 여전히 " 대형 장비»나는 가스 어큐뮬레이터를 잊지 않았습니다. 강력하고 가볍고 안정적이며 일부 위성에서 발견됩니다. 그 과정은 약 100 기압의 압력에서 발생하며 스폰지 니켈은 이러한 조건에서 촉매로 작동하는 가스 흡수제로 사용됩니다. 전체 장치는 초경량 탄소 섬유 실린더에 들어 있습니다. 그 결과 납산 배터리보다 에너지 용량이 거의 4배 높은 배터리가 탄생했습니다. 전기 자동차는 약 600km를 이동할 수 있습니다. 그러나 불행히도 그들은 여전히 ​​매우 비쌉니다.

"억만장자 혁명가"의 계획을 크게 조정할 수 있는 이벤트에 대한 메시지가 나타났을 때 리튬 이온 배터리 생산을 위한 "축전지의 기가팩토리(Gigafactory of accumulators)"의 Elon Musk의 건설을 둘러싼 과대 광고는 아직 가라앉지 않았습니다.
회사의 최근 보도자료입니다. 썬볼트 에너지 Inc., 함께 에디슨 전력 회사 10,000(!) 패럿의 용량을 가진 세계 최대의 그래핀 슈퍼커패시터를 만들었습니다..
이 수치는 국내 전문가들이 의구심을 가질 정도로 경이적입니다. 전기 공학 분야에서는 20마이크로패럿(즉, 0.02밀리패럿)도 많습니다. 그러나 의심의 여지가 없습니다. Sunvault Energy의 이사는 전 뉴멕시코 주지사이자 전 미국 에너지 장관인 Bill Richardson입니다. 청구서 노벨상세계. 2008년에는 민주당 대선 후보 중 한 명이었지만 버락 오바마에게 패했다.

오늘날 Sunvault는 Edison Power Company와 Supersunvault라는 합작 투자를 만들어 빠르게 발전하고 있으며, 새 회사의 이사회에는 과학자(이사 중 한 명은 생화학자, 다른 한 명은 진취적인 종양 전문의)뿐만 아니라 유명한 사람들좋은 비즈니스 통찰력으로. 지난 두 달 동안에만 회사가 슈퍼커패시터의 용량을 1,000에서 10,000 패럿으로 10배 증가시켰으며 커패시터에 저장된 에너지가 전력 공급에 충분하도록 더 늘릴 것을 약속하고 있습니다. 집 전체, 즉 Sunvault는 약 10kWh 용량의 Powerwall형 슈퍼 배터리를 출시할 계획인 Elon Musk의 직접적인 경쟁자 역할을 할 준비가 되어 있습니다.

그래핀 기술의 장점과 "기가팩토리"의 종말.

여기서 커패시터와 배터리의 주요 차이점을 상기할 필요가 있습니다. 전자가 빠르게 충전 및 방전되지만 에너지가 거의 축적되지 않으면 배터리가 그 반대입니다. 메모 그래핀 슈퍼커패시터의 주요 장점V.

1. 고속 충전- 커패시터는 배터리보다 약 100-1000배 빠르게 충전됩니다.

2. 염가: 일반 리튬 이온 배터리가 축적된 에너지 1kWh당 약 $ 500이고 슈퍼 커패시터 - 단 100이고 연말까지 제작자는 비용을 $ 40로 줄이겠다고 약속합니다. 그 구성으로 이것은 지구상에서 가장 흔한 화학 원소 중 하나 인 일반 탄소입니다.

3. 에너지의 조밀함과 밀도 그리고... 새로운 그래핀 슈퍼커패시터는 알려진 샘플을 약 1000배 능가하는 환상적인 용량뿐만 아니라 작은 책 크기, 즉 1패럿 커패시터보다 100배 더 컴팩트하다는 점에서 충격을 줍니다. 현재 사용 중입니다.

4. 안전 및 환경 친화... 가열되고 위험한 화학 물질이 포함되어 있으며 때로는 폭발하기도 하는 배터리보다 훨씬 안전합니다.그래핀 자체는 생분해성 물질입니다. 화학적으로 비활성이며 환경을 손상시키지 않습니다.

5. 그래핀 생산을 위한 신기술의 단순성... 거대한 영토와 투자, 대량의 노동자, 기술 과정리튬 이온 배터리 - 이 모든 것이 신기술의 놀라울 정도로 단순함과 극명한 대조를 이룹니다. 사실은 Sunvault의 그래핀(즉, 가장 얇은 단원자 탄소 필름)이 흑연 현탁액의 일부를 붓는 기존 CD 디스크를 사용하여 얻을 수 있다는 것입니다. 그런 다음 디스크를 일반 DVD 드라이브에 넣고 특수 프로그램을 사용하여 레이저로 굽으면 그래핀 층이 준비됩니다! 이 발견은 화학자 Richard Kaner의 실험실에서 일하는 학생 Maher El-Cadi에 의해 우연히 이루어졌다고 보고됩니다. 그런 다음 그는 LightScribe를 사용하여 디스크를 굽고 그래핀 층을 생성했습니다.
또한 Sunvault CEO Gary Monahan은 월스트리트 컨퍼런스에서 Sunvault가 다음을 위해 노력하고 있다고 말했습니다. 그래핀 에너지 저장 장치 및 3D 프린터에서 기존 인쇄로 생산 가능- 그리고 이것은 그들의 생산을 저렴할 뿐만 아니라 모든 사람이 실질적으로 이용할 수 있게 만들 것입니다. 그리고 저렴한 태양광 패널(오늘날 비용이 와트당 1.3달러로 떨어졌음)과 함께 그래핀 슈퍼커패시터는 수백만 명의 사람들에게 전원 공급망에서 완전히 분리하여 에너지 독립을 얻을 수 있는 기회를 제공할 것입니다. 공급자 자신과 "자연적"독점을 파괴합니다.
따라서 의심의 여지가 없습니다. 그래핀 슈퍼 커패시터는 에너지 저장 및 ... 그리고 이것은 Elon Musk에게 나쁜 소식입니다. 네바다에 공장을 건설하는 데 약 50억 달러의 비용이 들 것이며, 이는 그러한 경쟁자가 없이도 "탈환"하기 어려울 것입니다. 네바다 공장의 건설이 이미 진행 중이고 완공될 가능성이 높으면 머스크가 계획한 나머지 3개 공장도 건설될 가능성은 낮아 보인다.

시장에 접근? 우리가 원하는만큼 빨리 아닙니다.

이 기술의 혁신적인 특성은 분명합니다. 또 다른 한 가지는 불분명합니다. 언제 시장에 진입할 것입니까? 이미 오늘날 Elon Musk의 "Gigafactory" 리튬 이온의 번거롭고 값비싼 프로젝트는 산업주의의 공룡처럼 보입니다. 그러나 아무리 혁신적이고 필요하고 환경 친화적 인 공 새로운 기술, 이것은 그녀가 1, 2년 안에 우리에게 올 것이라는 의미가 아닙니다. 자본의 세계는 재정적 혼란을 피할 수 없지만 기술적 혼란을 피하는 데는 꽤 성공적입니다. 이러한 경우에는 대규모 투자자와 정치인 간의 은밀한 합의가 작동하기 시작합니다. Sunvault는 캐나다에 기반을 둔 회사이며 이사회에는 미국의 정치 엘리트와 광범위한 관련이 있지만 여전히 석유 달러 핵심의 일부가 아닌 사람들이 포함되어 있습니다. 명백하게 이미 시작된 것과 명시적으로 싸우고 있습니다.
우리에게 가장 중요한 것은 새로운 에너지 기술이 제공하는 기회: 에너지 자립 국가를 위해, 그리고 장기적으로 - 각 시민을 위해. 물론 그래핀 슈퍼커패시터는 과도기 기술인 "하이브리드"일 가능성이 높으며 직접 에너지 생산을 허용하지 않습니다. 자기 중력 기술그것은 바로 과학적 패러다임과 전 세계의 얼굴을 완전히 바꿀 것을 약속합니다. 드디어 있다 혁신적인 금융 기술, 실제로 글로벌 석유 달러 마피아에 의해 금기입니다. 그러나 이것은 매우 인상적인 돌파구이며, 미국의 "석유 달러 짐승의 소굴"에서 일어나기 때문에 더욱 흥미진진합니다.
불과 6개월 전, 나는 냉간 핵융합 기술에서 이탈리아인의 성공에 대해 썼지만 이 기간 동안 우리는 미국 회사인 SolarTrends의 인상적인 LENR 기술과 독일 Gaya-Rosch의 돌파구에 대해 배웠습니다. 그래핀 저장의 진정으로 혁신적인 기술. 이 짧은 목록조차도 문제가 우리 정부나 다른 정부가 우리가 받는 가스 및 전기 요금을 줄일 능력이 없고 심지어 불투명한 관세 계산에서도 없다는 것을 보여줍니다.
모든 악의 뿌리는 청구서를 지불하는 사람들의 무지와 청구서를 작성하는 사람들을 위해 무언가를 바꾸려 하지 않는 것입니다. ... 평범한 사람들에게 나는 에너지, 이것은 전기입니다. 사실, 자기 에너지는 힘입니다.

과학 간행물 Science는 슈퍼커패시터 제작 분야에서 호주 과학자들이 이룬 기술적 돌파구에 대해 보고했습니다.

멜버른에 위치한 모나시대학교 직원들은 그래핀으로 슈퍼커패시터를 생산하는 기술을 기존 제품보다 상업적인 매력도가 높은 제품으로 바꾸는 데 성공했다.

전문가들은 그래핀 기반 슈퍼커패시터의 마법적인 특성에 대해 오랫동안 이야기해 왔으며 실험실 테스트를 통해 기존 제품보다 우수하다는 것이 설득력 있게 입증되었습니다. 접두사 "수퍼"가 붙은 이러한 커패시터는 현대 전자 제품, 자동차 회사 및 대체 전기 소스 제작자 등을 기다리고 있습니다.

시간의 관점에서 볼 때 엄청난 수명 주기와 가능한 한 최단 시간에 충전할 수 있는 슈퍼커패시터의 기능을 통해 설계자는 도움을 받아 복잡한 설계 문제를 해결할 수 있습니다. 다른 장치... 그러나 이때까지 그래핀 커패시터의 승리 행진 과정에서 비에너지 및 평균적으로 울트라커패시터 또는 슈퍼커패시터는 5 - 8 W * h/kg 정도의 비에너지를 가졌으며, 이는 빠른 방전을 배경으로 매우 자주 재충전을 제공해야 하는 필요성에 따라 그래핀 제품을 만들었습니다.

Dan Lee 교수가 이끄는 Melbourne Department of Materials Production의 호주 연구원들은 그래핀 커패시터의 비에너지 밀도를 12배 증가시키는 데 성공했습니다. 이제 새 커패시터에 대한 이 수치는 60W * h/kg이며 이는 이미 이 분야의 기술 혁명에 대해 이야기해야 하는 이유입니다. 본 발명자들은 또한 그래핀 슈퍼커패시터의 빠른 방전 문제를 극복하여 이제 표준 배터리보다 더 느리게 방전되는 것을 달성했습니다.

기술적 발견은 과학자들이 그러한 인상적인 결과를 달성하는 데 도움이 되었습니다. 그들은 적응형 그래핀-겔 필름을 사용하여 매우 작은 전극을 만들었습니다. 본 발명자들은 그래핀 시트들 사이의 공간을 액체 전해질로 채워 그들 사이에 서브나노미터 거리가 형성되도록 하였다. 이러한 전해질은 전기 전도체 역할을 하는 기존 커패시터에도 존재합니다. 여기서 그는 전도체일 뿐만 아니라 그래핀 시트가 서로 접촉하는 장애물이 되었다. 다공성 구조를 유지하면서 커패시터의 고밀도화를 가능하게 한 것은 이 과정이다.

컴팩트 전극 자체는 우리 모두에게 익숙한 종이 제조업체에게 친숙한 기술을 사용하여 만들어졌습니다. 이 방법은 매우 저렴하고 간단하여 새로운 슈퍼커패시터의 상업적 생산 가능성에 대해 낙관할 수 있습니다.

기자들은 인류가 완전히 새로운 전자 장치를 개발할 인센티브를 받았다는 사실을 재빨리 세상에 확신시켰습니다. 발명가들은 이 교수의 입을 통해 그래핀 슈퍼커패시터가 실험실에서 공장으로 가는 길을 매우 빠르게 극복할 수 있도록 돕겠다고 약속했다.

좋든 싫든 전기차 시대가 점점 다가오고 있습니다. 그리고 현재 전기 자동차, 전기 에너지 저장 기술 등의 혁신과 시장 장악을 가로막는 기술은 단 하나뿐입니다. 이 방향으로 과학자들의 모든 업적에도 불구하고 대부분의 전기 및 하이브리드 자동차에는 리튬 이온 배터리가 설계되어 있으며 양극과 음극이 있으며 짧은 거리에서만 한 번의 충전으로 자동차 주행 거리를 제공할 수 있습니다. 도시 제한에서 이동하기 위해. 세계 유수의 자동차 제조업체는 모두 이 문제를 이해하고 있으며 한 번의 배터리 충전으로 주행 거리를 늘릴 수 있는 전기 자동차의 효율성을 높이는 방법을 찾고 있습니다.

전기 자동차의 효율을 높이는 방법 중 하나는 에너지를 수집하여 재사용하는 것인데, 자동차가 제동을 할 때나 요철을 넘을 때 자동차가 열로 변합니다. 도로 표면... 이러한 에너지를 회수하는 방법은 이미 개발되었지만 수집의 효율성과 재사용배터리의 저속으로 인해 매우 낮습니다. 제동 시간은 일반적으로 초 단위이며 충전하는 데 몇 시간이 걸리는 배터리에는 너무 빠릅니다. 따라서 "빠른" 에너지를 축적하기 위해서는 다른 접근 방식과 저장 장치가 필요하며 그 역할은 소위 슈퍼 커패시터라고 하는 고용량 커패시터와 가장 유사합니다.

불행히도 슈퍼 커패시터는 빠르게 충전 및 방전할 수 있다는 사실에도 불구하고 아직 "주요 도로"를 취할 준비가 되어 있지 않지만 용량은 여전히 ​​상대적으로 낮습니다. 또한, 슈퍼커패시터의 신뢰성도 여전히 많이 요구되고 있어 슈퍼커패시터의 전극에 사용되는 재료는 반복되는 충방전 사이클의 결과로 끊임없이 파괴된다. 그리고 이것은 전기 자동차의 전체 수명 동안 슈퍼 커패시터의 작동 주기가 수백만 번이어야 한다는 점을 감안할 때 거의 허용되지 않습니다.

한국 광주에 있는 과학 기술 연구소의 Santhakumar Kannappan과 동료 그룹은 우리 시대의 가장 놀라운 재료 중 하나인 그래핀을 기반으로 위의 문제에 대한 해결책을 가지고 있습니다. 국내 연구진이 리튬 이온 축전지에 비해 용량 매개변수가 열등하지 않지만 전하를 매우 빠르게 축적 및 방출할 수 있는 고효율 그래핀 기반 슈퍼커패시터의 프로토타입을 개발 및 제조했다. 또한 그래핀 슈퍼커패시터의 프로토타입조차도 특성을 잃지 않고 수만 번의 작동 주기를 견딜 수 있습니다.
이러한 인상적인 성능을 달성할 수 있었던 비결은 거대한 유효 표면적을 갖는 특별한 형태의 그래핀을 얻는 것입니다. 연구진은 산화 그래핀 입자와 히드라진을 물에 섞어 초음파로 분쇄해 이러한 형태의 그래핀을 얻었다. 생성된 그래핀 분말을 원반형 정제에 포장하고 섭씨 140도, 압력 300kg/cm에서 5시간 동안 건조시켰다.

결과 물질은 매우 다공성인 것으로 판명되었으며, 그러한 그래핀 물질 1g에 대해 유효 면적은 농구 코트의 면적에 해당합니다. 또한 이 재료의 다공성 특성으로 인해 이온성 전해액 EBIMF 1M이 재료의 전체 부피를 완전히 채울 수 있으므로 슈퍼커패시터의 전기 용량이 증가합니다.

실험적 슈퍼커패시터의 특성 측정은 전기 용량이 그램당 약 150패럿이고, 에너지 저장 밀도가 킬로그램당 64와트이며, 전류 밀도가 그램당 5암페어인 것으로 나타났습니다. 이러한 모든 특성은 유사한 특성에 필적합니다. 리튬 이온 배터리에너지 저장 밀도 및 범위는 킬로그램당 100~200와트입니다. 그러나 이러한 슈퍼커패시터는 단 16초 만에 모든 축적된 전하를 완전히 충전하거나 완전히 해제할 수 있다는 한 가지 큰 이점이 있습니다. 그리고 지금까지 가장 빠른 충방전 시간이다.

이러한 일련의 인상적인 특성과 그래핀 슈퍼커패시터 제조의 복잡하지 않은 기술은 "그래핀 슈퍼커패시터 에너지 저장 장치는 이미 현재 대량 생산 준비가 되어 있으며 차세대 전기차"

Rice University의 과학자 그룹은 슈퍼커패시터 전극을 만들기 위해 레이저를 사용하여 그래핀을 생산하는 방법을 채택했습니다.

결정 격자가 단위 원자 두께를 갖는 탄소 형태인 그래핀은 발견 이후 슈퍼커패시터, 대용량 및 낮은 고유 누설 전류를 갖는 커패시터에 사용되는 활성탄 전극의 대안으로 간주되었습니다. 그러나 시간과 연구는 그래핀 전극이 미세다공성 활성탄 전극보다 훨씬 더 나은 성능을 발휘하지 못한다는 것을 보여주었고, 이로 인해 열정이 감소하고 많은 연구가 축소되었습니다.

하지만, 그래핀 전극다공성 탄소 전극에 비해 몇 가지 부인할 수 없는 장점이 있습니다.

그래핀 슈퍼커패시터더 높은 주파수에서 작동할 수 있으며, 그래핀의 유연성으로 인해 웨어러블 및 유연한 전자 장치에 사용하기에 완벽하게 적합한 매우 얇고 유연한 에너지 저장 장치를 기반으로 만들 수 있습니다.

앞서 언급한 그래핀 슈퍼커패시터의 두 가지 장점은 라이스 대학의 과학자 그룹에 의해 추가 연구를 촉발했습니다. 그들은 슈퍼커패시터 전극을 만들기 위해 레이저를 사용하여 그래핀을 생산하는 방법을 적용했습니다.

연구팀을 이끈 과학자 제임스 투어(James Tour)는 “우리가 달성한 것은 전자 시장에서 사용할 수 있는 마이크로 슈퍼커패시터의 성능과 비슷하다”고 말했다. 그래핀 전극을 충분히 작은 면적에 포장해야 한다면 종이처럼 접기만 하면 됩니다."

그래핀 전극의 생산을 위해 과학자들은 레이저 방식(laser-induced grapheme, LIG) 고출력 레이저 빔이 값싼 고분자 재료로 만들어진 타겟을 겨냥한 것입니다.

레이저 광의 매개변수는 다공성 그래핀 필름의 형태로 형성된 탄소를 제외한 폴리머의 모든 요소를 ​​태워버리는 방식으로 선택됩니다. 연구에 따르면 이 다공성 그래핀은 유효 표면적이 충분히 커서 슈퍼커패시터 전극에 이상적인 재료입니다.

Rice University 팀의 연구 결과를 매우 매력적으로 만드는 것은 다공성 그래핀을 생산할 수 있는 용이성입니다.

“그래핀 전극은 만들기가 매우 간단합니다. 이것은 클린룸을 필요로 하지 않으며 공정은 공장과 야외에서도 성공적으로 사용되는 기존의 산업용 레이저를 사용합니다.”라고 James Tour는 말합니다.

그래핀 슈퍼커패시터는 제조하기 쉬울 뿐만 아니라 매우 인상적인 성능을 보여주었습니다. 이러한 에너지 저장 장치는 전기 용량의 손실 없이 수천 번의 충전-방전 주기를 견뎠습니다. 더욱이 이러한 슈퍼커패시터의 전기용량은 플렉서블 슈퍼커패시터가 8,000번 연속 변형된 후에도 실질적으로 변하지 않았다.

제임스 투어(James Tour)는 “우리는 우리가 개발한 기술이 유연한 전자 장치 또는 에너지원의 구성 요소가 될 수 있는 얇고 유연한 슈퍼커패시터와 의류나 일상적인 물건에 직접 내장될 수 있는 웨어러블 전자 장치를 생산할 수 있음을 입증했습니다.

과학 기술의 최신 혁신 중 새로운 유형의 커패시터 인 슈퍼 커패시터라고도하는 울트라 커패시터의 출현에 주목할 필요가 있습니다. 이것은 어떤 동물이며 자동차 DVR 및 기타 전자 장치에서 백업 전원으로 사용할 수 있습니까?

커패시터는 전기 전하를 저장하여 에너지를 저장할 수 있다는 것은 학교 물리학 과정에서 알려져 있습니다. 그러나 이 전하량은 매우 적기 때문에 합선 시 좋은 스파크만 있으면 충분합니다. 또한 학생들은 220V 소켓에 미리 충전해둔 상태에서 전류로 서로 치기 위해 400 ... 1000 볼트의 금속 종이 AC 커패시터를 사용하며 주로 커패시터는 전자 기기의 무선 부품으로 사용됩니다.

그러나 지난 세기 말에 금속 스트립 대신 전해질 및 기타 까다로운 것이 사용되는 비밀 실험실에서 새로운 유형의 커패시터가 발명되었습니다. 화학 물질... 이 설계 덕분에 작은 크기의 새로운 유형의 커패시터는 큰 용량을 가지며 이미 낮은 전류 소비로 전자 장치의 단기 작동에 충분한 전하를 저장하는 데 사용할 수 있습니다. 전극 사이의 화학적 환경에서 이온 전달로 인해 기능하기 때문에 슈퍼 커패시터라는 이름을 얻었습니다.

요즘은 슈퍼 커패시터가 백업 전원으로 사용됩니다. 예를 들어 Aliexpress에서 5 ... 10 달러에 5 볼트 슈퍼 커패시터를 구입할 수 있으며 10 ... 100 초 만에 완전히 충전됩니다. 그러나 평균 LED 손전등에 20 ... 30분 동안 전원을 공급할 수 있습니다.

중국 슈퍼커패시터 개요

이제 슈퍼커패시터가 자동차 DVR의 배터리를 대체할 수 있는지 볼까요? 이 지역에는 서보, 전기 모터, 강력한 조명 램프와 같이 많은 전류를 소비하는 구성 요소가 없습니다. 따라서 전류 소비는 50 ... 100mA로 매우 작습니다. 슈퍼 커패시터는 평균적으로 3 ... 10 분 동안 DVR의 작동을 보장 할 수 있습니다. 이것은 비디오를 끝내고 작업을 올바르게 완료하기에 충분합니다.

따라서 주저하는 경우 내장 배터리 대신 슈퍼 커패시터가있는 DVR을 구입할지 여부는 모든 의심이 헛된 것입니다. 이 장치는 사고 발생 시 온보드 네트워크가 꺼진 경우에도 차량에 필요한 모든 기능을 수행합니다. 그러나 이러한 유형의 레코더는 차량 외부에서 일반 휴대용 비디오 카메라로 사용할 수 없습니다. 실외 비디오 촬영에는 외부 전원이 필요합니다.