Pengantar Superkapasitor

Dengan berkembangnya masyarakat dan ekonomi, masyarakat semakin memperhatikan energi hijau dan lingkungan ekologis. Sebagai perangkat penyimpanan energi jenis baru, superkapasitor semakin menarik perhatian karena keunggulannya yang tak tergantikan. Para insinyur telah mulai mengganti baterai tradisional dengan superkapasitor dalam beberapa desain yang memerlukan solusi berdaya tinggi dan efisiensi tinggi. Cacat pada teknologi baterai Baterai baru seperti Li-ion dan NiMH dapat memberikan solusi penyimpanan energi yang andal dan telah banyak digunakan di banyak bidang. Seperti kita ketahui bersama, baterai kimia menyimpan muatan listrik melalui reaksi elektrokimia, sehingga terjadi transfer muatan Faraday. Mereka mempunyai masa pakai yang singkat dan sangat dipengaruhi oleh suhu. Ini juga merupakan kesulitan yang dihadapi oleh para perancang baterai timbal-asam (baterai).

Pada saat yang sama, arus yang tinggi dapat secara langsung mempengaruhi masa pakai baterai tersebut, sehingga untuk beberapa aplikasi yang memerlukan umur panjang dan keandalan yang tinggi, baterai berbasis reaksi kimia ini menunjukkan berbagai kekurangan. Fitur dan Keunggulan Superkapasitor Prinsip superkapasitor bukanlah teknologi baru. Sebagian besar superkapasitor umum memiliki struktur lapisan ganda listrik. Dibandingkan dengan kapasitor elektrolitik, superkapasitor ini memiliki kepadatan energi dan kepadatan daya yang sangat tinggi. Dibandingkan dengan kapasitor tradisional dan baterai sekunder, superkapasitor memiliki kapasitas penyimpanan muatan yang lebih tinggi daripada kapasitor biasa, dan memiliki karakteristik kecepatan pengisian dan pengosongan yang cepat, efisiensi tinggi, tidak menimbulkan polusi terhadap lingkungan, siklus hidup yang panjang, rentang suhu pengoperasian yang luas, dan keamanan yang tinggi. . Selain dapat mengisi dan mengosongkan daya dengan cepat, fitur utama superkapasitor lainnya adalah impedansinya yang rendah. Jadi, ketika superkapasitor terisi penuh, ia akan menunjukkan karakteristik resistansi yang kecil, dan jika tidak ada batasan, ia akan menarik arus sumber yang mungkin.

Oleh karena itu, pengisi daya arus konstan atau tegangan konstan harus digunakan. 10 tahun yang lalu, superkapasitor hanya bisa dijual dalam jumlah yang sangat kecil setiap tahunnya, dan harganya pun sangat mahal, sekitar 1 hingga 2 dollar AS/farad. Saat ini, superkapasitor telah dipasok ke pasar dalam jumlah besar sebagai produk standar, dan harganya telah diturunkan secara signifikan, dengan rata-rata 0,01. ~$0,02/farad. Dalam beberapa tahun terakhir, superkapasitor mulai memasuki banyak bidang aplikasi, seperti elektronik konsumen, industri, dan transportasi. Struktur superkapasitor Meskipun ada banyak produsen superkapasitor di dunia yang dapat menyediakan berbagai jenis produk superkapasitor, sebagian besar produknya didasarkan pada struktur lapisan ganda listrik yang serupa. Struktur superkapasitor mirip dengan kapasitor elektrolitik. Sangat mirip, perbedaan utamanya adalah bahan elektrodanya. Elektroda superkapasitor awal terbuat dari karbon. Bahan elektroda karbon memiliki luas permukaan yang besar, dan kapasitansinya bergantung pada jarak antara luas permukaan dan elektroda. Ini bisa sangat besar, sebagian besar superkapasitor dapat memiliki tingkat farad, dan kisaran kapasitansi umum adalah 1 ~ 5000F. Menggunakan Superkapasitor Superkapasitor memiliki kegunaan yang luas. Dikombinasikan dengan zat dengan kepadatan energi tinggi seperti sel bahan bakar, superkapasitor dapat memberikan pelepasan energi yang cepat untuk memenuhi kebutuhan daya yang tinggi, sehingga sel bahan bakar hanya digunakan sebagai sumber energi. Saat ini, kepadatan energi superkapasitor bisa mencapai 20kW/kg, yang telah mulai merebut bagian pasar antara kapasitor tradisional dan baterai.

Dalam aplikasi yang memerlukan keandalan tinggi namun kebutuhan energi rendah, superkapasitor dapat digunakan untuk menggantikan baterai, atau superkapasitor dan baterai dapat digabungkan untuk aplikasi dengan kebutuhan energi tinggi, sehingga ukuran yang lebih kecil dapat digunakan. , baterai lebih irit. Superkapasitor memiliki nilai ESR yang sangat rendah, memungkinkannya menghasilkan arus besar dan menenggelamkan arus besar dengan cepat. Dibandingkan dengan prinsip pengisian bahan kimia, prinsip kerja superkapasitor membuat kinerja produk ini lebih stabil, sehingga masa pakai superkapasitor lebih lama. Superkapasitor adalah sumber daya ideal untuk perangkat yang memerlukan pengisian daya cepat, seperti perkakas listrik dan mainan. Beberapa produk cocok untuk sistem baterai/superkapasitor hybrid. Penggunaan superkapasitor dapat menghindari penggunaan baterai berukuran besar sehingga memperoleh energi lebih banyak. Contohnya adalah kamera digital pada perangkat elektronik konsumen, dimana penggunaan superkapasitor memungkinkan kamera digital menggunakan baterai alkaline yang murah (daripada baterai Li-ion yang mahal). Kisaran tegangan pengenal sel superkapasitor (sel) adalah 2,5 hingga 2,7V, sehingga banyak aplikasi memerlukan penggunaan beberapa sel superkapasitor. Saat menghubungkan sel-sel ini secara seri, insinyur desain perlu mempertimbangkan keseimbangan dan pengisian daya antar sel. Setiap superkapasitor akan mengeluarkan muatan melalui resistansi paralel internal ketika diberi energi. Arus pelepasan ini disebut arus bocor, yang akan mempengaruhi self-discharge unit superkapasitor.

Mirip dengan beberapa teknologi baterai sekunder, tegangan superkapasitor perlu seimbang bila digunakan secara seri karena terdapat arus bocor dan besarnya resistansi shunt internal akan menentukan distribusi tegangan pada sel superkapasitor yang dihubungkan seri. Ketika tegangan pada superkapasitor stabil, maka tegangan pada setiap unit akan berubah seiring dengan arus bocor, bukan dengan nilai kapasitansi. Semakin besar arus bocor maka semakin kecil tegangan pengenalnya, sebaliknya semakin kecil arus bocor maka semakin tinggi tegangan pengenalnya. Hal ini karena arus bocor menyebabkan sel superkapasitor melepaskan muatannya, menurunkan tegangan, yang pada gilirannya mempengaruhi tegangan sel lain yang dihubungkan secara seri (dengan asumsi sel-sel yang dihubungkan secara seri ini ditenagai oleh tegangan konstan yang sama). Untuk mengkompensasi variasi arus bocor, metode yang umum adalah menghubungkan resistor secara paralel di samping setiap unit untuk mengontrol arus bocor seluruh unit. Metode ini secara efektif mengurangi variasi resistansi paralel antar unit.

Metode lain yang disarankan adalah penyeimbangan sel aktif, di mana setiap sel dimonitor secara aktif dan diseimbangkan satu sama lain ketika ada perubahan tegangan. Pendekatan ini mengurangi beban tambahan pada unit, sehingga pekerjaan menjadi lebih efisien. Jika tegangan melebihi tegangan pengenal unit, umur unit akan diperpendek. Untuk superkapasitor dengan keandalan tinggi, cara mempertahankan tegangan dalam kisaran yang diperlukan adalah poin penting, dan tegangan pengisian harus dikontrol untuk memastikan bahwa tegangan tersebut tidak melebihi tegangan pengenal setiap sel.