Superkapacitor, známy tiež ako ultrakapacitor či dvojvrstvový kondenzátor, sa od bežného kondenzátora odlišuje svojou veľmi vysokou elektrickou kapacitou. Na rozdiel od batérie, ktorá využíva elektrochemickej reakcie, ukladá kondenzátor energiu pomocou statického náboja. Vytvorením rozdielu elektrických potenciálov medzi kladnou a zápornou elektródou dochádza k nabíjanie kondenzátora.

Elektrická kapacita kondenzátora sa uvádza v jednotke Farad. Jeden farad uloží jeden coulomb elektrického náboja pri použití napätia vo výške jedného voltu. Jeden mikrofarad je miliónkrát menší ako farad a jeden pikofarad je opäť miliónkrát menší ako mikrofarad.

Existujú tri typy kondenzátorov a tým najzákladnejším je elektrostatický kondenzátor so suchým separátorom - dielektrikom. Tento klasický kondenzátor má veľmi nízku elektrickú kapacitu a používa sa hlavne pre ladenie rádiových frekvencií a filtráciu. Jeho kapacita sa pohybuje od niekoľko málo pikofaradov (pf) až po hodnoty niekoľkých mikrofaradov (µF).

Elektrolytický kondenzátor disponuje vyššou elektrickou kapacitou než elektrostatický kondenzátor a jeho veľkosť sa pohybuje v mikrofaradoch (µF), čo je miliónkrát viac než pikofarad. Tieto kondenzátory obsahujú vlhký separátor a užívajú sa pre filtráciu a vyrovnávanie napätia a prenos signálu. Elektrostatická kapacita má, podobne ako u batérie, kladný a záporný pól, ktorý je potrebné zachovávať.

Tretím typom je superkapacitor s kapacitou udávanou vo Farad, čo je mnohonásobne viac ako u elektrolytického kondenzátora. Superkapacitor sa používa pre ukladanie energie tam, kde dochádza k pravidelnému cyklickému nabitiu a vybitiu pod vysokým prúdom trvajúcemu vždy len krátko.

Inžinieri z General Electric prvýkrát experimentovali s rannou verziou superkapacitorov už v roku 1957, ale vtedy ešte nebolo známe žiadne komerčné využitie. Druhýkrát a náhodou objavila účinky dvojvrstvového kondenzátora spoločnosť Standard Oil v roku 1966, keď pracovala na návrhu palivového článku. Dvojitá vrstva výrazne zlepšila schopnosť ukladať energiu. Spoločnosť sama svoj objav komerčne nevyužila a namiesto toho poskytla licenciu spoločnosti NEC, ktorá v roku 1978 uviedla túto technológiu na trh ako "superkapacitor" pre záložný zdroj pamäti počítačov. Až v 90. rokoch viedli pokroky v oblastiach materiálov a výrobných metód k lepšiemu výkonu a nižším nákladom.

Superkapacitor sa ďalej vyvíja a vďaka použitiu špeciálnych elektród a elektrolytu preniká do technológie batérií. Kým základný elektrochemický dvojvrstvový kondenzátor EDLC = electrochemical Double Layer Capacitor závisí na elektrostatickom účinku, asymetrický elektrochemický dvojvrstvový kondenzátor AEDLC používa elektródy podobné tým v batériách, aby dosiahol vyššiu hustotu energie, ale prináša to jeho kratšiu životnosť (resp. použiteľnosť pre menší počet cyklov) a ďalšie ťažkosti obvyklé pre batériách. Vylepšenie superkapacitorov a batérií sľubujú grafénové elektródy, ale ich vývoj je ešte otázkou na ďalších 15 rokov.

Skúšalo sa niekoľko typov elektród a najbežnejšie systémy používané v súčasnosti sú postavené na elektrochemickom dvojvrstvovom kondenzátore, ktorý je na báze uhlíka, obsahuje organický elektrolyt a jeho výroba je pomerne jednoduchá.

Všetky kondenzátory majú obmedzené napätie. Kým elektrostatický kondenzátor možno vyrobiť tak, aby odolal vysokým hodnotám napätia, superkapacitor je obmedzený napätím 2,5-2,7 V. Napätie 2,8 V a vyššie je možné, ale znižuje životnosť. Pre dosiahnutie vyšších napätí sa niektoré superkapacitory zapájajú do série. Sériové zapojenie znižuje celkovú elektrickú kapacitu a zvyšuje vnútorný odpor. Série s viac ako tromi kondenzátormi vyžadujú vyrovnávanie napätia, aby nedošlo k prepätiu niektorého z článkov. Podobný ochranný obvod majú lítium-iónové akumulátory.

Merná hustota energie superkapacitorov sa pohybuje od 1 Wh / kg do 30 Wh / kg, čo je 10-50x menej než majú Li-ion batérie. Ďalšou nevýhodou je vybíjací krivka. Kým elektrochemický akumulátor dodáva konštantné napätie v oblasti použiteľného výkonu, napätie superkapacitorov klesá lineárne a súčasne znižuje oblasť úžitkového výkonu.

Ako príklad môže byť 6 V zdroj energie, ktorý sa môže vybiť na 4,5 V, než sa zariadenie odpojí. Než superkapacitor dosiahne tejto prahovej hodnoty napätia, využije kvôli lineárne vybíjací krivke len 44% energie, zvyšných 56% zostáva. Možnosť pripojiť DC-DC menič pomáha využiť zásobu zostávajúcej energie v oblasti nízkeho napätia, ale to zvyšuje náklady a prináša stratu. Pre porovnanie, akumulátor s plochou vybíjací krivkou použije 90-95% svojich energetických zásob, než dosiahne prahovú hodnotu napätia.

Obrázky 1 a 2 znázorňujú priebehy elektrického napätia a prúdu pri nabíjaní a vybíjaní superkapacitora. Pri nabíjaní napätie rastie lineárne a elektrický prúd poklesne automaticky, akonáhle je kondenzátor plný, kontrolný obvod pre detekciu úplného nabitia nie je potrebný. Pri vybíjaní napätie lineárne klesá. Aby sa udržala konštantná hladina výkonu vo wattoch počas postupného poklesu napätia, začína DC-DC menič odoberať čoraz väčšie množstvo prúdu. Koniec vybíjanie nastáva v okamihu, keď už nie je možné dosiahnuť požadovaného výkonu.

Obrázok 1: Priebeh nabíjania superkapacitora. Napätie rastie lineárne pri nabíjaní konštantným prúdom. Akonáhle je kondenzátor plný, hodnota elektrického prúdu automaticky klesne. (Zdroj: PPM Power)

Obrázok 2: Priebeh vybíjanie superkapacitora. Napätie klesá pri vybíjaní lineárne. Voliteľne pripojiteľný DC-DC menič udržuje hladinu výkonu vo wattoch tým, že s klesajúcim napätím postupne odoberá väčší prúd. (Zdroj: PPM Power)

Doba nabíjania superkapacitora je 1 - 10 sekúnd. Priebeh nabíjania je podobný elektrochemickému akumulátoru a nabíjací prúd je do značnej miery obmedzený schopnosťou nabíjacieho zariadenia regulovať prúd. Počiatočné nabitie môže prebehnúť veľmi rýchlo, konečné dobitie na maximum potrebuje nejaký čas navyše. Musia sa urobiť opatrenia na obmedzenie nárazového prúdu pri nabíjaní prázdneho superkapacitora, pretože ten by hneď "vysal", čo by len mohol. Superkapacitor nie je ohrozený prebitím a nevyžaduje detekciu úplného nabitia, prúd jednoducho prestane tiecť, keď je superkapacitor plne nabitý.

Porovnanie charakteristík superkapacitora a Li-ion batérie. (Zdroj: Maxwell Technologies, Inc.)

Počet nabíjacích a vybíjacích cyklov je u superkapacitorov prakticky neobmedzený. Na rozdiel od elektrochemického akumulátora, ktorý má životnosť obmedzenú počtom cyklov, dochádza u superkapacitorov pri cyklickom používaní len k malému opotrebovaniu. Vek sa u superkapacitora tiež prejavuje vľúdnejšie ako u batérie. Za normálnych podmienok klesá kapacita superkapacitora z pôvodných 100% na 80% za 10 rokov. Životnosť skracuje použitie vyšších napätí, než je predpísané. Superkapacitor odoláva vysokým aj nízkym teplotám, čo je výhoda, ktorú batérie nedokážu rovnocenne splniť.

Samovybíjanie superkapacitora je podstatne vyššie ako u elektrostatického kondenzátora a o niečo vyššia ako u elektrochemického akumulátora, prispieva k tomu organický elektrolyt. Superkapacitor sa vybije zo 100% na 50% počas 30 - 40 dní. Oproti tomu u olovených akumulátorov a batérií na báze lítia dochádza k samovybíjaniu v rozsahu okolo 5% za mesiac.

Použitie

Superkapacitor je často nesprávne pochopený, nakoľko sa v jeho prípade nejedná o náhradu batérie určenú pre dlhodobé uloženie energie. Napríklad ak sú časy nabitia a vybitia dlhší ako 60 sekúnd, je výhodnejšie použití batérie, naopak ak sú kratšie, potom sa použitie superkapacitora stáva ekonomickým.

Superkapacitory sú ideálne, keď je potrebné rýchle nabitie pre pokrytie krátkodobej potreby elektriny, zatiaľ čo batérie sú vhodnou voľbou pre dlhodobú dodávku energie. Kombinácia týchto dvoch technológií do hybridnej batérie uspokojuje obe potreby a znižuje namáhanie batérie, čo sa odráža v jej dlhšej životnosti. Takéto batérie sú dnes k dispozícii v skupine olovených akumulátorov.

Superkapacitory sú najúčinnejšie pre preklenutie výpadkov v dodávke, ktoré trvajú od niekoľkých sekúnd do niekoľkých minút, a môžu byť zase rýchlo nabité. Zotrvačník ponúka podobné kvality. Na Long Islandskej železnici (LIRR) v New Yorku, ktorá je jednou z najvyťaženejších železničných tratí v Severnej Amerike, prebieha experiment, v ktorom superkapacitor súperí so zotrvačníkom.

Testuje sa tu zostava superkapacitorov s výkonom 2 MW proti setrvačníkom dodávajúcim 2,5 MW, ktoré majú zabrániť poklesu napätia počas zrýchľovania vlaku a zaistiť zníženie špičkové spotreby energie. Oba systémy musia zabezpečiť neprerušovanú dodávku elektriny počas 30 sekúnd v rozsahu ich príslušnej kapacity v MW a v rovnako dlhom časovom úseku sa musí znovu plne nabiť. Cieľom je dosiahnuť také nastavenie, ktoré sa pohybuje v rozsahu 10% menovitého napätia a oba systémy musia vyžadovať nízku údržbu a vydržať po dobu 20 rokov. (Odborníci veria, že zotrvačníky sú odolnejšie a energeticky úspornejšie pre toto využitie než batérie. Čas ukáže.)

Japonsko taktiež uplatňuje veľké superkapacitory. V komerčných budovách sú inštalované 4 MW systémy, aby znížili spotrebu zo siete v čase najvyššieho dopytu a aby uľahčili nabíjanie. Medzi ďalšie využitie patrí nahodenie záložných generátorov počas výpadkov prúdu a dodávka elektriny, kým nie je prepojenie na záložný zdroj stabilné.

Superkapacitory tiež zásadne zasiahli do oblasti elektrických pohonných jednotiek. Výhoda ultrarýchleho nabíjania počas regeneratívneho brzdenia a dodávka vysokého prúdu pri zrýchľovaní robí superkapacitor ideálnym pre zlepšenie špičkového zaťaženia v hybridných vozidlách a tiež v palivových článkoch.

Superkapacitory majú nízku mernú hustotu energie a sú drahé z hľadiska ceny za watt. Niektorí konštruktéri vyhlasujú, že peniaze na superkapacitor by sa dali minúť lepšie za väčšiu batériu. Tabuľka nižšie sumarizuje výhody a obmedzenia superkapacitorov.

Zdroj:
Battery university: BU-209: How does a Supercapacitor Work? [online]. [cit. 2018-01-11].

Dostupné z:
http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_role_of_the_supercapacitor