Терраэлектроника

Суперконденсаторы FastCap для экстремальных условий эксплуатации

FASTCAP SYSTEMS

Существует целый ряд областей, в которых электронным устройствам в буквальном смысле приходится выживать, работая в жесточайших условиях окружающей среды. Сверхвысокие или сверхнизкие температуры, мощные ударные и вибрационные нагрузки, воздействие агрессивных сред – обыденные условия для космических, авиационных, автомобильных приложений. Все это напрямую касается и элементов питания и, в частности, суперконденсаторов. Долгое время на рынке присутствовали суперконденсаторы с узким рабочим диапазоном температур. Относительно недавно компания FastCAP предложила серийные образцы, которые работают при температурах до 150 °С и выше. Яркую видеодемонстрацию их живучести можно посмотреть на заглавной странице фирменного сайта https://www.fastcapsystems.com/.

Суперконденсаторы от FastCAP

Рис. 1. Суперконденсаторы от FastCAP

Ультраконденсаторы – элементы питания, занимающие промежуточное положение между традиционными аккумуляторами и обыкновенными конденсаторами.

Если провести качественное сравнение различных элементов, используемых для накопления энергии, то окажется, что традиционные химические аккумуляторы отличаются рекордной емкостью и низкими токами утечки (рис. 2). Вместе с тем, есть у них и недостатки: длительный цикл заряда, относительно невысокая нагрузочная способность, ограниченное число циклов заряда-разряда. Обычные электролитические конденсаторы характеризуются большим числом циклов заряда-разряда и высокой пиковой отдаваемой мощностью. Ультраконденсаторы по своим характеристикам занимают промежуточное положение между электролитами и традиционными аккумуляторами.

Сравнение характеристик различных питающих элементов

Рис. 2. Сравнение характеристик различных питающих элементов

Важно отметить и особенности зарядных и разрядных кривых элементов питания. Обычные химические аккумуляторы имеют длительный и нелинейный цикл заряда/ разряда, а значит их зарядные устройства необходимо оснащать интеллектуальными функциями, чтобы соблюдать правильную траекторию заряда. Для ультраконденсаторов все значительно проще. С одной стороны, они отличаются увеличенной скоростью заряда, а с другой стороны, сама зарядная характеристика имеет линейный вид.

Устройство ультраконденсаторов похоже на устройство электролитических алюминиевых конденсаторов (рис. 3). Внешние выводы ультраконденсатора погружены в жидкий электролит, а на их поверхности сформирован слой пористого углеродного покрытия. Для того чтобы электроды не замыкались, между ними расположен проницаемый для электролита сепаратор. При приложении внешнего напряжения электролит поляризуется, и его свободные ионы перемещаются в сторону противоположно заряженных электродов. При этом достигая поверхности электрода, ионы не проникают в него из-за электрохимических особенностей углеродного покрытия. В результате образуется два электронных слоя, которые и являются источником запасаемой энергии.

Структура суперконденсаторов FastCAP

Рис. 3. Структура суперконденсаторов FastCAP

Первые ультраконденсаторы были созданы и запатентованы в 1957 году компанией General Electric. Далее последовали подобные разработки других фирм. При этом с целью обеспечения патентной чистоты, для новых элементов придумывали новые названия. По сути двухслойный электрохимический конденсатор, ультраконденсатор, суперконденсатор и ионистор - это одно и то же. В Советском Союзе выпускались ионисторы КИ1-1.

До недавнего времени на рынке присутствовали суперконденсаторы с небольшим диапазоном рабочих температур (до 75°C), предназначенные для работы в относительно «тепличных» условиях. Однако в ряде отраслей требовались элементы, способные работать в более жестком окружении. Речь идет в первую очередь об авиационной, космической и нефтегазовой сферах. Для космических приборов необходимо было обеспечить работоспособность при сверхнизких температурах, а в газовой отрасли при высоких. Первой решить проблемы с рабочими температурами удалось компании FastCAP.

Уже в 2012 году в лабораторных условиях были получены образцы, сохраняющие работоспособность при температурах до 100°C, 125°C и 150°C. В 2012 году, после получения гранта от американского правительства, были созданы серийные образцы с рабочими диапазонами 250°C. В 2014 году при финансовой поддержке НАСА рабочие пределы удалось расширить до 350°C.

Ключевой особенностью ультраконденсаторов FastCAP является уникальное углеродное покрытие (рис. 4). Оно представляет собой вертикальную структуру из нанотрубок высотой 300 мкм. С одной стороны, это далеко от коммерческих аналогов, для которых толщина слоя составляет единицы нанометров. А с другой стороны, вертикальное выравнивание позволяет получать структуру, устойчивую как к механическим воздействиям, так и к температуре. В итоге образцы FastCAP значительно уступают коммерческим суперконденсаторам по удельной емкости, но также значительно превосходят их по живучести.

Увеличенное изображение структуры электродов

Рис. 4. Увеличенное изображение структуры электродов

Еще одной особенностью ультраконденсаторов FastCAP является запатентованная формула электролита. Она позволяет значительно увеличит срок эксплуатации и достичь высокой температурной устойчивости.

Яркую видеодемонстрацию сверхживучести ультраконденсаторов FastCAP можно посмотреть на заглавной странице фирменного сайта https://www.fastcapsystems.com/. В ней продукция компании подвергается всем перечисленным и даже более жестким воздействиям.

Если говорить о серийных суперконденсаторах FastCAP, то они отличаются следующими преимуществами:

  • работа с широким диапазоном температур -40…150°C;
  • устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам 500G (пиковое) и 20G среднеквадратичное;
  • герметичное исполнение и возможность работы в вакууме и агрессивных средах;
  • значительный срок службы с числом циклов заряда-разряда до 1 000 000;
  • срок службы в экстремальных граничных условиях (максимальная температура и номинальное напряжение) составляет 1 500 часов.

В качестве подтверждения вышесказанного стоит привести пример температурной зависимости величины емкости и внутреннего сопротивления для ультраконденсаторов серии EE (рис. 5). Стремительное изменение характеристик для них начинается только после -10°C. При -20°C емкость снижается на 60%, что, конечно же, достаточно много, однако работоспособность элемента сохраняется.

Температурная зависимость емкости и сопротивления суперконденсаторов серии EE

Рис. 5. Температурная зависимость емкости и сопротивления суперконденсаторов серии EE

Исследование временной стабильности характеристик суперконденсаторов показало отличные результаты. Относительное изменение параметров оказывается незначительным даже при предельных температурах окружающей среды. Например, тестирование в лабораторных условиях при температуре +200°С продемонстрировало изменение емкости и сопротивления лишь на 25% за 4000 часов.

Временная зависимость емкости и сопротивления суперконденсаторов серии EE

Рис. 6. Временная зависимость емкости и сопротивления суперконденсаторов серии EE

В настоящий момент FastCAP выпускает несколько серий суперконденсаторов.

Серия EE (рис. 7а) объединяет представителей с максимальной рабочей температурой 100/125/150°C, номинальной емкостью 35 и 350 Ф, номинальным напряжением 1/1,5/2 В.

Серия EX (рис. 7б) разработана для работы с рабочими температурами -40…125°C в составе приложений, требующих высокой мощности. Они могут использоваться и в космической технике.

Сборки Ultracapacitor Modules (рис. 7в) разрабатываются под требования конкретного заказчика, с учетом уровня номинального напряжения, емкости и т. д.

Ультраконденсаторы со встроенным радиатором Heat Sink Ultracapacitor (рис. 7г) – особый вид ультраконденсаторов от FastCAP. Их главной отличительной чертой является интеграция в одном компоненте теплостока и самого суперконденсатора. Дополнительный отвод тепла позволяет еще больше продлить срок службы таких элементов питания.

Внешний вид различных серий суперконденсаторов от FastCAP

Рис. 7. Внешний вид различных серий суперконденсаторов от FastCAP

В качестве заключения хотелось бы еще раз отметить, что описанные в статье суперконденсаторы уступают существующим на рынке моделям по емкости, но превосходят их по живучести. Именно это качество делает их весьма перспективными для космической, авиационной и нефтегазовой отраслей.

Характеристики ультраконденсаторов EE100-350:

  • номинальное напряжение: 2 В;
  • номинальная емкость при 25°С: 360 Ф;
  • начальное собственное сопротивление: 7,4 мОм;
  • ток утечки при 25°С: 0,6 мА;
  • срок службы: 1500 часов;
  • срок хранения: более 10 лет;
  • число циклов перезаряда: более 20000;
  • стойкость к ударным и вибрационным нагрузкам: 500G (пиковое) и 20G среднеквадратичное;
  • диапазон рабочих температур: -40…100 °C;
  • габаритные размеры: 31,75 х 70 мм.

­О компаниях

FastCAP ­– компания, специализирующаяся на разработке и производстве ультраконденсаторов для экстремальных условий. Первый в мире производитель ультраконденсаторов с диапазонами рабочих температур -110…80°C и -5…300°C для космических и авиационных приложений.


Производитель: FASTCAP SYSTEMS
EE100-350 EE100-350 Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Суперконденсаторы с максимальной рабочей температурой 100°C, номинальной емкостью 350 Ф, номинальным напряжением 2 В. PDF ИНФО По запросу
EE100-35 EE100-35 Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Суперконденсаторы с максимальной рабочей температурой 100°C, номинальной емкостью 35 Ф, номинальным напряжением 2 В. PDF ИНФО По запросу
EE125-35 EE125-35 Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Суперконденсаторы с максимальной рабочей температурой 125°C, номинальной емкостью 35 Ф, номинальным напряжением 2 В. PDF ИНФО По запросу
EE125-350 EE125-350 Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Суперконденсаторы с максимальной рабочей температурой 125°C, номинальной емкостью 350 Ф, номинальным напряжением 1,5 В. PDF ИНФО По запросу
EE150-35 EE150-35 Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Суперконденсаторы с максимальной рабочей температурой 150°C, номинальной емкостью 35 Ф, номинальным напряжением 1 В. PDF ИНФО По запросу
EE150-350 EE150-350 Цена, руб. Срок поставки Запросить
условия
поставки
Суперконденсаторы с максимальной рабочей температурой 150°C, номинальной емкостью 350 Ф, номинальным напряжением 1 В. PDF ИНФО По запросу
Версия для печати версия для печати

Заметили ошибку в работе сайта?
Скажите нам об этом