De stille kracht van supercondensatoren

Door Patrick Le Fèvre, Powerbox

Van ‘energy harvesting’ tot aan het opwekken van energie door energiecentrales: het gebruik van vermogenselektronica is overal en er zijn weinig applicaties te bedenken die geen stroom nodig hebben. De vermogenselektronica-industrie is zeer dynamisch en veel nieuwe technologieën hebben het onmogelijke mogelijk gemaakt. In de voortdurende zoektocht om de prestaties, betrouwbaarheid en duurzaamheid te verhogen, krijgen nieuwe componenten en technologieën zoals Wide Bandgap Semiconductors (halfgeleiders met een relatief grote bandkloof) en Digital power management veel (media)aandacht. In de schaduw is er echter een component verstopt die zeer belangrijk is en intrinsiek betrokken is bij veel vitale toepassingen; de supercapacitor of supercondensator.

Supercondensatoren zijn bijna overal te vinden maar misschien vanwege de connotatie van ‘slechts’ passieve componenten of low-tech, staan ze maar zelden op het podium. Het is tijd om ze weer in de schijnwerpers te zetten, dus laten we eens kijken naar het verbazingwekkende verhaal en de technologie achter de stille kracht van supercondensatoren.

Van Howard Becker tot Elon Musk

In het begin van de jaren vijftig, toen condensatoren werden gemaakt van geïmpregneerd papier en mica, onderzocht General Electric manieren om hun capaciteit te verhogen om hogere energieniveaus op te slaan en vrij te geven, en om spanningsverstoringen in elektronica en in topgeheime militaire toepassingen te kunnen absorberen. Het onderzoek werd uitgevoerd door Howard Becker met zijn team die op 14 april 1954 een patent aanvroeg voor een ‘Laagspanning elektrolytische condensator’ met behulp van een poreuze koolstofelektrode. Op 23 juli 1957 werd het US2800616A patent verleend, waarmee de weg werd vrijgegeven voor verdere innovatie. De uitvinding van Becker was het begin van een race tussen laboratoria om de uitvinding om te zetten in een onderdeel voor massaproductie (zo patenteerde Philips in 1958 een proces voor de productie van elektroden voor elektrolytische condensatoren) met hogere prestaties. De elektrolytische condensator werd geboren.

Hoewel de uitvinding van de elektrolytische condensator een belangrijke stap voorwaarts was voor de elektronica-industrie, was de capaciteit nog steeds niet voldoende om hogere energieniveaus op te slaan, zoals nodig is om een elektriciteitsnetwerk te stabiliseren of om extreem hoge energieniveaus te leveren zoals vereist voor bepaalde toepassingen bij defensie. Het duurde nog eens zes jaar onderzoek na Becker’s patent voor de ingenieur Robert Rightmire van de Standard Oil Company om op 29 november 1966 het US3288641A patent voor een ‘Electrical energy storage apparatus’ te verkrijgen, zoals beschreven: ‘een apparaat voor de opslag van elektrische energie voor de opslag van energie in elektrostatische toestand als dubbele lagen van elektron- en proton-ionen als samenwerkende interfaces….’. De supercondensator werd geboren. Interessant genoeg duurde het vervolgens nog eens 10 jaar voordat de uitvinding een marktrealiteit werd.

2. Energie versus vermogensdichtheid voor verschillende type energieopslagapparaten. (Beeld: PRBX) 

Door hun vermogen om in zeer korte tijd grote hoeveelheden energie op te slaan en vrij te geven, is het onderzoek naar high performance supercondensatoren voor elektrische voertuigen (EV) geïntensiveerd en is het aantal uitvindingen en patenten omhooggeschoten. De belangrijkste toepassing in EV’s was het opslaan van de opgewekte energie bij het vertragen en remmen om die energie te hergebruiken om de motor te voeden bij het accelereren. Het potentieel van de supercondensator wekte in maart 2011 de aandacht op het Cleantech Forum in San Francisco toen Elon Musk over de toekomst van elektrische voertuigen zei: "Als ik een voorspelling mag doen, zou ik denken dat er een goede kans bestaat dat het niet de batterijen zijn, maar supercondensatoren die de toekomst van EV zullen bepalen". Enkel om ons eraan te herinneren, kwam Musk oorspronkelijk naar Californië om hoge-energie-dichtheid condensatorfysica in Stanford te bestuderen. Zijn toespraak zorgde voor de nodige speculatie over het potentieel van supercondensatoren, met de perceptie dat zij de oplossing zouden zijn voor de opslag van massa-energie en uiteindelijk de vervanging van batterijen. De realiteit is echter een beetje anders. Sinds de oorspronkelijke patenten van Becker en Rightmire tot op de dag van vandaag, is de supercondensatortechnologie stilletjes, in een behoorlijke mate van ‘achter de schermen’, geëvolueerd.

Hoe werkt het dan?

Zoals we ons allemaal herinneren van school, bestaat een condensator uit twee metalen platen of geleiders gescheiden door een isolator zoals lucht of een folie van plastic of keramiek. Tijdens het opladen verzamelen zich elektronen op de ene geleider en vertrekken ze van de andere. Door gebruik te maken van normale productiepraktijken wordt de energieopslag van een conventionele condensator beperkt door de wetten van de natuurkunde en dat is waar Robert Rightmire’s uitvinding nieuwe deuren opent voor de opslag van hoge energie.

Een supercondensatorcel bestaat in principe uit twee elektroden, een separator en een elektrolyt. De elektroden bestaan uit een metalen collector die het hoog geleidende deel vormt en uit een actief materiaal (metaaloxiden, koolstof en grafiet zijn de meest gebruikte) dat het deel met een hoog oppervlak is. Een membraan scheidt de twee elektroden dat mobiliteit van de geladen ionen mogelijk maakt, maar elektrische geleiding verbiedt. Het systeem is geïmpregneerd met een elektrolyt (figuur 1). De geometrische afmetingen van de twee koolstofplaten en van de separatoren zijn zo ontworpen dat ze een zeer groot oppervlak hebben. Door zijn structuur kan de zeer poreuze koolstof meer energie opslaan dan elke andere elektrolytische condensator.

Wanneer een spanning op de positieve plaat wordt gezet, trekt het negatieve ionen van de elektrolyt aan, en wanneer een spanning op de negatieve plaat wordt toegepast, trekt het positieve ionen van het elektrolyt aan. Dientengevolge, vormen de ionenlagen zich aan beide kanten van de plaat wat een ‘dubbele laag’ vorming wordt genoemd, resulterend in de opgeslagen ionen dicht bij de oppervlakte van het koolstof. Dit mechanisme geeft supercondensatoren de mogelijkheid om binnen een zeer korte tijd hoge energie op te slaan en te herladen.

3. PRBX 29F supercondensator energiepiek- en back-upunit ter vervanging van de batterij voor gewenste applicaties. (Beeld: PRBX) 

Het oppervlak van het actieve deel is de sleutel tot de capaciteit van de supercondensator en van wat we weten, neemt de capaciteit toe door het vergroten van het oppervlak. Wat vooral interessant en spannend is in de supercondensatortechnologie zijn de mogelijkheden die de introductie van nanotechnologieën biedt. Een voorbeeld hiervan is het vervangen van de conventionele actieve koolstoflaag door een dunne laag van miljarden nanobuizen. Elke nanobuis is als een uniforme holle cilinder met een diameter van 5nm en 100um lang, verticaal gegroeid over de geleidende elektroden, en door het gebruik van miljarden nanobuizen is het mogelijk om een extreem hoge dichtheid te bereiken.

Gaan supercondensatoren batterijen vervangen?

Na de toespraak van Elon Musk op het Cleantech Forum 2011 is er veel belangstelling geweest voor supercondensatoren en het potentieel van de nanotechnologie stelt hoge verwachtingen dat op een gegeven moment in de toekomst supercondensatoren een punt bereiken waarop ze de prestaties van batterijen evenaren. Zoals te zien is in figuur 2, die de energie versus de vermogensdichtheid van verschillende soorten energieopslagapparaten weergeeft, overlappen de prestatieniveaus van brandstofcellen, batterijen, super- of ultracondensatoren en conventionele condensatoren elkaar op dit moment niet. Ze zijn echter wel complementair en de recente technologische vooruitgang verkleint de kloof tussen batterijen en supercondensatoren.

Elk van deze technologieën heeft zijn voor- en nadelen, die ontwerpers in overweging nemen bij de ontwikkeling van energiesystemen. In tabel 1 vergelijken we de belangrijkste parameters van Li-ion batterijen en supercondensatoren. Het is duidelijk dat de extreem hoge mate van hergebruik een van de belangrijkste voordelen van de supercondensator is, wat betekent dat hij vrijwel onbeperkt kan worden opgeladen en ontladen. Dat zal waarschijnlijk nooit het geval zijn voor de elektrochemische batterij met een veel kortere levensduur.

Veroudering is ook in het voordeel van supercondensatoren. Onder normale omstandigheden verliezen ze van een oorspronkelijke capaciteit van 100% slechts 20% in 10 jaar, wat ver boven het niveau van een batterij ligt. Voor systeemontwerpers die systemen moeten voeden in zware omgevingen, zullen supercondensatoren in zeer lage tot hoge temperaturen zonder degradatie werken, waarvan we weten dat dit niet het geval is voor batterijen. Aan de andere kant ontladen supercondensatoren van 100 naar 50 procent in 30 tot 40 dagen, terwijl lood- en lithium-gebaseerde accu’s in dezelfde periode ongeveer 5 procent zelfontlading hebben, maar de technologie verbetert dagelijks en de supercondensatoren worden steeds beter.

Vergelijking van belangrijke parameters tussen Lithium-Ionbatterijen en supercondensatoren (bron: PRBX) 

Met de toenemende vraag naar hernieuwbare energie en kwesties met betrekking tot energieopslag, groeit de vraag naar de redenering achter de bouw van enorme banken met lithium-ion batterijen. We weten allemaal dat die batterijen een beperkte levensduur hebben, maar naast het verbruik van kostbare grondstoffen zijn ze niet eenvoudig te recyclen en zijn er de bijbehorende milieurisico’s. Dit maakt onderzoek zeer interessant en de bevindingen die de universiteiten van Surrey en Bristol in februari 2018 hebben gepresenteerd, over de ontwikkeling van polymeermaterialen, zijn aantrekkelijk. Ze bereikten praktische capaciteitswaarden tot 4F/cm2 wanneer de industrienorm 0,3F/cm² is, en ze verwachten in de nabije toekomst 11-20F/cm² te bereiken. Wanneer dergelijke capaciteitniveaus worden bereikt zullen we kunnen praten over 180Wh/kg, wat vergelijkbaar is met lithium-ion batterijen.
Het niveau van het onderzoek in supercondensatoren is echt indrukwekkend en de kloof wordt kleiner. Hoe snel dat zal gebeuren blijft onbekend, maar gezien het aantal ingediende patenten, de gepresenteerde documenten en de belangstelling van de industrie, zou het niet te lang moeten duren.

In stilte doen zij het werk

Supercondensatoren zijn bijna overal te vinden en het is bijna onmogelijk om een uitputtende lijst van toepassingen op te stellen. Van het Shanghai busexperiment, om een vloot van bussen te laten rijden die alleen door supercondensatoren worden aangedreven, tot slimme meters en het oogsten van energie, ze zijn overal te vinden.

Het is zeker hun vermogen om hoge laad- en ontlaadcycli te doorstaan, waardoor ze ideaal zijn voor particuliere en openbare elektrische voertuigen en machines zoals havenkranen om energie op te slaan en te hergebruiken. In veel toepassingen, wanneer ontwerpers piekvermogen nodig hebben, zijn ze beschikbaar.

Als u een audiofiel bent, kan uw audioversterker een supercondensatorbank bevatten die in staat is om kilowatt piekvermogen te leveren aan uw basluidspreker wanneer Ferruccio Furlanetto de diepe tonen in Don Quichotte ten gehore brengt. Als u thuis een slimme meter hebt, bevat deze hoogstwaarschijnlijk een supercondensator die in staat is om piekvermogen te leveren bij het verzenden van opgeslagen data via de GPRS module. En nogmaals, als je een technologie gek bent die het Lamborghini ‘Terzo Millennio’ project volgt, heb je gemerkt hoe belangrijk een rol van supercondensatoren is in de motorisering van deze zeer speciale, elektrisch aangedreven sportwagen.

Veiligheid is een ander voordeel van supercondensatoren en dat is de reden waarom ze de eerste keuze zijn wanneer back-up of piekvermogen nodig is in een beperkte omgeving. Kritische toepassingen in vijandige of besloten omgevingen zijn strikt gereguleerd op het gebied van chemische en andere gevaarlijke risico’s, waardoor bepaalde typen batterijen zoals lithium-ion worden verminderd of verboden. Om veiligheidsredenen moeten deze toepassingen een back-up van de stroomvoorziening hebben die lang genoeg is om alarmen en safety shutdown uit te voeren. In dergelijke moeilijke omstandigheden vervangen supercondensatorbanken de conventionele batterijen waarvan de waarden kunnen variëren van enkele Farad tot 200 Farad voor algemene toepassingen (afbeelding 3).

Wat is dan de toekomst?

Zoals we hebben gezien, gaat de supercondensatortechnologie razend snel. De uitdaging van de energieopslag is hoogstwaarschijnlijk het gebied waar we de meer directe voordelen van nanotechnologieën in supercondensatoren zullen zien.

Een voorbeeld om dit artikel af te sluiten is het zeer interessante onderzoek van de University of Central Florida naar het combineren van een distributiekabel met de capaciteit van supercondensatoren. Assistent professor Jayan Thomas van het NanoScience Technology Center heeft een manier gevonden om een gewone koperdraad om te vormen tot een supercondensatorkabel. Gebaseerd op de nanowhisker technologie zou het de standaard koperdraad kunnen transformeren tot een supercondensator die in staat is grote hoeveelheden stroom op te slaan en te leveren.

Dus in zekere mate worden supercondensatoren stilletjes aan de meest veelbelovende componenten voor de toekomst. Veel energieontwerpers zijn al bezig met het implementeren van stroomoplossingen op basis van supercondensatoren, maar gezien de snelheid van het onderzoek en de enorme uitdagingen waar de mensheid op een dag in de niet al te verre toekomst voor staat als gevolg van de klimaatverandering, zullen supercondensatoren het hart van moderne stroomoplossingen vormen.