Was sind Kondensatoren und werden sie wirklich laden Sie Ihr Handy in Sekunden?


Ihr Telefon gestorben. Wieder. In diesen Szenarien, wer von uns hat nicht geträumt, den Traum von einer Zukunft, wo unsere Geräte sofort und dauert für immer kostenlos. Als Kondensatoren — oder noch spannender, Ultrakondensatoren— besser und besser an Energie zu speichern, sie konnten ausgetauscht und realisieren mindestens eine Hälfte dieses Traums.

Batterien und Kondensatoren sind beide Geräte, die Energie speichern, weshalb es darf verwirrend Unschärfe bei wie die Begriffe rund um geworfen werden. Hier ist der grundlegende Unterschied: Batterien speichern Energie in einer chemischen Reaktion, während Kondensatoren Energie in einem elektrischen Feld speichern.

Das Verständnis dieser Prozesse zwei Unterschied ist Schlüssel zum Verständnis, warum Kondensatoren arbeiten kann wo Batterien versagen. Also lasst uns ein wenig tiefer eintauchen in wie Energie in einem elektrischen Feld gespeichert wird.

Was genau ist ein Kondensator?

In seiner einfachsten Form ein Kondensators ist zwei Metallplatten (Leiter) mit einer Schicht aus Keramik, Glas oder Kunststoff (Isolator) eingeklemmt in der Mitte. Elektronen sammeln sich auf einer der Platten, so einseitig negativ geladen ist und der andere positiv geladenen. Wenn Elektronen von einer Seite zur anderen fließen dürfen, erhalten Sie Strom aus dem Kondensator.

Auf der anderen Seite müssen Lithium-Ionen-Batterien, verlassen Sie sich auf einer chemischen Reaktion um Energie freizusetzen, die dann in einem elektrischen Stromkreis extrahiert wird. Kondensatoren erfordern nicht, dass zusätzlichen Schritt, weshalb sie können entladen und laden viel schneller. Ein weiterer Vorteil des Überspringens der chemischen Reaktion, die Kondensatoren nicht über ein paar hundert Ladezyklen abgebaut, wie Ihre Laptop-Batterie die unglückliche Gewohnheit zu tun hat.

Kondensatoren haben einen großen Nachteil jedoch ist, dass sie nur einen Bruchteil der Energie im Vergleich zu einer Batterie der gleichen Größe zu speichern. Das waren Ultrakondensatoren herein.

Okay, also, was ist ein Ultracapacitor?

Nun, bedeutet der Name Ultracapacitor ist es deutlich besser, aber wie es funktioniert, ist ein bisschen komplizierter. Geduld mit uns. Die Metallplatten eine Ultracapacitor sind in eine schwammartige Form von Kohlenstoff beschichtet – Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen sind ideal, weil sie so dünn sind. Die ganze Sache ist, wenn in Elektrolyt, eine Flüssigkeit mit vielen Ionen herum im Wasser eingetaucht.

Wenn ein Ultracapacitor aufgeladen ist, die positiven Ionen an der negativen Elektrode angezogen werden und umgekehrt. Denken Sie daran, dass die Gebühren in einem Kondensator durch einen Isolator Schicht getrennt sind. In einer Ultracapacitor die Abstände zwischen den Ladevorgängen ist auf die Reihenfolge der zehntausend Mal kleiner. Da die Größe des elektrischen Feldes umgekehrt auf den Abstand zwischen den Ladevorgängen verbunden ist, hat die Ultracapacitor viel mehr Speicherkapazität. Die Durchlässigkeit des Kohlenstoffs bedeutet auch, gibt es viel mehr Fläche für Ionen zu Klammern. (Für detailliertere technische Erklärung Ultrakondensatoren, hat Gigaom vorgesorgt.)

Schließlich Wissenschaftler wollen Ultrakondensatoren, die Energiedichte vergleichbar mit Batterien haben – aber wir sind noch nicht da.

Die Schildkröte und der Hase

Die relativen Stärken und Schwächen der beiden Geräte sind schön durch Santiago Miret Berkeley Energie-und gemeinsame Ressourcen, die ihnen im Vergleich zu der Schildkröte und der Hase zusammengefasst.

Die Batterie stellt die Schildkröte als eine langsame und stetige Energielieferant für großen Energiebedarf und der Superkondensatoren dar der Hase, die Ladung und Entladung schnell für geringen Energiebedarf.

Was ist ein gutes Beispiel für eine Maschine, die auf Kondensatoren laufen gut geeignet? Der Stadtbus. Standardmäßig haben Busse alle paar Blocks zu stoppen, das ist natürlich frustrierend, wenn Sie hinter einem stecken. Aber ausgestattet mit Ultrakondensatoren Busse können auch schnell an jeder Haltestelle, wodurch die Notwendigkeit für Oberleitungen oder schwere Batterien aufladen.

Ultrakondensatoren in einem Bus können auch durch regenerative brechen, die Art und Weise, die ein Prius Batterie, aufgeladen werden. Sinautec Automobile Technologien hat Hybridbusse, die Ultrakondensatoren verwenden, um genau das zu tun.

Ein Hybridbus, der Ultrakondensatoren verwendet. Bild-Gutschrift: Maxwell

Kondensatoren könnte eine wichtige Rolle in der Zukunft der erneuerbaren Energien spielen. Wind- und Sonnenenergie sind in der Regel zur Energiegewinnung in kurzen Stößen, die nicht immer zu entsprechen, wenn die Leute am meisten Strom (in der Regel nachmittags, vor allem im Sommer). Manchmal, Wind und solar kann so viel Strom bei Nichtbedarf generieren, dass Verkäufer tatsächlich Käufer die zusätzliche Leistung zu bezahlen – der Strompreis wird im wesentlichen negativ. Auf der anderen Seite müssen wir auch Kohle und Gas-Anlagen rund um den Durchhang abholen, wenn erneuerbare Energien sind nicht genug Energie, um mit der Nachfrage mithalten generieren halten. Theoretisch ist die Lösung für beide Probleme offensichtlich: Lagerung. Und das ist, wo Kondensatoren kommen.

Es gibt noch verrückter Ideen für Kondensatoren draußen. Die Geräte unterscheiden sich also von Batterien, die sie explodieren Art unsere konventionellen Ideen für welche Energiespeicher werden kann. Zum Beispiel sind Kondensatoren sperrig, schon vergessen? Darüber hinaus erstellt Wissenschaftler letztes Jahr einen superstarke Kondensator, die eines Tages in den Wänden verwendet werden könnten, um ein ganzes Haus in ein Strom-Speicherung-Gerät zu verwandeln.

Aber das bringt uns auch wieder, warum Handys und andere kleine Geräte nicht die aufregendste Anwendung für Ultrakondensatoren sind. Diese Telefone können kostenlos in Sekunden, aber sie könnte noch dauern nur einen Tag, der die ärgerlicher Einschränkung ist.

Es gibt einen Ort, wo Ultrakondensatoren das Potenzial hat, zu wirklich überwinden aber: das Elektroauto.

Können Batterien und Kondensatoren zusammenarbeiten?

Die Elektro-Auto-Firma Tesla baut derzeit seine gigantische Batteriefabrik, in der Wüste machen eine große Wette auf die Akku-Technologie, die eine Flotte von Elektroautos ermöglichen würde. Aber CEO Elon Musk bestätigt auch die transformierende Kraft der Kondensatoren – sobald die Technik dort ankommt.

Die Durchlässigkeit eines Graphen Superkondensatoren. Bildnachweis: Kannappan Et al.

Im Jahr 2013, südkoreanische Forscher bekannt machten Graphen-basierte Superkondensatoren mit einer Energiedichte, die fast erreicht, die Lithium-Ionen-Batterien. Dies wurde mit viel Begeisterung begrüßt, aber es gibt noch ein Pedant: niemand hat herausgefunden, wie man Masse produzieren Graphen billig. Lithium-Ionen-Batterien möglicherweise schwere und unvollkommen, aber sie sind immer noch die praktischste Sache für Elektro-Autos, die wir derzeit haben.

Aber die Lösung nicht notwendigen Batterien oder Kondensatoren aber sowohl. Die Schildkröte und der Hase haben unterschiedliche Stärken, die sich eigentlich gegenseitig ergänzen. Beschleunigung zehrt eine Menge Energie. Wenn ein elektrisches Auto mit Kondensatoren, die auch schnell entladen beschleunigen könnte, könnte die Batterie kleiner und leichter, wodurch sich die Reichweite des Autos. Toyotas Hybrid-Rennwagen, der TS040 beschäftigt tatsächlich eine ähnliche Strategie, mit einem SuperCap 480 PS hinzu.

Ultrakondensatoren, die Batterien in jeder Hinsicht bei weitem übertreffen könnten eines Tages unsere Autos macht — und vielleicht sogar unsere Telefone, was auch immer sie aussehen in der fernen Zukunft. Ultracapacitor Technologie ist noch jung. Aber in der Praxis in naher Zukunft, Batterien und Kondensatoren haben Rollen zu spielen – nicht als Konkurrenten, sondern als Ergänzung.

Bild oben: eine einfache parallelen Platten-Kondensator. Hier ist die Isolator-Schicht in der Mitte Luft. Kredit: Wikimedia Commons/Hannes Grobe

[Berkeley Energie- und Ressourcenverbrauch kollaborative, MIT Technology Review, Gigaom]

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