Kondensaattoreilla on useita hyviä ominaisuuksia. Ne varastoivat energiaa esimerkiksi sähkövarauksena kemiallisen energian sijaan. Tämä mahdollistaa tyypillisesti lähes välittömät latausajat ja erittäin suuret huippuvirrat. Ne kestävät satojatuhansia lataus- ja purkaussyklejä, toisin kuin täysin ladatut akut, kuten satoja syklejä. Mikä siis on ongelma?
Akku tarjoaa melko tasaisen jännitteen pitkän käyttöiän ajan. Laitteesta riippuen suorituskykyongelmia voi esiintyä lähes tyhjänä. Esimerkiksi älypuhelimet siirtyvät virransäästötilaan. Tämä ei ole tarkoitettu vain pitämään niitä toiminnassa hieman pidempään, vaan estämään äkilliset sammumiset ilman varoitusta.
Kuten näet, jännite laskee akun lähestyessä tyhjenemistä. Puhelimessasi on tehonmuunnospiiri, joka on osa yleistä virranhallintaa ja joka muuntaa akun ei-vakaan virtaa erittäin tarkasti säädellyksi järjestelmävirraksi (luultavasti useille eri jännitteille). Huomaa, että tässä on tärkeä suhde: teho = virta * jännite. Jotta teho pysyisi samana jännitteen laskiessa, piirini on kulutettava enemmän virtaa.
Jokaisella akulla on pieni sisäinen resistanssi, ja Ohmin lain nimisen suhteen ansiosta akussa tapahtuu jonkin verran jännitehäviötä. Kuvassa Vout = V0 − r∗I, jossa I on virta. Näin ollen, kun V0 laskee ja virranhallintapiirini joutuu ottamaan enemmän virtaa saman tehon tuottamiseksi, akun lähtöjännite laskee vielä nopeammin. Tämä rajoitti akun maksimivirrantuottoa ja tarkoitti myös sitä, että ne putoavat melko nopeasti, kun ne ovat lähellä tyhjentymistä.
Mutta kondensaattorin lähtöjännite, huippuvirta ja kokonaisteho laskevat eksponentiaalisesti ajan myötä. Kondensaattorilla on yksi etu: se varastoi sähkövarausta sen sijaan, että se muuttaisi sähkövarauksen kemialliseksi varaukseksi kuten akussa, joten vaikka sisäinen vastus on olemassa, se on pieni ja se voidaan yleensä jättää huomiotta. Kondensaattorit voivat tuottaa erittäin, erittäin suuria virtoja lyhyen aikaa.
Mutta jonkin virransyöttöön ne ovat ongelmallisia. Muistakaa haluni pitää virranhallintajärjestelmääni menevän virran määrä vakiona, ja että teho = virta * jännite. Kun jännite laskee nopeasti, meidän on kompensoitava sitä nopeasti nousevalla virralla saman tehon tuottamiseksi. Hyvin suuret virrat tekevät piiristä paljon kalliimman, tehomuunnoskomponentit ovat suurempia, piirilevyjen tehohäviöt ovat suurempia jne. Sama perusongelma on akulla lähellä loppua, paitsi että tämä alkaa tapahtua jo hyvin varhain kondensaattorin käyttöiän aikana. Ja kun kondensaattori ehtyy, huippuvirta, vaikka se onkin vielä suhteellisen korkea, laskee myös.
Toinen ongelma on, että nykyaikaisilla ultrakondensaattoreilla on paljon pienempi ominaisenergia kuin akuilla. Markkinoiden parhaat ultrakondensaattorit pystyvät tuottamaan 8–10 Wh/kg, useimmat lähempänä 5 Wh/kg. Parhaat litiumioniakut tuottavat lähes 200 Wh/kg, ja monet koostumukset voivat saavuttaa yli 100 Wh/kg. Joten ultrakondensaattoreiden käyttö vaatii noin 20 kertaa enemmän painoa. Mutta mahdollisesti enemmänkin, koska purkauksen aikana jännite laskee jossain vaiheessa sovelluksesta riippuen liian alas, jotta sitä olisi mahdollista käyttää, jolloin tehoa jää käyttämättä. Lisäksi, toisin kuin perinteisemmillä kondensaattoreilla, ultrakondensaattoreilla on myös suhteellisen korkea sisäinen resistanssi. Joten ne eivät välttämättä pysty tukemaan juurikaan jännitteen vaihtoa virraksi.
Sitten on vielä itsepurkautuminen: kuinka nopeasti virta "vuotaa" tallennuslaitteesta. Ainoat NiMh-kennot ovat kestäviä, mutta niiden itsepurkautuminen on jopa 20–30 % kuukaudessa. Litiumioniakut vähentävät tämän alle 2 prosenttiin kuukaudessa riippuen käytetystä litiumioniteknologiasta, ehkä 3 prosenttiin joissakin järjestelmissä akun valvonnan kustannuksista riippuen. Nykyisten ultrakondensaattoreiden varaus laskee jopa 50 % ensimmäisen kuukauden aikana. Sillä ei ehkä ole merkitystä laitteessa, jota ladataan päivittäin, mutta se ehdottomasti rajoittaa kondensaattoreiden ja akkujen käyttötarkoituksia, ainakin siihen asti, kunnes parempia malleja kehitetään.
Ja koska niitä tarvitaan niin paljon, ultrakondensaattoreiden nykyinen hinta voi olla 6–20 kertaa akkujen hinta. Jos sovelluksesi tarvitsee hyvin pienen tehon, erityisesti hyvin lyhyiden virtapiikkien aikana, ultrakondensaattori voi olla vaihtoehto. Muuten se ei tule korvaamaan akkua lähitulevaisuudessa.
Suuria virtamääriä vaativissa sovelluksissa, kuten sähköautoissa, ei ole vielä kovin hyödyllinen vaihtoehto itsenäisenä ratkaisuna. Vaikka sekä ultrakondensaattoreita että akkuja käyttävät järjestelmät voivat olla houkuttelevia, koska niiden erot täydentävät toisiaan hyvin paljon kondensaattorin suuren virransiirron ja pitkän käyttöiän vuoksi verrattuna akun korkeaan ominaisenergiatiheyteen. Ja paljon työtä tehdään paljon parempien ultrakondensaattoreiden ja akkujen kehittämiseksi. Joten ehkä jonain päivänä ultrakondensaattori ottaa hoitaakseen enemmän tyypillisiä akkutehtäviä.
artikkeli osoitteesta: https://qr.ae/pCacU0
Julkaisun aika: 06.01.2026