Конденсатори мають низку чудових властивостей. Наприклад, вони накопичують енергію у вигляді електричного заряду, а не хімічної енергії. Це зазвичай дозволяє майже миттєво заряджатися та мати дуже високі пікові вихідні струми. Вони можуть витримувати сотні тисяч циклів заряду-розряду, на відміну від сотень циклів, як у акумуляторів з повним циклом заряду/розряду. Тож у чому проблема?
Акумулятор забезпечує досить постійну напругу протягом тривалого терміну служби. Залежно від пристрою, у вас можуть виникнути проблеми з продуктивністю, близькі до повного розряду. Наприклад, смартфони переходять у режим енергозбереження. Це не лише для того, щоб вони працювали трохи довше, але й для того, щоб запобігти миттєвому вимкненню без попередження.
Як бачите, напруга падає, коли акумулятор майже розряджається. У вашому телефоні є схема перетворення потужності, яка є частиною загального управління живленням, і яка перетворює не дуже постійну потужність акумулятора на дуже жорстко регульовану потужність системи (ймовірно, кілька різних напруг). Зверніть увагу, що тут є важливий зв'язок: потужність = струм * напруга. Отже, щоб підтримувати ту саму потужність, при падінні напруги моя схема повинна споживати більше струму.
Кожна батарея має невеликий внутрішній опір, і завдяки іншому співвідношенню, яке називається законом Ома, ви знаєте, що на батареї буде деяке падіння напруги. На малюнку Vout=V0−r∗I, де I – це сила струму. Таким чином, коли моє V0 падає, і моя схема керування живленням повинна споживати більше струму для забезпечення тієї ж потужності, вихідна напруга батареї падає ще швидше. Це обмежує максимальний вихідний струм батареї, а також означає, що вона досить швидко розряджається, коли близька до виснаження.
Але вихідна напруга, піковий струм і загальна потужність у конденсаторі з часом експоненціально падають. Конденсатор має одну перевагу: він накопичує електричний заряд, а не перетворює його на хімічний, як у батареї, тому, хоча внутрішній опір і існує, він крихітний і зазвичай ним можна знехтувати. Конденсатори можуть забезпечувати дуже високі струми протягом короткого часу.
Але для живлення чогось вони проблематичні. Згадайте моє бажання підтримувати постійну подачу живлення в мою систему керування живленням, і це потужність = струм * напруга. Коли наша напруга швидко падає, нам доводиться компенсувати це швидко зростаючим струмом, щоб забезпечити ту саму потужність. Дуже високі струми призводять до набагато дорожчої схеми, більших компонентів перетворення енергії, більших втрат потужності в друкованих платах тощо... та ж основна проблема, що й акумулятор, ближче до кінця, тільки це починає відбуватися дуже рано на початку терміну служби конденсатора. І коли конденсатор розряджається, піковий струм, хоча й відносно високий, також падає.
Інша проблема полягає в тому, що сучасні ультраконденсатори мають набагато нижчу питому енергію, ніж акумулятори. Найкращі ультраконденсатори на ринку витримують 8-10 Вт·год/кг, більшість із них – ближче до 5 Вт·год/кг. Найкращі літій-іонні акумулятори забезпечують потужність близько 200 Вт·год/кг, багато моделей можуть досягати понад 100 Вт·год/кг. Тому для використання ультраконденсаторів потрібна приблизно в 20 разів більша вага. Але можливо, й більше, оскільки в певний момент під час розряду, залежно від застосування, напруга падає занадто низько, щоб її можна було використовувати, залишаючи енергію невикористаною. Крім того, на відміну від більш традиційних конденсаторів, ультраконденсатори також мають відносно високий внутрішній опір. Тому вони не обов'язково можуть підтримувати значну перехідну зміну напруги на струм.
Також є саморозряд: як швидко «витікає» заряд із пристрою зберігання даних. Єдині нікель-металгідридні елементи є міцними, але саморозряд сягає 20–30% на місяць. Літій-іонні елементи зменшують цей показник приблизно до <2% на місяць залежно від конкретної літій-іонної технології, можливо, до 3% у деяких системах, залежно від накладних витрат на моніторинг батареї. Сучасні ультраконденсатори втрачають до 50% заряду протягом першого місяця. Це може не мати значення для пристрою, який заряджається щодня, але це абсолютно обмежує варіанти використання конденсаторів замість акумуляторів, принаймні доки не будуть створені кращі конструкції.
А оскільки вам потрібно так багато, поточна вартість ультраконденсаторів може бути в 6-20 разів перевищує вартість батарей. Якщо вашому застосуванню потрібна дуже мала вихідна потужність, особливо з дуже короткими високими стрибками струму, ультраконденсатор може бути варіантом. В іншому випадку, він не стане заміною батарей у найближчому майбутньому.
Для застосувань із високим струмом, таких як електромобілі, це поки що не є корисним варіантом як окремий варіант. Хоча системи, що використовують як ультраконденсатори, так і акумулятори, можуть бути переконливими, оскільки їхні відмінності дуже доповнюють один одного: висока передача струму та тривалий термін служби конденсатора порівняно з високою питомою енергією/щільністю енергії акумулятора. І зараз проводиться велика робота над створенням набагато кращих ультраконденсаторів, а також набагато кращих акумуляторів. Тож, можливо, колись ультраконденсатор візьме на себе більше типових обов'язків, пов'язаних з акумуляторами.
стаття з: https://qr.ae/pCacU0
Час публікації: 06 січня 2026 р.