Инновации в разработке суперконденсаторов: прошлое, настоящее и будущее

Отрасль силовой электроники находится на подъеме и не показывает никаких признаков ослабления, поскольку тенденция электрификации проникает в более широкий спектр областей промышленности и влечет за собой потребность в высокотехнологичных устройствах силовой электроники. В последние годы наблюдается заметный рост потребности в передовых решениях для хранения электроэнергии, вызванный необходимостью более быстрого хранения, эффективного управления энергопотреблением и оптимизации энергопотребления.

Промышленность силовой электроники, ориентированная на приложения, сыграла важную роль в разработке решений для хранения электроэнергии, таких как конденсаторы. Относительная экономия времени при зарядке конденсаторов побудила их использовать во множестве устройств накопления энергии. Тем не менее, все еще существует потенциал для улучшения способности конденсаторов сохранять электричество, что, в свою очередь, привело к разработке суперконденсаторов, также известных как ультраконденсаторы или электрохимические конденсаторы (ЭК).

Сосредоточение внимания на эффективном хранении энергии спровоцировало появление суперконденсаторов

Поскольку промышленные разработки стали вращаться вокруг тенденции электрификации, инновации в конструкции суперконденсаторов ускорились. Глобальные гиганты, в том числе General Electric, проводили эксперименты, посвященные усовершенствованию конструкции суперконденсаторов, чтобы извлечь выгоду из растущего спроса на суперконденсаторы в промышленности как на ключевой фактор электрификации. Корпорация NEC была одной из первых компаний, которые коммерчески представили суперконденсаторы в мире; за изобретение в основном приписывается компания Standard Oil of Ohio (SOHIO).

После появления сверхпроводников как более эффективного решения для хранения энергии популярность ЕС-технологии резко возросла. Конструкции суперконденсаторов развивались на протяжении нескольких поколений с момента их первого коммерческого запуска. Исследовательские организации и ведущие компании в отрасли силовой электроники по-прежнему фокусируются на инновациях в методах производства и материалах для дальнейшего повышения рентабельности и производительности суперконденсаторов.

Исследовательские институты обнаружили инновационные технологии производства суперконденсаторов

Несмотря на превосходные рабочие характеристики суперконденсаторов, производители все еще пытаются контролировать высокие производственные затраты и более низкую способность аккумулировать энергию суперконденсаторов по сравнению с батареями. Кроме того, проблемы, связанные с долговечностью суперконденсаторов, в определенной степени ограничивают их применение в промышленных приложениях. В ответ на эти опасения компании, производящие суперконденсаторы, вкладывают значительные средства в исследования и разработки (НИОКР), чтобы разработать более совершенную версию суперконденсаторов.

Некоторые из основанных на исследованиях инноваций, которые сформировали рынок суперконденсаторов за последние пять лет:

• В феврале 2013 года исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе обнаружили новаторский и экономичный метод изготовления суперконденсаторов микромасштабов с использованием записывающего устройства DVD LightScribe потребительского класса. Эти микро-суперконденсаторы состоят из слоя графитового углерода толщиной в один атом и могут быть легко интегрированы в миниатюрные электронные устройства. Используя двумерный лист графена в сочетании с новой техникой производства, исследователи смогли значительно снизить производственные затраты и расширить область применения суперконденсаторов.
• В июле 2013 года исследователи из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) разработали инновационный метод массового производства трехмерных мезопористых графеновых наношаров (MGB), которые можно использовать в производстве суперконденсаторов. Исследователи прогнозировали, что свойства мезопористого графена улучшат масштабируемость, качество и рентабельность суперконденсаторов, расширяя сферу их применения в электромобилях.
• В августе 2014 года инженеры из Университета Монаша в Австралии разработали новый метод производства графена внутри суперконденсаторов, чтобы повысить их плотность энергии в 10 раз по сравнению с коммерческими устройствами. Инженеры создали макроскопический графеновый материал с помощью процесса, аналогичного традиционному методу производства бумаги. Кроме того, они также подтвердили, что за счет уменьшения содержания химического вещества на основе раствора - оксида графита в графене, инженеры могут открыть новые возможности для коммерциализации графена и суперконденсаторов с более высокой плотностью энергии в 10 раз.
• Группа исследователей из Южной Кореи обнаружила необычно инновационный, но весьма подходящий альтернативный материал для электродов суперконденсатора в августе 2014 года. Они разработали способ использования сигаретных фильтров в суперконденсаторах, которые можно преобразовать в высокоэффективный углеродный материал с высокой мощностью. плотности. Исследователи могут успешно использовать фильтры для старых сигарет, чтобы накапливать больше электроэнергии, чем коммерчески доступный углерод.

Повсеместное внимание к разработке материалов для суперконденсаторов

Движение к разработке высокоэффективных материалов стало очевидным среди производителей суперконденсаторов в связи с постоянно растущим спросом на суперконденсаторы для различных промышленных применений, таких как носимая бытовая электроника и электромобили. Хотя графен остается одним из подходящих материалов для суперконденсаторов, текущие исследования указывают на значительные изменения в ландшафте рынка суперконденсаторов.

Группа химиков из Института молекулярных наук Вант-Хоффа при Амстердамском университете изобрела новый материал для суперконденсатора, проводя эксперименты для своего проекта топливных элементов. Исследователи обнаружили, что высокопористый материал суперконденсатора является недорогим, легким и нетоксичным и может быть использован в потенциальных коммерческих приложениях суперконденсаторов, таких как транспорт, электроника и устройства хранения энергии.

Другая группа ученых из Калифорнийского университета в Санта-Круз и Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) использовала сверхбыстрый 3D-печатный графен для уменьшения толщины на порядок миллиметров и улучшения рабочих характеристик суперконденсаторов, включая плотность мощности и сохранение емкости.

Складная суперконденсатор была сделана из обычной бумаги инженеров из Джорджии и Корейского университета, который может хранить больше энергии дольше, особенно в носимых электронных продуктах, как он гибок. Ученые, инженеры и исследователи по всему миру в основном сосредотачиваются на балансе плотности мощности и плотности энергии суперконденсаторов, чтобы сразу избежать потери мощности.

Последние разработки и инновации в материалах, используемых при производстве суперконденсаторов, в основном направлены на снижение вероятности саморазряда или короткого замыкания. Заинтересованные стороны на рынке суперконденсаторов стремятся извлечь выгоду из различных рабочих характеристик псевдоконденсаторов и гибридных конденсаторов, которые могут отражать более высокую плотность энергии, чем любые другие типы суперконденсаторов.

В то время как спрос на электрические конденсаторы с двойным слоем остается самым высоким на рынке суперконденсаторов, гибридные конденсаторы становятся свидетелями роста спроса в различных промышленных приложениях.

Автомобильная промышленность - ключевая область роста для производителей суперконденсаторов

В настоящее время автомобильный сектор является областью с высоким потенциалом роста для производителей высококачественных устройств хранения энергии, таких как суперконденсаторы. В 2013 году, автомобильной промышленности суперконденсаторов приходится менее 1/5 ^тыс доли доходов рынка суперконденсаторов. Однако с последними достижениями в автомобильной промышленности автомобили стали одним из наиболее важных приложений суперконденсаторов.

С учетом того, что производители автомобилей стремятся снизить зависимость от нефтяной промышленности, а руководящие органы вводят строгие экологические нормы, перспективы роста электромобилей кажутся многообещающими. Это привело к тому, что производители суперконденсаторов увидели выгодные возможности в быстро развивающейся автомобильной промышленности.

Разработка суперконденсаторов, подходящих для электромобилей или гибридных электромобилей, является одной из наиболее важных бизнес-стратегий компаний-производителей суперконденсаторов. С другой стороны, производители автомобилей также участвуют в гонке за выпуск наиболее эффективных электромобилей, что оправдало их поиски высококачественных систем хранения энергии. В конечном итоге это отражается в постоянно расширяющихся возможностях инноваций в суперконденсаторах в быстро развивающейся автомобильной промышленности.

В феврале 2019 года Tesla Inc. - мировой гигант в автомобильной и энергетической отраслях - объявила о приобретении Maxwell Technologies Inc. - ведущей компании в области аккумуляторных технологий - примерно за 218 миллионов долларов США. Компания стремится извлечь выгоду из прибыльных возможностей для электромобилей, и с этим приобретением она планирует расширить опыт в области суперконденсаторов, которые могут ускорить возможности зарядки автомобилей.

В мае 2018 года Rolls-Royce, ведущий мировой производитель автомобилей класса люкс, заключил соглашение о сотрудничестве с Superdielectrics Ltd - британским технологическим стартапом, исследующим потенциал суперконденсаторов и созданием ультрасовременного хранилища высокой энергии. технологии. В рамках этого партнерства Roll-Royce стремится объединить свой опыт в области материаловедения с гидрофильными полимерами Superdielectrics для разработки суперконденсаторных батарей мирового класса.

Lamborghini - еще один ведущий автопроизводитель, присоединившийся к группе автомобильных компаний, планирующих использовать выдающиеся характеристики суперконденсаторов в процессе электрификации автомобильной промышленности. Главный технический директор компании недавно заявил, что компания ранее использовала суперконденсаторы в Lamborghini Aventador в качестве стартерной батареи. Эксперты прогнозируют, что преемник Aventador может использовать идентичные суперконденсаторы.

Постоянно развивающаяся автомобильная промышленность создала захватывающую конкурентную среду для производителей суперконденсаторов. Стремление к постоянному совершенствованию характеристик суперконденсаторов, вероятно, вызовет в ближайшие годы некоторые революционные инновации на рынке суперконденсаторов.

Роль суперконденсаторов в перспективах электроники, энергетики и энергетики

Ожидается, что на автомобильную и транспортную промышленность в ближайшее десятилетие будет приходиться более одной трети доли выручки от рынка суперконденсаторов. Несмотря на славное будущее суперконденсаторов в автомобильной промышленности нового поколения, потребительская электроника, энергетика и электроэнергетика, вероятно, займут львиную долю в развитии рынка суперконденсаторов.

Суперконденсаторы рекламируются как рабочая лошадка любого электронного продукта, работающего от батарей или систем хранения энергии. В ближайшие годы суперконденсаторы, вероятно, получат повсеместное признание в различных отраслях промышленности. Будущее рынка суперконденсаторов, вероятно, будет засвидетельствовано появлением электронных компонентов, которые станут основой современных носимых устройств и потребительской электроники. Солнечные суперконденсаторы - это тоже вещь из будущего, которое, как ожидается, будет иметь огромный потенциал продаж в сфере носимых датчиков, особенно носимых медицинских устройств.

Продолжающиеся исследования и разработки в области силовой электроники указывают на то, что суперконденсаторы заменят батареи в ближайшем будущем. Ожидается, что с увеличением применения суперконденсаторов в различных отраслях промышленности, таких как электроника, энергетика и электроэнергетика, военная и оборонная промышленность, а также аэрокосмическая промышленность, к 2028 году мировой рынок суперконденсаторов превысит 5,5 млрд долларов США. Темпы роста рынка суперконденсаторов увеличиваются в геометрической прогрессии. ожидается, что это расширит прибыльные возможности для исследователей, производителей и других заинтересованных сторон.

Адити Ядвадкар - опытный писатель, занимающийся маркетинговыми исследованиями, и много писала об электронной и полупроводниковой промышленности. В Future Market Insights (FMI) она тесно сотрудничает с исследовательской группой по электронике и полупроводникам, чтобы удовлетворить потребности клиентов со всего мира. Эти идеи основаны на отчете FMI о рынке суперконденсаторов.