Inovácie vo vývoji superkondenzátorov: minulosť, prítomnosť a budúcnosť

Priemysel výkonovej elektroniky bol na vzostupnej špirále a nevykazuje žiadne známky zmierňovania, pretože trend elektrifikácie preniká do širšieho spektra priemyselných oblastí a vyžaduje si požiadavku na špičkové výkonové elektronické zariadenia. V posledných rokoch došlo k výraznému nárastu potreby pokročilých riešení pre ukladanie elektrickej energie, čo bolo vyvolané nevyhnutnosťou rýchlejšího ukladania, efektívneho riadenia spotreby a optimalizácie energie.

Aplikačný charakter odvetvia výkonovej elektroniky zohral dôležitú úlohu pri vývoji riešení pre ukladanie elektriny, ako sú kondenzátory. Relatívna časová účinnosť pri nabíjaní kondenzátorov si vyžaduje ich implementáciu v mnohých zariadeniach na ukladanie energie. Stále však existuje potenciál na zlepšenie schopnosti kondenzátorov uchovávať elektrinu, čo zase viedlo k vývoju superkondenzátorov - známych tiež ako ultrakapacitory alebo elektrochemické kondenzátory (EC).

Zameranie na efektívne ukladanie energie spustilo vznik superkondenzátorov

Keď sa priemyselný vývoj začal krútiť okolo trendu elektrifikácie, tempo nabrali inovácie v dizajnoch superkondenzátorov. Globálni giganti, vrátane spoločnosti General Electric, uskutočňovali experimenty zamerané na vylepšenie dizajnu superkondenzátorov v snahe zužitkovať rastúci dopyt po superkondenzátoroch v priemysle ako kľúčového činiteľa umožňujúceho elektrifikáciu. Spoločnosť NEC Corporation bola medzi prvými niekoľkými spoločnosťami, ktoré komerčne predstavili superkondenzátory na svete; vynálezu sa pripisuje hlavne Standard Oil Company of Ohio (SOHIO).

Po vzniku supravodičov ako efektívnejšieho riešenia skladovania energie sa popularita technológie EC okamžite zvýšila. Dizajn superkondenzátorov od svojho prvého komerčného uvedenia na trh prešiel niekoľkými generáciami. Výskumné organizácie a popredné spoločnosti v priemysle výkonovej elektroniky sa stále zameriavajú na inovácie výrobných metód a materiálov s cieľom ďalšieho zlepšovania nákladovej efektívnosti a výkonu superkondenzátorov.

Výskumné ústavy objavili inovatívne výrobné postupy pre superkondenzátory

Napriek vynikajúcim prevádzkovým vlastnostiam superkondenzátorov sa výrobcovia stále ťažko snažia kontrolovať vysoké výrobné náklady a nižšie schopnosti superkondenzátorov akumulovať energiu v porovnaní s batériami. Rovnako aj obavy týkajúce sa trvanlivosti týkajúce sa superkondenzátorov do istej miery obmedzujú jeho prijatie v priemyselných aplikáciách. V reakcii na tieto obavy spoločnosti zaoberajúce sa výrobou superkondenzátorov investovali značné prostriedky do výskumu a vývoja (R&D), aby navrhli lepšiu verziu superkondenzátorov.

Niektoré z inovácií založených na výskume, ktoré formovali trh superkondenzátorov za posledných päť rokov, sú:

• Vo februári 2013 objavili vedci z Kalifornskej univerzity v Los Angeles priekopnícku a nákladovo efektívnu výrobnú metódu na výrobu superkondenzátorov v malom meradle pomocou spotrebnej napaľovačky DVD LightScribe. Tieto mikro superkondenzátory pozostávajú z vrstvy grafitického uhlíka s hrúbkou jedného atómu a možno ich ľahko integrovať do miniaturizovaných elektronických zariadení. Pri použití dvojrozmerného plátu grafénu v kombinácii s novou technikou výroby by vedci mohli do značnej miery znížiť výrobné náklady a rozšíriť rozsah aplikácií pre superkondenzátory.
• V júli 2013 vyvinuli vedci z Národného vedeckého a technologického ústavu v Ulsane (UNIST) inovatívnu metódu hromadnej výroby trojrozmernej mezoporéznej grafénovej nano-guľôčky (MGB), ktorú je možné použiť pri výrobe superkondenzátorov. Vedci predpokladali, že vlastnosti mezoporézneho grafénu zlepšia škálovateľnosť, kvalitu a nákladovú efektívnosť superkondenzátorov, čím sa rozšíri rozsah ich použitia v elektrických vozidlách.
• V auguste 2014 vyvinuli inžinieri na univerzite Monash v Austrálii nový spôsob metódy výroby grafénu vo vnútri superkondenzátorov na zlepšenie ich energetickej hustoty 10-krát viac ako v prípade komerčných zariadení. Inžinieri vytvorili makroskopický grafénový materiál procesom podobným tradičnej metóde výroby papiera. Ďalej ďalej potvrdili, že znížením obsahu chemického oxidu grafitu na báze roztoku v graféne môžu inžinieri otvoriť nové možnosti komercializácie grafénu a 10x hustejších superkondenzátorov.
• Skupina výskumníkov v Južnej Kórei objavila neobvykle inovatívny, ale veľmi vhodný alternatívny materiál pre elektródy superkondenzátorov v auguste 2014. Vymysleli spôsob, ako používať cigaretové filtre v superkondenzátoroch, ktoré sa dajú transformovať na vysokoúčinný materiál na báze uhlíka s vysokým výkonom. hustoty. Vedci mohli úspešne použiť použité cigaretové filtre na uskladnenie väčšieho množstva elektrickej energie ako komerčne dostupného uhlíka.

Zameranie na vývoj materiálov pre superkondenzátory všadeprítomne

Krok smerom k vývoju vysokovýkonných materiálov získal medzi výrobcami superkondenzátorov úplnú citeľnosť so stále rastúcim dopytom po superkondenzátoroch v rôznych priemyselných aplikáciách, ako je nositeľná spotrebná elektronika a elektrické vozidlá. Aj keď grafén zostáva jedným z vhodných materiálov pre superkondenzátory, prebiehajúce výskumné aktivity naznačujú významné transformácie v prostredí trhu so superkondenzátormi.

Skupina chemikov z Amsterdamského ústavu Van't Hoff pre molekulárne vedy na univerzite v Amsterdame vymyslela nový materiál pre superkondenzátor pri vykonávaní experimentov pre ich projekt palivových článkov. Vedci zistili, že vysoko porézny superkondenzátorový materiál je lacný, ľahký a netoxický a dá sa použiť v potenciálnych komerčných aplikáciách superkondenzátorov, ako sú doprava, elektronika a zariadenia na skladovanie energie.

Ďalšia skupina vedcov z UC Santa Cruz a Národného laboratória Lawrenca Livermora (LLNL) použila ultrarýchly 3D tlačený grafén na zníženie hrúbky rádovo v milimetroch a zlepšenie výkonových charakteristík superkondenzátorov vrátane hustoty výkonu a zadržania kapacity.

Skladací supercapacitor bol vyrobený z obyčajného papiera inžiniermi z Georgia Tech a Kórejská univerzita, ktorý by mohol ukladať viac energie po dlhšiu dobu, a to najmä v nositeľné elektronických výrobkov, ako je flexibilný. Vedci, inžinieri a vedci z celého sveta sa zameriavajú hlavne na vyváženie hustoty výkonu a hustoty energie superkondenzátorov, aby sa zabránilo strate energie naraz.

Posledný vývoj a inovácie v materiáloch používaných pri výrobe superkondenzátorov sa sústreďujú hlavne na zníženie možnosti samovybíjania alebo skratu. Zainteresované strany na trhu superkondenzátorov sa zameriavajú na využitie rôznych výkonnostných charakteristík pseudokondenzátorov a hybridných kondenzátorov, ktoré môžu odrážať vyššiu hustotu energie ako akékoľvek iné typy superkondenzátorov.

Zatiaľ čo dopyt po elektrických dvojvrstvových kondenzátoroch zostáva na celom trhu superkondenzátorov najvyšší, hybridné kondenzátory sú svedkami nárastu dopytu v rôznych priemyselných aplikáciách.

Automobilový priemysel - oblasť kľúčového potenciálu rastu pre výrobcov superkondenzátorov

Automobilový priemysel je v súčasnosti oblasťou vysokého potenciálu výrobcov kvalitných zariadení na skladovanie energie, ako sú napríklad superkondenzátory. V roku 2013, automobilové aplikácie superkondenzátory predstavovali menej ako 1/5 ^th podielu príjmov superkondenzátoroch trhu. S posledným vývojom v automobilovom priemysle sa však automobily stali jednou z najdôležitejších aplikácií superkondenzátorov.

Pretože sa výrobcovia automobilov zameriavajú na znižovanie závislosti na ropnom priemysle, a riadiace orgány, ktoré zavádzajú prísne environmentálne predpisy, mali byť perspektívy rastu elektrických vozidiel sľubné. To viedlo výrobcov superkondenzátorov k tomu, aby videli očividné príležitosti v rýchlo sa rozvíjajúcom automobilovom priemysle.

Vývoj superkondenzátorov vhodných pre elektrické vozidlá alebo hybridné elektrické vozidlá je jednou z najdôležitejších obchodných stratégií spoločností vyrábajúcich superkondenzátory. Na druhej strane, automobiloví výrobcovia tiež bojujú o zavedenie najefektívnejších elektrických vozidiel, čo odôvodnilo ich hon za vysoko kvalitnými systémami na skladovanie energie. To sa nakoniec odráža v neustále sa rozširujúcom rozsahu inovácií superkondenzátorov v rýchlo sa rozvíjajúcom automobilovom priemysle.

Vo februári 2019 spoločnosť Tesla Inc. - globálny gigant v automobilovom a energetickom priemysle - oznámila, že získala spoločnosť Maxwell Technologies Inc. - poprednú spoločnosť v oblasti batériových technológií - za približne 218 miliónov USD. Cieľom spoločnosti je zúročiť lukratívne príležitosti pre elektrické vozidlá a touto akvizíciou plánuje pridať odborné znalosti v oblasti superkondenzátorov, ktoré by mohli urýchliť nabíjanie automobilov.

V máji 2018 spoločnosť Rolls-Royce - popredný svetový výrobca luxusných automobilov - uzavrela dohodu o spolupráci so spoločnosťou Superdielectrics Ltd - britským technologickým startupom, preskúmala potenciál superkondenzátorov a vytvorila najmodernejšie vysokoenergetické úložisko. technológie. V rámci tohto partnerstva si spoločnosť Roll-Royce kladie za cieľ spojiť svoje odborné znalosti v oblasti materiálovej vedy s hydrofilnými polymérmi spoločnosti Superdielectrics na vývoj špičkových aplikácií batérií superkondenzátorov.

Lamborghini je ďalším popredným výrobcom automobilov, ktorý sa stal členom skupiny automobilových spoločností, ktoré plánujú využiť mimoriadne vlastnosti superkondenzátorov počas elektrifikácie automobilového priemyslu. Hlavný technický riaditeľ spoločnosti nedávno vyhlásil, že spoločnosť predtým používala na štartovaciu batériu superkondenzátory v Lamborghini Aventador. Odborníci predpokladajú, že nástupca Aventadoru by mohol používať rovnaké superkondenzátory.

Neustále sa rozvíjajúci automobilový priemysel vytvoril veľmi vzrušujúce konkurenčné prostredie pre výrobcov superkondenzátorov. Snaha o neustály pokrok vo výkonnosti superkondenzátorov pravdepodobne v nasledujúcich rokoch spustí niektoré priekopnícke inovácie na trhu superkondenzátorov.

Úloha superkondenzátorov v perspektívach elektroniky a energetiky a energetiky

Očakáva sa, že automobilový priemysel a doprava budú v nasledujúcom desaťročí predstavovať viac ako jednu tretinu podielu na príjmoch trhu so superkondenzátormi. Napriek oslávenej budúcnosti superkondenzátorov v automobilovom priemysle novej doby je pravdepodobné, že spotrebná elektronika a energetika a energetika budú mať najväčší podiel na vývoji trhu so superkondenzátormi.

Superkondenzátory sa označujú ako ťažný kôň všetkých elektronických výrobkov, ktoré pracujú na batériách alebo v systémoch na skladovanie energie. V nasledujúcich rokoch budú superkondenzátory pravdepodobne svedkami všadeprítomného prijatia v rôznych odvetviach. Budúcnosť trhu so superkondenzátormi bude pravdepodobne svedkom vzniku ES, ktoré budú poháňať budúcnosť moderného oblečenia a výrobkov spotrebnej elektroniky. Solárne superkondenzátory sú tiež vecou budúcnosti, od ktorej sa očakáva, že bude mať obrovský potenciál predaja v prostredí nositeľných senzorov, najmä v nositeľných zdravotníckych zariadeniach.

Pokračujúce výskumné činnosti a vývoj v priemysle výkonovej elektroniky naďalej naznačujú, že v blízkej budúcnosti budú batérie nahradené superkondenzátormi. S rastúcim využitím superkondenzátorov v rôznych priemyselných odvetviach, ako je elektronika, energetika, energetika, armáda a obrana a letectvo, sa očakáva, že globálny trh so superkondenzátormi do roku 2028 prekoná 5,5 miliardy USD. Exponenciálna miera rastu trhu so superkondenzátormi je očakáva sa, že rozšíri lukratívne príležitosti pre výskumných pracovníkov, výrobcov a ďalšie zainteresované strany v krajine.

Aditi Yadwadkar je skúsená autorka prieskumu trhu a rozsiahle písala o priemysle elektroniky a polovodičov. Na spoločnosti Future Market Insights (FMI) úzko spolupracuje s výskumným tímom elektroniky a polovodičov, aby uspokojila potreby klientov z celého sveta. Tieto poznatky sú založené na správe FMI o trhu Supercapacitors.