Kunnen ultracondensatoren batterijen vervangen in toekomstige elektrische voertuigen?
Ultracondensatoren zijn de laatste tijd volop in het nieuws, maar kunnen ze op een levensvatbare manier de batterijen in de elektrische auto’s van de toekomst vervangen?
Ultracondensatoren zijn geweldig. Maar kunnen ze op een levensvatbare manier de batterijen in toekomstige elektrische voertuigen vervangen?
Ultracondensatoren hebben aanzienlijke voordelen ten opzichte van batterijen: ze zijn immers veel lichter, sneller op te laden, veiliger en niet-giftig. Er zijn echter enkele gebieden waar batterijen de vloer ermee aanvegen, althans voorlopig.
Met de recente overnames van fabrikanten van ultracondensatoren door onder meer Tesla, zouden ultracondensatoren op het punt kunnen staan batterijen te verdringen als de belangrijkste energiebron voor elektrische auto’s.
Wat is een ultracondensator?
Ultracondensatoren, ook wel supercondensatoren, dubbellaagse condensatoren of elektrochemische condensatoren genoemd, zijn een energieopslagsysteem dat de laatste tijd aan populariteit wint. Ze kunnen worden gezien als een kruising tussen een gewone condensator en een batterij, maar toch zijn ze verschillend van beide.
Ultracondensatoren hebben een zeer hoge capaciteit vergeleken met hun traditionele alternatieven – vandaar de naam. Net als een batterij hebben ultracondensatorcellen een positieve en negatieve elektrode, gescheiden door een elektrolyt. Maar in tegenstelling tot batterijen slaan ultracondensatoren energie elektrostatisch op (op dezelfde manier als een condensator) in plaats van chemisch zoals een batterij.
Ultracondensatoren hebben ook een diëlektrische scheider die de elektrolyt als een condensator verdeelt. Door deze interne celstructuur kunnen ultracondensatoren een zeer hoge energieopslagdichtheid hebben, vooral vergeleken met een normale condensator.
Ultracondensatoren slaan minder energie op dan een batterij van vergelijkbare grootte. Maar ze kunnen hun energie veel sneller vrijgeven, omdat de ontlading niet afhankelijk is van een chemische reactie die plaatsvindt.
Het meest gebruikte elektrodemateriaal voor ultracondensatoren is koolstof in verschillende vormen, zoals actieve kool, koolstofvezeldoek, van carbide afgeleide koolstof, koolstofaerogel, grafiet (grafeen) en koolstofnanobuisjes (CNT’s).
Hoe een ultracondensator opladen?
Wanneer een spanningsverschil wordt aangelegd op de positieve en negatieve platen van de condensator, begint deze op te laden. Volgens Battery University: “Dit is vergelijkbaar met de opbouw van elektrische lading bij het lopen op een tapijt. Door een voorwerp aan te raken, komt de energie via de vinger vrij.”
Enkele van de eerste voorbeelden van deze technologie werden eind jaren vijftig ontwikkeld bij General Electric, maar er waren toen nog geen levensvatbare commerciële toepassingen. Het zou tot de jaren negentig duren voordat de vooruitgang in de materiaalwetenschap en de productie de prestaties van ultracondensatoren zou verbeteren en de kosten ervan zou verlagen om ze commercieel levensvatbaar te maken.
Hoe werken ultracondensatoren?
Zoals hierboven vermeld, werken ultracondensatoren door snelle uitbarstingen van energie te leveren tijdens piekperiodes van de stroomvraag, en vervolgens overtollige energie op te vangen en snel op te slaan die anders verloren zou kunnen gaan.
Om deze reden vormen ze een uitstekende aanvulling op primaire energiebronnen, omdat ze snel en efficiënt opladen en ontladen.
Hoewel batterijen grote hoeveelheden stroom kunnen bevatten, duurt het uren om ze op te laden. Condensatoren, vooral ultracondensatoren, laden daarentegen vrijwel onmiddellijk op, maar kunnen slechts kleine hoeveelheden energie opslaan.
Om deze reden zijn ultracondensatoren de perfecte oplossing wanneer een systeem snel moet opladen en geen elektriciteit voor langere tijd hoeft op te slaan. Ze wegen ook minder dan batterijen, kosten minder en bevatten over het algemeen geen giftige metalen of schadelijke materialen.
Kunnen ultracondensatoren batterijen vervangen?
Het antwoord op deze vraag hangt sterk af van waarvoor ze zullen worden gebruikt. Er zijn voor- en nadelen aan elk. Zoals eerder vermeld hebben batterijen een veel hogere energiedichtheid dan ultracondensatoren.
Dit betekent dat ze geschikter zijn voor toepassingen met een hogere energiedichtheid, of wanneer een apparaat lange tijd op één lading moet werken. Ultracondensatoren hebben een veel hogere vermogensdichtheid dan batterijen. Dit maakt ze ideaal voor toepassingen met een hoog verbruik, zoals het aandrijven van een elektrisch voertuig.
Zoals hierboven vermeld, hebben ultracondensatoren ook een veel langere levensduur dan batterijen. Een gewone batterij kan ongeveer 2000 tot 3000 laad- en ontlaadcycli aan, terwijl ultracondensatoren er doorgaans meer dan 1.000.000 aankunnen. Dit kan een aanzienlijke besparing op materiaal en kosten opleveren.
Ultracondensatoren zijn ook veel veiliger en aanzienlijk minder giftig. Ze bevatten geen schadelijke chemicaliën of zware metalen en ontploffen veel minder snel dan batterijen.
Bovendien hebben ultracondensatoren een veel groter werkbereik dan batterijen. Op dit gebied zijn ze zelfs beter dan batterijen, omdat ze kunnen werken binnen een bereik van -40 tot +65 graden Celsius.
Ultracondensatoren kunnen ook veel sneller worden opgeladen en ontladen dan batterijen, meestal binnen enkele seconden, en zijn veel efficiënter bij zelfontlading dan batterijen.
Veel ultracondensatoren hebben ook een veel langere houdbaarheid dan batterijen. Sommige, zoals SkelCap-cellen, kunnen wel 15 jaar achter elkaar worden bewaard met weinig tot geen afname van de capaciteit.
Zoals bij de meeste technologie is de belangrijkste drijfveer voor de toepassing van ultracondensatoren de kosten-batenverhouding. Ultracondensatoren zijn op de lange termijn doorgaans de meest economische keuze voor toepassingen die korte uitbarstingen van energie nodig hebben.
Batterijen zijn echter een veel betere keuze voor toepassingen die in de loop van de tijd een constante, lage stroom vereisen.
Kunnen ultracondensatoren de batterijen in toekomstige elektrische auto’s vervangen?
Zoals we hebben gezien, zijn ultracondensatoren het meest geschikt voor situaties waarin in korte tijd veel stroom nodig is. In termen van elektrische auto’s zou dit betekenen dat ze voordelen zouden hebben ten opzichte van batterijen wanneer het voertuig uitbarstingen van energie nodig heeft, zoals tijdens het accelereren.
In feite is dit precies wat Toyota heeft gedaan met de Yaris Hybrid-R conceptauto, die gebruik maakt van een supercondensator voor gebruik tijdens het accelereren.
PSA Peugeot Citroen is ook begonnen met het gebruik van ultracondensatoren als onderdeel van zijn start-stop brandstofbesparende systemen. Dit zorgt voor een veel snellere initiële acceleratie.
Mazda’s i-ELOOP-systeem maakt ook gebruik van ultracondensatoren om energie op te slaan tijdens het vertragen. Het opgeslagen vermogen wordt vervolgens gebruikt voor de stop-startsystemen van de motor.
Supercondensatoren worden ook gebruikt om de voedingen van hybride bussen snel op te laden terwijl ze van stop naar stop rijden.
Wanneer hybride energie puur voor prestaties wordt gebruikt, zijn kwesties als actieradius en het vermogen om een lading vast te houden niet zo belangrijk – en dus beginnen sommige high-end fabrikanten, zoals Lamborghini, ook door supercondensatoren aangedreven e-motoren in hun modellen te integreren. hybriden.
Ultracondensatoren zijn echter nog geen vervanging voor batterijen in de meeste elektrische voertuigen. Li-ionbatterijen zullen in de nabije toekomst waarschijnlijk de belangrijkste stroomvoorziening voor elektrische voertuigen worden.
Velen geloven dat het waarschijnlijker is dat ultracondensatoren gebruikelijker zullen worden als systemen voor energieregeneratie tijdens het vertragen. Deze opgeslagen energie kan vervolgens worden hergebruikt tijdens perioden van acceleratie in plaats van directe vervanging van batterijen.
Volgens dit onderzoek zouden ze echter ook kunnen worden toegepast in hybride voertuigen in plaats van batterijen wanneer “de vraag naar stroom kleiner is dan het vermogen van de elektromotor; wanneer de vraag naar vermogen van het voertuig groter is dan die van de elektromotor, zal de motor wordt gebruikt om aan de vraag naar energie van het voertuig te voldoen, plus om de stroom te leveren om de supercondensatoreenheid op te laden.”
Recent onderzoek naar op grafeen gebaseerde supercondensatoren zou ook het gebruik van supercondensatoren in elektrische auto’s kunnen bevorderen. Een onderzoek door wetenschappers van Rice University en de Queensland University of Technology resulteerde in twee artikelen, gepubliceerd in de Journal of Power Sources and Nanotechnology.
Ze stelden een oplossing voor bestaande uit twee grafeenlagen, met daartussen een elektrolytlaag. Deze resulterende film is sterk, dun en kan in korte tijd grote hoeveelheden energie vrijgeven.
Deze factoren zijn een gegeven: het is tenslotte een supercondensator. Deze studie is anders omdat de onderzoekers suggereren dat de nieuwe, dunnere ultracondensatoren grotere batterijen in toekomstige elektrische voertuigen zouden kunnen vervangen.
Dit zou ook de integratie van de ultracondensatoren in carrosseriepanelen, dakpanelen, vloeren en zelfs deuren kunnen omvatten. In theorie zou dit het voertuig van alle energie kunnen voorzien die het nodig heeft en het aanzienlijk lichter kunnen maken dan elektrische voertuigen op batterijen.
“Er wordt gehoopt dat de supercondensator in de toekomst zal worden ontwikkeld om meer energie op te slaan dan een Li-Ion-batterij, terwijl hij de mogelijkheid behoudt om zijn energie tot tien keer sneller vrij te geven – wat betekent dat de auto volledig kan worden aangedreven door de supercondensatoren in zijn carrosserie. panels”, zegt co-auteur Jinzhang Liu van het onderzoek.
Er komen interessante tijden aan, zo lijkt het.
