Inovacije u razvoju superkondenzatora: prošlost, sadašnjost i budućnost

Industrija energetske elektronike krenula je uzlaznom spiralom i ne pokazuje znakove popuštanja, jer trend elektrifikacije prodire u širi spektar industrijskih domena i podrazumijeva potrebu za visokotehnološkim elektroničkim uređajima. Posljednjih godina zabilježen je značajan porast potrebe za naprednim rješenjima za pohranu električne energije, potaknuti nužnošću bržeg skladištenja, učinkovitog upravljanja energijom i optimizacije energije.

Priroda pogonske industrije elektroničke elektronike igrala je važnu ulogu u razvoju rješenja za pohranu električne energije, poput kondenzatora. Relativna vremenska učinkovitost punjenja kondenzatora potaknula je njihovu primjenu u mnoštvu uređaja za pohranu energije. Međutim, još uvijek postoji potencijal za poboljšanje sposobnosti spremanja električne energije kondenzatora, što je zauzvrat dovelo do razvoja superkondenzatora - poznatih i kao ultrakondenzatori ili elektrokemijski kondenzatori (EC).

Fokus na učinkovito pohranjivanje energije pokrenuo je pojavu superkondenzatora

Kako su se industrijski razvoji počeli okretati oko trenda elektrifikacije, inovacije u dizajnu superkondenzatora ubrzale su tempo. Globalni divovi, uključujući General Electric, provodili su eksperimente posvećene poboljšanju dizajna superkondenzatora, u pokušaju da kapitaliziraju rastuću potražnju za superkondenzatorima u industrijama kao ključnom pokretaču elektrifikacije. NEC Corporation bila je među prvih nekoliko tvrtki koje su komercijalno uvele superkondenzatore u svijet; za izum se uglavnom pripisuje Standard Oil Company iz Ohaja (SOHIO).

Nakon pojave supravodiča kao učinkovitijeg rješenja za pohranu energije, popularnost EC tehnologije odmah je porasla. Dizajn superkondenzatora napredovao je kroz nekoliko generacija od njihovog prvog komercijalnog lansiranja. Istraživačke organizacije i vodeće tvrtke u industriji energetske elektronike i dalje se usredotočuju na inovacije oko proizvodnih metoda i materijala kako bi dodatno poboljšali isplativost i performanse superkondenzatora.

Istraživački instituti otkrili su inovativne proizvodne postupke za superkondenzatore

Unatoč izvrsnim radnim karakteristikama superkondenzatora, proizvođači se još uvijek trude kontrolirati visoke proizvodne troškove i manju sposobnost skladištenja energije superkondenzatora u usporedbi s baterijama. Također, briga u vezi s trajnošću zbog superkondenzatora u određenoj je mjeri ograničavala njegovo usvajanje u industrijskim primjenama. Kao odgovor na ove zabrinutosti, tvrtke za proizvodnju superkondenzatora ulažu velika sredstva u istraživanje i razvoj (R&D) kako bi dizajnirale superiorniju verziju superkondenzatora.

Neke od inovacija temeljenih na istraživanju koje su oblikovale tržište superkondenzatora u posljednjih pet godina su,

U veljači 2013. istraživači sa Sveučilišta u Kaliforniji u Los Angelesu otkrili su revolucionarnu i isplativu metodu izrade za proizvodnju superkondenzatora mikrorazmjera korištenjem DVD plamenika LightScribe potrošačke kvalitete. Ovi mikrokondenzatori sastoje se od jednog atoma debelog sloja grafitnog ugljika i mogu se lako integrirati u minijaturizirane elektroničke uređaje. Korištenjem dvodimenzionalnog lista grafena u kombinaciji s novom tehnikom izrade, istraživači bi mogli u velikoj mjeri smanjiti proizvodne troškove i proširiti opseg primjene za superkondenzatore.
U srpnju 2013. istraživači s Nacionalnog instituta za znanost i tehnologiju Ulsan (UNIST) razvili su inovativnu metodu za masovnu proizvodnju trodimenzionalne mezoporozne nano-kuglice grafena (MGB) koja se može koristiti u proizvodnji superkondenzatora. Istraživači su predvidjeli da će svojstva mezoporoznog grafena poboljšati skalabilnost, kvalitetu i ekonomičnost superkondenzatora, proširujući opseg njihove primjene u električnim vozilima.
U kolovozu 2014. inženjeri sa Sveučilišta Monash u Australiji razvili su novu metodu proizvodnje grafena u superkondenzatorima kako bi poboljšali njihovu gustoću energije 10 puta više od komercijalnih uređaja. Inženjeri su stvorili makroskopski materijal od grafena postupkom sličnim tradicionalnoj metodi proizvodnje papira. Uz to, dalje su potvrdili da bi smanjenjem kemikalije na bazi otopine - grafitnog oksida u grafenu, inženjeri mogli otvoriti nove puteve za komercijalizaciju grafena i 10x energetski gušćih superkondenzatora.
Skupina istraživača u Južnoj Koreji otkrila je neobično inovativan, ali vrlo pogodan alternativni materijal za superkondenzatorske elektrode u kolovozu 2014. Osmislili su način korištenja filtera za cigarete u superkondenzatorima, koji se mogu transformirati u materijal visoke učinkovitosti na bazi ugljika velike snage gustoće. Istraživači bi mogli uspješno koristiti filtre za rabljene cigarete kako bi pohranili više električne energije od komercijalno dostupnog ugljika.

Fokus na razvoj materijala od superkondenzatora sveprisutan

Prelazak na razvoj materijala visokih performansi stekao je posve opipljivost među proizvođačima superkondenzatora, uz sve veću potražnju za superkondenzatorima u raznim industrijskim primjenama, poput nosive potrošačke elektronike i električnih vozila. Iako je grafen i dalje jedan od prikladnih materijala za superkondenzatore, tekuće istraživačke aktivnosti aludiraju na značajne transformacije u krajoliku tržišta superkandenzatora.

Skupina kemičara sa Sveučilišta u Amsterdamu, Instituta za molekularne znanosti Van't Hoff, izumila je novi materijal za superkondenzator, provodeći eksperimente za svoj projekt gorivih ćelija. Istraživači su otkrili da je visokoporozni superkondenzatorski materijal jeftin, lagan i netoksičan te da se može koristiti u potencijalnim komercijalnim primjenama superkondenzatora, poput transporta, elektronike i uređaja za pohranu energije.

Druga skupina znanstvenika iz UC Santa Cruz i Nacionalnog laboratorija Lawrence Livermore (LLNL) koristila je ultrabrzi 3D tiskani grafen za smanjenje debljina reda veličine milimetara i poboljšanje karakteristika performansi superkondenzatora, uključujući gustoću snage i zadržavanje kapaciteta.

Sklopivi supercapacitor je napravljen od običnog papira od strane inženjera iz Georgia Tech i Sveučilišta Koreji koji mogu pohraniti više energije za više, posebno u nosive elektroničkih proizvoda, kao što je fleksibilan. Znanstvenici, inženjeri i istraživači širom svijeta uglavnom se usredotočuju na uravnoteženje gustoće snage i gustoće energije superkondenzatora kako bi se izbjegao gubitak snage odjednom.

Najnoviji razvoj i inovacije u materijalima koji se koriste u proizvodnji superkondenzatora uglavnom su usmjereni na smanjenje mogućnosti samopražnjenja ili kratkog spoja. Dionici na tržištu superkondenzatora imaju za cilj iskoristiti različite karakteristike performansi pseudo-kondenzatora i hibridnih kondenzatora, koje mogu odražavati veću gustoću energije od bilo koje druge vrste superkondenzatora.

Iako je potražnja za dvoslojnim električnim kondenzatorima i dalje najveća na tržištu superkondenzatora, hibridni kondenzatori svjedoče porastu potražnje u raznim industrijskim primjenama.

Automobilska industrija - ključno potencijalno područje za rast proizvođača superkondenzatora

Automobilski sektor trenutno je područje potencijalnog rasta za proizvođače visokokvalitetnih uređaja za pohranu energije, poput superkondenzatora. U 2013, automobilske aplikacije supercapacitors iznosi manje od 1/5 ^og udjela prihoda od supercapacitors tržištu. Međutim, s nedavnim razvojem u automobilskoj industriji, automobili su postali jedna od najvažnijih primjena superkondenzatora.

Budući da se proizvođači automobila usredotočuju na smanjenje ovisnosti o naftnoj industriji i upravljačka tijela koja nameću stroge propise o zaštiti okoliša, predviđa se da će izgledi za rast električnih vozila biti obećavajući. To je proizvođače superkondenzatora navelo da uvide profitabilne mogućnosti u automobilskoj industriji koja se brzo razvija.

Razvoj superkondenzatora pogodnih za električna vozila ili hibridna električna vozila jedna je od najvažnijih poslovnih strategija tvrtki za proizvodnju superkondenzatora. S druge strane, proizvođači automobila također su u utrci s izbacivanjem najučinkovitijih električnih vozila, što je opravdalo njihov lov na visokokvalitetne sustave za pohranu energije. To se u konačnici odražava u sve širem opsegu inovacija u superkondenzatorima u automobilskoj industriji koja se brzo razvija.

U veljači 2019. Tesla Inc. - globalni div u automobilskoj i energetskoj industriji - objavio je da je kupio Maxwell Technologies Inc. - vodeću tvrtku za tehnologiju baterija - za približno 218 milijuna američkih dolara. Tvrtka želi iskoristiti unosne mogućnosti za električna vozila, a ovom akvizicijom planira dodati stručnost u području superkondenzatora koji bi mogli ubrzati mogućnosti punjenja automobila.

U svibnju 2018. Rolls-Royce - vodeći svjetski proizvođač luksuznih automobila - sklopio je ugovor o suradnji sa Superdielectrics Ltd - započetom tehnologijom sa sjedištem u Velikoj Britaniji, istražiti potencijal superkondenzatora i stvoriti vrhunsko skladište visoke energije tehnologija. Ovim partnerstvom Roll-Royce želi kombinirati svoju stručnost u znanosti o materijalima s hidrofilnim polimerima Superdielectrics-a za razvoj aplikacija svjetske klase superkondenzatorskih baterija.

Lamborghini je još jedan od vodećih proizvođača automobila koji se pridružio paketu automobilskih tvrtki koje planiraju iskoristiti izvanredne karakteristike superkondenzatora tijekom elektrifikacije automobilske industrije. Glavni tehnički direktor tvrtke nedavno je izjavio da je tvrtka prethodno koristila superkondenzatore u Lamborghiniju Aventador za početnu bateriju. Stručnjaci predviđaju da bi nasljednik Aventadora mogao koristiti identične superkondenzatore.

Automobilska industrija koja se neprestano razvija stvorila je uzbudljivo konkurentno okruženje za proizvođače superkondenzatora. Potraga za stalnim napretkom u performansama superkondenzatora vjerojatno će tijekom sljedećih godina pokrenuti neke revolucionarne inovacije na tržištu superkondenzatora.

Uloga superkondenzatora u perspektivama elektronike i energetike i energetike

Očekuje se da će automobilska i transportna industrija u narednom desetljeću činiti više od jedne trećine udjela u prihodu na tržištu superkondenzatora. Unatoč proslavljenoj budućnosti superkondenzatora u modernoj automobilskoj industriji, potrošačka elektronika i industrija energije i energije vjerojatno će imati lavovski udio u razvoju tržišta superkondenzatora.

Superkondenzatori se reklamiraju kao radni konj bilo kojeg elektroničkog proizvoda koji radi na baterijama ili sustavima za pohranu energije. U narednim će godinama superkondenzatori vjerojatno biti svjedoci sveprisutnog prihvaćanja u raznim industrijskim vertikalima. Budućnost tržišta superkondenzatora vjerojatno će svjedočiti pojavi EC-a koji će pokretati budućnost modernih nosivih i potrošačkih elektroničkih proizvoda. Solarni superkondenzatori također su stvar iz budućnosti, za koju se očekuje da će imati ogroman prodajni potencijal u okruženju nosivih senzora, posebno u nosivim zdravstvenim uređajima.

Stalne istraživačke aktivnosti i razvoj u industriji energetske elektronike i dalje nagovještavaju superkondenzatore koji zamjenjuju baterije u bliskoj budućnosti. S porastom primjene superkondenzatora u raznim industrijskim sektorima, poput elektronike, energije i energije, vojske i obrane i zrakoplovstva, očekuje se da će globalno tržište superkondenzatora premašiti 5,5 milijardi američkih dolara do 2028. godine. Eksponencijalna stopa rasta tržišta superkondenzatora je očekuje se da će povećati unosne mogućnosti za istraživače, proizvođače i druge dionike u krajoliku.

Aditi Yadwadkar iskusan je pisac istraživanja tržišta i opširno je pisao o industriji elektronike i poluvodiča. U Future Market Insights (FMI) blisko surađuje s istraživačkim timom za elektroniku i poluvodiče kako bi zadovoljila potrebe klijenata iz cijelog svijeta. Ti se uvidi temelje na izvješću FMI-a o tržištu superkondenzatora.