Die Bedeutung einer hohen Dielektrizitätskonstante in einschichtigen Ultrakondensatoren

Ein Dielektrikum ist jeder elektrische Isolator, der durch ein elektrisches Feld polarisiert werden kann. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ändert sich die Ladungsverteilung im Dielektrikum so, dass sich positive Ladungen mit dem Feld ausrichten.

Energiegewinnung aus Solarmodulen ist eine etablierte Technologie. Obwohl die Preise in den letzten zehn Jahren massiv gesunken sind, gibt es jedoch mehrere Herausforderungen, die das Wachstum behindern. Einer davon ist die Netzinfrastruktur, die für die Variabilität erneuerbarer Energiequellen wie Wind- und Solarenergie schlecht gerüstet ist, und der andere ist die Speicherung. Es gibt zwar mehrere Speicherlösungen wie Batterien, Elektrolytkondensatoren und mechanische Speichersysteme, die jedoch alle Mängel aufweisen.

Hier werden wir uns ansehen, wie eine aktuelle Entwicklung von Single Layer Energy Storage Devices (SSESD) eine Lösung bietet. Das SSESD beinhaltet ein Dielektrikum mit hoher Permittivität und einer Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 16 Millionen.

Dielektrika

Ein Dielektrikum ist jeder elektrische Isolator, der durch ein elektrisches Feld polarisiert werden kann. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ändert sich die Ladungsverteilung im Dielektrikum so, dass sich positive Ladungen mit dem Feld ausrichten. Die drei primären Polarisationsmechanismen sind:

  • Ionische Polarisation, bei der positive Ionen mit dem Feld und negative Ionen gegen das Feld fließen.
  • Orientierungspolarisation, bei der das Dielektrikum Materialien mit einem permanenten Dipolmoment enthält, d.h. Moleküle haben eine ungleichmäßige Ladungsverteilung.
  • Grenzflächenpolarisation, bei der freie mobile Ladungen innerhalb des Materials zur dielektrischen/Elektrodengrenzfläche wandern; positive Ladungen wandern zur negativen Elektrode und positive Ladungen zur negativen Elektrode.

Kondensatoren

In seiner einfachsten Form besteht ein Kondensator aus einer dielektrischen Schicht, die zwischen zwei Leitern angeordnet ist. Das Anlegen einer Spannung an die Leiter erzeugt ein elektrisches Feld. Die Dielektrizitätskonstante oder Permittivität (K) des Dielektrikums ist das Verhältnis zwischen dem Feld ohne Dielektrikum (Eo) und dem Feld mit dem Dielektrikum (E).

K = Eo/Eo/E

In dem beschriebenen Einschichtkondensator wird beim Anlegen einer Spannung (V) über die Leiter eine Ladung (Q) im Kondensator induziert. Das Verhältnis zwischen Spannung und Ladung ist definiert als die Kapazität (C) des Kondensators.  

C = Q/V

Die gespeicherte Ladungsmenge hängt von der Fläche (A) der Leiter, dem Abstand (d) zwischen ihnen und der Dielektrizitätszahl ab.

C = K(A/d)

Bei Kondensatoren mit identischen Abmessungen gilt also: Je höher der Wert des K, desto größer ist die Ladungsmenge, die gespeichert werden kann.

Die in einem geladenen Kondensator gespeicherte potenzielle elektrische Energie (E) ist eine Funktion der Kapazität (C), der Spannung (V) über die Elektroden. Sie ist gleichwertig mit der Arbeit, die durch die Aufladung geleistet wird, und kann ausgedrückt werden durch:

E = ½ CV2

Leistungsdichte

Die Leistungsdichte eines Kondensators ist die Menge an Leistung, die er bei einem bestimmten Volumen erzeugen kann. So haben beispielsweise Kondensatoren eine höhere Leistungsdichte als Batterien, da sie in der Lage sind, Energie viel schneller zu liefern als Batterien. Ein kleiner Kondensator kann eine viel höhere Leistungsdichte aufweisen als eine große Batterie, auch wenn eine Batterie eine höhere Leistungsdichte aufweisen kann. Mit anderen Worten, Macht ist die Rate des Energieverbrauchs. Die Leistungsdichte eines Kondensators wird in der Regel als potenzielle Energie pro Gramm oder pro Volumeneinheit ausgedrückt.

So wie Kondensatoren viel schneller Leistung liefern können, können sie auch viel schneller aufladen. Wir werden später zur Leistungsdichte in Bezug auf die Energiespeicherung des Solarmoduls zurückkehren, aber zuerst werden wir andere Arten von Kondensatoren, nämlich Ultracaps, einsetzen.

Ultrakondensatoren

Wie gesagt, je höher die Dielektrizitätskonstante, desto größer ist die Menge der Ladung, die gespeichert werden kann. Die erste Generation der Superkondensatoren basierte auf der Erhöhung der Kapazität durch die Einführung eines Elektrolyten. Typischerweise bestehen diese aus einer Anode, auf der eine dünne dielektrische Schicht aufgebracht ist, einem Elektrolyten und einer Kathode. Der Elektrolyt bildet die eigentliche Kathode. Wenn sie polarisiert sind, bilden die Ionen im Elektrolyten Doppelschichten mit negativen Ionen, die von der positiven Elektrode angezogen werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren haben elektrolytische Ultrakondensatoren eine deutlich höhere Leistungsdichte. Ein Nachteil ist jedoch, dass sie nur niedrigen Spannungen standhalten können, bevor sie ausfallen. Darüber hinaus hat sich der Fortschritt bei ihrer Entwicklung verlangsamt.

Typischerweise liegt die höchste Leistungsdichte, die mit dieser Art von Ultrakondensatoren erreicht werden kann, bei etwa 15 kW/kg.

Festkörper-Einschicht Energiespeichervorrichtungen

Im Gegensatz zu elektrolytischen Ultrakondensatoren verwenden Festkörper-Ultrakondensatoren keinen Elektrolyten. Stattdessen beinhalten sie ein festes Dielektrikum mit einer extrem hohen Dielektrizitätskonstante. Unter Bezugnahme auf die oben genannten Gleichungen ist die Potentialenergie des Kondensators direkt proportional zur Dielektrizitätszahl. So können durch die Integration einer Superdielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 106 Kondensatoren mit extrem hohen Leistungsdichten aufgebaut werden.

Wir haben ein solches Dielektrikum entwickelt. Seine Dielektrizitätskonstante von 16 Millionen ist der höchste bisher gemeldete Wert. Typischerweise würde ein Stapel von 6.000 Schichten à 400 cm2 und eine Ladespannung von 600 V 85 kWh und eine Leistungsdichte von 7,78 kW/kg liefern.

Ladezeit

Ein großer Vorteil von SSESD gegenüber elektrolytischen Ultrakondensatoren ist die Ladezeit. Die Ladezeit wird durch die Versorgungsspannung und den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) des Kondensators bestimmt. Der ESR ist komplex und wird durch eine Reihe von Faktoren bestimmt, darunter die verwendeten Materialien und die mechanische Konstruktion. In einem herkömmlichen Ultrakondensator ist der ESR relativ hoch, obwohl Ultrakondensatoren vom Polymertyp mit einem niedrigeren ESR konstruiert werden können, aber immer noch wesentlich höher als der SSESD. Typische Ladezeiten liegen zwischen 1 und 10 Sekunden.

Im Falle unseres SSESD wird die Ladung auf der dielektrischen/Metall-Schnittstelle gespeichert. Der ESR kann sehr viel niedriger und schnelle Ladezeiten erreichen. Derzeit sehen wir Ladezeiten für mehrere Schichten von weniger als einer Sekunde.

Solarenergie

Das aktuelle Ziel für erneuerbare Energien ist es, bis 2020 ein Drittel der gesamten Energie aus erneuerbaren Ressourcen zu gewinnen. Wir könnten dieses Ziel bei weitem nicht erreichen, wenn nicht verbesserte Technologien entwickelt werden.

Die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie ist eine etablierte Technologie, und Solarparks sind weltweit weit verbreitet. Während es verschiedene Möglichkeiten gibt, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln, sind es vor allem Solarthermieanlagen und Photovoltaik.

  • Solarthermieanlagen bündeln die Sonneneinstrahlung mit Linsen und Spiegeln und nutzen die Wärme zum Antrieb von Dampfturbinen.
  • Die Photovoltaik nutzt das Phänomen, dass, wenn Halbleiter Photonen einer bestimmten Frequenz absorbieren, die Energie Elektronen von der Valenz in das Leitungsband anregt und Löcher im Valenzband hinterlässt. Die Photovoltaikzelle besteht aus einem PN-Anschluss, so dass sich die Elektronen auf die N-Seite und die Löcher auf die P-Seite bewegen. Wenn ein Stromkreis zwischen den beiden Seiten gebildet wird, fließt elektrischer Strom und kann zur Versorgung einer Last verwendet werden.

Dabei liegt unser Fokus auf der Photovoltaik und wie sie in Kombination mit Ultrakondensatoren und insbesondere SSESD eine optimale Lösung für die Erzeugung erneuerbarer Energien bieten.

Herausforderungen bei der Solarstromerzeugung

In weiten Teilen der Welt kann Solarstrom einen großen Beitrag zum Netz leisten, aber es bleiben erhebliche Probleme. Sonnenenergie ist intermittierend; wenn die Sonne scheint, kann Sonnenenergie zum Netz beitragen, aber wenn eine Wolke erscheint, wird dieser Beitrag erheblich reduziert. Dieser Ein/Aus-Effekt kann zu Netzinstabilität führen, und um dies zu überwinden, sind oft alternative Energiequellen erforderlich, um bei sinkender Sonneneinstrahlung einzusteigen.

Um dies zu vermeiden, ist eine Form der Energiespeicherung erforderlich, um die Versorgung auszugleichen. Verschiedene Lösungen sind möglich, darunter Lithium-Ionen- und Blei-Säure-Batterien, Schwungräder, Elektrolytkondensatoren und Ultrakondensatoren. Spezifische Energieüberlegungen deuten jedoch darauf hin, dass nur Lithium-Ionen-Batterien, Schwungräder und Ultrakondensatoren realistische Optionen sind.

Eine weitere Überlegung ist die Lebensdauer. Mindestens 10.000 Zyklen plus und eine Mindestlebensdauer von 10 Jahren ist eine typische Anforderung. Dadurch entfallen Lithium-Ionen-Batterien, die nur noch Schwungräder und Ultrakondensatoren benötigen. Ein Problem mit Schwungrädern ist, dass sie unter Tage gebaut werden müssen und erhebliche Investitionen erfordern, während Ultrakondensatoren eine viel einfachere Lösung darstellen. Darüber hinaus haben Ultracapacitors keine beweglichen Teile und sind sehr wartungsarm.

SSESD für die Energieerfassung von Solarmodulen

Wie wir gezeigt haben, bietet SSESD mit hohen Dielektrizitätskonstanten viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Ultrakondensatoren. Sie bieten bessere Leistungsdichten, höhere Laderaten und haben einen potenziellen Kostenvorteil. Die Integration mit Solarmodulen ist einfach und bietet eine sofortige Lösung für die Unterbrechung der Solarenergie auch auf Modulebene.

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UltraCap Energy Ltd.

UltraCap Energy Ltd. wurde mit dem Ziel gegründet, umweltfreundliche Energiespeicher oder "Batterien" zu entwickeln. Jetzt, zu 60% entwickelt, würden diese Geräte die Art und Weise, wie elektrische Energie gespeichert und transportiert wird, revolutionieren. Mit nur 4 Minuten Ladezeit könnte ein Elektrofahrzeug mit unserer Batterie bis zu 480 Kilometer weit über die bisherigen langsam ladenden Li-Ionen-Akkus hinaus fahren.

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