Superkapasitor hibrida menawarkan alternatif penyimpanan energi

Baterai isi ulang dan superkapasitor masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan, tetapi desain hybrid yang menggabungkan kedua teknologi menjadi satu struktur dapat mengatasi banyak keterbatasan masing-masing.

Kapasitor lapisan ganda listrik (EDLC) - paling sering disebut "superkapasitor" dan kadang-kadang "ultrakapasitor" - adalah komponen penyimpanan energi pasif yang luar biasa. Sebagai hasil dari kapasitansi tinggi dari beberapa farad dan ukuran kecil, ia menyediakan penyimpanan energi kepadatan tinggi baik volume maupun berat. Dalam beberapa penginderaan jauh, IoT, dan aplikasi yang bersumber dari pemanenan energi, supercaps adalah alternatif untuk baterai yang dapat diisi ulang; dalam situasi lain, mereka digunakan bersama dengan baterai untuk mengatasi beberapa kelemahan komponen penyimpan energi berbasis elektrokimia tersebut. Bukannya yang satu secara inheren lebih baik dari yang lain; sebagai gantinya, supercaps dan baterai isi ulang (terlepas dari bahan kimianya) masing-masing memiliki kekuatan dan kelemahan relatif. Prioritas aplikasi menentukan mana yang paling masuk akal, atau keduanya dibutuhkan dalam semacam pengaturan tandem.

Ada alternatif lain yang menarik untuk memilih hanya satu atau bahkan keduanya sebagai dua komponen terpisah:superkapasitor hibrida. Perangkat penyimpan energi ini bukan sekadar kemasan bersama yang jelas dari baterai isi ulang dan supercap. Sebagai gantinya, ia menggunakan konstruksi unik di mana rakitan tunggal adalah supercap dan baterai Li-ion pada saat yang sama, Gambar 1 (lihat Referensi untuk detail lebih lanjut).

Gambar 1:Tampilan tingkat atas dari struktur superkapasitor hibrida ini menunjukkan bahwa itu bukan superkap dan baterai yang berbagi paket dua terminal tunggal. (Sumber gambar:Taiyo Yuden)

Di antara vendor superkaps hibrida ini adalah Taiyo Yuden (perusahaan menyebutnya superkapasitor lithium-ion, yang secara teknis cukup tepat), Eaton, dan Maxwell Technologies, Inc. (sekarang bagian dari Tesla).

Ada banyak tabel diposting yang memberikan perbandingan antara supercaps standar dan baterai isi ulang lithium-ion (tabel 1). Ingatlah bahwa setiap sumber daya dan vendor memiliki perspektif yang berbeda, seperti yang Anda harapkan, dan teknologi itu sendiri berkembang dengan pesat.

Tabel 1:Ini membandingkan karakteristik tingkat atas superkapasitor versus baterai isi ulang lithium-ion; masing-masing mungkin memiliki set entri yang berbeda tergantung pada sumber informasi dan waktunya. (Sumber gambar:Maxwell Technologies, Inc., melalui Battery University )

Terlepas dari keunggulan yang tampak dari supercaps hybrid ini, saya selalu memiliki perasaan campur aduk tentang perangkat dan struktur hybrid secara umum. Di satu sisi, kombinasi dari dua teknologi atau bahan sering memungkinkan kita untuk mempertahankan aspek terbaik dari masing-masing sambil mengatasi beberapa kelemahan. Ini tidak hanya berlaku untuk elektronik:pikirkan beton yang diperkuat dengan batangan, atau polimer yang diperkuat serat karbon (CFRP) yang digunakan sebagai kulit badan pesawat dan pelengkap generasi terbaru.

Pada saat yang sama, kombinasi ini terkadang memiliki kekurangan baru. Misalnya, peralatan uji multifungsi mungkin memiliki spesifikasi yang lebih rendah atau beberapa batas fleksibilitas dibandingkan dengan unit tujuan tunggal yang dioptimalkan. "Pisau Tentara Swiss" yang dikenal luas adalah contoh non-listrik:masing-masing alat individualnya mungkin "cukup OK" namun jelas tidak sebagus alat khusus; namun, kombinasi dan kemasan blade/aksesori secara keseluruhan memberikan manfaat dalam ukuran, berat, dan biaya.

Untuk supercap hybrid, ada juga masalah manajemen. Baterai isi ulang Li-ion memiliki kebutuhan khusus terkait dengan pengawasan tingkat pengisian dan pengosongan, penghitungan coulomb, dan suhu (untuk mengutip beberapa faktor) — dan supercaps memiliki daftar yang sebanding. Lantas, bagaimana supercap hybrid itu dikelola? Apakah taktik tersebut akan bertentangan, atau cukup mirip sehingga satu pendekatan dapat bekerja untuk hibrida dua terminal?

Saya berpikir tentang dioda terowongan:terlepas dari karakteristik kinerjanya yang menarik, sebagai perangkat dua terminal tanpa koneksi input-output-ground yang berbeda, cukup sulit untuk benar-benar digunakan dan karenanya tidak disukai; hal yang sama berlaku untuk dioda PIN (lihat saja beberapa skema rangkaian aplikasinya). Mungkin IC seperti Maxim MAX38889 yang baru-baru ini diperkenalkan, regulator buck/boost 2,5V hingga 5,5V, 3A reversibel yang dioptimalkan untuk aplikasi pencadangan supercap, berfungsi cukup baik untuk keduanya? (Gambar 2)

Gambar 2:MAX38889 secara khusus menargetkan manajemen superkapasitor; mungkin juga ada baterai di sirkuit. (Sumber gambar:Maxim Integrated Products)

Memutuskan apakah akan menggunakan solusi hibrida untuk masalah tertentu sering kali melibatkan pertimbangan timbal balik yang sulit dinilai. Selain keuntungan nyata di mana setiap konstituen mengatasi satu atau lebih kekurangan yang lain, ada juga banyak kasus di mana kelemahan baru diperkenalkan.

Apakah masuk akal untuk menggunakan hibrida supercap? Jawabannya sederhana:tergantung. Dalam beberapa kasus, kekurangan baru tidak dapat diterima dalam aplikasi, sementara di lain, manfaat baru lebih besar daripada kekurangannya. Secara kuantitatif, model tidak hanya harus menyelesaikan persamaan “adalah 1 +1 <, =, atau> 2?” tetapi juga harus menilai setiap celah yang diciptakan oleh solusi tersebut.

Apa pengalaman Anda dengan solusi hybrid — digabungkan atau digabungkan — (dan bukan hanya hybrid supercaps)? Apakah keuntungan keseluruhan lebih penting daripada kerugian tambahan? Bagaimana Anda membuat penilaian tentang keseimbangan antara keuntungan versus kerugian dari pendekatan hibrida?

Referensi
Eaton, “penjelasan superkapasitor hybrid”

Eaton, “kertas putih superkapasitor HS Hybrid”

Battery University, “BU-209:Bagaimana Superkapasitor Bekerja?”

Taiyo Yuden, “Kapasitor Lithium Ion:Pengganti EDLC Terbaik”

Taiyo Yuden, “Perangkat Penyimpanan Daya:Kapasitor Lithium Ion; Kapasitor Dua Lapis Listrik”

Ringkasan Teknologi, “Superkapasitor Menjadi Hibrida untuk Peningkatan Performa dan Efisiensi”

>> Artikel ini awalnya diterbitkan di situs saudara kami, EE Waktu.

Konten Terkait:

• Mengatasi tantangan desain dalam pengukuran energi DC presisi
• Sistem manajemen baterai memiliki fitur redundansi untuk aplikasi kendaraan otonom
• Menilai masa pakai baterai lithium-ion untuk perangkat medis implan
• Menggunakan analisis daya untuk mengoptimalkan masa pakai baterai di perangkat IoT
• PMIC arus diam yang rendah membantu memperpanjang masa pakai baterai
• Perangkat terintegrasi menyederhanakan manajemen daya di platform seluler
• PMIC arus diam yang rendah membantu memperpanjang masa pakai baterai

Untuk lebih banyak Tertanam, berlangganan buletin email mingguan Tertanam.