Innovasjoner i utvikling av superkondensatorer: fortid, nåtid og fremtiden

Den kraftelektronikkindustrien har vært på en oppadgående spiral og viser ingen tegn til avtakende, som utviklingen av elektrifisering penetrerer et bredere spekter av industrielle domener og innebærer kravet om high-tech effekt elektroniske enheter. De siste årene har det vært en markant økning i behovet for avanserte strømlagringsløsninger, utløst av det essensielle med raskere lagring, effektiv strømstyring og energioptimalisering.

Applikasjonsdrevet natur av kraftelektronikkindustrien har spilt en viktig rolle i utviklingen av strømlagringsløsninger, som kondensatorer. Relativ tidseffektivitet i lading av kondensatorer har ført til at de ble implementert i mange strømlagringsenheter. Imidlertid er det fremdeles potensiale for forbedring av kapasiteten til lagring av elektrisitet til kondensatorene, noe som igjen har ledet utviklingen av superkondensatorer - også kjent som ultrakondensatorer eller elektrokjemiske kondensatorer (EC).

Fokus på effektiv strømlagring utløste fremveksten av superkondensatorer

Da industriell utvikling begynte å dreie seg om elektrifiseringstrenden, økte innovasjonene i superkondensatorens design tempoet. Globale giganter, inkludert General Electric, gjennomførte eksperimenter dedikert til designforbedringer i superkondensatorer, i et forsøk på å utnytte den økende etterspørselen etter superkondensatorer i bransjer som en viktig elektrifiseringsaktivator. NEC Corporation var blant de første få selskapene som kommersielt introduserte superkondensatorer til verden; Standard Oil Company of Ohio (SOHIO) tilskrives hovedsakelig oppfinnelsen.

Etter fremveksten av superledere som en mer effektiv løsning for energilagring, økte populariteten til EC-teknologien umiddelbart. Utformingen av superkondensatorer har avansert gjennom flere generasjoner helt siden den første kommersielle lanseringen. Forskningsorganisasjoner og ledende selskaper i kraftelektronikkindustrien fokuserer fortsatt på å innovere rundt produksjonsmetoder og materialer for ytterligere å forbedre kostnadseffektiviteten og ytelsen til superkondensatorer.

Forskningsinstitutter oppdaget innovative produksjonsprosedyrer for superkondensatorer

Til tross for utmerkede driftsegenskaper til superkondensatorer, sliter produsenter fremdeles med å kontrollere høye produksjonskostnader og lavere energilagringsevne for superkondensatorer, sammenlignet med batterier. Også holdbarhetsrelaterte bekymringer for superkondensatorer har til en viss grad begrenset bruken av den i industrielle applikasjoner. Som svar på disse bekymringene har produsenter av superkapasitorer investert mye i forskning og utvikling (FoU) for å designe en mer overlegen versjon av superkapasitorer.

Noen av de forskningsbaserte innovasjonene som har formet markedet for superkapacitorer de siste fem årene er,

• I februar 2013 oppdaget forskere ved University of California i Los Angeles en banebrytende og kostnadseffektiv fabrikasjonsmetode for å produsere superkondensatorer i mikroskala ved å bruke en LightScribe DVD-brenner av forbrukerkvalitet. Disse mikrosuperkondensatorene består av et atomtykt lag med grafittisk karbon og kan enkelt integreres i miniatyriserte elektroniske enheter. Med bruk av et todimensjonalt ark med grafen i kombinasjon med den nye fabrikasjonsteknikken, kunne forskere i stor grad redusere produksjonskostnadene og utvide anvendelsesområdet for superkondensatorer.
• I juli 2013 utviklet forskere fra Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) en innovativ metode for å masseprodusere tredimensjonal mesoporøs grafen nano-ball (MGB) som kan brukes til produksjon av superkapacitorer. Forskerne anslått at egenskapene til mesoporøs grafen vil forbedre skalerbarhet, kvalitet og kostnadseffektivitet til superkondensatorer, og utvide omfanget av deres applikasjoner i elektriske kjøretøyer.
• I august 2014 utviklet ingeniører ved Monash University i Australia en ny metode for å produsere grafen i superkondensatorer for å forbedre energitettheten 10 ganger mer enn kommersielle enheter. Ingeniørene laget et makroskopisk grafenmateriale gjennom en prosess som ligner på tradisjonell papirfremstillingsmetode. I tillegg bekreftet de videre at ved å redusere det løsningsbaserte kjemiske - grafittoksyd i grafen, kunne ingeniørene åpne nye veier for kommersialisering av grafen og 10x energitettere superkondensatorer.
• En gruppe forskere i Sør-Korea oppdaget et uvanlig innovativt, men likevel svært egnet alternativt materiale for superkondensatorelektroder i august 2014. De utviklet en måte å bruke sigarettfiltre i superkondensatorer, som kan omdannes til et høyt ytende karbonbasert materiale med høy effekt tettheter. Forskere kunne med hell bruke brukte sigarettfiltre til å lagre mer elektrisk energi enn kommersielt tilgjengelig karbon.

Fokus på utvikling av superkapasitormaterialer allestedsnærværende

Overgangen mot utvikling av høyytelsesmaterialer har fått fullstendig håndgripelighet blant superkondensatorprodusentene, med den stadig økende etterspørselen etter superkondensatorer i forskjellige industrielle applikasjoner, som bærbar forbrukerelektronikk og elektriske kjøretøyer. Selv om grafen fortsatt er et av de egnede materialene for superkapasitorer, antyder pågående forskningsaktiviteter betydelige transformasjoner i superkapasitormarkedets landskap.

En gruppe kjemikere fra Amsterdams Van't Hoff-institutt for molekylærvitenskap oppfant et nytt materiale for superkondensator mens de gjennomførte eksperimentene for deres brenselcelleprosjekt. Forskerne fant at det meget porøse superkapasitormaterialet er billig, lett og ikke-giftig, og kan brukes i potensielle kommersielle anvendelser av superkapacitorer, for eksempel transport, elektronikk og energilagringsenheter.

En annen gruppe forskere ved UC Santa Cruz og Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) brukte ultrahurtig 3D-trykt grafen for å redusere tykkelser i størrelsesorden millimeter og forbedre ytelseskarakteristikkene til superkondensatorer, inkludert effekttetthet og kapasitansretensjon.

En sammenleggbar superkondensator ble laget av vanlig papir av ingeniører fra Georgia Tech og Korea University som kunne lagre mer energi lenger, spesielt i bærbare elektroniske produkter da den er fleksibel. Forskere, ingeniører og forskere over hele verden fokuserer hovedsakelig på å balansere effekttetthet og energitetthet til superkondensatorer for å unngå tap av kraft på en gang.

Nyere utvikling og innovasjoner innen materialene som brukes i produksjon av superkondensatorer, fokuserer hovedsakelig på å redusere muligheten for selvutladning eller kortslutning. Interessenter i markedet for superkondensatorer har som mål å utnytte forskjellige ytelsesegenskaper for pseudokondensatorer og hybridkondensatorer, noe som kan gjenspeile høyere energitetthet enn noen andre typer superkondensatorer.

Mens etterspørselen etter elektriske dobbeltlagskondensatorer fortsatt er høyest i markedet for superkondensatorer, er hybride kondensatorer vitne til en økning i etterspørselen i forskjellige industrielle applikasjoner.

Bilindustri - sentralt vekstpotensialområde for superkondensatorprodusenter

Bilindustrien er det potensielle området med høy vekst for produsenter av høykvalitets energilagringsenheter, som superkondensatorer, for tiden. I 2013 bilindustrien av supercapacitors utgjorde mindre enn 1/5 ^th av inntektene andel av supercapacitors markedet. Imidlertid, med den nylige utviklingen i bilindustrien, har biler blitt en av de viktigste applikasjonene til superkondensatorer.

Med bilprodusenter som fokuserer på å redusere avhengigheten av oljeindustrien, og styrende organer som innfører strenge miljøregler, har vekstutsiktene for elektriske kjøretøyer forventet å være lovende. Dette har ført til at superkondensatorprodusentene har sett lønnsomme muligheter i den raskt utviklende bilindustrien.

Å utvikle superkondensatorer som er egnet for elektriske kjøretøyer eller hybridelektriske kjøretøyer, er en av de viktigste forretningsstrategiene til produsenter av superkondensatorer. På den annen side er bilprodusenter også i løpet av å rulle ut mest effektive elektriske kjøretøyer, noe som rettferdiggjorde deres jakt på høykvalitets energilagringssystemer. Dette gjenspeiler til syvende og sist det stadig økende muligheten for innovasjoner i superkapacitorer i den raskt utviklende bilindustrien.

I februar 2019 kunngjorde Tesla Inc. - global gigant innen bil- og energibransjen at de har anskaffet Maxwell Technologies Inc. - et ledende batteriteknologiselskap - for omtrent 218 millioner dollar. Selskapet har som mål å utnytte lukrative muligheter for elektriske kjøretøyer, og med dette oppkjøpet planlegger det å legge til kompetanse innen superkondensatorer som kan øke hastigheten på billading.

I mai 2018 inngikk Rolls-Royce - verdens ledende produsent av luksusbiler - en samarbeidsavtale med Superdielectrics Ltd - en britisk-basert teknologi-oppstart, utforske potensialet i superkondensatorer og skape en topp moderne lagring med høy energi teknologi. Med dette partnerskapet tar Roll-Royce sikte på å kombinere sin ekspertise innen materialvitenskap med Superdielectrics 'hydrofile polymerer for utvikling av superkondensatorbatteriapplikasjoner i verdensklasse.

Lamborghini er en annen ledende bilprodusent for å bli med i pakken med bilfirmaer som planlegger å utnytte superkondensatorers ekstraordinære egenskaper under elektrifiseringen av bilindustrien. Selskapets teknisk sjef erklærte nylig at selskapet tidligere har brukt superkondensatorer i Lamborghini Aventador til startbatteriet. Eksperter spår at Aventadors etterfølger kan bruke de samme superkondensatorene.

Den stadig utviklende bilindustrien har skapt et mye spennende konkurransemiljø for superkondensatorprodusenter. Jakten på konstante fremskritt i superkapacitorers ytelse vil sannsynligvis utløse noen banebrytende innovasjoner i superkapacitormarkedet de kommende årene.

Rollen til superkondensatorer i utsiktene til elektronikk og energi og kraftindustri

Det forventes at bil- og transportindustrien vil utgjøre mer enn en tredjedel av inntektsandelen til superkondensatormarkedet i det kommende tiåret. Til tross for den glorifiserte fremtiden for superkondensatorer i den nye tidsalder bilindustrien, vil sannsynligvis forbrukerelektronikk og energi og kraftindustri ha en brorandel i utviklingen av markedet for superkondensatorer.

Superkondensatorer blir ansett som arbeidshesten til ethvert elektronisk produkt som fungerer på batterier eller energilagringssystemer. I de kommende årene vil superkondensatorer sannsynligvis være vitne til allestedsnærværende aksept i forskjellige bransjevirksomheter. Fremtiden for superkondensatormarkedet vil sannsynligvis være vitne til fremveksten av EC-er som vil drive fremtiden for moderne bærbare produkter og forbrukerelektroniske produkter. Solkondensatorer er også en ting fra fremtiden, som forventes å ha et enormt salgspotensiale i det bærbare sensorlandskapet, spesielt i bærbare helseenheter.

Den pågående forskningsaktiviteten og utviklingen i kraftelektronikkindustrien fortsetter å antyde at superkondensatorer bytter ut batterier i nær fremtid. Med økende anvendelser av superkondensatorer i forskjellige industrisektorer, som elektronikk, energi og kraft, militær og forsvar og romfart, forventes det globale markedet for superkondensatorer å overstige 5,5 milliarder dollar innen 2028. Den eksponentielle vekstraten i markedet for superkondensatorer er forventes å forsterke lukrative muligheter for forskere, produsenter og andre interessenter i landskapet.

Aditi Yadwadkar er en erfaren forfatter av markedsundersøkelser og har skrevet mye om elektronikk- og halvlederindustrien. På Future Market Insights (FMI) jobber hun tett med forskningsteamet Electronics and Semiconductor for å betjene behovene til kunder fra hele verden. Denne innsikten er basert på en rapport om Supercapacitors Market av FMI.