Innovationer i utveckling av superkondensatorer: förflutna, nutid och framtid

Den effektelektronikindustrin har varit på en uppåtgående spiral och visar inga tecken på att avta, eftersom trenden av elektrifierings penetrerar ett bredare sortiment av industriella domäner och innebär kravet på högteknologiska kraftelektroniska anordningar. Under de senaste åren har behovet av avancerade ellagringslösningar ökat markant, utlöst av det väsentliga av snabbare lagring, effektiv energihantering och energioptimering.

Applikationsdriven natur inom kraftelektronikindustrin har spelat en viktig roll i utvecklingen av ellagringslösningar, såsom kondensatorer. Relativ tidseffektivitet vid laddning av kondensatorer har lett till att de implementerats i många kraftlagringsenheter. Det finns emellertid fortfarande potential för förbättring av kondensatorernas kapacitet för lagring av el, vilket i sin tur har lett till utvecklingen av superkondensatorer - även kända som ultrakondensatorer eller elektrokemiska kondensatorer (EC).

Fokus på effektiv energilagring utlöste framväxten av superkondensatorer

När den industriella utvecklingen började kretsa kring elektrifieringstrenden, ökade innovationerna i superkondensatorernas design takten. Globala giganter, inklusive General Electric, genomförde experiment dedikerade mot designförbättringar i superkondensatorer, i ett försök att dra nytta av den växande efterfrågan på superkondensatorer i industrier som en viktig elektrifieringsfaktor. NEC Corporation var bland de första företagen som kommersiellt introducerade superkondensatorer till världen; Standard Oil Company of Ohio (SOHIO) tillskrivs huvudsakligen för uppfinningen.

Efter uppkomsten av superledare som en effektivare energilagringslösning, ökade populariteten för EC-tekniken direkt. Superkondensatorernas design har utvecklats genom flera generationer sedan deras första kommersiella lansering. Forskningsorganisationer och ledande företag inom kraftelektronikindustrin fokuserar fortfarande på att förnya sig kring tillverkningsmetoder och material för att ytterligare förbättra superkondensatorernas kostnadseffektivitet och prestanda.

Forskningsinstitut upptäckte innovativa tillverkningsprocedurer för superkapacitorer

Trots utmärkta driftsegenskaper hos superkondensatorer kämpar tillverkarna fortfarande för att kontrollera höga tillverkningskostnader och lägre energilagringsförmåga för superkondensatorer jämfört med batterier. Hållbarhetsrelaterade problem med superkondensatorer har också begränsat antagandet i industriella applikationer till en viss utsträckning. Som svar på dessa bekymmer har tillverkare av superkapacitorer investerat kraftigt i forskning och utveckling (FoU) för att utforma en mer överlägsen version av superkapacitorer.

Några av de forskningsbaserade innovationerna som formade superkapacitetsmarknaden under de senaste fem åren är,

• I februari 2013 upptäckte forskare vid University of California, Los Angeles en banbrytande och kostnadseffektiv tillverkningsmetod för att tillverka superkondensatorer i mikroskala genom att använda en LightScribe DVD-brännare av konsumentkvalitet. Dessa mikrosuperkondensatorer består av ett atomat tjockt lager grafitiskt kol och kan enkelt integreras i miniatyriserade elektroniska enheter. Med användning av ett tvådimensionellt ark grafen i kombination med den nya tillverkningstekniken skulle forskare kunna minska tillverkningskostnaderna i stor utsträckning och utvidga tillämpningsområdet för superkondensatorer.
• I juli 2013 utvecklade forskare från Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) en innovativ metod för att massproducera tredimensionell mesoporös grafen nano-ball (MGB) som kan användas vid tillverkning av superkondensatorer. Forskarna prognostiserade att egenskaperna hos mesoporös grafen kommer att förbättra skalbarhet, kvalitet och kostnadseffektivitet hos superkondensatorer, vilket utökar tillämpningsområdet för elektriska fordon.
• I augusti 2014 utvecklade ingenjörer vid Monash University i Australien en ny metod för att producera grafen inuti superkondensatorer för att förbättra sin energitäthet 10 gånger mer än kommersiella enheter. Ingenjörerna skapade ett makroskopiskt grafenmaterial genom en process som liknar traditionell papperstillverkningsmetod. Dessutom bekräftade de vidare att genom att minska den lösningsbaserade kemiska - grafitoxiden i grafen, kunde ingenjörerna öppna nya vägar för kommersialisering av grafen och 10x energitätare superkapacitorer.
• En grupp forskare i Sydkorea upptäckte ett ovanligt innovativt men ändå mycket lämpligt alternativt material för superkondensatorelektroder i augusti 2014. De utformade ett sätt att använda cigarettfilter i superkondensatorer, som kan omvandlas till ett högpresterande kolbaserat material med hög effekt densiteter. Forskare kunde framgångsrikt använda cigarettfilter för att lagra mer elektrisk energi än kommersiellt tillgängligt kol.

Fokus på materialutveckling av superkapacitorer allmänt

Övergången mot utveckling av högpresterande material har fått fullständig påtaglighet bland superkapacitortillverkarna, med den ständigt växande efterfrågan på superkondensatorer i olika industriella applikationer, såsom bärbar konsumentelektronik och elfordon. Även om grafen fortfarande är ett av de lämpliga materialen för superkondensatorer, antyder pågående forskningsverksamhet betydande förändringar i superkapacitormarknadens landskap.

En grupp kemister från Amsterdams Van't Hoff-institut för molekylära vetenskaper uppfann ett nytt material för superkapacitor medan de genomför experimenten för deras bränslecellsprojekt. Forskarna fann att det mycket porösa superkapacitormaterialet är billigt, lätt och giftfritt och kan användas i potentiella kommersiella tillämpningar av superkapacitorer, såsom transport-, elektronik- och energilagringsenheter.

En annan grupp forskare vid UC Santa Cruz och Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) använde ultrasnabbt 3D-tryckt grafen för att minska tjocklekar i storleksordningen millimeter och förbättra prestandaegenskaperna för superkondensatorer inklusive effekttäthet och kapacitansretention.

En vikbar superkondensator tillverkades av vanligt papper av ingenjörer från Georgia Tech och Korea University som kunde lagra mer energi längre, särskilt i bärbara elektroniska produkter eftersom det är flexibelt. Forskare, ingenjörer och forskare runt om i världen fokuserar huvudsakligen på att balansera superkondensatorernas effekttäthet och energitäthet för att undvika strömförlust på en gång.

Den senaste utvecklingen och innovationerna i material som används i tillverkning av superkondensatorer handlar främst om att minska risken för självurladdning eller kortslutning. Intressenter på marknaden för superkondensatorer siktar på att dra nytta av olika prestandaegenskaper hos pseudokondensatorer och hybridkondensatorer, vilket kan återspegla högre energitäthet än någon annan typ av superkondensatorer.

Medan efterfrågan på elektriska dubbelskiktskondensatorer förblir högst på marknaden för superkondensatorer, så ser hybrida kondensatorer en ökad efterfrågan inom olika industriella applikationer.

Fordonsindustri - nyckeltillväxtpotentialområde för superkapacitortillverkare

Bilindustrin är det potentiella området med hög tillväxt för tillverkare av högkvalitativa energilagringsenheter, som superkondensatorer, för närvarande. 2013, fordonsapplikationer av superkondensatorer stod för mindre än 1/5 ^{: e} av intäkterna andel av superkondensatorer marknaden. Men med den senaste utvecklingen inom bilindustrin har bilar blivit en av de viktigaste applikationerna för superkondensatorer.

Med biltillverkare som fokuserar på att minska beroendet av oljeindustrin och styrande organ som inför strikta miljöbestämmelser, har tillväxtutsikterna för elfordonen förväntats vara lovande. Detta har lett till att superkapacintillverkarna har sett lönsamma möjligheter i den snabbt utvecklande fordonsindustrin.

Att utveckla superkondensatorer som är lämpliga för elfordon eller hybridelektriska fordon är en av de viktigaste affärsstrategierna för superkapacitortillverkningsföretag. Å andra sidan är biltillverkarna också i tävlingen för att rulla ut mest effektiva elfordon, vilket motiverade deras jakt på högkvalitativa energilagringssystem. Detta återspeglar i slutändan det ständigt växande utrymmet för innovationer i superkondensatorer i den snabbt utvecklande fordonsindustrin.

I februari 2019 tillkännagav Tesla Inc. - global gigant inom fordons- och energibranschen - att man förvärvat Maxwell Technologies Inc. - ett ledande batteriteknologiföretag - för cirka 218 miljoner US-dollar. Företaget syftar till att dra nytta av lukrativa möjligheter för elfordon, och med detta förvärv planerar det att lägga till expertis inom superkondensatorer som kan påskynda laddningskapaciteten för bilar.

I maj 2018 ingick Rolls-Royce - världens ledande tillverkare av lyxbilar - ett samarbetsavtal med Superdielectrics Ltd - en UK-baserad teknikstart, utforska potentialen hos superkondensatorer och skapa en toppmodern högenergilagring teknologi. Med detta partnerskap syftar Roll-Royce till att kombinera sin expertis inom materialvetenskap med Superdielectrics hydrofila polymerer för att utveckla applikationer för superkondensatorbatterier i världsklass.

Lamborghini är en annan ledande biltillverkare som går med i paketet med bilföretag som planerar att utnyttja superkapacitorernas extraordinära egenskaper under elektrifieringen av bilindustrin. Företagets tekniska chef förklarade nyligen att företaget tidigare har använt superkondensatorer i Lamborghini Aventador för startbatteriet. Experter förutspår att Aventadors efterträdare kan använda identiska superkondensatorer.

Den ständigt utvecklande fordonsindustrin har skapat en mycket spännande konkurrensmiljö för superkapacitortillverkare. Strävan efter ständiga framsteg i superkapacitorernas prestanda kommer sannolikt att utlösa vissa banbrytande innovationer på superkapacitormarknaden under de kommande åren.

Rollen av superkapacitorer inom utsikterna till elektronik och energi & kraftindustrier

Fordons- och transportindustrin förväntas stå för mer än en tredjedel av superkapacitormarknadens intäktsandel under det kommande decenniet. Trots den förhärligade framtiden för superkondensatorer i den nyålders fordonsindustrin kommer sannolikt konsumentelektronik och energi & kraftindustrin sannolikt att hålla en lejonandel i utvecklingen av marknaden för superkondensatorer.

Superkondensatorer framställs som arbetshäst för alla elektroniska produkter som fungerar på batterier eller energilagringssystem. Under de kommande åren kommer superkondensatorer sannolikt att bevittna allestädes accepterade i olika branschvertikaler. Framtiden för superkapacitormarknaden kommer sannolikt att bevittna framväxten av EC som kommer att driva framtiden för moderna bärbara produkter och elektroniska konsumentprodukter. Solens superkondensatorer är också en sak från framtiden, som förväntas ha en enorm försäljningspotential i det bärbara sensorlandskapet, särskilt i bärbara hälsoutrustningar.

Den pågående forskningsaktiviteterna och utvecklingen inom kraftelektronikindustrin fortsätter att antyda till superkondensatorer som byter batterier inom en snar framtid. Med ökande tillämpningar av superkondensatorer i olika industrisektorer, såsom elektronik, energi & makt, militär och försvar och flyg, förväntas den globala marknaden för superkondensatorer överstiga 5,5 miljarder US dollar fram till 2028. Den exponentiella tillväxttakten för superkapacitormarknaden är förväntas förstärka lukrativa möjligheter för forskare, tillverkare och andra intressenter i landskapet.

Aditi Yadwadkar är en erfaren marknadsundersökningsförfattare och har skrivit mycket om elektronik- och halvledarindustrin. På Future Market Insights (FMI) arbetar hon nära med forskargruppen Electronics and Semiconductor för att tillgodose kundernas behov från hela världen. Dessa insikter baseras på en rapport om Supercapacitors Market av FMI.