Opslag in een elektrisch veld

Condensator

Een condensator bestaat uit twee elektroden gescheiden door een isolerende laag. De capaciteitswaarde van een condensator gevormd door twee vlakke platen, gescheiden door een isolatiemateriaal, wordt gegeven door:

C = ε_o ε_r A / d    Farad

Hierin is ε_o de elektrische constante (permittiviteit van vacuüm: ε_o = 8.854x10-12 F/m), ε_r is de diëlektrische constante van het isolerende materiaal tussen de platen, A is het oppervlak van de plaat en d de afstand tussen de platen Wikipedia.

Door tegengestelde ladingen op de elektrodeplaten aan te brengen ontstaat er een spanning V tussen de platen. De energie Q die in de capaciteit wordt opgeslagen is gelijk aan:

Q = ½ C V²   Joule

De opgeslagen energie is evenredig met de capaciteit en met spanning in het kwadraat. Een grote waarde van de capaciteit wordt verkregen door tussen de platen een materiaal met een hoge diëlektrische constante op te nemen en door platen met een groot oppervlak (grote A) die zeer dicht tegenover elkaar staan (kleine d). Hoe dicht de platen tegen elkaar kunnen staan wordt bepaald door de bedrijfsspanning en door doorslagveldsterkte van het isolatiemateriaal, dit materiaal moet de spanning kunnen houden. De opgeslagen energie is evenredig met de spanning in het kwadraat. De spanning op de capaciteit wordt beperkt door de doorslagveldsterkte van het isolatiemateriaal tussen de platen.

Tussen de platen heerst een elektrisch veld E (E = V/d). De energiedichtheid Q_v van de condensator, de energie per volume-eenheid, wordt bepaald door de elektrische veldsterkte.

Q^v = ½ ε_o ε_r E²    J/m³

Hoe hoger de diëlektrische constante en de elektrische veldsterkte hoe hoger de energiedichtheid. De elektrische veldsterkte wordt begrensd door de doorslagveldsterkte van het isolatiemateriaal tussen de platen.

Typische waarden van condensatoren geschikt voor opslag van elektrische energie zijn: capaciteitswaarde van 2 μF tot 2 F bij spanningen van 5 tot 7 Volt. De specifieke energie van een condensator kan oplopen tot 20 kJ/kg (6 Wh/kg), het specifiek vermogen tot 2000 kW/kg of hoger.

Supercondensator

Een supercondensator bestaat uit twee elektroden van een poreus korrelig materiaal gescheiden door een separator. Door een poreuze elektrode te kiezen met een groot specifiek oppervlak ontstaat een condensator met een hoge capaciteit. Zowel de separator als de elektroden zijn gevuld met een elektrolyt. Bij het laden van de supercondensator ontstaat een ladingsscheiding op het grensvlak tussen de elektrode en het elektrolyt. Bij iedere elektrode ontstaat zo een dubbellaag van gescheiden ladingdragers van zeer geringe dikte, ongeveer 1 nanometer. Het grote oppervlak van de grenslaag leidt tot hoge capaciteitswaarden; duizenden Farad. Een capaciteit van 100 F per gram is mogelijk met koolstofmaterialen die een specifiek oppervlak van meer dan 10 vierkante meter per gram hebben. Vaak wordt voor het korrelige elektrodemateriaal actief kool gebruikt. Bij het laden en ontladen treden alleen fysische processen op en geen chemische, de responstijden zijn daardoor laag en de levensduur hoog. De maximale spanning die over de condensator gezet kan worden is laag en bedraagt meestal maar enkele volts. Het rendement van laden en ontladen is hoog en ligt rond de 90 procent.