Nahradí ultrakapacitory lithiové akumulátory?

Nevýhody lithiových akumulátorů asi každý majitel dronu dobře zná z vlastní zkušenosti, nicméně shrňme si tu ve stručnosti alespoň ty nejhorší: malá životnost, nízký počet nabíjecích cyklů, vysoká cena, dlouhé nabíjení, náročné na správnou údržbu... Zdálo by se, že s tím vším budeme muset ještě hodně dlouho žít, protože všechny ostatní druhy pohonu nepřekročily stádia experimentů a zjevně ho hned tak ani nepřekročí. Přesto je mezi nimi jeden který vypadá obzvlášť nadějně. Spočívá v tom, že lithiové akumulátory by nahradily kondenzátory - ale ne kondenzátory obyčejné. Říká se jim superkondenzátory nebo také ultrakapacitory a vyznačují se kapacitou, která ještě nedávno vypadala jako naprosto nemožná.

obr: Model samokřídla napájený ultrakapcitorem  

Od leydenské láhve k ultrakapacitoru

Většina nevýhod dnešních běžných typů akumulátorů (včetně lithiových) vyplývá z toho, že ač mají elektrody z různých materiálů, všechny ukládají energii v chemické podobě prostřednictvím komplikovaných reakcí. Řešení přitom navrhne každé trochu hloubavější dítě: copak by nešlo elektřinu prostě nalít do láhve, tak jako se to dělá s vodou? Myšlenka na pohled roztomile naivní ve skutečnosti vůbec není hloupá. To opravdu jde. Můžete se o tom snadno přesvědčit, když vezmete obyčejný kondenzátor s vyšší kapacitou (dejme tomu řádově desítky nebo stovky mikrofaradů) a na okamžik připojíte k baterii. Když pak k vývodům přiložíte LED, bude svítit. Rychlost a snadnost nabití i "vylití" elektřiny vyplývá ze skutečnosti, že v kondenzátoru nemá podobu energie chemické vazby, ale elektrického náboje.

Výhody kondenzátoru oproti klasickým článkům jsou na první pohled patrné: vysoká účinnost, krátká doba nabíjení, schopnost okamžitě podat plný výkon, odolnost proti přebíjení i extrémnímu vybíjení, životnost počítající se na desítky let, odolnost vůči otřesům, teplotě a dalším vnějším vlivům, nesrovnatelně větší počet nabíjecích cyklů, nízká cena atd. Háček je jen jeden, zato pořádný - běžné kondenzátory mají pro "skladovací" účely příliš malou kapacitu.

Není přitom bez zajímavosti, že už na úsvitu věku elektřiny se pro její ukládání používaly právě kondenzátory. V druhé polovině 17. století se Gottfried Willhelm Leibniz inspirovaný magdeburským starostou Otto von Guerickem věnoval pokusům se sirnou koulí, kterou používal jako kondenzátor statické elektřiny získané třením. V polovině 18. století sestrojil Pietter van Musschenbroek z města Leiden tzv. leydenskou láhev - účinný kondenzátor, v němž šlo "skladovat" statickou elektřinu. Pokusy s tímto zařízením se tehdy staly v odborném světě módou. Odzvonilo jim teprve po roce 1800, kdy Alessandro Volta sestrojil chemickou baterii - Voltův sloup. Ten dával lepší výsledky a kondenzátory postupně "degradovaly" na prvky elektronických obvodů. Není však vyloučeno, že jejich návrat ke slávě zase začíná, protože výhody kondenzátorů při uskladňování elektrické síly jsou příliš lákavé.

Za tím účelem ale musely vzniknout kondenzátory s kapacitou o několik řádů vyšší než ty, které se používají v elektronických obvodech. Ještě za časů mého studia na průmyslovce nám profesoři tvrdili, že kapacitu jednoho faradu má celá planeta Země a pro součástky je naprosto nedosažitelná. Dnes už ale existují i takové, které mají stovky i tisíce faradů. Říká se jim nejčastěji ultrakapacitory, můžeme se ale také setkat s označeními jako "superkondenzátor", "ultrakondenzátor" a dalšími.

obr: Elektrické letadélko s ultrakapacitorem má podobné letové vlastnosti jako modely poháněné gumovým svazkem

Výhody a nevýhody

Ultrakondenzátor pracuje na stejném principu jako klasický kondenzátor: vrstva nevodiče mezi dvěma vodivými vrstvami umožňuje vznik trvalého elektrického pole. Kapacita závisí na ploše elektrod a vlastnostech i tloušťce. nevodivé vrstvy. Ultrakondenzátor proto má hliníkové elektrody a na nich vodivé vrstvy (tzv. aktivní elektrody) z pórovitého uhlíku s obrovským vnitřním povrchem, tyto dutiny jsou zaplněny elektrolytem. Mezi oběma elektrodami je navíc velmi tenká vrstva separátoru. Po přivedení napětí se v elektrolytu oddělí elektrony od kladných iontů, přičemž tyto náboje putují ke "své" elektrodě s opačným znaménkem. Na stěnách dutin uhlíkových elektrod tak vzniknou dvě velmi rozlehlé nevodivé vrstvy s příznivými vlastnostmi. To vede k dosažení kapacity o několik řádů vyšších než u klasických kondenzátorů, přičemž hustota energie je desetkrát až stokrát vyšší než u olověných akumulátorů.

Použité suroviny (uhlík, hliník) jsou ekologicky nezávadné, levné a snadno dosažitelné na rozdíl od lithia jehož ložiska jsou po planetě rozložená značně nerovnoměrně. Počet nabíjecích cyklů se počítá ve statisících až milionech - životnost je tedy podstatně delší než vydrží většina zařízení, které mají napájet; mluvíme tady o desítkách let...

Ultrakapacitor je také schopný okamžitě dát vysoký výkon a stejně tak rychle a pohotově přivedenou energii uložit. Další výhodou je, že jim nevadí nízké teploty.

Naproti tomu množství ampérhodin u sériové produkce zatím nedosahuje hodnot běžných u tradičních akumulátorů, především ale při stejné velikosti dokáží pojmout asi 25krát méně energie než li-ionový článek (ale u laboratorních vzorků se již podařilo dosáhnout podobné hustoty energie jako mají současné lithiové akumulátory). Malé ultrakondenzátory se proto používají zejména pro zálohování zdrojů v počítačích a dalších elektronických zařízeních. První ultrakondenzátor vyrobila firma General Electronics už roku 1957, skutečný rozmach ale začal až v posledních letech.

Obzvlášť skvělá budoucnost je předpovídána velkým ultrakapacitorovým jednotkám zejména v elektromobilech a v hybridních automobilech, kde už se nějaký čas používají. Jejich vlastnosti je předurčují především pro pokrytí špičkového výkonu při startu, prudké akceleraci, při jízdě v těžkém terénu nebo stoupání, kdy běžný zdroj energie (baterie, palivový článek atd.) nestačí. Zlepšují také energetickou bilanci elektromobilu či hybridního vozu tím, že ukládají elektřinu generovanou při brždění (rekuperace). Zatímco nabíjení běžných baterií takto vytvořenou energií by bylo neefektivní, ultrakondenzátory jsou pro tento účel jako stvořené. Díky kompaktní konstrukci jimi navíc lze vyplňovat i ta místa automobilů, která jsou dnes nevyužitá.

Zdálo by se, že z hlediska provozovatelů dronů zatím nejde o nic zajímavého, ale není to tak docela pravda. Prvním důvodem je to, že vývojové laboratoře testují ultrakapacitory s uhlíkovými nanotrubicemi, které by mohly parametry ultrakapacitorů dál dramaticky zlepšit. Dalším je skutečnost, že běžně dostupné ultrakapacitory už nacházejí uplatnění v některých modelech, takže je jen otázkou času, kdy to někdo zkusí i s malým dronem.

obr: Model poháněný ultrakapacitorem

Ultrakapacitor pro modeláře a kutily

Ultrakapacitory už najdeme v mnoha elektronických zařízeních, dají se poměrně levně koupit i v internetových obchodech (doporučuje se dát přednost americkým produktům, např. od firmy Maxwell před lacinější, ale nekvalitní čínskou produkci). Na trhu se vyskytují autíčka poháněné ultrakapcitorem, dokonce i letadélko s parametry podobnými modelům na gumu - ale bez otravného stáčení gumového svazku. Modeláři experimentují s pohonem lodí, závodních aut větroňů. Kutilové si běžně vyrábějí ultrakapacitorové lampičky, minivrtačky dálkové ovladače, různé robotické konstrukce a další zařízení.

Pokud byste si s nimi taky chtěli hrát, musíte vědět pár dalších věcí, které v populárně zaměřených článcích obvykle nenajdete. Důležité jsou především dvě věci: dodávané napětí je závislé na úrovni nabití a maximální napětí (prakticky shodné s průrazovým napětím kondenzátoru) je nanejvýš okolo 3 voltů, často však i nižší. Z prvního faktu plyne skutečnost, že pokud potřebujeme konstantní výkon, neobejdeme se bez další elektroniky. Druhý fakt pak znamená jednak nutnost znát přesně parametry utrakapacitoru, který máme, hlavně ale to, že pro vyšší napětí musíme kondenzátory paralelně seřadit do baterie.

Poslední požadavek vypadá jednoduše, ve skutečnosti z něj ale plyne řada komplikací, jak při nabíjení, tak při vybíjení. Při nabíjení je nutné balancování, v principů podobné jako u nabíjení lithiových článků, ale přesto odlišné natolik, že to vyžaduje odlišné programování nabíječky. Při vybíjení sice kondenzátor může jít až prakticky k nulovému napětí (na rozdíl od Li-ion, který nízké napětí spolehlivě zničí), ale nesmí se stát, že v baterii některé kondenzátory už dosáhnou nuly a vybíjení přesto pokračuje. I tady je tedy nutná elektronická regulace.

Ultrakapacitory z dnešní běžné tržní produkce si lze v dronu představit jen těžko (nanejvýš snad v miniaturních hračkách), spíš by se mohly uplatnit u strojů s vertikálním startem a přistáním schopným přejít do horizontálního letu s křídly (konvertoplány). Je ale zřejmě jen otázka času, kdy jejich kapacita vzroste natolik, aby nahradily lithiové články.

Podrobnější informace pro kutily najdete zde.

Jan A. Novák