Электрохимические конденсаторы относятся к устройствам, заряд которых происходит благодаря накоплению электрической энергии в двойном электрическом слое (ДЭС) на границе электронного проводника и электролита. Двойной электрический слой создается поверхностью заряженного проводника и слоем прилежащих к нему ионов электролита. Двойной электрический слой можно рассматривать как конденсатор с двумя обкладками, емкость которого пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Принимая во внимание, что расстояние между обкладками очень мало и измеряется ангстремами, а величина поверхности проводника, например, активированного угля, достигает 1500-2000 кв.м/г, емкость образованного таким образом двойного слоя очень велика и энергия, запасаемая такими конденсаторами, может достигать 50-60 Дж/г.

Принципиально традиционный электрохимический конденсатор представляет собой систему, состоящую из двух химически инертных электродов, помещенных в электролит. Двойной электрический слой на поверхности каждого электрода представляет собой отдельный конденсатор. Между собой они соединены последовательно через электролит, являющийся проводником с ионной проводимостью.

Упрощенная эквивалентная электрическая схема такого конденсатора выглядит следующим образом:

Где: C₁ – емкость двойного электрического слоя положительного электрода;

C₂– емкость двойного электрического слоя отрицательного электрода;

Первое упоминание о строении двойного слоя и возможности использования запасаемой в нем энергии принадлежит Гельмгольцу и относится к середине XIX века. Практическое использование энергии двойного электрического слоя в электрических конденсаторах началось лишь во второй половине XX века с появлением, с одной стороны, материалов, позволяющих создавать такие конденсаторы, с другой стороны - возникшей потребности в мощных, быстро заряжаемых источниках тока с большим ресурсом для решения множества технических задач.

В последние десятилетия интерес к электрохимическим конденсаторам, как к источникам тока, резко возрос. Появляется множество публикаций о разработках электрохимических конденсаторов и материалов для их изготовления. Однако до сих пор нет определенного термина для их обозначения, не до конца выработаны критерии для сравнения такого рода конденсаторов между собой. Наиболее часто встречающимися обозначениями для данной группы устройств, к которой относятся и изделия ЭСМА, являются "электрохимические конденсаторы", "ультраконденсаторы", "суперконденсаторы", "сверхъемкие конденсаторы", "двойнослойные конденсаторы".

Типичной, наиболее часто применяющейся конструкцией электрохимических конденсаторов является так называемая "симметричная" конструкция, в которой положительный и отрицательный электроды выполнены из одинакового материала, в большинстве случаев - активированного углерода и имеют одинаковую емкость. Принимая во внимание последовательное соединение емкостей, образованных двойными электрическими слоями на отрицательном и положительном электродах, емкость электрохимического конденсатора определяется из формулы:

В случае симметричной конструкции, если емкости, образованные двойными электрическими слоями обоих электродов одинаковые, т. е. С₁= C₂, емкость всего конденсатора С будет равна

Таким образом, при равных емкостях положительного и отрицательного электродов емкость симметричного конденсатора равна половине емкости одного электрода.

Особенностью электрохимических конденсаторов ЭСМА является так называемая "асимметричная" конструкция. В данной конструкции отрицательный электрод выполнен из активированного углеродного материала, а положительный электрод содержит гидроксид никеля в качестве основного компонента активного материала.

Емкость такого положительного электрода значительно превышает емкость отрицательного при тех же размерах. Суммарная емкость конденсатора в этом случае приближается к емкости поляризуемого электрода:

т. е. увеличивается почти в два раза по сравнению с конденсатором симметричной конструкции.

По ряду причин, при использовании обоих электродов из активированного углерода в водных электролитах сложно обеспечить рабочее напряжение свыше 0.9 В. Конденсатор ЭСМА можно заряжать до напряжения 1.5 – 1.7 В, что приводит к значительному выигрышу в удельной энергии. Все это позволило значительно повысить емкость и накапливаемую энергию электрохимического конденсатора и, как результат, в 4-5 раз увеличить его удельные энергетические характеристики в сравнении с традиционной симметричной системой с водным электролитом.

Важным преимуществом конденсаторов ЭСМА по сравнению с традиционными симметричными электрохимическими конденсаторами является низкий саморазряд. Конденсаторы ЭСМА сохраняют свой заряд в течение месяцев, что является критически важным в ряде областей применения.

При производстве электрохимических конденсаторов используют водные и органические электролиты. Водные электролиты дешевле, просты в обращении, не загрязняют окружающую среду. Органические электролиты позволяют увеличить рабочее напряжение конденсатора и, соответственно, удельную запасаемую энергию, однако являются дорогими, имеют сложный процесс производства (не допускают попадания в электролит паров воды), часто небезопасны в экологическом отношении.

В конденсаторах ЭСМА в качестве электролита используется водный раствор щелочи, применяемый в щелочных аккумуляторах и имеющий низкую цену.

Необходимые характеристики в конденсаторах ЭСМА достигаются путем сочетания различных по параметрам положительных и отрицательных электродов.

ЭСМА разработаны и выпускаются два основных класса электрохимических конденсаторов: с высокой удельной мощностью и с высокой удельной энергией. Конденсаторные элементы разделяются на следующие серии: 100, 200, 300, 400, 500, являющимися базовыми для сборки различных типов конденсаторных модулей. Это позволяет комплектовать конденсаторные модули в широком диапазоне значений по энергии и мощности, что дает возможность реализовать требования к накопителю энергии для широкого круга потребителей.

Существенным отличием асимметричных конденсаторов ЭСМА от всех других электрохимических конденсаторов является способность сравнительно длительное время выдерживать без выхода из строя напряжение выше рекомендуемого.

Конденсаторы ЭСМА при работе в рабочем диапазоне напряжений являются герметичными, но в их конструкции предусмотрены предохранительные клапаны для сбрасывания избыточного давления, которое может возникнуть при нарушении условий эксплуатации модулей. Продукты разложения электролита не оказывают отрицательного действия на работу конденсатора. Превышения рекомендуемых уровней номинальных напряжений не приводят к выходу из строя конденсаторов ЭСМА.

Конденсаторы ЭСМА имеют большой срок службы, в процессе эксплуатации и хранения не требуют обслуживания, работоспособны в широком интервале температур. Они имеют низкий саморазряд, что позволяет эффективно применять их в буферных системах.

Конденсаторы ЭСМА, в отличие от аккумуляторов, не содержат таких токсичных металлов, как свинец, кадмий, ртуть и др.

На приводимых ниже графиках видны качественные различия характеристик конденсаторов ЭСМА, ориентированных на получение большой энергии либо большой мощности на примере изделий ЭК104, ЭК353 и ЭК404.

1) кривые Рагони для ЭК104, ЭК353 и ЭК404 – на единицу объема
2) кривые Рагони для ЭК104, ЭК353 и ЭК404 – на единицу веса

С докладами, представленными на различных семинарах и конференциях, содержащими сведения о технологии производства электрохимических конденсаторов ЭСМА, можно ознакомиться здесь.