Опубликовано

Самый большой конденсатор

Может ли ионистор заменить аккумулятор?


На сегодняшний день аккумуляторные технологии значительно продвинулись и стали более совершенными по сравнению с прошлым десятилетием. Но все же, пока что аккумуляторные батареи остаются расходным материалом, потому как имеют небольшой ресурс.
Мысль о том, чтобы использовать, конденсатор для накопления и хранения энергии не нова и первые эксперименты проводились с электролитическими конденсаторами. Ёмкость у электролитических конденсаторов бывает значительной – сотни тысяч микрофарад, но все же ее недостаточно для того, чтобы длительное время питать хоть и не большую нагрузку, притом присутствует значительный ток утечки, обусловленный особенностями конструкции.
Современные технологии не стоят на месте, и был изобретен ионистор, это конденсатор, имеет сверхбольшую емкость – от единиц фарад и до десятков тысяч фарад. Ионисторы емкостью единицы фарад используются в портативной электронике, для обеспечения бесперебойного питания слаботочных цепей, например микроконтроллера. А ионисторы емкостью десятки тысяч фарад используются совместно с аккумуляторами для питания различных электродвигателей. В такой комбинации ионистор позволяет уменьшить нагрузку на аккумуляторные батареи, что значительно увеличивает их срок службы аккумулятора и одновременно увеличивает стартовый ток, который способна отдать гибридная система питания двигателя.

Появилась необходимость запитать датчик температуры, таким образом, чтобы не менять в нем батарейку. Датчик питается от батареи типоразмера АА и включается для отправки данных на погодную станцию один раз в 40 секунд. В момент отправки датчик потребляет в среднем 6 мА в течение 2 секунд.
Возникла идея использовать солнечную батарею и ионистор. Исходя из выявленных характеристик потребления датчика, были взяты следующие элементы:
1. Солнечная батарея 5 Вольта и ток примерно 50 мА (Солнечная батарея Советского производства возрастом примерно 15 лет)
2. Ионистор: Panasonic 5.5 Вольт и емкостью 1 фарад.
3. Ионисторы 2 шт: DMF 5.5 Вольт и общей емкостью 1 фарад.
4. Диод Шотки с прямым падением напряжения при малом токе 0.3 В.
Диод Шотки необходим для того чтобы предотвратить разряд емкости через солнечную батарею.
Ионисторы соединены параллельно, и общая емкость составляет 2 фарады.

Фото 1.
Эксперимент №1 – Подключил микроконтроллер с монохромным ЖК-дисплеем и общим током потребления 500 мкА. Хотя микроконтроллер с дисплеем и заработали, но я заметил, что старые солнечные элементы крайне не эффективны, ток заряда в тени был недостаточным для того, чтобы хоть сколько-нибудь зарядить ионисторы, напряжение на 5ти вольтовой солнечной батареи в тени было меньше 2 вольт. (По некоторым обстоятельствам микроконтроллер с дисплеем на фото не показаны).
Эксперимент №2
Для повышения шанса на успех я приобрел на радиорынке новые солнечные элементы номиналами 2 В, током 40 мА и 100 мА, китайского производства залитые оптической смолой. Для сравнения данные батареи в тени уже выдавали 1,8 вольт, при этом не большой ток заряда, но все же заметно лучше заряжающий ионистор.
Спаяв конструкцию уже с новой батареей, диодом шотки и конденсаторами я положил ее на подоконник для того, чтобы конденсатор зарядился.
Притом, что солнечный свет напрямую не попадал на батарею, уже через 10 минут конденсатор зарядился до 1,95 В. Взял датчик температуры, вынул из него батарею и подключил ионистор с солнечной батареей к контактам батарейного отсека.

Фото 2.
Датчик температуры сразу же заработал и передал на метеостанцию комнатную температуру. Убедившись, что датчик работает, закрепил на него конденсатор с солнечной батареей и повесил на место.
Что же было дальше?
Все светлое время суток датчик исправно работал, но с наступлением темного времени суток, уже через час, датчик перестал передавать данные. Очевидно, что запасенного заряда не хватало даже на час работы датчика и потом выяснилось почему…
Эксперимент №3
Решил немного доработать конструкцию таким образом, чтобы ионистор (вернул сборку ионисторов 2 фарады) был полностью заряжен. Собрал батарею из трех элементов, получилось 6 вольт и ток 40 мА (при полном освещении солнцем). Данная батарея в тени уже давала до 3,7 В вместо предыдущей 1,8 В (фото 1) и ток заряда до 2 мА. Соответственно ионистор заряжаясь до 3,7 В и имел уже значительно больше запасенной энергии в сравнении с Экспериментом №2.

Фото 3.
Все бы хорошо, но мы теперь имеем на выходе до 5,5 В, а датчик питается от 1,5 В. Необходим DC\DC преобразователь, что в свою очередь вносит дополнительные потери. Тот преобразователь, который у меня был в наличии, потреблял порядка 30 мкА и на выходе давал 4,2 В. Пока мне не удалось найти нужный преобразователь, для того чтобы запитать датчик температуры уже от модернизированной конструкции. (Нужно будет подобрать преобразователь и повторить опыт).
О потерях энергии:
Выше упоминалось, что ионисторы имеют ток саморазряда, в данном случае у сборки 2 фарада он составлял 50 мкА, так же сюда добавляются потери в DC\DC преобразователе порядка 4% (заявленная эффективность 96%) и его холостой ход 30 мкА. Если не брать во внимание потери на преобразование, мы уже имеем потребление порядка 80 мкА.
Отнестись к энергосбережению необходимо особо внимательно, потому как экспериментальным путем установлено, что ионистор емкостью 2 фарады заряженный до 5,5 В и разряженный до 2,5 В имеет так скажем «аккумуляторную» емкость 1 мА. Иначе говоря – потребляя 1 мА с ионистора в течении часа, мы его разрядим с 5,5 В до 2,5 В.
О скорости заряда прямым солнечным светом:
Ток, получаемый от солнечной батареи тем выше, чем лучше батарея освещена прямыми солнечными лучами. Соответственно скорость заряда ионистора увеличивается в разы.

Фото 4.
Из показаний мультиметра видно (0.192 В, начальные показания), через 2 минуты конденсатор зарядился до 1,161 В, через 5 минут до 3,132 В и еще через 10 минут 5,029 В. В течении 17 минут ионистор был заряжен на 90%. Нужно отметить, что освещение солнечной батареи было неравномерным в течении всего времени и происходило через двойное оконное стекло и защитную пленку батареи.
Технический отчет по Эксперименту №3
Технические характеристики макета:
— Солнечная батарея 12 элементов, 6 В, ток 40 мА (при полной засветке солнцем), (в тени пасмурной погоды 3,7 В и ток 1 мА с нагрузкой на ионистор).
— Ионисторы соединены параллельно, суммарная емкость 2 Фарад, допустимое напряжение 5,5 В, ток саморазряда 50 мкА;
— Диод Шотки с падением прямого напряжения 0,3 В, используется для развязки по питанию солнечную батарею и ионистор.
— Размеры макета 55 х 85 мм (пластиковая карта VISA).
От данного макета удалось запитать:
Микроконтроллер с ЖК-дисплеем (ток потребления 500 мкА при 5,5 В, время работы без солнечной батареи, приблизительно 1,8 часа);
Датчик температуры, время работы световой день с солнечной батареей, потребление 6 мА в течении 2 секунд каждые 40 секунд;
Светодиод светился 60 сек при среднем токе 60 мА без солнечной батареи;
Так же был испробован DC\DC преобразователь напряжения (для стабильного питания), с которым удалось получить 60 мА и 4 В, в течении 60 секунд (при заряде ионистора до 5,5 В, без солнечной батареи).
Полученные данные говорят о том, что ионисторы в данной конструкции имеют приблизительную емкость 1 мА (без подпитки от солнечной батареи с разрядом до 2,5 В).
Выводы:
Данная конструкция позволяет накапливать энергию в конденсаторах для беспрерывного питания микропотребляющих устройств. Накопленная емкость 1 мА на 2 фарады емкости конденсатора должно хватить для обеспечения работоспособности микропроцессора с низким потреблением в темное время суток в течение 10 часов. При этом суммарный ток потерь и потребления нагрузкой не должен превышать 100 мкА. Днем ионистор подзаряжается от солнечной батареи даже в тени и способен питать нагрузку в импульсном режиме током до 100 мА.
Отвечаем на вопрос в заголовке статьи — Может ли ионистор заменить аккумулятор?
– может заменить, но пока со значительными ограничениями по току потребления и режиму работы нагрузки.
Недостатки:

  • малая емкость запаса энергии (приблизительно 1 мА на каждые 2 Фарад емкости ионистора)
  • значительный ток саморазряда конденсаторов (ориентировочная потеря 20% емкости за сутки)
  • габариты конструкции определяются солнечной батареей и суммарной емкостью ионисторов.

Достоинства:

  • отсутствие изнашиваемых химических элементов (аккумуляторов)
  • диапазон рабочих температур от -40 до +60 градусов Цельсия
  • простота конструкции
  • не высокая стоимость

После всех проделанных экспериментов пришла идея модернизировать конструкцию следующим образом

Фото 5.
С одной стороны платы располагаются солнечная батарея, с другой стороны сборка ионисторов и DC\DC преобразователь.
Технические характеристики:

  • Солнечная батарея 12 элементов, 6 В, ток 60 мА (при полной засветке солнцем);
  • Ионисторы суммарная емкость 4; 6 или 16 Фарад, допустимое напряжение 5,5 В, суммарный ток саморазряда соответственно 120\ 140\ (пока не известно) мкА;
  • Диод Шотки сдвоенный с падением прямого напряжения 0,15 В, используется для развязки по питанию солнечной батареи и ионистора;
  • Размеры макета: 55 х 85 мм (пластиковая карта VISA);
  • Расчетная емкость без подпитки от солнечных батарей при установке конденсаторов 4; 6 или 16 Фарад, составляет примерно 2\ 3\ 8 мА.

P. S. Если вы заметили опечатку, ошибку или неточность в расчетах — напишите нам личным сообщением, и мы оперативно все исправим.
Продолжение следует…

Что такое суперконденсаторы

Энергоемкие системы выдвигают высокие требования к источникам питания. Для различного современного оборудования требуется аккумулирование и подача определенной энергии. Чтобы решить такую задачу, используются аккумуляторы или подсоединенные к батарее суперконденсаторы. В последнем варианте ионисторы (молекулярные накопители энергии) играют роль страховки при падении напряжения. Суперконденсаторы отличаются небольшой плотностью энергии и высокой мощностью, что обеспечивает эффективную разрядку на нагрузку. При включении прибора параллельно батарее, снижается импульсная нагрузка на неё, что позволяет продлить срок службы.

Суперконденсаторы представляют собой электрохимические конденсаторы с большими показателями удельной мощности. Они отличаются лучшими техническими характеристиками, чем аккумуляторы. Эти элементы быстрее заряжаются и разряжаются.

В дальнейшем разработчики планируют этими устройствами полностью заменить аккумуляторные батареи. Они могут стать альтернативными источниками питания в разных сферах, например, в производстве автомобилей. Суперконденсаторы применяют в ветроэнергетических конструкциях и солнечных батареях. Подобные приборы представляют собой сочетание стандартного конденсатора и аккумуляторной батареи.

Одно из отличий ионисторов от обычных конденсаторов – наличие двойного электрического слоя, что позволяет накапливать значительное количество энергии. В конструкции отлично сочетаются такие характеристики, как скорость зарядки и разрядки конденсатора и емкость аккумулятора. От обычных конденсаторы такие устройства отличаются отсутствием обычного диэлектрика между электродами.

Параметры

Ионисторы отличаются следующими характеристиками:

  1. Внутреннее сопротивление (измеряется в миллиОмах).
  2. Максимальный ток. (А).
  3. Номинальное напряжение (В).
  4. Емкость (Ф).
  5. Параметры саморазряда.

В качестве электродов в приборе применяется активированный уголь или углерод на вспененной основе. Эти компоненты помещаются в электролит. Сепаратор предназначен для защиты устройства от короткого замыкания электродов. В современных устройствах не используется электролит на основе кислоты или кристаллического раствора щелочи, так как данные компоненты обладают высоким уровнем токсичности.

Во внутренних полостях конструкции содержится электролит, запасающий электроэнергию при взаимодействии с пластинами.

Первые электрохимические ионисторы (молекулярные накопители энергиибыли) разработаны более 50 лет назад. Они были изготовлены на основе пористых углеродных электродов. В настоящее время они используются в некоторых электрических приборах.

По сравнению с литий – ионными аккумуляторами современные ионисторы характеризуются большим ресурсом и высокой скоростью разряда.

При использовании ионисторов можно добиться более экономичного режима работы за счет аккумулирования излишков энергии.

Между обкладками конструкции располагается не стандартный слой диэлектрика, а более толстая прослойка, позволяющая получить тонкий зазор. При этом прибор обеспечивает возможность получения электроэнергии в больших объемах. Суперконденсатор аккумулирует и расходует заряды быстрее, чем альтернативные варианты. Двойной слой диэлектрика увеличивает площадь электродов. Это позволяет улучшить электрические характеристики.

Отличия суперконденсаторов от аккумуляторов

Суперконденсаторы часто применяются вместо батарей. Стандартные конденсаторы способны хранить небольшое количество электроэнергии. Суперконденсаторы могут накапливать заряды в тысячи, миллионы и миллиарды раз больше. Подобные приборы работают быстрее батарей. Это обусловлено тем, что суперконденсатор создает статистические заряды на твердых телах, а батареи зависят от медленно протекающих химических реакций.

Батареи характеризуются более высокой плотностью энергии, а ионисторы более высокой плотностью мощности. Суперконденсаторы способны функционировать при низких показателях напряжения, а для получения большего напряжения, их нужно последовательно соединить. Такой вариант необходим для более мощного оборудования.

Технология ионисторов может найти применение в энергетике и приборостроении. Одно из применений – использование в ветряных турбинах. Подобные приборы помогают сгладить прерывистое питание от ветра.

В портативных электронных приборах используются источники питания разнообразных типов. В таких устройствах, как планшеты, смартфоны и ноутбуки важное значение имеет удельная энергоемкость. Чем больше данный показатель, тем выше будет емкость устройства при тех же физических параметрах.

Установка прибора с более значительной удельной энергоемкостью позволит увеличить время работы мобильного оборудования, не увеличивая его параметры. Поэтому в смартфонах часто используются полимерные аккумуляторные батареи, которые являются лидерами в малогабаритных перезаряжаемых источниках питания.

Аккумуляторные батареи обладают ограниченным ресурсом. При интенсивном применении ресурс прибора является критичным фактором, который сокращает жизненный цикл оборудования. Поэтому к более перспективным устройствам относятся ионисторы. Они представляют собой идеальный накопитель электроэнергии.

Ионистор похож на электролитический конденсатор, но при тех же размерах имеет большую емкость. Подобные устройства могут накапливать большое количество энергии за короткий промежуток времени, что позволит сократить время подзарядки до минимального значения. Суперконденсаторы могут выдержать без видимой деградации несколько десятков тысяч циклов.

Благодаря незначительной токсичности материалов для изготовления ионисторов, их легче утилизировать, чем аналогичные варианты. Но из-за большого тока саморазряда данные приборы не годятся для очень продолжительного хранения электроэнергии. Ионисторы отлично подходят для беспроводных периферийных устройств. Здесь проявляют себя такие свойства, как эффективность и высокая скорость заряда.

Беспроводное устройство с ионистором требует ежедневной подзарядки. Но на данную процедуру потратится несколько минут.

Разновидности

Суперконденсаторы бывают следующих видов:

  1. Псевдоконденсаторы оснащены твердыми электродами. Емкость зависит не только от электростатических процессов, но и от фарадеевских реакций с перемещением зарядов.
  2. Гибридные представляют собой переходное устройство между аккумулятором и конденсатором. Они способны накапливать и отдавать заряд в двойном электрическом слое. Электроды делаются из различных материалов, а скопление зарядов произвоится по разным механизмам. Окислительно – восстановительные реакции повышают удельную емкость механизма.
  3. Двухслойные суперконденсаторы состоят из пористых электродов, разделенных сепаратором. Электрический заряд в таких устройствах определяется емкостью двойного электрического слоя. Электролит является соединяющим проводником с ионной проводимостью.

Суперконденсаторы бывают разных форм и размеров. Основное назначение таких устройств – это дублирование главного источника при падении напряжения.

Для создания гибридных устройств применяются катоды особого вида. Их делают из графена гипероксидированного типа. Графен представляет собой двумерную модификацию углерода, в которой атомы размещены в один слой. Данный компонент отличается высокой химической стойкостью.

Принцип действия

Принцип действия ионистора похож с обычным конденсатором. Но эти приборы различаются применяемыми материалами. Обкладки делаются из пористого материала, который представляет собой отличный проводник. Это позволяет увеличить емкость устройства. В качестве диэлектрика применяется электролит, что позволяет уменьшить расстояние между обкладками и повысить емкость.

В суперконденсаторе заряд накапливается в результате формирования двойного электрического слоя на электроде при адсорбции ионов из электролитов.

В основе принципа работы – разложение разности потенциалов к токовыводам. При этом на катоде создаются отрицательные ионы, а на аноде – положительные. Сепаратор пропускает ионы электролита и предотвращает короткое замыкание между электродами. Электричество сохраняется статическим способом. В процессе заряда-разряда отсутствуют реакции электрохимического типа.

Суперконденсаторы способны накапливать большое количество энергии за короткий промежуток времени, что позволяет уменьшить время для подзарядки приборов.

Современные ионные аккумуляторы могут отдавать только 60 % электроэнергии, израсходованной на их зарядку. У суперконденсаторов данный показатель превышает 90 %. Другим важным преимуществом является большой ресурс. У многих видов аккумуляторов уменьшение емкости происходит после нескольких сотен циклов разряда – разряда. А ионисторы выдерживают до миллиона циклов без нарушений.

Конструкции элементарных ячеек позволяют создать модули различных размеров и любого напряжения. Устройства могут быть выполнены с охлаждением разного типа – воздушного, водяного и естественного.

Плюсы и минусы

Стоит выбрать суперконденсаторы, ради следующих преимуществ:

  1. Заряд и разрядка происходит быстро. Их можно применять, когда нет возможности поставить аккумулятор из – за продолжительной подзарядки.
  2. Ионисторы обладают большим количеством циклов заряда-разряда по сравнению с другим оборудованием.
  3. Для проведения подзарядки не требуются специальные устройства, что облегчает обслуживание.
  4. Приборы легче аккумуляторов и отличаются меньшими размерами.
  5. Обширный диапазон рабочих температур от -45 до 70 градусов.
  6. Продолжительный срок эксплуатации по сравнению с аккумуляторными батареями.
  7. Высокие значения емкостной плотности и КПД циклов разрядки.
  8. Экологическая чистота, долговечность и надежность.
  9. Превосходные параметры удельной мощности.
  10. Допускается полная разрядка.

Некоторые минусы вызывают сложности с эксплуатацией:

  1. Дорогостоящие элементы.
  2. Невысокие характеристики номинального напряжения. Чтобы справиться с проблемой требуется последовательное соединение нескольких элементов.
  3. При несоблюдении температурного режима устройство может быстро сломаться.

Устройство должно быть защищено от короткого замыкания, т.к. это может вызвать повышение температуры. В результате элементу понадобится замена.

Применение

Уникальные характеристики ионисторов находят применение в различных областях техники..

Суперконденсаторы используются в следующих вариантах техники:

  1. Общественный транспорт. В электробусах вместо аккумуляторов устанавливаются ионисторы. Они заряжаются во время высадки и посадки пассажиров. Подобный транспорт способен объезжать пробки и обрывы контактных линий.
  2. Электромобили. Одна из проблем такого транспорта является длительное время зарядки. Суперконденсатор позволяет производить зарядку на кратковременных остановках.
  3. Бытовая электроника. Устройства применяются в фотовспышках и другом оборудовании. Они обеспечивают быструю подзарядку.
  4. Неполярные конденсаторы применяются в ветровых турбинах и кислотных батареях.
  5. Ионисторы используются в системах демпфирования энергетических нагрузок, а также в оборудовании запуска электродвигателей.
  6. Суперконденсаторы необходимы в комплексах, в которых предусмотрены критические нагрузки. Для вышек мобильной связи, больничных учреждений и для портового оборудования.
  7. Приборы применяются для источников резервного электроснабжения ПК, а также в микропроцессорах и мобильных телефонах.

Для улучшения работы автомагнитолы можно приобрести и поставить ионистор. Он позволяет сгладить колебания напряжения во время включения зажигания. В некоторых странах применяются автобусы без тяговых батарей, а все работы производятся ионисторами.

В ходе проведенных испытаний было выявлено, что подобные устройства превосходят свинцово-кислотные батареи в ветровых турбинах. Суперконденсаторы востребованы в системах бесперебойного питания, в которых необходимо обеспечить быструю передачу мощности.

В мире насчитывается примерно 66 крупнейших производителей ионисторов.

Перспективы использования

Ионисторы с каждым годом становятся все совершенней. Важным параметром, которому ученые уделяют особое внимание — является увеличение удельной емкости. Через какое – то время планируется подобными приборами заменить аккумуляторы. Такие элементы позволяют заменить батареи в различных технических сферах. Специалисты возлагают большие надежды на разработку графеновых устройств. Применение инновационного материала поможет уже в ближайшее время создать изделия с высокими показателями запасаемой удельной энергии.

Ионистор нового образца в несколько раз превосходит альтернативные варианты. Данные элементы имеют в своей основе пористую структуру. Применяется графен, на котором распределяются частицы рутения. Преимуществом графеновой пены является способность удержания частиц оксидов переходных металлов. Подобные суперконденсаторы работают на водном электролите, что позволяет обеспечить безопасность эксплуатации.

В перспективе новинки будут применяться в сфере изготовления персонального электрического транспорта. Приборы на основе графеновой пены могут перезаряжаться до 8000 раз без ухудшения качественных характеристик.

В сфере автомобильного строения проводятся разработки альтернативных разновидностей топлива и устройств накопления энергии высокой эффективности. Подобные приборы могут применяться для грузового транспорта, электрических автомобилей и поездов.

В автомобилестроении суперконденсаторные батареи находят следующие применения:

  1. Пусковое устройство подсоединяется параллельно стартерным батареям. Применяется для повышения эксплуатационного срока и улучшения пусковых характеристик двигателя.
  2. Для стабильного питания акустических систем большой мощности в автомобиле.
  3. Буферные батареи подходят для применения в гибридном транспорте. Они характеризуются небольшой емкостью и значительной выходной мощностью.
  4. Тяговые батареи актуальны при использовании в качестве основного источника питания.

Суперконденсаторы обладают множеством преимуществ по сравнению с аккумуляторами в автомобильной промышленности. Они превосходно выдерживают перепады напряжения. Приборы характеризуются легкостью, поэтому можно устанавливать большое их количество.

Для сферы микроэлектроники разрабатываются новые технологии по производству компактных суперконденсаторов. При производстве электродов применяются специальные методы осаждения на тонкую подложку из диоксида кремния специальной углеродистой пленки.

Использование суперконденсаторов позволяет внедрить в жизнь экологические технологии экономии энергии. В перспективе предусмотрено расширение сфер применения таких приспособлений для отраслей автотранспорта, мобильной техники и средств связи.

Отличие от конденсаторов

Принципиальное отличие ионисторов от конденсаторов состоит в том, что в них нет диэлектрика для разделения электродов. Для них подбирается особое вещество, которое обладает как положительными, так и отрицательными носителями заряда.

Большая емкость ионисторов, которая может составлять даже несколько десятков Фарад, обусловлена очень малым расстоянием между противоположными зарядами — порядка нескольких ангстрем. В конденсаторах для этого используют тонкую свернутую фольгу, но расстояние между ее слоями все же намного больше, чем несколько ангстрем.

Для увеличения внутренней поверхности электроды изготавливают из пористого материала. Обычно это активированный или вспененный уголь. Между электродами размещают сепаратор для предотвращения короткого замыкания между ними. Все внутреннее пространство заполняют твердым щелочным или кислотным электролитом. Современные экологические требования привели к тому, что при изготовлении этих элементов питания постепенно перестают использовать токсичные вещества. Все чаще в роли электролита выступает соединение на основе йода, рубидия и серебра (RbAg 4 I 5).

Электроды с электролитом и сепаратором размещаются в герметичном корпусе. К нему припаиваются выводы с указанием полярности. Сам корпус по размеру может быть самым разным и соответствовать стандартным размерам популярных батареек.

Принцип действия и характеристики

Ионисторы, как и аккумуляторы с конденсаторами, имеют несколько рабочих параметров. Все изготавливаемые ионисторы, характеристики которых не сильно отличаются, классифицируются по нескольким параметрам:

  • емкость (измеряется в Фарадах);
  • максимально допустимый ток заряда (измеряется в Амперах);
  • номинальное напряжение (измеряется в Вольтах);
  • внутреннее сопротивление (измеряется в Омах).

Во время протекания электрохимической реакции небольшое количество электронов отделяется от электродов, которые получают положительный заряд. Отрицательно заряженные ионы в электролите притягиваются электродами, которые образуют электрический слой. Заряд в элементе накапливается и хранится на границе контакта углеродного электрода и электролита.

Маркировка и область применения

Специальной маркировки ионисторовые конденсаторы на схеме или на корпусе не имеют. Определить, что конкретный элемент является ионистором, можно косвенным образом: большой заряд, небольшие размеры и малое рабочее напряжение являются отличительными признаками ионисторов. Если на корпусе или на схеме будет обозначен элемент с емкостью 1 Фарада и номинальным напряжением, например, 5 вольт, то нет сомнений, что это ионистор. Электролитических конденсаторов с такими параметрами не существует.

Первый советский образец этого элемента был разработан и запущен в производство в 1978 году с маркировкой К58−1. В дальнейшие годы его конструкция улучшалась и появились ионисторы с маркировкой К58−15 и К58−16.

Отраслей техники и науки, где применяют ионисторы, не так уж и много. Чаще всего их применяют в цифровой технике в роли автономного или резервного источника питания. Он запитывает микросхемы памяти, электронных часов, CMOS-чипы и микроконтроллеры различных устройств при отключении внешнего источника электропитания. Определенное время сохраняются все текущие настройки (дата, время, сохраненные частоты радиостанций и т. п. ) при выключении или замене батареек.

Есть данные, что планировалось применение ионистора и при создании так называемой гаусс-пушки, работа которой основана на нестандартном для вооружения физическом принципе — электромагнетизме. Насколько оказались удачными и были ли они реализованы, является неизвестным для широкой публики. Такая информация составляет или коммерческую, или государственную тайну.

Рекомендации по зарядке

Разные производители для своих ионисторов с аналогичными параметрами прилагают практически одинаковую инструкцию по их зарядке: используется исключительно источник постоянного тока для зарядного устройства, величина тока и напряжение которого зависит от конкретного образца элемента. В зависимости от его внутреннего сопротивления и на основе формул Q=C*U и Q=I*t (где Q — заряд, C — емкость, U — напряжение, I — сила тока и t — время) вычисляется напряжение, сила тока и время, необходимые для полной зарядки конкретного ионистора.

Превышение силой тока номинального зарядного значения ради уменьшения времени на зарядку может привести к пробою и короткому замыканию электродов элемента. Как следствие — полный выход из строя элемента, цена которого сравнительно высокая. Так что не рекомендуется экспериментировать и выходить за рамки рекомендованных величин при зарядке ионистора.

Достоинства и недостатки

Положительных качеств у ионисторов достаточно, чтобы они приобрели определенную популярность. Но и негативных качеств немало, поэтому элементы и не приобрели широкого применения в быту, на производстве и транспорте. Из плюсов можно отметить:

  • меньший срок зарядки элемента по сравнению с аккумуляторами;
  • больше количество циклов зарядки и разрядки без значительной потери номинальных характеристик;
  • простое устройство зарядного устройства;
  • сравнительно малый вес и габариты;
  • диапазон рабочих температур от -40 градусов по Цельсию до +70 градусов по Цельсию.

Недостатков меньше, но они существенные:

  • относительно высокая цена;
  • малое номинальное напряжение (последовательное соединение нескольких элементов иногда помогает решить эту проблему);
  • энергетическая плотность меньше, чем у аккумуляторов (при параллельном соединении в некоторых случаях удается решить эту проблему);
  • выход из строя без возможности восстановления при превышении верхнего предела рабочей температуры.

Именно из-за отрицательных аспектов сужается спектр применения этих элементов.

Самостоятельное изготовление элемента

При необходимости иметь низковольтный источник питания большой емкости и нежелание платить довольно большую сумму за ионисторовый конденсатор, его можно изготовить своими руками практически из подручных средств. Для самодельного элемента потребуется:

  • металлический тонкостенный цилиндр для корпуса (может подойти алюминиевая банка из-под газировки или пива);
  • два медных диска малой толщины и диаметра, соизмеримого с корпусом:
  • активированный уголь или угольный стержень;
  • раствор из обычной поваренной соли (из расчета 25 грамм соли на 100 грамм воды).

Порядок работ по собственноручному изготовлению следующий: угольный порошок смешивают с солевым раствором до консистенции пасты, наносимой на оба медных диска в одинаковом количестве. Потом между дисками помещают немного ваты для разделения электродов и исключения короткого замыкания между ними, заливают электролит (солевой раствор) и запечатывают края банки. Для удобства к медным дискам-электродам припаивают контактные выводы. Самодельный ионисторовый конденсатор готов к применению. Его ориентировочная емкость может составлять от 0,3 до 0,5 Фарад.

Ионисторы — это автономные источники питания, которые не получили широкого применения из-за наличия нескольких серьезных недостатков. Несмотря на это, в некоторых случаях использование ионистора будет отличным решением. Чтобы понять суть его работы, можно сначала попробовать изготовить его самостоятельно, а уж потом решаться на покупку.

История создания

Первый конденсатор с двойным слоем на пористых угольных электродах был запатентован в 1957 году фирмой General Electric. Так как точный механизм к тому моменту времени не был ясен, было предположено, что энергия запасается в порах на электродах, что и приводит к образованию «исключительно высокой способности накопления заряда». Чуть позже, в 1966, фирма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA запатентовала элемент, который сохранял энергию в двойном слое.

Столкнувшись с фактом небольшого объёма продаж, в 1971 году SOHIO передала лицензию фирме NEC, которой удалось удачно продвинуть изделие на рынке под названием «Supercapacitor» (Суперконденсатор). В 1978 году фирма Panasonic выпустила на рынок «Золотой конденсатор» («Gold capacitor», «Gold Cap»), работающий на том же принципе. Эти конденсаторы имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее отдачу энергии, и применялись в цепях питания энергозависимой памяти (SRAM).

Ионисторы в СССР были анонсированы в журнале «Радио» № 5 в 1978 году. Это были ионисторы КИ1-1 и они имели ёмкость от 0,1 до 50 Ф в зависимости от типоразмера.

Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году. На рынке эти ионисторы появились под названием «PRI Ultracapacitor».

Сравнения

С появлением ионисторов стало возможным использовать конденсаторы в электрических цепях не только как преобразующий элемент, но и как источник напряжения. Широко применяются в качестве замены батареек для хранения информации о параметрах изделия при отсутствии внешнего питания. Такие элементы имеют как несколько преимуществ, так и ряд недостатков над обычными химическими источниками тока — гальваническими элементами и аккумуляторами:

Недостатки

  • Высокая цена ионисторов с большими разрядными токами, препятствующая их широкому применению.
  • Напряжение напрямую зависит от степени заряженности.
  • Возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании для ионисторов большой ёмкости и с низким внутренним сопротивлением.
  • Низкое рабочее напряжение по сравнению с большинством конденсаторов других типов.
  • Значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд: порядка 1 мкА у ионистора 2 Ф × 2,5 В.
  • Существенно меньшая скорость отдачи заряда по сравнению с обычными конденсаторами.

Преимущества

  • Большие максимальные токи зарядки и разрядки.
  • Малая деградация даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда. Проводились исследования по определению максимального числа циклов заряд-разряд. После 100 000 циклов не наблюдалось ухудшения характеристик.
  • Высокое внутреннее сопротивление у большинства ионисторов (препятствует быстрому саморазряду, а также перегреву и разрушению).
  • Ионистор обладает длительным сроком службы (при 0.6 Uном. около 40000 часов с незначительным снижением емкости).
  • Малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной ёмкости.
  • Низкая токсичность материалов (кроме органических электролитов).
  • Неполярность (хотя на ионисторах и указаны «+» и «−», это делается для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе).
  • Малая зависимость от окружающей температуры: могут работать как на морозе, так и на жаре.
  • Большая механическая прочность: выносят многократные перегрузки.

Плотность энергии

Плотность энергии ионисторов пока ещё в несколько раз меньше возможностей аккумуляторов. Например, плотность энергии ионистора BCAP3000 3000Ф x 2,7В массой 0,51 кг составляет 21,4 кДж/кг. Это в 7,6 раза меньше плотности энергии свинцовых электролитических аккумуляторов, в 25 раз меньше литий-полимерных аккумуляторов, но в десятки раз больше плотности энергии электролитического конденсатора.

Плотность мощности ионистора зависит от внутреннего сопротивления. В последних моделях ионисторов внутреннее сопротивление достаточно мало, что позволяет получать мощность, сравнимую с аккумуляторной.

В 2008 году индийские исследователи разработали опытный образец ионистора на основе графеновых электродов, обладающий удельной энергоёмкостью до 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30—40 Вт·ч/кг) .

В 2011 году корейские ученые под руководством профессора Чой Джунг Вук (Choi Jung-wook) разработали суперконденсатор, изготовленный с применением графена и азота, обеспечивающий удвоенную ёмкость по сравнению с обычными источниками энергии того же класса. Улучшение электрических свойств элемента питания было достигнуто благодаря добавлению азота.

Использование

Транспортные средства

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 3 марта 2015 года.

Тяжелый и общественный транспорт

В настоящее время автобусы с питанием от ионисторов выпускаются фирмами Hyundai Motor, «Тролза», Белкоммунмаш.

Автобусы на ионисторах от Hyundai Motor представляют собой обыкновенные автобусы с электроприводом, питаемым от бортовых ионисторов. По задумке конструкторов из Hyundai Motor, такой автобус будет заряжаться на каждой второй или каждой третьей остановке, причём длительности остановки достаточно для подзарядки автобусных ионисторов. Hyundai Motor позиционирует свой автобус на ионисторах как экономичную замену троллейбусу (нет необходимости прокладывать контактную сеть) или дизельному (и даже водородному) автобусу (электроэнергия пока дешевле дизельного или водородного топлива).

Автобусы на ионисторах от «Тролзы» технически представляют собой «бесштанговые троллейбусы». То есть конструктивно это троллейбус, но без штанг питания от контактной сети и, соответственно, с питанием электропривода от ионисторов.

Но особенно перспективны ионисторы в качестве средства реализации системы автономного хода для обычных троллейбусов. Троллейбус, оборудованный ионисторами, по маневренности приближается к автобусу. В частности, такой троллейбус может:

  • проходить отдельные короткие участки маршрута, не оборудованные контактной сетью (в том числе при необходимости двигаться в объезд, когда на каком-то участке маршрута движение по штатной трассе маршрута невозможно);
  • проходить места обрыва линии контактной сети;
  • возможность объезжать препятствия даже тогда, когда длина токоприёмных штанг не позволяет это сделать (водитель оборудованного ионисторами троллейбуса в этом случае просто опустит токоприёмные штанги и объедет препятствие, после чего вновь поднимет токоприёмные штанги и продолжит движение в штатном режиме);
  • отпадает надобность в развитии контактной сети в депо и на разворотных кольцах на конечных остановках — в депо и на разворотных кольцах оборудованные ионисторами троллейбусы маневрируют с опущенными токоприёмными штангами.

Таким образом, троллейбусная система, используя оборудованные ионисторами троллейбусы, по гибкости приближается к обычной автобусной.

С мая 2017 в Минске применяют первые белорусские электробусы Белкоммунмаш Е433 Vitovt Max Electro. Электробусы заряжаются на трёх зарядных станциях, расположенных в конечных точках маршрутов. Зарядка током 500 ампер длится 5—8 минут. Пустой электробус на одном заряде проезжает 20 км. Ионисторы производит ООО «Чэнду Синьджу Шелковый Путь Развитие» в китайско-белорусском промышленном парке «Великий камень».

Автомобильный

Ё-мобиль — проект автомобиля, разрабатывавшийся в Российской Федерации, использовал суперконденсатор как основное средство для накопления электрической энергии. Сами эти суперконденсаторы не выпускались серийно и разрабатывались параллельно с автомобилем.

Автогонки

Система KERS, применяющаяся в «Формуле-1», использует именно ионисторы.

Бытовая электроника

Применяются для основного и резервного питания в фотовспышках, фонарях, карманных плеерах и автоматических коммунальных счётчиках — везде, где требуется быстро зарядить устройство. Лазерный детектор рака молочной железы на ионисторах заряжается за 2,5 минуты и работает 1 минуту.

В магазинах автопринадлежностей продаются ионисторы ёмкостью порядка 1Ф, предназначенные для питания автомагнитол (и аппаратуры, питаемой от разъёма прикуривателя) при выключенном зажигании и во время запуска двигателя (на многих автомобилях на время работы стартера отключаются все остальные потребители), а также для сглаживания скачков напряжения при пиковых нагрузках, например для работы мощных динамиков.

Перспективы развития

Согласно заявлениям сотрудников MIT 2006 года, ионисторы могут в скором времени заменить обычные аккумуляторы. Кроме того, в 2009 году были проведены испытания аккумулятора на основе ионистора, в котором в пористый материал были введены наночастицы железа. Полученный двойной электрический слой пропускал электроны в два раза быстрее за счёт создания туннельного эффекта. Группа учёных из Техасского университета в Остине разработала новый материал, представляющий собой пористый объёмный углерод. Полученный таким образом углерод обладал свойствами суперконденсатора. Обработка вышеописанного материала гидроксидом калия привела к созданию в углероде большого количества крохотных пор, которые в сочетании с электролитом смогли хранить в себе колоссальный электрический заряд.

В настоящее время создана одна из необходимых частей конденсатора — твёрдый нанокомпозиционный электролит с проводимостью по ионам лития. Ведётся разработка электродов для конденсатора. Одна из задач — уменьшить размеры ионистора за счёт внутреннего строения.

Учёные из Центра нанотехнологий Университета центральной Флориды (UCF) разработали гибкий ионистор, состоящий из миллионов нанометровых проволок, покрытых оболочкой из двумерных дихалькогенидов. Такой суперконденсатор выдерживает более 30 тысяч циклов зарядки.

> См. также

  • Конденсатор
  • Туннельный эффект
  • Хемотроника
  • Электрохимические суперконденсаторы
  • Honda FCX Clarity

Примечания

  1. H. I. Becker: Low voltage electrolytic capacitor, U.S.-Patent 2800616
  2. R.A. Rightmire,, «Electrical energy storage apparatus», U.S. Patent 3288641
  3. 1 2 3 В. Кузнецов, О. Панькина, Н. Мачковская, Е. Шувалов, И. Востриков. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработка и производство. Компоненты и технологии № 6, 2005.
  4. Ионисторы Справочники Любительская Радиоэлектроника
  5. S.R.C.Vivekchand; Chandra Sekhar Rout, K.S.Subrahmanyam, A.Govindaraj and C.N.R.Rao (2008). “Graphene-based electrochemical supercapacitors” (PDF). J. Chem. Sci., Indian Academy of Sciences. 120, January 2008: 9−13. Используется устаревший параметр |coauthors= (справка)
  6. Корейские ученые разработали графеновый суперконденсатор для электромобилей / Новости hardware / 3DNews — Daily Digital Digest
  7. проектов, Фабрика. Электробусы (рус.), Белкоммунмаш. Дата обращения 22 декабря 2017.
  8. «За рулем чувствую себя немного «звездой». Как в Минске тестируют первые белорусские электробусы (рус.). Дата обращения 22 декабря 2017.
  9. CiteSeerX — TurboCap: A Batteryless, Supercapacitor-based Power Supply for Mini-FDPM
  10. MIT разработал углеродную «мини-батарейку»
  11. Суперконденсаторы помогают усовершенствовать элементы питания :: Overclockers.ru
  12. Ученые ИХТТМ СО РАН намерены создать суперконденсатор Архивная копия от 4 сентября 2014 на Wayback Machine
  13. Учёные предложили метод создания гибких суперконденсаторов, способных полностью зарядить смартфон за секунды, 22 ноября 2016.
Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *