Ионистор или суперконденсатор: применение и принцип работы. Ионистор: что это такое и где его применяют

Ионистор: устройство, принцип работы и область применения

Что такое ионистор – сфера применения

В отличие от стандартных конденсаторов ионистор не имеет диэлектрика, разделяющего электроды.

Электроды в комплексе с сепаратором и рабочей жидкостью (электролитом) установлены в герметично запакованном корпусе, к которому припаиваются точки вывода с указанием полярности. Форма и корпус ионистора может иметь разный размер и соответствовать параметрам обычных батареек. Такой модуль очень быстро теряет заряд и также быстро заряжается.

Применяют такие устройства в цифровых электронных приборах, в качестве дополнительного источника питания, что позволяет сохранить настройки аппаратуры при замене батареек.

Также суперконденсаторы применяют для работы таймеров на телевизоре, микроволновке и другой бытовой и аудиотехнике, а также медицинском оборудовании. Высокоемкостные ионисторы совместно с аккумуляторами способны питать электродвигатели.

Нередко ультраконденсаторы встраивают в микросхемы светодиодных фонарей. Заряжаться модуль может от солнечной энергии, накопленной в солнечных батарейках.

Гибкие устройства на основе полимеров

Гибкие устройства на основе полимеров

Ионистор набирает и сохраняет энергию с высокой скоростью, образуя электрохимические двойные слои зарядов или посредством поверхностных окислительно-восстановительных реакций, что приводит к высокой плотности мощности с длительной циклической стабильностью, низкой стоимостью и защитой окружающей среды. PDMS и ПЭТ являются в основном используемыми субстратами при реализации гибких суперконденсаторов. В случае пленки PDMS может создавать гибкие и прозрачные тонкопленочные ионисторы в часах с высокой циклической стабильностью после 10 000 циклов при изгибе.

Однослойные углеродные нанотрубки могут быть дополнительно включены в пленку PDMS для дальнейшего улучшения механической, электронной и термической стабильности. Аналогичным образом, проводящие материалы, такие как графен и УНТ, также покрываются пленкой ПЭТ для достижения, как высокой гибкости, так и электропроводности. Помимо ПДМС и ПЭТ другие полимерные материалы также привлекают растущие интересы и синтезируются различными методами. Например, локализованное импульсное лазерное облучение использовалось для быстрого преобразования первичной поверхности в электрическую проводящую пористую углеродную структуру с заданной графикой.

Природные полимеры, такие как нетканые материалы из древесных волокон и бумаги, также могут использоваться в качестве подложек, которые являются гибкими и легкими. УНТ наносится на бумагу для получения гибкого УНТ бумажного электрода. Из-за высокой гибкости бумажной подложки и хорошего распределения УНТ удельная емкость и плотность мощности и энергии меняется менее чем на 5% после изгиба на 100 циклов при радиусе изгиба 4,5 мм. Кроме того, из-за более высокой механической прочности и лучшей химической стабильности бактериальные наноцеллюлозные бумаги также используться для изготовления гибких суперконденсаторов, например для кассетного плеера walkman.

Читайте также:  Как подключить светодиод или светодиодную ленту. Схемы подключения

Назначение электронного устройства

Ионистор - принцип работы
Ионисторы (EDLC) — это электронные устройства, которые используются для хранения чрезвычайно больших количеств электрического заряда. Они также известны как суперконденсаторы, двухслойные конденсаторы или ультраконденсаторы. Вместо применения обычного диэлектрика, EDLC используют механизм для хранения электрической энергии — двухслойную ёмкость. Это означает, что они объединяют работу обычных конденсаторов с работой обычной батарей. Ёмкости, достигаемые с использованием этой технологии, могут достигать 12000 F. Для сравнения, ёмкость всей Земли составляет всего около 710 мкФ, что более чем в 15 миллионов раз меньше ёмкости EDLC.

В то время как обычный электростатический конденсатор может иметь высокое максимальное рабочее напряжение, обычное максимальное напряжение заряда EDLC лежит между 2, 5 и 2, 7 вольтами. EDLC — это полярные устройства, то есть они должны быть подключены к цепи правильно, подобно электролитным конденсаторам. Электрические свойства этих устройств, особенно их быстрое зарядное и разрядное время, очень перспективны для многих отраслей промышленности, где они могут полностью заменить батареи.

История создания

Первый конденсатор с двойным слоем на пористых угольных электродах был запатентован в 1957 году фирмой General Electric[1]. 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[2].

Столкнувшись с фактом небольшого объёма продаж, в 1971 году SOHIO передала лицензию фирме NEC, которой удалось удачно продвинуть продукт на рынке под именем «Supercapacitor» (Суперконденсатор). В 1978 году фирма Panasonic выпустила на рынок «Gold capacitor» («Gold Cap») «Золотой конденсатор», работающий на том же принципе. Эти конденсаторы имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее отдачу энергии, так что эти конденсаторы применялись только как накопительные батареи для 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 именем «PRI Ultracapacitor».

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.

Будет интересно➡  Чем отличаются параллельное и последовательное соединение конденсаторов

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.

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

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.

Параметры отечественных ионисторов

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.

Связка из шести ионисторов
Связка из шести ионисторов

Как работает суперконденсатор

Принцип действия ультраконденсатора схож с обычным конденсатором, но комплектация внутреннего блока отличается материалами, из которых он изготовлен.

Контур делают из пористого материала, обладающего высокой электропроводимостью. Диэлектриком выступает электролит.

Ионистор или суперконденсатор: применение и принцип работы

В электрохимическом конденсаторе  электрозаряд накапливается при помощи формирования двойного слоя напряжения на электроде в момент адсорбции ионов из рабочей жидкости (электролита).

В основу функционирования ионистора заложен принцип разложения разной полярности потенциалов – на катоде создаются ионы с отрицательным зарядом, а на аноде – с положительным.

Когда электролит проходит сквозь сепаратор, который разделяет полярность ионов, предотвращается замыкание. Напряжение сохраняется в устройстве статистическим методом.

Ионистор или суперконденсатор: применение и принцип работы

В течение небольшого временного отрезка суперконденсаторы способны накопить большой объем электроэнергии, что снижает время для их подзарядки.

Отдают устройства до 90% энергии, в отличие от аккумуляторов, которые способны отдать не больше 60%.

Электрический модуль изготавливают с охлаждением нескольких видов:

  • естественное;
  • водяное;
  • воздушное.

Положительные и отрицательные стороны

К числу безусловных преимуществ этих устройств относятся следующие качества:

  • разрядка и заряд устройства не занимает много времени, что позволяет их использовать в тех случаях, когда аккумуляторы установить не представляется возможным из-за долгой подзарядки;
  • по сравнению с аккумуляторными батареями у ионисторов значительно больше циклов полного заряда-разряда устройства;
  • чтобы произвести подзарядку, не понадобится специальное зарядное оборудование, следовательно, упрощается обслуживание;
  • радиодетали этого типа гораздо легче аккумуляторов и меньше их по габаритам;
  • широкий диапазон рабочей температуры – от -40 до 70С°;
  • срок эксплуатации во много раз больше, чем его имеют силовые конденсаторы и аккумуляторные батареи.

Как бы ни были хороши эти радиодетали, но у них есть и недостатки, которые несколько усложняют эксплуатацию, а именно:

  • относительно высокая цена на ионисторы приводит к тому, что использование их в технике ведет к ее удорожанию. Как утверждают специалисты, в ближайшем будущем эта проблема будет решена, благодаря развитию новых технологий;
  • низкие параметры номинального напряжения устройств, решением может служить последовательное соединение нескольких элементов (принцип такой же, как при подключении нескольких батареек). В этом случае потребуется установить шунт в виде резистора на каждый компонент;
  • превышение температурного режима (нагрев более 70С°) становится причиной выхода из строя;
  • данный тип радиодеталей не позволяет накапливать достаточно энергии, помимо этого они обладают небольшой энергетической плотностью (то есть не столь мощные, как аккумуляторы), что несколько сужает сферу их применения. Параллельное подключение нескольких элементов позволяет частично справиться с этой проблемой.

Отдельно следует заметить, что суперконденсаторы относятся к элементам, подключение которых требует, чтобы была соблюдена полярность. Нельзя допускать короткое замыкание устройства, поскольку оно станет причиной, из-за  которой повысится температура, и радиоэлементу потребуется замена.

Конструкция и материалы ионисторов

Ионистор.- как работает
Рассмотрим подробнее, что такое ионистор. Конструкция EDLC аналогична конструкции электролитических конденсаторов в том, что они состоят из двух фольговых электродов, электролита, сепаратора и фольги. Сепаратор зажат между электродами, фольга свёртывается или складывается в форму, обычно цилиндрическую или прямоугольную. Эта сложенная форма помещается в герметично закрытый корпус, пропитанный электролитом. Электролит в конструкции EDLC, а также электродов, отличается от электролита, используемого в обычных электролитических конденсаторах.

Чтобы сохранить электрический заряд, EDLC использует пористые материалы в качестве разделителей для хранения ионов в порах на атомном уровне. Наиболее распространённым материалом в современных EDLC является активированный уголь. Тот факт, что углерод не является хорошим изолятором, приводит к ограничению максимального рабочего напряжения до 3 В.

Активированный уголь не является идеальным материалом: носители заряда сопоставимы по размеру с порами в материале, а некоторые из них не могут проникать в более мелкие поры, что приводит к утечкам и уменьшению ёмкости хранения.

Одним из наиболее интересных материалов, используемых в исследованиях EDLC, является графен. Это вещество, состоящее из чистого углерода, расположенного в плоском листе толщиной всего один атом. Он чрезвычайно пористый, действует как ионная «губка». Плотность энергии, достигаемая с помощью графена в EDLC, сравнима с плотностями энергии, полученными в батареях.

Однако, несмотря на то что прототипы EDLC графена были сделаны в качестве доказательства будущей концепции, они дорогостоящие и их трудно производить в промышленных объёмах и это обстоятельство существенно тормозит использование данной технологии. Несмотря на это, EDLC из графена является наиболее перспективным кандидатом в будущей технологии ионисторов.

Практическое использование ионисторов

Современные модели суперконденсаторов стали использоваться в сферах транспорта и бытовой электроники.

Транспортные средства

С недавнего времени в схему питания электротранспорта всё чаще стали встраивать мощные ионистры.

Тяжёлый и общественный транспорт

На улицах мегаполисов мира стали появляться электробусы. В Москве можно увидеть общественный транспорт, работающий на энергии бортовых ионисторов. Отечественные электрические автобусы вышли на городские маршруты столицы в мае нынешнего года.

На тяжёлых транспортных средствах суперконденсаторы используются как вспомогательный источник питания.

Автомобили

Ведущие производители электромобилей, такие как Тесла и Ниссан, пользуясь международными выставками, представляют каждый раз новые модели, системы питания которых построены на ионисторах. Российский опытный образец Ё-мобиль использует суперконденсатор как основной источник энергии.


Автомобильный ионистор

Дополнительная информация. На автомобилях, работающих на жидком топливе, стали устанавливать ионисторы для обеспечения лёгкого пуска двигателя в условиях Крайнего Севера.


Суперконденсатор с АКБ для облегчённого пуска двигателя

Автогонки

Для пропаганды и рекламы автомобилей, работающих на ионисторах, ведущие автоконцерны постоянно проводят автогонки на таких автомашинах. Зрители на таких мероприятиях проявляют большой интерес к перспективе развития электрического индивидуального транспорта.

Бытовая электроника

Суперконденсаторы стремительно ворвались в сферу бытовой электроники. Их можно заметить в блоках резервного питания ноутбуков, смартфонов. Ионисторы встроены в операционные блоки персональных компьютеров. Они предохраняют от потери данных во время аварийных отключений от постоянного источника электроэнергии.


Ионистор для бесперебойного питания ПК

Возможно ли заменить батарею ионистором?

Ионисторы используются как средство хранения энергии ветряных электростанций в течение многих лет. В 2006 году компания Enercon впервые интегрировала их в такие системы для управления тангажом и аварийного питания. Оказалось, что ионисторы превосходят по характеристикам действующие аккумуляторные системы. Основное их преимущество в том, что они поддерживают высокий уровень производительности при низких температурах, практически не требуют обслуживания и имеют длительный жизненный цикл.
По крайней мере, две функционирующие системы должны останавливать ветряную турбину, и управление по тангажу является необходимым элементом безопасности, когда скорость ветра слишком высока либо теряется подключение сети к турбине. Ионисторы позволяют создать более надежную систему для аварийных ситуаций такого типа ввиду того, что источник питания является частью вращающейся сборки либо расположен внутри хаба, который ограничивает ваш выбор в хранении энергии. Ионисторы легкие, прочные, имеет более быстрое время отклика, чем тяжелые аккумуляторы, которые требуют более сложную структуру для поддержки их вращения и предотвращения негативных последствий воздействия холода. Требования к ионисторам существенно проще. Они лишь требуют некоторую защиту от влаги и недорогую схему балансировки для увеличения их жизненного цикла.

Ионисторы могут быть установлены в небольшом здании или пристройке недалеко от ветряных ферм, обеспечивая хранение энергии и сглаживание напряжения. Они могут работать в широком диапазоне температур и в отличие от батарей имеют более высокую эффективность для кратковременного хранения энергии. Ионисторы могут применяться при напряжениях ниже их номинального, что позволяет лучше адаптировать их к окружающим условиям на ветряных фермах. С экономической точки зрения, ионисторы Ioxus имеют гораздо лучший коэффициент ROI (коэффициент окупаемости инвестиций), чем любой другой носитель энергии при использовании в качестве накопителя энергии в данных условиях применений на всех этапах жизненного цикла турбин. Как ионисторы/суперконденсаторы могут помочь моей продукции?

Ионисторы имеют очень высокую удельную мощность, которая в значительной степени не зависит от температуры их рабочего диапазона. При использовании в паре с мощным источником энергии резко увеличивается пиковая мощность энергосистемы.

Насколько долго хватает ионистора?

Ионисторы имеют проектный срок службы 10 лет при работе с номинальным напряжением и температуре окружающей среды 25 °C. Уменьшение напряжения и температуры могут увеличить срок их эксплуатации, в то время как увеличение этих параметров сокращает срок службы. Большинство приложений используют ячейки с напряжением ниже номинального для увеличения срока службы при повышенных температурах.

Что такое выходное напряжение ионистора?

Ионистор отдает энергию при уменьшении напряжения и накапливает ее при увеличении. Выходное напряжение зависит от состояния заряда. Верхний и нижний пороговый уровень напряжения должен быть использован для определения рабочего диапазона напряжения.

Сколько энергии может обеспечить ионистор (как долго будет работать мое приложение)?

Ионисторы накапливают значительно большее количество энергии, чем традиционные конденсаторы, но существенно меньше, чем батареи. Чтобы определить энергию, которую может хранить идеальный конденсатор, необходимо воспользоваться следующей формулой:

где

С – емкость конденсатора, UВЕРХ – верхнее пороговое напряжение, UНИЖ – нижнее пороговое напряжение.

Сколько энергии могут обеспечивать ионисторы Ioxus?

Мощность ограничена только эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Ионисторы Ioxus обеспечивают плотность пиковой мощности выше 20 кВт/кг.

Как зарядить ионистор?

Необходимо строго соблюдать правила зарядки ионисторов. Ячейка будет потреблять столько тока, сколько на нее подается, в то время как увеличение напряжения на нем будет основываться на том, сколько заряда он накопил. Необходимо быть крайне осторожным пря зарядке ионисторов при низком состоянии заряда, так как он будет являться коротким замыканием при напряжении близком к нулю.

Читайте также:  Как читать цифровки и аккорды

Как правильно подключить ячейки последовательно?

В большинстве случаев необходимо, чтобы ячейки были соединены последовательно, чтобы достичь более высоких значений рабочих напряжений. Для последовательно соединенных ячеек лучше уменьшать значения номинального напряжения, в целях снижения отрицательного воздействия несбалансированных ячеек на срок эксплуатации системы. Эквивалентное последовательное сопротивление при таком подключении увеличивается пропорционально количеству ячеек. Емкость уменьшается пропорционально количеству ячеек.

Как правильно подключить ячейки параллельно?

Ячейки могут быть подключены параллельно в том случае, если требуется увеличить общую емкость системы. Ячейки различных размеров могут быть соединены при условии, что их ESR и емкость совпадают. При этом ESR системы уменьшится пропорционально количеству ячеек, а емкость увеличится.

Что такое ток утечки?

Ионисторы имеют небольшое количество саморазряда, которое называют током утечки. Из-за небольших различий в материале при производстве ток утечки может немного меняться на каждом элементе. Со временем, когда ячейки находятся в высоком состоянии заряда, небольшие изменения тока утечки станут причиной передачи напряжений от ячейки к ячейке. Ячейки с меньшим током разряда увеличатся в напряжении, а с высоким уменьшаться. Со временем, все ячейки системы выровняются в напряжении, но до этого момента ячейки с низким током утечки (а соответственно, более высоким напряжением) будут деградировать быстрее, чем с высоким током утечки.

Что такое балансировка ячеек и так ли она необходима?

Балансировка ячеек – это способ уменьшить распространения напряжения в результате дисбаланса токов утечки, дисбаланса емкости или потерь от ESR. Балансировка ячеек может изменяться от простого транзистора с точностью 1% через терминалы каждой ячейки до сложных схем, перемещающих заряд через ячейки. Балансировка необходима для увеличения срока эксплуатации ионисторов.

Могу ли я заменить батарею ионистором?

Обычно нет, но есть определенные области применения с низким энергопотреблением, в которых может использоваться питание от ионисторов без использования аккумулятора (например, запуск двигателя или генератора). Использование высокоэффективных DC-DC преобразователей может значительно расширить диапазон рабочих напряжений и уменьшить количество энергии, потребляемой от ионистора.

Смотреть номенклатуру IOXUS

Электромобилем сегодня никого не удивишь. Но то, что показали нам в лаборатории Московского автодорожного института, не укладывалось в воображении. Представьте тележку на колесиках с детские санки, внизу ее разместилась маленькая коробочка с мыльницу, а сверху допотопный осциллограф килограммов на 70. Щелкнул тумблер, и … тележка плавно покатила. То, что она движется на электрической тяге, понятно. Но где же аккумулятор!

Автомобиль на конденсаторе, подготовленный для зарубежной выставки. Довольный произведенным эффектом, В.П. Хортов пояснил: — А в этой коробочке! Как?! Мы привыкли, что основную массу в такого рода транспортных средствах (до 40%) занимают аккумуляторы. А тут — коробочка! — Только! это не обычный аккумулятор, — говорит Хортов.- А конденсатор. К тому же на несколько порядков более емкий чем можно встретить в продаже. Так что же, проблема электромобиля разрешена? — Не торопитесь, — охладил нас Хортов.- Мы как раз ею и занимаемся. А тележка — всего лишь демонстрационная модель. … Мысль о замене аккумулятора на электромобилях конденсатором пришла к Хортову несколько лет назад. Логика ее вполне ясна. Конденсатор способен мгновенно заряжаться электричеством и тем самым дает сто очков вперед другим накопителям электроэнергии. Вот только обычный электролитический, о котором знают и наши читатели, для таких целей не годится. Уж очень мала его ёмкость. Перебрав все мыслимое и немыслимое, Хортов нашел-таки накопитель, вполне пригодный для своих замыслов — ионикс. Этот дальний родственник конденсаторов работает на электрохимическом принципе. Специалисты еще называют его молекулярным концентратом энергии. Его дальнейшее совершенствование и позволило приступить к опытам. Для наглядности прибегнем к образному примеру. Если бы в конденсаторе всю накопленную электрическую энергию превратить в механическую работу, например, заставить конденсатор «подпрыгнуть», то обычный электролитический одолел бы всего 10 см, в то время как хортовский подпрыгнул на 600 м! Заметная разница? И все равно конденсатор остается в 5-10 раз менее емким, чем аккумулятор. Казалось бы, тупик? Но Хортов предлагает рассуждать дальше. Проанализировать детальней все достоинства и недостатки аккумуляторов. Об их массе мы уже сказали. Кроме того, аккумулятор очень медленно заряжается и разряжается, при этом любит стабильность нагрузки. А в том сумасшедшем темпе, что присущ автомобилю — то прибавлять скорость, то гасить ее, он теряет свое преимущество в энергоемкости почти в два раза. Все это да еще капризность к механическим нагрузкам, морозу делает аккумуляторный автомобиль бесперспективным.

А если конденсатор? Что ж, что емкость его маловата. Можно предусмотреть постоянную подзарядку на дороге — времени для этого потребуется секунды. А можно прямо под полотном проложить индукционные катушки и подкачивать конденсатор по ходу автомобиля. Нам показали в лаборатории один из таких экспериментов. Тележка ездила по помещению, изредка останавливаясь, чтобы подпитаться от… стены. Никаких розеток, никаких проводов. Индукционные токи от катушки, спрятанной в стене, в полной безопасности насыщали тележку через штангу энергией. Тронь даже рукой — не ударит. Ну, разве не перспективно? Есть еще и другой путь, разрабатываемый аккумуляторщиками, но так и не приведший их к победе, — гибридный двигатель. На автомобиле устанавливается небольшой бензиновый движок на 5-10 кВт. Работает он в постоянном режиме, а значит, можно добиться, что отработанные газы будут практически безвредными. Движок подпитывает конденсатор электроэнергией, которая поступает потом прямо на колеса, их движут электромоторы, исчезают многоступенчатые механические передачи, а значит, возрастает КПД. По прикидкам, такому гибридному двигателю потребуется 1 литр бензина на 100 километров пути. Кто не пожелает ездить на таком «экономе»! В технике порой, как и в сказке, легко рассказывается, да нелегко делается. Конечно, предстоит еще решить немало технических трудностей, распутать многие конструктивные неувязки, прежде чем на дорогах появятся электромобили нового типа. Но ведь успехи уже есть. Так пожелаем же делу счастливого завершения. Ионикс своими руками Если, прочитав статью «Поедем на… конденсаторе!», вы заинтересовались проблемой создания новых электрических машин, давайте продолжим разговор. Переведем его в практическое русло — вместе поэкспериментируем. Начнем пучше с простой модели — лодочки. Купить ее можно в магазине. А электромоторчик взять от старой игрушки и укрепить с помощью скобы на корме. Впрочем, дело то для большинства из вас знакомое. Главное же — создать новый источник энергии для моторчика. Вспомним ионикc Хортова. В магазине его на приобретешь, так что приступим к делу. Работает ионикc на электрохимическом принципе. Значит, его конструкции есть и электроды, и электролит. Для электродов нам подойдут два кружочка из меди, латуни или нержавейки. Еще понадобится угольный порошок. Купите в хозяйственном магазине сменные угольные таблетки для водоочистителя «Родничок» и растолките их мелко-мелко. Электролит приготовим из обыкновенной воды, растворив в ней на 100 граммов 25 граммов поваренной соли. Смешайте раствор с угольным порошком до консистенции замазки и нанесите слоем в несколько миллиметров сначала на один электрод, потом на другой. Теперь очередь за прокладкой, которая должна разделить электроды так, чтобы электролит свободно проходил сквозь ее поры, а угольный порошок нет. Из наиболее распространенных материалов для такой цели подойдет обыкновенная промокашка, но можно поискать и что-нибудь попрочнее, например, кусочек поролона или стеклоткани. Начинка нашего ионикса готова. Остается найти ему подходящий кожух. Это может быть пластмассовая коробочка от косметического набора. Но не забудьте просверлить а ней дырочки и пропустить сквозь них проводки, припаянные к электродам.

Закрываем коробочку. Подсоединяем проводки к электрической батарейке (необходимо напряжение не более 0,7 В; его нетрудно получить при помощи одного гальванического элементе и переменного сопротивления 0…20 Ом) и смотрим, произошла ли зарядка, при этом на резных электродах должна образоваться концентрация разноименных ионов. Отсюда и название: ионикс. Конечно, лучше всего проверить заряд на приборе, например, вольтметре. Заранее ясно, что одного элемента будет для нас недостаточно. Сколько? Это, как вы понимаете, зависит от величины тока и напряжения, которые требуются электромоторчику. Если гирлянда из элементов, соединенных последовательно, будет получаться очень большая, попробуйте поэкспериментировать, меняя толщину угольно-электролитной обмазки, ее консистенцию, а также диаметры электродов. Можно попробовать и другие вещества, но, прежде чем сделать это, обязательно посоветуйтесь с учителем химии. Без знаний такие эксперименты опасны! Что же, если ионикс готов, можно приступать к запуску модели. Заметьте, как долго она проработает, каково время подзарядки. Конечно, до экспериментов Хортова нам еще далеко, но мы ужа на верном пути. Немаловажно, думаем, и то, что мы нашли замену элементам питания, которые так трудно достать нынче в магазинах. В иониксе используется емкость двойного электрического слоя. Что это такое! Под действием тока на поверхности проводника, погруженного в электролит, возникают два слоя ионов противоположного знака, располагающиеся на расстоянии равном одному — двум атомам. Электрические силы притягивают ионы друг к другу, а молекулярные — не позволяют сблизиться. Похоже на конденсатор. Чем меньше расстояние между обкладками конденсатора, тем больше его емкость. В двойном электрическом слое расстояния, как, сказано, очень малы, поэтому и емкость его велика. Если мерить конденсаторы на вес, то можно сказать, что один кг молекул двойного электрического слоя способен накопить я 100 раз больше энергии, чем 1 кг бензина! Устройство ионикса: 1, 5 — электроды; 2, 4 — угольно-электролитная, обмазка; 3 — прокладка. Гибридный автомобиль. На его борту — двигатель внутреннего сгорания 1 вращает электрогенератор 2. Конденсатор 4 через блок управления 3 то соединяется с генератором и заряжается, то отдает запасенную энергию электродвигателям 5. 6 — бак с бензином или даже спиртом, если хотите.

Бывают ситуации, когда реализовать автономное питание на основе одной аккумуляторной батареи не представляется возможным из-за образования больших кратковременных токов. В этом случае совместно использовался высоковольтный конденсатор большой емкости, пока не стали применять ионистор вместо аккумулятора или одновременно с ним.

В работе этого класса приборов заложена технология, благодаря которой создается двойной электрический слой (EDLC), этим они выгодно отличаются от устройств, где для накопления заряда эксплуатируются химические реакции, как обратимые (аккумулятор), так и необратимые (батарея).

Несмотря на то, что ионисторы появились относительно недавно, их изготовление налажено многими производителями как в нашей стране, так и за рубежом, эти радиодетали выпускают такие компании, как: Palm, Epcos, Elna и т.д.

Ионисторы Maxwell

Техническая реализация

Ионистор или суперконденсатор представляет собой устройство в конструкции которого имеются два электрода или пластины, изготовленные из активированного угля. Пространство между ними заполнено специальным электролитом, также между обкладками располагается мембрана, благодаря которой не происходит перемещение частиц электродов, а электролит свободно проникает в данное пространство.

Причем стоит отметить, что самостоятельно данные устройства не имеют определения полярности заряда конкретных электродов. Это свойство является одним из главных отличий от конденсаторов электролитического вида, в которых несоблюдение правильного подключения приводило к преждевременному выходу из строя. Однако при производстве на ионисторах наносится маркировка с указанием полярности, в результате того, что в процессе производства данные накопители энергии уже выходят заряженные.

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.

Ионистор своими руками

Для изготовления суперконденсатора своими руками потребуются:

  • фольга, можно взять вкладку из пачки сигарет, она будет диэлектриком;
  • таблетка активированного угля, это будет электрод;
  • клей ПВА в качестве электролита.

Изготавливают простейший ионистор своими руками следующим образом:

  1. Мелко размолотый уголь перемешивают с клеем ПВА.
  2. Кистью наносят смесь на один отрезок фольги.
  3. После каждой просушки наносят следующий клеевой слой. Трех слоев вполне достаточно для изготовления ионистора.
  4. На высушенную поверхность накладывают второй отрезок фольги после обработки клеем ПВА.
  5. Приложив с двух сторон модели проводки от батарейки, заряжают самодельный ионистор.


Самодельный ионистор

Продемонстрировать возможности самоделки можно, услышав сигнал подсоединённого маломощного динамика, или, если применить его для свечения светодиода.

Частота, с которой создаются новые модели суперконденсаторов, настолько большая, что порой трудно запоминать новые названия. Специалисты ожидают скорого появления высоковольтных иониксов, которые совершат технологическую революцию во всех сферах деятельности человека.

Виды устройств

Ультраконденсаторы производят нескольких видов:

Ионистор или суперконденсатор: применение и принцип работы

  1. Псевдоконденсаторы. Комплектуются твердым типом электродов.
  2. Гибридные блоки. Это переходной вариант между батареями и традиционными конденсаторами. Накопление и отдача заряда происходит в двойном электрическом слое. В приборе ставят электроды из различных материалов, от этого зависит и механизм накопления электрозаряда.

    Катоды выполнены из графена, который представляет двумерную модификацию молекулы углерода с распределением атомов в один ряд. Данный материал отличается стойкостью к химическим реакциям.

  3. Двухслойные модули. Состоят из электродов с пористой текстурой, которые разделены сепаратором. Электрозаряд определен емкостью двойного слоя. В модуле используется электролит.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств прибора следует выделить следующие:

  1. Время заряда. EDLC имеют время зарядки и разрядки, сравнимое со временем обычных конденсаторов. Из-за низкого внутреннего сопротивления можно добиться высоких токов заряда и разряда. Чтобы достичь полностью заряженного состояния батареи обычно уходит до нескольких часов. Например, как у батареи сотового телефона, в то время как EDLC могут зарядиться менее чем за две минуты.
  2. Удельная мощность. Конкретная мощность батареи или EDLC является мерой, используемой для сравнения различных технологий по выходной мощности, делённой на общую массу устройства. EDLC имеют удельную мощность в 5−10 раз большую, чем у батарей. Например, в то время как литий — ионные батареи имеют удельную мощность 1−3 кВт / кг, удельная мощность типичного EDLC составляет около 10 кВт / кг. Это свойство особенно важно в приложениях, требующих быстрого сброса энергии из устройств хранения.
  3. Жизнеспособность и безопасность цикла. Батареи EDLC более безопасны, чем обычные батареи при неправильном обращении. В то время как батареи могут взрываться из-за чрезмерного нагрева при коротком замыкании, EDLC не нагреваются так сильно по причине низкого внутреннего сопротивления.
  4. EDLC могут заряжаться и разряжаться миллионы раз и отличаются практически неограниченным сроком службы, в то время как батареи имеют цикл жизни в 500 раз и ниже. Это делает EDLC очень полезными в приложениях, где требуются частые хранения и выделения энергии.
  5. Продолжительность жизни EDLC составляет от 10 до 20 лет, при этом ёмкость за 10 лет снижается с 100% до 80%.
  6. Благодаря их низкому эквивалентному сопротивлению EDLC обеспечивают высокую плотность мощности и высокие токи нагрузки для достижения практически мгновенного заряда в секундах. Температурные характеристики также сильны, обеспечивая энергию при температурах до -40 C ° .

EDLC имеют некоторые недостатки:

  1. Одним из недостатков является относительно низкая удельная энергия. Конкретная энергия EDLC является мерой общего количества энергии, хранящейся в устройстве, делённой на её вес. В то время как литий — ионные батареи, обычно используемые в сотовых телефонах, имеют удельную энергию 100−200 Втч/кг, EDLC могут хранить только 5 Вт/кг. Это означает, что EDLC, обладающий такой же ёмкостью, как обычная батарея, будет весить в 40 раз больше.
  2. Линейное напряжение разряда. Например, батарея с номинальным напряжением 2,7 В, когда при 50%-м заряде все равно будет выводиться напряжение, близкое к 2,7 В. EDLC, рассчитанный на 2,7 В при 50%-м заряде, выдаёт ровно половину своего максимального заряда — 1,35 В. Это означает, что выходное напряжение упадёт ниже минимального рабочего напряжения устройства, работающего на EDLC, и оно должно будет отключиться, прежде чем использовать весь заряд в конденсаторе. Решением этой проблемы заключается в использовании DC-преобразователей. Однако этот подход создаёт новые трудности, такие как эффективность и шум.
  3. Они не могут использоваться в качестве постоянного источника питания. Одна ячейка имеет обычно напряжение 2,7 В и если требуется более высокое напряжение, ячейки должны быть соединены последовательно.
  4. Стоимость обычных EDLC в 20 раз выше, чем у Li-ion аккумуляторов. Однако она может быть уменьшена за счёт новых технологий и массового производства ионисторов.

Сравнение конденсаторов

Сравнение конденсаторов

Ионисторы идеальны, когда требуется быстрая зарядка для удовлетворения краткосрочных потребностей в мощности. Гибридная батарея удовлетворяет обе потребности и снижает напряжение, что обеспечивает более длительный срок службы. В приведенной ниже таблице показано сравнение характеристик и основных материалов в конденсаторах.

Электрический двухслойный конденсатор, обозначение ионистора Алюминиевый электролити-ческий конденсатор Аккумулятор Ni-cd Свинцовая герметичная батарея
Использовать диапазон температур От -25 до 70 °C -55 до 125 °C -20 до 60 °C От -40 до 60 °C
Электроды Активированный уголь Алюминий (+) NiOOH (-) Cd (+) PbO2 (-) Pb
Электролитическая жидкость Органический растворитель Органический растворитель KOH H2SO4
Метод электродвижущей силы Использование естественного электрического двухслойного эффекта в качестве диэлектрика Использова-ние оксида алюминия в качестве диэлектрика Использова-ние химической реакции Использова-ние химической реакции
Загрязнение Нет Нет CD Pb
Количество циклов зарядки / разрядки > 100 000 раз > 100 000 раз 500 раз От 200 до 1000 раз
Емкость на единицу объема 1 1/1000 100 100

Характеристика заряда

Время заряда 1-10 секунд. Первоначальный заряд может быть выполнен очень быстро, а заряд верхней части займет дополнительное время. Необходимо предусмотреть ограничение пускового тока при зарядке пустого суперконденсатора, поскольку он будет вытягивать все возможное. Ионистор не подлежит перезарядке и не требует обнаружения полной зарядки, ток просто перестает течь при заполнении. Сравнение производительности между ионистором для автомобиля и Li-ионом.

Функция

Ионистор

Литий-ионный (общий)

Время заряда

1-10 секунд

10-60 минут

Жизненный цикл часов

1 млн или 30 000

500 и выше

Напряжение

От 2,3 до 2,75 В

3,6 В

Удельная энергия (Вт / кг)

5 (типичный)

120-240

Удельная мощность (Вт / кг)

До 10000

1000-3000

Стоимость за кВтч

10 000 $

250-1,000 $

Срок службы

10-15 лет

От 5 до 10 лет

Температура зарядки

От -40 до 65 °C

От 0 до 45 °C

Температура нагнетания

От -40 до 65 °C

От -20 до 60 °C

Сравнение положительных и отрицательных сторон

Что такое потенциал в электричестве

Ионисторы стали использовать не только, как преобразователи параметров электрической цепи, но и как поставщики электроэнергии. Они стали широко применяться вместо одноразовых аккумуляторных элементов питания в электронных системах хранения информации.

Обратите внимание! Несмотря на превосходные технические характеристики ионисторов, ими ещё нельзя полноценно заменить аккумулятор на автомобиле.

По сравнению с гальваническими элементами и аккумуляторами, ионисторы имеют свои недостатки и преимущества.

Недостатки

  1. Массовое внедрение ионисторов тормозит их высокая стоимость.
  2. Зависимость напряжения от уровня зарядки конденсатора.
  3. В момент короткого замыкания возникает риск выгорания электродов в ионисторах большой ёмкости при крайне низком ВС.
  4. Высокий показатель саморазряда суперконденсаторов ёмкостью в несколько фарад.
  5. Небольшая скорость отдачи энергии, в отличие от обычных конденсаторов.

Достоинства

  1. Возможность устанавливать максимально большой ток зарядки и получать разряд той же величины.
  2. Высокая стойкость к деградации. Многочисленные исследования показали, что даже после 100 тыс. циклов заряда-разрядки у ионисторов не наблюдалось ухудшение характеристик.
  3. Оптимальное внутреннее сопротивление не допускает быстрый саморазряд, не приводит к перегреву устройства и его разрушению.
  4. В среднем ионистор может прослужить около 40 тыс. часов при минимальном снижении ёмкости.
  5. Ионистор обладает небольшим весом, в отличие от электролитических конденсаторов аналогичной ёмкости.
  6. Ионистор отлично функционирует и в мороз, и в жаркое время года.
  7. Достаточная механическая прочность позволяет устройству переносить значительные нагрузки.

Перспективы развития

Специалисты предсказывают повсеместную замену традиционного общественного транспорта на гибридные модели. Троллейбусы смогут преодолевать трудные участки дороги без троллей с использованием питания бортовых ионисторов. Учёные во всём мире ведут поиски новых материалов для изготовления сверхмощных суперконденсаторов.

Источники

  • https://VGrafike.ru/ionistor-ili-superkondensator/
  • https://ectrl.ru/sovety/gde-primenyayut-ionistor.html
  • https://220v.guru/vse-ob-elektroenergii/ionistor-chto-eto-takoe-i-gde-ego-primenyayut.html
  • https://ElektroKlub-nn.ru/sovety-i-hitrosti/posledovatelnoe-soedinenie-ionistorov.html
  • https://ElectroInfo.net/kondensatory/ionistor.html
  • https://www.asutpp.ru/ionistor.html
  • https://math-nttt.ru/novosti/ionistory-bolshoj-emkosti.html
  • https://rentps3.ru/sovety/ionistor-vmesto-akkumulyatora.html
  • https://www.ultracapacitor.ru/stati/ionistori/
  • https://svet-komfort.ru/znaniya-i-sekrety/kak-proverit-ionistor.html
  • https://RadioLisky.ru/interesno/ionistor-chto-eto-takoe.html
  • https://molotok34.ru/baza-znanij/superkondensator-ionistor.html
  • https://FB.ru/article/415546/gde-primenyayut-ionistor-tipyi-ionistorov-ih-naznachenie-preimuschestva-i-nedostatki
  • https://amperof.ru/teoriya/ionistor-gde-primenyaetsya.html

[свернуть]

Related Posts