Суперконденсаторы — интересная альтернатива аккумуляторам и потенциальное будущее электромобилей

С другом сделали несколько ионисторов, один из которых я разобрал и сфотографировал внутренности. Делаются они подобно газовым аккумуляторам, где обкладками служит активированный уголь, но обычный древесный, как пишут в интернете, тоже подходит, если его варить в воде некоторое время. Из чего состоит самодельный ионистор, по порядку: медная пластина (в принципе аллюминий, латунь нержавейка тоже сойдет), к которой припаивается провод, к пластине прилегает слой угля, затем идет сепаратор (это может быть вата, бумага), который необходим для отделения друг от друга угольных прослоек, заряженных разноименно, затем идет второй слой угля, к которой так же прислоняется медная пластина с припаянным проводом. Весь этот «бутерброд смачивается самодельным электролитом — 25% раствор поваренной соли в дистиллированной воде.

imageИонисторы — новый класс источников по функции близких к мощным конденсаторам, а фактически — занимающих нишу между конденсаторами и постоянными источниками тока. Что это такое, знают не все. Под ионисторами подразумевают суперконденсаторы, ультраконденсаторы. Международное обозначение EDLC — Electric double-layer capacitor, на электросхемах обозначается как R1.

Содержание

Историческая справка

imageВ 1957 году ранние версии суперконденсаторов разрабатывались инженерами в General Electric, но они не имели коммерческих приложений из-за низкой эффективности. В 1966 компания Standard Oil случайно при работе над топливными элементами открыла эффект двухслойного конденсатора, который позволял суперконденсатору эффективно функционировать. Компания не стала коммерциализировать изобретение, но получила лицензию на NEC. В 1978 она продала эту технологию как «суперконденсатор» для компьютеров. В СССР впервые EDLC были представлены в 1978 в публикации журнала Радио No 5 серии КИ1— 1с ёмкостью от 0, 2 до 50, 0 Ф.

Первые суперконденсаторы для мощного оборудования были созданы в 1982 PRI Ultracapacitor. Только в 1990 годах был достигнут прогресс в материалах и методах производства, который привёл к повышению производительности и снижению себестоимости ионисторов. Они продолжают развиваться и переходят в промышленную аккумуляторную технологию с использованием специальных электродов и электролита.

Назначение электронного устройства

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.

Конструкция и материалы ионисторов

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.

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.

Промышленное применение

Поскольку EDLC занимают область между батареями и конденсаторами, они могут использоваться в самых разных областях. Где применяют ионистор, можно предположить исходя из его назначения. Одним из интересных использований является хранение энергии в динамических тормозных системах в автомобильной промышленности. Заключается в использовании электрического генератора, который преобразует кинетическую энергию в электрическую энергию и сохраняет её в EDLC. Впоследствии эту энергию можно использовать повторно для обеспечения мощности для ускорения.

Другим примером являются приложения с малым энергопотреблением, где высокая пропускная способность не является обязательной, но важно обеспечить высокий жизненный цикл или быструю перезарядку. Такими приложениями являются фотографическая вспышка, MP3-плееры, статические запоминающие устройства, которым требуется источник постоянного напряжения низкой мощности для сохранения информации и т. д.

Возможные будущие приложения EDLC — это сотовые телефоны, ноутбуки, электромобили и все другие устройства, которые в настоящее время работают на батареях. Самым захватывающим преимуществом, с практической точки зрения, является их очень быстрая скорость перезарядки — это означало бы возможность заряжать электрический автомобиль в зарядном устройстве в течение нескольких минут до полной зарядки аккумулятора.

EDLC используются во многих приложениях управления питанием, требующих большого количества быстрых циклов зарядки/разрядки для краткосрочных потребностей в энергии. Некоторые из этих приложений применяются в таких сферах:

  • стабилизация напряжения в системах пуска/останова;
  • электронные дверные замки в случае сбоев питания;
  • регенеративные тормозные системы;
  • микросхема распределения;
  • медицинское оборудование;
  • аккумуляторы энергии;
  • бытовая электроника;
  • кухонные приборы;
  • резервное копирование данных часов в реальном времени;
  • резервная мощность;
  • ветровая энергия:
  • энергоэффективность и регулирование частоты;
  • удалённое питание для датчиков, светодиодов, переключателей;
  • резервная память;
  • подача питания в режиме пакетной передачи.

Направления развития суперконденсаторов

Новые перспективные разработки ионисторов:

  • Суперконденсаторы graphene Skeleton Technology станут ключевыми игроками EDLC. В новых испытаниях на транспортном флоте в Великобритании их используют для превращения дизельных машин в гибриды за счёт мощности от рекуперативного торможения. Система гибридных машин разработана Adgero и Skeleton Technologies под названием UltraBoost. Во время торможения устройство становится генератором, восстанавливая кинетическую энергию, которая, в противном случае была бы потеряна в виде тела. В основе этой технологии лежит банк из пяти мощных суперконденсаторов на основе графена, известных как SkelMod.
  • Zap & Go, стартап в Великобритании, запускает новый тип зарядного устройства специально для деловых путешественников. Он использует суперконденсаторы графена для зарядки телефонов в течение пяти минут.
  • Компания Eaton предлагает решения для суперконденсаторов размером с монету, больших ячеек, небольших цилиндрических ячеек и модулей. Например, его модуль Supercapacitor XLR 48V обеспечивает хранение энергии для мощных систем с частотным зарядом/разгрузкой в гибридных или электрических транспортных средствах, общественном транспорте, погрузочно-разгрузочной технике, тяжёлом оборудовании и морских системах. Модули XLR состоят из 18 отдельных суперконденсаторов Eaton XL60, предназначенных для обеспечения 48, 6 В и 166 F с сопротивлением 5 мА для включения в системы, требующие до 750 В.
  • Суперконденсаторы Maxwell Technologies используются для хранения энергии с восстановительным торможением в системе метро Пекина. Китайская железная дорога Rolling Stock Corp. (CRRC — SRI) использует модули Maxwell 48 — V в двух наборах энергосберегающих устройств регенеративного торможения для линии No 8 системы, городской железнодорожной сети, которая проходит с севера на юг через столицу Китая. Модули Maxwell с 48 В обеспечивают длительный срок службы до 10 лет и быструю зарядку/разрядку. Vishay предлагает 220 EDLC ENYCAP с номинальным напряжением 2,7 В. Он может использоваться в нескольких приложениях, включая резервное питание, поддержку импульсной мощности, устройства хранения энергии для сбора энергии, источники питания микро UPS и восстановление энергии.
  • Линейная технология предлагает LTC3350, резервный контроллер мощности, который может заряжать и контролировать серийный блок до четырёх суперконденсаторов. LTC3350 предназначенный для автомобильных и других транспортных приложений, предлагает следующие функции:
    • Резервное копирование питания путём зарядки банка до четырёх суперконденсаторов в случае сбоя питания. Может работать с входным напряжением от 4,5 до 35 В и более 10 А заряда резервного тока.
    • Балансировка и защита от перенапряжения для серии суперконденсаторов.
    • Контроль напряжения, тока и температуры в системе.
    • Внутренние балансиры напряжения конденсатора, которые устраняют необходимость в балансных резисторах.

Разработчики ионисторов стараются постоянно их модернизировать и повышать удельную емкость. Очевидно, что в будущем аккумуляторы полностью заменят суперконденсаторы. Результаты исследований калифорнийских ученых показали, что новый тип ионистров уже сегодня превосходит по функциональности свои аналоги в несколько раз.

Ни для кого не секрет — электромобили жутко ограничены аккумуляторами. Аккумуляторы, по сравнению с бензином, достаточно хуёвый источник энергии. Заряжаются долго, стоят много, вес огромный, взрывоопасность куда выше. Да, зарядка электроэнергией дешевле, чем бензином, но даже у таксиста это окупается за 5 лет! Что уж говорить об обычных людях.

А самое главное — в аккумуляторах стагнация. Ничего нового за последнее время нет. Но сначала простенькая теория.

В бензине содержится 34 мега джоуля энергии на один литр. КПД двигателя 25 процентов, так что реально выходит 8 у.е. на литр энергии. А в батарее содержится максимум 2 у.е. на литр.В  Бензин заправляют 10 минут, а теслу заправят в лучшем случае за час или даже два, а если в гараже — так всю ночь.

Далее, аккумулятор физически представляет из себя такую конструкцию — подал ток, пошёл химический процесс внутри, что-то там с электролитом произошло, энергия накопилась. Потом подключил нагрузку — всё наоборот, опять химический процесс с электролитом пошёл, энергия выделилась. 500 раз туда сюда — и всё, пиздец наступил наполовину — от ёмкости осталось 50 процентов. И химический процесс идёт очень медленно.

Что ж за такая хуйня — суперконденсатор, он же ионистор. Физически это значит вот что — мы подаём ток на него, и тут же сам ток, то есть электрический заряд, без всяческих преобразований запрыгивает в этот суперконденсатор. Быстро и очень плотно. А потом, когда назад этот заряд нужен — он может с огромнейшей мощностью отдаться назад в сеть.

Например — тормозит машина — всю энергию запасли в этот суперконденсатор. Надо теперь разогнаться — взяли и очень быстро её потратили. То есть прямо сейчас в некоторых автомобилях эту штуку уже используют, если нужно часто то тормозить, то разгоняться. Причём количество циклов зарядки разрядки составляет сотни тысяч и даже миллионов, и заряжать и разряжать можно просто огромными токами.

Но, само собой, не всё идеально — общая ёмкость суперконденсаторов меньше чем у аккумуляторов, ток разряда неравномерный, ну и другая всякая хуйня, тем не менее, есть просто резкий прогресс в этой технологии за последние пару лет. И именно она позволит таки сделать электромобиль реальностью, а не игрушкой

В чём плюсы суперконденсатора в сравнении с аккумулятором?

• Мгновенно. Ионистор отлично справляется с пиковым пусковым током, накапливая и отдавая энергию практически мгновенно.

• Быстро. Заряжается не за час-другой, а за считанные секунды (поэтому, например, NASA применяет суперконденсаторы в космосе).

• Безопасно. Накапливает заряд на твёрдых телах, когда как литиевые батареи — в процессе химических реакций (обычно жидкостных).

• Надёжно. Коммерческие суперконденсаторы гарантируют 1 миллион циклов заряда, когда как обычные аккумуляторы — в среднем 800-1200 циклов.

• КПД. Суперконденсаторы отдают энергию с эффективностью порядка 98%.

• Выносливость. Устойчивость к экстремальным температурам и физическим повреждениям.

В чём минусы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

• Низкая ёмкость. Самый большой коммерческий суперконденсатор в фарадах (F) накапливает лишь 20% от электрической энергии в сравнимой батарее.

• Не держит. Аккумуляторы предлагают намного больше плотности энергии на единицу массы, обеспечивая долгую автономность без внешнего питания.

• Саморазряд. Степень саморазряда существенно превышает таковую у самого слабого аккумулятора.

• Малоприменим. В итоге даже самый мощный суперконденсатор (обеспечивающий лучшую величину энергии) не сможет дольше минуты питать В«аварийкуВ» у заглушенного автомобиля и подсветку экрана у работающего телефона.

Теперь посмотрим что ж реально придумано в автотранспорте

http://autoexpert.com.ua/uploads/posts/2012-01/thumbs/132583…

Вот эта штука содержит суперконденсатор как батарея на 6 киловатт часов. На каждой остановке за пару минут она заряжается. Потом на одной зарядке можно ехать аж целых 8 километров.

За три с лишним года работы в Шанхае ни у одного Ultracap Bus не случилось ни одного отказа.

Запас хода 11-местных мини-автобусов на суперконденсаторах составляет 16 километров, главным образом за счет низкого расхода энергии — 0,16 кВт-ч на километр.

Удастся ли суперконденсаторам вырваться вперёд за ближайшие пару лет — никто не знает, но очень интересно понаблюдать, насколько это выгодная альтернатива батарейкам.

Содержание:

Суперконденсаторы можно назвать ярчайшей разработкой последних лет.   В сравнении с конденсаторами обычными они, при тех же габаритах,  отличаются на три порядка большей емкостью. За это конденсаторы и получили свою приставку – «супер». За малый промежуток времени  они могут отдавать огромное количество энергии.

Ученые разработали бумагу-конденсатор

Выпускаются они различных размеров и форм: от  совсем маленьких, крепятся которые на поверхности приборов, не больше монетки по размерам, до очень крупных цилиндрических и призматических. Основным  их назначением является дублирование источника основного (батареи) в случае падения напряжения.

Энергоемкие современные электронные и электрические системы к источникам питания выдвигают высокие требования. Появившееся оборудование (от цифровых камер до электронных портативных устройств и электрических трансмиссий транспортных средств) нуждается в аккумулировании и подаче необходимой энергии.

Решается эта задача современными разработчиками двумя путями:

  • Использованием аккумулятора, способного обеспечивать высокий импульс тока
  • Присоединением параллельно батарее в качестве страховки суперконденсаторов, т.е. «гибридное» решение.

В последнем случае суперконденсатор выполняет функцию источника питания при падении напряжения на аккумуляторе. Обусловлено это тем, что батареи обладают высокой плотностью энергии и малой плотностью мощности, в то время как суперконденсаторы, наоборот, характеризуются малой плотностью энергии, но высокой плотностью мощности, т.е. они обеспечивают ток разрядки на нагрузку. Включив суперконденсатор параллельно батарее, можно ее использовать более эффективно, следовательно, продлить срок службы.

Видео: Тест суперконденсатора 116,6F 15V (6* 700F 2,5В), вместо стартерного аккумулятора в автомобиле

В автомобильных электронных системах их используют для запуска моторов, тем самым сокращая нагрузку на аккумулятор. Также они позволяют уменьшить массу, сократив монтажные схемы. Широкое применение они находят в гибридных авто, где генератором управляет ДВС, а электрический мотор (или моторы) приводят автомобиль в движение, т.е. суперконденсатор (энергетический кэш) используется в качестве источника тока при ускорении и начале движения, а во время торможения происходит его «подзарядка». Перспективно применение их не только в легковом, но и в городском транспорте, поскольку новый вид конденсаторов позволяет на 50% сократить потребление топлива и на 90% сократить выброс вредных газов в окружающее пространство.

Заменить полностью батарею суперконденсаторы пока не могу, но это только вопрос времени. Использовать суперконденсатор вместо аккумулятора – вовсе не фантастика. Если  ученые — нанотехнологи из университета QUT идут по правильному пути, то в скором будущее это станет реальностью. Выступать в качестве аккумуляторов смогут панели кузова, внутри которых стоят суперконденсаторы последнего поколения. Сотрудникам этого университета удалось объединить  в новом устройстве преимущества  батарей литий-ионных и суперконденсаторов. Состоит новый тонкий, легкий и мощный суперконденсатор из карбоновых электродов, находящегося между ними электролита. Новинку, как утверждают ученые, устанавливать можно в любом месте кузова.

Улучшить же благодаря большому крутящему моменту (пусковому) стартовые характеристики при низких температурах и расширить возможности системы питания, им под силу уже сейчас. Целесообразность их использования в системе питания объясняется тем, что время их зарядки/разрядки равно 5-60 секунд. Помимо этого использовать их можно системе распределительной некоторых приборов машины: соленоидов, систем регулировки дверных замков и положения оконных стекол.

Можно изготовить суперконденсатор своими руками. Поскольку конструкция его состоит из электролита и электродов, нужно определиться с материалом для них. Для электродов вполне подойдет медь, нержавейка или латунь. Можно взять, к примеру, пятикопеечные старые монеты. Нужен будет еще угольный порошок (в аптеке можно купить активированный уголь и измельчить его). В качестве электролита  «сгодится» обычная вода, в которой растворить нужно поваренную соль (100:25). Раствор смешивается с угольным порошком, чтобы получилась консистенция замазки. Теперь ее слоем в несколько миллиметров необходимо нанести на оба электрода.

Осталось подобрать прокладку, разделяющую электроды, сквозь поры которой свободно будет проходить электролит, но задерживаться будет угольный порошок. Подойдет для этих целей стеклоткань или поролон.

Электроды – 1,5; обмазка угольно-электролитная – 2,4; прокладка – 3.

В качестве кожуха использовать можно пластмассовую коробочку, просверлив в ней предварительно отверстия для проводов, припаянных к электродам.  Подсоединив провода к батарейке, ожидаем, пока зарядится конструкция «ионикс», названная так потому, что на электродах образоваться должна разная концентрация ионов. Проверить заряд проще с помощью вольтметра.

Есть и другие способы. Например, используя оловянную бумагу (станиолевую фольгу – обертку от шоколадки), куски жести и парафинированную бумагу, изготовить которую можно самостоятельно, нарезав и погрузив  на пару минут в расплавленный, но не кипящий, парафин полоски папиросной бумаги. Ширина полосок должна быть пятьдесят миллиметров, а длина от двухсот до трехсот миллиметров. Вынув полоски из парафина, необходимо соскоблить тупой стороной ножа парафин.

Пропитанную парафином бумагу складывают в виде гармошки (как на рисунке). С обеих стороны в промежутки вкладываются листы станиолевые, которые соответствуют размеру 45х30 миллиметров. Подготовив, таким образом, заготовку, ее складывают, затем, проглаживают теплым утюгом. Оставшиеся станиолевые концы снаружи соединяют между собой. Можно использовать для этого картонные пластинки и латунные с жестяными обоймами, к которым позже припаиваются проводники для того, чтобы при монтаже можно было припаять конденсатор.

Емкость конденсатора зависит от количества станиолевых листочков. Она равна, например, тысяче пикофарад при использовании десяти таких листков, и двум тысячам, если их количество увеличить вдвое. Такая технология пригодна для изготовления  конденсаторов емкостью до пяти тысяч пикофарад.

Если же необходима большая емкость, то необходимо иметь старый микрофарадный бумажный конденсатор, представляет собой который, рулон из ленты, состоящей из полос парафинированной бумаги, между которыми проложена полоса   фольги станиолевой.

Для определения длины полос, пользуются формулой:

l = 0,014 С/а , где емкость необходимого конденсатора в пФ  — С; ширина полос  в см – а: длина в см – 1.

Отмотав от старого конденсатора полоски нужной длины, обрезают  со всех сторон на 10 мм фольгу, чтобы между собой не дать соединиться обкладкам конденсатора.

Вновь ленту нужно свернуть, но сначала припаяв многожильные провода к каждой полоске фольги. Сверху конструкцию обклеивают плотной бумагой, а на края бумаги, которые выступают, заделывают два монтажных провода (жестких), к которым припаиваются с внутренней стороны гильзы бумажной выводы от конденсатора (см. рисунок). Последний шаг – заливка конструкции парафином.

Поскольку шествие электротранспорта по планете сегодня нельзя не замечать, ученые работают над вопросом, связанным с его быстрейшей зарядкой. Идей возникает множество, но претворяются в жизнь единицы. В Китае, например, в городе Нинбо запущен необычный маршрут городского транспорта. Автобус, курсирующий по нему, работает от электромотора, но на зарядку ему требуется всего десять секунд. На ней он преодолевает пять километров и вновь, во время высадки/посадки пассажиров, успевает подзарядиться.

Возможным стало это благодаря использованию нового типа конденсаторов – карбоновых.

Карбоновые конденсаторы выдерживают около миллиона циклов перезарядки, отлично работают в диапазоне температур от минус сорока до плюс шестидесяти пяти градусов. До 80% энергии они возвращают при рекуперации.

Они открыли новую эру в управлении питанием, сократив до наносекунд время разрядки и зарядки, снизив вес автомобиля. К этим достоинствам можно добавить невысокую стоимость, поскольку в изготовлении не применяются редкоземельные металлы и экологичность.

Часто бывает так, когда обеспечить питание сети на основе одного аккумулятора не получается. Связано это с образованием больших и быстрых токов. Для решения подобной проблемы все применяли высоковольтные конденсаторы с большой емкостью. Позже популярность обрел ионистор, который стал добавляться в схему вместо аккумуляторной батареи или вместе с ней. Работа этого прибора основана на создании двойного слоя электричества, что выгодно отличает его от элементов, использующих химические реакции для накопления заряда. Необходимо более детально рассмотреть, где применяют ионистор и как сделать его своими руками.

Что такое и ионистор

Ионисторы появились в массовой продаже сравнительно недавно. Также они могут называться суперконденсаторами или ультраконденсаторами. Внешне они похожи на обычные конденсирующие элементы, обладающие более внушительной емкостью. Если говорить проще, то это смесь аккумуляторной батареи и конденсатора. Техническое устройство прибора можно описать, как конденсирующий электролитический элемент с двойным электрическим слоем. В зарубежной литературе его принято обозначать EDLC, что расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor.

image Внешний вид элемента

К сведению! Патент на производство приспособления, которое сохраняло электроэнергию с двойным электрическим слоем, получил американец К. Райтмаер еще в прошлом веке. Сегодня такие элементы стали крайне популярными и называются ионисторами.

image Примерная схема строения

Читайте также:  Инфракрасный пленочный теплый пол: монтаж и подключение своими руками

image
image
image
image
image
image

Принцип работы ионистора

Как уже было сказано, ионистор сильно напоминает конденсатор, но в отличие от него он не имеет диэлектрического слоя вокруг себя. Обкладки представляют собой особые вещества, которые копят заряды противоположных знаков.

Известно, что емкостные характеристики конденсаторов, как и ионисторов, зависят от величины обкладок. Рассматриваемый элемент обладает обкладками из активированного угля или специально подготовленного вспененного углерода. Это обеспечивает повышенную площадь обкладок.

Вам это будет интересно Выбор электросчетчика

Простая схема, демонстрирующая принцип работы

Ионистор обладает выводами, которые сепарированы разделителем, помещенным в электролиты. Нужно это для предотвращения вероятных коротких замыканий. Электролиты чаще всего представляют собой кислоты и щелочи в любом приемлемом агрегатном состоянии.

Обратите внимание! При использовании электролитического йода или серебра можно получить качественный ионистор со значительными емкостными характеристиками, способностью работать при низких температурах и малым саморазрядом.

Во время протекания электрических и химических реакций часть электронов отделяется от полюсов приспособления и обеспечивает создание положительного заряда. Отрицательно заряженные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются этими полюсами со знаком «плюс». В результате получается электрический слой.

Ионистор на плате магнитолы

Сам же заряд сосредотачивается на границах углеродных полюсов и электролитического вещества. Слой очень тонкий, всего 1-5 нанометров в толщину, а это значительно повышает емкость приспособления.

Сдерживающая технология

Суперконденсатор состоит из двух слоев графена с слоем электролита посередине. Пленка сильная, чрезвычайно тонкая и способна выпустить большое количество энергии за короткий промежуток времени, но тем не менее, есть определенные пока неразрешенные проблемы, которые сдерживают технический прогресс в этом направлении. Недостатки ионистора перед перезаряжаемыми батареями:

  1. Низкая плотность энергии — обычно занимает от 1/5 до 1/10 энергии электрохимической батареи.
  2. Линейный разряд — неспособность использовать полный энергетический спектр, в зависимости от применения, доступна не вся энергия.
  3. Как и в случае с батареями, ячейки имеют низкое напряжение, необходимы последовательные соединения и балансировка напряжения.
  4. Саморазряд часто выше, чем у аккумуляторов.
  5. Напряжение изменяется с сохраненной энергией — для эффективного хранения и восстановления энергии требуется сложное электронное контрольно-коммутационное оборудование.
  6. Обладает самым высоким диэлектрическим поглощением из всех типов конденсаторов.
  7. Верхняя температура использования обычно составляет 70 C или менее и редко превышает 85 C.
  8. Большинство из них содержат жидкий электролит, уменьшающий размер, необходимый для предотвращения непреднамеренного быстрого разряда.
  9. Высокая стоимость электроэнергии на ватт.

Технические характеристики

Основными техническими параметрами, на которые следует обратить внимание при ознакомлении с прибором и его покупке, являются следующие:

  • емкость в фарадах;
  • внутреннее сопротивление в омах;
  • максимальный ток разряда в амперах;
  • номинальное напряжение в вольтах;
  • значения саморазряда и разряда.

Ионисторы вместо АКБ Важно! Последний параметр крайне важен для изучения. Для его расчета нужно воспользоваться и другими величинами: t — временем разряда в секундах, С — емкостью в фарадах, V1 и V2 — начальным и конечным параметрами диапазона напряжений, а также I — силой тока.

Время[ ]

Прошу дискуссию по вопросу вести здесь—Sputnik13 (обс.) 06:36, 18 марта 2020 (UTC)

Вопрос: за какое время?

Читайте также:  Часть 1. Светодиодный светильник Армстронг 600х600, 595х595: как сделать правильный выбор

Ответ: мкА — это уже скорость движения заряда, какое время вам нужно?

  • 1 Ф = 1 /1 .
  • 1 Кл = 1/3600 ампер-часа.

Переводя на язык аккумуляторов:

  • ионистор с «емкостью» 5/3600 ампер-часа имеет саморазряд 1мкА

или совсем для чайников: ионистор с емкостью 1389 мкАмпер-час имеет саморазряд

  • 1 мкАмпер-час в час
  • 24 мкАмпер-час в сутки
  • 1389 мкАмпер-час за 2 месяца

Где применяют ионистор

Зачастую такие приспособления встречаются в схемах и платах различных цифровых девайсов. Нужны они там для создания автономного и резервного источников питания в случае разрядки или отказа основной батареи, а также для других целей. К примеру, от ионистора может питаться оперативная память, микроконтроллеры или электронные часы RTC. Это помогает держать в памяти программы и работать с системными часами даже при отключенном основном питании.

Например, при смене батареек на аудиоплеере он должен быть полностью обесточен, а это стирает все пользовательские настройки в виде любимых частот, громкости (если устройство цифровое) и т. д. Этого не происходит, так как внутри есть ионистор, предотвращающий сброс. Его емкостные характеристики несоизмеримо малы по сравнению с аккумуляторными, но их вполне хватает для поддержания питания основных микросхем в течение пары суток. Обычно за это время человек успевает вставить батарейки, и все продолжает работать, как положено.

Вам это будет интересно Установка трёхфазного счетчика

Обратите внимание! Что касается самодельных схем, то такие приспособления можно подключать в качестве аварийного или резервного источника электроэнергии для небольших микросхем.

Элементы для солнечной батареи на основе ионисторов

В промышленных масштабах ионисторы применяются в:

  • медицинском оборудовании;
  • ветровых станциях;
  • приборах резервирования мощности;
  • элементах аккумулирования электрической энергии;
  • бытовой технике и электронике;
  • световых и осветительных приборах со светодиодами;
  • электронных замках.

Аккумуляторные суперконденсаторы

Гибкие устройства на основе полимеров

Пример подключения для зарядки

Прибор запитывают от 12-вольтного адаптера. Затем используется стабилизатор напряжения и тока для регулирования 5,5 В для зарядки элемента. Это напряжение подается на конденсатор через полевой MOSFET-транзистор, который действует в роли переключателя. Он замыкается только тогда, когда напряжение в ионисторе падает до 4,8 В.

Важно! Если напряжение повышается, то транзистор размыкается, и зарядка прекращается.

Ссылки

  • Параметры отечественных ионисторов
  • Суперконденсаторы для электротранспорта — Дмитрий Спицын

В статье «Поедем на конденсаторе» (впервые опубликованной в журнале «Юный Техник» за декабрь 1990 года) приведен рецепт изготовления ионистора (там он назывался «ИОНИКС») своими руками для модели лодки с мотором.

  • Суперконденсатор своими руками
  • В.Шурыгина. Суперконденсаторы. Помощники или возможные конкуренты батарейным источникам питания (рус.). Журнал «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес», Выпуск № 3/2003. Дата обращения 20 июля 2010.
  • Обзор типичных ошибок в измерениях емкости суперконденсаторов
Эта статья или раздел нуждается в переработке.

Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей.

Какая полярность ионистора

Эти элементы не обладают характеристикой полярности в силу своих электротехнических свойств. К тому же отсутствие полярности — явный плюс. Иногда производители указывают на своих приспособлениях стрелочки для обозначения полюса или знаки «+» и «-». Это не полярность ионистора, а обозначение полярности остаточного напряжения после первой тестовой зарядки на заводе-изготовителе.

Обратите внимание! Это означает, что после разряда на нагрузку можно припаивать элемент с любыми включениями. На работоспособность схемы это никак не повлияет.

Типы ионисторов[ | ]

  1. Ионисторы с идеально поляризуемыми углеродными электродами («идеальный» ионистор, ионный конденсатор). Не используют электрохимических реакций, работают за счёт ионного переноса между электродами. Некоторые варианты электролита: 30% водный раствор KOH; 38 % водный раствор Н2SO4; органические электролиты[3].
  2. Ионисторы с идеально поляризуемым углеродным электродом и неполяризуемыми или слабо поляризуемыми катодом или анодом («гибридные» ионисторы). На одном электроде происходит электрохимическая реакция. Варианты: (-) и твёрдый электролит RbAg4I5[en]; 30 % водный раствор KOH и NiOOH[en](+)[3].
  3. Псевдоконденсаторы — ионисторы, использующие обратимые электрохимические процессы на поверхности электродов. Имеют высокую удельную ёмкость. Электрохимическая схема: (-) Ni(H) / 30 % водный раствор KOH / NiOOH (+); (-) С(Н) / 38 % водный раствор Н2SO4 / PbSO4(PbO2) (+)[3].

Как сделать ионистор своими руками

Делать ионистор самостоятельно — неэффективная трата времени, но ради эксперимента попробовать можно. Для него нужны две металлические пластинки (обычно это медь), которые плотно прилегают к слою из активированного угля с обеих сторон. Слой угля в равных долях делится тонкой пластинкой диэлектрика. Весь уголь пропитывают электролитами.

Результат самодеятельности — большой ионистор своими руками

На пластинки заранее припаивают провода, чтобы было через что заряжать. Двойной электрический слой при подаче питания начнет появляться на порах активированного угля. Готовят «начинку» просто: уголь толкут в пыль и смешивают с электролитическим составом до получения консистенции густой каши. Впоследствии ее намазывают на обезжиренные и очищенные пластины.

Вам это будет интересно Устройство генератора переменного тока

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.

Срок службы ионистора

Рассматриваемые элементы обладают достаточно большими сроками службы. К примеру, при номинальном напряжении в 0,6 В прибор может работать до 40 000 ч. При этом за все это время будет наблюдаться лишь незначительное снижение емкости. Предполагаемый срок службы завит от заявленного производителем, но не следует исключать воздействие на ионистор фактора влажности, повышенного напряжения и перепадов температур.

Важно! Обычно указывают сроки для идеальных лабораторных условий.

Маркировка прибора и указание полярности

Таким образом, в этом материале было разобрано, как сделать ионистор своими руками, и где он нашел свое применение. Эти элементы, изобретенные сравнительно недавно, обсуждали, как источник альтернативной энергии и прорыв, но таковым они не стали. Несмотря на это, область применения их весьма широка.

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

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий