Ионистор или суперконденсатор: применение и принцип работы

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.

Концепция

Ионистор большой ёмкости – это конденсатор, объём которого может составлять несколько фарад напряжением от 2 до 10 вольт. Накопителем заряда является двойной электрический слой (ДЭС) на линии соприкосновения электрода и электролита. Если обычные ёмкости измеряются в микро,- и пикофарадах, то становится понятно, что эти ионисторы являются суперконденсаторами. Концепция ионистора построена на том, что за счёт тонкости ДЭС и большой поверхности пористых обкладок и электродов удаётся достичь колоссального объёма заряда.

Какие бывают суперконденсаторы

Ученые разработали бумагу-конденсатор

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.

История изобретения ионистора

Американской компанией Дженерал Электрик в 1957 году был запатентован простой ионистор с ДЭС, электроды которого были сделаны из активированного угля. Теоретически предполагалось накопление энергии в порах поверхности электродов.

Уже в 1966 году компанией Стандарт Ойл Огайо был получен патент на компонент, который обеспечивал накопление энергии в ДЭС. Потерпев убытки, связанные с низкой реализацией ёмких конденсаторов, фирма передала права на изготовление этих устройств компании Nec. Новый владелец лицензии сумел значительно увеличить спрос на свою продукцию под названием суперконденсатор (Supercapacitor). Устройство значительно понизило энергозависимость электронной памяти, что стимулировало развитие компьютерных технологий.

1978 год ознаменовался появлением на рынке электротехники Золотого конденсатора (Gold Cap) ведущей японской электрокомпании Панасоник. Это уже было устройство более высокого качества. Ионисторы нашли своё применение в системах питания электронной памяти.

В том же году первое упоминание о том, что такое ионисторы в СССР, было опубликовано в пятом номере журнала «Радио». В статье был описан первый советский ионистор КИ1-1. Его устройство предполагало предельный объём заряда до 50 фарад. Недостатком суперконденсатора было его высокое внутреннее сопротивление (ВС), что препятствовало полноценной отдаче электрической энергии.

Суперконденсаторы с малым ВС появились только в 1982 году. Новая конструкция была разработана специалистами компании PRI для особо мощных схем, где применяют ионистор «PRI Ultracapacitor».

Важно! Прогресс в совершенствовании суперконденсаторов приведёт к тому, что ионисторы полностью заменят традиционные аккумуляторы.

Где используют суперконденсаторы

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.

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.

Разновидности суперконденсаторов

Ионисторы делятся на три вида:

  1. Идеальный ионистор. Название было присвоено ионному конденсатору, в котором электроды из углерода поляризовались на 100%. При полном отсутствии электрохимических процессов энергия накапливается благодаря ионному переносу электронов с одного на другой электрод. Электролитом в «идеальных» ионисторах служат растворы основания KOH и серной кислоты H2SO4.
  2. Гибридные ионисторы – это конденсаторы со слабо поляризуемыми электродами. Скопление энергии в ДЭС происходит на поверхности одного из электродов.
  3. Псевдоионисторы обладают высокой удельной ёмкостью. На поверхности электродов происходят возвратные электрохимические реакции.
Устройство ионистора

Устройство ионистора

Применение

Ионисторы часто встречаются в устройстве цифрового оборудования. Они играют роль запасного источника питания микроконтроллера, микросхемы и т.д. С помощью такого источника при выключенном основном питании аппаратура способна сохранять настройки и обеспечивать питание встроенных часов. Например, в некоторых аудиоплеерах применяется миниатюрный ионистор.

Что такое ионистор?

В момент замены батареек или аккумуляторов в плеере могут сбиться настройки частоты радиостанции, часов. Благодаря встроенному ионистору этого не происходит. Он питает электронную схему.

Его емкость значительно меньше аккумулятора, но его хватает на несколько суток, чтобы сохранить работу часов и настроек. Также ультраконденсаторы используются для работы таймеров телевизора, микроволновой печи, сложного медицинского оборудования.

Были случаи опытного использования ионисторов, например, для проектирования электромагнитной пушки, которую называют Гаусс оружием. В быту ионисторы используются в схемах маломощных светодиодных фонариков. Его зарядка может выполняться от солнечных элементов.

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.

Интересно почитать: что такое электрический ток.

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.

Батарея из суперконденсаторов

Батарея из суперконденсаторов

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.

Плотность энергии

Возможность запасать энергию у суперконденсаторов в 8 раз меньше, чем у свинцовых аккумуляторов, и в 25 раз меньше, чем у литиевых. Плотность энергии зависит от внутреннего сопротивления: чем она ниже, тем выше удельная энергоёмкость устройства. Последние разработки учёных позволяют создать элементы, способность запасать энергию которых сравнима со свинцовыми аккумуляторами.

В 2008 году в Индии был создан ионистор, в котором обкладки были изготовлены из графена. Энергоёмкость этого элемента составляет 32 (Вт*ч)/кг. Для сравнения, энергоёмкость автомобильных аккумуляторов – 30-40 (Вт*ч)/кг. Ускоренная зарядка этих аппаратов позволяет использовать их в электромобилях.

В 2011 году корейские конструкторы создали аппарат, в котором, кроме графена, был применён азот. Этот элемент обеспечил удвоенную удельную энергоёмкость.

Справка. Графен – это слой углерода, толщиной 1 атом.

Структура графена

Структура графена

Заключение

Автор статьи

Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.

Более подробно о том, что такое ионистор, рассказано в статье Ионистор в автономной электрической цепи Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. А также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.electrosam.ru

www.na-dostupnom.ru

www.ultracapacitor.ru

www.electrik.info

www.powerinfo.ru

Предыдущая

КонденсаторыФормула расчёта сопротивления конденсатора

Материалы изготовления

Электроды традиционно изготавливают из активированного угля. В некоторых случаях используют вспененный металл. Именно эти материалы обладают повышенной пористостью, что необходимо для получения больших площадей поверхности. Это особенность позволяет хранить энергию в больших объёмах.

Применение ионисторов

Электрические свойства суперконденсаторов находят применение в разных областях техники.

Общественный транспорт

Электробусы, в которых вместо аккумуляторов применяются ионисторы, производятся компаниями Hyundai Motor, «Тролза», Белкоммунмаш и некоторыми другими.

Эти автобусы конструктивно похожи на троллейбусы без штанг и не нуждающиеся в контактной сети. Они подзаряжаются на остановках за время высадки и посадки пассажиров или в конечных точках маршрута за 5-10 минут.

Троллейбусы, оборудованные ионисторами, способны объезжать обрывы контактной линии, пробки и не нуждаются в проводах в депо и стоянках в конечных точках маршрута.

Электромобили

Основная проблема электромобилей – длительное время заряда. Ультраконденсатор, с большим зарядным током и малым временем зарядки, позволяет вести подзарядку при кратковременных остановках.

В России разработан Ё-мобиль, использующий специально созданный ионистор в качестве аккумулятора.

Ё-мобиль

Ё-мобиль

Кроме того, установка суперконденсатора параллельно аккумулятору позволяет увеличить ток, потребляемый электродвигателем при пуске и разгоне. Такая система применяется в KERS, в болидах Формулы-1.

Бытовая электроника

Эти приборы используются в фотовспышках и других устройствах, в которых возможность быстрой зарядки и разрядки важнее габаритов и веса аппарата. Например, детектор рака заряжается за 2,5 минуты и работает 1 минуту. Этого достаточно, чтобы произвести исследование и предотвратить ситуации, в которых прибор неработоспособен из-за разряженных батарей.

В автомагазинах можно приобрести ионисторы ёмкостью 1 фарад, для использования параллельно автомагнитоле. Они сглаживают колебания напряжения в период пуска двигателя.

Обозначение ионистора на схеме

Суперконденсаторы на схемах обозначают в виде прямоугольников или треугольников, в поле которых присутствуют две латинские литеры IC.

Обозначение ионистора на схеме

Обозначение ионистора на схеме

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

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.

Видео

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-214’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-214’, async: true }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; s = d.createElement(‘script’); s.type = ‘text/javascript’; s.src = ‘//an.yandex.ru/system/context.js’; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, ‘yandexContextAsyncCallbacks’);

«+»ipt>»;cachedBlocksArray[80435] = «

«;cachedBlocksArray[80432] = «

«;cachedBlocksArray[80429] = «

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-181’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-181’, async: true }, function() { var g = document.createElement(‘ins’); g.className = ‘adsbygoogle’; g.style = ‘display:block;text-align:center;width:660px;height:420px;’ g.setAttribute(‘data-ad-client’, ‘ca-pub-5399081021257607’); g.setAttribute(‘data-ad-slot’, ‘6458750303’); g.setAttribute(‘data-ad-format’, ‘Rectangle’); g.setAttribute(‘data-ad-layout’, ‘true’); g.setAttribute(‘data-full-width-responsive’, ‘in-article’); document.getElementById(‘yandex_rtb_R-A-263154-181’).appendChild(g); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; s = d.createElement(‘script’); s.type = ‘text/javascript’; s.src = ‘//an.yandex.ru/system/context.js’; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, ‘yandexContextAsyncCallbacks’);

«+»ipt>»;cachedBlocksArray[80428] = «

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-180’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-180’, async: true }, function() { var g = document.createElement(‘ins’); g.className = ‘adsbygoogle’; g.style = ‘width:580px;height:400px;top:0;right:0;bottom:0;left:0;margin:auto;display:block;’; g.setAttribute(‘data-ad-client’, ‘ca-pub-5399081021257607’); g.setAttribute(‘data-ad-slot’, ‘5810429370’); document.getElementById(‘yandex_rtb_R-A-263154-180’).appendChild(g); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; s = d.createElement(‘script’); s.type = ‘text/javascript’; s.src = ‘//an.yandex.ru/system/context.js’; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, ‘yandexContextAsyncCallbacks’);

«+»ipt>»;cachedBlocksArray[80427] = «

«;cachedBlocksArray[80426] = «

«;cachedBlocksArray[80425] = «

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-162’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-162’, async: true }, function() { var g = document.createElement(‘ins’); g.className = ‘adsbygoogle’; g.style = ‘width:580px;height:400px;top:0;right:0;bottom:0;left:0;margin:auto;display:block;’; g.setAttribute(‘data-ad-client’, ‘ca-pub-5399081021257607’); g.setAttribute(‘data-ad-slot’, ‘2323428743’); document.getElementById(‘yandex_rtb_R-A-263154-162’).appendChild(g); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; s = d.createElement(‘script’); s.type = ‘text/javascript’; s.src = ‘//an.yandex.ru/system/context.js’; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, ‘yandexContextAsyncCallbacks’);

«+»ipt>»;cachedBlocksArray[80424] = «

«;cachedBlocksArray[80423] = «

«;cachedBlocksArray[80422] = «

«;cachedBlocksArray[80441] = «

(function(w, d, n, s, t) { w[n] = w[n] || []; w[n].push(function() { Ya.Context.AdvManager.render({ blockId: ‘R-A-263154-217’, renderTo: ‘yandex_rtb_R-A-263154-217’, async: true }); }); t = d.getElementsByTagName(‘script’)[0]; s = d.createElement(‘script’); s.type = ‘text/javascript’; s.src = ‘//an.yandex.ru/system/context.js’; s.async = true; t.parentNode.insertBefore(s, t); })(this, this.document, ‘yandexContextAsyncCallbacks’);

«+»ipt>»;cachedBlocksArray[80434] = «

«;cachedBlocksArray[80433] = «

«+»ipt>

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

«+»ipt>»;

Оценка статьи:

loading.gif

Загрузка…

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...