Что такое ионистор. Ионистор: устройство, характеристики и применение суперконденсаторов

Что такое ионистор и как он устроен. Какими характеристиками обладают суперконденсаторы. Где применяются ионисторы и в чем их преимущества перед обычными конденсаторами. Каковы перспективы развития технологии ионисторов.

Что такое ионистор и его основные особенности

Ионистор (также известный как суперконденсатор или ультраконденсатор) — это электрохимическое устройство для хранения электрической энергии, занимающее промежуточное положение между аккумуляторами и обычными конденсаторами. По своим характеристикам ионисторы сочетают преимущества тех и других.

Основные особенности ионисторов:

• Очень большая удельная ёмкость — от единиц до тысяч фарад
• Низкое рабочее напряжение — обычно 2,3-2,7 В на элемент
• Быстрый заряд и разряд
• Большое количество циклов заряд-разряд (сотни тысяч)
• Низкое внутреннее сопротивление
• Широкий диапазон рабочих температур

Таким образом, ионисторы способны быстро накапливать и отдавать большое количество энергии, что определяет области их применения.

Устройство и принцип работы ионистора

Ионистор состоит из двух электродов, разделенных сепаратором и помещенных в электролит. В отличие от обычного конденсатора, между электродами нет диэлектрика. Заряд в ионисторе накапливается на границе раздела электрод-электролит.

Принцип работы ионистора основан на образовании двойного электрического слоя на поверхности электродов. При подаче напряжения ионы электролита притягиваются к противоположно заряженным электродам, образуя тонкий (порядка нанометров) слой. Это обеспечивает очень большую ёмкость при малых размерах устройства.

Основные элементы конструкции ионистора:

• Электроды из пористых материалов с большой удельной поверхностью (активированный уголь, графен и др.)
• Электролит (водный или органический раствор солей)
• Сепаратор, разделяющий электроды
• Токосъемники
• Корпус

Благодаря такой конструкции достигается огромная эффективная площадь обкладок и, как следствие, большая ёмкость при малых габаритах.

Основные характеристики и параметры ионисторов

Ключевые характеристики ионисторов:

• Ёмкость — от единиц до нескольких тысяч фарад
• Рабочее напряжение — обычно 2,3-2,7 В на элемент
• Удельная энергоемкость — 5-15 Вт·ч/кг
• Удельная мощность — до 10 кВт/кг
• Внутреннее сопротивление — единицы мОм
• Диапазон рабочих температур — от -40°C до +65°C
• Срок службы — 10-20 лет, более 500 000 циклов заряд-разряд

По сравнению с обычными конденсаторами ионисторы имеют на несколько порядков большую ёмкость при тех же габаритах. От аккумуляторов их отличает способность быстро отдавать большие токи и огромное количество циклов заряда-разряда.

Преимущества и недостатки ионисторов

Основные преимущества ионисторов:

• Очень большая удельная ёмкость
• Способность быстро заряжаться и разряжаться
• Огромное количество циклов заряд-разряд
• Широкий температурный диапазон
• Высокая удельная мощность
• Длительный срок службы
• Экологичность

Недостатки ионисторов:

• Низкое рабочее напряжение (2,3-2,7 В на элемент)
• Относительно невысокая удельная энергоемкость
• Высокий саморазряд
• Высокая стоимость

Таким образом, ионисторы эффективны там, где требуется быстрая отдача большой мощности, но не подходят для длительного хранения энергии.

Области применения ионисторов

Благодаря своим уникальным свойствам ионисторы находят применение во многих областях:

• Источники бесперебойного питания
• Системы рекуперации энергии торможения в транспорте
• Стартерные системы двигателей
• Импульсные источники питания
• Системы стабилизации напряжения в энергетике
• Накопители энергии в альтернативной энергетике
• Портативная электроника
• Системы автоматики и телемеханики

Ионисторы особенно эффективны там, где нужно быстро запасти энергию и затем быстро её отдать. Например, в гибридных автомобилях они используются для рекуперации энергии при торможении.

Перспективы развития технологии ионисторов

Технология ионисторов активно развивается. Основные направления совершенствования:

• Увеличение удельной энергоемкости
• Повышение рабочего напряжения
• Снижение внутреннего сопротивления
• Уменьшение саморазряда
• Расширение температурного диапазона
• Снижение стоимости

Перспективным направлением является разработка гибридных устройств, сочетающих свойства ионисторов и аккумуляторов. Это позволит объединить высокую мощность ионисторов с высокой энергоемкостью аккумуляторов.

Развитие технологии ионисторов открывает новые возможности для систем накопления энергии в различных областях техники.

Сравнение ионисторов с другими накопителями энергии

Сравним основные характеристики ионисторов, конденсаторов и аккумуляторов:

Параметр	Ионистор	Конденсатор	Аккумулятор
Удельная энергоемкость	5-15 Вт·ч/кг	0,1 Вт·ч/кг	30-200 Вт·ч/кг
Удельная мощность	До 10 кВт/кг	До 100 кВт/кг	0,3-1,5 кВт/кг
Время заряда	1-30 секунд	10-3-10-6 с	0,3-3 часа
Срок службы (циклы)	500 000-1 000 000	Неограничен	500-2000

Как видно, ионисторы занимают промежуточное положение между конденсаторами и аккумуляторами, сочетая высокую мощность первых с относительно высокой энергоемкостью вторых.

Ионистор. Что такое и зачем нужен?

Устройство, характеристики и применение ионисторов

Сравнительно недавно в широкой продаже появились так называемые ионисторы. По-иному их ещё называют суперконденсаторами. По размерам они сравни обычным электролитическим конденсаторам, но обладают по сравнению с ними, гораздо большей ёмкостью.

Ионистор – это некий гибрид конденсатора и аккумулятора. В зарубежной литературе ионистор называют сокращённо EDLC, что расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor, что по-русски означает: конденсатор с двойным электрическим слоем. Работа ионистора основана на электрохимических процессах.

Устройство ионистора.

Отличие ионистора от конденсатора заключается в том, что между его электродами нет специального слоя из диэлектрика. Взамен этого электроды у ионистора сделаны из веществ, обладающими противоположенными типами носителей заряда.

Как известно, электрическая ёмкость конденсатора зависит от площади обкладок: чем она больше, тем больше ёмкость. Поэтому электроды ионисторов чаще всего делают из вспененного углерода или активированного угля. Благодаря этому приёму удаётся получить большую площадь своеобразных «обкладок». Электроды разделяются сепаратором и всё это находятся в электролите. Сепаратор необходим исключительно для защиты электродов от короткого замыкания. Электролит же выполняется на основе растворов кислот и щелочей и является кристаллическим и твёрдым.

Например, с помощью твёрдого кристаллического электролита на основе рубидия, серебра и йода (RbAg₄I₅) возможно создание ионисторов с низким саморазрядом, большой ёмкостью и выдерживающие низкие температуры. Также возможно изготовление ионисторов на основе электролитов растворов кислот, таких как H

2SO₄. Такие ионисторы обладают низким внутренним сопротивлением, но и малым рабочим напряжением около 1 В. В последнее время ионисторы на основе электролитов из растворов щелочей и кислот почти не производят, так как такие ионисторы содержат токсичные вещества.

В результате электрохимических реакций небольшое количество электронов отрывается от электродов. При этом электроды приобретают положительный заряд. Отрицательные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются электродами, которые заряжены положительно. В итоге всего этого процесса и образуется электрический слой.

Заряд в ионисторе сохраняется на границе раздела электрода из углерода и электролита. Толщина электрического слоя, который образован анионами и катионами, составляет очень малую величину порой равную 1…5 нанометрам (нм). Как известно, с уменьшением расстояния между обкладками ёмкость возрастает.

К основным положительным качествам ионисторов можно отнести:

• Малое время заряда и разряда. Благодаря этому ионистор можно быстро зарядить и использовать, тогда, как на заряд аккумуляторных батарей уходит значительное время;

• Количество циклов заряд/разряд – более 100000;

• Не требуют обслуживания;

• Небольшой вес и габариты;

• Для заряда не требуется сложных зарядных устройств;

• Работает в широком диапазоне температур (-40…+70⁰C). При температуре больше +70⁰С ионистор, как правило, разрушается;

• Длительный срок службы.

К отрицательным свойствам ионисторов можно отнести всё ещё высокую стоимость, а также довольно малое напряжение на одном элементе ионистора. Номинальное рабочее напряжение ионистора зависит от типа используемого в нём электролита.

Чтобы увеличить рабочее напряжение ионистора их соединяют последовательно, также как и при соединении батареек. Правда, для надёжной работы такого составного ионистора нужно каждый отдельный ионистор шунтировать резистором. Делается это для того, чтобы выровнять напряжение на каждом отдельном ионисторе. Это связано с тем, что параметры отдельных ионисторов отличаются. Ток, который течёт через выравнивающий резистор, должен быть в несколько раз больше тока утечки (саморазряда) ионистора. Значение тока саморазряда у маломощных ионисторов составляет десятки микроампер.

Также стоит помнить, что ионистор – это полярный компонент. Поэтому при подключении его в схему нужно соблюдая полярность.

Кроме этого стоит избегать короткого замыкания выводов ионистора. И хотя ионисторы достаточно устойчивы к короткому замыканию, оно может привести к чрезмерному повышению температуры сверх максимального вследствие теплового действия тока, а это приведёт к порче ионистора.

Ионисторы прекрасно работают в цепях постоянного и пульсирующего тока. Правда, в случае протекания через ионистор пульсирующего тока высокой частоты он может нагреваться из-за высокого внутреннего сопротивления на высоких частотах. Как уже говорилось, увеличение температуры электродов ионистора выше максимально допустимой приводит к его порче.

В документации на ионистор, как правило, указывается значение его внутреннего сопротивления на частоте 1 кГц. Например, для ионистора DB-5R5D105T ёмкостью 1 Фарада внутреннее сопротивление на частоте 1 кГц составлет 30Ω. Также существуют ионисторы с ещё меньшим внутренним сопротивлением. Они маркируются как Low resistance или Low ESR. Такие ионисторы заряжаются быстрее.

Для постоянного тока же внутреннее сопротивление ионистора мало и составляет единицы миллиом – десятки ом.

Обозначение ионистора на схеме.

На схемах ионистор обозначается также как и электролитический конденсатор. Тогда же встаёт вопрос: «А как же определить, что на принципиальной схеме изображён именно ионистор?»

Определить, что на схеме изображён ионистор можно по значению номинальных параметров. Если рядом с обозначением указано, например, 1F * 5,5 V, то тут сразу станет понятно, что это ионистор. Как известно, электролитических конденсаторов ёмкостью 1 Фарада не существует, а если и существует, то габариты у него немалые . Также сразу бросается в глаза номинальное напряжение в 5,5 V. Как уже говорилось, ионисторы в принципе не рассчитаны на большое рабочее напряжение.

Где применяются ионисторы?

Очень часто ионисторы можно встретить в цифровой аппаратуре. Там они выполняют роль автономного или резервного источника питания для микроконтроллеров (IC’s), микросхем памяти (RAM’s), КМОП-микросхем (CMOS’s) или электронных часов (RTC). Благодаря этому даже при отключенном основном питании электронный прибор сохраняет заданные настройки и ход часов. Так, например, в кассетном аудиоплеере Walkman используется миниатюрный ионистор.

При замене аккумуляторов или батареек в плеере он полностью обесточивается, что неизбежно приводит к стиранию настроек (например, частот радиостанций, установок эквалайзера, сброс хода электронных часов). Но этого не происходит благодаря тому, что электронную схему в «ждущем» режиме питает заряженный ионистор. И хотя ёмкость его несоизмеримо меньше, чем ёмкость аккумулятора или батареи этого хватает для сохранения настроек и работы часов в течение нескольких суток!

Ионистор является достаточно новым электронным компонентом. Впервые ионистор был разработан в Соединённых штатах в 1960-х годах. А позднее, в 1978 году, ионисторы появились и в СССР под маркой К58-1. Это был первый отечественный ионистор. Далее промышленность стала выпускать ионисторы марок К58-15 и К58-16.

Как можно применить ионистор в самодельных конструкциях? Его можно использовать в качестве аварийного источника питания, например, в конструкциях на микроконтроллерах. Вот простейшая схема включения ионистора в цепь питания электронного устройства.

Диод VD1 служит для предотвращения разряда ионистора С1, когда напряжение питания равно 0 (Uпит=0). В качестве диода VD1 лучше применить диод Шоттки, например, 1N5817 и аналогичные, так как у них малое падение напряжения на открытом переходе. Резистор R1 препятствует перегрузке источника питания, ограничивая зарядный ток ионистора. Его можно не устанавливать, если источник питания выдерживает ток нагрузки 100 – 250 мА. R_н – это сопротивление нагрузки (питаемое устройство, например, микроконтроллер).

Под занавес сего повествования хочется показать какое-нибудь видео. Видео не моё, нашёл в YouTube. Показано, как можно запитать светодиод от заряженного ионистора ёмкостью в 0,047 Ф. Ионистор на 5,5 V, поэтому если решите повторить эксперимент, то заряжайте его 3 вольтами, иначе можно нечаянно спалить светодиод.

Кстати, у меня оказывается, точно такой же ионистор в запаснике завалялся. А у Вас есть ионистор?

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Ионистор.Устройство и применение.Работа. Авто-пусковое устройство

В прошлом веке американский химик Райтмаер получил патент на устройство, сохраняющее электрическую энергию с двойным электрическим слоем. Сегодня такое устройство называется ионистор. В разных источниках они могут иметь различные названия: суперконденсаторы, ультраконденсаторы. По размерам и внешнему виду они похожи на электролитические конденсаторы, с отличием, заключающимся в большой емкости.

В зарубежных странах они имеют короткое обозначение – EDLC, что в переводе с английского значит: конденсатор, обладающий двойным электрическим слоем. По сути дела ионистор является своеобразным гибридом аккумулятора и конденсатора.

Устройство и принцип действия

Если сравнивать устройство ионистора с конструкцией конденсатора, то разница заключается в отсутствии слоя диэлектрика у ионистора. В качестве обкладок выступают вещества, имеющие носители заряда противоположных знаков.

Емкость любого конденсатора, так же как ионистора зависит от размера обкладок. Поэтому у ионистора обкладки сделаны из активированного угля или вспененного углерода. Таким способом получают значительную площадь модифицированных обкладок. Выводы ионистора разделены сепаратором, помещенным в электролит. Они предназначены для предотвращения возможного короткого замыкания. Состав электролита: щелочи и кислоты в твердом и кристаллическом виде.

Если использовать кристаллический твердый электролит на основе йода, серебра и рубидия, то можно изготовить ионистор, обладающий большой емкостью, низким саморазрядом и способный функционировать при пониженных температурах. Возможно производство аналогичных ультраконденсаторов, на базе электролита из раствора серной кислоты. Такие устройства имеют малое внутреннее сопротивление, но также небольшое рабочее напряжение 1 вольт. В настоящее время ионисторы, содержащие электролиты из кислот и щелочей практически не изготавливают, так как они обладают повышенными токсичными свойствами.

В результате протекания электрохимических реакций незначительное число электронов отрывается от полюсов устройства, обеспечивая им положительный заряд. Находящиеся в электролите отрицательные ионы притягиваются полюсами, имеющими положительный заряд. В результате создается электрический слой.

Заряд в ультраконденсаторе сохраняется на границе углеродного полюса и электролита. Электрический слой, образованный катионами и анионами, имеет очень малую толщину, равную от 1 до 5 нанометров, что позволяет значительно повысить емкость ультраконденсатора.

Классификация

• Идеальные. Это ионные конденсаторы с идеально поляризуемыми электродами, состоящими из углерода. Такие суперконденсаторы работают не за счет электрохимических реакций, а благодаря переносу ионов между электродами. Электролиты могут состоять из щелочи калия, серной кислоты, а также органических веществ.
• Гибридные. Это суперконденсаторы с идеально поляризуемым электродом, изготовленным из углерода, и слабо поляризуемым анодом или катодом. В их работе частично используется электрохимическая реакция.
• Псевдоконденсаторы. Это устройства, накапливающие заряд путем использования обратимых электрохимических реакций на поверхности электродов. Они обладают повышенной удельной емкостью.

Рабочие параметры ионисторов:

• Емкость.
• Наибольший ток разряда.
• Внутреннее сопротивление.
• Номинальное напряжение.
• Время разряда.

В инструкции на суперконденсатор обычно указывается величина внутреннего сопротивления при частоте тока 1 килогерц. Чем меньше их внутреннее сопротивление, тем быстрее происходит заряд.

Изображение на схемах

На электрических схемах ионисторы изображаются по типу электролитического конденсатора, и отличить его можно только по величине номинальных параметров.

Если, например, на схеме указана величина емкости 1 Фарада, то сразу ясно, что изображен ионистор, так как таких емких электролитических конденсаторов не бывает. Напряжение ультраконденсатора также может говорить об его отличии от электролитического конденсатора, так как обычно это незначительная величина в несколько вольт (от 1 до 5 В). Ионисторы не способны функционировать при большом напряжении.

Преимущества

• Если сравнивать ультраконденсаторы с аккумуляторами, то первые из них способны обеспечить значительно большее число циклов заряда и разряда.
• Цикл заряда и разряда происходит за очень короткое время, что дает возможность применять их в таких ситуациях, когда нельзя установить аккумуляторы, ввиду их длительной зарядки.
• Устройства такого вида имеют намного меньшую массу и габаритные размеры.
• Для выполнения заряда не требуется специального зарядного устройства, что упрощает обслуживание.
• Срок работы ультраконденсаторов значительно выше, по сравнению с батареями аккумуляторов и силовыми конденсаторами.
• Широкий интервал эксплуатационной температуры от -40 до +70 градусов.

Недостатки

• Малая величина номинального напряжения. Этот вопрос решают путем соединения нескольких ультраконденсаторов по последовательной схеме, так же, как соединяют несколько гальванических элементов для увеличения напряжения.
• Повышенная цена на такие устройства способствует удорожанию изделий, в которых они используются. По заверению ученых, скоро эта проблема станет неактуальной, так как технологии постоянно развиваются, и стоимость подобных устройств снижается.
• Ионисторы не способны накопить большое количество энергии, так как имеют незначительную энергетическую плотность, и не могут обладать мощностью, сравнимой с аккумуляторами. Это негативно влияет на область их использования. Эта проблема может частично решиться путем подключения нескольких ионисторов вместе, по параллельной схеме.
• Необходимость соблюдения полярности при подключении.
• Не допускается короткое замыкание между электродами, так как от этого сильно возрастет температура ультраконденсатора, и он может выйти из строя.
• Ионисторы хорошо работают в цепях пульсирующего и постоянного тока. Но при высокочастотном пульсирующем токе они сильно нагреваются ввиду их большого внутреннего сопротивления, что часто приводит к выходу из строя.

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.

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.

Автомобильное пусковое устройство

Популярным примером использования мощного ионистора можно назвать пусковое устройство для двигателя автомобиля.

Эта схема выполняется на легковых автомобилях любой марки с напряжением сети 12 вольт.

• 1 – положительный контакт аккумуляторной батареи.
• 2 – контакт массы (отрицательный полюс).
• 3 – клемма замка зажигания.
• В1 – аккумулятор.
• Кс – замок зажигания.
• К1 и К1.1 – контактор с ключом управления.
• С – ионистор.
• Rс – сопротивление для ограничения зарядного тока ультраконденсатора.

В схеме применяется ионистор со следующими параметрами:

• Максимальное напряжение 15 вольт.
• Внутреннее сопротивление 0,0015 Ом.
• Емкость 216 Фарад.
• Рабочий ток 2000 ампер.

Такого пускового устройства достаточно, чтобы запустить двигатель мощностью до 150 л. с. ультраконденсатор способен получить полный заряд за пять секунд. Такое устройство можно найти в продаже, но сделать его самостоятельно намного дешевле.

Похожие темы:

что это такое, где применять и как использовать в качестве источника питания постоянного тока

Ионисторы — 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.

Историческая справка

В 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.

ионистор — это… Что такое ионистор?

Ионистор — Супер конденсаторы (ионисторы) серии MC2600 фирмы Maxwell Technologies, ёмкостью 2600 фар …   Википедия

суперконденсатор — Термин суперконденсатор Термин на английском supercapacitor Синонимы Ионистор, супер конденсатор, ультра конденсатор, ultracapacitor, electric double layer capacitor Аббревиатуры Связанные термины пористый материал , углеродные наноматериалы… …   Энциклопедический словарь нанотехнологий

Список новых перспективных технологий — содержит некоторые из самых выдающихся текущих событий, достижений и инноваций в различных областях современной технологии. Новые технологии это те технические нововведения, которые представляют прогрессивные изменения в рамках области… …   Википедия

Ultra-capacitor — Супер конденсаторы (ионисторы) серии MC2600 фирмы Maxwell Technologies, ёмкостью 2600 фарад. Ионистор (супер конденсатор, ультра конденсатор)  конденсатор с органическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на… …   Википедия

Ионистер — Супер конденсаторы (ионисторы) серии MC2600 фирмы Maxwell Technologies, ёмкостью 2600 фарад. Ионистор (супер конденсатор, ультра конденсатор)  конденсатор с органическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на… …   Википедия

Ультраконденсатор — Супер конденсаторы (ионисторы) серии MC2600 фирмы Maxwell Technologies, ёмкостью 2600 фарад. Ионистор (супер конденсатор, ультра конденсатор)  конденсатор с органическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на… …   Википедия

Фарад — (обозначение: Ф, F; прежнее название  фарада)  единица измерения электрической ёмкости в Международной системе единиц (СИ), названа в честь английского физика Майкла Фарадея. 1 фарад равен ёмкости конденсатора, при которой заряд 1 кулон …   Википедия

Электрический конденсатор — У этого термина существуют и другие значения, см. Конденсатор (значения). См. также: варикап Основа конструкции конденсатора две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик …   Википедия

Рекуперативное торможение — Toyota Prius 2004  серийный (с 1997) автомобиль с системой рекуперативного торможения Рекуперативное торможение  вид электрического торможения, при котором электроэнергия, вырабатываемая тяговыми эле …   Википедия

Электрический аккумулятор — {б{redirect|Аккумулятор|Аккумулятор (значения)}} Никель кадмиевые (NiCd) аккумуляторы …   Википедия

Ионистор: устройство, применение и характеристики

Ионистор впервые появился еще в 20 веке.  Изобрел это устройство американец Райтмаер, химик по образованию. В различных источниках и научной литературе этот прибор называется по-разному – суперконденсатор или ультраконденсатор. По своему внешнему виду ионистор похож на электролитический конденсатор, единственное и существенное отличие – это его емкость, она намного превышает обычные значение для этих радиодеталей.

В странах ЕС и США они обозначаются аббревиатурой EDLC, что переводится как конденсатор с двойным слоем. В данной статье будет разобрано строение, структура, применение ионисторов, где они используются. В качестве дополнения статья содержит в себе скачиваемые материал с точными техническими характеристиками и два видеоролика.

Что такое ионистор

Ионистор (или суперконденсатор) – это энергонакопительный конденсатор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух сред – электрода и электролита. Энергия в ионисторе содержится в виде статического заряда. Накопление совершается, если к его обкладкам будет приложена разность потенциалов (постоянное напряжение).

Концепция создания ионисторов появилась недавно, и в настоящее время они заняли свою нишу применения. Ионисторы успешно могут заменять химические источники тока в качестве резервного (микросхемы памяти) или основного подзаряжаемого (часы, калькуляторы) источника питания.

Структура ионистора

Если обычный конденсатор представляет собой обкладки из фольги, разделенные сухим сепаратором, то ионистор – это комбинация конденсатора с электрохимической батареей. В нем применяются специальные обкладки и электролит.

В качестве обкладок используются материалы одного из трех типов: обкладки большой площади на основе активированного угля, оксиды металлов и проводящие полимеры. Использование высокопористых угольных материалов позволяет достичь плотности емкости порядка 10 Ф/см3 и больше.

Ионисторы на базе активированного угля наиболее экономичны в изготовлении. Их еще называют двухслойными или DLC-конденсаторами, потому что заряд сохраняется в двойном слое, образующемся на поверхности обкладки.

Электролит ионисторов может быть водным либо органическим. Ионисторы на основе водного электролита обладают небольшим внутренним сопротивлением, но напряжение заряда для них ограничено 1 В. А ионисторы на основе органических электролитов обладают более высоким внутренним сопротивлением, но обеспечивают напряжение заряда 2…3 В.

Для питания электронных схем нужны более высокие напряжения, чем обеспечивают ионисторы. Для получения нужного напряжения их включают последовательно. 3-4 ионистора обеспечивают напряжение достаточной величины.

Величина энергетической емкости конденсаторов измеряется в пикофарадах, нанофарадах и микрофарадах, в то время как емкость ионисторов (суперконденсаторов) на самом деле огромна и измеряется в фарадах (Ф). В ионисторах достижима энергетическая плотность от 1 до 10 Вт/кг. Она больше, чем у типичных конденсаторов, но меньше, чем у аккумуляторов. Относительно низкое внутреннее сопротивление ионисторов обеспечивает хорошую проводимость.

Ионистор

Параметры

Ионисторы отличаются следующими характеристиками:

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

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

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.

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

Отличия суперконденсаторов от аккумуляторов

Суперконденсаторы часто применяются вместо батарей. Стандартные конденсаторы способны хранить небольшое количество электроэнергии. Суперконденсаторы могут накапливать заряды в тысячи, миллионы и миллиарды раз больше.

Подобные приборы работают быстрее батарей. Это обусловлено тем, что суперконденсатор создает статистические заряды на твердых телах, а батареи зависят от медленно протекающих химических реакций.

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

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

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

Преимущества

• Если сравнивать ультраконденсаторы с аккумуляторами, то первые из них способны обеспечить значительно большее число циклов заряда и разряда.
• Цикл заряда и разряда происходит за очень короткое время, что дает возможность применять их в таких ситуациях, когда нельзя установить аккумуляторы, ввиду их длительной зарядки.
• Устройства такого вида имеют намного меньшую массу и габаритные размеры.
• Для выполнения заряда не требуется специального зарядного устройства, что упрощает обслуживание.
• Срок работы ультраконденсаторов значительно выше, по сравнению с батареями аккумуляторов и силовыми конденсаторами.
• Широкий интервал эксплуатационной температуры от -40 до +70 градусов.

Недостатки

• Малая величина номинального напряжения. Этот вопрос решают путем соединения нескольких ультраконденсаторов по последовательной схеме, так же, как соединяют несколько гальванических элементов для увеличения напряжения.
• Повышенная цена на такие устройства способствует удорожанию изделий, в которых они используются. По заверению ученых, скоро эта проблема станет неактуальной, так как технологии постоянно развиваются, и стоимость подобных устройств снижается.
• Ионисторы не способны накопить большое количество энергии, так как имеют незначительную энергетическую плотность, и не могут обладать мощностью, сравнимой с аккумуляторами. Это негативно влияет на область их использования. Эта проблема может частично решиться путем подключения нескольких ионисторов вместе, по параллельной схеме.
• Необходимость соблюдения полярности при подключении.
• Не допускается короткое замыкание между электродами, так как от этого сильно возрастет температура ультраконденсатора, и он может выйти из строя.
• Ионисторы хорошо работают в цепях пульсирующего и постоянного тока. Но при высокочастотном пульсирующем токе они сильно нагреваются ввиду их большого внутреннего сопротивления, что часто приводит к выходу из строя.

Плоский ионистор

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.

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

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.

Заключение

Рейтинг автора

Автор статьи

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

Написано статей

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

Что такое ионистор, его устройство, область применения и характеристики | ASUTPP

Электронное устройство любого назначения не может функционировать без наличия источника питания. Традиционными способами его получения были:

• сетевой источник, который формировал выходное постоянное напряжение из переменного сетевого;
• аккумулятор или гальванический элемент (батарейка).

Последние делали устройство независимое от питающей сети, но обеспечивали его работоспособность ограниченное время. После исчерпания заряда требовалась замена батарейки или зарядка аккумулятор. Главные недостатки аккумулятора – высокая стоимость, неудовлетворительные массогабаритные характеристики и длительное время заряда.

Для по крайней мере частичного их исправления были разработаны и внедрены в широкую инженерную практику их функциональные аналоги, известные под названием ионисторов. Иногда их называют суперконденсаторами.

Конструкция ионисторов и особенности их включения

Как элемент ионистор имеет характерные черты как аккумулятора, так и конденсатора.

От аккумулятора элемент взял использование электрохимических процессов для генерации электрического тока, которые возникают в результате взаимодействия двух материалов с противоположными типами зарядов, разделенных слоем твердого диэлектрика, который играет роль электролита.

С конденсатором ионистор роднит использование для изготовления электродов диэлектриков и их пластинчатое исполнение. Последнее необходимо для наращивания площади взаимодействия.

Наиболее подходящая основа рабочих слоев – различные углеродные соединения. Для увеличения рабочей площади применяют вспенивание, защита от короткого замыкания обеспечена установкой показанного на рисунке 1 сепаратора.

Рисунок 1. Структура простейшего ионистора

Рисунок 1. Структура простейшего ионистора

Чисто внешне этот компонент очень похож на электролитический конденсатор (см. рисунок 2), имеет сходную с ним маркировку. Например, широко распространенные отечественные конденсаторы обозначаются как К50-6, тогда как ионистор К58-15.

Рисунок 2. Внешний вид ионистора

Рисунок 2. Внешний вид ионистора

Элемент может работать в цепях постоянного и пульсирующего тока. Пример реализации на нем источника резервного питания микросхем показан на рисунке 3. Ионистор С подзаряжается напряжением U, диод VD блокирует короткое замыкание при его пропадании. Дополнительный токоограничивающий резистор R предохраняет ионистор С от перегрузки при высокой степени разряда.

Рисунок 3. Использование ионистора как источника резервного питания

Рисунок 3. Использование ионистора как источника резервного питания

Преимущества и недостатки

Основное преимущество ионистора – сочетание высокой емкости и малого времени заряда. Немаловажное значение для практики приобретает то, что при эксплуатации в штатном режиме выдерживает свыше ста тысяч циклов заряд-разряд, что эквивалентно длительному сроку службы. Рабочий температурный диапазон (в интервале от -40 до +70°С) практически полностью соответствует промышленной электронике класса MICE2.

При типовой емкости в единицы Фарад обеспечивает работоспособность внутренней памяти и задающего генератора на протяжении нескольких суток.

Недостатками современных ионисторов считаются достаточно высокая стоимость и невысокое напряжение одиночного компонента. В результате для получения нужного напряжения приходится последовательно соединять несколько элементов. Кроме того, прибор чувствителен к перегрузкам.

Области применения

Ионисторы распространены в цифровой аппаратуре, в которой выполняет функции резервного источника питания некоторых микросхем. Чаще всего это память контроллера и его задающего генератора, что позволяет сохранить последние настройки параметров и внутреннего таймера. Вполне пригоден также для применения в малогабаритных светодиодных фонариках.

Ионисторы Panasonic: физика, принцип работы, параметры — Компоненты и технологии

При реализации автономного питания довольно часто также необходимо реализовать начальные большие кратковременные токи (например, ручной электроинструмент с аккумуляторным питанием), и обойтись только аккумулятором не представляется возможным. Тогда используют комбинацию аккумулятор (или батарея)/электролитический конденсатор. Аккумулятор или батарея реализуют долговременное энергонезависимое питание, а электролитический конденсатор — кратковременный большой ток в нагрузку. Относительно недавно появился новый класс приборов — ионисторы. В отличие от батарей, аккумуляторов или электролитических конденсаторов, где используются необратимые, обратимые химические реакции или классический заряд конденсатора соответственно, в ионисторах применяется механизм образования «двойного электрического слоя». Ионисторы обладают рядом преимуществ по сравнению с вышеприведенными устройствами: это широкий температурный диапазон, большая емкость, высокое сопротивление изоляции (низкие токи утечки), длительный срок службы, отсутствие необходимости контроля процесса зарядки, до нескольких десятков тысяч циклов заряд/разряд.

Сегодня ионисторы выпускаются многими производителями, как отечественными, так и зарубежными. В данной статье использованы материалы компании Panasonic, и на примере ионисторов данной компании, получивших фирменное название Gold Capacitors (Gold Cap), мы рассмотрим их физику и принцип работы, возможные варианты конструкции и эквивалентной схемы, характеристики и параметры, а также рекомендации по возможному применению.

 

Физико-химические основы работы ионистора

Известно, что обычные конденсаторы имеют многослойный или монолитный диэлектрик между двумя обкладками. В алюминиевом электролитическом конденсаторе, например, в качестве диэлектрического слоя используется пленка оксида алюминия, а в танталовом конденсаторе — пленка оксида тантала. Ионистор же не имеет диэлектрического слоя, в нем применяется физический механизм образования двойного электрического слоя, который работает аналогично заряженному диэлектрику. Процесс зарядки/разрядки происходит в слое ионов, сформированном на поверхностях положительного и отрицательного электродов, к примеру, из активированного угля (рис. 1). Под действием приложенного напряжения анионы и катионы движутся к соответствующему электроду и накапливаются на поверхности электрода, образуя, таким образом, с зарядом электрода двойной электрический слой. Вследствие этого и появилось название «конденсатор с двойным электрическим слоем» (electric double layer capacitor — EDLC).

Рис. 1. Образование двойного электрического слоя на поверхностях положительного и отрицательного электродов, к примеру, из активированного угля

 

Принцип работы и возможные конструкции

Существует два типа электролитов, которые чаще всего используются сейчас производителями ионисторов: водные (водорастворимые) и органические (водонерастворимые). Безводный электролит позволяет прикладывать напряжение до 3 В к ячейке ионистора, что в два раза выше по сравнению с водорастворимым электролитом, для которого это напряжение не превышает 1,5 В. В данном случае двойной электрический слой работает как изолирующий и при приложении постоянного внешнего напряжения не позволяет протекать сквозному току. При конкретном уровне напряжения определенной полярности за счет электрохимических процессов начнет протекать ток. Величина этого напряжения названа «напряжением разложения» или «напряжением электрохимического распада электролита». Дальнейшее увеличение напряжения заставит электролит разлагаться более интенсивно, приводя к появлению дополнительного тока, и ионистор выйдет из строя. Поэтому при зарядке приложенное к ионистору напряжение ограничено напряжением разложения, вследствие чего довольно часто ионисторы соединяют последовательно.

Как было сказано выше, положительные и отрицательные заряды формируются на поверхности электрода, образуя, таким образом, с зарядом электрода двойной электрический слой. Границей раздела в этом случае будет двойной электрический слой (рис. 2а). Эта область увеличивается при приложении более высокого напряжения (рис. 2б), и накапливаемый заряд увеличивается. Толщина двойного электрического слоя очень мала и сопоставима с размером молекулы, то есть около 5–10 нм. В качестве электродов, например, в ионисторах Panasonic используется активированный уголь (в виде мелкодисперсной фракции), изготовленный по специальной порошковой технологии, и органический электролит. Электролит проникает между частицами активированного угля, и электрод, таким образом, «пропитан» электролитом. Общую емкость ионистора можно представить, как большое количество малых конденсаторов, где каждая частица из активированного угля — своеобразный электрод для малого конденсатора с емкостью, обусловленной двойным электрическим слоем.

Рис. 2. Образование двойного электрического слоя (а) и увеличение заряда при приложении напряжения (б)

Общая емкость ионистора может быть представлена как:

где d — толщина двойного электрического слоя 5–10 нм, S — общая площадь поверхности электрода из активированного угля.

Поскольку электрод ионистора представляет собой совокупность огромного количества частиц активированного угля, он имеет очень большую «развитую» площадь поверхности, приблизительно до 2500–3000 см²/г. Это позволяет получить емкость до нескольких десятков фарад.

На рис. 3 представлена одна из возможных конструкций ионистора в поперечном разрезе на примере EN серии Panasonic. Между электродами для предотвращения проникновения ионов расположен «сепаратор» с хорошими изоляционными свойствами, что позволяет не допустить короткого замыкания между электродами.

Рис. 3. Одна из возможных конструкций ионистора в поперечном разрезе на примере EN серии Panasonic

Эквивалентная схема

Поскольку двойной электрический слой сформирован на поверхности активированного угля, который находится в контакте с электролитом, для ионисторов может быть применена эквивалентная схема с использованием условных конденсаторов (рис. 4). Каждый малый конденсатор на основе структуры частица активированного угля/электролит будет обладать емкостью двойного электрического слоя — Cn. Значения сопротивлений заряда R_sn в процессе заряда и сопротивление нескомпенсированных ионов R_ln могут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от расстояния между «токоведущими» электродами, скоростью передвижения ионов, контактного сопротивления между частицами активированного угля и других параметров.

Рис. 4. Схематическое изображение многослойной структуры активированный уголь/электролит

Эквивалентная схема ионистора на основе параллельного соединения сопротивлений и емкостей малых конденсаторов приведена на рис. 5а. R₁, R₂ и R_n — сопротивления изоляции (внутреннее сопротивление частиц активированного угля), C₁, C₂ и C_n — соответствующая емкость двойного электрического слоя для сопротивлений R₁, R₂ и R_n.

Рис. 5. Варианты эквивалентной схемы ионистора на основе малых конденсаторов двойного электрического слоя от каждой частицы активированного угля и сопротивления изоляции (сопротивления частиц активированного угля) (а) и с учетом сопротивлений электродов и сепаратора (б)

Если приложить напряжение (V) к эквивалентной схеме, приведенной на рис. 5б, которая учитывает сопротивление электродов и сепаратора, то зарядный ток (i) можно описать согласно:

Необходимо отметить, что при уменьшении величины зарядного тока (i) время заряда увеличится. Зарядный ток, согласно уравнению (2), графически будет представлен как прямая линия. Однако фактически кривая зарядного тока носит экспоненциальный характер (рис. 6а, б). Ток (i) в пределах ионистора может быть представлен как сумма токов, протекающих через каждый из малых конденсаторов (рис. 6б, 7а). Также необходимо отметить, что, если значение постоянной времени CxR мало, время зарядки тоже будет мало, и наоборот, если значение CxR большое, время зарядки будет большое. То есть если время зарядки ограничено несколькими минутами или источник заряда ограничен, ионистор не может достаточно зарядиться, чтобы запасти заданную энергию в течение необходимого времени.

Рис. 6. Зависимость зарядного тока от времени заряда: а) расчетная и реальная зависимости; б) как сумма токов через малые конденсаторы

Рис. 7. Эквивалентная схема со значениями напряжений сразу после процесса заряда и после разряда (а) и понижение напряжения в начале работы вследствие недостаточного заряда малых конденсаторов (б)

Электрические, эксплуатационные и надежностные параметры ионисторов

Емкость

При аналогичных условиях эксплуатации и тестировании емкость ионистора подобна эффективной емкости батареи. Как было сказано ранее, ионистор можно представить в виде эквивалентной схемы из малых конденсаторов, имеющих различные значения сопротивления. Если начальное зарядное напряжение ниже напряжения полного заряда (V₀), то в начале измерения емкости после снятия зарядного напряжения напряжение на ионисторе упадет вниз (рис. 8). Это связано с наличием не полностью заряженных малых конденсаторов с большим внутренним сопротивлением. Однако, увеличивая время зарядки, эти малые конденсаторы с большим внутренним сопротивлением зарядятся, что приведет к увеличению измеренной емкости.

Рис. 8. Зависимость напряжения для ионистора от времени

Емкость ионистора может быть оценена следующим образом:

где С — электростатическая емкость (Ф), I — тестовый ток (А), V₁–V₂ — тестовый диапазон напряжений, (В) t — время (c). Емкость, конечно же, зависит от тока. Если ток разряда большой или конденсатор разряжался в течение длительного периода времени, результирующая емкость будет мала. И наоборот, если ток разряда мал или конденсатор разряжался в течение короткого периода времени, измеренная электростатическая емкость будет большая. Поэтому, чтобы иметь воспроизводимые измерения, используют стандартный ток разряда 1 мA/Ф.

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление ионистора, например, по сравнению с электролитическими конденсаторами, велико, поскольку эквивалентная схема ионистора состоит из соединений большого количества малых конденсаторов, имеющих различные значения внутреннего сопротивления. Обычно значения этих сопротивлений могут быть представлены для постоянного напряжения. Но, чтобы получить их истинное значение, необходимо использовать комплексное сопротивление Z (к примеру на 1 кГц). Если измерять ток от 30 до 60 мин после приложения номинального напряжения, он будет довольно большой, до 10 мкА, вследствие того, что этот ток является суммой зарядных токов, протекающих через малые конденсаторы. Так как чрезвычайно трудно определить токи утечки в ионисторах, их чаще всего не указывают в документации. Требуется минимум 10 часов, чтобы полностьюзарядить ионистор так, чтобы появилась возможность оценить ток утечки.

Характеристика заряда

Характеристика зарядки ионистора при условии некоторых допущений может быть представлена выражением (4):

На рис. 9а приведена зависимость напряжения на ионисторе Panasonic EECF5R5U104 от времени заряда при различном сопротивлении нагрузки. С увеличением сопротивления характеристика становится более пологая, а время зарядки увеличивается.

Время разряда для постоянного тока и постоянного сопротивления нагрузки при разряде приведены в выражениях (5) и (6) соответственно:

где: t — время, С — емкость, V₀ — внутреннее напряжение, V₁ — напряжение после t(с), I — ток нагрузки, R — сопротивление нагрузки.

На рис. 9б приведена зависимость напряжения ионистора Panasonic EECF5R5U104 от времени разряда при различном времени процесса зарядки. Видно, что, например, при изменении времени процесса заряда с одного часа до 100 часов, напряжение фактически меняется с 2,5, до 2,8 В, то есть процесс зарядки ионистора может быть очень быстрым.

Рис. 9. Зависимость напряжения ионистора от времени заряда при различном сопротивлении (а) и времени разряда при различном времени заряда (б)

Характеристика разряда и саморазряда

Характеристика разряда ионистора с учетом (3) может быть представлена следующим образом:

Характеристика саморазряда ионистора может быть представлена следующим образом:

где R_L — сопротивление изоляции (сумма сопротивлений частиц активированного угля электрода).

Предполагаемый срок эксплуатации, срок службы и t_back-up

Предполагаемый срок эксплуатации может быть оценен следующим образом:

Срок службы ионистора, как правило, ограничен временем t_back-up, которое задано по условиям эксплуатации. t_back-up (Back-up time) — это время, когда ионистор работает как резервный источник питания между циклами заряда и разряда.

Например, оценим t_back-up для F-типа ионистора Panasonic, EECF5R5h205 (5,5 В, 1,0 Ф), полный заряд при 5,0 В постоянного напряжения, разрядный ток 10 мкА. Температура при разряде –40 °C, напряжение, до которого разрядится ионистор, — 2 В.

Параметр t_back-up может быть рассчитан следующим образом:

где C — емкость ионистора (Ф), i — ток в течение t_back-up (A), i_L — ток утечки (A), R — внутреннее сопротивление ионистора (Ом на 1 кГц), V₁ — напряжение, до которого разрядится ионистор (В), V₀ — приложенное напряжение (В).

Тогда C = 0,8 Ф (1,0 Ф – 20%), R = 50 Ом, V₀ = 5 В, V₁ = 2 В, i =10 мкA. Следовательно: t_back-up = 0,8×(5–0,0005–2)/(10+2×10^–6) = 55 часов.

Этот расчет показывает, что время, которое ионистор будет работать при приведенных условиях как резервный источник питания, составляет около 55 часов.

Если мы возьмем, например, реальное изменение емкости в 30% при четырехкратном изменении внутреннего сопротивления, при 85 °C и 5,5 В, то после 1000 часов эксплуатации t_back-up изменится и составит около 38 часов.

Для учета температурного фактора для ионисторов можно использовать уравнение Аррениуса, согласно которому срок службы устройства удваивается при уменьшении температуры окружающей среды на каждые десять градусов.

При изменении напряжения с 5,5 до 5 В фактор напряжения для изменения емкости составит 1,1. Таким образом, предполагаемый срок эксплуатации = срок службы × температурный фактор × фактор напряжения = 1000 (ч)×22,6×1,1 = 24 800 (ч) = 2,8 года.

Приведенные оценки носят рекомендательный характер. При выборе ионистора, конечно, надо учитывать все необходимые условия и факторы.

Диапазон емкостей ионистора занимает промежуточное положение между емкостями алюминиевого электролитического конденсатора и аккумуляторами и батареями (рис. 10). Ионистор главным образом используется как резервное или автономное питание, а также как замена батарей или аккумуляторов.

Рис. 10. Диапазон емкостей ионистора, алюминиевого электролитического конденсатора, аккумуляторов и батарей

Срок службы. Срок службы ионисторов очень большой. Фактически, когда ионистор находится в надлежащих условиях, он может работать столь же долго, как и само оборудование, в котором он используется.

Широкий рабочий температурный диапазон. Батареи обычно восприимчивы к перепадам температуры и имеют тенденцию терять энергию в процессе нагревания или при низких температурах, например, ниже 0 °C. Некоторые ионисторы могут работать вплоть до индустриального температурного диапазона.

Нет необходимости в контроле заряда. Ni-Cd батареи выделяют тепло в процессе заряда или разряда, которое сокращает срок их службы, поэтому возникает необходимость в схеме контроля заряда и нагрузки. Ионисторы не имеют никакого ограничения по процессу заряда и разряда и не нуждаются в контроле процесса заряда.

Скорость заряда, повторный заряд/циклы разряда. Для ионисторов возможны быстрый заряд и большое количество циклов заряд/рязряд (до нескольких десятков тысяч), поскольку в них не происходит никаких внутренних химических реакций, как, например, в батареях. Ионисторы идеально подходят для схем, в которых необходимы быстрые процессы заряда.

Экологическая чистота. В ионисторах Panasonic не используется никаких токсичных материалов типа свинца, кадмия или ртути. Ионисторы Panasonic удовлетворяют всем требованиям RoHS.

Типы и характеристики ионисторов Panasonic

Компания Panasonic предлагает широкий диапазон типов ионисторов в различных корпусах. Эти устройства могут отличаться по рабочему температурному диапазону, емкости, напряжению и току, а также по применению (рис. 11, табл. 1). В зависимости от тока, ионисторы можно условно разделить на слабо-, средне- и сильноточные (табл. 2, 3). Ионисторы с небольшими токами, как правило, используются в схемах резервного питания, питания схем памяти, цифровых устройствах и т. д. Ионисторы с большими токами (например, HW-серия) используются в схемах управления электродвигателями, в автомобильной электронике и т. д.

Рис. 11. Различные семейства ионисторов Panasonic

Таблица 1. Рекомендуемые серии для типичных применений

Таблица 2. Диапазон емкостей

Код емкости: 223 = 0,022 Ф, 104 = 0,1 Ф, 106 = 10 Ф *EN224 = 0,2 Ф = 2,1 В

Таблица 3. Диапазон токов

Как говорилось ранее, процесс заряда ионистора с учетом некоторых допущений может быть описан выражением (4). На рис. 12а приведена характеристика заряда для ионистора EECF5R5U105 фирмы Panasonic при двух различных сопротивлениях. Поскольку зависимость экспоненциальна, фактически различия наблюдаются на начальном этапе зарядки, в течение 6–7 минут. На рис. 12б для этого же ионистора приведена характеристика саморазряда. Видно, что процесс заряда оптимален при времени заряда больше 24 часов, однако на процесс саморазряда время заряда влияет не сильно, поскольку внутреннее сопротивление ионистора в этом случае изменяется лишь за счет сопротивления перераспределенных ионов. Чем ниже температура работы ионистора, тем больше время саморазряда, и срок службы устройства будет существенно больше (рис. 13). Поскольку зависимость времени разряда от емкости и сопротивления нагрузки прямо пропорциональная, а от напряжения — логарифмическая (смотри зависимость 6), то при большей емкости ионистора и сопротивлении нагрузки, при прочих равных (температура, условия заряда и т. д.), время процесса разряда будет больше (рис. 14а, б). Характеристика разряда, в отличие от саморазряда, зависит от температуры меньше (рис. 15). Изменение емкости, например, для EECF5R5U104 (5,5 В, 0,1 Ф) (условия измерения: 5,5 В, +70 °С) от тока разряда, приложенного напряжения и температуры фактически начинают проявляться при времени, превышающем 1000 часов (рис. 16).

Рис. 12. Характеристика заряда (а) и саморазряда (б) для EECF5R5U105 (5,5 В, 1,0 Ф) при +20 °С

Рис. 13. Характеристика саморазряда в зависимости от температуры для EECS0HD104V (5,5 В, 0,1 Ф)
Условия заряда: 5 В, 24 часа

Рис. 14. Характеристика разряда для ионисторов различной емкости при сопротивлении 1 МОм (а) и в зависимости от сопротивления для EECS0HD473V (5,5 В, 0,047 Ф) (б). Условия заряда: 5 В, 24 часа, +20 °С

Рис. 15. Характеристика разряда в зависимости от температуры при сопротивлении 250 кОм для EECF5R5U104 (5,5 В, 0,1 Ф). Условия заряда : 5 В, 24 часа, +20 °C

Рис. 16. Зависимость между током разряда (а), приложенным напряжением (б), температурой (в) и изменением емкости для EECF5R5U104 (5,5 В, 0,1 Ф). Условия измерения: 5,5 В, +70 °С

Как работают суперконденсаторы? — Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 22 июля 2020 г.

Если вы думаете, что электричество играет сегодня большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили и системы отопления, работающие на ископаемом топливе, должны будут перейти на электроэнергию. также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофический климат изменение. Электричество — чрезвычайно универсальный вид энергии, но он имеет один большой недостаток: в спешке складировать относительно сложно.Батареи могут удерживать большое количество энергии, но на то, чтобы заряжать. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь крошечные количества энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и выделять большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров. Какие они и как работают? Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Стопка суперконденсаторов Maxwell, используемых для хранения энергии в электромобилях.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Как можно хранить электрический заряд?

Фото: В типичной угольно-цинковой батарее на заводе хранится электричество, и ее можно разрядить только один раз, прежде чем ее придется выбросить. Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды выбрасываются во всем мире каждый год.

Батареи и конденсаторы выполняют аналогичную работу — накапливают электричество, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество называется электролитом. Когда вы включаете питание, химические реакции происходят с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции преобразуют химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти. Как только химические вещества будут исчерпаны, реакции прекращаются и аккумулятор разряжен. В перезаряжаемой батарее, например в литий-ионном блоке питания. в портативном компьютере или MP3-плеере реакция может с радостью бегите в любом направлении — так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз перед заменой батареи.

Фотография: Типичный конденсатор в электронной схеме. В нем хранится меньше энергии, чем в аккумуляторе, но его можно заряжать и разряжать мгновенно, почти любое количество раз. В отличие от батареи, положительный и отрицательный заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы заставить его приклеиться.На пластинах накапливаются положительные и отрицательные электрические заряды, и разделение между ними, предотвращающее их соприкосновение, — это то, что сохраняет энергию. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, поэтому можно сказать, что это делает конденсатор более эффективным в качестве устройства для хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не имеют содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать и разряжался бесчисленное количество раз без износа.Но они есть и большой недостаток: килограмм на килограмм, их базовая конструкция не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества электрическая энергия в виде батарей.

Что мы можем с этим поделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо за счет использования лучшего материала для диэлектрика или с помощью металлических пластин большего размера. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно колоссальные тарелки. Грозовые облака, например, по сути, это сверхгигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! Какие об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между тарелками? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.

Artwork: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными способами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик.Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, есть разница: они обычно построены из разных материалов и имеют несколько разную структуру, поэтому они хранят разное количество энергии. В целях этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных обкладок. Пластины сделаны из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда.Представьте на мгновение, что электричество — это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вытереть только крошечные пятна, пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсатора — это электрические губки!

А как насчет разделителя между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как шкала настройки внутри радио).Когда конденсатор заряжен, на одной пластине формируются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в линию, противоположную полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это проиллюстрировано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Изображение: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком (серый).Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору сохранять больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых материалов на основе углерода, пропитанных электролитом.Пластины имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность накапливать гораздо больше заряда.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, по обе стороны от сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый двойной электрический слой толщиной, возможно, всего одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму рисунка, вы увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают свою гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, сделанных из таких вещей, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Фотографии: Суперконденсаторы иногда можно использовать как прямую замену батареям.Вот аккумуляторная дрель на базе суперконденсаторов для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавтам-космическим астронавтам не всегда удается дождаться ночи, когда они начнут учения! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Основная единица электрической емкости называется фарад (F) в честь британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электроэнергии (обычно они измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).В отличие от этого типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (измеренный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это все еще составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор. Но большим преимуществом суперконденсатора является то, что он может хранить и высвобождать энергия почти мгновенно — намного быстрее, чем батарея.Это потому, что суперконденсатор работает за счет накопления статического электричества. заряжается на твердых телах, в то время как батарея полагается на заряды, медленно производимые в результате химических реакций, часто с жидкостями.

Вы часто видите батареи и суперконденсаторы, сравниваемые с точки зрения их энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова используются как синонимы; в науке мощность — это количество энергии, использованное или произведенное за определенный период времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут быстрее выделять энергию).Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и выделения большого количества энергии, но батареи по-прежнему являются королем для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольта), их можно подключать последовательно (как батареи) для получения более высоких напряжений для использования в более мощном оборудовании.

Так как суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и разряжены любое количество раз (спецификации для коммерческих суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).У них небольшое внутреннее сопротивление или оно отсутствует, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. без особых затрат энергии — и работать на очень близких к 100 процентный КПД (обычно 97–98 процентов).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам нужно сохранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы храните в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно тем, что вам нужно.Суперконденсаторы были широко используется в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергия резервуары », сглаживающие подачу питания на электрические и электронное оборудование. Суперконденсаторы также можно подключать к батареи, чтобы регулировать подачу питания.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для хранения энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко используемых в электромобилях. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать прерывистую мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, это означает, что сотни суперконденсаторов, соединенных последовательно, необходим для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А Отчет Allied за 2020 год Маркетинговые исследования оценили мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказывали, что достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

Как работают суперконденсаторы? — Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 22 июля 2020 г.

Если вы думаете, что электричество играет сегодня большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили и системы отопления, работающие на ископаемом топливе, должны будут перейти на электроэнергию. также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофический климат изменение.Электричество — чрезвычайно универсальный вид энергии, но он имеет один большой недостаток: в спешке складировать относительно сложно. Батареи могут удерживать большое количество энергии, но на то, чтобы заряжать. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь крошечные количества энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и выделять большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров.Какие они и как работают? Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Стопка суперконденсаторов Maxwell, используемых для хранения энергии в электромобилях. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Как можно хранить электрический заряд?

Фото: В типичной угольно-цинковой батарее на заводе хранится электричество, и ее можно разрядить только один раз, прежде чем ее придется выбросить.Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды выбрасываются во всем мире каждый год.

Батареи и конденсаторы выполняют аналогичную работу — накапливают электричество, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество называется электролитом. Когда вы включаете питание, химические реакции происходят с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции преобразуют химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти.Как только химические вещества будут исчерпаны, реакции прекращаются и аккумулятор разряжен. В перезаряжаемой батарее, например в литий-ионном блоке питания. в портативном компьютере или MP3-плеере реакция может с радостью бегите в любом направлении — так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз перед заменой батареи.

Фотография: Типичный конденсатор в электронной схеме. В нем хранится меньше энергии, чем в аккумуляторе, но его можно заряжать и разряжать мгновенно, почти любое количество раз.В отличие от батареи, положительный и отрицательный заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы заставить его приклеиться.На пластинах накапливаются положительные и отрицательные электрические заряды, и разделение между ними, предотвращающее их соприкосновение, — это то, что сохраняет энергию. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, поэтому можно сказать, что это делает конденсатор более эффективным в качестве устройства для хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не имеют содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать и разряжался бесчисленное количество раз без износа.Но они есть и большой недостаток: килограмм на килограмм, их базовая конструкция не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества электрическая энергия в виде батарей.

Что мы можем с этим поделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо за счет использования лучшего материала для диэлектрика или с помощью металлических пластин большего размера. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно колоссальные тарелки. Грозовые облака, например, по сути, это сверхгигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! Какие об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между тарелками? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.

Artwork: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными способами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик.Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, есть разница: они обычно построены из разных материалов и имеют несколько разную структуру, поэтому они хранят разное количество энергии. В целях этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных обкладок. Пластины сделаны из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда.Представьте на мгновение, что электричество — это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вытереть только крошечные пятна, пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсатора — это электрические губки!

А как насчет разделителя между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как шкала настройки внутри радио).Когда конденсатор заряжен, на одной пластине формируются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в линию, противоположную полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это проиллюстрировано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Изображение: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком (серый).Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору сохранять больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых материалов на основе углерода, пропитанных электролитом.Пластины имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность накапливать гораздо больше заряда.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, по обе стороны от сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый двойной электрический слой толщиной, возможно, всего одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму рисунка, вы увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают свою гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, сделанных из таких вещей, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Фотографии: Суперконденсаторы иногда можно использовать как прямую замену батареям.Вот аккумуляторная дрель на базе суперконденсаторов для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавтам-космическим астронавтам не всегда удается дождаться ночи, когда они начнут учения! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Основная единица электрической емкости называется фарад (F) в честь британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электроэнергии (обычно они измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).В отличие от этого типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (измеренный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это все еще составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор. Но большим преимуществом суперконденсатора является то, что он может хранить и высвобождать энергия почти мгновенно — намного быстрее, чем батарея.Это потому, что суперконденсатор работает за счет накопления статического электричества. заряжается на твердых телах, в то время как батарея полагается на заряды, медленно производимые в результате химических реакций, часто с жидкостями.

Вы часто видите батареи и суперконденсаторы, сравниваемые с точки зрения их энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова используются как синонимы; в науке мощность — это количество энергии, использованное или произведенное за определенный период времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут быстрее выделять энергию).Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и выделения большого количества энергии, но батареи по-прежнему являются королем для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольта), их можно подключать последовательно (как батареи) для получения более высоких напряжений для использования в более мощном оборудовании.

Так как суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и разряжены любое количество раз (спецификации для коммерческих суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).У них небольшое внутреннее сопротивление или оно отсутствует, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. без особых затрат энергии — и работать на очень близких к 100 процентный КПД (обычно 97–98 процентов).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам нужно сохранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы храните в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно тем, что вам нужно.Суперконденсаторы были широко используется в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергия резервуары », сглаживающие подачу питания на электрические и электронное оборудование. Суперконденсаторы также можно подключать к батареи, чтобы регулировать подачу питания.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для хранения энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко используемых в электромобилях. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать прерывистую мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, это означает, что сотни суперконденсаторов, соединенных последовательно, необходим для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А Отчет Allied за 2020 год Маркетинговые исследования оценили мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказывали, что достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

Как работают суперконденсаторы? — Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 22 июля 2020 г.

Если вы думаете, что электричество играет сегодня большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили и системы отопления, работающие на ископаемом топливе, должны будут перейти на электроэнергию. также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофический климат изменение.Электричество — чрезвычайно универсальный вид энергии, но он имеет один большой недостаток: в спешке складировать относительно сложно. Батареи могут удерживать большое количество энергии, но на то, чтобы заряжать. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь крошечные количества энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и выделять большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров.Какие они и как работают? Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Стопка суперконденсаторов Maxwell, используемых для хранения энергии в электромобилях. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Как можно хранить электрический заряд?

Фото: В типичной угольно-цинковой батарее на заводе хранится электричество, и ее можно разрядить только один раз, прежде чем ее придется выбросить.Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды выбрасываются во всем мире каждый год.

Батареи и конденсаторы выполняют аналогичную работу — накапливают электричество, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество называется электролитом. Когда вы включаете питание, химические реакции происходят с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции преобразуют химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти.Как только химические вещества будут исчерпаны, реакции прекращаются и аккумулятор разряжен. В перезаряжаемой батарее, например в литий-ионном блоке питания. в портативном компьютере или MP3-плеере реакция может с радостью бегите в любом направлении — так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз перед заменой батареи.

Фотография: Типичный конденсатор в электронной схеме. В нем хранится меньше энергии, чем в аккумуляторе, но его можно заряжать и разряжать мгновенно, почти любое количество раз.В отличие от батареи, положительный и отрицательный заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы заставить его приклеиться.На пластинах накапливаются положительные и отрицательные электрические заряды, и разделение между ними, предотвращающее их соприкосновение, — это то, что сохраняет энергию. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, поэтому можно сказать, что это делает конденсатор более эффективным в качестве устройства для хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не имеют содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать и разряжался бесчисленное количество раз без износа.Но они есть и большой недостаток: килограмм на килограмм, их базовая конструкция не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества электрическая энергия в виде батарей.

Что мы можем с этим поделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо за счет использования лучшего материала для диэлектрика или с помощью металлических пластин большего размера. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно колоссальные тарелки. Грозовые облака, например, по сути, это сверхгигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! Какие об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между тарелками? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.

Artwork: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными способами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик.Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, есть разница: они обычно построены из разных материалов и имеют несколько разную структуру, поэтому они хранят разное количество энергии. В целях этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных обкладок. Пластины сделаны из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда.Представьте на мгновение, что электричество — это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вытереть только крошечные пятна, пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсатора — это электрические губки!

А как насчет разделителя между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как шкала настройки внутри радио).Когда конденсатор заряжен, на одной пластине формируются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в линию, противоположную полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это проиллюстрировано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Изображение: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком (серый).Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору сохранять больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых материалов на основе углерода, пропитанных электролитом.Пластины имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность накапливать гораздо больше заряда.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, по обе стороны от сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый двойной электрический слой толщиной, возможно, всего одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму рисунка, вы увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают свою гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, сделанных из таких вещей, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Фотографии: Суперконденсаторы иногда можно использовать как прямую замену батареям.Вот аккумуляторная дрель на базе суперконденсаторов для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавтам-космическим астронавтам не всегда удается дождаться ночи, когда они начнут учения! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Основная единица электрической емкости называется фарад (F) в честь британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электроэнергии (обычно они измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).В отличие от этого типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (измеренный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это все еще составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор. Но большим преимуществом суперконденсатора является то, что он может хранить и высвобождать энергия почти мгновенно — намного быстрее, чем батарея.Это потому, что суперконденсатор работает за счет накопления статического электричества. заряжается на твердых телах, в то время как батарея полагается на заряды, медленно производимые в результате химических реакций, часто с жидкостями.

Вы часто видите батареи и суперконденсаторы, сравниваемые с точки зрения их энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова используются как синонимы; в науке мощность — это количество энергии, использованное или произведенное за определенный период времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут быстрее выделять энергию).Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и выделения большого количества энергии, но батареи по-прежнему являются королем для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольта), их можно подключать последовательно (как батареи) для получения более высоких напряжений для использования в более мощном оборудовании.

Так как суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и разряжены любое количество раз (спецификации для коммерческих суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).У них небольшое внутреннее сопротивление или оно отсутствует, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. без особых затрат энергии — и работать на очень близких к 100 процентный КПД (обычно 97–98 процентов).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам нужно сохранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы храните в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно тем, что вам нужно.Суперконденсаторы были широко используется в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергия резервуары », сглаживающие подачу питания на электрические и электронное оборудование. Суперконденсаторы также можно подключать к батареи, чтобы регулировать подачу питания.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для хранения энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко используемых в электромобилях. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать прерывистую мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, это означает, что сотни суперконденсаторов, соединенных последовательно, необходим для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А Отчет Allied за 2020 год Маркетинговые исследования оценили мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказывали, что достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (ультраконденсатор) — это конденсатор, который имеет большую емкость, поскольку его значение емкости намного выше, чем у других конденсаторов, но с более низкими пределами напряжения, что устраняет разрыв между перезаряжаемыми батареями и электролитическими конденсаторами.Суперконденсаторы обычно хранят в 10-100 раз больше энергии на единицу объема или массы, чем электролитические конденсаторы, могут доставлять и принимать заряд быстрее, чем батареи, и выдерживают гораздо больше циклов заряда и разряда, чем обычные аккумуляторные батареи.

Как работают суперконденсаторы? Конденсатор накапливает энергию за счет статического заряда, не используя электрохимическую реакцию. При приложении разности напряжений между положительной и отрицательной обкладками конденсатор заряжается.Суперконденсатор , , , , измеренный в фарадах, в тысячи раз превосходит электролитический конденсатор. Они используют суперконденсаторы для хранения энергии, что требует регулярных циклов заряда и разряда при более высоком токе и в течение короткого времени. Удельная энергия суперконденсатора в 10–50 раз меньше, чем у Li-ion. Кривая разряда — недостаток суперконденсаторов. В отличие от электрохимических батарей, которые обеспечивают стабильное напряжение в используемом диапазоне мощности, напряжение суперконденсатора уменьшается в линейном масштабе, что сокращает полезный спектр мощности.

Сравнение суперконденсатора и батареи Между батареей и суперконденсатором есть уникальные различия. Химический состав батареи определяет рабочее напряжение, электрохимические реакции управляют зарядом и разрядом. Конденсатор не является электрохимическим, и максимально допустимое напряжение определяется типом диэлектрического материала, разделяющего пластины. Поскольку суперконденсатор не является химическим, напряжение может расти до тех пор, пока диэлектрик не выйдет из строя.Обычно это происходит как короткое замыкание, поэтому рекомендуется не превышать указанное напряжение. Суперконденсатор не заменяет батарею для длительного хранения энергии. Если время зарядки и разрядки превышает 60 секунд, следует использовать аккумулятор; если меньше, то оптимальным решением будет суперконденсатор. Суперконденсаторы идеально подходят для быстрой зарядки и удовлетворения кратковременных потребностей в электроэнергии; в то время как батареи лучше обеспечивают долгосрочную энергию. Объединение этих двух элементов в гибридную батарею может удовлетворить оба требования при одновременном снижении нагрузки на батарею, что приводит к увеличению срока службы.

Применение суперконденсаторов Они используют суперконденсаторы в различных приложениях, таких как автомобили, поезда, краны и лифты, для кратковременного хранения энергии, рекуперативного торможения или выдачи мощности в импульсном режиме. Все эти приложения требуют быстрых циклов зарядки / разрядки вместо компактного длительного хранения энергии. Суперконденсаторы наиболее эффективны для устранения перерывов в питании, которые длятся от нескольких секунд до нескольких минут и могут быстро перезаряжаться. Маховик может обладать аналогичными качествами, а в некоторых приложениях суперконденсатор может конкурировать с маховиком, как в испытании на Лонг-Айлендской железной дороге (LIRR) в Нью-Йорке.

Что такое суперконденсатор? — Определение из Техопедии

Что означает суперконденсатор?

Суперконденсатор — это тип конденсатора, который может хранить большое количество энергии, обычно от 10 до 100 раз больше энергии на единицу массы или объема по сравнению с электролитическими конденсаторами. Он предпочтительнее аккумуляторов из-за более быстрой и простой зарядки, а также более быстрой доставки заряда.

Суперконденсатор также известен как ультраконденсатор или двухслойный электролитический конденсатор.

Techopedia объясняет суперконденсатор

Суперконденсатор похож на конденсатор, за исключением большей площади пластин и меньшего расстояния между ними. Пластины металлические, пропитанные электролитом и разделены очень тонким изолятором. В суперконденсаторе создается двойной электрический слой, так как противоположные заряды образуются с обеих сторон сепаратора, когда пластины заряжаются. В результате получается суперконденсатор с большей емкостью.Другими словами, комбинация пластин и большая эффективная площадь поверхности позволяет суперконденсатору иметь большую емкость и более высокую плотность энергии. В отличие от батареи, суперконденсатор имеет неограниченный жизненный цикл с небольшим износом при длительном использовании. Таким образом, его можно заряжать и разряжать неограниченное количество раз.

Суперконденсатор имеет много преимуществ. Он может обеспечивать высокую мощность и обеспечивать высокие токи нагрузки благодаря низкому сопротивлению. Его механизм зарядки прост и быстр и не подвержен перезарядке.По сравнению с батареей суперконденсатор имеет превосходные характеристики заряда и разряда при высоких и низких температурах. Он также отличается высокой надежностью и низким сопротивлением.

Суперконденсатор имеет определенные ограничения, включая его высокую стоимость и высокий уровень саморазряда. Кроме того, в отличие от обычной батареи, она имеет низкую удельную энергию, а использование полного энергетического спектра затрудняется линейным напряжением разряда.

Благодаря своим свойствам суперконденсаторы используются во многих приложениях.Они широко используются для подачи питания и устранения перерывов в питании. Они заменяют батареи в определенных настройках, например, в устройствах без батареи.

Суперконденсаторы — обзор | Темы ScienceDirect

Суперконденсаторы

Суперконденсаторы — это устройства, которые обладают высокой кулоновской эффективностью и высокой плотностью мощности в течение продолжительных циклов заряда / разряда. Материал электрода сильно влияет на работу устройства. Поэтому важно использовать материалы, которые потенциально увеличивают плотность энергии суперконденсатора при сохранении высокой плотности мощности и стабильности цикла.

Конденсаторы с двойным электрическим слоем (EDLC) — это тип суперконденсаторов, которые похожи на традиционные конденсаторы в том, что они накапливают энергию за счет разделения зарядов. Следующее уравнение определяет емкость устройства:

(6) C = εrε0Ad

Где ε _r — диэлектрическая проницаемость электролита, ε ₀ диэлектрическая проницаемость вакуума, A — площадь поверхности электрод, а d — расстояние разделения зарядов.

Псевдоконденсаторы (ПК) используют фарадеевские окислительно-восстановительные процессы на границе раздела электрод / электролит. Во время зарядки также может наблюдаться поверхностная адсорбция или интеркаляция, в зависимости от структуры материала. Следовательно, электродные материалы также требуют большой площади поверхности и электропроводности. ПК обычно демонстрируют более высокую плотность энергии, но быстро теряют емкость.

Гибридная форма обеих конфигураций приводит к суперконденсаторам, которые состоят из асимметричных электродов фарадеевских и нефарадеевских свойств, которые потенциально могут повысить плотность энергии, не ограничивая возможности устройства по плотности мощности.Для упомянутых типов суперконденсаторов материалы электродов, необходимые для обеспечения исключительных характеристик, должны иметь большую площадь поверхности и высокую электропроводность.

Структуры на основе углерода считаются большими конкурентами в EDLC и изучались в качестве потенциальных электродов. Они не только демонстрируют высокую площадь поверхности и электрическую проводимость, но и демонстрируют широкие окна потенциалов в водных средах, а также хорошую химическую стабильность во многих электролитических растворах с широким диапазоном рабочих температур.Широко известные углеродные материалы, которые используются для применения EDLC, включают, помимо прочего: активированный уголь, графен и УНТ с характеристиками, способными достигать прямоугольных циклических вольтамперограмм почти полной емкости и симметричных гальваностатических профилей заряда-разряда.

При правильной структуре чистые углеродные материалы, демонстрирующие доступные площади поверхности и хорошие электрические и механические свойства, такие как УНТ и графен, могут быть использованы в качестве потенциальных электродов в EDLC и показали хорошую циклическую стабильность и процессы накопления заряда с высокой степенью обратимости.Улучшения электродов все еще продолжаются для возможности создания EDLC с высокой плотностью энергии, а также свойствами с высокой плотностью мощности. Повышение объемной плотности энергии устройства EDLC при сохранении плотности мощности является основной целью текущих исследований для различных приложений. Этого можно добиться, увеличивая площадь поверхности для образования двойного электрического слоя, но этому может препятствовать перенос ионов с плохой связью между порами, которая может захватывать ионы.Следовательно, также важно облегчить быстрый перенос заряда на границе раздела электрод / электролит с длительной структурной стабильностью и эффективно соединенными порами во время циклов заряда / разряда.

В ПК углеродные материалы либо функционализированы, либо составлены для интеграции в качестве электрода. Функционализацию углеродных материалов, таких как УНТ, обычно получают с помощью кислотной и щелочной обработки, они, как видно, демонстрируют повышенную емкость, которая является результатом дополнительных фарадеевских окислительно-восстановительных реакций.Помимо улучшенных характеристик, функционализированные УНТ также обладают большой площадью поверхности и подходящими размерами пор для использования в качестве электродов для ПК. Однако функционализация может привести к снижению проводимости материала и потенциально может сделать его нестабильным для длительного использования.

В ПК большинство фарадеевских электродов, демонстрирующих поверхностную окислительно-восстановительную емкость и свойства интеркаляции ионов, также страдают от пониженной электропроводности (Liu et al ., 2018a, b). По этой причине электроды, изготовленные из электрохимически превосходных оксидов или гидроксидов металлов, например, могут быть составлены из проводящих углеродов, таких как УНТ, чтобы не только обеспечить лучшую электрическую проводимость (в зависимости от их хиральности), но и потенциально ограничить изменение объема. оксидов металлов во время циклов заряда / разряда.

Для обоих типов симметричных суперконденсаторов активация углеродных материалов играет роль в повышении эффективности материала за счет увеличения площади его поверхности для обеспечения более высоких значений емкости. Кроме того, введение микропор, которое также может быть предпринято путем активации, в пористые углеродные структуры с размерами микропор, которые соответствуют размерам микропор выбранного электролита, положительно влияет на электрохимические характеристики. В ПК активация пористых углеродных структур также вводит функциональные группы с добавленной псевдоемкостью.Шаблонные угли, хотя и являются дорогостоящими из-за их сложной подготовки, могут быть специально адаптированы для определения оптимального соотношения размера пор и результирующих характеристик микропористой структуры электрода. Очень важно, чтобы после обработки микропоры были доступны для электролита, чтобы этот процесс был эффективным.

Еще одно усовершенствование углеродных материалов — инициирование активных центров с переносом заряда, что потенциально увеличивает их электрическую проводимость.Этого можно добиться с помощью легирования гетероатомом, и, таким образом, также было замечено, что это увеличивает емкость устройства. Кроме того, обработка материалов в наномасштабе может привести к уменьшению длины диффузии ионов.

Еще один интересный подход к улучшению свойств материала — намеренное создание дефектов в структуре материала. В графене, например, ионный перенос обычно происходит вдоль листов и, таким образом, представляет собой гораздо более длинные пути для переноса ионов.Введение « дырчатых » графеновых или графеновых сеток, где дырки вводятся в структуру решетки, позволило осуществить межплоскостной ионный перенос после того, как слои подвергаются сжимающим силам, что привело к сокращению пути переноса заряда (Xu et al . , 2014).

Примечательно, что синергетический эффект объединения различных углеродных материалов вместе может также привести к улучшенным электрохимическим характеристикам. Например, сетки ОСУНТ, образующие мезопористую углеродную структуру, могут быть вставлены вместе с листами восстановленного оксида графена, легированными азотом, для получения микроволокна, показанного на рис.12. Выровненные ОУНТ имеют относительно низкую емкость двойного электрического слоя, но обладают исключительной электропроводностью и способствуют быстродействию, тогда как восстановленный оксид графена имеет большую площадь поверхности и, следовательно, демонстрирует высокую емкость двойного электрического слоя. Это привело к увеличению площади поверхности, а также электропроводности электрода.

Рис. 12. СЭМ-изображения волокна изображены как (а) площадь поперечного сечения волокна, которая выделена на (b), и при большем увеличении на (c) жгуты SWCNT можно увидеть прикрепленными к краям восстановленная поверхность оксида графена на шкале (а) 15 мкм, (б) 0.5 мкм и (в) 300 нм. Шоу

Воспроизведено Yu, D., Goh, K., Wang, H., et al. ., 2014. Масштабируемый синтез иерархически структурированных волокон УНТ-графен для емкостного накопления энергии. Nat. Nanotechnol. 9, 555–562. Авторское право Springer Nature, 2014 г.

Дополнительные исключительные механические свойства углеродных материалов, таких как УНТ, углеродные нановолокна и графен, позволяют использовать их в гибких суперконденсаторах для носимых технологий (He et al ., 2013). Конденсаторы могут быть в форме проволоки или пленки и могут быть отдельно стоящими или с подложкой.Ожидается, что гибкие электроды сохранят структурную стабильность и будут способны выдерживать длительные механические нагрузки с оптимальной химической стабильностью с электролитами. Предполагается, что электроды для медицинских целей также будут биосовместимыми.

Интересно, что прозрачные EDLC привлекают большое внимание в приложениях, требующих визуальной тенденции. ОУНТ в данном случае используются в качестве электродов с оптической прозрачностью 92% (Kanninen et al ., 2016).

В целом, поддержание высоких значений энергии и плотности мощности с соответствующей механической и химической стабильностью, а также высоких скоростей заряда / разряда с длительным сроком службы и низким спадом емкости важно контролировать с появлением новых концепций электрохимических устройств.

Суперконденсатор | Типы | Направляющая конденсатора

Что такое суперконденсаторы?

Суперконденсаторы — это электронные устройства, которые используются для хранения чрезвычайно большого количества электрического заряда. Они также известны как двухслойные конденсаторы или ультраконденсаторы. Вместо использования обычного диэлектрика в суперконденсаторах используются два механизма для хранения электрической энергии: емкость двойного слоя и псевдоемкость. Емкость двойного слоя имеет электростатическое происхождение, в то время как псевдоемкость является электрохимической, что означает, что суперконденсаторы сочетают работу обычных конденсаторов с работой обычной батареи.Емкости, достигаемые с помощью этой технологии, могут достигать 12000 F. Для сравнения, собственная емкость всей планеты Земля составляет всего около 710 мкФ, что более чем в 15 миллионов раз меньше, чем емкость суперконденсатора. В то время как обычный электростатический конденсатор может иметь высокое максимальное рабочее напряжение, типичное максимальное напряжение заряда суперконденсатора составляет от 2,5 до 2,7 вольт. Суперконденсаторы — это полярные устройства, а это означает, что они должны быть подключены к цепи правильно, как и электролитические конденсаторы.Электрические свойства этих устройств, особенно их быстрое время зарядки и разрядки, очень интересны для некоторых приложений, где суперконденсаторы могут полностью заменить батареи.

Определение суперконденсатора

Суперконденсатор — это специально разработанный конденсатор с очень большой емкостью. Суперконденсаторы сочетают в себе свойства конденсаторов и батарей в одном устройстве.

Характеристики

Время зарядки

Суперконденсаторы

имеют время заряда и разряда, сопоставимое со временем заряда обычных конденсаторов.Благодаря их низкому внутреннему сопротивлению можно добиться высоких зарядных и разрядных токов. Батареям обычно требуется до нескольких часов для достижения полностью заряженного состояния — хорошим примером является аккумулятор сотового телефона, в то время как суперконденсаторы могут быть доведены до такого же состояния заряда менее чем за две минуты.

Удельная мощность

Удельная мощность батареи или суперконденсатора — это мера, используемая для сравнения различных технологий с точки зрения максимальной выходной мощности, деленной на общую массу устройства.Удельная мощность суперконденсаторов в 5-10 раз больше, чем у батарей. Например, в то время как литий-ионные батареи имеют удельную мощность 1–3 кВт / кг, удельная мощность типичного суперконденсатора составляет около 10 кВт / кг. Это свойство особенно важно в приложениях, где требуется быстрое высвобождение энергии из запоминающего устройства.

Жизненный цикл и безопасность

Суперконденсаторные батареи при неправильном обращении безопаснее, чем обычные батареи. В то время как батареи, как известно, взрываются из-за чрезмерного нагрева при коротком замыкании, суперконденсаторы не нагреваются так сильно из-за своего низкого внутреннего сопротивления.Замыкание полностью заряженного суперконденсатора приведет к быстрому высвобождению накопленной энергии, что может вызвать электрическую дугу и может вызвать повреждение устройства, но, в отличие от батарей, выделяемое тепло не вызывает беспокойства.

Суперконденсаторы

могут заряжаться и разряжаться миллионы раз и имеют практически неограниченный срок службы, в то время как батареи имеют срок службы 500 раз и выше. Это делает суперконденсаторы очень полезными в приложениях, где требуется частое накопление и выделение энергии.

Недостатки

У суперконденсаторов

есть и недостатки. Один из недостатков — относительно низкая удельная энергия. Удельная энергия — это мера общего количества энергии, хранящейся в устройстве, деленное на его вес. В то время как литий-ионные батареи, обычно используемые в сотовых телефонах, имеют удельную энергию 100-200 Втч / кг, суперконденсаторы обычно могут хранить только 5 Втч / кг. Это означает, что суперконденсатор, имеющий ту же емкость (не емкость), что и обычная батарея, будет весить до 40 раз больше.Удельную энергию не следует путать с удельной мощностью, которая является мерой максимальной выходной мощности устройства на единицу веса.

Еще один недостаток — линейное напряжение разряда. Например, батарея с номинальным напряжением 2,7 В при 50% заряда по-прежнему будет выдавать напряжение, близкое к 2,7 В, в то время как суперконденсатор с номиналом 2,7 В при 50% заряда будет выдавать ровно половину своего максимального напряжения заряда — 1,35 В. Это означает, что выходное напряжение упадет ниже минимального рабочего напряжения устройства, работающего на суперконденсаторе, например мобильного телефона, и устройству придется отключиться, прежде чем будет использован весь заряд конденсатора.Решение этой проблемы — использование преобразователей постоянного тока в постоянный. Этот подход привносит новые трудности, такие как эффективность и шум мощности.

Стоимость — третий серьезный недостаток доступных в настоящее время суперконденсаторов. Стоимость суперконденсатора более чем в 20 раз выше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Однако стоимость может быть снижена за счет новых технологий и массового производства суперконденсаторных батарей.

Низкая удельная энергия, линейное напряжение разряда и высокая стоимость — основные причины, по которым суперконденсаторы не могут заменять батареи в большинстве приложений.

Конструкция и свойства суперконденсаторов

Конструкция суперконденсатора аналогична конструкции электролитических конденсаторов тем, что они состоят из двух фольговых электродов, электролита и фольгового сепаратора. Сепаратор помещается между электродами, а фольга скручивается или складывается в форму, обычно цилиндрическую или прямоугольную. Эта сложенная форма помещается в корпус, пропитанный электролитом и герметично закрытый. Электролит, используемый в конструкции суперконденсаторов, а также электроды, отличается от тех, которые используются в обычных электролитических конденсаторах.

Для хранения электрического заряда суперконденсатор использует пористые материалы в качестве разделителей, чтобы хранить ионы в этих порах на атомном уровне. Наиболее часто используемым материалом в современных суперконденсаторах является активированный уголь. Тот факт, что углерод не является хорошим изолятором, приводит к тому, что максимальное рабочее напряжение ограничивается до 3 В. Активированный уголь не является идеальным материалом по другой причине: носители заряда сопоставимы по размеру с порами в материале, а некоторые из них не могут вписывается в более мелкие поры, что приводит к уменьшению емкости хранения.

Графен — один из самых интересных материалов, используемых в исследованиях суперконденсаторов. Графен — это вещество, состоящее из чистого углерода, расположенного в виде плоского листа толщиной всего в один атом. Он чрезвычайно пористый и действует как ионная «губка». Плотности энергии, достижимые при использовании графена в суперконденсаторах, сопоставимы с плотностями энергии, обнаруженными в батареях. Однако, несмотря на то, что прототипы графеновых суперконденсаторов были созданы в качестве доказательства концепции, графен сложно и дорого производить в промышленных количествах, что откладывает использование этой технологии.Тем не менее, графеновые суперконденсаторы являются наиболее многообещающим кандидатом для будущих достижений в технологии суперконденсаторов.

Приложения для суперконденсаторов

Поскольку суперконденсаторы перекрывают разрыв между батареями и конденсаторами, они могут использоваться в самых разных приложениях. Одним из интересных приложений является хранение энергии в KERS или динамических тормозных системах (система рекуперации кинетической энергии) в автомобильной промышленности. Основная проблема в таких системах — это создание накопителя энергии, способного быстро накапливать большое количество энергии.Один из подходов заключается в использовании электрического генератора, который преобразует кинетическую энергию в электрическую и хранит ее в суперконденсаторе. Эта энергия позже может быть повторно использована для обеспечения мощности для ускорения.

Другой пример — приложения с низким энергопотреблением, где высокая емкость не обязательна, но важен длительный жизненный цикл или быстрая подзарядка. Такими приложениями являются фотографическая вспышка, MP3-плееры, статические запоминающие устройства (SRAM), которым для сохранения информации требуется источник постоянного напряжения малой мощности и т. Д.

Возможные будущие применения суперконденсаторов в сотовых телефонах, ноутбуках, электромобилях и всех других устройствах, которые в настоящее время работают от батарей. Наиболее захватывающим преимуществом с практической точки зрения является их очень высокая скорость перезарядки, что означает, что подключения электромобиля к зарядному устройству на несколько минут будет достаточно для полной зарядки аккумулятора.

.