Что такое ионистор как он работает: Ионистор. Что такое и зачем нужен? — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

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 H₂SO₄. 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:

Где применяют ионистор? Типы ионисторов, их назначение, преимущества и недостатки

Ионистор – это электрохимические конденсаторы с двойным слоем или суперконденсаторы. Их металлические электроды покрыты очень пористым активированным углем, традиционно изготовленным из скорлупы кокосового ореха, но чаще всего из углеродного аэрогеля, других наноуглеродных или графеновых нанотрубок. Между этими электродами находится пористый сепаратор, который удерживает электроды друг от друга, при наматывании на спираль, все это пропитано электролитом. Некоторые инновационные формы ионистора имеют твердый электролит. Они заменяют традиционные батареи в источниках бесперебойного питания вплоть до грузовиков, где применяют ионистор в качестве источника питания.

Принцип работы

Ионистор использует действие двойной прослойки, сформированного на границе между углем и электролитом. Активированный уголь применяется в качестве электрода в твердой форме, а электролит в жидкой. Когда эти материалы контактируют друг с другом, положительные и отрицательные полюса распределяются относительно друг друга на очень коротком расстоянии. При приложении электрического поля в качестве основной конструкции используется электрический двойной слой, который образуется вблизи поверхности угля в электролитической жидкости.

Преимущество конструкции:

Обеспечивает емкость в небольшом устройстве, нет нужды в специальных схемах зарядки для контроля во время разрядки в устройствах, где применяют ионистор.
Перезарядка или чрезмерно частая разрядка не оказывает негативного влияния на срок службы, как в типовых батареях.
Технология чрезвычайно «чистая» с точки зрения экологии.
Нет проблем с нестабильными контактами, так у обычных батарей.

Недостатки конструкции:

Продолжительность работы ограничена из-за использования электролита в устройствах, где применяют ионистор.
Электролит может протекать, если конденсатор эксплуатируется неправильно.
По сравнению с алюминиевыми конденсаторами эти ионисторы имеют высокие сопротивления и поэтому не могут использоваться в цепях переменного тока.

Используя преимущества, описанные выше, электрические ионисторы широко применяются в таких приложениях, как:

Резервирование памяти для таймеров, программ, питание е-мобиля и т. д.
Видео и аудио оборудование.
Резервные источники при замене батарей для портативного электронного оборудования.
Источники питания для оборудования, использующего солнечные элементы, такие как часы и индикаторы.
Стартеры для малых и мобильных двигателей.

Окислительно-восстановительные реакции

Аккумулятор заряда расположен на границе раздела между электродом и электролитом. Во время процесса зарядки электроны, движутся от отрицательного электрода к положительному по внешнему контуру. Во время разряда электроны и ионы движутся в обратном направлении. В суперконденсаторе EDLC нет переноса заряда. В этом типе суперконденсатора окислительно-восстановительная реакция возникает на электроде, генерирующем заряды и переносе заряда через двойные слои конструкции, где применяют ионистор.

Из-за окислительно-восстановительной реакции, происходящей в этом типе, существует потенциал с меньшей плотностью мощности, чем EDLC, поскольку системы Faradaic медленнее, чем нефарадевидные системы. Как правило, псевдокапакторы обеспечивают более высокую удельную емкость и плотность энергии, чем EDLC, из-за того, что они относятся к фарадеитовой системе. Тем не менее правильный выбор суперконденсатора зависит от приложения и доступности.

Материалы на основе графена

Ионистор характеризуется способностью быстрого заряда, гораздо быстрее, чем у традиционной батареи, но он не способен хранить столько же энергии, как батарея, так как имеет более низкую плотность энергии. Повышение эффективности у них достигается благодаря использованию графеновых и углеродных нанотрубок. Они помогут в будущем ионисторам полностью вытеснить электрохимические батареи. Нанотехнология сегодня является источником многих нововведений, особенно в е-мобиле.

Графен увеличивает емкость ионисторов. Этот революционный материал состоит из листов, толщина которых может быть ограничена толщиной атома углерода и атомная структура которого является ультраплотной. Такие характеристики способны заменить кремний в электронике. Пористый сепаратор помещается между двумя электродами. Однако вариации механизма хранения и выбор материала электрода приводят к различным классификациям ионисторов большой емкости:

Электрохимические двухслойные конденсаторы (EDLC), которые по большей части используют высокоуглеродистые углеродные электроды и сохраняют свою энергию за счет быстрой адсорбции ионов на границе раздела электрода/электролита.
Psuedo-конденсаторы, основаны на фагадическом процессе переноса заряда на поверхности электрода или вблизи него. В этом случае проводящие полимеры и оксиды переходных металлов остаются электрохимическими активными материалами,например, как в электронных часах на батарейках.

Гибкие устройства на основе полимеров

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

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

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

Производительность суперконденсаторов

Она определяется с точки зрения электрохимической активности и химических кинетических свойств, а именно: электронной и ионной кинетикой (транспортировкой) внутри электродов и эффективностью скорости переноса заряда на электрод/электролит. Для высокой производительности при использовании материалов на основе углерода с EDLC важна удельная площадь поверхности, электропроводность, размер пор и отличия. Графен с его высокой электропроводностью, большой площадью поверхности и межслойной структурой привлекателен для использования в EDLC.

В случае псевдоконденсаторов, несмотря на то что они обеспечивают превосходную емкость по сравнению с EDLC, они все же ограничены плотностями малой мощностью микросхемы кмоп. Это объясняется плохой электропроводностью, ограничивающей быстрое электронное движение. Кроме того, окислительно-восстановительный процесс, который ведет процесс зарядки/разрядки, может повредить электроактивные материалы. Высокая электропроводность графена и его отличная механическая прочность делают его пригодным в качестве материала в псевдоконденсаторах.

Исследования адсорбции на графене показали, что она происходит в основном на поверхности графеновых листов с доступом к большим порам (т.е. межслойная структура является пористой, обеспечивая легкий доступ к ионам электролита). Таким образом, для лучшей производительности следует избегать агломерации графена без пор. Производительность может быть дополнительно улучшена путем модификации поверхности путем присоединения функциональных групп, гибридизации с электропроводящими полимерами и путем образования композитов графена/оксида металла.

Сравнение конденсаторов

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

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

Характеристика заряда

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

Функция	Ионистор	Литий-ионный (общий)
Время заряда	1-10 секунд	10-60 минут
Жизненный цикл часов	1 млн или 30 000	500 и выше
Напряжение	От 2,3 до 2,75 В	3,6 В
Удельная энергия (Вт / кг)	5 (типичный)	120-240
Удельная мощность (Вт / кг)	До 10000	1000-3000
Стоимость за кВтч	10 000 $	250-1,000 $
Срок службы	10-15 лет	От 5 до 10 лет
Температура зарядки	От -40 до 65 °C	От 0 до 45 °C
Температура нагнетания	От -40 до 65 °C	От -20 до 60 °C

Преимущества устройств для зарядки

Транспортные средства нуждаются в дополнительном энергетическом рывке для ускорения, и именно в этом подходят ионисторы. Они имеют ограничение общего заряда, но они способны передать его очень быстро, что делает их идеальным аккумуляторами. Преимущества их по отношению к традиционным батареям:

Низкий импеданс (ESR) увеличивает импульсный ток и нагрузку при параллельном соединении с батареей.
Очень высокий цикл — разряд занимает миллисекунды до нескольких минут.
Падение напряжения по сравнению с устройством, работающим от батареи, без суперконденсатора.
Высокая эффективность при 97-98%, а эффективность DC-DC в обоих направлениях составляет 80% -95% в большинстве приложений, например, видеорегистратора с ионисторами.
В гибридном электрическом транспортном средстве эффективность кругового движения на 10% больше, чем у батареи.
Хорошо работает в очень широком температурном диапазоне, обычно от -40 C до + 70 C, но может быть и от -50 C до + 85 C, есть специальные версии, достигающие 125 C.
Небольшое количество тепла, выделяемого во время зарядки и разряда.
Длительный срок службы цикла с высокой надежностью, что снижает затраты на обслуживание.
Небольшая деградация в течение сотен тысяч циклов и длится до 20 миллионов циклов.
Они теряют не более 20% своей емкости после 10 лет, а продолжительность жизни составляет 20 лет и более.
Не подвержены износу и старению.
Не влияет на глубокие разряды, в отличие от батарей.
Повышенная безопасность по сравнению с батареями — нет опасности перезарядки или взрыва.
В конце эксплуатации не содержит опасных материалов для удаления, в отличие от многих батарей.
Соответствует экологическим стандартам, поэтому нет сложной утилизации или переработки.

Сдерживающая технология

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

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

Гибридная система хранения

Специальная конструкция и встроенные технологии силовой электроники были разработаны для производства модулей ионисторов с новой структурой. Поскольку их модули должны быть изготовлены с использованием новых технологий, они могут быть интегрированы в панели кузова автомобиля, такие как крыша, двери и крышка багажника. Кроме того, были изобретены новые технологии балансировки энергии, которые уменьшают потери энергии и размеры схем балансировки энергии в системах устройств и хранения энергии.

Также были разработаны серии связанных технологий, таких как контроль зарядки и разрядки, а также соединения с другими системами хранения энергии. Модуль ионистора с номинальной емкостью 150F, номинальным напряжением 50 В может быть размещен на плоских и криволинейных поверхностях с площадью поверхности 0,5 кв. м и толщиной 4 см. Приложения применимо к электромобилям и может быть интегрировано с различными частями транспортного средства и к другим случаям, когда требуются системы хранения энергии.

Применение и перспективы

В США, России и Китае есть автобусы без тяговых батарей, все работы выполняются ионисторами. General Electric разработала пикап с суперконденсатором, заменяющим аккумулятор, аналогичное произошло в некоторых ракетах, игрушках и электроинструментах. Испытания показали, что суперконденсаторы превосходят свинцово-кислотные батареи в ветровых турбинах, что было достигнуто без плотности энергии суперконденсаторов, приближающейся к концентрации свинцово-кислотных батарей.

Теперь очевидно, что ионисторы похоронят свинцово-кислотные батареи в течение следующих нескольких лет, но это лишь часть истории, поскольку их параметры улучшаются быстрее, чем конкуренция. Поставщики, такие как Elbit Systems , Graphene Energy, Nanotech Instruments и Skeleton Technologies, заявили, что превышают плотность энергии свинцово-кислотных аккумуляторов с их суперконденсаторами и супербактериями, некоторые из которых теоретически соответствуют плотности энергии литий-ионов.

Тем не менее, ионистор в электромобиле — это один из аспектов электроники и электротехники, который игнорируется прессой, инвесторами, потенциальными поставщиками и многими людьми, живущими старыми технологиями, несмотря на стремительный рост многомиллиардного рынка. Например, для наземных, водных и воздушно аппаратов насчитывается около 200 серьезных производителей тяговых двигателей и 110 серьезных поставщиков тяговых батарей по сравнению с несколькими производителями суперконденсаторов. В целом в мире насчитывается не более 66 крупных производителей ионисторов, большинство из которых сосредоточили свое призводство на более легких моделях для потребительской электроники.

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:

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.
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.
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.
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.
Продолжительность жизни EDLC составляет от 10 до 20 лет, при этом ёмкость за 10 лет снижается с 100% до 80%.
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:

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.
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.
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.
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.

Ионисторы или суперконденсаторы большой мощности: как сделать своими руками

Человечество с каждым днём всё более нуждается в качественных источниках резервного питания. Аккумуляторы – довольно сложные в обслуживании приборы и ограниченные в объёме электрического заряда. Требовался мощный накопитель электроэнергии. Такой прибор был изобретён. Ионистор – что это такое? Это суперконденсатор (Supercapacitor), электролит которого может состоять, как из органических, так и неорганических веществ. По функциональным возможностям ионистор можно определить не только как конденсатор, но и как химический источник тока.

Ионисторы

Концепция

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

История изобретения ионистора

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

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

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

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

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

Важно! Прогресс в совершенствовании суперконденсаторов приведёт к тому, что ионисторы полностью заменят традиционные аккумуляторы.
Разновидности суперконденсаторов
Ионисторы делятся на три вида:
Идеальный ионистор. Название было присвоено ионному конденсатору, в котором электроды из углерода поляризовались на 100%. При полном отсутствии электрохимических процессов энергия накапливается благодаря ионному переносу электронов с одного на другой электрод. Электролитом в «идеальных» ионисторах служат растворы основания KOH и серной кислоты h3SO4.
Гибридные ионисторы – это конденсаторы со слабо поляризуемыми электродами. Скопление энергии в ДЭС происходит на поверхности одного из электродов.
Псевдоионисторы обладают высокой удельной ёмкостью. На поверхности электродов происходят возвратные электрохимические реакции.
Устройство ионистора
Сравнение положительных и отрицательных сторон
Ионисторы стали использовать не только, как преобразователи параметров электрической цепи, но и как поставщики электроэнергии. Они стали широко применяться вместо одноразовых аккумуляторных элементов питания в электронных системах хранения информации.
Обратите внимание! Несмотря на превосходные технические характеристики ионисторов, ими ещё нельзя полноценно заменить аккумулятор на автомобиле.
По сравнению с гальваническими элементами и аккумуляторами, ионисторы имеют свои недостатки и преимущества.
Недостатки
Массовое внедрение ионисторов тормозит их высокая стоимость.
Зависимость напряжения от уровня зарядки конденсатора.
В момент короткого замыкания возникает риск выгорания электродов в ионисторах большой ёмкости при крайне низком ВС.
Высокий показатель саморазряда суперконденсаторов ёмкостью в несколько фарад.
Небольшая скорость отдачи энергии, в отличие от обычных конденсаторов.
Достоинства
Возможность устанавливать максимально большой ток зарядки и получать разряд той же величины.
Высокая стойкость к деградации. Многочисленные исследования показали, что даже после 100 тыс. циклов заряда-разрядки у ионисторов не наблюдалось ухудшение характеристик.
Оптимальное внутреннее сопротивление не допускает быстрый саморазряд, не приводит к перегреву устройства и его разрушению.
В среднем ионистор может прослужить около 40 тыс. часов при минимальном снижении ёмкости.
Ионистор обладает небольшим весом, в отличие от электролитических конденсаторов аналогичной ёмкости.
Ионистор отлично функционирует и в мороз, и в жаркое время года.
Достаточная механическая прочность позволяет устройству переносить значительные нагрузки.
Материалы изготовления
Электроды традиционно изготавливают из активированного угля. В некоторых случаях используют вспененный металл. Именно эти материалы обладают повышенной пористостью, что необходимо для получения больших площадей поверхности. Это особенность позволяет хранить энергию в больших объёмах.
Плотность энергии
Ионисторы не отличаются повышенной плотностью энергии. У ионистора весом 500 граммов плотность энергии равна 20 кДж/кг. Это почти в 8 раз меньше показателя обычного кислотного аккумулятора. Однако этот параметр суперконденсаторов в несколько десятков раз превышает показатель простых конденсаторов.
Практическое использование ионисторов
Современные модели суперконденсаторов стали использоваться в сферах транспорта и бытовой электроники.
Транспортные средства
С недавнего времени в схему питания электротранспорта всё чаще стали встраивать мощные ионистры.
Тяжёлый и общественный транспорт
На улицах мегаполисов мира стали появляться электробусы. В Москве можно увидеть общественный транспорт, работающий на энергии бортовых ионисторов. Отечественные электрические автобусы вышли на городские маршруты столицы в мае нынешнего года.
На тяжёлых транспортных средствах суперконденсаторы используются как вспомогательный источник питания.
Автомобили
Ведущие производители электромобилей, такие как Тесла и Ниссан, пользуясь международными выставками, представляют каждый раз новые модели, системы питания которых построены на ионисторах. Российский опытный образец Ё-мобиль использует суперконденсатор как основной источник энергии.

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

Суперконденсатор с АКБ для облегчённого пуска двигателя
Автогонки
Для пропаганды и рекламы автомобилей, работающих на ионисторах, ведущие автоконцерны постоянно проводят автогонки на таких автомашинах. Зрители на таких мероприятиях проявляют большой интерес к перспективе развития электрического индивидуального транспорта.
Бытовая электроника
Суперконденсаторы стремительно ворвались в сферу бытовой электроники. Их можно заметить в блоках резервного питания ноутбуков, смартфонов. Ионисторы встроены в операционные блоки персональных компьютеров. Они предохраняют от потери данных во время аварийных отключений от постоянного источника электроэнергии.

Ионистор для бесперебойного питания ПК
Перспективы развития
Специалисты предсказывают повсеместную замену традиционного общественного транспорта на гибридные модели. Троллейбусы смогут преодолевать трудные участки дороги без троллей с использованием питания бортовых ионисторов. Учёные во всём мире ведут поиски новых материалов для изготовления сверхмощных суперконденсаторов.
Обозначение ионистора на схеме
Суперконденсаторы на схемах обозначают в виде прямоугольников или треугольников, в поле которых присутствуют две латинские литеры IC.

Обозначение ионистора на схеме
Ионистор своими руками
Для изготовления суперконденсатора своими руками потребуются:
фольга, можно взять вкладку из пачки сигарет, она будет диэлектриком;
таблетка активированного угля, это будет электрод;
клей ПВА в качестве электролита.
Изготавливают простейший ионистор своими руками следующим образом:
Мелко размолотый уголь перемешивают с клеем ПВА.
Кистью наносят смесь на один отрезок фольги.
После каждой просушки наносят следующий клеевой слой. Трех слоев вполне достаточно для изготовления ионистора.
На высушенную поверхность накладывают второй отрезок фольги после обработки клеем ПВА.
Приложив с двух сторон модели проводки от батарейки, заряжают самодельный ионистор.
Самодельный ионистор
Продемонстрировать возможности самоделки можно, услышав сигнал подсоединённого маломощного динамика, или, если применить его для свечения светодиода.
Частота, с которой создаются новые модели суперконденсаторов, настолько большая, что порой трудно запоминать новые названия. Специалисты ожидают скорого появления высоковольтных иониксов, которые совершат технологическую революцию во всех сферах деятельности человека.
Видео
Ионистор вместо аккумулятора: наглядная сборка накопителя энергии
Ионистор вместо аккумулятора — практический обзор сборки суперконденсатора
Ионистор вместо аккумулятора (он же суперконденсатор, ультраконденсатор) — в принципе это тот же конденсатор, только имеющий большую емкость, которую можно сравнить с аккумулятором. Вот именно такое устройство рассчитанное на напряжение 12v я собрал для нужд в бытовом хозяйстве. Практически такой прибор способен работать во много раз дольше, чем аккумуляторы различных типов, конечно при условии эксплуатации в определенных режимах. Вот в чем особенность применения ионистора вместо аккумулятора и его преимущество:

прибору не страшен полный разряд до нулевого значения;
в несколько сотен раз больше способен выдержать моментов заряда/разряда;
прибор не боится максимальных значений по току.
Но не только такие особенности имеются у ионистора использующегося вместо аккумулятора, о них я скажу после выполнения сборки накопителя.
Необходимые компоненты
Суперконденсаторы в количестве восьми штук с номиналом 2,7v х 500F
Одножильый провод сечением от 2 мм²
Пару винтов и гаек
Инструмент: паяльник, пинцет, кусачки.
Расходники: припой, флюс.
Ионистор вместо аккумулятора — порядок сборки батареи
В данном обзоре я буду собирать накопитель энергии с применением восьми конденсаторов, включенных по встречно-параллельной схеме. В принципе будет организованно четыре пары по две емкости включенных параллельно, а пары в свою очередь соединены последовательно.
Эмалированный провод нужно выровнять и убрать с него лак. Выполняется это с помощью рабочего ножа или специального инструмента для зачистки проводов ( у кого он имеется).
Формируем медный провод в соединительные шины
Необходимо изготовить три квадратных элемента и пару полюсов для клемм «+» и «-«
К сформированным изделиям для контактов припаиваем гайки, к которым будут подключаться провода питания.
Залуживаем места соединения квадратов.
Соединяем емкости в батарею, припаиваем проводники к выводам конденсатора, соблюдая при этом полярность.
Вначале нужно собрать четыре группы.
Теперь припаиваем шины для подключения проводов питания.
На этом этапе нужно зарядить батарею током 5А.
По истечению пяти минут накопитель будет полностью заряжен.
Делаем испытательный тест лампой накаливания.
Делаем короткое замыкание выходных контактов — провод разогрелся до красного состояния.
Испытываем батарею подключением электромотора.
Где такая конструкцию используется
Использовать можно ионистор вместо аккумулятора, там где присутствуют большие и цикличные нагрузки по току. Классический пример: накопительная емкость для сабвуфера установленного в автомобиле. Кроме этого суперконденсатор может быть задействован в устройствах где происходят постоянные циклы зарядки/разрядки, например: устройства накопления солнечной энергии с последующей ее передачей фонарям освещения в ночное время.
Здесь приведены только два примера использования ионистора вместо аккумулятора, но на самом деле их существенно больше.
Стоимость компонентов для сборки такого прибора вполне приемлема, особенно если взять во внимание колоссальный срок их эксплуатации с учетом применения по назначению.
Сборка ионистора вместо аккумулятора 12v, 100A
Суперконденсаторы или Ионисторы вместо аккумулятора. Новая технология Ё-мобиль.
Большинство современных конденсаторов имеют емкость в микрофарадах или пикофарадах. Емкость Ионисторов исчисляется Фарадами.
Что бы понять насколько это много, можно вспомнить формулу по которой можно рассчитать необходимую емкость в зависимости от нагрузки.
C=I·t/U ,

где
С — емкость, Ф;
I — постоянный ток разрядки, А;
U — номинальное напряжение ионистора, В;
t — время разрядки от Uном до нуля, с;
Сейчас на рынке уже есть ионисторы емкостью в десятки Фарад.
К примеру есть ионистор на 5,5 Вольта емкостью 22 Фарада. Мы зарядим его полностью и подключим лампочку на 1 Ватт (5,5 Вольт 0,18 Ампера).
Итого:
22 Фарада = 0,18 Ампера t / 5,5 Вольта
t = 672 секунды
Исходя из формулы выше наша лампочка будет гореть 672 секунды или 12 минут. Кажется что это не такая большая величина, но на самом деле мы можем использовать несколько ионисторов сразу.
Для примера существуют суперконденсаторы намного большей емкости.

Модуль суперконденсаторов Maxwell на 500 фарад. Рабочее напряжение 12Вольт — 48 Вольт
К примеру на новом российском авто Ё-мобиль используются конденсаторы фирмы https://www.elton-cap.com/.
Ионисторы этой фирмы достигают емкости в 10 000 Фарад при напряжении 1,5 Вольта. Так же они производят ячейки (модули) с несколькими ионисторами емкостью в 1000 Фарад и рабочим напряжением 15 Вольт.
К сожалению у Суперконденсаторов есть достоинства и недостатки.
— Суперконденсаторы достаточно дорогие поэтому не составляют конкуренции батареям (аккумуляторам), так как конденсаторы емкостью равной емкости одного аккумулятора обойдутся вам в тысячи долларов.
Темнеменее использование суперконденсаторов в электронике более чем оправдано.
— к сожалению на контантах суперконденсаторов во время всего цикла разрядки падает напряжение, поэтому для устройств которые требуют постоянного напряжение это не применимо. Возможен вариант использования стабилизатора, но при этом устройство будет потреблять больше энергии.
— к сожалению суперконденсатор нельзя полноценно использовать вместе с аккумулятором. Если их подключить параллельно из-за внутреннего сопротивления, аккумуляторная батарея всегда будет отдавать больше тока чем конденсатор.
При этом если потребитель использует импульсный источник питания, в те моменты когда батарея и конденсатор будут отключены — батарея будет заряжать конденсатор, при этом с большими токами и щадящего режима для батареи просто не получится.
Единственный выход использовать Ионисторы как дополнительный источник питания, тоесть заряжать их во время когда сеть не нагружена и полностью отдавать их энергию в нужные моменты, после чего подключать батарею, когда энергия уже исчерпана.
Это значительно усложняет систему а значит и цену таких устройств.
Однако все так же еффективно эти конденсаторы можно использовать в системах рекуперации энергии.
+ очень большое колличество циклов заряда и разряда
+ большие токи отдачи
+ Суперконденсаторы достаточно быстро заряжаются (практически моментально зависит от того какой ток может обеспечить зарядное устройство)
+ Суперконденсаторы намного меньше обычных конденсаторов и в тоже время имеют намного большую емкость.
+ широкий рабочий диаппазон температур (от -50 до + 50 градусов цельсия)
Возможно за суперконденсаторами будущее, но к сожалению на данный момент они вряд ли смогут полностью заменить аккумуляторы.

Суперконденсаторы BOOSTCAP большой емкости для увеличение потенциала электромобиля. Соединены параллельно с аккумуляторной батарей

Сборка из 200 суперконденсаторов BOOSTCAP установленных в багажник электромобиля для уменьшения нагрузки на аккумуляторы и ускорения зарядки
Хотя на некоторых автомобилях уже сейчас заменяются пусковые батареи на суперконденсаторы, которые куда более эффективно выполняют свои функции. В часности они отдают моментально очень большие токи которые необходимы для удачного пуска двигателя особенно в холодную погоду.
Первый кремниевый ионистор / Хабр
Всем известны свойства ионисторов — эти электрохимические устройства сочетают свойства конденсаторов и химических батарей. Они способны очень быстро заряжаться/разряжаться и хранить гораздо больше энергии, чем обычные конденсаторы, за счёт уникальной особенности — двойного слоя ионов и противоионов, которые выполняют роль обкладки электролита.
Никто раньше не мог предположить, что возможно создание ионисторов из кремния, без применения химического электролита. Однако, научная статья в журнале Scientific Reports от 22.10.2013 г свидетельствует о том, что учёным из университета Вандербильта удалось это сделать. Они впервые в мире создали кремниевый ионистор методом травления кремниевой подложки и покрытия «вафли» графеном.
Сложно даже описать, какие перспективы это сулит для мобильной электроники, ведь теперь хранить заряд можно непосредственно на микросхеме, без необходимости заряжать химический аккумулятор! Представьте солнечные батареи, которые запасают заряд и выдают электричество круглые сутки. Мобильный телефон или ноутбук, который заряжается за несколько секунд и работает неделю без подзарядки или, наоборот, может разрядиться за секунду, как электрошокер. И это только самые очевидные примеры.

«Если бы вы спросили эксперта, возможно ли создать ионистор из кремния, он сразу вам скажет, что это сумасшедшая идея, — говорит Кэри Пинт (Cary Pint), доцент с кафедры машиностроения университета Вандербильта, под руководством которого осуществлялись исследования (на фото). — Но нам удалось найти простой способ сделать это».
Уникальные свойства электрохимических ионисторов уже позволили найти им коммерческое применение. Правда, только в некоторых узких нишах. Например, они используются для накопления кинетической энергии от торможения в болидах «Формулы-1» и некоторых коммерческих автомобилях, автобусах и электромобилях. Это системы типа KERS: накопленную энергию они вскоре отдают на колёса, добавляя крутящий момент во время разгона. Ионисторы ставят на турбины больших ветряков, которым нужна подпитка энергией в моменты смены силы и направления ветра.
Ионисторы до сих пор уступают по плотности энергии химическим аккумуляторам типа литий-ионных аккумуляторов, так что они слишком громоздки для большинства мобильных устройств, но быстро ликвидируют отставание.

На диаграмме показаны плотность энергии (ватт-час на кг) и удельная мощность (ватт на кг) ионисторов из пористого кремния (P-Si), углеродных коммерческих ионисторов и ионисторов из пористого кремния с графеновым покрытием
Нужно заметить, что в последнее время на слуху эксперименты с ионисторами из графена или нанотрубок, так что новая работа инженеров из университета Вандербильта несколько выбивается из общего потока.
Простота их подхода заключается в использовании пористого кремния — материала с контролируемыми свойствами, который можно легко получить травлением «вафли». Инженеры обнаружили, что при покрытии материала слоем графена его свойства как ионистора кардинально улучшаются.
«Мы понятия не имели, что получится [когда начинали эксперименты], — говорит Пинт. — Обычно исследователи выращивают графен из карбида кремния на температурах более 1400°C, так что на меньших температурах 500-600°C мы не ожидали, что вырастет нечто похожее на него».
Когда инженеры вынули кремниевую вафлю из печи, то увидели, что её цвет уже не оранжевый, а фиолетовый, местами чёрный. Исследование под электронным микроскопом показало, что пористый кремний покрыт тонким слоем углерода толщиной несколько нанометров.

Структура пористого кремния без покрытия графеном (слева) и с покрытием (справа)
Тесты показали, что графеновое покрытие выполняет роль защитного слоя, а при заряде ионистора максимальная плотность энергии выросла в 25 раз.
Авторы исследования говорят, что цель их работы — не создание ионисторов с рекордной плотностью энергии, а их интеграция в обычные микросхемы, которые изготовляются по стандартному техпроцессу. Наиболее логичный вариант — установка ионисторов с обратной стороны солнечных панелей и сенсоров. Всё больше устройств вокруг нас требуют электрической энергии: «Чем лучше мы сможем интегрировать хранение энергии в существующие материалы и устройства, тем более компактными и эффективными они станут», — говорит Пинт.
Как работают суперконденсаторы? — Объясни этот 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 страдает одним большим недостатком: в спешке складировать относительно сложно.Батареи могут удерживать большое количество энергии, но на то, чтобы заряжать. С другой стороны, конденсаторы заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь крошечные количества энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и отпускать большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров. Что они собой представляют и как работают? Рассмотрим подробнее!
Фото: Стек 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 — хранят электроэнергию, 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 останавливаются 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 похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы он прилип.Положительные и отрицательные электрические заряды накапливаются на пластинах, 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 миллионы 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, это по сути сверхгигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! какой 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 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. Для целей этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.
Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных обкладок. Пластины изготовлены 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 в направлении, противоположном 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, создавая 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, обычно 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, с обеих сторон 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 тренировок в течение ночи! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (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 электричества (обычно они измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).Напротив, типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (номинальный 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.
Часто сравнивают батареи и суперконденсаторы по 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 запасают 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 высвобождения большого количества энергии, но батареи по-прежнему важны 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.
Поскольку 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 для регулирования мощности, которую они подают.
Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для хранения энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко используемых в электромобилях. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА (NASA-GRC).
Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать скачкообразную 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 теряет 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 последовательно соединенных суперконденсаторов необходим для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.
Благодаря подобным приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень светлым. 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? Следующий шаг для электромобилей и гибридов объяснил
► Суперконденсаторы имеют несколько преимуществ перед батареями
► Но в настоящее время есть и недостатки
► Они используются в новом Lamborghini Sian
В 2019 году электромобили широко рассматриваются как преемники автомобилей с ДВС, и производители спешат электрифицировать свои модельные ряды: на автосалоне во Франкфурте в 2019 году будут представлены готовые к производству электромобили от Porsche, VW и Honda, и это лишь некоторые из них.И легко понять почему.
Увеличенный запас хода, больше точек зарядки и общие усовершенствования делают электромобили серьезным конкурентом бензиновых аналогов. Но для многих они все еще далеки от совершенства: требуется время на зарядку и по-прежнему отсутствует по-настоящему широко распространенная инфраструктура, по крайней мере, в Великобритании.
Хотя сейчас литий-ионная технология используется по умолчанию, она не может быть окончательным ответом на вопрос питания электромобилей. Суперконденсаторы позволяют решить некоторые давние проблемы, связанные с полностью электрическими автомобилями с батарейным питанием, а также имеют дополнительные преимущества для гибридов.Они могли бы стать толчком для мира электромобилей, но что такое суперконденсаторы, как они работают и настолько ли они научно-фантастические, как кажутся?
Что такое суперконденсатор?
Давайте сначала объясним, что такое суперконденсатор. Иногда называемый ультраконденсатором, суперконденсатор, как и батарея, является средством хранения и выделения электричества. Но вместо того, чтобы хранить энергию в форме химикатов, суперконденсаторы хранят электричество в статическом состоянии, что позволяет им быстрее заряжать и разряжать энергию.
В химическую лабораторию!
Литий-ионные батареи
работают с использованием слоев ячеек с использованием положительных и отрицательных электродов, разделенных электролитом. Они генерируют заряд, поскольку ионы лития переходят от отрицательного к положительному положению при разряде, а при зарядке происходит обратное.
Как работают суперконденсаторы?
Конденсаторы
, с другой стороны, хранят электричество в статическом состоянии, а не оставляют его «запертым» в химических реакциях. Взломайте конденсатор, и вы обнаружите две проводящие пластины, называемые электродами, разделенные изоляционным материалом, известным как диэлектрик.Эти две пластины, одна положительная, а другая отрицательная, создают электрическое поле при подключении к электрической цепи, которая поляризует атомы в диэлектрике, поэтому положительные атомы сидят на стороне отрицательной пластины, а отрицательные атомы — на стороне положительной пластины. пластина, создавая таким образом заряд.

Во многих отношениях суперконденсатор — это просто конденсатор большего размера с большими электродными пластинами и меньшим расстоянием между ними, что позволяет хранить больший заряд в виде потенциальной электрической энергии.Суперконденсатор не использует диэлектрик; вместо этого пористые электродные пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким разделительным материалом. Когда заряд проходит через электроды, атомы в них становятся поляризованными, что дает электродам положительный или отрицательный заряд.
Затем они притягивают электроны противоположной полярности в электролите и, таким образом, создают двойной электрический слой, что означает, что суперконденсаторы хранят намного больше энергии, чем их обычные конденсаторные аналоги.
В чем преимущества суперконденсаторов?
Суперконденсаторы уже существуют в автомобилях с системами рекуперативного торможения. Это связано с их большей удельной мощностью, чем у батарей на основе химических реакций, что позволяет им быстро накапливать и разряжать электричество, что удобно для сбора энергии, генерируемой при торможении, а затем быстрого высвобождения ее при ускорении.
В автомобилях, полностью основанных на элементах, таких как Toyota FCHV, также используются суперконденсаторы для обеспечения дополнительной ускоряющей мощности, которую водородные топливные элементы не могут сделать в одиночку.
Им еще предстоит заменить литий-ионные батареи в качестве основного источника энергии, но электрические и гибридные автомобили развиваются из года в год, поэтому у суперконденсаторов есть большой потенциал, чтобы играть более важную роль в электромобилях и автомобилях следующего поколения. зарядная инфраструктура для их поддержки.
Поскольку суперконденсаторы в значительной степени полагаются на физику, а не на химию, чтобы хранить свою энергию, они не разлагаются так же, как литий-ионные батареи. Это может предоставить огромные возможности для увеличения срока службы электромобиля, а также для снижения воздействия на окружающую среду использования литий-ионных элементов питания.
Но самым большим преимуществом суперконденсаторов перед литий-ионными и никель-кадмиевыми батареями является их способность быстро заряжаться и разряжаться; мы говорим о зарядке за минуты, а не за часы. Таким образом, суперконденсаторы могут быть панацеей для сокращения времени, которое в настоящее время требуется для подзарядки полностью электрического автомобиля, — или могут повысить скорость гибридов, о чем мы расскажем позже в этой статье.
Суперконденсаторы
также очень хорошо справляются с беспроводной зарядкой, что в сочетании с их способностью заряжаться на высокой скорости может избавить от необходимости подключать электромобили к точкам питания и сделать процесс зарядки более плавным.
В чем недостатки суперконденсаторов?
Есть две основные проблемы с суперконденсаторами прямо сейчас, и самая тревожная — это плотность энергии. Конечно, суперконденсаторы могут поглощать и отдавать большое количество энергии быстрее, чем литий-ионные батареи, но сейчас они не могут хранить столько энергии.
Это проблема, которая делает их менее подходящими для электромобилей, но не означает, что они должны быть исключены в будущем. Не забывайте, что потребовалось время, чтобы извлечь приемлемый диапазон пробега из литий-ионных аккумуляторных систем, поэтому есть возможности для повышения плотности энергии суперконденсаторов, если умные люди работают над повышением их эффективности.
Исследователи из Университета Суррея заявили о прорыве в материалах для суперконденсаторов, которые могут позволить им использовать весь диапазон бензиновых автомобилей, но это первые дни, и вы не увидите этого на современных суперконденсаторах.
Вторая проблема с суперконденсаторами в том виде, в каком они стоят, — это их разрядка или время, в течение которого они могут удерживать заряд. В настоящее время суперконденсаторы не могут держать заряд так же долго, как литий-ионные батареи. Например, если вы оставите автомобиль с суперконденсатором в гараже на неделю, вы, вероятно, найдете его бесплатно, когда вернетесь.
Быстрая зарядка может решить эту проблему, но вам нужно убедиться, что у вас есть под рукой зарядное устройство, которое имеет достаточную силу тока, чтобы обеспечить высокий заряд, с которым может справиться суперконденсатор. У вас вряд ли будет домашнее зарядное устройство на пару тысяч ампер в запасе.
По мере того, как в суперконденсаторах совершаются прорывы, мы неизбежно можем ожидать лучшего накопления энергии и способов предотвращения быстрой разрядки, которая в конечном итоге может привести к тому, что суперконденсаторы вытеснят литий-ионные аккумуляторные системы.Но это похоже на долгий путь.
Суперконденсаторы прямо сейчас? Рука помощи гибридам
По мере того, как в суперконденсаторах совершаются прорывы, мы неизбежно можем ожидать лучшего накопления энергии и способов предотвращения быстрой разрядки, которая в конечном итоге может привести к тому, что суперконденсаторы вытеснят литий-ионные аккумуляторные системы. Но это похоже на долгий путь.
Так что насчет сейчас? Хотя суперконденсаторы какое-то время не будут использоваться в электромобилях, эта технология уже идеально подходит для гибридных силовых агрегатов.Суперконденсаторы уже используются для быстрой зарядки блоков питания в гибридных автобусах, когда они едут от остановки к остановке, но производители автомобилей, такие как Lamborghini, обнаруживают, что они также могут добавить серьезную дополнительную производительность.
Когда гибридная энергия используется исключительно для повышения производительности, такие вопросы, как дальность полета и способность удерживать заряд, не так важны — и именно поэтому мы уже наблюдаем, как технологии проникают в мир гиперкаров.
Lamborghini Sian сочетает в себе электромотор мощностью 34 л.с. с питанием от суперконденсатора и двигатель Sant’Agata V12 для sub 3.0 с 0 до 100 км / ч.
В Сиане использование суперконденсатора является единственным методом хранения электроэнергии, но, возможно, мы сможем получить автомобили, которые также сочетают суперконденсатор и литий-ионную технологию, используя преимущества обоих; литий-ионные батареи по-прежнему будут основным источником энергии, но суперконденсаторы могут их дополнить для более быстрого разряда и перезарядки энергии во время разгона и торможения.

Какое будущее у суперконденсаторов?
Мы просто обсуждаем здесь идею, но такая машина могла бы работать на суперконденсаторе вокруг города, где есть инфраструктура для поддержки быстрой зарядки, эффективно переключаясь с powerpoint на powerpoint.Затем для более длительных прогулок автомобиль может переключиться на литий-ионный аккумулятор с рекуперативным торможением, помогающим увеличить дальность полета.
Учитывая, что Тесла купила Максвелла, специалиста по суперконденсаторам и батареям, в 2019 году, есть шанс, что именно производитель автомобилей сделает такой электромобиль реальностью; Время покажет, для чего Tesla использует технологию Максвелла.
Суперконденсаторы
уже используются для быстрой зарядки источников питания в гибридных автобусах при их движении от остановки к остановке. В настоящее время такие зарядные устройства коммерчески нецелесообразны для массового производства, но по мере того, как все больше людей покупают электромобили, инфраструктура зарядки, вероятно, будет развиваться до такой степени, что широко распространенные зарядные устройства для суперконденсаторов станут реальностью.
Таким образом, мы можем ожидать увидеть точки зарядки суперконденсаторов и беспроводные зарядные устройства, питаемые от них на станциях, как электрический эквивалент бензонасоса, способного заправить автомобиль за считанные минуты.
Чтобы получить немного научной фантастики о вещах, такую зарядку можно было бы расширить с помощью суперконденсаторов, встроенных в дороги, постоянно поставляющих энергию электромобилям, когда они мчатся и останавливаются на светофоре. За пределами выделенных полос на автомагистралях такое видение может показаться немного надуманным.
Но системы электромобилей, аккумуляторы, зарядка и технологии постоянно совершенствуются, поэтому возможности для суперконденсаторов для усиления будущих электромобилей огромны.
.
Разница между конденсатором и суперконденсатором / ультраконденсатором
Разница между конденсатором и суперконденсатором / ультраконденсатором
И суперконденсатор, и обычные конденсаторы накапливают заряд в виде электростатического поля. Они являются пассивными компонентами, в то время как сверхмощные полярные конденсаторы. Хотя функция обычного конденсатора и сверхконденсатора одинакова для хранения заряда, между ними есть некоторые различия, которые мы обсудим ниже.

Конденсатор
Конденсатор — это пассивный электронный компонент с двумя выводами, который сохраняет заряд в виде электрического поля между своими металлическими пластинами. он состоит из двух металлических пластин (электроды в качестве анода и катода), разделенных изолятором, известным как диэлектрик .
Когда напряжение источника подается на два вывода конденсатора, ток хочет протекать через изолирующий материал, но он противодействует потоку электронов.Когда напряжение на выводе конденсатора равно приложенному напряжению, изолирующая среда все еще сопротивляется потоку электронов. Это явление сопротивления вносит изменения, которые создают эффект накопления энергии в виде электростатического поля.

Суперконденсатор
Суперконденсатор также известен как Super Cap , Двухслойный конденсатор или Ультраконденсатор . Электроды суперконденсатора покрыты активированным углем в качестве электродного материала.Разделитель используется между анодом и катодом в суперконденсаторе, тогда как в обычных конденсаторах используются диэлектрические материалы.
Суперконденсаторы накапливают заряд либо с использованием электростатической двухслойной емкости ( EDLC ), либо с электрохимической псевдоемкостью , либо с обоими способами, известными как гибридная емкость .
Суперконденсаторы изготовлены из металлической фольги (электродов), каждый из которых покрыт активированным углем . Эти пленки помещают разделитель между ними.Сепаратор представляет собой ионопроницаемую мембрану, такую как графен (используется в современных суперконденсаторах), которая обеспечивает изоляцию и обмен ионами электролита между электродами.
Полезно знать:
Суперконденсаторы считаются промежуточным звеном между конденсаторами и батареями . Основная причина в том, что суперконденсатор заряжается очень быстро, как конденсатор, его емкость высока, а скорость разряда медленная, как у аккумулятора.

Основные различия между конденсаторами и суперконденсаторами
Между конденсатором и сверхконденсатором есть ключевые различия, которые показаны в таблице ниже для сравнения.
Характеристики Конденсатор Суперконденсатор
Конструкция Конденсатор представляет собой устройство с двумя металлическими выводами (электродами) с диэлектрической средой между ними. В нем электрическая энергия хранится в электростатическом поле. Supercapacitoir — это тип полярного конденсатора, в котором вместо диэлектрика используется раствор электролита. Активированный уголь наносится на электроды для увеличения площади.
Определение Конденсатор накапливает потенциальную энергию в форме электрического поля (электростатически) и выделяет ее в цепь в виде электрической энергии. Суперконденсатор находится между конденсатором и батареей. Также известен как суперконденсатор, двухслойный конденсатор или сверхконденсатор. Суперконденсатор имеет очень высокую емкость и низкое напряжение по сравнению с обычным конденсатором.
Рабочий Конденсатор сохраняет энергию в виде электрического поля. Суперконденсатор накапливает энергию между ионами электролита и электродом в двойном слое заряда.
Типы
Электролитические
Конденсаторы,
Пленочные конденсаторы,
Тантал
Интегрированный конденсатор
Электростатические двухслойные конденсаторы Суперконденсаторы
Электростатические гибридные конденсаторы
PLC115
Диэлектрический материал
Оксид алюминия, полимерные пленки или керамика используются в конденсаторах в качестве диэлектрической среды между электродами.
В суперконденсаторе в качестве среды используется активированный уголь. При приложении напряжения создается двойное электрическое поле, которое действует как диэлектрическая среда.
Время заряда / разряда Заряд и разряд обычного конденсатора является нормальным явлением по сравнению с суперконденсатором, т.е. 10-3-10-6 секунд. Суперконденсаторы могут заряжать намного быстрее, чем батарея, и хранить больше заряда, чем электролитический конденсатор на единицу объема. Вот почему он считается между батареей и электролитическим конденсатором.
Эффективность заряда / разряда > 0,95 0,85 — 0,98
Рабочая температура от -20 до 65 ° C (от -4 до 149 ° F) от -40 до 65 ° C (- 40 — 149 ° F)
Энергия <0,1 Втч / кг 1-10 Втч / кг
Плотность энергии Низкая Очень высокая
Удельная мощность До 100000 Втч / кг До 10000 Втч / кг
Стоимость Низкая Высокая
Преимущества
Это позволяет избежать чрезмерного потребления энергии
Меньше разряда батареи из-за конденсатора
Высокая плотность интеграции
Управление реальной и реактивной мощностью
Длительный жизненный цикл
Накопитель с высокой энергией
Быстрое время зарядки и разрядки
Высокое Токи нагрузки
Приложения
Аккумуляторная электрическая отвертка, которую можно зарядить за несколько минут.
Светодиодные фонарики в цифровых фотоаппаратах.
Для стабилизации питания портативных компьютеров, портативных устройств и т. Д.
Источник бесперебойного питания (ИБП), заменяющий батареи электролитических конденсаторов.
Суперконденсаторы используются в ИС, RAM, CMOS, часах, микрокомпьютерах и т. Д.
Похожие сообщения:
.
The Microgrid Way: переход к экологии с использованием солнечной энергии и накопителей энергии на суперконденсаторах

Если бы коммунальные предприятия предлагали своим клиентам солнечную энергию и использовали преимущества накопления энергии на основе суперконденсаторов, мы могли бы значительно сократить выбросы парниковых газов.

Накопитель энергии Sirius
Это слово от Омера Гани, генерального директора и соучредителя Kilowatt Labs, которая производит накопители энергии на основе суперконденсаторов под названием Sirius Energy Storage и Centauri Energy Server, предназначенные для управления распределенной энергией.
«Я думаю, что переход к более низкому уровню выбросов парниковых газов в коммунальном хозяйстве — это использование микросетей», — говорит он.
Его мнение: Коммунальные предприятия должны предлагать своим клиентам солнечные батареи на крыше или другие формы, оборудованные накопителями энергии на основе суперконденсаторов, а также уникальный энергетический сервер, который будет управлять солнечными батареями и накопителями. По сути, в каждом доме будет своя собственная микросеть.
«Реальный способ обеспечить глубокое проникновение возобновляемой энергии, особенно на крышах домов, — это на объектах клиентов альтернативы без проводов», — говорит он.
Эта стратегия поможет коммунальным предприятиям соответствовать стандартам портфеля возобновляемых источников энергии, а также избежать программ реагирования на спрос и споров о чистых счетчиках, говорит он.
Коммунальные предприятия будут получать доход от систем. «В соответствии с экономическими принципами, коммунальные предприятия могут взимать определенную сумму и получать прибыль от систем, установленных в домах», — говорит он.
Вот как это может выглядеть: Коммунальные предприятия установят и будут владеть солнечными фотоэлектрическими батареями на крышах соответствующих клиентов и взимать с клиентов определенную сумму, скажем, 25 центов за кВтч.Или они могут предложить ежемесячные планы с фиксированной оплатой. «Есть много доступных финансовых структур, которые работают как на коммунальное предприятие, так и на домовладельца», — говорит он.
Системы будут спроектированы для выработки большей части необходимой энергии из солнечных фотоэлектрических систем, что снизит потребность в реагировании на спрос коммунальных предприятий и чистом измерении.
Пиковая потребность дома будет удовлетворяться либо за счет фотоэлектрической панели напрямую, либо из хранилища — если пик происходит вечером — и если сервер способен справиться со всеми мгновенными скачками / пиковыми / пусковыми мощностями в доме без поддержки — сетка, — говорит Гани.
Присоединяйтесь к нам на Microgrid 2018, где Омер Гани из Kilowatt Lab примет участие в панели лидеров, посвященной следующим шагам для индустрии микросетей. Места на мероприятии 7-9 мая в Чикаго быстро заполняются. Зарегистрируйтесь здесь.
Общие сведения о накопителе энергии на основе суперконденсаторов
Чтобы понять, как все это будет работать, важно понимать накопление энергии на основе суперконденсаторов — систему накопления, которая уже была протестирована и применена. Kilowatt Labs в настоящее время имеет несколько запущенных и работающих систем, и уже поставила 1.По словам Гани, 5 МВтч своих устройств хранения данных через сеть глобальных дистрибьюторов.
Бесплатные ресурсы из библиотеки знаний Microgrid

Целостный подход к смягчению последствий лесных пожаров
Распределенные энергоресурсы важны для обеспечения готовности к чрезвычайным ситуациям и восстановления после бедствия, особенно в сельских, малонаселенных районах с пересеченной местностью. В случае пожара общинам необходимо быть самодостаточными, возможно, в течение нескольких недель или дольше.Загрузите новый отчет от Siemens, в котором рассказывается, как с помощью надежных микросетей и аварийных источников питания критическая инфраструктура может продолжать обслуживать тысячи людей, обеспечивая их жизнь, здоровье и безопасность. Мы всегда уважаем вашу конфиденциальность и никогда не продаем и не сдаем в аренду наш список третьим лицам. Скачивая этот White Paper, вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания. Вы можете отказаться в любое время.
Получите этот PDF-файл по электронной почте.
Более того, подразделение по оказанию гуманитарной помощи при ООН рассматривает предложение компании относительно хранилища и сервера на 350 возможных участках микросетей, которые заменят системы «плохая сеть, нет сети», которые теперь используют дизельное топливо.Kilowatt Labs принимает активное участие в этом проекте.
«Мы помогли разработать концепцию. Мы не можем сказать, что выиграли тендер, но у нас сильные позиции », — говорит Гани. Компания также получила запрос на добавление хранилища энергии на основе суперконденсаторов в качестве варианта хранения в рамках Калифорнийской программы стимулирования самогенерации.
И компания разрабатывает микросеть для шахты в Южной Африке, которая расположена на высоте 3000 метров и имеет проблемы с надежностью электроснабжения. Удары молнии отключают электроснабжение и останавливают шахту.
Кроме того, в рамках нескольких небольших пилотных программ несколько американских коммунальных предприятий разместили заказы на закупку хранилища Kilowatt Lab для использования или тестирования в микросетях, говорит Гани.
Накопитель энергии на базе суперконденсатора
Kilowatt Labs уникален тем, что в нем не используются химические элементы, такие как свинцово-кислотные и ионно-литиевые, и поэтому устраняются проблемы, связанные с ними.
«Химическая батарея накапливает энергию химически; в нем химический электролит. Когда вы заряжаете его, вы преобразуете электрическую энергию в химическую энергию, которая хранится в электролите батареи », — пояснил он.При разрядке аккумулятора происходит обратная химическая реакция.
Но химические реакции создают проблемы, включая снижение емкости батареи с течением времени и временами чрезмерное нагревание, что может ухудшить работу батареи, а также привести к тепловому разгоне. А химические батареи имеют ограничения на то, насколько они могут быть разряжены, и ограниченные жизненные циклы, из-за чего коммунальным предприятиям сложно рассматривать их как долгосрочные активы на объектах клиентов.
С другой стороны, накопитель энергии на основе суперконденсатора
намного проще.Эта технология хранит энергию на поверхности электролита, что означает отсутствие химической реакции. «Электрическая энергия поступает и сохраняется в виде электрической энергии. При разрядке электрическая энергия возвращается обратно в электричество », — пояснил Гани.
Технологические вызовы
До сих пор накопители энергии на основе суперконденсаторов не использовались, потому что у них есть свои проблемы, которые, по словам Гани, удалось преодолеть Kilowatt Labs.
Каждая ячейка имеет низкое напряжение — 2,4 В, что означает, что несколько ячеек необходимо соединить последовательно для коммерческих приложений.Затем эти клетки необходимо сбалансировать, что сложно. Во-вторых, накопители на основе суперконденсаторов имеют тенденцию быстро сбрасывать электричество и разряжаться. В-третьих, их плотность энергии невысока.
Однако компания разработала способ сбалансировать хранение на основе суперконденсаторов и контролировать скорость разряда с помощью электронных схем. Компания Kilowatt Labs также работала с поставщиком над разработкой графеновых суперконденсаторов. «Они принимают нашу плотность энергии и делают ее приемлемой на рынке», — говорит он. «Это очень высокая плотность энергии — выше, чем у всего остального.”
Накопитель на основе суперконденсатора может похвастаться сроком службы в 1 миллион циклов, в отличие от батареи, составляющей от 4 000 до 5 000 циклов, говорит он.

Омер Гани, Kilowatt Labs, генеральный директор и соучредитель, примет участие в панели лидеров на Microgrid 2018
«Наши хранилища на основе суперконденсаторов не имеют химической реакции при хранении и обладают чрезвычайно высокой эффективностью в оба конца, которая остается неизменной на протяжении всего срока службы; нечего деградировать «. Вся электроника находится на поверхности, и никакой химической реакции нет.Кроме того, емкость запоминающих устройств не снижается.
«Теперь, решив эти проблемы, мы можем использовать суперконденсаторы в качестве носителя информации, который обеспечивает те же характеристики производительности, что и батарея, но имеет преимущества перед батареей», — говорит Гани.
Стоимость хранилища на основе суперконденсаторов немного выше, чем стоимость литий-ионных аккумуляторов в расчете на кВтч, говорит Гани. Компания ожидает, что ее продукт очень скоро станет конкурентоспособным по ценам на литий-ионные.
Преимущества накопителей на основе суперконденсаторов по сравнению с литий-ионными батареями означают, что они более рентабельны.
«Мы используем 100 процентов мощности. Нам не нужно увеличивать размер хранилища на основе суперконденсаторов, — говорит Гани. С другой стороны, химические батареи используют меньшую емкость и с годами разлагаются сильнее, поэтому имеют слишком большой размер.
«То, с чего вы начинаете, не имеет ничего общего с тем, чем вы закончите. «Нельзя сравнивать технологии, используя доллары за кВтч», — говорит Гани.
Все на сервере
Накопитель энергии на основе суперконденсаторов
может помочь коммунальным предприятиям реализовать видение Гани об установке и владении солнечной энергией у клиентов. То же самое и с энергетическим сервером Kilowatt Labs, который нацелен на интеграцию распределенной энергии. Его могут использовать многочисленные организации, в том числе клиенты, снабженные своими энергокомпаниями солнечными батареями и суперконденсаторами.
Как правило, интеграция распределенной энергии включает аппаратные системы, такие как инверторы, контроллеры заряда и генераторы.Программное обеспечение тоже важно. «У вас есть программный уровень, контроллеры микросетей, коммутационные устройства и всевозможные способы их объединения», — объясняет Гани.

Centauri Energy Server
Энергетический сервер
Kilowatt Labs представляет собой платформу силовой электроники — аппаратное обеспечение, в которое встроено программное обеспечение. «Вы помещаете все в сервер, в него встроено программное обеспечение, и он обеспечивает вывод, все на одной машине», — говорит он.
Энергетический сервер был разработан изобретателем компании для решения многих проблем, связанных с интеграцией распределенной энергии.
Хотя фотоэлектрические панели можно установить где угодно, без проводов, особенно если они соединены с хранилищем, его применение ограничено силовой электроникой, объясняет Гани.
«Когда вы генерируете энергию с помощью солнечной энергии и используете эту энергию для питания цепи — дома, фабрики или офиса — независимо, тогда силовая электроника должна справляться со многими вещами», — говорит Гани.
Двигатели, компрессоры, холодильники и насосы, работающие в контуре, запускаются и останавливаются в течение дня, и они потребляют импульсный ток, максимальный мгновенный входной ток, при каждом запуске.Их импульсные токи могут варьироваться в широких пределах, от 100 процентов их номинальной мощности до 1000 процентов, продолжительностью от миллисекунд до нескольких секунд.
Нет необходимости в увеличении размера
Силовая электроника должна выдерживать эти импульсные токи. Один из способов решить эту проблему — увеличить размеры оборудования, что неэффективно и неэкономично.
«Внутренняя архитектура нашего сервера позволяет ему обрабатывать 1000 процентов своей номинальной мощности в течение двух секунд без увеличения размера, тем самым эффективно и экономно справляясь с этими мгновенными нагрузками», — говорит он.
Более того, обычно PV доступны около пяти часов в день. Чтобы обеспечить питание в течение 24 часов, без сети или пушек, системы должны за пять часов вырабатывать достаточно энергии для 24 часов.
«Для этого силовая электроника должна работать с высокими уровнями входной фотоэлектрической энергии. Увеличивать габариты неэффективно и дорого, и большинство систем прибегают к добавлению дизельного генератора. Наш сервер может обрабатывать в пять-восемь раз больше PV без увеличения размера », — говорит Гани.
«Допустим, у вас есть сервер на 100 кВт, определяемый номинальной нагрузкой, но вам нужно 500 кВт, чтобы генерировать достаточно PV на весь день.Вы можете подключить 500 кВт к серверу на 100 кВт. Теперь вы можете вырабатывать достаточно электроэнергии в течение 24 часов и справляться с импульсными токами без чрезмерного увеличения мощности », — поясняет он.
Сервер подключается к PV и хранилищу, говорит Гани.
Зачем с ними бороться. Перейти к ним
«Итак, теперь у вас есть система plug-and-play, которая может обрабатывать нагрузку независимо, заряжать накопитель от солнечной энергии, справляться с перебоями и обеспечивать стабильное и устойчивое питание для потребителя 24 часа в сутки. Первое, что делает сервер, — это подает нагрузку, а если с избытком энергии, он заряжает хранилище во время загрузки.«Сервер решает проблемы прерывания, беспрепятственно переключая функции, используя солнечную батарею или накопители, когда это необходимо. С сервером фотоэлектрические системы могут использовать сеть в качестве резервной.
«Если PV составляет 80 процентов, сервер может принести 20 процентов или будет заряжать хранилище, а хранилище сделает все остальное», — говорит Гани.
Сеть будет подключена к серверу в качестве источника ввода. Сервер будет потреблять электроэнергию для зарядки хранилища в пасмурные дни. По его словам, в зависимости от местоположения и солнечного света выплачиваемая сумма будет варьироваться от 5 до 15 процентов времени.
Сервер также может подавать электроэнергию в сеть, если, например, домовладелец находится в отпуске и хочет подавать электроэнергию в сеть и получать доход, отмечает он.
Эти технологии могут помочь расширить использование солнечной энергии более быстро и эффективно, особенно если коммунальные предприятия предоставляют их своим клиентам, говорит Гани. «Одна из самых больших затрат на солнечную энергию в Америке — это затраты клиентов на приобретение. У ЖКХ есть заказчики. Зачем с ними бороться; иди к ним », — говорит он.
Узнайте больше о хранении энергии, подписавшись на информационный бюллетень Microgrid Knowledge. Это бесплатно.
.