Что такое ионистор как он работает. Ионистор: принцип работы, характеристики и применение суперконденсатора

Что такое ионистор и как он устроен. Каковы основные характеристики и преимущества ионисторов. Где применяются суперконденсаторы. Как отличаются ионисторы от обычных конденсаторов и аккумуляторов.

Что такое ионистор и как он устроен

Ионистор (также известный как суперконденсатор или ультраконденсатор) — это особый тип конденсатора, который сочетает в себе свойства обычного конденсатора и химического источника тока. Его основные отличительные особенности:

• Очень большая емкость (от нескольких фарад до тысяч фарад)
• Низкое рабочее напряжение (обычно 2-5 В)
• Быстрая зарядка и разрядка
• Большое количество циклов заряд-разряд (сотни тысяч)

По своему устройству ионистор отличается от обычного конденсатора. Вместо диэлектрика между обкладками в нем используется электролит, а роль обкладок выполняет двойной электрический слой на границе электрода и электролита.

Принцип работы ионистора

Как работает ионистор? Принцип его действия основан на образовании двойного электрического слоя на границе раздела электрод-электролит. При подаче напряжения происходит следующее:

1. Ионы электролита притягиваются к поверхности электродов
2. На границе электрод-электролит образуется тонкий слой заряженных частиц
3. Этот слой выполняет роль диэлектрика, разделяющего заряды
4. За счет очень малой толщины слоя (порядка нанометров) достигается огромная емкость

Таким образом, ионистор накапливает энергию за счет разделения зарядов в двойном электрическом слое, а не химических реакций как в аккумуляторах.

Основные характеристики ионисторов

Рассмотрим ключевые параметры и характеристики ионисторов:

• Емкость: от единиц до тысяч фарад
• Рабочее напряжение: 2-5 В для одиночных ячеек
• Удельная энергия: 5-15 Вт*ч/кг
• Удельная мощность: до 10 кВт/кг
• Время заряда: от долей секунды до нескольких минут
• Количество циклов заряд-разряд: 100 000 — 1 000 000
• Диапазон рабочих температур: от -40°C до +65°C

Как видно, ионисторы обладают уникальным сочетанием высокой мощности, большого ресурса и широкого температурного диапазона.

Преимущества и недостатки ионисторов

Каковы основные плюсы и минусы использования ионисторов по сравнению с обычными конденсаторами и аккумуляторами?

Преимущества:

• Очень высокая скорость заряда и разряда
• Большое количество циклов (более 100 000)
• Работа при низких температурах
• Не требуют обслуживания
• Экологичность (не содержат вредных веществ)

Недостатки:

• Низкая удельная энергия (меньше, чем у аккумуляторов)
• Высокий саморазряд
• Низкое рабочее напряжение
• Высокая стоимость

Таким образом, ионисторы занимают промежуточное положение между конденсаторами и аккумуляторами, сочетая преимущества обоих типов накопителей энергии.

Области применения ионисторов

Где используются ионисторы? Основные сферы применения:

• Источники бесперебойного питания
• Системы рекуперации энергии торможения в транспорте
• Стартерные системы двигателей
• Резервное питание в электронике
• Портативная электроника (фотовспышки, плееры)
• Накопители энергии для альтернативных источников

Ионисторы особенно эффективны там, где требуется быстрая зарядка, большие токи разряда и длительный срок службы.

Сравнение ионисторов с аккумуляторами и конденсаторами

Как соотносятся характеристики ионисторов, обычных конденсаторов и аккумуляторов? Рассмотрим основные параметры:

Параметр	Конденсатор	Ионистор	Аккумулятор
Удельная энергия	0.1 Вт*ч/кг	5-15 Вт*ч/кг	30-200 Вт*ч/кг
Удельная мощность	10 000 кВт/кг	1-10 кВт/кг	0.05-1 кВт/кг
Время заряда	10-6-10-3 с	1-30 с	0.3-3 ч
Количество циклов	106-108	105-106	500-2000

Как видно, ионисторы занимают промежуточное положение между конденсаторами и аккумуляторами по большинству параметров.

Перспективы развития технологии ионисторов

Каковы основные направления совершенствования ионисторов? Ученые и инженеры работают над следующими задачами:

• Увеличение удельной энергии
• Снижение внутреннего сопротивления
• Уменьшение саморазряда
• Расширение диапазона рабочих температур
• Удешевление технологии производства

Одно из перспективных направлений — создание гибридных устройств, сочетающих свойства ионисторов и литий-ионных аккумуляторов. Это позволит объединить высокую мощность ионисторов с высокой энергоемкостью аккумуляторов.

Заключение

Ионисторы представляют собой уникальный класс накопителей энергии, сочетающий преимущества конденсаторов и аккумуляторов. Их ключевые достоинства — высокая мощность, быстрая зарядка и большой ресурс. Несмотря на некоторые ограничения, область применения ионисторов постоянно расширяется. Дальнейшее совершенствование технологии сделает эти устройства еще более востребованными в различных отраслях техники.

Основы автозвука ✪ Накопитель (ионистор)

О необходимости накопителя в цепи питания, о его пользе, вреде и т. д. в интернете ведется масса споров. К сожалению, споры эти в большенстве своем бесполезны ввиду того, что их ведут люди абсолютно не знающие курс школьной физики и просто декламирующие рекламные лозунги, и псевдонаучные статьи.

Самое первое что нам стоит сделать это отбросить подальше познания из любых рекламных статей, отчаянно нахваливающих эти банки с цифрами.

Самая большая глупость этих статей — рекомендации конденсаторов к усилителям из расчета столько то фарад на 1 киловатт.

Откуда взялись такие рекомендации, остается загадкой. В том, что такие опусы находятся также далеко от реальности, как мы от Гонолулу мы убедимся ниже. Гораздо полезнее обратиться к тем начальным знаниям, которые мы с вами получали на уроках физики. Попутно будем развеивать мифы о конденсаторах.

Аксиома №1

Конденсатор является ПОТРЕБИТЕЛЕМ в сети. То есть он НЕ способен вырабатывать электроэнергию! Он способен ее НАКАПЛИВАТЬ и частично ПОТРЕБЛЯТЬ на собственные утечки и потери в обкладках. А это значит, что он ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ не может ни продлить жизнь аккумулятору, ни облегчить ему жизнь.

Аксиома №2

Конденсатор служит для накопления энергии и последующей отдачи этой энергии потребителю. При этом, обладая крайне низким внутренним сопротивлением, он отдает энергию потребителю очень быстро и накапливает соответственно тоже быстро. При этом он работает совсем не как аккумулятор. Пик отдачи энергии приходится на первое мгновение потребления, после этого заряд начнет резко падать, скорость его отдачи падает вместе с зарядом.

Теперь давайте научимся отличать ионистор от конденсатора.

Об этих терминах вы можете почитать в википедии, я же просто подытожу в двух словах.

То что ездит в багажнике 90 процентов любителей звука под марками пролоджи, мистери, NRG и т. д. по вполне приемлемым ценам это есть ничто иное как ионистор!!

Отличается он от конденсатора тем, что имеет гораздо бОльшие потери внутри себя, имеет большое внутреннее сопротивление и гораздо линивее отдает заряд. Ну и тем, что стоит в десятки раз дешевле от конденсатора той же емкости. Ввиду чрезвычайной распространенности ионисторов остановимся подробнее на них. А конкретнее на мифе о том, что конденсатор в цепи питания в случаях просадок обеспечит энергией усилитель саба.

Причин просадок бывает много. Рассмотрим основные.

Но перед этим прикинем, на что ж способен то наш накопитель и сделаем эксперимент расчета в чистом виде. То есть зарядим и потом запустим чисто от накопителя усилитель:

Из школьного курса физики:

• 1 ампер X 1 сек = 1 кулон;
• 1 ампер X 1 вольт = 1 ватт;
• 1 ампер X 1 ом = 1 вольт;
• 1 фарада X 1 вольт = 1 кулон.

Таким образом в конденсаторе запасается:

1 фарад Х 12 вольт = 12 кулон

1000 ватт усилитель это 12 вольт Х 83 Ампер то есть за 1 секунду усилитель

Отдав киловатт потребит 83 кулона 12 \ 83 = 0,15 секунды.

Это время, за которое ионистор разрядится до ноля!!

Это и будет максимальное время работы ионистора. То есть в различных вариантах максимальной работа системы от него не превысит пол секунды. Но не стоит забывать, что на 8.9 вольт усилитель прекратит работать.

То есть реальное время работы сократится от нашего расчетного втрое!

Эксперимент №1

Теперь цепляем наш ионистор в систему на машину с просадками питания из-за слабых генератора и аккумулятора. Заводим. Напряжение на клеммах уся 13 вольт. Все в порядке. Теперь делаем музыку на всю, напряжение садится до 10.9-11.5 вольт. На ионисторе, в это мгновение, еще осталось 13 вольт. То есть перепад между его потенциалом и питанием системы порядка 2 вольта. На то чтоб посадить эту разницу уйдет порядка 0.05 -0.09 секунды максимум. Удар баса длится гораздо дольше.

То есть в первый же удар баса заряд сольется, напряжение заряда упадет до бортового и ионистор превратится в пассивный элемент питания, поскольку он живет и работает только тогда, когда его заряд больше напряжения сети. Дальше он начнет поддерживать свой потенциал за счет просаженной сети. Безусловно между ударами баса сеть будет приподнимать напряжение но подъем этот будет очень незначительный в пределах 0.3-0.5в. Фронт, мидбасы да и сам саб продолжают в это время работать и этот перепад на конденсаторе будет расходоваться практически мгновенно не оставляя ощутимой пользы для питания.

Эксперимент №2

В случае если вы используете в питании тонкие провода питания и массы или толстый дешевый обмедненный алюминий, то ваш случай еще тяжелее. В этом случае к вашей просадке сети добавится просадка кабеля. В кабеле при резком возрастании потребления возникает реактивное сопротивление.

Чем быстрее и больше вы попытаетесь взять с кабеля энергии, и чем он длиннее и тоньше, тем сильнее он этому будет препятствовать.

В этом случае ионистор разрядившись, даже не сможет зарядиться! Ведь как мы знаем, он и разряжается и заряжается достаточно быстро, а это значит, провод будет изо всех сил этому сопротивляться. Кроме того, не забываем, что ионистор потребляет какое то количество энергии на свои потери, которой нам и так не хватает.

А самое важное, что нагрузкой ионистора является не только усилитель, а ВСЯ бортовая сеть, включая всех потребителей, да и сам аккумулятор, который в просадке питания тоже попытается зарядиться за счет бедолаги ионистора. И тот факт, что вы визуально  поставите накопитель около усилителя, ровным счетом ничего не изменит! Работать он будет не только на этот усилитель, а на ВСЕ, что потребляет энергию в вашем авто!

Естественно, что и в этом эксперименте  никаких проблем питания накопитель не решил.

Делаем вывод: питание должно быть отличным!

Эксперимент №3

Решено! Меняем или ремонтируем генератор, прокидываем от генератора толстую массу и плюс. Ставим новый аккумулятор, меняем и зачищаем ВСЕ клеммы, прокидываем силовой провод из хорошей меди достаточного сечения, включаем, меряем — КРАСОТА!

На выключенном звуке, на клеммах питания усилителя 14 вольт.

Музыку на всю, на клеммах 13.2 вольт!

Все качает, всем хватает питания, все довольны, усь жмет вам руку.  Праздник!

Ну, теперь самое время поставить наш конденсатор! Ставим, включаем, меряем. 14в без нагрузки и 13.3в с нагрузкой! Хмм, а ведь не удивительно.

Цепь живая, питания хватает, конднсатор не влияет ни на что и просто ждет спокойно своего часа.

Пока все в порядке в питании авто, накопителю в ней делать нечего.

Заблуждение теоретическое третье и заключительное:  Конденсатор нужен в системах с большой громкостью и на соревнованиях SPL.

Ионистор, ввиду своей ленивости, тут по любому отпадает.  И оно казалось бы верно. Лентяям тут не место! Нужен именно конденсатор! На кратковременный замер конденсатору самое место. . НО

1. Замер достаточно долго длится, чтоб проснулся даже кислотный аккумулятор и отдал свой максимум.

2. Распространенные среди SPL братства гелиевые и AGM аккумуляторы являются практически фундаментом профессиональных соревнований.   А все потому, что такие аккумы, способны стрелять сотнями ампер с такой скоростью, что и скорости конденсаторов чувствуют себя не омфортно. И этой скорости аккумуляторов с лихвой хватает для достижения серьезных результатов.

3. Конденсатор, как мы помним, является потребителем энергии, а в SPL
любые лишние потребители это зло.

В итоге сейчас в SPL никто не использует ни конденсаторы, ни ионисторы.

Теперь, напишу о пользе конденсаторов и ионисторов. Да, да, в них есть и польза!) правда со звуком она имеет мало общего.

1) Например, если у вас слабое питание и от музыки моргают фары. На самом деле это очень раздражает. Установка конденсатора устранит моргание. Проблему это не решит. Фары перестанут моргать, но при этом притухнут на среднем значении просадок. Видимость проблемы уйдет, но это не выход. Аккумулятор продолжит умирать с прежней скоростью.

2)  Накопитель является мощным фильтром сетевых помех. Установив его, вы не услышите в динамиках щелчки при включении вентиляторов и другой аппаратуры авто. Фильтры, конечно, устанавливаются сейчас во многих усилителях, но если у вас есть такая проблема накопитель ее, скорее всего, решит.

3) Машина со слабым аккумулятором с накопителем, в мороз заводится гораздо охотнее, чем без него. Это не противоречит теории и доказано на практике. Фишка в том, что своим зарядом, накопитель помогает замерзшему аккумулятору быстро сорвать стартер с места, а мы ведь знаем, что максимальный ток потребляет стартер пока стоит, потом потребление падает раз в 10 и с ним уже аккумулятор справляется и без участия накопителя.

4) С накопителем в сети ремню генератора живется гораздо комфортнее. Он сглаживает рывки генератора на ударах баса.

5) Когда необходимо заменить аккумулятор, при снятии клемм с него магнитола, часы в панели и настройки бортового компьютера не сбрасываются. Накопитель будет их держать минут 5-10 точно. За это время вы спокойнее все поменяете.

6) Одного заряда накопителя хватает, чтобы однократно закрыть или открыть 4 центральных замка от брелка сигналки) Может, кому сгодится)

И полезный совет: как зарядить накопитель, не имеющий системы заряда. Просто между плюсовым проводом питания и конденсатором подключите лампочку, с габаритов например. Она загорится и тут же начнет гаснуть, как погасла полностью, тогда соединяйте напрямую. Кондер заряжен. Тоже самое нужно делать, если вы надолго скидывали клемму с аккумулятора.

На этом собственно и все. Рассказы о псевдопользе накопителя также встречаются в интернете, но они не несут систематичный или обоснованный характер. Например, многие утверждают, что при установке конденсатора на слабое питание бас становится лучше. На самом же деле просто меняется характер искажений, возникающий от нехватки питания. Но этот измененный бас будет также далек от правильного звука, как и тот, который был до накопителя.

Также, многие утверждают, что просадки уменьшились втрое! Но если уточнить у них то оказывается, что напряжение они смотрели на вольтметре встроенном в сам накопитель. Во первых за достоверность его измерений никто не ручается, во вторых он показывает просадки на клеммах накопителя а вовсе не реальные.

Реальные просадки напряжения нужно мерять непосредственно на клеммах усилителя и только там!

Из всего вышеизложенного пусть каждый делает выводы для себя сам, я лишь рекомендую поставить конденсатор в сеть, если вам он достается за недорого, и с питанием у вас все в порядке. Но, если есть выбор, куда потратить деньги, то потратьте эту сумму на улучшение элементов питания авто и на провода. Это будет куда полезнее.

Остается разве что еще упомянуть, что банки конденсаторов есть в ЛЮБОМ усилителе внутри. Расположены они там максимально эффективно для выполнения вышеописанных задач и вполне с ними справляются.

Как выглядит конденсатор или же как говорят особенные люди «накопитель баса»

Что такое ионисторы, где они применяются и в чем их особенность

Ионистор (он же суперконденсатор) – это своеобразный гибрид самого обычного конденсатора и привычного нам аккумулятора. В этом материале будет подробно рассказано про сам ионистор, а также про его область применения в современной электронике.

Устройство ионистора

За границей ионистор называют EDLC (Electric Double Layer Capacitor), что переводится на русский как «конденсатор с двойным электрическим слоем». И вся работа изделия базируется на электрохимических процессах.

Ионистор отличается от обычного конденсатора тем, что между электродами отсутствует привычный диэлектрик. Вместо этого, сами электроды реализованы из материалов с противоположными типами носителей заряда.

Вы, безусловно, знаете, что емкость конденсатора напрямую зависит от площади обкладок. По этой причине в ионисторах применены электроды из вспененного углерода или активированного угля.

При этом разделение электродов в ионисторе реализовано за счет применения сепаратора. И вся внутренняя полость заполнена электролитом, который выполнен на основе растворов кислот и щелочей и при этом имеет твердую кристаллическую структуру.

Так за счет применения твердого электролита RbAg4I5 (рубидий, серебро, йод) можно реализовать ионистор с минимальным саморазрядом, высокой емкостью и с высокой устойчивостью к воздействию отрицательных температур.

На текущий момент ионисторов с твердым кристаллическим электролитом на основе растворов щелочей и кислот уже не найдешь, так как они сняты с производства по причине высокой токсичности компонентов.

Как работает ионистор

Протекающая электрохимическая реакция заставляет часть электронов оторваться от электродов. В результате этого электрод становится носителем положительного заряда.

Отрицательные ионы, которые присутствуют в электролите, начинают притягиваться электродами с положительным зарядом.

Весь этот процесс является условием для образования так называемого электрического слоя. И весь запасенный заряд начинает храниться в пограничной области раздела между электродом и электролитом. И толщина сформированного анионами и катионами слоя равняется от 1 до 5 нм.

В чем преимущества и недостатки ионисторов

К плюсам суперконденсаторов можно отнести следующие моменты:

1.       Минимальное время зарядки и разрядки. То есть ионистор способен как зарядиться, так и отдать весь накопленный заряд практически мгновенно.

2.       Повышенное количество циклов заряд/разряд (составляет более 100 000).

3.       Не требует обслуживания.

4.       Скромный вес и малые размеры.

5.       Процесс зарядки не требует использования сложных зарядных устройств.

6.       Ионистор полноценно работает в температурном диапазоне от -40 до +70 градусов по Цельсию.

На этом с плюсами заканчиваем и переходим к минусам изделия.

К минусам относят следующие явления

1.       Достаточно высокая стоимость. Ионистор стоит существенно дороже, чем обычные конденсаторы и аккумуляторы.

2.       Изделие рассчитано на довольно низкое напряжение. Эта особенность суперконденсатора и величина рабочего напряжения зависит от того, какой тип электролита в нем применен. При этом для того чтобы увеличить рабочее напряжение, ионисторы соединяют последовательно. Но при таком раскладе нужно также каждый суперконденсатор шунтировать резистором, так как необходимо выровнять напряжение на отдельном ионисторе.

3.       При превышении рабочей температуры в +70 градусов по Цельсию изделие довольно быстро разрушится.

4.       Суперконденсатор – это полярный элемент, поэтому при его установке следует строго соблюдать полярность.

Обозначение ионисторов на схеме

На схемах ионистор обозначается точно так же, как и обычный электролитический конденсатор и поэтому различить их между собой можно только по наличию или отсутствию сопутствующей надписи.

Допустим, если рядом со схематическим обозначением будет присутствовать надпись 0,47F 5,5V, то сразу становится понятно, что перед вами суперконденсатор. Так как обычные конденсаторы на такие низкие напряжения и на такие емкости не производят.

Где применяются ионисторы

Сейчас суперконденсаторы стали активно использоваться в современной цифровой аппаратуре. Так в некоторых изделиях ионисторы играют роль резервного питания для энергозависимой памяти, микроконтроллеров, электронных часов и т. п. Из чего можно сделать вывод, что суперконденсаторы нашли довольно широкое применение.

Заключение

В этом материале мы поговорили об ионисторах, которые впервые появились в 1960 году в США, а с 1978 года выпускались в СССР под маркировкой К58-1. Статья оказалась полезна и интересна? Тогда оцените ее и не забудьте подписаться на канал. Спасибо за ваше внимание!

Ионисторы Справочники Любительская Радиоэлектроника

 

Ионисторы

          В последние годы появился класс новых приборов, функционально близких к конденсаторам очень большой емкости; по существу — занимающих положение между конденсаторами и источниками питания. Это — ионисторы, конденсаторы с двойным электрическим слоем.

          Номинальное напряжение ионистра зависит от вида используемого в нем электролита и является для него максимально допустимым. Для получения более высокого рабочего напряжения ионисторы соединяют последовательно. Но делать это самостоятельно не рекомендуется — параметры ионистров в такой связке должны быть очень близкими.

          Внутреннее сопротивление R_вн ионистора может быть расчитано по формуле: R_вн=U/I_кз, где R_вн — в омах; U — напряжение на ионисторе, В; I_кз — ток короткого замыкания, А. Для ионистора К58-3 (японский аналог DC-2R4D225) R_вн=10…100 Ом.

          Электрическую емкость ионистора расчитывают по формуле: C=I*t/U_ном, где C — емкость, Ф; I — постоянный ток разрядки, А; U_ном — номинальное напряжение ионистора, В; t — время разрядки от U_ном до нуля, с.

          Важнейший параметр ионистора — ток утечки. Особенно при использовании его в качестве резервного источника питания.

          Габариты некоторых ионисторов, выпускаемых в России, показаны на рис. 1. Ионистор К58-9А представляет собой залитый компаундом ионистор К58-3 с приваренными проволочными выводами («+» маркирован черной точкой). Ионисторы К58-9Б и К58-9В (японский аналог DB-5R5D105) на напряжение 5 и 6,3 В состоят, соответственно, из двух и трех соединенных последовательно ионисторов К58-3.

Рис. 1. Ионисторы

          В принципе ионистор — неполярный прибор. Вывод «+» указывают для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе.

          Основные характеристики отечественных ионисторов приведены в таблице 1. Их рабочие температуры — -25…+70°C; отклонения емкости от номинальной — -20…+80%.

Таблица 1

Тип ионистора	Емкость, Ф	Номинальное напряжение, В	Внутреннее сопротивление, Ом	Габариты a-b-c-d-e, мм	Масса, г
58-3	2,00	2,5	30	18,3-*-*-*-2,7	2,0
58-9А	0,47	2,5	80	10,5-14-5-26-4,5	0,5
»	2,00	2,5	30	19-23-5-38-5,5	2,0
58-9Б	0,62	5,0	60	27-22,5-10-35-13	11,0
»	1,00	5,0	60	27-22,5-10-35-13	11,0
»	0,62	6,3	90	27-22,5-10-35-13	11,0
58-9В	1,00	5,0	60	21,5-8-5-4-*	8,0
»	0,62	6,3	90	21,5-10,5-5-16,5-*	10,0

          Долговечность ионистора зависит от условий эксплуатации. Так, при работе под напряжением U_ном при температуре окружающей среды +70°C гарантированная долговечность составит 500 часов. При работе под напряжением 0,8U_ном она увеличивается до 5000 часов. Если же напряжение на ионисторе не превышает 0,6U_ном, а температура окружающей среды — +40°C, то ионистор будет исправно работать не менее 40000 часов.

Рис. 2. Типовые разрядные характеристики ионисторов

          На рис. 2 показаны типовые разрядные характеристики ионисторов. Зависимость емкости ионистора от тока разряда (для температур +25°C и +70°C) показана на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость емкости ионистора от тока разряда

          На рис. 4 показана зависимость тока зарядки от времени зарядки ионистора (для температур -15°C, +25°C и +80°C).

Рис. 4. Зависимость тока зарядки от времени зарядки ионистора

          Зависимость тока утечки ионистора от рабочего напряжения приведена на рис. 5, а от температуры окружающей среды — на рис. 6.

Рис. 5. Зависимость тока утечки ионистора от рабочего напряжения

Рис. 6. Зависимость тока утечки от рабочего напряжения

          Обычная схема включения ионистора в качестве резервного источника питания приведена на рис. 7. Диод VD1 предотвращает разряд ионистора C1 при U_пит=0. Резистор R1 ограничивает зарядный ток ионистора, защищая источник питания от перегрузки при включении. Он не потребуется, если источник питания выдерживает кратковременную нагрузку током 100…250 мА

Рис. 7. Включение ионистора в качестве резервного источника питания

          Во многих случаях ионистор с успехом заменяет встраиваемые в прибор резервные источники питания. Весьма перспективен ионистор в качестве накопителя энергии при работе совместно с солнечными батареями. Здесь особенно ценна его некритичность к режиму заряда, практически неограниченное число циклов заряд-разряд.

          Ионистор не требует ухода в течении всего срока службы.

 

Ионисторы, литий-ионные суперконденсаторы

Рис. 1. Конструкция конденсаторов. Слева на право: «обычный» конденсатор, электролитический, ионистор.

Ионистор — двухслойный электрохимический конденсатор

Ионистор (двухслойный электрохимический конденсатор, суперконденсатор, ультраконденсатор — англ. Electric double-layer capacitor, polyacene capacitors…) — электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока. Толщина двойного электрического слоя в ионисторах (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) крайне мала за счет использования электролитов, а площадь пористых материалов обкладок — колоссальна, запасенная ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. К тому же использование двойного электрического слоя вместо обычного диэлектрика позволяет намного увеличить площадь поверхности электрода. Типичная емкость ионистора — несколько фарад при номинальном напряжении 2-10 вольт.

Применяются для основного и резервного питания в бытовой техники — в цифровых и зеркальных фотоаппаратах, фотовспышках, фонарях, карманных плеерах и автоматических коммунальных счетчиках — везде, где требуется быстро зарядить устройство, или на длительное время сохранить питания энергозависимой памяти при отключении основных источников питания (аккумулятора, сетевого блока питания).
Пример: в фотоаппаратах ионистор обеспечивает питание таймера, фотокамера без основного источника питания (аккумулятора или батареек) длительное время сохраняет настройки времени и даты.

Литий-ионные конденсаторы: устройство и принцип работы

Литий-ионные суперконденсаторы являются гибридом двойнослойного конденсатора и литий-ионного аккумулятора. Значения их удельных энергетических и мощностных характеристик находятся в пределах между значениями, свойственными литий-ионным аккумуляторам и суперконденсаторам.

В настоящее время для автономного питания электронный устройств применяются аккумуляторы (свинцовые, никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные, литий-ионные и др.), электрохимические конденсаторы (двойнослойные конденсаторы (ДСК), псевдоконденсаторы (ПсК)) и другие. Каждый тип имеет свои энергетические и мощностные характеристики, ресурс в циклах заряд/разряд, температурный диапазон эксплуатации, показатель саморазряда, которые определяют области их применения. Например, ДСК обеспечивают большую мощность, могут разряжаться большими токами в короткие интервалы времени, но небольшую энергоемкость, тогда как аккумуляторы, имея меньшую мощность, обладают большей энергоемкостью. С целью обеспечения большей энергоемкости и мощности разрабатывают и производят устройства, являющиеся гибридом ДСК и аккумуляторов — гибридные конденсаторы. Для их изготовления используют электроды различных типов. Например, отрицательный электрод может быть сделан с применением активированного угля (электрод в двойнослойных конденсаторах ДСК). В качестве электроактивного компонента положительного электрода применяют, в частности, оксид металла (NiO, PbO₂ — электрод аккумулятора). В связи с развитием литий-ионных технологий, позволяющих создавать энергоемкие аккумуляторы, большой интерес вызывают гибридные конденсаторы, представляющие собой гибрид двойнослойного конденсатора — ДСК и литий-ионного аккумулятора (ЛИА) — литий-ионный суперконденсатор (ЛИСК). Такие системы демонстрируют повышенные мощностные, энергетические и ресурсные характеристики. Данный тип устройств в англоязычной литературе относят к ассиметричным двойнослойным электрохимическим конденсаторам (Asymmetric electrochemical double layer capacitors, AEDLC).

Устройство и принцип работы литий-ионного суперконденсатора

При изготовлении литий-ионного суперконденсатора обычно используют следующие пары активных материалов электродов (отрицательный электрод/положительный электрод):

• Li₄Ti₅O₁₂/углеродный материал с развитой поверхностью;
• графит (неграфитизированный углерод)/углеродный материал с развитой поверхностью;
• смесь Li₄Ti₅O₁₂ и углерода с развитой поверхностью/смесь катодного материала литий-ионного аккумулятора (LiFePO₄, LiMn₂O₄, LiNi_xCo_yMn_(1-x-y)O₂ и другие литиевые соли или оксиды металлов с переменной валентностью) и углерода с развитой поверхностью.

В двух первых типах ЛИСК от ДСК взят положительный электрод (углеродный материал с развитой поверхностью), а от ЛИА — отрицательный (графит или нанотитанат Li₄Ti₅O₁₂). Тип Li₄Ti₅O₁₂/углеродный материал с развитой поверхностью исторически возник первым, однако на данный момент не имеет большого распространения. Третий тип появился совсем недавно и отличается тем, что в нем и анод, и катод включают композиционные материалы, как ЛИА, так и ДСК. При его функционировании как на аноде, так и на катоде параллельно протекают процессы, характерные для работы ЛИА и ДСК. На данный момент наиболее популярными считаются устройства, содержащие графит в составе отрицательного электрода и углеродный материал с развитой поверхностью в составе положительного электрода, то есть относящиеся ко второму типу ЛИСК.

Рисунок 2. Схематичное описание направлений движения заряженных частиц при заряде/разряде: а) ДСК; б) ЛИСК; в) ЛИА (ионы обозначены синим цветом, анионы — оранжевым, оранжевыми стрелками показан процесс заряда, синими — разряда).

ДСК имеет два одинаковых электрода, выполненных из углерода с развитой поверхностью, нанесенного на металлическую фольгу; электроды помещены в электролит. Обычно электролит представляет собой соли, растворенные в органических растворителях. В процессе растворения образуются катионы (например, ТЕМА⁺ — триэтилметил аммоний) и анионы (к примеру, BF_4–). При заряде ДСК катионы и анионы, входящие в состав электролита, локализуются на поверхности отрицательного и положительного электродов соответственно (рис. 2а). При разряде катионы и анионы переходят с поверхности электродов обратно в раствор электролита. В ЛИА протекают другие электрохимические процессы. При заряде положительно заряженные ионы лития интеркалируют (встраиваются) в структуру графита и удаляются из катодного материала — деинтеркалируют (рис. 2в). При разряде ионы лития выходят из структуры графита и встраиваются обратно в структуру катодного материала. Электролит в данном случае выступает в качестве среды, обеспечивающей перенос ионов лития, то есть его функция отлична от электролита в ДСК, где он является источником катионов и анионов. При заряде ЛИСК происходит локализация анионов (PF_6–) на поверхности положительного электрода и внедрение катионов (Li⁺) лития в структуру активного материала отрицательного электрода (графит), (рис. 2б). В данном случае электролит становится средой, обеспечивающей перенос ионов лития, и источником анионов для положительного электрода, совмещая две описанные выше функции. При разряде ЛИСК происходят обратные процессы. Емкость ДСК определяется емкостью каждого из электродов и вычисляется по формуле: 1/С_ячейки = 1/С_—+1/С₊.

В случае симметричного конденсатора С_— = С₊ = С и С_ячейки = С/2. Заряд накапливается на поверхности обоих электродов. Если на положительном электроде работает поверхность, то в отрицательном электроде можно добиться того, чтобы работал объем, — другими словами, происходило внедрение ионов лития в активный материал. Замена активного материала отрицательного электрода (углерода с развитой удельной поверхностью) на материалы, способные к обратимому внедрению лития, например, предварительно литированный графит, обладающий значительно большей емкостью, чем материал положительного электрода (С_— >> С₊), приводит к повышению общей емкости ячейки в два раза. Тогда емкость ячейки — С_ячейки = С₊ — целиком определяется емкостью положительного электрода. У ДСК, имеющего симметричную конструкцию, заряд катода и анода при разряде изменяется одинаково. Максимальное напряжение устройства примерно равно 2,5 Вольт (рис. 3а). Напряжение полностью заряженного ЛИСК выше, чем у ДСК, и составляет 3,8–4 Вольта (рис. 3б).

Рисунок 3. Изменение напряжения: а) ДСК; б) ЛИСК при заряде/разряде (зеленым обозначено напряжение на ячейке, синим — потенциал анода, красным — потенциал катода; потенциалы электродов указаны относительно потенциала лития).

Увеличение напряжения устройства достигается ввиду использования в качестве анода литированного графита, потенциал которого близок к потенциалу металлического лития. При разряде потенциал катода снижается, а потенциал анода несколько увеличивается из-за деинтеркаляции лития. Для обеспечения длительного ресурса напряжение на ячейке не должно уменьшаться ниже или повышаться больше значений, указанных производителем. Таким образом, ЛИСК устойчиво работает в определенном диапазоне напряжений.

Основные производители литий-ионных конденсаторов

Первые ЛИСК, появившиеся на рынке, были изготовлены компаниями Fuji Heavy Industries в сотрудничестве с Nihon Micro Coating (2002–2005 гг.), Advanced Capacity Technologies (EcoCache — 2005, Premlis — 2006), JM Energy (2007), FDK (2007) и другими фирмами.

Сравнительный анализ энергетических и мощностных характеристик литий-ионных суперконденсаторов наглядно представлен на диаграмме (рис. 4).

Рисунок 4. Сравнение ЛИСК с другими устройствами, применяемыми для сохранения электроэнерги.

Литий-ионные суперконденсаторы в сравнении с двойнослойными конденсаторами обладают большим напряжением (до 4 В), большей удельной энергией (до 25 Вт·ч/кг), (рис. 4), меньшим саморазрядом (

По сравнению с литий-ионными аккумуляторами они имеют большую удельную мощность (до 2800 Вт/кг, находятся правее по сравнению с аккумуляторами, рис. 4), больший ресурс (10 000–500 000 циклов) и лучшую работоспособностью при высоких температурах (до 80 °C).

Ионисторный динамо-фонарик своими руками — МозгоЧины

Однажды мне пришел с Китая динамо-фонарь, на коробке которого я обнаружил надпись «Without batteries». Но раскрыв его обнаружил, что именно на батарейках он и работает. А сам рычаг и вся система зарядки ничего в принципе не давала, кроме как была эспандером для кисти руки. Я решил исправить ситуацию и сделать его действительно безбатарейным.

Долго описывать не буду, все и так будет ясно по картинкам. Батарейки располагались прямо под светорассеивателем.

 

А заменим мы их вот таким ионистором на 1,5Ф и 5,5В:

 

 

Вся эта задумка была навеяна однажды увиденным видео где-то в интернете. Но что мне не понравилось, так это то, что человек его снимавший рисовал схему с генератором постоянного тока. Но как мне выдалось, это генератор переменного тока и нужно будет еще делать выпрямитель. Вот схема, которую я себе нарисовал.

Разбираем фонарик и видим, как все устроено. Главное, что нужно сделать — это домотать катушку генератора в том же направлении что и первая, предварительно соединив её последовательно.

 

И вот сам генератор:

Разбираем его и доматываем витки. Я не считал сколько их, а просто набросал туда. Мотал внавал до заполнения. Сам провод для намотки взял со старых катушек телевизионного отклонителя электронов. Не силен в старых телевизорах, но вроде так она называлась. Там вокруг ЭЛТ стоит три таких штуки. На каждой 2 больших и две маленьких обмотки. Я смотал 2 малых для полной намотки катушки генератора. Красными стрелками обозначил места, где они были.

 

 

 

Изначально намотал слишком много и пришлось чуть смотать. Но результат был и это всё выдавало почти 7 вольт.

Далее спаял диодный мост для выпрямления и поставил сглаживающий пульсации конденсатор на 25 В и 470 мкФ.

 

Далее подсоединяем всё это к ионистору.

Сматывал и сматывал лишнюю проволоку пока не подогнал напряжение одного «качка» под напряжение ионистора. Было что-то около 4 с копейками при сильном нажатии. Но я не учел просадки напряжения на диодном мосте и когда начал «качать» энергию, то еле еле на ионисторе набиралось 3 вольта.

В ходе испытаний были перепробованы схемы без конденсаторов, а также в дальнейшем он был заменен на 1000 мкФ. Все лепилось из того что было.

В конце решил остановиться на обычной схеме с диодным мостом и кондером подключенными к ионистору. И не выбрасывать ничего лишнего. Все паяем с помощью этой забавной и очень полезной штуки. называемой в простонародье третьей рукой.

 

 

Собираем и подключаем. Диоды, которые белые, не могут выйти на свою рабочую мощность и просто сразу садят напряжение и тухнут. Было принято решение установить желтые яркие. В результате желтых не нашлось, но были оранжевые. По возможности перепаяю на желтые. А может даже на красные.

 

 

 

Все аккуратно собираем. С виду это обычный фонарик с Китая. Все закрывается так, что и не заметно, заменялось ли что-нибудь. А теперь включаем.

 

Итог. Как аварийный фонарь вполне может быть и имеет право на жизнь. Светит ярко и если уж припрет темнота к стенке, то он выручит. Если качать его 5 минут, то светит 3. Остаточное свечение еще долго держится на светодиодах если не выключать.

Дам совет. Если будете мотать катушку, берите провод тоньше, чем был у меня и не спешите сматывать витки обратно в случае превышения допустимых значений. В полностью собранной схеме все может отлично согласовываться и работать.

P.S. В дальнейшем нужно будет ставить красные светодиоды.

P.P.S. Дополнительно хорошо было бы установить микрокнопку с батарейками в задней внутренней части корпуса для питания от батареек, параллельно ионисторному питанию, а уже как самый аварийный вариант будет «накачка». Но это в будущем.

ИОНИСТОР В КАРМАНЕ | МОДЕЛИСТ-КОНСТРУКТОР

Предлагается простой карманный радиоприемник с низким напряжением питания от ионистора. Приемник выполнен полностью на транзисторах, так как низкое напряжение питания не позволяет использовать существующие микросхемы (например, 174ХА10). Приемник — прямого усиления, что обеспечивает достаточную громкость радиовещательных станций в диапазоне средних волн и работоспособность в диапазоне питающих напряжений от 2 до 0,9 В.

Можно в качестве источника питания использовать 1,5-вольтовые батареи. При работе на динамик ток в режиме сигнала составляет около 10 мА, на стереотелефоны (2×35 Ом) — не более 3 мА При зарядке ионистора до 2 В приемник работает на телефоны около 10 часов, а на динамик — около 2,5 часа до разрядки его до 0,9 В.

Прежде чем перейти к непосредственному описанию схемы и работы предлагаемого вниманию читателей приемника, хотелось бы несколько слов посвятить ионисторам, применение которых в данном приборе является одним из принципиальных моментов.

Устройство ионисторов, история их создания широко освещены в нашей технической литературе. Хотелось бы обратить внимание читателей на работу Н.Кочетова «Ионисторы», опубликованную в № 2 за 2001 г. журнала «Моделист-конструктор». Наряду с описанием принципов работы и конструкции в статье приводится информация о наиболее распространенных на тот период отечественных ионисторах производства ГОО «Гелион» из Рязани. В настоящее время ассортимент этих изделий значительно расширен, в том числе и за счет продукции ОАО «НИИ «ГИРИКОНД» из Санкт-Петербурга (см. табл.). Достаточно полный обзор практического применения ионисторов и их характеристик представлен в работе И.Алиева и С.Калгановой «Конденсаторы сверхвысокой энергоемкости или молекулярные конденсаторы» — Справочник, Москва, 2005 г.

Одним из замечательных свойств ионисторов является их быстрая зарядка: за несколько минут, вместо часов, как с обычными аккумуляторами. Например, для 100-фарадного ионистора достаточно 2 минут. И не надо иметь дело с кислотами, щелочами, дистиллированной водой, ареометром. Отпадает забота о вентиляции помещения зарядной станции: все-таки вредное производство.

На рисунке 1 приведена разработанная автором электросхема зарядного устройства для ионисторов, питающих карманные радиоприемники. Такое устройство должно выдерживать при подключении сильный бросок тока, поэтому в предлагаемой схеме применена сильнотоковая электроника. Выпрямительный мост — на диодах Д232, транзистор — П210А, стабилитрон — Д815А. Трансформатор мощностью 50 ватт. Номинал R4 не указан, так как он напрямую связан с применяемым электроизмерительным прибором. В предлагаемой конструкции использованы магнитоэлектрический миллиамперметр М4202 с током полного отклонения стрелки 5 мА и резистор сопротивлением 1 К.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема зарядного устройства для ионисторов

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема карманного радиоприемника с низким напряжением питания от ионистора

А теперь, освежив свои знания об ионисторах и располагая зарядным устройством к ним, обратим свое внимание на вышеупомянутый карманный приемник. Его принципиальная электросхема представлена на рисунке 2. Прием ведется на магнитную антенну WА1, состоящую из антенной катушки L1 и катушки связи L2, размещенных на ферритовом стержне марки 400НН длиной 160 и диаметром 8 мм. Обе катушки намотаны проводом ПЭВТЛ-2 диаметром 0,18 мм. И имеет 75 витков, индуктивность 340 мкГн ±10%, 1.2— 7 витков. Эта антенна и подстроенный конденсатор С1 взяты от радиоприемника «Селга 404» (используется одна секция сдвоенного блока переменных конденсаторов). С катушки связи L2 сигнал поступает на вход трехкаскадного усилителя высокой частоты (УВЧ). В каждом каскаде УВЧ, выполненном на транзисторах VТ1 — VТ3, введена отрицательная обратная связь по напряжению подключением базовых резисторов R1, R3, R5 к коллекторам транзисторов. С нагрузки последнего каскада УВЧ резистора R6 через конденсатор С5 сигнал поступает на детекторный каскад по схеме удвоения на диодах VD1, VD2.

Конденсатор С6 служит для фильтрации высокочастотной составляющей сигнала. С выхода детекторного каскада сигнал поступает на регулятор громкости R7, спаренный с выключателем питания SА1, а оттуда через конденсатор С7 — на первый каскад усиления низкой частоты (УНЧ), выполненный на транзисторе VТ4. Поскольку напряжение питания низкое, то второй двухтактный каскад УНЧ выполнен на составных транзисторах VТ5VТ7, VТ6VТ8. Динамическая головка ВА взята от приемника «Селга 404-0,25ГД10». На схеме показана возможность подключения миниатюрного головного телефона ТМ-4 (автор применил, как указано в начале статьи, стереотелефоны).

Конденсаторы с двойным электрическим слоем (суперконденсаторы, ионисторы)

Питается приемник от сборки 10 ионисторов по 10 фарад каждый, рассчитанных на напряжение 2,3 В, подключенных параллельно. Итого — 100 фарад. В целях упрощения на схеме сборка ионисторов С9 показана как один ионистор. Зарядка такой сборки ионисторов занимает практически 2 минуты.

В рамке — полная надпись на корпусе одного ионистора.

Конденсаторы можно взять типа КМ, КЛС; резисторы — ОМЛТ-0,125; диоды — любые из серии Д9.

Налаживание приемника начинают с УНЧ. Подбором резистора R8 устанавливают на коллекторах транзисторов VT7, VТ8 напряжение, равное половине напряжения питания. Высокочастотные транзисторы можно взять любые и, подрабатывая величиной базовых резисторов R1, R3, R5, «вгонять» в режим каждый каскад УВЧ.

Монтаж размещен на двух стеклотекстолитовых платах: УВЧ с детекторным каскадом на одной и УНЧ — на другой в виде макросхем с возможностью замены той или другой или обеих на экономичные микросхемы, работающие от низких напряжений с появлением таковых. Корпус приемника взят от «Селги 402».

При разработке приемника был использован однолучевой осциллограф С1-49, высокочастотный генератор сигналов Г4-117.

С. ЛЕВЧЕНКО, г. Санкт-Петербург

Рекомендуем почитать

• МОДЕЛИСТ-КОНСТРУКТОР 2007-12
  В НОМЕРЕ: Репортаж номера: А.Полибин. Спет СЛА-2007 (1). Общественное конструкторское бюро: А.Князев. Снежный «самолет» (2). Автомотосервис: В.Сажинов. Чем не «автопилот» (4)….
• ПЛИТКУ ВЫРУЧИЛ… УТЮГ
  Случилось, что у моей электроплитки «Россиянка-2» вышел из строя один из выключателей-регуляторов степени нагрева конфорок. Да так, что никакому восстановлению не подлежал. Подходящей…

Cамодельный ионистор — суперконденсатор делаем своими руками. Суперконденсатор или гибридный аккумулятор в авто

Электрическая емкость земного шара, как известно из курса физики, составляет примерно 700 мкФ. Обычный конденсатор такой емкости можно сравнить по весу и объему с кирпичом. Но есть и конденсаторы с электроемкостью земного шара, равные по своим размерам песчинке — суперконденсаторты.

Появились такие приборы сравнительно недавно, лет двадцать назад. Их называют по-разному: ионисторами, иониксами или просто суперконденсаторами.

Он используется для проверки измеряемых приборов при их сравнении с конденсаторами, мощность которых необходимо определить. Емкость стандартных конденсаторов должна быть хорошей стабильности при изменении температуры и частоты. Чтобы устранить эти нежелательные влияния, принимаются различные конструктивные решения.

С точки зрения используемого диэлектрика, стандартные конденсаторы имеют диэлектрический газ и твердый диэлектрик. Их стабильность во времени определяется деформациями подкреплений, опорных частей и т.д. или изменить состав и свойства диэлектрического газа, а также изменить поверхности металлических подкреплений.

Не думайте, что они доступны лишь каким-то аэрокосмическим фирмам высокого полета. Сегодня можно купить в магазине ионистор размером с монету и емкостью в одну фараду, что в 1500 раз больше емкости земного шара и близко к емкости самой большой планеты Солнечной системы — Юпитера.

Любой конденсатор запасает энергию. Чтобы понять, сколь велика или мала энергия, запасаемая в ионисторе, важно ее с чем-то сравнить. Вот несколько необычный, зато наглядный способ.

На незагерметизированных конденсаторах с воздушным диэлектриком воздух оказывает неблагоприятное влияние на изменение мощности. Для других газовых диэлектриков стандартные конденсаторы герметизируются и хранятся в колпачках без изменения температуры. Лучшие газовые диэлектрические стандартные конденсаторы изготовлены из нерасширенных сплавов — плотно закрыты и заполнены сухим азотом. Точность диэлектрических стандартных конденсаторов высока, варьируя по частоте, температуре и времени в процессе усадки.

Твердые диэлектрические стандартные конденсаторы характеризуются высокой стабильностью, уменьшенным изменением в зависимости от температуры и частоты потери частоты. Если они протекают, существует значительное влияние влажности на емкость конденсатора, обнаруженное через два дня или недели. В качестве диэлектрических материалов используют небольшой пластифицированный полистирол, плавленный кварц. По этой причине они используются в качестве высокоточных стандартов в метрологических лабораториях.

Энергии обычного конденсатора достаточно, чтобы он мог подпрыгнуть примерно на метр-полтора. Крохотный ионистор типа 58-9В, имеющий массу 0,5 г, заряженный напряжением 1 В, мог бы подпрыгнуть на высоту 293 м!

Иногда думают, что ионисторы способны заменить любой аккумулятор. Журналисты живописали мир будущего с бесшумными электромобилями на суперконденсаторах. Но пока до этого далеко. Ионистор массой в один кг способен накопить 3000 Дж энергии, а самый плохой свинцовый аккумулятор — 86 400 Дж — в 28 раз больше. Однако при отдаче большой мощности за короткое время аккумулятор быстро портится, да и разряжается только наполовину. Ионистор же многократно и без всякого вреда для себя отдает любые мощности, лишь бы их могли выдержать соединительные провода. Кроме того, ионистор можно зарядить за считаные секунды, а аккумулятору на это обычно нужны часы.

Особое внимание следует уделить строительству высокочастотных стандартных конденсаторов. Эти калибровочные конденсаторы должны быть свободны от паразитных индукторов и должны быть подключены к цепи с большой осторожностью для устранения паразитных емкостей. Для этой цели используется прецизионный коаксиальный разъем с очень низкой паразитной емкостью.

Они изготовлены из ряда маломощных мощностей. Комбинация значений достигается с помощью десятипозиционного переключателя. Диэлектрические конденсаторы в коробке небольшие, а серебряные фитинги — на маленьких пластинах. Она представляет собой ежегодную стабильность ±. Это мегахомометр-электрическое устройство. Логометрический индикатор состоит из двух катушек с подвижными сердечниками, закрепленными на одной оси с индикаторной иглой; стандартный конденсатор монтируется последовательно с катушкой и клеммами для подключения конденсатора с неизвестной емкостью к другому.

Это и определяет область применения ионистора. Он хорош в качестве источника питания устройств, кратковременно, но достаточно часто потребляющих большую мощность: электронной аппаратуры, карманных фонарей, автомобильных стартеров, электрических отбойных молотков. Ионистор может иметь и военное применение как источник питания электромагнитных орудий. А в сочетании с небольшой электростанцией ионистор позволяет создавать автомобили с электроприводом колес и расходом топлива 1-2 л на 100 км.

Устройство имеет градуированную шкалу в микрофарадах. С ними они измеряют электрические мощности; являются мостами, питающимися от переменного тока. Нулевой индикатор также предназначен для переменного тока. Для этого мост подается на источник высокого напряжения. Мост работает с промышленными, звуковыми или радиочастотами.

Мост для измерения емкости электролитических конденсаторов. Простейший тип плоского конденсатора состоит из двух плоских, параллельных и параллельных пластин, разделенных однородным диэлектриком. Емкость такого конденсатора вычисляется по соотношению.

Ионисторы на самую разную емкость и рабочее напряжение есть в продаже, но стоят они дороговато. Так что если есть время и интерес, можно попробовать сделать ионистор самостоятельно. Но прежде чем дать конкретные советы, немного теории.

Из электрохимии известно: при погружении металла в воду на его поверхности образуется так называемый двойной электрический слой, состоящий из разноименных электрических зарядов — ионов и электронов. Между ними действуют силы взаимного притяжения, но заряды не могут сблизиться. Этому мешают силы притяжения молекул воды и металла. По сути своей двойной электрический слой не что иное, как конденсатор. Сосредоточенные на его поверхности заряды выполняют роль обкладок. Расстояние между ними очень мало. А, как известно, емкость конденсатора при уменьшении расстояния между его обкладками возрастает. Поэтому, например, емкость обычной стальной спицы, погруженной в воду, достигает нескольких мФ.

На практике предпочтительнее вычислять формулу, которая получается из соотношения. Вышеупомянутые соотношения не учитывают, что линия электрического поля падает по краям подкреплений, поэтому они дают несколько меньшие мощности, чем целые числа. Такой конденсатор состоит из двух проводящих сфер, изолированных друг от друга, сфер, представляющих конденсаторные клапаны. Можно доказать, что для расчета этого конденсатора можно использовать соотношение.

Концентрический цилиндрический конденсатор состоит из двух коаксиальных проводящих катушек, которые образуют подкрепления, разделенные между ними диэлектриком. Предполагая, что такой конденсатор очень длинный, его мощность на метр длины рассчитывается с учетом соотношения ниже, предполагая, что его диаметр пренебрежимо мал по своей длине.

По сути своей ионистор состоит из двух погруженных в электролит электродов с очень большой площадью, на поверхности которых под действием приложенного напряжения образуется двойной электрический слой. Правда, применяя обычные плоские пластины, можно было бы получить емкость всего лишь в несколько десятков мФ. Для получения же свойственных ионисторам больших емкостей в них применяют электроды из пористых материалов, имеющих большую поверхность пор при малых внешних размерах.

Преобразуя это соотношение, мы достигаем практических формул. Вышеприведенные формулы полезны при расчете емкости коаксиальных кабелей, используемых на высоких частотах. Основными мерами охраны труда являются. Обеспечение недоступности элементов, входящих в состав электрических цепей, и достигается путем.

Установка электрических кабелей, даже изолированных, а также электрооборудования на недоступном для человека месте. Электрическая изоляция проводников. Использование дождевых червей. Использование уменьшенных напряжений для портативных электроинструментов. При использовании переносных инструментов с электроприводом обязательно.

На эту роль были перепробованы в свое время губчатые металлы от титана до платины. Однако несравненно лучше всех оказался… обычный активированный уголь. Это древесный уголь, который после специальной обработки становится пористым. Площадь поверхности пор 1 см3 такого угля достигает тысячи квадратных метров, а емкость двойного электрического слоя на них — десяти фарад!

Перед началом работы тщательно осмотрите инструмент, изоляцию и крепление инструмента. Избегайте скручивания или намотки шнура питания при перемещении инструмента из одного задания в другое для поддержания хорошего состояния изоляции. Управление соединительным кабелем при перемещении инструмента из одного задания в другое для того, чтобы его нельзя было скручивать или скручивать.

Избегайте прохода шнура питания по подъездным дорогам и складским помещениям материалов; если этого нельзя избежать, кабель будет защищен синяками, прилипанием или зависанием. Запрет на ремонт или устранение дефектов во время работы двигателя или уход без надзора за инструментом, подключенным к электрической сети.

Самодельный ионистор На рисунке 1 изображена конструкция ионистора. Он состоит из двух металлических пластин, плотно прижатых к «начинке» из активированного угля. Уголь уложен двумя слоями, между которыми проложен тонкий разделительный слой вещества, не проводящего электроны. Все это пропитано электролитом.

При зарядке ионистора в одной его половине на порах угля образуется двойной электрический слой с электронами на поверхности, в другой — с положительными ионами. После зарядки ионы и электроны начинают перетекать навстречу друг другу. При их встрече образуются нейтральные атомы металла, а накопленный заряд уменьшается и со временем вообще может сойти на нет.

Использование средств индивидуальной защиты и средств предупреждения. Основное средство защиты состоит из изолированных плоскогубцев и изолированных инструментов. Вспомогательное защитное оборудование состоит из: защитного оборудования, резиновых матов, электроизоляционных платформ.

Автоматическое отключение в случае опасного касания или опасной утечки. Разделение защиты с помощью разделительного трансформатора. Дополнительная изоляция изоляции, которая заключается в выполнении дополнительной изоляции от нормальной изоляции работы, но которая не должна уменьшать механические и электрические качества, необходимые для изоляции работы.

Чтобы этому помешать, между слоями активированного угля и вводится разделительный слой. Он может состоять из различных тонких пластиковых пленок, бумаги и даже ваты.
В любительских ионисторах электролитом служит 25%-ный раствор поваренной соли либо 27%-ный раствор КОН. (При меньших концентрациях не сформируется слой отрицательных ионов на положительном электроде.)

Защита памяти используется для обеспечения персонала от поражения электрическим током прикосновением к оборудованию и установкам, которые не являются частью рабочих цепей, но могут случайно вступить в силу из-за ошибки изоляции. Нулевое соединение достигается за счет создания общей сети защиты, которая постоянно контролирует сеть электропитания машин.

Защита путем выравнивания потенциалов является вторичным средством защиты и состоит в создании соединений через проводники во всех металлических частях различных установок и конструкций, которые случайно могут испытывать напряжение и будут затронуты человеком, который проходит через это место.

В качестве электродов применяют медные пластины с заранее припаянными к ним проводами. Их рабочие поверхности следует очистить от окислов. При этом желательно воспользоваться крупнозернистой шкуркой, оставляющей царапины. Эти царапины улучшат сцепление угля с медью. Для хорошего сцепления пластины должны быть обезжирены. Обезжиривание пластин производится в два этапа. Вначале их промывают мылом, а затем натирают зубным порошком и смывают его струей воды. После этого прикасаться к ним пальцами не стоит.

Промышленные электронные устройства, оборудование и установки. Руководство для промышленных вузов и профессионально-технических училищ, Бухарест. Ниту — «Устройства и методы измерения и контроля». Работает только с чистым напряжением, в основном его ток очень близок к нулю, то есть десятки или сотни миллиампов, максимум один или два усилителя для действительно огромных; при его выходе напряжение в сотни, тысячи или даже десятки тысяч раз больше, чем вход, в зависимости от его размера конструкции и может достигать десятков миллионов вольт, что делает вторичную мощность настолько большой или выше первичной; мэр и его вторичная работа на разных частотах, в основном, при вторичном нахождении нескольких гармоник частот, отличных от частоты входного тока, из-за того, что его катушкам управляет электрический разряд некоторых конденсаторов в катушке; передача энергии не происходит однонаправленно от первичного до вторичного в качестве обычного трансформатора, но его обмотки оказывают влияние и взаимно усиливают; является трансформатором, который работает с полем и излучением, преимущественно электрическим и слишком маленьким, потому что у него нет металлического сердечника, но его катушки «в воздухе».

Впоследствии инвертор коррелирует с мощностью батареи, которая может быть подключена к клеммам батареи или батарейного блока, чтобы обеспечить таким образом собранное напряжение в батарее в качестве переменного тока, совместимого с переменным током национальной сети, то есть 220 В при 50 Гц.

Активированный уголь, купленный в аптеке, растирают в ступке и смешивают с электролитом до получения густой пасты, которой намазывают тщательно обезжиренные пластины.

При первом испытании пластины с прокладкой из бумаги кладут одна на другую, после этого попробуем его зарядить. Но здесь есть тонкость. При напряжении более 1 В начинается выделение газов Н2, О2. Они разрушают угольные электроды и не позволяют работать нашему устройству в режиме конденсатора-ионистора.

Патенты можно найти по этим адресам. Это бесконечно дешевле, даже если мы должны построить его в одиночку; может обеспечить более высокие мощности, непосредственно захватывающие электричество от земно-ионосферного конденсатора, а не преобразование света в электричество в качестве фотогальванических панелей; поэтому он работает бесшумно и неустанно 24 часа в сутки, независимо от того, солнце, туман, ветер, шторм, дождь или снег. «Электрохимические конденсаторы с двойным покрытием», «Суперконденсаторы» или «Ультраконденсаторы» в настоящее время используют термины для одного и того же типа продукта, который отличается от обычных конденсаторов более высоким значением электрической емкости.

Поэтому мы должны заряжать его от источника с напряжением не выше 1 В. (Именно такое напряжение на каждую пару пластин рекомендовано для работы промышленных ионисторов.)

Подробности для любознательных

При напряжении более 1,2 В ионистор превращается в газовый аккумулятор. Это интересный прибор, тоже состоящий из активированного угля и двух электродов. Но конструктивно он выполнен иначе (см. рис. 2). Обычно берут два угольных стержня от старого гальванического элемента и обвязывают вокруг них марлевые мешочки с активированным углем. В качестве электролита употребляется раствор КОН. (Раствор поваренной соли применять не следует, поскольку при ее разложении выделяется хлор.)

Сверхпроводник в первом анализе аналогичен обычным электролитическим конденсаторам. Схематически электролитический конденсатор показан на рис. Основными конструкционными элементами электролитического конденсатора являются: два металлических подкрепления, сепаратор и электролит. Сепаратор состоит из слоя пористого материала, который изолирует с точки зрения проводимости электронов. Он обеспечивает электрическую изоляцию, которая предотвращает контакт между двумя электродами. Жидкий электролит проникает в поры сепаратора, и поэтому ионы могут легко пересекать сепаратор для достижения металлических подкреплений.

Энергоемкость газового аккумулятора достигает 36 000 Дж/кг, или 10 Вт-ч/кг. Это в 10 раз больше, чем у ионистора, но в 2,5 раза меньше, чем у обычного свинцового аккумулятора. Однако газовый аккумулятор — это не просто аккумулятор, а очень своеобразный топливный элемент. При его зарядке на электродах выделяются газы — кислород и водород. Они «оседают» на поверхности активированного угля. При появлении же тока нагрузки происходит их соединение с образованием воды и электрического тока. Процесс этот, правда, без катализатора идет очень медленно. А катализатором, как выяснилось, может быть только платина… Поэтому, в отличие от ионистора, газовый аккумулятор большие токи давать не может.

Когда на конденсаторные электроды не подается напряжение, на их поверхности нет электрического заряда, а отрицательные и положительные ионы электролита равномерно распределены по массе. Когда электроды наносятся на внутреннюю поверхность одного, образуется слой положительного электрического заряда, а на внутренней поверхности другой образуется слой отрицательного электрического заряда. Отрицательные ионы в электролите притягиваются к слою положительного заряда, образуя второй слой отрицательного заряда ионов на очень небольшом расстоянии от слоя положительного заряда металла.

Тем не менее, московский изобретатель А.Г. Пресняков (http://chemfiles.narod .r u/hit/gas_akk.htm) успешно применил для запуска мотора грузовика газовый аккумулятор. Его солидный вес — почти втрое больше обычного — в этом случае оказался терпим. Зато низкая стоимость и отсутствие таких вредных материалов, как кислота и свинец, казалось крайне привлекательным.

Газовый аккумулятор простейшей конструкции оказался склонен к полному саморазряду за 4-6 часов. Это и положило конец опытам. Кому же нужен автомобиль, который после ночной стоянки нельзя завести?

И все же «большая техника» про газовые аккумуляторы не забыла. Мощные, легкие и надежные, они стоят на некоторых спутниках. Процесс в них идет под давлением около 100 атм, а в качестве поглотителя газов применяется губчатый никель, который при таких условиях работает как катализатор. Все устройство размещено в сверхлегком баллоне из углепластика. Получились аккумуляторы с энергоемкостью почти в 4 раза выше, чем у аккумуляторов свинцовых. Электромобиль мог бы на них пройти около 600 км. Но, к сожалению, пока они очень дороги.

Конденсатор встречается в наборах Мастер Кит (да и вообще в электронных устройствах) почти так же часто, как и резистор. Поэтому важно хотя бы в общих чертах представлять его основные характеристики и принцип работы.

Принцип работы конденсатора

В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Чем больше отношение площади пластин к толщине диэлектрика – тем выше ёмкость конденсатора. Чтобы избежать физического увеличения размеров конденсатора до огромных размеров, конденсаторы изготавливают многослойными: например, сворачивают ленты пластин и диэлектриков в рулон.
Так как любой конденсатор имеет диэлектрик, то он не способен проводить постоянный ток, но он может сохранять электрический заряд, приложенный к его обкладкам, и в нужный момент отдавать его. Это важное свойство

Давайте договоримся: радиодеталь мы называем конденсатором, а его физическую величину – ёмкостью. То есть правильно сказать так: «конденсатор имеет ёмкость 1 мкФ», но некорректно сказать: «замени на плате вон ту ёмкость». Вас, конечно, поймут, но лучше соблюдать «правила хорошего тона».

Электрическая ёмкость конденсатора – это главный его параметр
Чем больше ёмкость конденсатора, тем больший заряд он может сохранить. Электрическая ёмкость конденсатора измеряется в Фарадах, обозначается F.
1 Фарад — очень большая ёмкость (земной шар имеет ёмкость менее 1Ф), поэтому для обозначения ёмкости в радиолюбительской практике используются следующие основные размерные величины — префиксы: µ (микро), n (нано) и p (пико):
1 микроФарад — 10-6 (одна миллионная часть), т.е. 1000000µF = 1F
1 наноФарад — 10-9 (одна миллиардная часть), т.е. 1000nF = 1µF
p (пико) — 10-12 (одна триллионная часть), т.е. 1000pF = 1nF

Как и Ом, Фарад – это фамилия физика. Поэтому, как культурные люди, пишем прописную букву «Ф»: 10 пФ, 33 нФ, 470 мкФ.

Номинальное напряжение конденсатора
Расстояние между пластинами конденсатора (особенно конденсатора большой ёмкости) очень мало, и достигает единиц микрометра. Если приложить к обкладкам конденсатора слишком высокое напряжение, слой диэлектрика может быть нарушен. Поэтому каждый конденсатор имеет такой параметр, как номинальное напряжение. При эксплуатации напряжение на конденсаторе не должно превышать номинального. Но лучше, когда номинальное напряжение конденсатора несколько выше напряжения в схеме. То есть, например, в схеме с напряжением 16В могут работать конденсаторы с номинальным напряжением 16В (в крайнем случае), 25В, 50В и выше. Но нельзя ставить в эту схему конденсатор с номинальным напряжением 10В. Конденсатор может выйти из строя, причём часто это происходит с неприятным хлопком и выбросом едкого дыма.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях для начинающих не используется напряжение питания выше 12В, а современные конденсаторы чаще всего имеют номинальное напряжение 16В и выше. Но помнить о номинальном напряжении конденсатора очень важно.

Типы конденсаторов
О разнообразных конденсаторах можно написать много томов. Впрочем, это уже сделали некоторые другие авторы, поэтому я расскажу только самое необходимое: конденсаторы бывают неполярные и полярные (электролитические).

Неполярные конденсаторы
Неполярные конденсаторы (в зависимости от типа диэлектрика подразделяются на бумажные, керамические, слюдяные…) могут устанавливаться в схему как угодно – в этом они похожи на резисторы.
Как правило, неполярные конденсаторы имеют относительно небольшую ёмкость: до 1 мкФ.

Маркировка неполярных конденсаторов
На корпус конденсатора нанесён код из трёх цифр. Первые две цифры определяют значение ёмкости в пикофарадах (пФ), а третья – количество нулей. Так, на изображённом ниже рисунке на конденсатор нанесён код 103. Определим его ёмкость:
10 пФ + (3 нуля) = 10000 пФ = 10 нФ = 0,01 мкФ.

Конденсаторы ёмкостью до 10 пФ маркируются по-особенному: символ «R» в их кодировке обозначает запятую. Теперь Вы можете определить ёмкость любого конденсатора. Приведённая ниже табличка поможет Вам проверить себя.

Как правило, в радиолюбительских конструкциях допустима замена некоторых конденсаторов на близкие по номиналу. Например, вместо конденсатора 15 нФ набор может комплектоваться конденсатором 10 нФ или 22 нФ, и это не отразится на работе готовой конструкции.
Керамические конденсаторы не имеют полярности и могут устанавливаться в любом положении выводов.
Некоторые мультиметры (кроме самых бюджетных) имеют функцию измерения ёмкости конденсаторов, и Вы можете воспользоваться этим способом.

Полярные (электролитические) конденсаторы
Есть два способа увеличения ёмкости конденсатора: либо увеличивать размер его пластин, либо уменьшать толщину диэлектрика.
Чтобы минимизировать толщину диэлектрика, в конденсаторах большой ёмкости (выше нескольких микрофарад) применяется специальный диэлектрик в виде оксидной плёнки. Этот диэлектрик нормально работает только при условии правильно приложенного напряжения на обкладках конденсатора. Если перепутать полярность напряжения, электролитический конденсатор может выйти из строя. Метка полярности всегда маркируется на корпусе конденсатора. Это может быть либо значок «+», но чаще всего в современных конденсаторах полосой на корпусе маркируется вывод «минус». Другой, вспомогательный способ определения полярности: плюсовой вывод конденсатора длиннее, но ориентироваться на этот признак можно только до того, как выводы радиодетали обрезаны.
На печатной плате также присутствует метка полярности (как правило, значок «+»). Поэтому при установке электролитического конденсатора обязательно совмещайте метки полярности и на детали, и на печатной плате.
Как правило, в радиолюбительских конструкциях допустима замена некоторых конденсаторов на близкие по номиналу. Также допустима замена конденсатора на аналогичный с бОльшим значением допустимого рабочего напряжения. Например, вместо конденсатора 330 мкФ 25В набор можно применить конденсатор 470 мкФ 50В, и это не отразится на работе готовой конструкции.

Внешний вид электролитического конденсатора (правильно установленный на плату конденсатор)

Как работают суперконденсаторы? — Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 22 июля 2020 г.

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

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 хранить электрический заряд?

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

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

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

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

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы заставить его приклеиться.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 бесчисленное количество раз без износа.Но они есть и большой недостаток: килограмм на килограмм, их базовая конструкция не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества электрическая энергия в виде батарей.

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

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

Что такое суперконденсатор?

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

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

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

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

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

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

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

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

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

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

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

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

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

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

Для чего используются суперконденсаторы?

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

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

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

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

Working, Как заряжать и его применение

Простой пассивный элемент, который может накапливать электрическую энергию при подаче напряжения, называется конденсатором.Он обладает способностью или способностью накапливать электрическую энергию, создавая разность потенциалов на своих пластинах, и ведет себя как аккумуляторная батарея. Конденсатор состоит из двух параллельных проводящих пластин, которые не соединены друг с другом. Пластины разделены изоляционным материалом, называемым диэлектриком, который представляет собой вощеную бумагу, керамику, слюдяной пластик или жидкий гель. Из-за этого изоляционного материала постоянный ток не может проходить через конденсатор. Он блокирует прохождение тока, а конденсатор заряжается до напряжения питания и действует как изолятор.Когда конденсатор используется в цепях переменного тока, ток проходит прямо через конденсатор без блоков. Электрическое свойство конденсатора — это емкость, которая измеряется в Фарадах (Ф). В зависимости от диэлектрика емкость конденсатора различна. Есть один конденсатор, который имеет наибольшую емкость. Один из таких — суперконденсатор. В этой статье обсуждается обзор суперконденсатора.

Что такое суперконденсатор?

Определение: Суперконденсатор, также называемый ультраконденсатором, конденсатором большой емкости или двухслойным электролитическим конденсатором, который может хранить большое количество энергии, почти в 10-100 раз больше энергии по сравнению с электролитическими конденсаторами.Он более предпочтителен, чем батареи, из-за его более быстрой зарядки и более быстрой доставки энергии. У него больше циклов зарядки и разрядки, чем у аккумуляторных батарей. Они разработаны в наше время для получения промышленных и экономических выгод. Емкость этого конденсатора также измеряется в Фарадах (Ф). Основное преимущество этого конденсатора — его эффективность и высокая емкость хранения энергии.

суперконденсатор

Суперконденсатор рабочий

Подобно обычному конденсатору, суперконденсатор также имеет две параллельные пластины с большей площадью.Но разница в том, что расстояние между пластинами небольшое. Пластины состоят из металлов и пропитаны электролитами. Пластины разделены тонким слоем, называемым изолятором.

supercapacitor-symbol

Когда на обеих сторонах изолятора образуются противоположные заряды, образуется двойной электрический слой, и пластины заряжаются. Следовательно, суперконденсатор заряжен и имеет более высокую емкость. Эти конденсаторы используются для обеспечения высокой мощности и обеспечения высоких нагрузочных токов при низком сопротивлении.Стоимость суперконденсатора высока из-за его высокой зарядной и разрядной емкости.

Двойной электрический слой образуется при замене пластин и формировании противоположных зарядов на обеих сторонах пластин. Следовательно, суперконденсаторы также называют двухслойными конденсаторами или электрическими двухслойными конденсаторами (EDLC’S). Когда площадь пластин увеличивается и расстояние между пластинами уменьшается, то емкость конденсатора увеличивается.

суперконденсатор работает

Когда суперконденсатор не заряжен, все заряды случайным образом распределяются внутри ячейки.Когда суперконденсатор заряжен, все положительные заряды притягиваются к отрицательному выводу, а отрицательные заряды притягиваются к положительному выводу. Как правило, доступны суперконденсаторы с емкостью 420 Ф, зарядным и разрядным током 4-2 А при комнатной температуре -22 градуса по Цельсию.

Как зарядить суперконденсатор?

Суперконденсатор имеет саморазрядную емкость и неограниченные циклы зарядки-разрядки. Эти типы конденсаторов могут работать с низкими напряжениями (2-3 вольта) и могут быть подключены последовательно для получения высокого напряжения, которое используется в мощном оборудовании.Он может накапливать больше энергии и высвобождать ее мгновенно и быстрее, чем батареи.

Когда этот конденсатор подключен к цепи или источнику постоянного напряжения, пластины являются зарядами, а противоположные заряды образуются с обеих сторон разделителя, который образует двухслойный электролитический конденсатор.

Для зарядки суперконденсатора подключите положительную сторону источника напряжения к положительной клемме суперконденсатора, а отрицательную сторону источника напряжения подключите к отрицательной клемме суперконденсатора.

Если суперконденсатор подключен к источнику напряжения 15 вольт, то он заряжается до 15 вольт. Если напряжение превышает значение приложенного источника напряжения, суперконденсатор может выйти из строя. Таким образом, резистор соединен последовательно с источником напряжения и конденсатором, чтобы уменьшить ток, протекающий через конденсатор, и он не повредится.

Источник постоянного тока и источник ограниченного напряжения подходят для суперконденсатора. Когда напряжение увеличивается постепенно, величина тока, протекающего через конденсатор, изменяется.В полностью заряженном режиме ток по умолчанию падает.

Суперконденсатор против батареи

Батареи широко используются с определенным объемом и весом, а также имеют лучшую удельную энергию. Суперконденсаторы — это конденсаторы большой емкости с высокой удельной мощностью. По сравнению с батареей, суперконденсатор имеет быструю зарядку-разрядку, может выдерживать низкие и высокие температуры, высокую надежность и низкое сопротивление.

Стоимость батареи низкая, тогда как стоимость суперконденсатора высока.Суперконденсаторы обладают саморазрядной емкостью. В аккумуляторе рабочее напряжение определяет режимы зарядки и разрядки. В суперконденсаторе допустимое напряжение зависит от типа диэлектрического материала, используемого между пластинами. А также электролит в конденсаторе может увеличить емкость.

Доступны свинцово-кислотные батареи, Ni-MH, Li-Po, Li-ion, LMP и т. Д. Суперконденсаторы доступны с органическим электролитом, водным электролитом, ионной жидкостью, гибридными и псевдосуперконденсаторами.Батареи используются для хранения большого количества энергии, а суперконденсаторы используются для обеспечения высокой плотности мощности.

Солнечный инвертор с использованием суперконденсатора

Солнечный инвертор полезен для фермеров при орошении, ограждении и т. Д. В солнечном инверторе используются солнечные пластины, и солнечная энергия, полученная от этих пластин, сохраняется в батарее. Полная система солнечного инвертора имеет переключатель ВКЛ / ВЫКЛ для управления зарядкой батареи в соответствии с целями фермера.

солнечный инвертор, использующий суперконденсатор

Блок-схема солнечного инвертора, использующего суперконденсатор, содержит,

• Солнечная панель
• Импульсный генератор
• Повышающий трансформатор
• MOSFET
• ВКЛ / ВЫКЛ
129 Суперконденсатор Перезаряжаемая батарея

Когда выводы батареи подключены к генератору импульсов и, в свою очередь, к полевому МОП-транзистору, он может генерировать импульсы включения / выключения на разных частотах.Импульсы подаются на повышающий трансформатор для получения низкого переменного напряжения. Это переменное напряжение используется для различных целей в сельском хозяйстве. Суперконденсатор используется во всем процессе для обеспечения высокой мощности, для быстрой зарядки и хранения солнечной энергии, а также для увеличения срока службы батарей.

Выходная энергия солнечных пластин может быть увеличена за счет увеличения размеров солнечных пластин.

Применения

Применения суперконденсатора включают следующее.

• Для обеспечения высокой мощности и устранения перерывов в мощности
• Промышленные и электронные приложения
• Используется в ветряных турбинах, электрических и гибридных транспортных средствах
• Рекуперативное торможение для высвобождения энергии при ускорении
• Для запуска мощности в системах старт-стоп
• Регулировка напряжения в энергосистеме
• Для захвата и поддержки мощности при более низких и поднятых нагрузках
• Обеспечивает резервное питание в состоянии быстрой разрядки.

Часто задаваемые вопросы

1). Могут ли суперконденсаторы заменить батареи?

Для обеспечения высокой плотности мощности, а также для простой и быстрой зарядки суперконденсаторы могут заменять батареи.

2). Сколько энергии может хранить суперконденсатор?

Суперконденсатор сохраняет максимальное количество энергии 22,7 джоулей для питания 5,5 вольт. Он сохраняет в 10-100 раз больше энергии на единицу массы или объема по сравнению с электролитическими конденсаторами

3).В чем разница между батареей и суперконденсатором?

Батареи используются для хранения большой энергии, а суперконденсаторы имеют высокую удельную мощность. Суперконденсаторы
используются для быстрого накопления и высвобождения энергии, тогда как батареи хранят энергию в течение более длительных периодов времени.

4). Как долго суперконденсатор может держать заряд?

Время зарядки суперконденсатора составляет 1-10 секунд по сравнению с 10-60 минутами, необходимыми для достижения полностью заряженной батареи.Он обеспечивает мощность 10 000 Вт / кг с неограниченными циклами зарядки-разрядки.

5). Почему бы не использовать конденсаторы вместо батарей?

Конденсаторы накапливают электрическую энергию и имеют тысячи циклов зарядки-разрядки. Батарея остается постоянной, когда она разряжается постоянным током и имеет постоянную выходную мощность. В то время как напряжение конденсатора падает линейно при постоянном токе, выходная мощность также падает. Значит, конденсатор нельзя заменить аккумулятором. Схема регулятора напряжения используется для замены конденсатора на батарею.

Итак, это все о суперконденсаторе. Они используются в электронике, а также в промышленных приложениях. Вот вам вопрос, какова функция суперконденсатора?

Что такое суперконденсатор (ультраконденсатор) — характеристики, работа и типы

Суперконденсаторы

(также известные как ультраконденсаторы) всегда вызывали много внимания и интереса с момента своего появления. Это связано с чрезвычайно высокой емкостью и практически неограниченным жизненным циклом заряда и разряда.В этом посте будет рассказано о том, что такое суперконденсатор (ультраконденсатор), его характеристиках, принципах работы, типах, применении, преимуществах и недостатках.

Что такое суперконденсатор (ультраконденсатор)

Суперконденсатор (ультраконденсатор) — это специально разработанный конденсатор, способный накапливать огромное количество электрического заряда. Суперконденсаторы обеспечивают рабочее напряжение в диапазоне от 1 В до 3 В как для водных, так и для органических электролитов. Это также обещает большой потенциал для быстрой зарядки и хранения энергии.

В отличие от других конденсаторов, в которых используется традиционный диэлектрик, в этих суперконденсаторах используются два метода хранения электрической энергии: псевдоемкость и двухслойная емкость.

Рис.1 — Краткий обзор суперконденсатора (ультраконденсатора)

Псевдоемкость изначально является электрохимической, в то время как двухслойная емкость является электростатической. Благодаря этой технологии суперконденсаторов можно достичь очень высоких емкостей, например 12000F.

Характеристики суперконденсаторов (ультраконденсаторов)

Ниже приведены некоторые характеристики суперконденсаторов (ультраконденсаторов).

1. Время заряда суперконденсатора (ультраконденсатора)

Время заряда и разряда суперконденсатора или ультраконденсатора можно сравнить со временем заряда любого обычного конденсатора. Однако высокие токи заряда и разряда могут быть достигнуты благодаря минимальному внутреннему сопротивлению суперконденсатора.

Хотя для полной зарядки аккумуляторов обычно требуется много времени, суперконденсаторы можно зарядить до того же состояния менее чем за две минуты.

2. Удельная мощность суперконденсатора (ультраконденсатора)

Удельная мощность суперконденсатора или ультраконденсатора измеряет максимальную выходную мощность, деленную на его общую массу. Известно, что удельная мощность суперконденсаторов в 10 раз превышает удельную мощность батарей. Это свойство пригодится в приложениях, где требуются быстрые выбросы энергии из запоминающего устройства.

3. Безопасность и жизненный цикл суперконденсатора (ультраконденсатора)

Суперконденсатор

известен своими высокими стандартами безопасности.В то время как батареи взрываются из-за чрезмерного нагрева, суперконденсаторы относительно прохладны из-за своего низкого сопротивления. Они также предлагают практически неограниченный срок службы. Это свойство полезно в тех случаях, когда выделение и накопление энергии происходит очень часто.

Как работает суперконденсатор (ультраконденсатор)

Давайте сначала посмотрим на работу типичного конденсатора. Стандартные конденсаторы состоят из двух металлических пластин или электродов, разделяющих между собой диэлектрическое вещество.При приложении напряжения электроны накапливаются на одном из электродов, тем самым накапливая электрический заряд.

Между тем, диэлектрический материал, который заклинивает между электродами, подвергается процессу, называемому «диэлектрическая поляризация», и помогает увеличить емкость.

Рис.2 — Конструкция традиционного конденсатора

Суперконденсатор

также работает по тому же принципу, за исключением того, что заклинивающий материал представляет собой раствор электролита, а не диэлектрическое вещество.При приложении напряжения будет создан «двойной электрический слой», который выравнивает как отрицательные, так и положительные заряды по границам электродов и раствора электролита.

Это место действует как склад для хранения электрических зарядов. Активированный уголь часто используется для расширения приграничных участков. Это связано с тем, что емкость суперконденсатора прямо пропорциональна площади «двойного электрического слоя». Этот активированный уголь является известным пористым материалом и имеет множество отверстий на поверхности, которые помогают покрыть большую площадь поверхности.

Рис.3 — Работа суперконденсатора (ультраконденсатора)

Из-за раствора электролита и электродов суперконденсаторы имеют структуру типичной батареи для хранения электроэнергии. Хотя между электролитическим раствором и электродами в батарее происходят химические реакции, суперконденсаторы позволяют только электронам перемещаться между электродами. Эти различия приводят к разным свойствам батареи и суперконденсатора.

Типы суперконденсаторов (ультраконденсаторов)

Как упоминалось ранее, суперконденсаторы используют два основных принципа накопления энергии: i.е. электрохимическая псевдоемкость и статическая двухслойная емкость. Исходя из этого, суперконденсаторы делятся на три различных типа. Их:

• Двухслойные конденсаторы
• Псевдоконденсаторы
• Гибридные конденсаторы

Двухслойные конденсаторы

В двухслойных конденсаторах хранение электроэнергии достигается разделением заряда в двойном слое Гельмгольца. Это действует как граница между проводящим электродом и электролитом.

Электроды изготовлены из активированного угля или его производных, которые обладают большей электростатической двухслойной емкостью, чем электрохимическая псевдоемкость.

Псевдоконденсаторы

Они имеют полимерные проводящие электроды или оксиды переходных металлов, которые обладают большой электрохимической псевдоемкостью.

Накопление электрической энергии — это электрохимический процесс, который достигается за счет окислительно-восстановительных реакций, внедрения на поверхность электрода ионов, которые специфически поглощаются.

Гибридные конденсаторы

Здесь электроды асимметричны, причем один из электродов демонстрирует электростатические свойства, а другой — электрохимическую емкость. Поскольку как псевдоемкость, так и двухслойная емкость вносят неотъемлемый вклад в полную емкость электрохимического конденсатора, была предложена концепция супераккумулятора и суперконденсатора. Это помогает прояснить гибридные устройства, которые действуют как батарея и суперконденсатор.

Применение суперконденсаторов (ультраконденсаторов)

Поскольку суперконденсаторы заполняют промежуток между конденсаторами и батареями, они используются в большом количестве приложений. Одним из таких интересных приложений является накопление энергии в системе динамического торможения или KERS (система рекуперации кинетической энергии).

Автомобильная промышленность использует этот подход, используя электрические генераторы, преобразующие кинетическую энергию в электрическую. Эта электрическая энергия хранится в суперконденсаторах и позже используется для подачи энергии, необходимой для ускорения.

В приложениях с низким энергопотреблением, где важна быстрая подзарядка или длительный срок службы, используется технология суперконденсаторов. MP3-плееры, фотографическая вспышка, статическая память — вот лишь некоторые из таких приложений.

Будущее суперконденсаторов (ультраконденсаторов)

Будущее суперконденсаторов (Ultracapacitor) яркое и многообещающее. Среди них выделяется план по объединению двухуровневого интерфейса с существующими технологиями хранения энергии. Добавление электрохимического конденсатора к приложениям, работающим на топливных элементах, привело к значительному улучшению характеристик жизненных циклов заряда и разряда.

Это особенно заметно в электромобилях и гибридных автомобилях. В нескольких городах, в которых система общественного транспорта работает на гибридных технологиях, улучшились циклы зарядки и механизмы хранения энергии.

Такие устройства для быстрой зарядки и хранения энергии уже выходят на рынок и вызвали феноменальный сдвиг в наших представлениях о возможностях хранения. Также предполагается, что суперконденсаторы будут использоваться в ноутбуках, сотовых телефонах, электромобилях и других устройствах, в которых используются батареи.

  Также читают: 
  Альтернативное хранение энергии - методы, технологии и ресурсы 
  Пружина как накопитель энергии - уравнение, применение и недостатки 
  Маховик как накопитель энергии, расчеты и требования к ротору  

Нандини является выпускником программ PGDBA и BE в ECE и имеет опыт работы инженером по тестированию программного обеспечения в Applied Materials и C Square Technologies Pvt Ltd. Она является автором, редактором и партнером в Electricalfundablog.

Суперконденсатор: работа и применение

Суперконденсатор энергии: работа и применение

24.04.2020 Автор / Редактор: Люк Джеймс / Erika Granath

Суперконденсаторы, также известные как ультраконденсаторы, представляют собой специально разработанные конденсаторы, способные накапливать большой электрический заряд.

Связанные компании

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.

(Bild: Adobe Stock)

Суперконденсаторы заполняют промежуток между электролитическими конденсаторами и аккумуляторными батареями, обычно способные хранить в 10–100 раз больше энергии на единицу объема или массы, чем электролитические суперконденсаторы.

Суперконденсаторы обеспечивают рабочее напряжение в диапазоне от 1 В до 3 В как для органических, так и для водных электролитов и имеют большие перспективы для быстрой зарядки и накопления энергии.Они также известны своими практически неограниченными циклами зарядки в отличие от литий-ионных аккумуляторов, которые разрушаются с каждым циклом прохождения.

Как работают суперконденсаторы

Прежде чем рассматривать работу суперконденсатора, важно взглянуть на работу типичного конденсатора.

Типичный конденсатор состоит из двух металлических пластин (электродов), разделяющих между собой диэлектрическое вещество. При приложении напряжения электроны собираются на одном из электродов, сохраняя электрический заряд.Между тем, диэлектрический материал, зажатый между двумя электродами, подвергается процессу, называемому диэлектрической поляризацией, который помогает увеличить емкость — способность системы накапливать электрический заряд.

Суперконденсатор работает по тем же принципам, за исключением того, что в суперконденсаторе заклинивающий материал представляет собой раствор электролита, а не диэлектрическое вещество. Когда на суперконденсатор подается напряжение, создается «двойной электрический слой», который выравнивает как положительные, так и отрицательные заряды по границам электродов и раствора электролита.Эта область действует как место хранения электрического заряда. Чтобы расширить границы этих областей, используется активированный уголь, потому что он пористый и имеет множество отверстий на своей поверхности, которые помогают покрыть большую площадь поверхности.

Суперконденсаторы и батареи

Хотя суперконденсаторы звучат очень похоже на обычные батареи — действительно, они имеют одинаковую структуру из-за электролитического раствора и электродов — есть одно большое различие.

В батарее между электролитическим раствором и электродами происходят химические реакции.Напротив, суперконденсаторы позволяют электронам перемещаться только между электродами. Это различие означает, что между батареей и суперконденсатором существуют разные свойства, и у обоих есть свои собственные применения.

Кроме того, широко используются аккумуляторы определенного объема и веса, а также более высокая удельная энергия. Напротив, суперконденсаторы — это конденсаторы большой емкости с высокой удельной мощностью. По сравнению с батареей суперконденсатор имеет быструю зарядку-разрядку, может выдерживать низкие и высокие температуры, обладает низким импедансом и отличается высокой надежностью.

Типичные области применения

Суперконденсаторы могут использоваться в самых разных областях, как средство преодоления разрыва между конденсаторами и батареями. В первую очередь их можно найти в приложениях, которые требуют быстрых циклов зарядки и разрядки, например, в автомобилях, где они используются для рекуперативного торможения, а не в приложениях, требующих длительного компактного накопления энергии, таких как смартфоны и устройства потребительского уровня. Меньшие блоки суперконденсаторов используются в качестве системы резервного питания для статической оперативной памяти (SRAM).Однако есть некоторые приложения потребительского уровня, в которых используются суперконденсаторы, поскольку требуются такие характеристики, как быстрая подзарядка или продленный жизненный цикл. К ним относятся MP3-плееры и вспышка для фотоаппарата профессионального уровня.

Еще одно распространенное применение суперконденсаторов — ветряные турбины. Здесь очень большие суперконденсаторы помогают сгладить прерывистую мощность, поставляемую ветром.

(ID: 46500244)

Введение в суперконденсаторы — Arbin Instruments

Химические батареи, хотя и являются наиболее распространенными, — не единственный способ накапливать энергию.Еще одно устройство, которое постоянно исследуется и совершенствуется, — это суперконденсатор. Суперконденсатор хранит электричество в виде статической, а не химической энергии. Хотя они не могут сравниться с батареями по энергоемкости, у них есть явные преимущества, которые обеспечивают им место в нашем энергоэффективном будущем.

Как работает суперконденсатор

Суперконденсатор состоит из двух металлических электродных пластин, разделенных тонким пористым изолятором, обычно сделанным из углерода, бумаги или пластика, пропитанного электролитом.

При приложении заряда ионы электролита мигрируют к пластине с противоположной полярностью. Этим движением создается электрическое поле, а энергия накапливается в интенсивном электрическом поле между ионами и электродами, которое удерживает их вместе. Во время разряда электроны движутся к нагрузке цепи, освобождая ионы от пластины.

В чем разница между суперконденсаторами и батареями?

В то время как оба аккумулируют энергию, суперконденсатор и батарея сильно различаются.Плотность энергии суперконденсатора составляет всего от 1 до 30 Втч / кг по сравнению с 100-265 Втч / кг современных литий-ионных батарей.

И наоборот, суперконденсатор значительно превосходит батареи по удельной мощности. Поскольку для высвобождения энергии в нем не используются химические реакции, суперконденсатор может выделять большое количество энергии за короткое время. Удельная мощность суперконденсатора может достигать 10 000 Вт / кг, в то время как мощность обычных литий-ионных аккумуляторов составляет от 1 000 до 3 000 Вт / кг.

Это также означает, что он может заряжаться очень быстро. Среднее время зарядки суперконденсатора составляет 1-10 секунд, тогда как батареи должны заряжаться от 10 минут до часа, чтобы полностью зарядиться.

Суперконденсаторы

имеют гораздо более длительный срок службы, потому что материалы не разлагаются в процессе выделения энергии. В батареях химические реакции в конечном итоге приведут к износу материалов и потере емкости.

Применения суперконденсаторов

Несмотря на все эти преимущества перед батареями, суперконденсаторам сильно мешает их энергоемкость.Тем не менее, они хорошо подходят для приложений с высокой мощностью, которым требуется быстрая зарядка и разрядка без необходимости длительного хранения.

Некоторые небольшие устройства, в которых используются суперконденсаторы, включают вспышки для камер и небольшие электрические инструменты. Поскольку этим устройствам не нужен постоянный поток электричества, а достаточно быстрые всплески энергии, суперконденсатор идеально подходит в этих случаях.

Суперконденсаторы, хотя и не энергоемкие, используются в некоторых видах электрического транспорта.В Китае некоторые из их электрических автобусов в Шанхае работают на суперконденсаторах , , , заряжаются на остановках, когда пассажиры садятся и садятся. Поскольку они могут заряжаться за секунды, автобусы могут работать в течение всего дня, не беспокоясь о разрядке. Некоторые трамваи и легкие рельсы в разных частях Европы также используют тот же принцип.

В электромобилях суперконденсаторы могут использоваться в системах рекуперативного торможения, быстро поглощая и высвобождая энергию.Таким образом, суперконденсатор будет поддерживать аккумулятор при питании автомобиля, особенно во время разгона, когда потребуется быстрый всплеск мощности.

В сетевых приложениях, еще одной важной области в будущем накопления энергии, суперконденсаторы также могут быть объединены с батареями для устранения перебоев в подаче электроэнергии при внезапном скачке спроса на энергию. Суперконденсатор будет действовать как буфер между сетью и нагрузкой, быстро высвобождая энергию при внезапном скачке спроса, чтобы ограничить нарушение потока энергии, а также напряжение в сети.

Испытание суперконденсаторов

Из-за множества преимуществ суперконденсаторов, изучение того, как они могут играть роль в хранении энергии, является важной частью разговора. Arbin имеет высококачественное оборудование для испытаний суперконденсаторов для целей исследований и разработок. Как и все остальное наше оборудование, системы тестирования суперконденсаторов поддерживают имитацию циклов заряда / разряда в реальном мире. Доступно для тестирования ячеек, модулей и пакетов до 800 В.

Что такое «суперконденсаторы» и что они делают в новом суперкаре Lamborghini Sián?

Lamborghini Sián не идет в ближайший к вам автосалон.Заявлены все 63 единицы — по … [+] 3,6 миллиона долларов каждая.

Ламборджини

В преддверии большого Франкфуртского автосалона Lamborghini опубликовала подробную информацию о своем новом суперкаре ограниченного выпуска Sián, который будет отличаться обычной эстетикой космического корабля (см. Выше), а также чем-то необычным. немного более необычно: гибридная трансмиссия, которая выдает более чистых 800 лошадиных сил.

Но в трехдолларовой батарее, по слухам, не прячется.6 миллионов Sián, из которых будут доступны только 63 единицы (ой, слишком рано говорили, все они проданы). Вместо этого в автомобиле будет использоваться 34-сильный электродвигатель, питаемый электронами от так называемого «суперконденсатора».

Хорошо, сначала немного науки 101 (а может, 201). Что делает конденсатор «обычным» или «супер»? А что делает конденсатор? По сути, это электрический компонент, который накапливает энергию, но не так, как батарея. И это не редкость: прямо сейчас вас окружают обычные конденсаторы.Они есть почти во всем: в смартфонах, компьютерах, стереооборудовании, микроволновых печах, почти во всем, что имеет печатную плату. Конденсаторы отлично подходят для хранения и высвобождения энергии в быстром темпе, — тысячи раз в секунду, и они могут делать это миллионы раз без ухудшения качества, как это обычно бывает с батареей. Вы можете углубиться здесь, но суть в том, что они имеют решающее значение для правильной работы сложного электрического оборудования — а они существуют с самого начала электричества: 1745 года.Так что у них было время как бы развиваться.

Как всегда утонченный, Sián присоединяется к последней угловатой тенденции Lamborghini с выраженной кривизной.

Ламборджини

Но вернемся к Sián и этим «суперконденсаторам». Это в значительной степени то, на что похоже: действительно БОЛЬШИЕ конденсаторы, которые накапливают партии энергии и затем могут быстро сбрасывать ее в что-то вроде электродвигателя или усилителя вашей стереосистемы. В случае с Sián суперконденсаторы приводят в действие небольшой электродвигатель, подключенный к двигателю, безнаддувный V12, который развивает мощность 785 лошадиных сил — самый высокий показатель среди нетурбированных силовых установок Lamborghini.Добавьте к этому электрическую помощь 34 пони, и Sián вырастет до 800 лошадиных сил. Как и положено за 3,6 мил.

Но почему всего 34 жалкие лошадиные силы? А как заряжаются эти суперкапсы, если нет батареи? Вот где конденсаторы и батареи вроде как часть компании (несмотря на то, что они оба хранят энергию). В то время как большие батареи заряжаются многие минуты или даже часы, большие конденсаторы занимают всего секунды , и они также могут сбросить всю свою мощность за секунды. Но конденсаторы (в настоящее время) не очень хорошо удерживают заряд с течением времени.Большой массив суперконденсаторов, подобный тому, что находится в Сиане, вероятно, израсходует всю свою накопленную энергию всего за несколько дней, пока находится на стоянке. Кроме того, конденсаторы не обладают такой же плотностью хранения энергии, как батареи, поэтому они не хранят почти столько же энергии, как батареи того же физического размера. По крайней мере, сейчас нет.

Интерьер Lamborghini Sian кажется почти сдержанным по сравнению с экстерьером.

Ламборджини

Уловка Sián для зарядки своих суперконденсаторов заключается в использовании рекуперативного торможения . Когда водитель тормозит, тормоза сиана работают как генераторы и быстро заполняют конденсаторы электричеством. Когда водитель затем ускоряется, эта энергия сбрасывается в небольшой электродвигатель, который помогает ускорять Sián более быстро: Lamborghini утверждает, что он может разогнаться до 60 миль в час примерно за 2,8 секунды. Двигатель настолько мал по двум причинам: общая система подачи электроэнергии мала, вероятно, для экономии веса (батареи намного тяжелее конденсаторов), и это больше похоже на вспомогательную систему, чем на полноценную гибридную силовую установку.Сиан не сможет передвигаться только на электроэнергии.

Физика говорит нам, что объекту в состоянии покоя требуется лот энергии только для того, чтобы двигаться, но когда он движется, не так много энергии требуется для поддержания крейсерской скорости (вот почему вы получаете такой хороший расход топлива на шоссе). . Небольшой электродвигатель в Сиане, обеспечивающий, по существу, бесплатную энергию тормозов автомобиля, хранящуюся в конденсаторной системе, помогает двигать автомобиль в тандеме с V12.Это дает ему своего рода прирост свободной энергии либо от остановки, либо от более низкой скорости, когда требуется ускорение (например, при выходе из поворота). Если это звучит как устройство KERS (система рекуперации кинетической энергии) в гоночных автомобилях, то в принципе это действительно очень похоже. Lamborghini заявляет, что эта система также будет использоваться для сглаживания переключения передач в Сиане.

Такой гараж может понадобиться, чтобы сохранить Lamborghini Sian в безопасности.

Ламборджини

Так почему же не в каждой машине используется эта «суперконденсаторная» система для повышения мощности и эффективности? Скорее всего, потому, что это дорого и сложно изготавливать и интегрировать, но теперь, когда он появился в (едва) гражданском серийном автомобиле, технология, вероятно, будет доработана и начнет распространяться на более доступные автомобили, если удастся добиться экономии за счет масштаба.

Кроме того, конденсаторы продолжают разрабатываться с надеждой, что когда-нибудь, возможно, будет разработан какой-то гибрид батареи / конденсатора, который даст преимущества обеих систем: способность хранить большие объемы энергии в течение длительного времени, быстро и возможность передавать мощность двигателям для достижения максимальной производительности. Это может быть шагом на пути к новейшей технологии аккумуляторов: твердотельные аккумуляторы высокой емкости , которые обладают огромной мощностью, быстро заряжаются и служат намного дольше, чем нынешние «мокрые» аккумуляторы.

Но это уже другая история.

Хорошие ласты, мистер Сиан. Поиграйтесь с истребителями.

Ламборджини

Суперконденсаторы: его основные принципы, классификация и электрические характеристики

В наши дни системы накопления энергии играют все более важную роль в различных областях, и относительно типичные области, такие как электромобили, энергетические системы и некоторые другие области . В этом контексте суперконденсаторы как технология накопления энергии обладают превосходными характеристиками, такими как высокая удельная мощность, отсутствие необходимости в обслуживании и долгий срок службы, и они стали центром внимания академических кругов и промышленности.

Основные принципы и классификация суперконденсаторов

В этом разделе в основном будет представлен электрохимический механизм суперконденсаторов. Накопление энергии в суперконденсаторах происходит в основном на границе между электродами и электролитами. Этот метод накопления энергии имеет большое отношение к используемым электродным материалам. Когда два электрода суперконденсатора изготовлены из разных типов материалов, в этом случае всесторонний анализ механизма накопления энергии продукта не позволит полностью понять принцип работы суперконденсатора.Исходя из этого, в этом разделе сначала будет кратко представлен принцип работы суперконденсатора; затем разработать механизм накопления энергии различных поверхностей раздела электрод-электролит, классифицировать суперконденсаторы по разным электродам и электролитам и представить некоторые электрические характеристики суперконденсаторов.

Ⅰ. Принцип работы суперконденсатора

Как показано на рисунке 1, суперконденсатор в основном состоит из многих частей, таких как токосъемники, электроды, электролиты и сепараторы.Сепаратор выполняет ту же функцию, что и сепаратор в батарее. Он изолирует два электрода для предотвращения короткого замыкания между электродами и позволяет ионам проходить через них. Основной принцип накопления энергии в суперконденсаторе заключается в накоплении электрической энергии за счет емкости двойного электрического слоя, образованной разделением зарядов на границе раздела между электролитом и раствором ванны.

Рисунок 1: Принципиальная схема конструкции и принципа работы суперконденсатора

.Механизм накопления энергии

В производстве и производстве электродов и электролитов суперконденсаторов используется множество материалов. Чтобы глубоко понять механизм накопления энергии суперконденсаторов и оптимизировать характеристики суперконденсаторов, обычно необходимо использовать два эксперимента, кривую циклической вольтамперометрии и разряд постоянного тока, чтобы охарактеризовать характеристики электродов различных суперконденсаторов. На рисунке 2 показаны два эксперимента, кривая циклической вольтамперометрии и разряд суперконденсатора при постоянном токе при различных механизмах накопления энергии, где a и c представляют кривую циклической вольтамперометрии и кривую разрядки при постоянном токе электрода суперконденсатора. под механизмом накопления емкости двойного электрического слоя и псевдоемкости соответственно; b и d соответственно представляют кривую циклической вольтамперометрии и кривую разряда постоянного тока электрода суперконденсатора под механизмом накопления конденсатора Фарадея.

Рисунок 2: Кривые циклической вольтамперометрии и кривые разряда постоянного тока конденсаторов с двойным электрическим слоем при различных механизмах накопления

1. Механизм накопления конденсатора с двойным электрическим слоем

Эффект двойного электрического слоя заключается в том, что положительный и отрицательный заряды должны быть разделенными, которые образуются в результате накопления на границе раздела электрод-электролит. Это основной механизм хранения энергии суперконденсаторов, таких как активированный уголь, углеродное волокно, углеродный войлок и другие углеродные материалы.Формирование эффекта двойного электрического слоя в основном вызвано увеличением или уменьшением количества электронов в зоне проводимости высокой энергии на поверхности электрода, что вызывает перемещение положительных и отрицательных зарядов в растворе электролита на граничной стороне, что используется для уравновешивают дисбаланс заряда, вызванный изменением электронов зоны проводимости высокой энергии на поверхности электрода.

Поскольку плотность заряда на поверхности электрода зависит от приложенного напряжения, емкость двойного электрического слоя зависит от напряжения.Электрохимическая реакция в конденсаторе с двойным электрическим слоем в основном происходит на поверхности электрода и обычно связана с адсорбционным и десорбционным поведением анионов и катионов. Кривая циклической вольтамперометрии конденсатора с двойным электрическим слоем имеет прямоугольную форму, как показано на рис. 2 (а), а кривая разряда постоянного тока для этого типа материала имеет линейную зависимость, как показано на рис. 2 (с).

Эффект двойного электрического слоя возникает на границе раздела между электронным проводником и ионным проводником, который присутствует почти во всех электрохимических системах накопления энергии.Однако в электролизерах, топливных элементах и ​​батареях это обычно рассматривается как побочная реакция и не рассматривается как основной механизм накопления энергии. Напротив, принцип работы суперконденсаторов основан на этом эффекте, который требует, чтобы суперконденсаторы максимизировали этот эффект в процессе проектирования и разработки.

2. Механизм хранения псевдоемкости

Псевдоемкость, также известная как псевдоемкость Фарадея, представляет собой емкость, которая связана с потенциалом заряда электрода, когда это двумерные или квазидвумерные пространства на поверхности электрода или объемная фаза, и когда электроактивные вещества подвергаются пониженному потенциалу осаждения, и происходят обратимые химические реакции адсорбции, десорбции или окисления и восстановления.Это основной механизм хранения энергии оксидов металлов, карбидов металлов и проводящих полимерных суперконденсаторов. Хотя эти реакции очень похожи на реакции в батареях, поскольку оба их заряда проходят через конденсатор с двойным электрическим слоем, разница состоит в том, что образование псевдоемкости больше похоже на особые термодинамические свойства. Кривая циклической вольтамперометрии и кривая разряда постоянного тока псевдоемкости аналогичны конденсатору с двойным электрическим слоем.В отличие от конденсатора с двойным электрическим слоем, псевдоконденсатор имеет более высокую плотность энергии, но ограничен кинетикой электрохимической реакции и необратимостью реакции. В результате мощность заряда и разряда, а также срок службы псевдоконденсатора меньше, чем у конденсатора с двойным электрическим слоем. Следует отметить, что из-за наличия активных функциональных групп большинство электродов суперконденсаторов имеют псевдоемкость. Например, электрохимический отклик конденсаторов с двойным электрическим слоем, состоящих из наноматериалов, таких как графен, в основном формируется окислительно-восстановительной реакцией, вызванной дефектами углеродных материалов.

3. Механизм накопления реакции Фарадея

Этот механизм накопления в основном основан на окислительно-восстановительной реакции катионов металлов в электроде, обычно сопровождаемой окислительно-восстановительной реакцией катионов металлов. Экстракция и внедрение катионов металлов при фазовой экстракции материала электрода вызовет усиление и потерю электронов в материале, а затем накапливает энергию. Он в основном включает два способа фазового превращения материала или реакции легирования. Когда эти электроды заряжаются и разряжаются, появляется плато напряжения, которое соответствует пиковому напряжению окислительно-восстановительного потенциала на циклической вольтамперограмме, как показано на рисунках 2 (b) и 2 (d).По сравнению с двумя другими типами конденсаторов, емкость Фарадея имеет более высокую накопленную энергию, которая обычно в 10-100 раз больше, чем у конденсаторов с двойным электрическим слоем.

Некоторые электродные материалы, проявляющие эффект Фарадея, такие как Ni (OH) 2 или аналогичные электродные материалы для аккумуляторов, во многих литературных источниках считаются псевдоемкостными материалами, что сбивает читателей с толку. Хотя этот тип материала имеет более высокую плотность энергии накопления энергии и ограничен твердофазной диффузией ионов материала, характеристики заряда-разряда большой мощности намного хуже, чем у материала с псевдоемкостью.

Ⅲ. Классификация суперконденсаторов

Существует множество стандартов классификации суперконденсаторов. В этой статье в основном будут представлены два метода классификации. Первый классифицируется в соответствии с различными механизмами накопления энергии в материалах электродов, а второй будет классифицироваться в соответствии с различными электролитами.

1. Классификация в соответствии с различными механизмами накопления энергии

В соответствии с различными механизмами накопления энергии суперконденсаторы можно разделить на симметричные суперконденсаторы, асимметричные суперконденсаторы и гибридные суперконденсаторы.

2. Классификация по разным электролитам

По типу электролита его условно можно разделить на водные электролиты и органические электролиты. Среди них водные электролиты включают: 1. Кислые электролиты, в основном с использованием 36% водного раствора h3SO4 в качестве электролитов. 2. щелочные электролиты, обычно с использованием сильных оснований, таких как КОН и NaOH, в качестве электролита и воды в качестве растворителя. 3. нейтральный электролит, обычно использующий KCl, NaCl и другие соли в качестве электролита, и воду в качестве растворителя, в основном используемый для электролита из электродного материала из оксида марганца; в органическом электролите обычно используется соль лития, представленная LiClO4, TEABF4, поскольку используются типичные репрезентативные соли четвертичного амина, в органических растворителях обычно используются PC, ACN, GBL, THL и так далее, а растворимость электролита в растворителе близка к насыщению.В его состав также входят твердые электролиты. Благодаря постоянному развитию твердотельных электролитов в литий-ионных батареях, такие электролиты стали горячей точкой исследований в области электролитов суперконденсаторов.

Электрохимические характеристики суперконденсаторов

В этом разделе кратко обсуждаются электрические характеристики суперконденсаторов. Есть надежда, что анализ выявит причины некоторых особых явлений суперконденсаторов и проанализирует влияние этих явлений на характеристики конденсаторов.Ниже также обсуждается, как правильно выбрать суперконденсатор, который подходит для различных ситуаций, исходя из требований различных областей применения суперконденсаторов.

Ⅰ. Взаимосвязь между напряжением и емкостью

Переменная емкость — одна из характеристик суперконденсаторов, хотя эта функция не является самой важной характеристикой суперконденсаторов. Но когда SC является частью энергетической системы, это нужно учитывать. Это связано с тем, что изменение емкости суперконденсатора во всем диапазоне напряжений составляет от 15% до 20% от номинальной емкости, что нельзя игнорировать в большинстве конструкций энергетических систем.Емкость суперконденсатора можно измерить по формуле (1). Формула связывает заряд и напряжение, накопленное между двойными электрическими слоями, что указывает на то, что количество заряда, накопленного между двойными электрическими слоями, пропорционально напряжению. По мере увеличения напряжения плотность распределения заряда вблизи двойного электрического слоя становится выше.

U — напряжение, а Q — заряд

Помимо влияния напряжения на емкость суперконденсатора, температура окружающей среды также влияет на емкость суперконденсатора.Хотя суперконденсаторы имеют широкий диапазон рабочих температур, широкие изменения температуры будут оказывать определенное влияние на емкость суперконденсаторов. Как часть средств накопления энергии, при проектировании системы следует в полной мере учитывать влияние температуры окружающей среды на емкость суперконденсаторов. Температура в основном влияет на емкость суперконденсаторов, влияя на броуновское движение анионов и катионов по обе стороны двойного электрического слоя. Вообще говоря, температура влияет на различные броуновские движения ионов по-разному, что означает, что при повышении температуры увеличиваются разные скорости броуновского движения анионов и катионов.Чем больше зазор, тем меньше емкость конденсатора. В некоторых исследованиях сообщается, что при изменении температуры на 1 ° C емкость суперконденсатора изменится на 0,1%, что указывает на то, что при изменении рабочей температуры суперконденсатора на 80 ° C емкость изменится на 8%. Хотя изменение температуры мало влияет на емкость суперконденсатора, ему следует уделить достаточно внимания при проектировании системы.

Ⅱ. Закон распределения заряда поверхности электрода

Обычно суперконденсатор учитывает соответствие между размером поры электрода и размером электролита в процессе проектирования.Следует отметить, что растворитель-электролит суперконденсатора обычно состоит из полярных молекул, таких как молекулы воды, ацетонитрил и т. Д. Эти полярные молекулы сольватируют ионы и объединяются в более крупные и более стабильные единицы. Когда диаметр поры электрода меньше диаметра свободного иона, сольватированные ионы и свободные ионы не будут проходить через отверстие и не будут влиять на емкость двойного электрического слоя; когда пора больше, чем сольватированный ион, сольватированный ион будет проходить через отверстие; Когда поры находятся между диаметром ионов и сольватированных ионов, свободные ионы будут проходить через поры, а сольватированные ионы будут десольватироваться с образованием свободных ионов в порах.

Этот процесс требует энергии. Наличие двух последних дырок повлияет на распределение заряда двойного электрического слоя. Распределение заряда имеет определенную связь с высокой скоростью зарядки и разрядки и сроком службы конденсатора.

Исследование показало, что именно из-за существования этого явления сольватации суперконденсатор не может достичь полного разряда при высокой мощности. Сообщается, что деполяризованные ионы и растворенные поляризованные ионы составляют около 20% площади поверхности электрода в обычно используемых конденсаторах.

Исследование показало, что именно наличие этого явления сольватации позволяет суперконденсатору достигать полного разряда при высокой мощности. Сообщается, что деполяризованные ионы и растворенные поляризованные ионы составляют около 20% площади поверхности электрода в обычно используемых конденсаторах.

Ⅲ. Омическая поляризация

Во время зарядки и разрядки ионы и электроны в суперконденсаторе будут перемещаться. С одной стороны, из-за джоулева тепла, генерируемого движением электронов, он преобразует кинетическую энергию электронов в тепловую энергию, которая будет рассеиваться через проводник.С другой стороны, ионы будут тереться с другими ионами во время движения электролита, выделяя тепло. Напряжение, которое компенсирует эти два потребления энергии, пропорционально переносимому иону или току, и это явление называется явлением омической поляризации суперконденсаторов.

Обычно влияние изменения температуры на электроны и ионы противоположное. Для твердотельных электродов, когда температура увеличивается, колебания атомов в твердых молекулах будут более интенсивными, что приведет к образованию большего количества джоулева тепла.Что касается ионов, когда температура увеличивается, это ускоряет движение молекул, снижает вязкость, что способствует уменьшению потерь энергии, вызванных движением ионов. Исследования показали, что на движение ионов в большей степени влияет температура, что указывает на то, что при повышении температуры полезно уменьшить потери энергии суперконденсатора.

По сравнению с другими технологиями электрохимического накопления энергии омическая поляризация оказывает меньшее влияние на суперконденсаторы.Поскольку типичный сценарий применения суперконденсаторов — это высокая мощность, в этом сценарии применения необходимо обратить внимание на два аспекта. С одной стороны, омическая поляризация суперконденсаторов вызовет значительные изменения напряжения, что повлияет на эффективность. Поскольку наиболее важной особенностью суперконденсаторов является более высокий КПД, омическая поляризация может использоваться как важный индикатор для оценки характеристик продукта; с другой стороны, в процессе использования необходимо избегать опасности, вызванной чрезмерной температурой, и при проектировании продукта требуется хорошее управление температурным режимом.

Ⅳ. Саморазряд

Высокий саморазряд — один из основных недостатков суперконденсаторов, сильно ограничивающий применение суперконденсаторов. На практике время сохранения энергии в продукте относительно невелико, и некоторые исследователи обнаружили, что уровень потери емкости составляет до 36% после 2 часов хранения.