Что такое ионисторы и суперконденсаторы. Как устроены ионисторы. Где применяются суперконденсаторы. Какими характеристиками обладают современные ионисторы. Каковы перспективы развития технологии суперконденсаторов.
Что такое ионисторы и как они устроены
Ионисторы, также известные как суперконденсаторы или ультраконденсаторы, представляют собой особый класс накопителей энергии, занимающих промежуточное положение между обычными конденсаторами и аккумуляторами. Их главная особенность заключается в способности накапливать очень большой электрический заряд.
Как устроены ионисторы? Основными компонентами являются:
- Два электрода с развитой пористой структурой, обычно изготовленные из активированного угля
- Электролит (жидкий или гелеобразный)
- Сепаратор, разделяющий электроды
Принцип работы ионистора основан на формировании двойного электрического слоя на границе раздела электрод-электролит. При подаче напряжения ионы электролита притягиваются к поверхности электродов, образуя тонкий слой толщиной всего несколько нанометров. Именно в этом слое и происходит накопление заряда.
Основные характеристики и преимущества ионисторов
Ионисторы обладают рядом уникальных свойств, выгодно отличающих их от других накопителей энергии:
- Очень высокая удельная мощность (до 10 кВт/кг)
- Большое количество циклов заряда-разряда (сотни тысяч)
- Быстрый заряд и разряд
- Широкий диапазон рабочих температур
- Высокий КПД (более 95%)
- Экологичность
Какова емкость современных ионисторов? Удельная емкость может достигать 100-500 Ф/г, а номинальное напряжение одиночных элементов составляет 2.3-2.7 В. Для получения более высоких напряжений ионисторы соединяют последовательно в батареи.
Области применения суперконденсаторов
Благодаря своим уникальным характеристикам, ионисторы нашли применение во многих сферах:
- Транспорт: гибридные и электромобили, рекуперативное торможение
- Возобновляемая энергетика: накопление энергии солнечных и ветряных электростанций
- Промышленность: источники бесперебойного питания, пусковые устройства
- Потребительская электроника: резервное питание памяти, вспышки фотоаппаратов
- Военная и аэрокосмическая техника
Где еще могут применяться ионисторы? Перспективными направлениями являются умные электросети, портативные медицинские устройства, беспилотные летательные аппараты.
Сравнение ионисторов с другими накопителями энергии
Как ионисторы соотносятся с традиционными аккумуляторами и конденсаторами по ключевым параметрам?
| Параметр | Ионисторы | Литий-ионные аккумуляторы | Электролитические конденсаторы |
|---|---|---|---|
| Удельная энергия | 1-10 Вт·ч/кг | 0.1 Вт·ч/кг | |
| Удельная мощность | 5000-10000 Вт/кг | 1000-3000 Вт/кг | >100000 Вт/кг |
| Время заряда | 1-10 секунд | 10-60 минут | 0.001-0.1 секунд |
| Циклы заряд-разряд | 500000-1000000 | 500-2000 | >100000 |
Как видно, ионисторы занимают промежуточное положение, сочетая высокую мощность конденсаторов с относительно большой энергоемкостью аккумуляторов.
Технологии изготовления электродов ионисторов
Ключевым фактором, определяющим характеристики ионисторов, является материал и структура электродов. Какие технологии используются для их изготовления?
- Активированный уголь с развитой пористой структурой
- Углеродные нанотрубки и графен
- Композиты на основе оксидов металлов (RuO2, MnO2)
- Проводящие полимеры (полианилин, полипиррол)
Перспективные разработки в области ионисторов
Исследования в области суперконденсаторов продолжаются во многих научных центрах мира. Какие направления считаются наиболее перспективными?
- Гибридные ионисторы, сочетающие двойнослойную и псевдоемкость
- Графеновые электроды с экстремально высокой удельной поверхностью
- Новые типы электролитов с расширенным диапазоном рабочих напряжений
- Асимметричные ионисторы с различными материалами электродов
- Микросуперконденсаторы для портативной электроники
Одним из перспективных направлений является разработка ионисторов на основе «пены графена» с частицами оксида рутения. Какие характеристики они демонстрируют? Удельная емкость достигает 500 Ф/г при удельной мощности 128 кВт/кг.
Проблемы и ограничения современных ионисторов
Несмотря на впечатляющие характеристики, ионисторы пока не могут полностью заменить традиционные аккумуляторы. С какими проблемами сталкиваются разработчики?
- Относительно низкая удельная энергия (в 10-100 раз меньше, чем у литий-ионных аккумуляторов)
- Высокий саморазряд (до 20% в месяц)
- Сложность получения высоких рабочих напряжений
- Высокая стоимость некоторых материалов (например, оксида рутения)
Как решаются эти проблемы? Ведутся работы по созданию новых материалов электродов и электролитов, оптимизации конструкции, снижению стоимости производства. Многие эксперты считают, что в ближайшие годы характеристики ионисторов значительно улучшатся.
Заключение и перспективы развития технологии
Ионисторы представляют собой перспективный класс накопителей энергии, сочетающий высокую мощность с большой энергоемкостью. Какое будущее ждет эту технологию?
- Расширение областей применения, особенно в транспорте и энергетике
- Улучшение характеристик за счет новых материалов и технологий
- Снижение стоимости и увеличение объемов производства
- Интеграция с другими типами накопителей энергии
Многие эксперты считают, что в ближайшие 10-15 лет ионисторы займут важное место в системах накопления и преобразования энергии, дополняя и частично заменяя традиционные аккумуляторы. Их развитие может стать одним из ключевых факторов в переходе к экологически чистой энергетике и электрическому транспорту.
Ионисторы
ИонисторыИОНИСТОРЫ
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 зависти 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 Rвн ионистора может быть расчитано по формуле: Rвн=U/Iкз, где Rвн — в омах; U — напряжение на ионисторе, В; Iкз — ток короткого замыкания, А. Для ионистора К58-3 (японский аналог DC-2R4D225) Rвн=10.
..100 Ом.
Электрическую емкость ионистора расчитывают по формуле: C=I*t/Uном, где C — емкость, Ф; I — постоянный ток разрядки, А; U ном — номинальное напряжение ионистора, В; t — время разрядки от Uном 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 Uном при температуре окружающей среды +70╟C гарантированная долговечность составит 500 часов. При работе под напряжением 0,8Uном она увеличивается до 5000 часов. Если же напряжение на ионисторе не превышает 0,6Uном, 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 Uпит=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 (Суперконденсаторы) | ООО «Ростехкомплект» поставки радиоэлектронных компонентов.
| К58-21 К58-20 | Конденсаторы К58-20, К58-21 полярные, герметичные, обладающие большой запасаемой энергией и большой мощностью разряда при коротком времени заряда. Основные области применения: в народном хозяйстве, в ответственных отраслях и ведомствах — системы обеспечения качества электроснабжения; системы бесперебойного электропитания; тяговые источники энергии для электротранспорта; гибридные энергетические установки ветровых, солнечных, приливных электростанций, а также новых транспортных средств; электроника и многие другие области применения. Корпус конденсаторов алюминиевый, изолированный или неизолированный. Изготавливаются в климатическом исполнении УХЛ и В. Обеспечивают возможность последовательного и параллельного соединения в модули (батареи). Выпуск конденсаторов осуществляется по заявкам потребителей (без складского запаса). Цены конденсаторов, а также сроки их изготовления и поставки потребителям устанавливаются по согласованию сторон. |
| Конденсатор К58-20 номинала 2.3В х 100Ф | Конденсатор K58-21 номинала 2.3В х 3500Ф |
Основные технические характеристики конденсаторов
| Наименование параметров | Единица измерения | Значения параметров | |
| К58-20 | К58-21 | ||
| Номинальное напряжение | В | 2. 3 | 2.3 |
| Номинальная ёмкость | Ф | 100 | 3500 |
| Допускаемые отклонения ёмкости от номинальной | % | ±20; +30…-10; +50…-20 | ±20; +30…-10; +50…-20 |
| Номинальная запасаемая энергия (при номинальном напряжении) | Вт·ч кДж | 0.07 0.27 | 2.57 9.26 |
| Удельная запасаемая энергия (при номинальном напряжении) | Вт·ч/дм³ Вт·ч/кг | 2.3 1.5 | 4.3 3.7 |
| Максимальное эквивалентное последовательное сопротивление, (f=1кГц, T=25°C) | мОм | 30 | 10 |
| Мощность разряда, (f=1кГц, T=25°C) | кВт | 0. 04 | 0.13 |
| Удельная мощность разряда (при согласованной нагрузке) | кВт/кг кВт/дм³ | 1.0 1.5 | 0.19 0.22 |
| Ток разряда: максимальный номинальный минимальный | A | 170 10 0.5 | 350 100 3.0 |
| Время работы при каждом значении тока: максимальном | с | Продолжительность разряда от 0.7Uном до 0.3Uном 0.5 9 184 | Продолжительность разряда от 0.7Uном до 0.3Uном 9 33 1100 |
| Максимальный ток утечки (72ч, 25°С) | мА | 1.0 | 10 |
| Диапазон температур внешней среды: — при эксплуатации — при хранении | °C | -40. | -40…+60 |
| Надёжность конденсаторов -гамма-процентный срок сохраняемости конденсаторов Tcy при y=95%: | лет | 20 | 20 |
| Габаритные размеры | мм | B=16±1 L=34±1 H=55±1.0 h2=65±1.0 a=26.6±1.0 b=7±1.0 | B=61±1.0 H=160±1.0 h2=168±1.0 a=28±1 |
| Объём | дм³ | 0.030 | 0.595 |
| Масса, не более | кг | 0.045 | 0.700 |
..+60
Что такое суперконденсаторы | Ионисторы, ультраконденсаторы, двухслойные электрохимические конденсаторы, электрический двухслойный конденсатор
Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы — история создания и развития техники
7 июня 1962 года Роберт Райтмайер, химик Американского Компания Standard Oil (SOHIO) в Кливленде, штат Огайо, подала заявку на патент, в которой подробно описывается механизм хранения электроэнергии в двухслойном конденсаторе.
Если в обычном конденсаторе Поскольку алюминиевые пластины традиционно изолировались диэлектрическим слоем, то в варианте, предложенном изобретателем, упор был сделан непосредственно на материал пластин. Электроды должны были иметь разную проводимость: один электрод должен был иметь ионную проводимость, а другой — электронную.
Таким образом, в процессе заряда конденсатора будет происходить разделение электронов и положительных центров в электронном проводнике и разделение катионов и анионов в ионном проводнике.
Электронный проводник предлагалось изготавливать из пористого углерода, тогда ионный проводник мог быть водным раствором серной кислоты. В этом случае заряд накапливался бы на границе раздела этих специальных проводников (того самого двойного слоя). Разность потенциалов этих первых ионисторов могла достигать значения в 1 вольт, а емкость — единиц фарад, ведь теперь расстояние между обкладками было меньше 5 нанометров.
В 1971 году лицензия была передана японской компании NEC, которая на тот момент занималась всеми сферами электронной связи.
Японцы добились успеха в продвижении на рынок электроники технологии под названием «Суперконденсатор» .
Семь лет спустя, в 1978 году, Panasonic, в свою очередь, выпустила Gold Capacitor, также завоевавший успех на этом рынке. Успех был обеспечен удобством использования ионисторов для питания энергозависимой памяти SRAM. Однако эти ионисторы имели большое внутреннее сопротивление, что ограничивало возможность быстрого извлечения энергии, а потому сильно сужало область применения.
В 1982 году специалисты Американского научно-исследовательского института Pinnacle (PRI), расположенного в Лос-Гатосе, штат Калифорния, работая над улучшением материалов электродов и электролитов, разработали ионизаторы с чрезвычайно высокой плотностью энергии, появившиеся на рынке под названием «PRI Ultracapacitor».
Спустя 10 лет, в 1992 году, компания Maxwell Laboratories (позднее сменившая название на Maxwell Technologies, Сан-Диего, Калифорния, США) начала разработку технологии PRI под названием «Boost Caps».
Теперь целью было создание конденсаторов большой емкости с низким сопротивлением, чтобы иметь возможность питать мощное электрооборудование.
Рис. 1. Суперконденсатор SAMWHA ELECTRIC DH5U308W60138TH. запущен. С этого момента началась активная разработка технологии во многих научно-исследовательских институтах мира.
На российском рынке тоже есть игроки, так компания «Ультраконденсаторы Феникс» (ООО «УКФ») — инжиниринговая компания, специализирующаяся на проектировании, разработке, производстве и практическом применении решений и систем на основе суперконденсаторов/ионизаторов. Компания работает в тесном сотрудничестве с лучшими мировыми производителями и активно перенимает их опыт.
Применение ионисторов
Единицы ионисторов на фарад получили заслуженное применение в качестве резервных источников питания во многих устройствах. Начиная с питания таймеров телевизоров и микроволновых печей, и заканчивая сложными медицинскими приборами.
Как правило, ионисторы устанавливаются на карты памяти.
При замене батарейки в видео или фотоаппарате ионистор поддерживает питание цепей памяти, отвечающих за настройки, то же касается музыкальных центров, компьютеров и другой подобной техники. Телефоны, электронные счетчики электроэнергии, системы охранной сигнализации, электронные измерительные приборы и медицинские приборы – суперконденсаторы нашли применение повсеместно.
Рис. 2. Суперконденсаторы (ионисторы)
Малые ионисторы с органическим электролитом имеют максимальное напряжение около 2,5 вольт. Для получения более высоких допустимых напряжений ионисторы соединяют в батареи, обязательно используя шунтирующие резисторы.
К преимуществам ионисторов можно отнести: высокую скорость заряда-разряда, устойчивость к сотням тысяч циклов перезарядки по сравнению с аккумуляторами, малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами, низкую токсичность, устойчивость к разряду до нуля.
Рис. 3. Источник бесперебойного питания на суперконденсаторах
Рис. 4. Суперконденсаторные автомобильные модули
Перспективы
это приведет к полной замене аккумуляторов суперконденсаторами во многих областях техники.
Недавние исследования группы ученых Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что новый тип ионистора основан на пористой структуре, где частицы оксида рутения нанесены на графен, превосходящий его лучшие аналоги почти в два раза.
Исследователи обнаружили, что поры «пенопласта графена» имеют наноразмеры, подходящие для удержания частиц оксидов переходных металлов. Суперконденсаторы на основе оксида рутения в настоящее время являются наиболее перспективным вариантом. Безопасно работая на водном электролите, они обеспечивают увеличение запасаемой энергии и увеличивают допустимую силу тока в два раза по сравнению с лучшими ионисторами, доступными на рынке.
Они запасают больше энергии на каждый кубический сантиметр своего объема, поэтому было бы целесообразно заменить ими батарейки.
В первую очередь речь идет о носимой и имплантируемой электронике, но в будущем новинка может быть основана и на персональных электромобилях.
Графен нанесен на слои никеля, выступающего в качестве подложки для углеродных нанотрубок, которые вместе с графеном образуют пористую углеродную структуру. Частицы оксида рутения диаметром менее 5 нм проникают в полученные нанопоры последнего из водного раствора. Удельная емкость ионистора на основе полученной структуры составляет 503 фарад на грамм, что соответствует удельной мощности 128 кВт/кг.
Рис. 4. Зарядное устройство на графеновом суперконденсаторе
Возможность масштабирования этой конструкции уже заложила основу и заложила основу для создания идеального средства хранения энергии. Ионисторы на основе «пены графена» успешно прошли первые испытания, где показали способность более восьми тысяч раз перезаряжаться без износа.
Лампы нано, конденсаторы супер!
: 30 апреля 2009 г.
, Путь на Восток, том 22,
N1
В течение нескольких лет специалисты Института неорганической химии СО РАН (Новосибирск) разрабатывают методы синтеза массивов направленных углеродных нанотрубок и изучают их структуру и характеристики. В качестве электродного материала нанотрубки обладают большим потенциалом для создания новых видов суперконденсаторов и аккумуляторов.
Растущие потребности современной техники привели к появлению нового класса устройств — суперконденсаторы или ионисторы . Они обладают высокой емкостью и накапливают энергию в двойном электрическом слое на поверхности высокопористой проводящей структуры. В отличие от обычных конденсаторов вторым электродом в суперконденсаторах является электролит, который при напряжении 1 В позволяет сформировать слой ионов на поверхности электрода. Ионы находятся в сольватной оболочке, состоящей из молекул воды, расположенных с характерными интервалами около 1 нм.
Известно, что емкость элементарного конденсатора пропорциональна площади электродов и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Так как в ионисторах расстояние между заряженной поверхностью электродов и слоем ионов электролита очень мало и удельная поверхность пористого проводника (например, активированного угля) достигает 1000—1500 м2/г, емкость такого устройства может превышать 100 Фарад/г. Для сравнения, удельная емкость традиционных электролитических конденсаторов составляет одну тысячную емкости ионистов.
Суперконденсаторы отличаются высокой мощностью и малыми токами утечки, выдерживают десятки тысяч циклов заряда-разряда и могут заряжаться за короткое время. Являются эффективным средством для надежного пуска двигателя при низких температурах, а также в случае севшего аккумулятора.
Для обеспечения исключительно высокой емкости двухслойного конденсатора материал электрода должен обладать такими характеристиками, как хорошая электропроводность, высокая удельная поверхность, химическая и термическая стойкость.
Все это весьма характерно для углеродных материалов. В последние годы круг углеродных наноматериалов, перспективных для изготовления электрохимически активных электродов, расширился за счет монослойных и многослойных нанотрубок. Углеродные нанотрубки по некоторым параметрам превосходят традиционные материалы. Особый интерес вызывает геометрия, при которой массив углеродных нанотрубок расположен преимущественно перпендикулярно поверхности проводящей подложки, что приводит как к значительному увеличению эффективной поверхности электродов, так и к улучшению условий протекания электрического тока. .
Сегодня учеными Института неорганической химии СО РАН разработаны методы синтеза массивов углеродных нанотрубок длиной до 3 мм. Самый толстый массив получен в результате непрерывного впрыска смеси углеводорода и катализатора при 800°С.Удельная емкость суперконденсаторов из массивов направленных углеродных нанотрубок в водных электролитах составляет 100—120 Фарад/г.
Емкость можно еще увеличить, нанеся на поверхность нанотрубки вещество, способное обратимо изменить свою структуру в результате химической реакции под действием тока.
Этот электрохимический элемент является не настоящим суперконденсатором, а фактически аккумулятором. При его разрядке накопленная в нем химическая энергия преобразуется в ток.
Существует ряд полимеров, которые можно использовать в качестве структур с хорошими окислительно-восстановительными характеристиками. Ученые лаборатории физико-химии наноматериалов Института неорганической химии наносят тонкий слой полианилина для модификации поверхности нанотрубок, выращенных на кремниевых пластинах. Лучшие образцы имеют слой полианилина толщиной 10 нм, что сравнимо со средним радиусом самих нанотрубок. Такая толщина полимера обеспечивает идеальные условия для токосъема, а плотность тока достигает значений, сравнимых с токами в традиционных ионисторах. А удельная электролитическая емкость разработанных композиционных материалов значительно выше и достигает 500 Фарад/г. Эти композиты выдерживают большое количество циклов перезарядки.
Важным этапом проведенных исследований было изучение взаимодействия нанотрубок и полианилина.
