Саморазряд ионистора. Ионисторы: преимущества и недостатки в сравнении с аккумуляторами

Могут ли ионисторы заменить аккумуляторы. Каковы основные преимущества и недостатки ионисторов по сравнению с аккумуляторами. В каких областях ионисторы находят наиболее широкое применение. Каковы перспективы развития технологии ионисторов.

Что такое ионистор и как он работает

Ионистор (также известный как суперконденсатор или ультраконденсатор) — это электрохимическое устройство для хранения электрической энергии. В отличие от обычных конденсаторов, ионистор использует двойной электрический слой на границе раздела электрод-электролит для накопления заряда.

Основные компоненты ионистора:

• Два электрода с развитой пористой структурой (обычно из активированного угля)
• Электролит (жидкий или гелеобразный)
• Сепаратор, разделяющий электроды

При подаче напряжения ионы электролита перемещаются к противоположно заряженным электродам, образуя двойной электрический слой толщиной всего несколько нанометров. Это позволяет накопить большой заряд на границе электрод-электролит.

Основные преимущества ионисторов перед аккумуляторами

Ионисторы обладают рядом важных преимуществ по сравнению с традиционными аккумуляторами:

• Очень быстрый заряд и разряд (секунды вместо часов)
• Высокая удельная мощность (до 10 кВт/кг)
• Большой ресурс (сотни тысяч циклов заряд-разряд)
• Широкий температурный диапазон работы
• Экологическая безопасность
• Не требуют обслуживания

Это делает ионисторы привлекательными для применений, где требуется быстрая отдача большой мощности.

Ключевые недостатки ионисторов

Однако у ионисторов есть и существенные недостатки:

• Низкая удельная энергия (5-10 Вт·ч/кг против 100-250 Вт·ч/кг у литий-ионных аккумуляторов)
• Высокий саморазряд (до 20% в месяц)
• Низкое рабочее напряжение (2.5-2.7 В на ячейку)
• Высокая стоимость

Из-за низкой энергоемкости ионисторы не могут полностью заменить аккумуляторы в большинстве применений, где требуется длительная автономная работа.

Области применения ионисторов

Наиболее широкое применение ионисторы нашли в следующих областях:

1. Транспорт:
   • Рекуперация энергии торможения в электромобилях и гибридах
   • Стартерные системы автомобилей
   • Питание бортовой электроники
2. Промышленность:
   • Источники бесперебойного питания
   • Системы рекуперации энергии в подъемных механизмах
   • Сглаживание пиковых нагрузок в энергосетях
3. Электроника:
   • Резервное питание памяти и часов реального времени
   • Питание мощных импульсных нагрузок
   • Накопители энергии в солнечных батареях

Сравнение характеристик ионисторов и аккумуляторов

Давайте сравним ключевые параметры современных ионисторов и литий-ионных аккумуляторов:

Параметр	Ионисторы	Литий-ионные аккумуляторы
Удельная энергия	5-10 Вт·ч/кг	100-250 Вт·ч/кг
Удельная мощность	До 10 кВт/кг	0.3-1.5 кВт/кг
Число циклов	500 000 — 1 000 000	500 — 2000
Время заряда	1-10 секунд	10-60 минут
Саморазряд	20-40% в месяц	2-10% в месяц

Как видно из таблицы, ионисторы значительно превосходят аккумуляторы по удельной мощности и числу циклов, но сильно уступают по удельной энергии.

Перспективы развития технологии ионисторов

Основные направления совершенствования ионисторов:

• Увеличение удельной энергии за счет новых материалов электродов (графен, углеродные нанотрубки)
• Повышение рабочего напряжения ячейки (до 3-3.5 В)
• Снижение саморазряда
• Уменьшение стоимости производства

По прогнозам экспертов, в ближайшие 5-10 лет удельная энергия ионисторов может достичь 20-30 Вт·ч/кг, что сделает их конкурентоспособными с аккумуляторами в ряде применений.

Могут ли ионисторы полностью заменить аккумуляторы?

На данный момент полная замена аккумуляторов ионисторами невозможна из-за слишком большой разницы в удельной энергии. Однако в некоторых областях ионисторы уже сейчас успешно вытесняют аккумуляторы:

• Системы рекуперации энергии торможения
• Источники бесперебойного питания малой мощности
• Стартерные системы автомобилей
• Резервное питание электронных устройств

В будущем, по мере совершенствования технологии, область применения ионисторов будет расширяться. Наиболее перспективным представляется использование гибридных систем, сочетающих преимущества ионисторов и аккумуляторов.

Заключение

Ионисторы являются перспективной технологией накопления энергии, обладающей рядом уникальных преимуществ. Хотя они пока не могут полностью заменить аккумуляторы, ионисторы уже сейчас успешно применяются во многих областях техники. По мере дальнейшего развития технологии сфера их использования будет расширяться, что позволит создавать более эффективные и экологичные системы накопления энергии.

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

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

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

 

Физико-химические основы работы ионистора

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

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

 

Принцип работы и возможные конструкции

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

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

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

Общая емкость ионистора может быть представлена как:

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

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

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

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

Эквивалентная схема

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

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

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

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

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

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

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

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

Электрические, эксплуатационные и надежностные параметры ионисторов

Емкость

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

Рис. 8. Зависимость напряжения для ионистора от времени

Емкость ионистора может быть оценена следующим образом:

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

Внутреннее сопротивление

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

Характеристика заряда

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

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

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

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

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

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

Характеристика разряда и саморазряда

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

Характеристика саморазряда ионистора может быть представлена следующим образом:

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

Предполагаемый срок эксплуатации, срок службы и t_back-up

Предполагаемый срок эксплуатации может быть оценен следующим образом:

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

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

Параметр t_back-up может быть рассчитан следующим образом:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Типы и характеристики ионисторов Panasonic

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

Рис. 11. Различные семейства ионисторов Panasonic

Таблица 1. Рекомендуемые серии для типичных применений

Таблица 2. Диапазон емкостей

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

Таблица 3. Диапазон токов

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

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

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

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

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

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

можно ли его заменить на

Что если использовать электролитический конденсатор вместо аккумулятора? Такое возможно, но есть одно слишком серьёзное препятствие — телефоны и электромобили с таким источником автономного питания не смогут «держать заряд».

Производители всерьёз рассматривают в качестве альтернативы аккумуляторам так называемые двойные электрохимические ионисторы — здесь и далее в контексте суперконденсаторы (или «супер-конденсаторы», как печатают некоторые издания). Но пока на текущем уровне технологического прогресса это допустимо лишь в определённых областях. Но пока на текущем уровне технологического прогресса это допустимо лишь в определённых областях.

В чём плюсы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

• • Мгновенно. Ионистор отлично справляется с пиковым пусковым током, накапливая и отдавая энергию практически мгновенно.
• • Быстро. Заряжается не за час-другой, а за считанные секунды (поэтому, например, NASA применяет суперконденсаторы в космосе).
• • Безопасно. Накапливает заряд на твёрдых телах, когда как литиевые батареи — в процессе химических реакций (обычно жидкостных).
• • Надёжно. Коммерческие суперконденсаторы гарантируют 1 миллион циклов заряда, когда как обычные аккумуляторы — в среднем 800-1200 циклов.
• • КПД. Суперконденсаторы отдают энергию с эффективностью порядка 98%.
• • Выносливо. Устойчивость к экстремальным температурам и физическим повреждениям.

В чём минусы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

• • Низкая ёмкость. Самый большой коммерческий суперконденсатор в фарадах (F) накапливает лишь 20% от электрической энергии в сравнимой батарее.
• • Не держит. Аккумуляторы предлагают намного больше плотности энергии на единицу массы, обеспечивая долгую автономность без внешнего питания.
• • Саморазряд. Степень саморазряда существенно превышает таковую у самого слабого аккумулятора.
• • Малоприменим. В итоге даже самый мощный суперконденсатор (обеспечивающий лучшую величину энергии) не сможет дольше минуты питать «аварийку» у заглушенного автомобиля и подсветку экрана у работающего телефона.

Почему суперконденсатор вместо аккумулятора на практике используют так редко?

1. У них разные цели

В аккумуляторе намного больше запасается энергии, а это самая важная его цель — не разряжаться как можно дольше в бытовых приборах, в потребительской электронике и автомобилях.

2. У конденсатора саморазряд

В аккумуляторах он тоже есть, но в значительной меньшей степени проявляется. Суперконденсаторы быстро заряжаются и быстро отдают заряд — для длительного хранения энергии они не подходят ещё и по причине утечек.

3. Разное напряжение

В то время, пока аккумулятор поддерживает ваш телефон в рабочем состоянии, напряжение практически не меняется. Конденсатор изменяет напряжение в зависимости от накопленного заряда — цифры меняются в значительных пределах, что неприемлемо для чувствительной мобильной электроники, например.

→ В этой статье мы рассматриваем тему суперконденсаторов в максимально упрощённом варианте для массовой публики.

Польза ионисторов в регистраторах

Если вас интересует, например, подробная возможность установки конденсаторов вместо аккумуляторов в RAID-контроллерах, то напишите об этом в комментарии или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.

> :: Статья :: Суперконденсаторы

Суперконденсаторы на электротранспорте Популярный термин суперконденсатор, распространившийся в последнее время, не совсем корректное название такого устройства как ионистор. Ионистор в свою очередь является разновидностью конденсатора. Ионистор изобретен довольно давно — в 50-х годах, но в таком виде как сейчас он существует с 1982 года. Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году. На рынке эти ионисторы появились под именем «PRI Ultracapacitor». Для просмотра рисунков в отдельном окне щелкните по нему. С появлением ионисторов стало возможным использовать конденсаторы в электрических цепях не только как преобразующий элемент, но и как источник напряжения. Ионистор широко применяются в качестве замены батареек для хранения информации о параметрах изделия при отсутствии внешнего питания. Такие элементы имеют несколько преимуществ над обычными химическими источниками тока — гальваническими элементами и аккумуляторами: Высокие скорости заряда и разряда. Простота зарядного устройства Малая деградация даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда Малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной ёмкости Низкая токсичность материалов Неполярность (хотя на ионисторах и указаны «+» и «-«, это делается для обозначения полярности остаточного     напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе). Плотность энергии ионисторов пока еще в несколько раз меньше возможностей аккумуляторов. Например, плотность энергии ионистора BCAP3000 3000Ф x 2.7В массой 0.51 кг составляет 21.4 кДж/кг. Это в 7.6 раз меньше плотности энергии свинцовых электролитических аккумуляторов, в 25 раз меньше литий-полимерных аккумуляторов, но в десятки раз больше плотности энергии электролитического конденсатора. Плотность мощности ионистора зависит от внутреннего сопротивления. В последних моделях ионисторов внутреннее сопротивление достаточно мало, что позволяет получать мощность, сравнимую с аккумуляторной. В 1997 году исследователи из CSIRO разработали супер-конденсатор, который мог хранить большой заряд за счёт использования плёночных полимеров в качестве диэлектрика. Электроды были изготовлены из углеродных нанотрубок. У обычных конденсаторов удельная энергия составляет 0,5 Вт·ч/кг, а у конденсаторов PET она была в 4 раза больше. В 2008 году индийские исследователи разработали опытный образец ионистора на основе графеновых электродов, обладающий удельной энергоёмкостью до 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30—40 Вт·ч/кг). Однако недостатки ионисторов: Удельная энергия меньше, чем у традиционных источников (1—3 Вт·ч/кг при 200 Вт·ч/кг     для литий-ионных аккумуляторов). Напряжение зависит от степени заряженности. Возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании. Малый срок службы (сотни часов) на предельных напряжениях заряда Большое внутреннее сопротивление по сравнению с традиционными конденсаторами (10-100 Ом     у ионистора 1Ф x 5,5В Значительно больший, по сравнению с аккумуляторами саморазряд: порядка 1 мкА у ионистора 2Ф x 2.5В Срок службы ионисторов велик. Проводились исследования по определению максимального числа циклов заряд-разряд. После 100 000 циклов не наблюдалось ухудшения характеристик. Согласно недавним заявлениям сотрудников MIT, ионисторы могут в скором времени заменить обычные аккумуляторы. Кроме того, в 2009 году были проведены испытания аккумулятора на основе ионистора, в котором в пористый материал были введены наночастицы железа. Полученный двойной электрический слой пропускал электроны в два раза быстрее за счет создания туннельного эффекта. Конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита имеет большую ёмкость. В связи с тем, что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) очень мала, запасённая 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 (например, путём использования пористых материалов, таких, как активированный уголь или вспененные металлы). Типичная ёмкость ионистора — несколько фарад, при номинальном напряжении 2—10 вольт. Двойной электрический слой (межфазный) — ДЭС Двойной электрический слой (ДЭС) — слой ионов, образующийся на поверхности частиц в результате адсорбции ионов из раствора, диссоциации поверхностного соединения или ориентировании полярных молекул на границе фаз. Ионы, непосредственно связанные с поверхностью называются потенциалопределяющими. Заряд этого слоя компенсируется зарядом второго слоя ионов, называемых противоионами. Двойной электрический слой возникает при контакте двух фаз, из которых хотя бы одна является жидкой. Стремление системы понизить поверхностную энергию приводит к тому, что частицы на поверхности раздела фаз ориентируются особым образом. Вследствие этого контактирующие фазы приобретают заряды противоположного знака, но равной величины, что приводит к образованию двойного электрического слоя. Можно выделить три механизма образования ДЭС:    1.Переход ионов или электронов из одной фазы в другую (поверхностная ионизация). Примером      может служить диссоциация поверхностных функциональных групп, принадлежащих одной      из фаз (как правило, твердой). Для определения знака заряда поверхности используется      правило Фаянса — Панета    2.Преимущественная адсорбция в межфазном слое ионов одного знака.    3.Ориентирование полярных молекул в поверхностном слое. По этому механизму ДЭС образуется      в случае, если вещества, составляющие фазы системы не могут обмениваться зарядами.      Для определения знака заряда поверхности используют правило Кёна, гласящее, что из      двух соприкасающихся фаз положительно заряжается та, которая имеет большую      диэлектрическую проницаемость. В отсутствии теплового движения частиц, строение двойного электрического слоя подобно строению плоского конденсатора. Но в отличие от идеального случая, ДЭС в реальных условиях имеет диффузное (размытое) строение. Согласно современной теории структуру ДЭС составляют два слоя: Слой Гельмгольца или адсорбционный слой, примыкающий непосредственно к межфазной поверхности.     Этот слой имеет толщину     равную радиусу потенциалопределяющих ионов в несольватированном состоянии. Диффузный слой или слой Гуи, в котором находятся противоионы. Диффузный слой имеет толщину     которая зависит от свойств системы и может достигать больших значений. Электрической характеристикой ДЭС     является потенциал Электрокинетический потенциал или дзета-потенциал — это потенциал соответствует плоскости скольжения и является частью потенциала диффузного слоя. Плоскость скольжения образуется в результате того, что при движении дисперсных частиц наиболее удаленная часть диффузного слоя не участвует в движении, а остается неподвижной. Поэтому появляется нескомпенсированность поверхностного заряда частицы и становятся возможными электрокинетические явления. Дзета-потенциал является одной из важнейших характеристик двойного электрического слоя. Самый ёмкий графеновый суперконденсатор Исследователи в США создали на базе графена сверхемкий суперконденсатор, способный запасать столько же энергии, сколько хранится в никель-металлогидридных батареях. Главное преимущество предложенного устройства состоит в том, что заряжаться и разряжаться оно может за считанные секунды (минуты). Созданный конденсатор обладает наиболее высокой плотностью запасенной энергии среди всех наноуглеродных устройств, работающих по принципу двойного электрического слоя. Конденсатор – это устройство, с помощью которого можно запасти определенный электрический заряд. Одна из разновидностей конденсаторов — суперконденсаторы, также известные как электрохимические конденсаторы, принцип действия которых основан на формировании двойного электрического слоя на границе между полупроводником и электролитом при условии приложенного внешнего напряжения. Еще в 2006 году была предложена идея создания подобных суперконденсаторов из графена, материала, представляющего собой одноатомные листы углерода, формирующего гексагональную кристаллическую решетку. С тех пор ученые с разных концов планеты предлагают различные конструкции устройств, позволяющие увеличить плотность запасаемой энегии. Новая конструкция суперконденсатора, предложенная специалистами из Nanotek Instruments Inc. (США), имеет электроды, состоящие из графена с примесями повышающего проводимость ацетилена и связующего вещества PTFE. В качестве электролита использовалось вещество, известное в электрохимии как EMIMBF4. К слову, именно эта научная группа в 2006 году впервые предположила, что графен в принципе может использоваться для создания подобных устройств. В результате применения указанных веществ ученые создали в защитной камере конденсаторы размерами не больше монеты. Энергетическая плотность полученного устройства по порядку сравнима с никель-металлогидридными батареями. Если говорить о цифрах, то плотность энергии в созданном устройстве – порядка 85,6 Вт*час/кг при комнатной температуре и порядка 136 Вт*час/кг при 80 градусах по шкале Цельсия. Однако, как было отмечено выше, устройство имеет громадное преимущество по сравнению с привычными батареями, заключающееся в том, что оно может быть заряжено и разряжено чрезвычайно быстро. Сами разработчики считают свое творение настоящим технологическим прорывом. Возможность быстрого заряда означает, что в будущем подобная конструкция может использоваться для питания мобильных телефонов и другой пользовательской портативной техники. В настоящее время группа продолжает работу. Основная цель ученых – дальнейшее повышение плотности запасенной энергии. Их цель – создать устройства, способные хранить как минимум столько энергии, сколько запасают литий-ионные батареи (при том же весе), но для которых возможна перезарядка всего за несколько минут. Стоит напомнить, что на момент создания первого электрохимического конденсатора на базе графена была установлена теоретически-доступная плотность заряда в 550 Фарад на грамм веса устройства. И, несмотря на достаточно малую массу одноатомных листов графена, эта плотность до сих пор не была достигнута на практике. В качестве основной причины ученые указывают явление «слипания» отдельных листов графена между собой. Таким образом, в качестве одного из направлений дальнейшей работы ученым представляется поиск способов исключить данный факт. Группа из Nanotek Instruments Inc., в частности, предполагает, что добиться этого можно, используя искривленные листы графена, вместо плоских. Производители суперконденсаторов В настоящий момент суперконденсаторы у нас в России выпускают: ЗАО «Эсма» (г. Троицк Московской обл.), ЗАО «Элит» (г. Курск), ООО «Технокор» (г. Москва), НПО «Эконд» (г. Москва), АО «Плескава» (г. Псков — по лицензии НПО «ЭКОНД»). ОАО «НИИ «Гириконд» (г.С-Петербург) ОАО РКК «Энергия» (г.Королев) ОАО «Энергия» (г.Елец,Липецкая обл. — разработка ЗАО «Элтон») — производство ЗАО НПП «Инкар-М» (г.Королев) ЗАО «Элтон» (Они же «Эсма») (г.Троицк, Московская обл.) — разработка Литература: Более подробно информацию об устройстве ионисторов (суперконденсаторов) можно прочитать здесь: «КОНДЕНСАТОРЫ С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ» (в формате PDF)

Ионистор

                                     

7.1. Использование Тяжелый и общественный транспорт

В настоящее время автобусы с питанием от ионисторов выпускаются фирмами Hyundai Motor, «Тролза», Белкоммунмаш.

Автобусы на ионисторах от Hyundai Motor представляют собой обыкновенные автобусы с электроприводом, питаемым от бортовых ионисторов. По задумке конструкторов из Hyundai Motor, такой автобус будет заряжаться на каждой второй или каждой третьей остановке, причём длительности остановки достаточно для подзарядки автобусных ионисторов. Hyundai Motor позиционирует свой автобус на ионисторах как экономичную замену троллейбусу нет необходимости прокладывать контактную сеть или дизельному и даже водородному автобусу электроэнергия пока дешевле дизельного или водородного топлива.

Автобусы на ионисторах от «Тролзы» технически представляют собой «бесштанговые троллейбусы». То есть конструктивно это троллейбус, но без штанг питания от контактной сети и, соответственно, с питанием электропривода от ионисторов.

Но особенно перспективны ионисторы в качестве средства реализации системы автономного хода для обычных троллейбусов. Троллейбус, оборудованный ионисторами, по маневренности приближается к автобусу. В частности, такой троллейбус может:

• возможность объезжать препятствия даже тогда, когда длина токоприёмных штанг не позволяет это сделать водитель оборудованного ионисторами троллейбуса в этом случае просто опустит токоприёмные штанги и объедет препятствие, после чего вновь поднимет токоприёмные штанги и продолжит движение в штатном режиме;
• проходить отдельные короткие участки маршрута, не оборудованные контактной сетью в том числе при необходимости двигаться в объезд, когда на каком-то участке маршрута движение по штатной трассе маршрута невозможно;
• проходить места обрыва линии контактной сети;
• отпадает надобность в развитии контактной сети в депо и на разворотных кольцах на конечных остановках — в депо и на разворотных кольцах оборудованные ионисторами троллейбусы маневрируют с опущенными токоприёмными штангами.

Таким образом, троллейбусная система, используя оборудованные ионисторами троллейбусы, по гибкости приближается к обычной автобусной.

С мая 2017 в Минске применяют первые белорусские электробусы Белкоммунмаш Е433 Vitovt Max Electro. Электробусы заряжаются на трёх зарядных станциях, расположенных в конечных точках маршрутов. Зарядка током 500 ампер длится 5 — 8 минут. Пустой электробус на одном заряде проезжает 20 км. Ионисторы производит ООО «Чэнду Синьджу Шелковый Путь Развитие» в китайско-белорусском промышленном парке «Великий камень».

электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, обкладками в котором служит двойной электрический слой на г

                                     

7.1. Использование Тяжелый и общественный транспорт

В настоящее время автобусы с питанием от ионисторов выпускаются фирмами Hyundai Motor, «Тролза», Белкоммунмаш.

Автобусы на ионисторах от Hyundai Motor представляют собой обыкновенные автобусы с электроприводом, питаемым от бортовых ионисторов. По задумке конструкторов из Hyundai Motor, такой автобус будет заряжаться на каждой второй или каждой третьей остановке, причём длительности остановки достаточно для подзарядки автобусных ионисторов. Hyundai Motor позиционирует свой автобус на ионисторах как экономичную замену троллейбусу нет необходимости прокладывать контактную сеть или дизельному и даже водородному автобусу электроэнергия пока дешевле дизельного или водородного топлива.

Автобусы на ионисторах от «Тролзы» технически представляют собой «бесштанговые троллейбусы». То есть конструктивно это троллейбус, но без штанг питания от контактной сети и, соответственно, с питанием электропривода от ионисторов.

Но особенно перспективны ионисторы в качестве средства реализации системы автономного хода для обычных троллейбусов. Троллейбус, оборудованный ионисторами, по маневренности приближается к автобусу. В частности, такой троллейбус может:

• возможность объезжать препятствия даже тогда, когда длина токоприёмных штанг не позволяет это сделать водитель оборудованного ионисторами троллейбуса в этом случае просто опустит токоприёмные штанги и объедет препятствие, после чего вновь поднимет токоприёмные штанги и продолжит движение в штатном режиме;
• проходить отдельные короткие участки маршрута, не оборудованные контактной сетью в том числе при необходимости двигаться в объезд, когда на каком-то участке маршрута движение по штатной трассе маршрута невозможно;
• проходить места обрыва линии контактной сети;
• отпадает надобность в развитии контактной сети в депо и на разворотных кольцах на конечных остановках — в депо и на разворотных кольцах оборудованные ионисторами троллейбусы маневрируют с опущенными токоприёмными штангами.

Таким образом, троллейбусная система, используя оборудованные ионисторами троллейбусы, по гибкости приближается к обычной автобусной.

С мая 2017 в Минске применяют первые белорусские электробусы Белкоммунмаш Е433 Vitovt Max Electro. Электробусы заряжаются на трёх зарядных станциях, расположенных в конечных точках маршрутов. Зарядка током 500 ампер длится 5 — 8 минут. Пустой электробус на одном заряде проезжает 20 км. Ионисторы производит ООО «Чэнду Синьджу Шелковый Путь Развитие» в китайско-белорусском промышленном парке «Великий камень».

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

Ионистор или по-другому суперконденсатор — это своеобразный гибрид обычного конденсатора с аккумуляторной батареей. Давайте познакомимся с этим необычным элементом поближе и узнаем его принцип работы и область применения в современной электронике.

yandex.ru

Как устроен ионистор

За рубежом этот элемент именуется как EDLC (Electric Double Layer Capacitor), что переводится как «конденсатор с двойным электрическим слоем». И работа изделия базируется на электрохимических процессах.

Ионистор от конденсатора отличается тем, что между электродами нет привычного диэлектрического слоя. Вместо этого сами электроды выполнены из веществ с противоположными типами носителей заряда.

Вы несомненно в курсе, что емкость конденсатора имеет прямую зависимость от площади обкладок. Именно поэтому в ионисторах использованы электроды из вспененного углерода либо же активированного угля.

Разделение электродов осуществляется сепаратором. И вся внутренняя область заполнена электролитом, производящийся на основе растворов кислот и щелочей и имеет кристаллическую и твердую структуру.

yandex.ru

Например, благодаря использованию твердого электролита RbAg4I5 (рубидий, серебро, йод) можно создать ионистор с крайне незначительным саморазрядом, повышенной емкостью и при этом изделие будет выдерживать низкие температуры.

Современные ионисторы, в основе которых используется электролит, из растворов щелочей и кислот не производятся по причине токсичности компонентов.

Принцип работы

yandex.ru

Протекающая электрохимическая реакция заставляет часть электронов оторваться от электродов, в результате чего электрод становится носителем положительного заряда.

Отрицательные ионы, расположенные в электролите, начинают притягиваться электродами с плюсовым зарядом.

Весь этот процесс является условием для формирования так называемого электрического слоя.

А накопленный заряд хранится в пограничной области раздела между электродом и электролитом. И толщина сформированного анионами и катионами слоя составляет от 1 до 5 нм.

Плюсы и минусы суперконденсаторов

yandex.ru

Итак, к плюсам такого изделия как суперконденсатор, можно отнести следующее:

1. Минимальное время зарядки и разрядки изделия. Иначе говоря ионистор можно зарядить за очень короткое время и применять накопленный заряд в то время как на накопление заряда в аккумуляторе уходит довольно продолжительное время.

2. Большое количество циклов заряд-разряд (более 100 000).

3. Нет необходимости обслуживать изделие.

4. Незначительный вес и скромные размеры.

5. Во время зарядки нет необходимости использовать сложные зарядные устройства.

6. Изделие нормально функционирует в температурном коридоре от –40 до +70 градусов по Цельсию.

yandex.ru

К минусам же ионисторов относят

1. Высокая стоимость изделия. До сих пор ионистор стоит существенно дороже обычных конденсаторов и аккумуляторов.

2. Низкое напряжение изделия, на которое рассчитан ионистор. Особенность суперконденсатора такова, что они рассчитаны на довольно низкое напряжение, величина которого зависит от вида применяемого электролита. Для увеличения напряжения ионисторы соединяют последовательно. Но помимо такого соединения необходимо каждый суперконденсатор шунтировать резистором по причине выравнивания напряжение на отдельном ионисторе.

3. Если превысить рабочую температуру в 70 градусов по Цельсию, то высока вероятность, что изделие просто разрушится.

4. Суперконденсатор – полярный элемент, поэтому при подключении необходимо соблюдать полярность.

Ионистор на схемах

На схемах ионистор обозначается точно так же как и электролитический конденсатор и различить их можно лишь по сопутствующей надписи. Так, например, если рядом со схематическим изображением будет написано 0,47F 5,5V, то сразу станет понятно, что перед вами суперконденсатор. Так как обычных конденсаторов на такую емкость не производят да и низкое напряжение помогает определить.

yandex.ru

Область применения

Суперконденсаторы стали активно применяться в современной цифровой аппаратуре. Например, они выступают в роли резервного питания для энергозависимой памяти, микроконтроллеров, электронных часов и т.д.. Так что можно сделать вывод, что они получили довольно широкое распространение.

Заключение

В этой статье мы поговорили об ионисторах, впервые появившихся в 1960 годах в США, а с 1978 года выпускающиеся уже в СССР под маркой К58 – 1. Надеюсь, статья оказалась вам интересна или полезна. Спасибо за ваше внимание и не забываем оценить материал.

Сравнение суперконденсатора и аккумулятора

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям

Опубликовано 04.04.2016 02:39

Автор: Abramova Olesya

Суперконденсатор, также известный как ультраконденсатор или двухслойный конденсатор, отличается от обычного конденсатора тем, что имеет очень большую емкость. Конденсатор хранит энергию с помощью статического заряда, в противовес электрохимическим реакциям батареи. Применение дифференциального напряжения на положительную и отрицательную пластины заряжает конденсатор. Это похоже на накопление статического заряда при трении. Прикосновение же к пластине конденсатора высвободит энергию.

Существует три типа конденсаторов, основным среди них является электростатический конденсатор с сухим сепаратором. Эта классическая модель конденсатора имеет очень маленькую емкость и в основном используется в радиоэлектронике. Емкость конденсатора измеряется в фарадах и для электростатического колеблется в диапазоне пикофарад (пФ).

Следующий тип конденсатора — электролитический, он обеспечивает более высокую емкость в сравнении электростатическим и оценивается в микрофарадах (мкФ), что в миллион раз больше пикофарада. Сепаратор в таких конденсаторах влажного типа. Как и в электрических батареях, конденсаторы имеют разные полюса, которые необходимо соблюдать при использовании.

Третий тип – это суперконденсатор, его емкость оценивается в фарадах и в тысячи раз больше емкости электролитического. Суперконденсатор используется для хранения энергии, подвергающейся частым циклам заряда/разряда при высоких значениях силы тока и короткой длительности.

Единица измерения емкости фарад, названа так в честь английского физика Майкла Фарадея (1791-1867). Один фарад хранит один кулон электрического заряда при напряжении один вольт. Один микрофарад в миллион раз меньше фарада, а пикофарад в миллион раз меньше микрофарада.

Инженеры General Electric начали экспериментировать с ранней версией суперконденсатора еще в 1957 году, но коммерческого интереса эти разработки не вызвали. В 1966 году Standart Oil заново случайно обнаружили эффект двухслойного конденсатора во время работы с экспериментальными конструкциями топливных элементов. Двухслойная структура значительно улучшала способность накапливать энергию. Технология снова не была коммерциализирована и лишь 1990-х нашла свое применение.

Развитие суперконденсаторов тесно переплетено с технологиями электрохимических источников тока, именно оттуда были позаимствованы специальные электроды и электролит. В то время как основной электрохимический двухслойный конденсатор (EDLC) зависит от электростатического действия, асимметричный двухслойный электрохимический конденсатор (AEDLC) использует батарееподобные электроды для получения более высокой плотности энергии, но это ограничивает его жизненный цикл и наделяет ограничениями, схожими на ограничения электрохимического источника тока. Многообещающим выглядит использование графена в качестве материала электрода, но исследования в этом направлении пока только ведутся.

Было испробовано много типов электродов, и наиболее распространенной системой электрохимического двухслойного суперконденсатора сегодня является версия на основе углерода с органическим электролитом. Неоспоримым преимуществом такого суперконденсатора является простота изготовления.

Все конденсаторы имеют предел напряжения. В то время как электростатический конденсатор является высоковольтным, суперконденсатор ограничен напряжением в 2,5-2,7 В. Повышение значения напряжения выше этого уровня возможно, но негативно сказывается на продолжительности срока службы. Поэтому для получения более высокого напряжения используют последовательное соединение нескольких суперконденсаторов. В свою очередь, последовательное соединение уменьшает общую емкость и увеличивает внутреннее сопротивление. Такое соединение более чем трех конденсаторов требует дополнительной балансировки для избежания перенапряжения отдельной ячейки. Похожим образом реализована система защиты литий-ионного аккумулятора.

Удельная энергоемкость суперконденсатора колеблется от 1 до 30 Вт*ч/кг, что в 10-50 раз меньше показателя литий-ионного аккумулятора. Еще одним недостатком является кривая разряда. В то время как электрохимические батареи обеспечивают постоянное напряжение в полезном диапазоне мощности, напряжение суперконденсаторов уменьшается линейно, что сокращает спектр доступной мощности. (Смотрите: Базовые знания о разряде электрохимического источника тока).

Возьмите источник тока с номинальным напряжением 6 В и напряжением отсечки 4,5 В. Если этот источник тока – суперконденсатор, то из-за своего линейного характера разряда он достигнет точки отсечки еще в первой четверти цикла, остальные три четверти энергетического резерва будут недоступными для использования. Можно конечно дополнительно использовать преобразователь напряжения — он позволит пользоваться источником питания и с низким значением напряжения, но это добавляет дополнительные расходы и приводит к потерям энергии. Электрическая же батарея имеет график разряда в виде относительно прямой линии, что позволяет использовать от 90 до 95 % накопленной в ней энергии.

На рисунках 1 и 2 показаны характеристики тока и напряжения при заряде и разряде суперконденсатора. При зарядке напряжение увеличивается линейно, а ток проседает, когда конденсатор полностью зарядился, вследствие этого даже отпадает необходимость использования системы детектирования полного заряда. При разрядке напряжение уменьшается также линейно. Для поддержания постоянного уровня потребляемой мощности при падении напряжения, преобразователь напряжения будет потреблять все большую силу тока. Разряд будет достигнут, когда нагрузочные требования больше не могут быть удовлетворены.

Рисунок 1: Зарядные характеристики суперконденсатора. Напряжение линейно растет при постоянном уровне тока заряда. При полном заполнении конденсатора зарядный ток падает.

Рисунок 2: Разрядные характеристики суперконденсатора. При разряде напряжение снижается линейно. Опциональный преобразователь напряжения может поддерживать определенный показатель напряжения, но это увеличивает показатель силы тока разряда.

Время зарядки суперконденсатора составляет от 1 до 10 секунд. Зарядные характеристики аналогичны характеристикам электрохимических батарей, и в значительной степени ограничены допустимой силой тока зарядного устройства. Суперконденсатор невозможно зарядить сверх его емкости, вследствие этого ему не нужна система детектирования полного заряда — ток просто перестает течь в него.

В таблице 3 сравниваются суперконденсатор и стандартный литий-ионный аккумулятор.

Характеристики	Суперконденсатор	Стандартный литий-ионный аккумулятор
Время зарядки	1-10 секунд	10-60 минут
Количество циклов	1 миллион или 30 тысяч часов	500 и выше
Напряжение ячейки	От 2,3 до 2,75 В	3,6 В номинал
Удельная энергоемкость (Вт*ч/кг)	5 (стандартно)	120-240
Удельная мощность (Вт/кг)	до 10 тысяч	1000-3000
Стоимость килограмм ватта	$ 10000 (стандартно)	$ 250-1000 (большие системы)
Время жизни	10-15 лет	от 5 до 10 лет
Допустимый зарядный диапазон температур	от -40°С до 65°С	от 0°С до 45°С
Допустимый разрядный диапазон температур	от -40°С до 65°С	от -20°С до 60°С

Таблица 3: Сравнение производительности суперконденсатора и литий-ионного аккумулятора.

Суперконденсатор может заряжаться и разряжаться практически неограниченное число раз. В отличии от электрохимической батареи, в которую заложен жизненный цикл определенного размера, суперконденсатор практически нечувствителен к воздействию циклического режима работы. Также слабее на него действуют и возрастные изменения, связанные с деградацией материалов. При нормальных условиях емкость суперконденсатора после 10 лет эксплуатации сохраняется на уровне 80% от номинальной. Но работа с высокими напряжениями может снизить его срок жизни. Также стоит отметить преимущество суперконденсатора по температурным показателях — слабым местом всех электрохимических источников тока.

---

Аккумуляторы EverExceed

 

OPzS	NI-CD	OPzV
20 лет / 1500 циклов	25 лет / 2000 циклов	20 лет / 1500 циклов
для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т.д.

---

Саморазряд суперконденсатора значительно выше у обычных конденсаторов и немного превышает показатель электрохимической батареи. Причиной такого высокого саморазряда, главным образом, выступают свойства органического электролита. Для сравнения, суперконденсатор теряет половину запасенной энергии за 30-40 дней, а свинцовые и литиевые аккумуляторы саморазряжаются всего на 5% в месяц.

Применение суперконденсаторов

Суперконденсаторы являются идеальным выбором в случаях, где возникает краткосрочная потребность в питании и есть возможность быстрой зарядки. В противовес этому, электрохимические батареи оптимизированы для обеспечения относительно долгосрочного электропитания. Объединение этих двух систем в гибридный источник питания позволяет использовать сильные стороны каждой. Такие гибриды уже существуют, например, в виде союза суперконденсатора и свинцово-кислотной электрохимической системы.

Суперконденсаторы находят свое применение в системах, где необходимо обеспечение питания продолжительностью от нескольких секунд до нескольких минут, и также могут быть быстро заряжены. Подобными качествами располагает и маховик (инерционный аккумулятор), поэтому суперконденсатор может выступать ему альтернативой в определенных процессах, например, транспортной сфере.

Сегодня продолжаются испытания системы суперконденсаторов мощностью 2 мВт и системы маховиков мощностью 2,5 мВт для обеспечения движения Нью-Йоркской железной дороги (Long Island Rail Road — LIRR). Целью этих испытаний является поиск решения проблемы проседания напряжения при разгоне. Обе системы должны обеспечивать бесперебойную подачу электроэнергии определенной мощности в течение 30 секунд, а также заряжаться за такой же период времени. Главными требованиями являются колебание напряжения в диапазоне не более 10 %, низкие эксплуатационные расходы и долговечность не менее 20 лет. (Пока что больший интерес вызывали маховики, так как считается, что они более прочные и экономичные, но испытания еще продолжаются).

Япония также активно исследует и развивает использование суперконденсаторов. Уже существуют 4 мВт системы, установленные в зданиях, предназначение которых заключается в уменьшении нагрузки на электросети в часы пик. Также существуют системы, обеспечивающие кратковременное электропитание в моменты между отключением электричества и запуском резервных генераторов.

Технологии суперконденсаторов также смогли проникнуть в область электротранспорта. Возможность зарядки за счет сил торможения и способность обеспечения высоких показателей силы тока для ускорения делают суперконденсаторы крайне интересными для гибридных и электрических транспортных средств. Широкий диапазон рабочих температур и долговечность дают преимущество над электрохимическими батареями в этой сфере.

Но недостатки суперконденсаторов, такие как низкая удельная энергоемкость и высокая стоимость, побуждают некоторых разработчиков делать выбор в пользу более емкого аккумулятора за ту же стоимость. В таблице 4 приведены преимущества и недостатки суперконденсаторов.

Преимущества	Практически неограниченный жизненный цикл; может быть перезаряжен миллионы раз Высокая удельная мощность и низкое внутреннее сопротивление обеспечивают высокие токи нагрузки Процесс зарядки занимает секунды; сам прекращает процесс зарядки Простой процесс и условия зарядки Безопасный, устойчивый к неправильной эксплуатации Отличные показатели работы при низких температурах
Недостатки	Низкая удельная энергоемкость Линейный характер снижения напряжения не позволяет использовать всю накопленную энергию Высокий саморазряд, выше, чем у электрических батарей Низкое напряжение ячейки, необходимость последовательного соединения и балансировки систем из нескольких ячеек Высокая стоимость ватта энергии

Таблица 4: Преимущества и недостатки суперконденсаторов.

Последнее обновление 2016-02-29

WP | Характеристики саморазряда утечки суперконденсатора

Введение

Суперконденсатор широко используется в приложениях резервного копирования RTC для подачи питания на схему RTC в электронике, когда источник питания системы отключен. Характеристики саморазряда — одна из важных характеристик, определяющих время автономной работы. Ток саморазряда часто путают с характеристикой тока утечки. В этом примечании к применению объясняется разница между током утечки и характеристикой саморазряда, а также объясняется важность характеристики саморазряда в резервном приложении.

Ток поглощения и ток утечки

Суперконденсатор имеет высокое внутреннее сопротивление, и для поддержания заряда суперконденсатора требуется небольшой ток. Ток утечки — это зарядный ток, измеряемый по напряжению между выводами на зарядном резисторе, когда суперконденсатор заряжается в течение многих часов и когда суперконденсатор заряжается. На рисунке 1 показана схема измерения тока утечки. Когда суперконденсатор заряжен, возникает стабильный паразитный ток.Суперконденсатор заряжается за счет поглощения и десорбции ионов, и паразитный ток в начале заряда высок, поскольку ионы пытаются проникнуть глубоко внутрь мелких пор активированного угля. Этот начальный ток называется «током поглощения». Этот ток заряда уменьшается с течением времени и со временем становится стабильным. Долговременный стабильный ток называется «током утечки».

Рисунок 1) Характеристики тока утечки при комнатной температуре и схема измерения

Существует температурная зависимость от тока утечки.Чем выше температура, тем выше ток поглощения и ток утечки, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2) Характеристики тока утечки FC0h324ZF при различных температурах

Характеристика саморазряда

Когда основной источник заряда отключается от суперконденсатора, суперконденсатор начинает терять заряд из-за высокого внутреннего сопротивления. Это называется характеристикой саморазряда. Это падение напряжения на заряженном конденсаторе после периода отсутствия нагрузки.Падение напряжения измеряется после того, как суперконденсатор заряжается напряжением 5 В через зарядный резистор = 0 Ом в течение 24 часов, источник заряда отключен, а контакты открыты в течение 24 часов. На рисунке 3 показана кривая саморазряда для серии FC. Существует температурная зависимость от характеристик саморазряда, как показано на Рисунке 4.

Рисунок 3) Характеристики саморазряда суперконденсатора серии FC

Рисунок 4) Характеристики саморазряда суперконденсатора FC0V474ZF при различных температурах

В приложении резервного копирования RTC, где суперконденсатор обеспечивает питание схемы RTC в случае сбоя основного источника питания, характеристика саморазряда влияет на время резервного питания и должна быть принята во внимание, чтобы обеспечить достаточное время резервного питания.

Расчет времени резервного копирования

Пример применения: резервное копирование RTC с использованием суперконденсатора FC0h205ZFTBR44-SS. Напряжение заряда составляет 5 В, напряжение отключения составляет 2 В, а ток, потребляемый схемой RTC во время потери мощности, составляет 0,5 мкА.

Ток саморазряда можно рассчитать, используя наклон кривой характеристики саморазряда (рисунок 5).

Рисунок 5) Характеристики саморазряда FC0h205ZFTBR44-SS

Время резервного копирования можно рассчитать следующим образом.

Сводка

Ток утечки — это ток, поддерживающий заряд, пока суперконденсатор заряжен. Чтобы рассчитать необходимое время автономной работы в диапазоне рабочих температур системы, разработчикам необходимо обратить внимание на саморазрядную характеристику суперконденсатора и ее температурную зависимость.

Саморазряд ультраконденсаторов — Комната роботов

(Продолжение предыдущей страницы, на которой обсуждалось уменьшение утечки в старых алюминиевых электролитических конденсаторах)

Ультраконденсаторы также известны как суперконденсаторы или EDLC (электрические двухслойные конденсаторы).Эти конденсаторы доступны с емкостью в диапазоне фарад. Широко доступны два класса ультраконденсаторов.

Более старый класс имеет ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) более 1 Ом и максимальное напряжение от 3,3 В до 5,5 В. Это означает, что они медленно заряжаются и разряжаются. Они обычно используются для сохранения питания портативных устройств во время замены батареи или для работы микросхем часов при отключении питания.

У суперконденсаторов нового класса есть ESR менее 1 Ом и максимальное напряжение 2,7 В или меньше. Они быстро заряжаются и разряжаются. Они доступны с гораздо большей емкостью, например, более 10 фарад. Они обычно используются для подачи значительного импульсного тока для запуска большого электродвигателя или для рекуперативного торможения в электромобилях.

Если вы хотите создать солнечного робота, который приводит в движение двигатель, вам необходимо использовать новые типы ультраконденсаторов.(Ищите ESR 100 миллиом или меньше.) Относительно высокое сопротивление старого типа означает, что конденсатор не сможет обеспечить достаточный ток для вращения двигателя.

Ультраконденсаторы легкие и могут хранить больше энергии в заданном объеме, чем алюминиевые электролитические конденсаторы. На изображении ниже для обеспечения такой же емкости, как у ультраконденсатора EDLC 400 F, потребуется 400000000 конденсаторов емкостью 1 мкФ. Очевидно, что конденсатор на 400 Ф намного меньше по объему.

Слева направо и в приблизительной шкале: 1 мкФ алюминиевый электролитический, 1 фарадный конденсатор EDLC, ультраконденсатор EDLC 400 фарад.

Честно говоря, изображенный конденсатор 1 мкФ имеет максимальное напряжение 50 В, что в 18 раз больше, чем у конденсатора 2,7 В 400 Ф. Низкое максимальное напряжение снижает удельную мощность и типы схем, в которых могут использоваться ультраконденсаторы, без использования последовательных конденсаторов со схемой балансировки напряжения.

В отличие от аккумуляторных батарей ультраконденсаторы можно заряжать сотни тысяч раз. К сожалению, у ультраконденсаторов скорость саморазряда значительно выше. То есть они не могут хранить энергию так долго, как батарея.

Скорость саморазряда ультраконденсаторов.

Заметили, что выделения не прямые, а сглаживаются? Это заметили и производители.Итак, они немного обманывают и указывают сопротивление изоляции или ток саморазряда через определенного количества часов. То есть они скажут «1,5 мА через 72 часа».

Из-за этого вам сложно рассчитать, сколько энергии останется через определенный промежуток времени. И поскольку не существует стандарта для проверки саморазряда (как долго заряжать, когда начинать измерение тока), трудно сравнивать разные конденсаторы, чтобы определить, какие действительно имеют наименьшую утечку для вашего проекта.

Конденсатора на 1 фарад достаточно, чтобы сток моей тестовой схемы не оказал на него заметного воздействия в течение 10000 секунд. Потребуется сток в 4 МОм, чтобы напряжение упало с 2,5 В до 2,49 В, но моя тестовая схема находится где-то в диапазоне 1 триллиона Ом. Таким образом, я могу быть уверен, что потеря мощности на приведенном выше графике связана с саморазрядом.

Я подозреваю, что причина того, что конденсатор 1 Ф работает плохо по сравнению с конденсатором 400 Ф, заключается в том, что конденсатор 1 Ф довольно старый, но конденсатор 400 Ф был приобретен недавно.За последние годы технология ультраконденсаторов значительно улучшилась.

Наконец, давайте рассмотрим специфический эффект конденсаторов, когда на разряженном конденсаторе волшебным образом появляется напряжение.

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 6 0 obj /Заголовок /Предмет / Автор /Режиссер / Ключевые слова / CreationDate (D: 20210329074057-00’00 ‘) / ModDate (D: 20090522000600 + 02’00 ‘) >> эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > эндобдж 5 0 obj > поток DynamicPDF для Java v4.0.32009-05-21T19: 08: 22Z2009-05-22T00: 06 + 02: 002009-05-22T00: 06 + 02: 00application / pdfuuid: 49fbd197-28bf-4e31-a3a5-7096ad76c8bduuid: b088477c-d682-40ed-9969- 0e147a8abc00 конечный поток эндобдж 7 0 объект > эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 14 0 объект > эндобдж 15 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC / ImageB / ImageI] >> эндобдж 16 0 объект > поток x ڥ X # 5˻n8dpaSvw:! x + 粧 S) 22] `Ǐ ~ 1} NG> n3ɖLC> -Ƹ س 1>.ش \ kVJc] d ޥ aT6upx! H> $ AK @ Z إ шv ٳ G

Wb: ۬ JWICKW9 = VM ~ | aa} VWr٥!,% Juv1z \ C

Ионообменные сепараторы, подавляющие саморазряд в полимерных суперконденсаторах с абстрактным циклом

Суперконденсаторы срок службы и высокая плотность мощности, но как устройства накопления энергии они ограничены процессами саморазряда, проявляющимися в большом потенциальном затухании и токе утечки, что приводит к потере накопленной энергии и низкой эффективности зарядки. Чтобы минимизировать фарадеевские побочные реакции, это письмо включило сульфонатную ионообменную смолу в сепараторы для улавливания примесей и тем самым подавления саморазряда в суперконденсаторах с PEDOT в качестве окислительно-восстановительных электродов.Универсальная конструкция сепаратора, как правило, применима к органическим и водным электролитам и совместима с диапазоном pH от 0 до 14, сохраняя при этом емкость устройства и характеристики скорости. Температурно-зависимые характеристики были проанализированы, чтобы определить, что уменьшение концентрации и диффузии примесей является ключом к улучшению потенциального удерживания. По сравнению с устройствами, использующими коммерчески доступные сепараторы, устройство здесь показало более низкий ток утечки и лучшую эффективность зарядки. Было продемонстрировано, что он работает с радиочастотными схемами сбора энергии и продемонстрировал потенциал в качестве резервуара энергии для беспроводных электронных приложений.

Многие научные публикации, созданные UC, находятся в свободном доступе на этом сайте из-за политики открытого доступа UC. Сообщите нам, насколько этот доступ важен для вас.

Основное содержание

Загрузить PDF для просмотраПросмотреть больше

Больше информации Меньше информации

Закрывать

Введите пароль, чтобы открыть этот PDF-файл:

Отмена ОК

Подготовка документа к печати…

Отмена

% PDF-1.7 % 258 0 объект > эндобдж xref 258 126 0000000016 00000 н. 0000002872 00000 н. 0000003169 00000 н. 0000003200 00000 н. 0000003268 00000 н. 0000004174 00000 н. 0000004748 00000 н. 0000004815 00000 н. 0000005196 00000 н. 0000005322 00000 н. 0000005440 00000 н. 0000005585 00000 н. 0000005724 00000 н. 0000005924 00000 н. 0000006276 00000 н. 0000006630 00000 н. 0000006810 00000 н. 0000006968 00000 н. 0000007146 00000 н. 0000007460 00000 н. 0000007786 00000 н. 0000007980 00000 н. 0000008187 00000 н. 0000008377 00000 н. 0000008525 00000 н. 0000008671 00000 н. 0000008817 00000 н. 0000008967 00000 н. 0000009112 00000 н. 0000009262 00000 н. 0000009412 00000 н. 0000009557 00000 н. 0000009703 00000 н. 0000009855 00000 н. 0000010036 00000 п. 0000010186 00000 п. 0000010333 00000 п. 0000010482 00000 п. 0000010634 00000 п. 0000010786 00000 п. 0000010975 00000 п. 0000011071 00000 п. 0000011167 00000 п. 0000011264 00000 п. 0000011360 00000 п. 0000011457 00000 п. 0000011552 00000 п. 0000011648 00000 п. 0000011742 00000 п. 0000011837 00000 п. 0000011931 00000 п. 0000012027 00000 п. 0000012121 00000 п. 0000012215 00000 п. 0000012308 00000 п. 0000012402 00000 п. 0000012494 00000 п. 0000012591 00000 п. 0000012889 00000 п. 0000013643 00000 п. 0000014044 00000 п. 0000014445 00000 п. 0000014631 00000 п. 0000015120 00000 н. 0000015492 00000 п. 0000017811 00000 п. 0000021456 00000 п. 0000021768 00000 п. 0000022374 00000 п. 0000030028 00000 п. 0000030423 00000 п. 0000030969 00000 п. 0000031154 00000 п. 0000031451 00000 п. 0000032545 00000 п. 0000032803 00000 п. 0000032826 00000 п. 0000034872 00000 н. 0000035995 00000 п. 0000036308 00000 п. 0000036486 00000 п. 0000037542 00000 п. 0000042920 00000 п. 0000043275 00000 п. 0000046424 00000 н. 0000046650 00000 п. 0000047311 00000 п. 0000047697 00000 п. 0000048024 00000 п. 0000048324 00000 п. 0000048708 00000 п. 0000049217 00000 п. 0000049606 00000 п. 0000049629 00000 п. 0000051426 00000 п. 0000051771 00000 п. 0000052055 00000 п. 0000052311 00000 п. 0000052430 00000 п. 0000053894 00000 п. 0000053917 00000 п. 0000055755 00000 п. 0000055778 00000 п. 0000057514 00000 п. 0000057906 00000 п. 0000058403 00000 п. 0000058763 00000 п. 0000059011 00000 п. 0000062705 00000 п. 0000062728 00000 п. 0000064514 00000 п. 0000064537 00000 п. 0000066238 00000 п. 0000066261 00000 п. 0000067961 00000 п. 0000067984 00000 п. 0000069764 00000 п. 0000070123 00000 п. 0000070217 00000 п. 0000070775 00000 п. 0000070950 00000 п. 0000071511 00000 п. 0000071685 00000 п. 0000093903 00000 п. 0000003309 00000 н. 0000004152 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 259 0 объект > / Метаданные 256 0 R / Имена 262 0 руб. / OpenAction [263 0 R / FitH 910] / Контуры 264 0 R / PageLabels 253 0 руб. / PageLayout / SinglePage / PageMode / UseOutlines / Страницы 255 0 R / StructTreeRoot null / Нитки 260 0 R / Тип / Каталог >> эндобдж 260 0 объект [ 261 0 руб. ] эндобдж 261 0 объект > >> эндобдж 262 0 объект > эндобдж 382 0 объект > поток HSKhQ3 $ S ~, ښ 3 Zi>? Bɏ ، ڴ & oŀbC7q! BvSW.D]. * BMwS #; 3

Токи утечки и саморазряд суперконденсаторов на основе ионной жидкости

1.

Mars P (2012) Соединение суперконденсатора с небольшим источником сбора энергии. EDN, 7 июня: 39–42. http://www.edn.com

2.

Kötz R, Hahn M, Gallay R (2006) Температурные характеристики и основы импеданса суперконденсаторов. J Источники энергии 154: 550–555. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2005.10.048

Артикул Google Scholar

3.

Diab Y, Venet P, Gualous H, Rojat G (2009) Характеристика саморазряда и моделирование электрохимического конденсатора, используемого в приложениях силовой электроники. IEE Trans Power Electron 24: 511–517. DOI: 10.1109 / TPEL.2008.2007116

Артикул Google Scholar

4.

Kötz R, Sauter JC, Ruch P, Dietrich P, Büchi FN, Magne PA, Varenne P (2007) Балансировка напряжений: многолетний опыт работы с модулем суперконденсатора 250 В автомобиля с гибридным топливным элементом HY- СВЕТ.J Источники энергии 174: 264–271. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2007.08.078

Артикул Google Scholar

5.

Lazzari M, Arbizzani C, Soavi F, Mastragostino M (2013) EDLC на основе ионных жидкостей без растворителей. В: Beguin F, Frackowiak E (eds) Суперконденсаторы: материалы, системы и приложения. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co, KGaA, Weinheim, pp 289–306

Google Scholar

6.

Кан Й.Дж., Чун С.Дж., Ли С.С., Ким Б.И., Ким Дж.Х., Чунг Х., Ли С.И., Ким В. (2012) Полностью твердотельные гибкие суперконденсаторы, изготовленные из бактериальной наноцеллюлозной бумаги, углеродных нанотрубок и ионных гелей триблок-сополимеров. ACS Nano 6: 6400–6406. DOI: 10.1021 / nn301971r

CAS Статья Google Scholar

7.

Lazzari M, Soavi F, Mastragostino M (2009) Динамическая импульсная мощность и энергия суперконденсатора на основе ионной жидкости для HEV-приложений.J Electrochem Soc 156: A661 – A666. DOI: /10.1149/1.3139046

CAS Статья Google Scholar

8.

Krause A, Balducci A (2011) Высоковольтный электрохимический двухслойный конденсатор, содержащий смеси ионных жидкостей и органического карбоната в качестве электролитов. Electrochem Commun 13: 814–817. doi: /10.1016/j.elecom.2011.05.010

CAS Статья Google Scholar

9.

Ruiz V, Huynh T, Sivakkumar SR, Pandolfo AG (2012) Смеси ионной жидкости и растворителя в качестве электролитов суперконденсатора для работы в экстремальных температурах. RSC Adv 12: 5591–5598. DOI: 10.1039 / c2ra20177a

Артикул Google Scholar

10.

Ue M, Takeda M, Takehara M, Mori S (1997) Электрохимические свойства солей четвертичного аммония для электрохимических конденсаторов. J Electrochem Soc 144: 2684–2688. DOI: 10,1149 / 1.1837882

CAS Статья Google Scholar

11.

Weingarth D, Noh H, Foelske-Schmitz A, Wokaun A, Kötz R (2013) Надежный метод определения пределов устойчивости электрохимических конденсаторов с двойным слоем. Electrochim Acta 103: 119–124. DOI: 10.1016 / j.electacta.2013.04.057

CAS Статья Google Scholar

12.

INEEL (2004) Руководство по тестированию ультраконденсаторов FreedomCAR, подготовлено для Министерства энергетики США.http://www.uscar.org/commands/files_download.php?files_id=28. По состоянию на 25 ноября 2013 г.

13.

Weingarth D, Foelske-Schmitz A, Kötz R (2013) Цикл в зависимости от удержания напряжения: какой тест на стабильность лучше для электрохимических конденсаторов с двойным слоем? J Источники энергии 225: 84–88. DOI: 10.1016 / j.powsour.2012.10.019

CAS Статья Google Scholar

Саморазряд гибридного суперконденсатора со встроенными гальваническими элементами

Автор

Перечислено:

• Ван, Ю.
• Цяо, X.
• Чжан, К.
• Чжоу, Сянъян

Abstract

Суперконденсаторы могут обеспечивать высокую удельную мощность и длительный срок службы, но имеют значительный саморазряд, ограничивающий их применение в качестве автономных накопителей энергии. Для смягчения проблемы саморазряда был предложен новый гибридный суперконденсатор со встроенными гальваническими элементами. Гибридный суперконденсатор был подобен обычному суперконденсатору с двумя электродами из активированного угля, разделенными мембраной из полимерного электролита, содержащей 1.5 М сульфат цинка. Однако цинковая фольга и медная фольга использовались в качестве токоприемников для отрицательного и положительного электродов соответственно, которые могут обеспечивать микроток для компенсации тока саморазряда. Гибридный суперконденсатор показал максимальную удельную емкость 55 Ф · г -1 и удельную энергию 4,51 Вт · ч · кг -1 при эффективности заряда 90%. Сохранение емкости гибридного суперконденсатора составляло 80% после 2000 циклов. Напряжение холостого хода заряженного гибридного суперконденсатора было стабильным и немного снизилось с начального 0.90 В – 0,85 В в месяц. Результаты показывают, что за счет замены пары обычных металлических токоприемников на гальваническую пару можно значительно уменьшить повсеместную проблему саморазряда, а время хранения может быть продлено для удовлетворения требований для автономных приложений.

Рекомендуемое цитирование

Ван, Ю. и Цяо, X., Чжан, К. и Чжоу, Сянъян, 2018. « Саморазряд гибридного суперконденсатора со встроенными гальваническими элементами », Энергия, Elsevier, т.159 (C), страницы 1035-1045.

Обозначение: RePEc: eee: energy: v: 159: y: 2018: i: c: p: 1035-1045
DOI: 10.1016 / j.energy.2018.06.170

Скачать полный текст от издателя

Поскольку доступ к этому документу ограничен, вы можете поискать его другую версию.

Ссылки на IDEAS

1. Пинто, Клаудио и Баррерас, Хорхе В. и де Кастро, Рикардо и Араужо, Руи Эстевес и Шальц, Эрик, 2017.« Исследование совместного влияния моделей аккумуляторов и стратегии определения размеров для гибридных и аккумуляторных электромобилей », Энергия, Elsevier, т. 137 (C), страницы 272-284.
2. Сонг, Цзыю и Ли, Цзяньцю и Хоу, Цзюнь и Хофманн, Хит и Оуян, Мингао и Ду, Цзююй, 2018. « Гибридная система накопления энергии батарея-суперконденсатор в электромобилях: тематическое исследование », Энергия, Elsevier, т. 154 (C), страницы 433-441.
3. Холл, Питер Дж.И Бэйн, Юан Дж., 2008. « Технологии накопления энергии и производство электроэнергии ,» Энергетическая политика, Elsevier, vol. 36 (12), страницы 4352-4355, декабрь.
4. Фарманн, Александр и Вааг, Владислав и Зауэр, Дирк Уве, 2016. « Электрические характеристики аккумуляторных батарей большой мощности с анодами из титаната лития для электромобилей для конкретных приложений», Энергия, Elsevier, т. 112 (C), страницы 294-306.
5. Яник, Махир Озан и Йигит, Экрем Акиф и Акансу, Яхья Эркан и Сахметлиоглу, Эртугрул, 2017.» Суперконденсаторы на основе магнитопроводящих полимер-графеновых нанокомпозитов для накопления энергии ,» Энергия, Elsevier, т. 138 (C), страницы 883-889.
6. Сян, Донг и Инь, Лунвэй и Ван, Чэньсян и Чжан, Луюань, 2016. « Высокие электрохимические характеристики наночастиц RuO2 – Fe2O3, внедренных в упорядоченный мезопористый углерод в качестве материала электрода суперконденсатора », Энергия, Elsevier, т. 106 (C), страницы 103-111.
7. Сюй, Ле и Чжао, Ян и Лянь, Цзябао и Сюй, Юаньгуо и Бао, Цзянь и Цю, Цзинся и Сю, Ли и Сюй, Хуэй и Хуа, Минцин и Ли, Хуамин, 2017.« Получение наноструктур ZnCo2O4 с контролируемой морфологией для асимметричного суперконденсатора со сверхвысокой плотностью энергии », Энергия, Elsevier, т. 123 (C), страницы 296-304.
8. Чжан, Цзицзюнь и Чен, Цзэсян и Ван, Ян и Ли, Хай, 2016. « Синтез трехмерных наносетей CoNiO2 с контролируемой морфологией в качестве высокоэффективного материала положительного электрода для суперконденсаторов », Энергия, Elsevier, т. 113 (C), страницы 943-948.
9. Бавио, М.А. и Акоста, Г.Г., Кесслер, Т., Визинтин, А., 2017. « Гибкие симметричные и асимметричные суперконденсаторы на основе нанокомпозитов углеродная ткань / полианилин — углеродные нанотрубки », Энергия, Elsevier, т. 130 (C), страницы 22-28.
10. Руан, Цзягенг и Уокер, Пол Дэвид и Чжан, Нонг и Ву, Цзинлай, 2017. « Исследование гибридной системы накопления энергии в многоскоростном электромобиле », Энергия, Elsevier, т. 140 (P1), страницы 291-306.
11. Рат, Танмой и Праманик, Нилкамал и Кумар, Сандип, 2017.« Гибкий твердотельный суперконденсатор с высокими электрохимическими характеристиками на основе композитов из восстановленного оксида графена и фиброина шелка , легированных кобальтом,» Энергия, Elsevier, т. 141 (C), страницы 1982-1988.
12. Мэй, Цзюньфэн и Фу, Венбин и Чжан, Цзэминь и Цзян, Сяо и Бу, Хан и Цзян, Чанцзюнь и Се, Эрцин и Хан, Вэйхуа, 2017. « Вертикально ориентированные нанопроволоки Co3O4, соединенные с нанолистами Co (OH) 2 в качестве электрода суперконденсатора ,» Энергия, Elsevier, т.139 (C), страницы 1153-1158.

Полные ссылки (включая те, которые не соответствуют элементам в IDEAS)

Цитаты

Цитаты извлекаются проектом CitEc, подпишитесь на его RSS-канал для этого элемента.

Цитируется по:

1. Петр Пирковский, Адриан Хмелевский и Кшиштоф Богдзинский, Якуб Можарин и Томаш Мидловски, 2018. « Исследование ультраконденсаторов в гибридных системах: пример », Энергия, MDPI, Open Access Journal, vol.11 (10), страницы 1-13, сентябрь.
2. Ян, Бо и Ван, Цзинбо и Сан, Иян и Ю, Лей и Шу, Хунчунь и Ли, Шэннань и Хэ, Тинъи и Ян, Лэй и Чжан, Сяошунь и Ю, Тао, 2019. « Применение суперконденсаторных систем накопления энергии в микросетях с распределенными генераторами через пассивное управление скользящим режимом дробного порядка ,» Энергия, Elsevier, т. 187 (С).

Самые популярные товары

Это элементы, которые чаще всего цитируют те же работы, что и эта, и цитируются в тех же работах, что и эта.

1. Энсафи, Али А. и Ахмади, Наджме и Резаи, Бехзад и Абдолмалеки, Амир и Махмудиан, Манзар, 2018. « Новый четвертичный наногибридный композитный электрод для высокопроизводительного суперконденсатора », Энергия, Elsevier, т. 164 (C), страницы 707-721.
2. Golkhatmi, Sanaz Zarabi & Sedghi, Arman & Miankushki, Hoda Nourmohammadi & Khalaj, Марьям, 2021 г. « Оценка структурных свойств и сверхемкостных характеристик гибридного тройного нанокомпозита оксид никеля / графена / полипиррола в водных и органических электролитах », Энергия, Elsevier, т.214 (С).
3. Скалия, Альберто и Белла, Федерико и Ламберти, Андреа и Гербальди, Клаудио и Трессо, Елена, 2019. « Инновационная мультиполимерная электролитическая мембрана, разработанная с помощью ингибированного кислородом УФ-сшивания, обеспечивает твердотельную интеграцию в плоскости устройств преобразования и накопления энергии » Энергия, Elsevier, т. 166 (C), страницы 789-795.
4. Руань, Цзянг и Сун, Цян и Ян, Вэйвэй, 2019. « Применение гибридной системы накопления энергии с электрифицированной бесступенчатой ​​трансмиссией в аккумуляторном электромобиле », Энергия, Elsevier, т.183 (C), страницы 315-330.
5. Ван, Минюэ и Хуанг, Инь и Ван, Кэ и Чжу, Яде и Чжан, На и Чжан, Хунмин и Ли, Супин и Фэн, Чжэньхэ, 2018. « Синтез методом PVD без связующего кремния и покрытых углеродом трехмерных гибридных пленок α-Fe2O3 наностержней в качестве анода большой емкости и длительного срока службы для гибких литий-ионных батарей », Энергия, Elsevier, т. 164 (C), страницы 1021-1029.
6. Сюй, Ле и Чжао, Ян и Лянь, Цзябао и Сюй, Юаньгуо и Бао, Цзянь и Цю, Цзинся и Сю, Ли и Сюй, Хуэй и Хуа, Минцин и Ли, Хуамин, 2017.« Получение наноструктур ZnCo2O4 с контролируемой морфологией для асимметричного суперконденсатора со сверхвысокой плотностью энергии », Энергия, Elsevier, т. 123 (C), страницы 296-304.
7. Селлали, М., Бетка, А., Дрид, С., Джердир, А., Аллауи, Л., Тиар, М., 2019. « Новая реализация управления для электромобилей на основе подхода нечеткого шага назад », Энергия, Elsevier, т. 178 (C), страницы 644-655.
8. Ли, Сын-Хван и Ким, Чон-Мён, 2018 г.« Перфорированный анод из h3Ti12O25 и катод из активированного угля для гибридных суперконденсаторов высокой энергии / большой мощности », Энергия, Elsevier, т. 150 (C), страницы 816-821.
9. Пурджавади, Али и Дорудиан, Мохадес и Ахадпур, Амирхашаяр и Пурбадиеи, Бехзад, 2018. « Подготовка гибкого и отдельно стоящего токосъемника на основе графена с помощью нового и простого подхода к самосборке: создание высокоэффективного пористого суперконденсатора на основе графена / полианилина », Энергия, Elsevier, т.152 (C), страницы 178-189.
10. Khalaj, Maryam & Sedghi, Arman & Miankushki, Hoda Nourmohammadi & Golkhatmi, Саназ Зараби, 2019. « Синтез новых тройных нанокомпозитов графен / Co3O4 / полипиррол в качестве электрохимически усиленных электродов суперконденсатора », Энергия, Elsevier, т. 188 (С).
11. Ламиэль, Чармейн и Нгуен, Ван Хоа и Хуссейн, Ифтихар и Шим, Джэ-Джин, 2017. « Повышение электрохимических характеристик слоистого двойного гидроксида никеля и кобальта @ пена никеля с вспомогательным электролитом на основе феррицианида калия », Энергия, Elsevier, т.140 (P1), страницы 901-911.
12. Рат, Танмой и Праманик, Нилкамал и Кумар, Сандип, 2017. « Гибкий твердотельный суперконденсатор с высокими электрохимическими характеристиками на основе композитов из восстановленного оксида графена и фиброина шелка , легированных кобальтом,» Энергия, Elsevier, т. 141 (C), страницы 1982-1988.
13. Ян, Вэйвэй и Жуань, Цзянь и Ян, Цзюэ и Чжан, Нонг, 2020. « Исследование интегрированной системы бесперебойной передачи с двумя входами и гибридной системы накопления энергии для электромобилей », Прикладная энергия, Elsevier, т.262 (С).
14. Мэй, Цзюньфэн и Фу, Венбин и Чжан, Цзэминь и Цзян, Сяо и Бу, Хан и Цзян, Чанцзюнь и Се, Эрцин и Хан, Вэйхуа, 2017. « Вертикально ориентированные нанопроволоки Co3O4, соединенные с нанолистами Co (OH) 2 в качестве электрода суперконденсатора ,» Энергия, Elsevier, т. 139 (C), страницы 1153-1158.
15. Иоан Ашилеан, Михай Варлам, Михай Калсер, Мариана Илиеску, Мирча Рачану, Адриан Энаке, Мария Симона Рабоака, Габриэль Расой и Константин Филоте, 2018.«Гибридная электрическая трансмиссия с топливными элементами для автомобиля серии », Энергия, MDPI, Open Access Journal, vol. 11 (5), страницы 1–12, май.
16. Ло, Син и Ван, Джихонг и Дунер, Марк и Кларк, Джонатан, 2015. « Обзор текущего развития технологий накопления электроэнергии и потенциала применения в эксплуатации энергосистем ,» Прикладная энергия, Elsevier, т. 137 (C), страницы 511-536.
17. Уэйд, Н.С. И Тейлор П. И Лэнг, П.Д. и Джонс, П. Р., 2010. « Оценка преимуществ системы хранения электроэнергии в будущей интеллектуальной сети », Энергетическая политика, Elsevier, vol. 38 (11), страницы 7180-7188, ноябрь.
18. Диас-Гонсалес, Франсиско и Сампер, Андреас и Гомис-Белльмант, Ориоль и Виллафафила-Роблес, Роберто, 2012 г. « Обзор технологий хранения энергии для ветроэнергетики », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 16 (4), страницы 2154-2171.
19. Паула Диас, Оскар Ван Влит и Энтони Патт, 2017.« Нужен ли нам газ в качестве промежуточного топлива? Пример электроэнергетической системы Швейцарии », Энергия, MDPI, Open Access Journal, vol. 10 (7), страницы 1-15, июнь.
20. Rabiee, Abdorreza & Khorramdel, Hossein & Aghaei, Jamshid, 2013. « Обзор систем накопления энергии в микросетях с ветряными турбинами », Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, Elsevier, vol. 18 (C), страницы 316-326.

Исправления

Все материалы на этом сайте предоставлены соответствующими издателями и авторами.Вы можете помочь исправить ошибки и упущения. При запросе исправления укажите дескриптор этого элемента: RePEc: eee: energy: v: 159: y: 2018: i: c: p: 1035-1045 . См. Общую информацию о том, как исправить материал в RePEc.

По техническим вопросам, касающимся этого элемента, или для исправления его авторов, названия, аннотации, библиографической информации или информации для загрузки, обращайтесь: (Nithya Sathishkumar). Общие контактные данные провайдера: http://www.journals.elsevier.com/energy .

Если вы создали этот элемент и еще не зарегистрированы в RePEc, мы рекомендуем вам сделать это здесь. Это позволяет связать ваш профиль с этим элементом. Это также позволяет вам принимать потенциальные ссылки на этот элемент, в отношении которых мы не уверены.

Если CitEc распознал ссылку, но не связал с ней элемент в RePEc, вы можете помочь с этой формой .

Если вам известно об отсутствующих элементах, цитирующих этот элемент, вы можете помочь нам создать эти ссылки, добавив соответствующие ссылки таким же образом, как указано выше, для каждого ссылочного элемента.Если вы являетесь зарегистрированным автором этого элемента, вы также можете проверить вкладку «Цитаты» в своем профиле RePEc Author Service, поскольку там могут быть некоторые цитаты, ожидающие подтверждения.

Обратите внимание, что исправления могут занять пару недель, чтобы отфильтровать различные сервисы RePEc.

.