Ионисторы что это – ИОНИСТОРЫ, СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ, УЛЬТРАКОНДЕНСАТОРЫ — ЧТО ЭТО ТАКОЕ? — Основы электротехники — Каталог статей

Содержание

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

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

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

Устройство и принцип действия

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

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

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

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

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

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

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

Изображение на схемах

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

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

Преимущества
  • Если сравнивать ультраконденсаторы с аккумуляторами, то первые из них способны обеспечить значительно большее число циклов заряда и разряда.
  • Цикл заряда и разряда происходит за очень короткое время, что дает возможность применять их в таких ситуациях, когда нельзя установить аккумуляторы, ввиду их длительной зарядки.
  • Устройства такого вида имеют намного меньшую массу и габаритные размеры.
  • Для выполнения заряда не требуется специального зарядного устройства, что упрощает обслуживание.
  • Срок работы ультраконденсаторов значительно выше, по сравнению с батареями аккумуляторов и силовыми конденсаторами.
  • Широкий интервал эксплуатационной температуры от -40 до +70 градусов.
Недостатки
  • Малая величина номинального напряжения. Этот вопрос решают путем соединения нескольких ультраконденсаторов по последовательной схеме, так же, как соединяют несколько гальванических элементов для увеличения напряжения.
  • Повышенная цена на такие устройства способствует удорожанию изделий, в которых они используются. По заверению ученых, скоро эта проблема станет неактуальной, так как технологии постоянно развиваются, и стоимость подобных устройств снижается.
  • Ионисторы не способны накопить большое количество энергии, так как имеют незначительную энергетическую плотность, и не могут обладать мощностью, сравнимой с аккумуляторами. Это негативно влияет на область их использования. Эта проблема может частично решиться путем подключения нескольких ионисторов вместе, по параллельной схеме.
  • Необходимость соблюдения полярности при подключении.
  • Не допускается короткое замыкание между электродами, так как от этого сильно возрастет температура ультраконденсатора, и он может выйти из строя.
  • Ионисторы хорошо работают в цепях пульсирующего и постоянного тока. Но при высокочастотном пульсирующем токе они сильно нагреваются ввиду их большого внутреннего сопротивления, что часто приводит к выходу из строя.
Применение

Ионисторы часто встречаются в устройстве цифрового оборудования. Они играют роль запасного источника питания микроконтроллера, микросхемы и т.д. С помощью такого источника при выключенном основном питании аппаратура способна сохранять настройки и обеспечивать питание встроенных часов. Например, в некоторых аудиоплеерах применяется миниатюрный ионистор.

В момент замены батареек или аккумуляторов в плеере могут сбиться настройки частоты радиостанции, часов. Благодаря встроенному ионистору этого не происходит. Он питает электронную схему. Его емкость значительно меньше аккумулятора, но его хватает на несколько суток, чтобы сохранить работу часов и настроек.

Также ультраконденсаторы используются для работы таймеров телевизора, микроволновой печи, сложного медицинского оборудования.

Были случаи опытного использования ионисторов, например, для проектирования электромагнитной пушки, которую называют Гаусс оружием.

В быту ионисторы используются в схемах маломощных светодиодных фонариков. Его зарядка может выполняться от солнечных элементов.

Автомобильное пусковое устройство

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

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

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

В схеме применяется ионистор со следующими параметрами:

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

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

Похожие темы:

 

electrosam.ru

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

Ионисторы — новый класс источников по функции близких к мощным конденсаторам, а фактически — занимающих нишу между конденсаторами и постоянными источниками тока. Что это такое, знают не все. Под ионисторами подразумевают суперконденсаторы, ультраконденсаторы. Международное обозначение EDLC — Electric double-layer capacitor, на электросхемах обозначается как R1.

Историческая справка

В 1957 году ранние версии суперконденсаторов разрабатывались инженерами в General Electric, но они не имели коммерческих приложений из-за низкой эффективности. В 1966 компания Standard Oil случайно при работе над топливными элементами открыла эффект двухслойного конденсатора, который позволял суперконденсатору эффективно функционировать. Компания не стала коммерциализировать изобретение, но получила лицензию на NEC. В 1978 она продала эту технологию как «суперконденсатор» для компьютеров. В СССР впервые EDLC были представлены в 1978 в публикации журнала Радио No 5 серии КИ1— 1с ёмкостью от 0, 2 до 50, 0 Ф.

Первые суперконденсаторы для мощного оборудования были созданы в 1982 PRI Ultracapacitor. Только в 1990 годах был достигнут прогресс в материалах и методах производства, который привёл к повышению производительности и снижению себестоимости ионисторов. Они продолжают развиваться и переходят в промышленную аккумуляторную технологию с использованием специальных электродов и электролита.

Назначение электронного устройства

Ионисторы (EDLC) — это электронные устройства, которые используются для хранения чрезвычайно больших количеств электрического заряда. Они также известны как суперконденсаторы, двухслойные конденсаторы или ультраконденсаторы. Вместо применения обычного диэлектрика, EDLC используют механизм для хранения электрической энергии — двухслойную ёмкость. Это означает, что они объединяют работу обычных конденсаторов с работой обычной батарей. Ёмкости, достигаемые с использованием этой технологии, могут достигать 12000 F. Для сравнения, ёмкость всей Земли составляет всего около 710 мкФ, что более чем в 15 миллионов раз меньше ёмкости EDLC.

В то время как обычный электростатический конденсатор может иметь высокое максимальное рабочее напряжение, обычное максимальное напряжение заряда EDLC лежит между 2, 5 и 2, 7 вольтами. EDLC — это полярные устройства, то есть они должны быть подключены к цепи правильно, подобно электролитным конденсаторам. Электрические свойства этих устройств, особенно их быстрое зарядное и разрядное время, очень перспективны для многих отраслей промышленности, где они могут полностью заменить батареи.

Конструкция и материалы ионисторов

Рассмотрим подробнее, что такое ионистор. Конструкция EDLC аналогична конструкции электролитических конденсаторов в том, что они состоят из двух фольговых электродов, электролита, сепаратора и фольги. Сепаратор зажат между электродами, фольга свёртывается или складывается в форму, обычно цилиндрическую или прямоугольную. Эта сложенная форма помещается в герметично закрытый корпус, пропитанный электролитом. Электролит в конструкции EDLC, а также электродов, отличается от электролита, используемого в обычных электролитических конденсаторах.

Чтобы сохранить электрический заряд, EDLC использует пористые материалы в качестве разделителей для хранения ионов в порах на атомном уровне. Наиболее распространённым материалом в современных EDLC является активированный уголь. Тот факт, что углерод не является хорошим изолятором, приводит к ограничению максимального рабочего напряжения до 3 В.

Активированный уголь не является идеальным материалом: носители заряда сопоставимы по размеру с порами в материале, а некоторые из них не могут проникать в более мелкие поры, что приводит к утечкам и уменьшению ёмкости хранения.

Одним из наиболее интересных материалов, используемых в исследованиях EDLC, является графен. Это вещество, состоящее из чистого углерода, расположенного в плоском листе толщиной всего один атом. Он чрезвычайно пористый, действует как ионная «губка». Плотность энергии, достигаемая с помощью графена в EDLC, сравнима с плотностями энергии, полученными в батареях.

Однако, несмотря на то что прототипы EDLC графена были сделаны в качестве доказательства будущей концепции, они дорогостоящие и их трудно производить в промышленных объёмах и это обстоятельство существенно тормозит использование данной технологии. Несмотря на это, EDLC из графена является наиболее перспективным кандидатом в будущей технологии ионисторов.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств прибора следует выделить следующие:

  1. Время заряда. EDLC имеют время зарядки и разрядки, сравнимое со временем обычных конденсаторов. Из-за низкого внутреннего сопротивления можно добиться высоких токов заряда и разряда. Чтобы достичь полностью заряженного состояния батареи обычно уходит до нескольких часов. Например, как у батареи сотового телефона, в то время как EDLC могут зарядиться менее чем за две минуты.
  2. Удельная мощность. Конкретная мощность батареи или EDLC является мерой, используемой для сравнения различных технологий по выходной мощности, делённой на общую массу устройства. EDLC имеют удельную мощность в 5−10 раз большую, чем у батарей. Например, в то время как литий — ионные батареи имеют удельную мощность 1−3 кВт / кг, удельная мощность типичного EDLC составляет около 10 кВт / кг. Это свойство особенно важно в приложениях, требующих быстрого сброса энергии из устройств хранения.
  3. Жизнеспособность и безопасность цикла. Батареи EDLC более безопасны, чем обычные батареи при неправильном обращении. В то время как батареи могут взрываться из-за чрезмерного нагрева при коротком замыкании, EDLC не нагреваются так сильно по причине низкого внутреннего сопротивления.
  4. EDLC могут заряжаться и разряжаться миллионы раз и отличаются практически неограниченным сроком службы, в то время как батареи имеют цикл жизни в 500 раз и ниже. Это делает EDLC очень полезными в приложениях, где требуются частые хранения и выделения энергии.
  5. Продолжительность жизни EDLC составляет от 10 до 20 лет, при этом ёмкость за 10 лет снижается с 100% до 80%.
  6. Благодаря их низкому эквивалентному сопротивлению EDLC обеспечивают высокую плотность мощности и высокие токи нагрузки для достижения практически мгновенного заряда в секундах. Температурные характеристики также сильны, обеспечивая энергию при температурах до -40 C ° .

EDLC имеют некоторые недостатки:

  1. Одним из недостатков является относительно низкая удельная энергия. Конкретная энергия EDLC является мерой общего количества энергии, хранящейся в устройстве, делённой на её вес. В то время как литий — ионные батареи, обычно используемые в сотовых телефонах, имеют удельную энергию 100−200 Втч/кг, EDLC могут хранить только 5 Вт/кг. Это означает, что EDLC, обладающий такой же ёмкостью, как обычная батарея, будет весить в 40 раз больше.
  2. Линейное напряжение разряда. Например, батарея с номинальным напряжением 2,7 В, когда при 50%-м заряде все равно будет выводиться напряжение, близкое к 2,7 В. EDLC, рассчитанный на 2,7 В при 50%-м заряде, выдаёт ровно половину своего максимального заряда — 1,35 В. Это означает, что выходное напряжение упадёт ниже минимального рабочего напряжения устройства, работающего на EDLC, и оно должно будет отключиться, прежде чем использовать весь заряд в конденсаторе. Решением этой проблемы заключается в использовании DC-преобразователей. Однако этот подход создаёт новые трудности, такие как эффективность и шум.
  3. Они не могут использоваться в качестве постоянного источника питания. Одна ячейка имеет обычно напряжение 2,7 В и если требуется более высокое напряжение, ячейки должны быть соединены последовательно.
  4. Стоимость обычных EDLC в 20 раз выше, чем у Li-ion аккумуляторов. Однако она может быть уменьшена за счёт новых технологий и массового производства ионисторов.

Промышленное применение

Поскольку EDLC занимают область между батареями и конденсаторами, они могут использоваться в самых разных областях. Где применяют ионистор, можно предположить исходя из его назначения. Одним из интересных использований является хранение энергии в динамических тормозных системах в автомобильной промышленности. Заключается в использовании электрического генератора, который преобразует кинетическую энергию в электрическую энергию и сохраняет её в EDLC. Впоследствии эту энергию можно использовать повторно для обеспечения мощности для ускорения.

Другим примером являются приложения с малым энергопотреблением, где высокая пропускная способность не является обязательной, но важно обеспечить высокий жизненный цикл или быструю перезарядку. Такими приложениями являются фотографическая вспышка, MP3-плееры, статические запоминающие устройства, которым требуется источник постоянного напряжения низкой мощности для сохранения информации и т. д.

Возможные будущие приложения EDLC — это сотовые телефоны, ноутбуки, электромобили и все другие устройства, которые в настоящее время работают на батареях. Самым захватывающим преимуществом, с практической точки зрения, является их очень быстрая скорость перезарядки — это означало бы возможность заряжать электрический автомобиль в зарядном устройстве в течение нескольких минут до полной зарядки аккумулятора.

EDLC используются во многих приложениях управления питанием, требующих большого количества быстрых циклов зарядки/разрядки для краткосрочных потребностей в энергии. Некоторые из этих приложений применяются в таких сферах:

  • стабилизация напряжения в системах пуска/останова;
  • электронные дверные замки в случае сбоев питания;
  • регенеративные тормозные системы;
  • микросхема распределения;
  • медицинское оборудование;
  • аккумуляторы энергии;
  • бытовая электроника;
  • кухонные приборы;
  • резервное копирование данных часов в реальном времени;
  • резервная мощность;
  • ветровая энергия:
  • энергоэффективность и регулирование частоты;
  • удалённое питание для датчиков, светодиодов, переключателей;
  • резервная память;
  • подача питания в режиме пакетной передачи.

Направления развития суперконденсаторов

Новые перспективные разработки ионисторов:

  • Суперконденсаторы graphene Skeleton Technology станут ключевыми игроками EDLC. В новых испытаниях на транспортном флоте в Великобритании их используют для превращения дизельных машин в гибриды за счёт мощности от рекуперативного торможения. Система гибридных машин разработана Adgero и Skeleton Technologies под названием UltraBoost. Во время торможения устройство становится генератором, восстанавливая кинетическую энергию, которая, в противном случае была бы потеряна в виде тела. В основе этой технологии лежит банк из пяти мощных суперконденсаторов на основе графена, известных как SkelMod.
  • Zap & Go, стартап в Великобритании, запускает новый тип зарядного устройства специально для деловых путешественников. Он использует суперконденсаторы графена для зарядки телефонов в течение пяти минут.
  • Компания Eaton предлагает решения для суперконденсаторов размером с монету, больших ячеек, небольших цилиндрических ячеек и модулей. Например, его модуль Supercapacitor XLR 48V обеспечивает хранение энергии для мощных систем с частотным зарядом/разгрузкой в гибридных или электрических транспортных средствах, общественном транспорте, погрузочно-разгрузочной технике, тяжёлом оборудовании и морских системах. Модули XLR состоят из 18 отдельных суперконденсаторов Eaton XL60, предназначенных для обеспечения 48, 6 В и 166 F с сопротивлением 5 мА для включения в системы, требующие до 750 В.

  • Суперконденсаторы Maxwell Technologies используются для хранения энергии с восстановительным торможением в системе метро Пекина. Китайская железная дорога Rolling Stock Corp. (CRRC — SRI) использует модули Maxwell 48 — V в двух наборах энергосберегающих устройств регенеративного торможения для линии No 8 системы, городской железнодорожной сети, которая проходит с севера на юг через столицу Китая. Модули Maxwell с 48 В обеспечивают длительный срок службы до 10 лет и быструю зарядку/разрядку. Vishay предлагает 220 EDLC ENYCAP с номинальным напряжением 2,7 В. Он может использоваться в нескольких приложениях, включая резервное питание, поддержку импульсной мощности, устройства хранения энергии для сбора энергии, источники питания микро UPS и восстановление энергии.
  • Линейная технология предлагает LTC3350, резервный контроллер мощности, который может заряжать и контролировать серийный блок до четырёх суперконденсаторов. LTC3350 предназначенный для автомобильных и других транспортных приложений, предлагает следующие функции:
    • Резервное копирование питания путём зарядки банка до четырёх суперконденсаторов в случае сбоя питания. Может работать с входным напряжением от 4,5 до 35 В и более 10 А заряда резервного тока.
    • Балансировка и защита от перенапряжения для серии суперконденсаторов.
    • Контроль напряжения, тока и температуры в системе.
    • Внутренние балансиры напряжения конденсатора, которые устраняют необходимость в балансных резисторах.

Разработчики ионисторов стараются постоянно их модернизировать и повышать удельную емкость. Очевидно, что в будущем аккумуляторы полностью заменят суперконденсаторы. Результаты исследований калифорнийских ученых показали, что новый тип ионистров уже сегодня превосходит по функциональности свои аналоги в несколько раз.

220v.guru

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

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

Принцип работы

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

Преимущество конструкции:

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

Недостатки конструкции:

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

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

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

Окислительно-восстановительные реакции

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

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

Материалы на основе графена

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

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

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

Гибкие устройства на основе полимеров

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

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

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

Производительность суперконденсаторов

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

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

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

Сравнение конденсаторов

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

Электрический двухслойный конденсатор, обозначение ионистора

Алюминиевый электролити-ческий конденсатор

Аккумулятор Ni-cd

Свинцовая герметичная батарея

Использовать диапазон температур

От -25 до 70 °C

-55 до 125 °C

-20 до 60 °C

От -40 до 60 °C

Электроды

Активированный уголь

Алюминий

(+) NiOOH (-) Cd

(+) PbO2 (-) Pb

Электролитическая жидкость

Органический растворитель

Органический растворитель

KOH

H2SO4

Метод электродвижущей силы

Использование естественного электрического двухслойного эффекта в качестве диэлектрика

Использова-ние оксида алюминия в качестве диэлектрика

Использова-ние химической реакции

Использова-ние химической реакции

Загрязнение

Нет

Нет

CD

Pb

Количество циклов зарядки / разрядки

> 100 000 раз

> 100 000 раз

500 раз

От 200 до 1000 раз

Емкость на единицу объема

1

1/1000

100

100

Характеристика заряда

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

Функция

Ионистор

Литий-ионный (общий)

Время заряда

1-10 секунд

10-60 минут

Жизненный цикл часов

1 млн или 30 000

500 и выше

Напряжение

От 2,3 до 2,75 В

3,6 В

Удельная энергия (Вт / кг)

5 (типичный)

120-240

Удельная мощность (Вт / кг)

До 10000

1000-3000

Стоимость за кВтч

10 000 $

250-1,000 $

Срок службы

10-15 лет

От 5 до 10 лет

Температура зарядки

От -40 до 65 °C

От 0 до 45 °C

Температура нагнетания

От -40 до 65 °C

От -20 до 60 °C

Преимущества устройств для зарядки

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

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

Сдерживающая технология

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

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

Гибридная система хранения

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

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

Применение и перспективы

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

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

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

fb.ru

ИОНИСТОР

   Ионисторы — это электрохимические приборы предназначенные для хранения электрической энергии. Они характеризуются большим числом заряда — разряда (до нескольких десятков тысяч раз), у них очень длительный срок службы в отличии от других элементов питания (аккумуляторные батареи и гальванические элементы), малый ток утечки, и самое главное — ионисторы могут иметь большую емкость и очень маленькие размеры. Ионисторы нашли широкое применение в персональных компьютерах, автомагнитолах, мобильных устройствах и так далее. Предназначены для хранения памяти когда оснавную батарейку вынимают или устройство отключено. В последнее время ионисторы очень часто стали применить в автономных системах питания на солнечных батарейках.

   Ионисторы также очень долго хранят заряд, независимо от погодных условий, они выносливы к морозам и к жаре, и на работу устройства это никак не повлияет. В некоторых электронных схемах для хранения памяти нужно иметь напряжение которое выше, чем напряжение ионистора, для решения этого вопроса ионисторы подключают последовательно, а для увеличения емкости ионистора их подключают параллельно. Последний вид подключения в основном используют для повышения времени работы ионистора, а также для увеличения тока отдаваемого в нагрузку, для балансировки тока в параллельном соединении каждому ионистору подключают резистор.

   Ионисторы часто используются с аккумуляторами питания и в отличии от них не боятся коротких замыканий и резкого перепада температур окружающей среды. уже сегодня разрабатываются специальные ионисторы с большой емкостью и силой ток которых доходит до 1 ампера, как известно ток ионисторов которые сегодня используют в технике для хранении памяти не превышает 100 миллиампер, это один и самый главный недостаток ионисторов но этот косяк компенсируется выше перечисленными достоинствами ионисторов. В интернете можно встретить немало конструкций на так называемых суперконденсаторах — они-же ионисторы. Ионисторы появились совсем недавно — 20 лет тому назад. 

   По словам ученых, электрическая емкость нашей планеты составляет 700 мкф, сравните с простым конденсатором… Ионисторы в основном делают из древесного угля, который в последствии активировки и специальной обработки становится пористым, две металлические пластинки плотно прижимаются к отсеку с углем. Сделать ионистор в домашних условиях очень просто, но достать пористый уголь почти не реально, нужна домашняя обработка древесного угля, а это несколько проблематично, так что проще купить ионистор и ставить интересные эксперименты на нем. Например параметры (мощность и напряжения) одного ионистора достаточно, чтобы ярко и длительно засветился светодиод или же работала простая мигалка на основе мультивибратора. До новой встречи — А. Касьян (АКА).

   Форум для начинающих

   Обсудить статью ИОНИСТОР

radioskot.ru

ИОНИСТОРЫ | МОДЕЛИСТ-КОНСТРУКТОР

В 60-е годы двадцатого столетия Carborundum Со, Gould lonics Inc, Standard Oil (США) и ряд других иностранных фирм заявили о разработке нового класса элементов электронной техники, который в разных странах до сих пор называют по-разному. Например, ESD (от английского Energy Storage Device — энергетическое запоминающее, накапливающее устройство) или DESK (от немецкого Doppelelektrischeschichtkondensator — конденсатор с двойным электрическим слоем). Небезызвестная Matsushita Electric уже более двадцати лет выпускает эти, пользующиеся неуклонно растущим спросом, изделия под наименованием Goldcap (дословно— золотая емкость), хотя в России и странах СНГ такие элементы, а также их многочисленные аналоги давно называют ионисторами.

Ионисторам присущи уникальные свойства: высокая удельная емкость, длительность и надежность сохранности заряда. Они могут безотказно функционировать в цепях постоянного и пульсирующего тока в широком диапазоне механических и климатических воздействий. Использование этих элементов электронной техники существенно упрощает обработку сигналов инфранизких частот.

Установлено, что ионисторы хороши и в логических устройствах, не требующих быстродействия, и в качестве ячеек памяти, причем отключение питающего напряжения не сказывается на работе такого ЗУ. Благодаря своей большой емкости, ионисторы позволяют задерживать сигналы или подавать синхронизирующие импульсы в широком временном диапазоне: от долей секунды до дней и даже месяцев.

Весьма перспективными являются ионисторные компоновки емкостью до 1500 Ф. Области их вероятного использования в недалеком будущем— электрооборудование грузовиков, гелиосистемы, снабжение электроэнергией катализаторного отопления.

В основе конструкции наиболее распространенного дискового ионистора — два одинаковых пористых угольных электрода. Они разделены сепаратором из специального материала, пропускающего ион

modelist-konstruktor.com

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы » что это такое.

 

 

 

Тема: что такое суперконденсаторы, ионисторы и ультраконденсаторы.

 

Ионисторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) — это электрические устройства в которых накапливается заряд между двумя обкладками на границе раздела двух сред — электролитом и электродами. Вся энергия в данных устройствах имеется в виде статического электрозаряда. Накопление электроэнергии происходит за счёт приложения постоянного напряжения на его внешние выводы. Проще говоря — это простые конденсаторы, которые в отличие от обычных, имеют очень большую емкость (исчисляемую в фарадах).

 

Как Мы с Вами знаем, обычные конденсаторы имеют внутри обкладки из фольги, что разделены диэлектриком. Ионисторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы), это уже своеобразное объединение работы емкости с электрохимической батареей. В ионисторе используется специальный электролит и обкладки. В основном увеличение общей ёмкости ионистора происходит за счёт использования материалов имеющих очень большую собственную поверхностную площадь.

 

У ионистора обкладки бывают следующих типов: на основе активированного угля, проводящих полимеров и оксидов металлов. Применение сверхпористых угольных материалов даёт возможность получить общую плотность емкости в пределах 10 Фарад/см3 и даже больше. Ионисторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) на основе актив. угля получаются более экономичными при своём изготовлении. Их также называют ещё DLC-конденсаторами либо двухслойными, так как электрический заряд накапливается в двойном слое, что образуется на поверхности самой обкладки ионистора.

 

 

Что касается электролита ионисторов, он может быть водным или органическим. Ионисторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы), что содержат водный электролит, обладают довольно малым внутренним сопротивлением, но, есть также и значительный минус водного электролита, напряжение заряда для них ограничено до 1 Вольта. Ионисторы на органическом электролите обладает наиболее большим сопротивлением, зато они способены к работе с напряжением заряда 2-3 В.

 

Поскольку для питания электронных схем используется обычно более высокие напряжения, чем у ионистора, то для получения нужного значения их соединяют последовательно. Как Мы знаем, что величина обычных емкостей конденсаторов измеряется в приделах от пикофарад до микрофарад. Емкость ионисторов (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) измеряется уже в фарадах (в одном фараде миллион микрофарад). В ионисторах возможно достичь плотности мощности на массу рабочего вещества от 1 до 10 Вт/кг. Это больше, чем у обычных конденсаторов, и меньше, чем у аккумуляторов.

 

К основным недостаткам ионистора (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) можно отнести его постоянное линейное снижение напряжения в течение всего времени его работы до полного разряда (за один цикл заряда и разряда). Из-за этого ионисторы не способны удерживать полный заряд. Общая степень его заряда исчисляется в процентах и будет зависеть, в первую очередь, от того, какое напряжение к нему изначально будет приложено.

 

Если ионистор заряжен до напряжения 8 вольт, а схема нормально может работать с минимальным напряжением 4 вольта, то получается, что используемый заряд составляет всего 50%. Оставшаяся электроэнергия в ионисторе оказывается совершенно бесполезной. Для увеличения степени использования накопленной энергии в ионисторе применяют различные виды преобразователей, но и этот путь неидеален, поскольку ведёт к удорожанию всей системы на 10-15%. Плюс, значительно снижается КПД.

 

 

Применение ионисторам нашлось в электропитании микросхем памяти, использование в цепях фильтрации. Они также хорошо работают в паре с батареями с целью защиты их от внезапных перепадов электрического тока нагрузки: при малых токах электрической нагрузки батарея работает на подзарядку ионистора, а как только произойдёт скачёк тока, ионистор выдаст накопленную электроэнергию, в итоге значительно снижается общая нагрузка на батарею.

 

Перечень преимуществ ионисторов:

  • малое внутреннее сопротивление
  • большой срок службы
  • нет ограничений по количеству циклов заряд/разряд
  • относительно малая стоимость
  • довольно широкий диапазон рабочих температур: от -25 до +70 °С
  • быстрый процесс заряда и разряда
  • работа при любом напряжении, что не превышает номинального
  • использование простых способов заряда
  • отсутствие контроля за режимом заряда

 

Перечень недостатков ионисторов:

  • довольно малая энергетическая плотность
  • не может обеспечить достаточного накопления электроэнергии
  • весьма низкое напряжение на одной единицы элемента
  • высокая степень саморазряда

 

P.S. Данная разновидность электрических устройств находится между классом источников электропитания и элементов электрических схем, так как с одной стороны он ближайший родственник обычным конденсаторам, а с другой, обладает свойствами электроисточника.

electrohobby.ru

Ионистор

К моменту написания этого раздела в сети были довольно мало доходчивого описания ионисторов. И авторы этих материалов часто использовали термин «Двойной электрический слой». Не хочу ругать любителей строгой терминологии, но на процесс понимания принципов работы ионистора эти три слова оказывают отрицательное влияние. Итак, дальше текст с понятными словами.

Ионистор — это суперконденсатор

Назначение ионистора — накапливать электрический заряд. И накапливает он его так же, как и обычный электрический конденсатор. Из школьного курса физики: обычный конденсатор — это две пластины разделенный изолятором. Когда на одной из платин появляется избыток электронов, а на другой — недостаток, электроны (-) с первой пластины устремляются поближе ко второй — положительно-заряженной (+). И если отключить батарейку от конденсатора, то напряжение на нем останется, потому что на разных платинах разная плотность электронов. Можно использовать обычный конденсатор для накопления энергии, но его емкость обычно очень мала.

Расчет энергии конденсатора

По простой формуле можно расчитать энергию, которую может запасти конденсатор на 1 мкФ при напряжении 5 вольт:

W = (C * U2)/2

W = (0.000001 * 12) / 2 = 0,0000005 Джоулей.

Это не энергия, а слезы. Для того, чтобы сдвинуть автомобиль с места — маловато будет. Из формулы видно, что чтобы увеличить энергию нужно увеличивать или емкость, или напряжение. Но напряжение увеличить сложно. Работать с напряжение в миллиард вольт неприятно. Поэтому остается один путь — увеличивать емкость. Чтобы увеличить емкость конденсатора нужно или увеличивать площать пластин или уменьшать расстояние между ними. Ионитор, как раз, может похваститься и невероятно маленьким расстоянием и огромной площадью. А делается это так.

Как работает ионистор

Чтобы увеличить площадь в ионисторах отказываются от пластин. Они есть, но емкость от их площади больше не зависит. В ионисторе роль платин выполняет порошок из углерода. Углерод, хоть и не яляется металлом, но у него много свободных электронов и, соответственно, он хорошо проводит электрический ток. Его можно раскрашить и массу из этого порошка приложить к электроду. Общая площадь электрода увеличится в миллионы раз. Так же поступают и со вторым электродом. Но пока у нас эти электроды разделены воздухом. Теперь окунаем эти электроны, в электролит. Пусть электролитом будет обычная соленая вода (NaCl и H2O). Из физики известно, что в электролитах ток течет благодаря ионам — заряженным частицам вещества. В нашем случае это будут ионы натрия (Na+) и ионы хлора (Cl-).

Заряжаем ионистор

Если подать напряжение на электроды, то ионы натрия побегут к отрицательному электроду, а ионы хлора к положительному. Это и будет процесс заряда ионистора. В конце концов, на положительно заряженной массе из углерода будет максимальное количество отрицательных ионов хлора, а на отрицательной — положительных ионов натрия. Ионы прилипнут к частицам углерода со всех сторон и останутся там, даже если убрать внешний источник напряжения. Вот таким образом и работает ионистор. Вот только важное уточнение. Углеродные массы электродов не должны соприкосаться, чтобы электроны с одного не перебежали на другой. Поэтому обычно между электродами из пористого угля помежают изолятор. Его еще называют сепаратором или разделителем. У него две роли:
  • не давать ионам самопроизвольно перемежаться между электродами
  • исключать прикосновения электровов из углерода и тока из электронов
  • Разряжаем ионистор

    Если подключить нагрузку к заряженному ионистору, то у электронов из углеродных электродов появиться стимул перебежать на другой электрод, проделав так нужную нам работу. Заряд на электродах по мере разрядки уменьшается и углерод больше не может их удерживать. И электролит снова становится однородным.

    Расчет энергии ионистора

    Емкость современных миниатюрных ионисторов достигает единиц Фарад. Для обычных конденсаторов — это единица МИКРОфарад. Т.е. если воспользовать формулой, то получится что ионистор на 100 фарад при напряжении в 1 вольт может сохранять энергию в 50 Джоулей. А это уже неплохо.

    ivanp.ru