Іоністор

Іоністор (супер-конденсатор, ультра-конденсатор) — конденсатор з обмеженим або необмеженим електролітом, «обкладками» в якому служить подвійний електричний шар на межі розділу електрода і електроліту.

Порівняння конструктивних схем трьох конденсаторів. Зліва: «звичайний» конденсатор, в середині: електролітичний, справа: іоністор

У зв’язку з тим, що товщина подвійного електричного шару (тобто відстань між «обкладками» конденсатора) дуже мала, накопичена іоністором енергія вища в порівнянні зі звичайними конденсаторами того ж розміру. До того ж, використання подвійного електричного шару замість звичайного діелектрика дозволяє набагато збільшити площу поверхні електрода (наприклад, шляхом використання пористих матеріалів, таких, як активоване вугілля або спінені метали). Питома ємність іоністора сягає десятка фарад/куб. см , при номінальній напрузі 2-4 вольта.

Oops something went wrong:

Іоністор, гальванічний елемент, акумулятор в чому різниця?

Іоністор (супер-конденсатор, ультра-конденсатор) — конденсатор з обмеженим або необмеженим електролітом, «обкладками» в якому служить подвійний електричний шар на межі розділу електрода і електроліту.

Конденсатор — система з двох чи більше електродів (обкладок), які розділені діелектриком, товщина якого менша у порівнянні з розміром обкладок. Така система має взаємну електричну ємність і здатна зберігати електричний заряд.

Електрична ємність – здатність матеріала накопичувати електричний заряд.

Електричний заряд – фізична величина, яка характеризує здатність тіл створювати електромагнітні поля, та брати участь в електромагнітній взаємодії.

Електромагнітна взаємодія відповідає за притягання електронів до ядер атомів, а тому відповідає за формування атомів та молекул і за їхні властивості. Проявом електромагнітної взаємодії є також світло — потік фотонів.

У зв’язку з тим, що товщина подвійного електричного шару (тобто відстань між «обкладками» конденсатора) дуже мала, накопичена іоністором енергія вища в порівнянні зі звичайними конденсаторами того ж розміру.

До того ж, використання подвійного електричного шару замість звичайного діелектрика дозволяє набагато збільшити площу поверхні електрода (наприклад, шляхом використання пористих матеріалів, таких, як активоване вугілля або спінені метали). Питома ємність іоністора сягає десятка фарад/куб. см, при номінальній напрузі 2-4 вольта.

ІСТОРІЯ СТВОРЕННЯ

Перший конденсатор з подвійним шаром на пористих вугільних електродах був запатентований в 1957 році фірмою General Electric. Так як точний механізм до того моменту часу був не зрозумілий, було припущено, що енергія запасається в порах на електродах, що вказує на «надзвичайно високу ємність». Трохи пізніше, в 1966 фірма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA запатентувала елемент, який зберігав енергію в подвійному шарі.

У результаті невеликих продажів, в 1971 році SOHIO передала ліцензію фірмі NEC, якій вдалося вдало просунути продукт на ринку під ім’ям «Supercapacitor» (Суперконденсатор). У 1978 році фірма Panasonic випустила на ринок «Gold capacitor» («Gold Cap») «Золотий конденсатор», що працює на тому ж принципі. Ці конденсатори мали відносно високий внутрішній опір, що обмежує віддачу енергії, тому що ці конденсатори застосовувалися тільки як накопичувальні батареї для SRAM.

Перші іоністори з малим внутрішнім опором для застосування в потужних схемах були розроблені фірмою PRI в 1982 році. На ринку ці іоністори з’явилися під ім’ям «PRI Ultracapacitor».

ПЕРЕВАГИ

З появою іоністорів стало можливим використовувати конденсатори в електричних колах не тільки як перетворюючий елемент, але і як джерело струму.

Такі елементи мають декілька переваг над звичайними хімічними джерелами струму — гальванічним елементами та акумуляторами:

• Високі швидкості заряду й розряду.
• Простота зарядного пристрою
• Мала деградація навіть після сотень тисяч циклів заряду / розряду.
• Мала вага в порівнянні з електролітичними конденсаторами подібної ємності
• Низька токсичність матеріалів.
• Висока ефективність (ккд більше 95%).
• Неполярні (хоча на іоністорах і зазначені «+» і «-», це робиться для позначення полярності залишкової напруги після його заряду на заводі-виробнику).

Гальванічний елемент — хімічне джерело живлення, в якому використовується різниця електродних потенціалів двох металів, занурених у електроліт. Гальванічний елемент є непідзарядним хімічним джерелом електроенергії.

Акумулятор — хімічне джерело електричного струму багаторазової дії, основна специфіка якого полягає в зворотності внутрішніх хімічних процесів, що забезпечує його багаторазове циклічне використання (через заряд-розряд) для накопичення електричної енергії та автономного електроживлення різноманітних електротехнічних пристроїв та систем. Електричний акумулятор належить до категорії вторинних хімічних джерел струму.

НЕДОЛІКИ

• Питома енергія менша, ніж у традиційних джерел (1-3 Вт·год/кг при 30-40 Вт·год/кг для батарейок).
• Напруга залежить від ступеня зарядженості.
• Можливість вигоряння внутрішніх контактів при короткому замиканні.
• Малий термін служби (сотні годин) на граничних напругах заряду.
• Великий внутрішній опір в порівнянні з традиційними конденсаторами (50-100 Ом у іоністора 1Ф x 5,5 В)
• Значно більший, у порівнянні з акумуляторами саморозряд: близько 1 мкА у іоністора 2Ф x 2.5В.

ГУСТИНА ЕНЕРГІЇ

Густина енергії іоністорів залежить від конструкції. Наприклад, густина енергії іоністора ELNA 1 Ф x 5.5 В масою 4.1 г становить 3600 Дж/кг, або 1Вт·год/кг. Це в 200 разів менше, ніж густина енергії літій-іонних акумуляторів, і в 5,6 разів більше від густини енергії електролітичного конденсатора

Густина потужності іоністора залежить від внутрішнього опору. У того ж іоністора ELNA 1Ф x 5.5В внутрішній опір становить 30 мОм. Максимальна потужність, яку можна отримати від джерела енергії досягається при опорі навантаження рівному внутрішнього опору.

Таким чином, максимальна потужність, яку можна отримати від даного іоністора становить 61 кВт / кг. Для порівняння, такий параметр у пускового свинцевого акумулятора становить 300Вт/кг

В 1997 дослідники з CSIRO розробили супер-конденсатор, який міг зберігати великий заряд за рахунок використання плівкових полімерів як діелектрика. Електроди були виготовлені з вуглецевих нанотрубок. У звичайних конденсаторів питома енергія становить 0,5 Вт·год/кг, а у конденсаторів PET вона була в 4 рази більшою.

Полімери — природні та штучні високомолекулярні сполуки, молекули яких складаються з великої кількості повторюваних однакових або різних атомних угруповань (мономерів), з’єднаних хімічними або координаційними зв’язками у довгі лінійні або розгалужені ланцюги.

В 2008 році індійські дослідники розробили дослідний зразок іоністора на основі графенових електродів, що має питому енергоємність до 32 Вт·год/кг, порівнянну з такою для свинцево-кислотних акумуляторів (30-40 Вт·год/кг) [4].

Термін служби іоністорів великий. Проводилися дослідження з визначення максимального числа циклів заряд-розряд. Після 100000 циклів не спостерігалося погіршення характеристик. Згідно з недавніми заявами співробітників MIT, іоністори можуть незабаром замінити звичайні акумулятори.

Крім того, в 2009 році були проведені випробування акумулятора на основі іоністора, в якому в пористий матеріал були введені наночастинки заліза. Отриманий подвійний електричний шар пропускав електрони вдвічі швидше за рахунок створення «тунельного ефекту».

НЕДАВНІ ВІДКРИТТЯ У СФЕРІ МІКРО-СУПЕРКОНДЕНСАТОРІВ

Використання мініатюрних суперконденсаторів (конденсаторів великої місткості) як заміна акумуляторних батарей може значно підвищити термін служби майбутніх мобільних телефонів, портативних комп’ютерів і іншої електронної техніки.

Це, ймовірно, стане можливим завдяки дослідженням, проведеним групою учених з Університету Дрекселя (Drexel University) у Філадельфії, які розробили нову технологію виробництва мініатюрних суперконденсаторів, використовуючи методику мікрообробки матеріалів, подібну якою використовують для виробництва мікрокристалів напівпровідникових електронних приладів.

Акумуляторні батареї накопичують енергію, використовуючи хімічні реакції між реактивами, що входять до складу їх електроліту. Завдяки цьому вони зазвичай мають більшу енергетичну місткість, аніж конденсатори. Але конденсатори накопичують енергію просто у вигляді електричного заряду, не піддаючи змінам свою внутрішню структуру. Саме тому вони можуть без втрати ємності винести мільйони циклів зарядки і розряду, тоді як акумуляторні батареї витримують від тисячі до декількох тисяч таких циклів.

Технологія виробництва мініатюрних суперконденсаторів, спільно розроблена Юрієм Гогоці (Yury Gogotsi) з Університету Дрекселя і Джоном Чміола (John Chmiola), хіміком з Національної лабораторії Лоуренса в Берклі, полягає в тому, що відбувається травлення електродів з вуглецевої плівки, нанесеної на підкладку з карбіду титану.

Отримана таким чином поверхня електродів (обкладань) конденсаторів має велику площу, завдяки чому нові суперконденсатори мають місткість вдвічі вищу, ніж виготовлені за іншою технологією конденсатори великої місткості. Удвічі вища місткість конденсатора пояснюється тим, що конденсатор зможе накопичити вдвічі більше енергії.

Вбудувавши такі мікроконденсатори великої місткості прямо в схеми електронних пристроїв можна значно зменшити габарити і вагу цих пристроїв. Крім цього, завдяки унікальним електричним властивостям суперконденсаторів, ці електронні пристрої функціонуватимуть довше не викликаючи потреби заміни старої акумуляторної батареї на нову.

Такі конденсатори великої місткості, що працюють паралельно із звичайними акумуляторними батареями, зможуть знайти застосування в системах зберігання енергії, отриманої від поновлюваних джерел енергії, значно підвищуючи ресурс акумуляторних батарей.

У подальших планах учених, які продовжують роботу по вдосконаленню розробленої технології, на першому плані стоїть досягнення ємності суперконденсаторів, порівняної з емністю акумуляторних батарей схожих габаритних розмірів.

Вони сподіваються, що як тільки це їм вдасться, зважаючи на практично невичерпний ресурс конденсаторів, ринок електронних пристроїв, електричних автомобілів і безпілотних літальних апаратів чекає «акумуляторна» революція.

ПРИНЦИП ДІЇ ГАЛЬВАНІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Як правило, такий елемент складається з двох різних металів, з’єднаних за допомогою соляного містка, а окремі половини комірки відокремлені одна від одної пористою мембраною. Наприклад, це може бути цинковий і мідний електроди, занурені в розчин сірчаної кислоти. Кожен із електродів зокрема разом із електролітом, в який він занурений, утворює напівелемент.

На поверхні кожного з металів, занурених в електроліт, утворюється подвійний електричний шар внаслідок переходу частини атомів металу в розчин у вигляді йонів. Як наслідок, кожен із металів отримує електричний заряд.

Якщо з’єднати електроди провідником, то заряд стікатиме від електрода з більшим потенціалом, до електрода з меншим потенціалом, утворюючи електричний струм. При цьому потенціали електродів вирівнюватимуться, що призведе до порушення рівноваги між електродом і електролітом.

Це, в свою чергу, спричиняє перехід нових атомів з електроду в електроліт. У результаті в замкненому колі підтримується електричний струм, який супроводжується зміною електродів: в зображеному на малюнку приладі відбувається розчинення цинкового електроду і відкладення міді на мідному .

На малюнку праворуч показана схема дещо складнішого, але досконалішого елемента, в якому кожен з металів перебуває в окремому електроліті. Електроліти з’єднані між собою соляним мостом.

Активна маса електроду — це суміш, яка складається з речовини, хімічна енергія яких під дією заряду перетворюється на електричну енергію (активна речовина), і речовин, які покращують її провідність і певні фізико-хімічні властивості.

Гальванічний елемент характеризує електроємність, виражена в ампер-годинах, яка дорівнює добутку тривалості розряду на струм розряду. Електроємність залежить від температури навколишнього середовища: при зменшенні температури електроємність падає.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЛЬВАНІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

• Електрорушійна сила (ЕРС) гальванічного елемента залежить від матеріалу електродів і складу електроліту.
• Ємність елемента — це кількість електрики, яке джерело струму віддає при розряді. Ємність залежить від маси запасених в джерелі реагентів і ступеня їх перетворення, знижується зі зниженням температури або збільшенням розрядного струму.
• Енергія гальванічного елемента чисельно дорівнює добутку його ємності на напругу. Із збільшенням кількості речовини реагентів в елементі до певної межі, із збільшенням температури, енергія зростає. Енергію зменшує збільшення розрядного струму.
• Термін зберігання елемента, протягом якого його характеристики залишаються в заданих межах; зменшується з ростом температури зберігання.

Принцип дії гальванічного елемента використовується в електрохімічних батареях і акумуляторах.

ПРИНЦИП ДІЇ ЕЛЕКТРИЧНИХ АКУМУЛЯТОРІВ

Принцип дії акумулятора заснований на зворотності хімічної реакції. Найпоширеніші електричні (кислотні та лужні) акумулятори накопичують хімічну енергію (внаслідок зворотних хімічних реакцій між речовиною електродів та електролітом), і віддають електричну енергію, будучи гальванічними елементами. працездатність акумулятора може бути відновлена ​​шляхом заряду, тобто пропусканням електричного струму в напрямку, зворотному напрямку струму при розряді: на від’ємному електроді (катоді) реакція окиснення замінюється реакцією відновлення, а на позитивному електроді (аноді) реакція відновлення змінюється на реакцію окиснення.

ЗАСТОСУВАННЯ АКУМУЛЯТОРІВ

Акумулятори широко застосовують в техніці: на автомобільному, морському, повітряному і залізничному транспорті, в радіотехніці, на телефонних і електричних станціях, електромобілях, для освітлення і сигналізації на штучних супутниках Землі, космічних апаратах тощо.

У 2016 році міжнародна енергетична компанія AES ввела в експлуатацію сховище електроенергії з батарей літій-іонних акумуляторів ємністю 20 МВт•год, під’єднане до єдиної енергосистеми Нідерландів, призначене для зберігання надлишку електроенергії від віднолюваних джерел енергії.

Що таке суперконденсатори і навіщо вони потрібні

Суперконденсатори. Пристрій та застосування. Види та робота

Суперконденсатори – це електрохімічні конденсатори, які суттєво відрізняються від звичайних практично необмеженою довговічністю, нижчими втратами струму та більшими значеннями питомої потужності. При цьому вони мають на порядок менші габарити. Тобто, це батарея нового покоління, яка зможе відкрити численні перспективи в енергетиці. Насамперед великий інтерес до суперконденсаторів викликаний можливістю заміни ними батарей, а також створення гнучких джерел живлення великої потужності.

Стратегічним завданням для вчених є створення батарей високої ємності, які можна було б використовувати у різних галузях, наприклад, для електромобілів. Це дозволить забезпечити поїздки на тривалі дистанції та швидку зарядку батарей. Також це гарантує більш економічну роботу відновлюваних джерел енергії шляхом акумулювання надлишків енергії: вітроенергетичні установки, сонячні батареї тощо.

Суперконденсатор – це той самий акумулятор, але на порядок із найкращими властивостями. Насамперед це стосується істотно швидшого заряду і розряду. Суперконденсатор є елементом з двома електродами, між ними розташовується електроліт. Електроди виконані у вигляді пластини з певного матеріалу. Для поліпшення електричних параметрів суперконденсатора пластини можуть додатково покриватися пористим матеріалом, наприклад, активованим вугіллям. Як електроліт може застосовуватися неорганічна або органічна речовина.

Загалом суперконденсатор – це гібрид хімічної акумуляторної батареї та звичайного конденсатора:

• Головна відмінність суперконденсатора від звичного конденсатора – у наявності у першого не просто діелектрика між електродами, а подвійного електричного шару. У результаті між електродами утворюється дуже маленька відстань, яке можливість накопичувати електричну енергію (електрична ємність) виходить набагато вище.
• Крім цього, суперконденсатор від акумуляторної батареї відрізняється швидкістю накопичення, а також ступенем віддачі електричного заряду. Завдяки застосуванню подвійного електричного шару підвищується площа поверхні електродів за тих же загальних габаритів. Тобто у пристрої поєднуються найкращі електричні характеристики – суттєва ємність акумулятора та швидкість конденсатора.

Вперше про суперконденсатор заговорили 1962 року. Саме тоді хімік американської компанії Standard Oil Company Роберт Райтмаєр подав заявку на патент, де докладно розписувався механізм збереження електричної енергії в конденсаторі, який мав «подвійний електричний шар». У цьому варіанті акцент робився на матеріал обкладок. Електроди повинні мати різну провідність: один електрод повинен мати електронну провідність, а інший – іонну. В результаті при заряді конденсатора відбувався розподіл позитивних центрів і електронів в електронному провіднику, а також розподіл аніонів і катіонів в іонному провіднику.

У 1971 році ліцензія дісталася японській компанії NEC, яка на той час займалася всіма напрямками електронної комунікації. NEC вдалося успішно розширити технологію під назвою «Суперконденсатор». Потім суперконденсатор стали займатися і інші компанії. З 2000-х років активний розвиток технології почався у багатьох країнах світу.

Суперконденсатори сьогодні поділяються на:

Подвійношаровий суперконденсатор передбачає наявність двох пористих електродів, виконаних з електропровідних матеріалів, розділених заповненим електролітом сепаратором. Тут процес запасання енергії йде з допомогою поділу заряду на електродах з дуже великою різницею потенціалів з-поміж них. Електричний заряд подвійношарових конденсаторів визначається безпосередньо ємністю подвійного електричного шару, тобто окремого конденсатора лежить на поверхні кожного електрода. Між собою вони послідовно з’єднуються за допомогою електроліту, який є провідником з іонною провідністю.

Псевдоконденсатори вже ближче до акумуляторів, що перезаряджаються. У них є два тверді електроди. Принцип дії поєднує два механізми збереження енергії: фарадіївські процеси, які схожі з процесами, що відбуваються в батареях та акумуляторах, а також електростатична взаємодія, властива конденсаторам з подвійним електричним шаром. Приставка псевдо з’явилася внаслідок того, що ємність ДЕС залежить не тільки від електростатичних процесів, а й швидких фарадіївських реакцій з переносом заряду.

Гібридні конденсатори – це перехідний варіант між конденсатором та акумулятором. Слово «гібридні» обумовлено тим, що електроди в гібридних конденсаторах виробляються з різних матеріалів, а накопичення заряду здійснюється за різними механізмами. Більшістю випадків у гібридних конденсаторах катодом є матеріал із псевдоємністю. В результаті акумулювання заряду на катоді здійснюється внаслідок окислювально-відновних реакцій, що збільшує питому ємність конденсатора, а також розширює область робочої напруги.

У гібридних конденсаторах часто застосовують комбінацію електродів з допованих провідних полімерів та змішаних оксидів. Дуже перспективними можуть стати композиційні матеріали, які складаються з оксидів металів, обложених на полімери, що проводять, або вуглецеві носії.

Принцип дії

Суперконденсатори, як високоємні конденсатори, виробляють накопичення енергії електростатичним способом, поляризуючи розчин електроліту. При накопиченні енергії суперконденсаторі хімічні реакції не задіяні, хоча суперконденсатор є електрохімічним пристроєм. З огляду на високу оборотність механізму накопичення енергії, конденсатори здатні тисячі разів заряджатися і розряджатися.

Суперконденсатор – електрохімічний конденсатор, який має здатність накопичувати надзвичайно велику кількість енергії по відношенню до його розміру, а також у порівнянні з традиційним конденсатором. Ця властивість суперконденсатора особливо цікава у створенні гібридних транспортних засобів в автомобільній промисловості, у тому числі у виробництві машин на акумуляторній електротязі, в яких суперконденсатори застосовуються у вигляді додаткового накопичувача енергії.

У більшості випадків, в суперконденсаторі діють два активні електроди, які розділені непровідним матеріалом, розміщеним між металевими струмовими колекторами. Органічний або водний електроліт просочує пористі електроди, забезпечуючи появу носіїв заряду у пристрої з подальшим накопиченням.

Суперконденсатор чи акумулятор? Розбираємось, що краще

Сьогодні виробники автомобільної електроніки все частіше використовують у відеореєстраторах суперконденсатори замість акумуляторних батарей. Чим викликано таке технологічне рішення і якому пристрою варто віддати перевагу? Розкажу докладніше про переваги та недоліки кожного типу у цій статті.

Що таке суперконденсатор та як він працює?

Суперконденсатор (також називається іоністор) – це різновид джерела живлення, яке є електрохімічним елементом, що складається з двох електродів і розташованого між ними електроліту. Принцип роботи суперконденсатора полягає у короткочасному збереженні енергії в електроліті, енергія накопичується під час заряджання за рахунок поляризації заряджених частинок електроліту.

Загалом суперконденсатори є джерелом імпульсної, а не постійної потужності та ідеально підходять для короткочасного живлення малопотужних електронних приладів. У відеореєстраторах суперконденсатор підтримує живлення при відключенні основного джерела енергії – він заряджатиме реєстратор рівно стільки часу, скільки потрібно для завершення та збереження відеозапису, якщо, наприклад, заглухне автомобіль. Це дозволить запобігти вимкненню відеореєстратора та втраті відеоматеріалу.

Порівняння суперконденсатора та акумулятора

Щоб дізнатися, який пристрій краще – відеореєстратор із суперконденсатором або з акумулятором, порівняємо ключові параметри цих джерел живлення.

Акумуляторні батареї з часом втрачають ємність, через що через кілька сотень циклів заряду-розряду або 1-2 роки регулярного використання заряджати їх доведеться частіше, ніж відразу після покупки. У цьому плані суперконденсатори не схильні до зносу – вони можуть пройти до мільйона циклів без зниження початкової ємності.

Суперконденсатори накопичують повний заряд за мінімальний термін, що значно скорочує час підзарядки – знадобиться лише кілька хвилин. Для заповнення акумулятора потрібно кілька годин.

Акумулятори не можуть похвалитися надійною і стабільною роботою в будь-яких умовах, вся справа в їх нестійкості до впливу високих і низьких температур. Якщо відеореєстратор залишиться в автомобілі в спекотний або морозний день, то акумулятор ймовірно здувається від перегріву або різкого перепаду температур. У гіршому випадку заміна акумулятора буде потрібна вже після першого ночівлі відеореєстратора в авто при мінусовій температурі.

З реєстраторами на суперконденсаторах така неприємність виключена – вони зберігають працездатність при температурі від -50 до +70 ° С і навіть витримують екстремальні температурні перепади.

Після порівняння ключових характеристик можна зробити висновок, що суперконденсатор перевершили акумулятори по всіх пунктах. Варто зазначити, що серед мінусів реєстратора із суперконденсатором автовласники іноді відзначають неможливість автономної роботи без підключення до бортової мережі автомобіля. Однак на тлі інших переваг цей недолік не здається особливо суттєвим, тим більше в сучасному світі відеореєстратор не використовується за межами автомобіля, тому що для ситуативної зйомки значно простіше та зручніше скористатися камерою смартфона.

Підсумок: суперконденсатор чи акумулятор?

У сучасних реаліях виграють відеореєстратори із суперконденсаторами, оскільки саме вони зможуть забезпечити збереження відеозаписів у будь-яких умовах експлуатації, за рахунок чого є більш надійним та стабільним рішенням.

Сьогодні на ринку автомобільної електроніки можна за цілком доступну ціну знайти відеореєстратори із суперконденсаторами та найсучаснішим функціоналом.

Суперконденсатори: що це, навіщо і де застосовується

Енергетика — дуже цікава сфера, яка розвивається бурхливими темпами багато років поспіль. На Хабрі публікуються різні статті про альтернативні джерела енергії, акумуляторні батареї від Маска, електромобілі і т.п.

Але є одна тема, яка торкається не так часто. Йдеться про суперконденсатори. Їм якраз присвячено цю статтю, в ній розкривається суть суперконденсатора, сфери застосування, плюс описуються кейси з різних галузей — промисловості, транспорту тощо, де використовуються ці системи.

Суперконденсаторе, що ти таке?

Всі ми знаємо, що таке акумулятор – це джерело постійної потужності, обмежене струмом розряду. Батареї бувають великі та маленькі, застосовуються вони вкрай широко – від транспорту до іграшок.

Але ця стаття присвячена суперконденсаторам, тому настав час розповісти про них. Так от, будь-який суперконденсатор – це джерело не постійної, а імпульсної потужності. Вона обмежена лише еквівалентним внутрішнім опором, який дозволяє елементу працювати фактично на струмах короткого замикання.

Але при цьому, на відміну від акумулятора, це джерело короткочасних, хоч і потужних імпульсів енергії. Відповідно і використовуються суперконденсатори там, де потрібна велика потужність на невеликий термін.

Суперконденсатори називають ще іоністорами. Ці елементи складаються зазвичай з двох занурених в електроліт електродів та сепаратора. Останній потрібний для того, щоб не допустити переміщення заряду між двома електродами із протилежною полярністю.

У суперконденсаторів дві позитивні властивості – висока потужність і низький внутрішній опір, ніж вони і відрізняються від конденсаторів та акумуляторних батарей. Найчастіше матеріал електрода суперконденсаторів – активний вуглець, у якого дві важливі особливості, включаючи дуже велику площу поверхні та невелику відстань між розділеними зарядами.

Ще один позитивний момент – тривалий термін зберігання та тривалий термін служби суперконденсаторів. Все це завдяки особливостям накопичення енергії. Так, суперконденсатори працюють за рахунок розподілу зарядів. Цей процес легко оборотний, так що віддавати енергію суперконденсатори можуть дійсно швидко.

Тепер трохи про визначення параметрів суперконденсаторів. На відміну від акумуляторів, де основна характеристика – це ємність, що вимірюється в Ампер-годинниках, у суперконденсаторів це Фарад. Ось формула, яка дозволяє визначити енергію суперконденсатора: Енергія (Дж) = 1/2 * Ємність (Ф) * Напруга у квадраті (В)

Є кілька видів суперконденсаторів:

У другому — система включає два тверді електроди і базується на двох механізмах збереження енергії. Це фарадіївські процеси та електростатична взаємодія.

Третій варіант – перехідний між конденсаторами та акумуляторами. Електроди тут виконані із різних матеріалів, а накопичення заряду здійснюється завдяки різним механізмам.

Де можуть використовувати суперконденсатори?

Цілком логічна відповідь — у галузях, де потрібно віддавати енергію швидко та у великому обсязі. Зокрема, це може бути:

• Альтернативна енергетика, накопичення енергії за допомогою палива, хвиль вітру та сонця.
• Транспортні системи це може бути запуск двигуна машин, гібридні електричні транспортні засоби, локомотиви і т.п.
• Накопичувачі енергії в домогосподарствах, наприклад, там, де використовуються фотоелементи або вітрогенератори.
• Електронні пристрої, де суперконденсатори використовуються як джерело короткочасного живлення.
• ДБЖ – як невеликого розміру, так і дуже великі. У системах безперебійного електроживлення суперконденсатори можна використовувати разом із паливними елементами та іншими джерелами.
• Традиційна енергетика у сферах, де неминучі критичні навантаження, але де потрібна безперебійна робота всього і вся. Це можуть бути аеропорти, вежі зв’язку, лікарні тощо.
• Електронні пристрої різного розміру та потужності.

Приклади

Їх можна навести велику кількість, але розумно буде обмежитися трьома найбільш показовими.

Частотно-регульований електропривод. Тут суперконденсатори потрібні при просіданнях напруги і короткочасному, не більше 10 секунд, блекауті. Такі приводи застосовуються на ділянках безперервного технологічного циклу на виробничих об’єктах. Крім того, суперконденсатори варто використовувати на підприємстві та в системах, які постачають об’єкт газом, водою, теплом та енергією, тощо. на компресорних станціях, котельних, насосних станціях і т.п.

Джерело безперебійного живлення. У цьому випадку суперконденсатори дають можливість компенсувати провали напруги, які призводять до проблем із безперервністю технологічних процесів. Тут йдеться про великі об’єкти, включаючи промисловість та різноманітну інфраструктуру — наприклад, транспортну.

Суперконденсатори, зокрема, використовуються на заводі Skoda у Чехії, а саме – роботизованому цеху з фарбування корпусів автомобілів. Якщо процес фарбування з будь-якої причини зупиниться, потім корпус доведеться повертати на початок циклу.

Регулює вихідну потужність турбін вітрогенераторів. Велика проблема альтернативної енергетики – складність підтримки вихідної потужності турбін на одному рівні. Чим вище швидкість вітру і він потужніший, тим більше виробляється енергії. Чим нижче, відповідно, тим енергії менше. У результаті вихідна потужність турбін може змінюватись, і дуже значно.

У цьому випадку суперконденсатор може допомогти, причому відразу кількома способами:

• Підтримка електроживлення колишньому рівні на час короткочасного пропадання напруги.
• Забезпечує стабілізацію частоти та напруги в передаючих та розподільчих мережах з високою концентрацією відновлюваних джерел енергії.

Чи виробляють суперконденсатори в України?

Так, на Хабрі ще кілька років тому публікувалася новина про те, що в НДТУ «Місіс» розробила технологію, яка відкрила можливість вітчизняній компанії запустити виробництво суперконденсаторів.

Так, у 2017 році компанія ТЕЕМП запустила у м. Хімки виробництво високоефективних суперконденсаторів та модулів на їх основі. При цьому все це чисто українські розробки. ТЕЕМП, до речі, виготовляє плоскі одиничні елементи в ламінованому корпусі, який може використовуватися в хімічних джерелах струму з органічними електролітами: суперконденсатори, літій-іонні акумулятори, метало-повітряні джерела струму.

При цьому, ТЕЕМП виробляє осередки власної запатентованої конструкції – призматичний осередок з струмозніманням по всій її поверхні. І зроблено це не для того, щоб показати свою унікальність, а чисто з практичної точки зору – розподілений по всій поверхні струмознімання забезпечує рівномірність теплових полів, тим самим уповільнюючи процес деградації і продовжуючи термін служби суперконденсатора.

Продукція «ТЕЕМП» унікальна за багатьма параметрами. Суперконденсаторні модулі компанії успішно працюють за температури до -60°С. Вони відрізняються низьким внутрішнім опором, отже, здатні забезпечити великі імпульсні струми. Власна конструкція осередків та модулів дозволяє знизити масу та розмір суперконденсаторного складання на 30% порівняно з аналогічними пристроями.

У сухому залишку

Як висновок можна підбити підсумки, вказавши переваги та недоліки суперконденсаторів. Деякі з них згадувалися вище, але зараз варто перерахувати це окремо.

Іоністори (суперконденсатори) – пристрій, види, застосування

В даний час набули широкого поширення пристрою, що споживають високу потужність протягом короткого інтервалу часу, наприклад, електронні замки, реле, двигуни, випромінювачі імпульсні. Для них не завжди можна використовувати акумуляторну батарею як буферне джерело енергії. Можуть виникнути складнощі із формуванням потужних короткочасних струмів. Для таких ситуацій стали використовувати іоністори або суперконденсатори, які можна встановлювати замість акумулятора або комбінації з ним. Для виготовлення цих елементів використовується технологія, заснована на використанні ефекту утворення подвійного електричного шару. Цим вони вигідно відрізняються від батарей та акумуляторів.

Промислові іоністори з’явилися нещодавно, але їх масовим виробництвом вже займаються як вітчизняні, так і закордонні виробники.

Що таке суперконденсатори

Енергоємні системи висувають високі вимоги до джерел живлення. Для різного сучасного обладнання потрібне акумулювання та подача певної енергії. Щоб вирішити це завдання, використовуються акумулятори або під’єднані до батареї суперконденсатори. В останньому варіанті іоністори (молекулярні накопичувачі енергії) відіграють роль страховки при падінні напруги. Суперконденсатори відрізняються невеликою щільністю енергії та високою потужністю, що забезпечує ефективне розрядження на навантаження . При включенні приладу паралельно батареї знижується імпульсне навантаження на неї, що дозволяє продовжити термін служби.

Суперконденсатори є електрохімічними конденсаторами з великими показниками питомої потужності. Вони відрізняються кращими технічними характеристиками, ніж акумулятори. Ці елементи швидше заряджаються та розряджаються.

Надалі розробники планують цими пристроями замінити акумуляторні батареї. Вони можуть стати альтернативними джерелами живлення у різних сферах, наприклад, у виробництві автомобілів. Суперконденсатори застосовують у вітроенергетичних конструкціях та сонячних батареях. Подібні прилади є поєднанням стандартного конденсатора і акумуляторної батареї.

Одна з відмінностей іоністорів від звичайних конденсаторів – подвійний електричний шар, що дозволяє накопичувати значну кількість енергії. У конструкції відмінно поєднуються такі характеристики, як швидкість зарядки та розрядки конденсатора та ємність акумулятора. Від звичайних конденсаторів такі пристрої відрізняються відсутністю звичайного діелектрика між електродами.

Параметри

Іоністори відрізняються такими характеристиками:

1. Внутрішній опір (вимірюється в міліОмах).
2. Максимальний струм. (А).
3. Номінальна напруга (В).
4. Місткість (Ф).
5. Параметри саморозряду.

Як електроди в приладі застосовується активоване вугілля або вуглець на спіненій основі. Ці компоненти містяться в електроліт. Сепаратор призначений захисту пристрою від короткого замикання електродів. У сучасних пристроях не використовується електроліт на основі кислоти або кристалічного розчину лугу, так як дані компоненти мають високий рівень токсичності.

У внутрішніх порожнинах конструкції міститься електроліт, що запасає електроенергію при взаємодії із пластинами.

Перші електрохімічні іоністори (молекулярні накопичувачі енергії були) розроблені понад 50 років тому. Вони були виготовлені на основі пористих вуглецевих електродів. Нині вони використовують у деяких електричних приладах.

Порівняно з літіями – іонними акумуляторами сучасні іоністори характеризуються великим ресурсом та високою швидкістю розряду.

При використанні іоністорів можна досягти більш економічного режиму роботи за рахунок акумулювання надлишків енергії.

Між обкладками конструкції розташовується не стандартний шар діелектрика, а товстіший прошарок, що дозволяє отримати тонкий зазор. При цьому пристрій забезпечує можливість отримання електроенергії у великих обсягах. Суперконденсатор акумулює та витрачає заряди швидше, ніж альтернативні варіанти. Подвійний шар діелектрика збільшує площу електродів. Це дозволяє покращити електричні характеристики.

Відмінності суперконденсаторів від акумуляторів

Суперконденсатори часто використовуються замість батарей. Стандартні конденсатори здатні зберігати невелику кількість електроенергії. Суперконденсатори можуть накопичувати заряди в тисячі, мільйони та мільярди разів більше. Подібні прилади працюють швидше за батареї. Це зумовлено тим, що суперконденсатор створює статистичні заряди на твердих тілах, а батареї залежать від хімічних реакцій, що повільно протікають.

Батареї характеризуються вищою густиною енергії, а іоністори вищою густиною потужності. Суперконденсатори здатні функціонувати при низьких показниках напруги, а для більшої напруги, їх потрібно послідовно з’єднати. Такий варіант необхідний потужнішого устаткування.

Технологія іоністорів може знайти застосування в енергетиці та приладобудуванні. Одне із застосувань – використання у вітряних турбінах. Подібні прилади допомагають згладити уривчасте харчування від вітру.

У портативних електронних приладах використовують джерела живлення різноманітних типів. У таких пристроях, як планшети, смартфони та ноутбуки важливе значення має питома енергоємність. Чим більший цей показник, тим вища буде ємність пристрою при тих же фізичних параметрах.

Встановлення приладу з більшою питомою енергоємністю дозволить збільшити час роботи мобільного обладнання, не збільшуючи його параметрів. Тому в смартфонах часто використовуються полімерні акумуляторні батареї, які є лідерами в малогабаритних джерелах живлення, що перезаряджаються.

Акумуляторні батареї мають обмежений ресурс. p align=”justify”> При інтенсивному застосуванні ресурс приладу є критичним фактором, який скорочує життєвий цикл обладнання. Тому до перспективніших пристроїв відносяться іоністори. Вони є ідеальним накопичувачем електроенергії.

Іоністор схожий на електролітичний конденсатор, але за тих же розмірів має велику ємність. Подібні пристрої можуть накопичувати велику кількість енергії за короткий проміжок часу, що дозволить скоротити час заряджання до мінімального значення. Суперконденсатори можуть витримати без видимої деградації кілька десятків тисяч циклів.

Завдяки незначній токсичності матеріалів для виготовлення іоністорів їх легше утилізувати, ніж аналогічні варіанти. Але через великий струм саморозряду дані прилади не підходять для тривалого зберігання електроенергії. Іоністори відмінно підходять для бездротових периферійних пристроїв. Тут проявляють себе такі властивості, як ефективність та висока швидкість заряду.

Бездротовий пристрій з іоністором потребує щоденного заряджання. Але на цю процедуру витрачається кілька хвилин.

Різновиди

Суперконденсатори бувають наступних видів:

1. Псевдоконденсатори оснащені твердими електродами. Місткість залежить не тільки від електростатичних процесів, а й від фарадіївських реакцій із переміщенням зарядів.
2. Гібридні є перехідним пристроєм між акумулятором і конденсатором. Вони здатні накопичувати та віддавати заряд у подвійному електричному шарі. Електроди виготовляються з різних матеріалів, а накопичення зарядів виробляється за різними механізмами. Окисно – відновлювальні реакції підвищують питому ємність механізму.
3. Двошарові суперконденсатори складаються з пористих електродів, розділених сепаратором. Електричний заряд у таких пристроях визначається ємністю подвійного електричного шару. Електроліт є з’єднувальним провідником з іонною провідністю.

Суперконденсатори бувають різних форм та розмірів. Основне призначення таких пристроїв – це дублювання головного джерела під час падіння напруги.

Для створення гібридних пристроїв використовуються катоди особливого виду. Їх роблять із графену гіпероксидованого типу. Графен є двовимірною модифікацією вуглецю, в якій атоми розміщені в один шар. Цей компонент відрізняється високою хімічною стійкістю.

Принцип дії

Принцип дії іоністора схожий на звичайний конденсатор. Але ці прилади відрізняються матеріалами. Обкладки робляться з пористого матеріалу, який є відмінним провідником. Це дозволяє збільшити ємність пристрою. Як діелектрик застосовується електроліт, що дозволяє зменшити відстань між обкладками і підвищити ємність.

У суперконденсаторі заряд накопичується внаслідок формування подвійного електричного шару на електроді при адсорбції іонів з електролітів.

В основі принципу роботи – розкладання різниці потенціалів до струмовивідів. У цьому на катоді створюються негативні іони, але в аноді – позитивні. Сепаратор пропускає іони електроліту і запобігає короткому замиканню між електродами. Електрика зберігається статичним способом. У процесі заряду-розряду немає реакції електрохімічного типу.

Суперконденсатори здатні накопичувати велику кількість енергії за короткий проміжок часу, що дозволяє зменшити час для заряджання приладів.

Сучасні іонні акумулятори можуть віддавати лише 60 % електроенергії, витраченої з їхньої зарядку. У суперконденсаторів цей показник перевищує 90%. Іншою важливою перевагою є великий ресурс. Багато видів акумуляторів зменшення ємності відбувається після кількох сотень циклів розряду – розряду. Іоністори витримують до мільйона циклів без порушень.

Конструкції елементарних осередків дозволяють створити модулі різних розмірів та будь-якої напруги. Пристрої можуть бути виконані з охолодженням різного типу – повітряного, водяного та природного.

Плюси і мінуси

Варто вибрати суперконденсатори, заради таких переваг:

1. Заряд та розрядка відбувається швидко. Їх можна застосовувати, коли немає можливості поставити акумулятор із-за тривалої підзарядки.
2. Іоністори мають велику кількість циклів заряду-розряду в порівнянні з іншим обладнанням.
3. Для проведення заряджання не потрібні спеціальні пристрої, що полегшує обслуговування.
4. Прилади легші за акумулятори і відрізняються меншими розмірами.
5. Великий діапазон робочих температур від -45 до 70 градусів.
6. Тривалий термін експлуатації, порівняно з акумуляторними батареями.
7. Високі значення ємнісної щільності та ККД циклів розрядки.
8. Екологічна чистота, довговічність та надійність.
9. Чудові параметри питомої потужності.
10. Дозволяється повна розрядка.

Деякі мінуси викликають складнощі з експлуатацією:

1. Дорогі елементи.
2. Невисокі характеристики номінальної напруги. Щоб вирішити проблему, потрібно послідовне з’єднання кількох елементів.
3. У разі недотримання температурного режиму пристрій може швидко зламатися.

Пристрій має бути захищений від короткого замикання, т.к. це може спричинити підвищення температури. В результаті елементу знадобиться заміна.

Застосування

Унікальні характеристики іоністорів знаходять застосування у різних галузях техніки. .

Суперконденсатори використовуються у таких варіантах техніки:

1. Громадський транспорт. В електробусах замість акумуляторів встановлюються іоністори. Вони заряджаються під час висадки та посадки пасажирів. Подібний транспорт здатний об’їжджати пробки та обриви контактних ліній.
2. Електромобілі. Однією з проблем такого транспорту є тривалий час заряджання. Суперконденсатор дозволяє робити зарядку на короткочасних зупинках.
3. Побутова електроніка. Пристрої застосовуються у фотоспалахах та іншому обладнанні. Вони забезпечують швидку підзарядку.
4. Неполярні конденсатори застосовуються у вітрових турбінах та кислотних батареях.
5. Іоністори використовуються в системах демпфування енергетичних навантажень, а також в обладнанні запуску електродвигунів.
6. Суперконденсатори необхідні комплексах, у яких передбачені критичні навантаження. Для вишок мобільного зв’язку, лікарняних установ та для портового обладнання.
7. Прилади застосовуються для джерел резервного електропостачання ПК, а також у мікропроцесорах та мобільних телефонах.

Для покращення роботи автомагнітоли можна придбати та поставити іоністор. Він дозволяє згладити коливання напруги під час увімкнення запалювання. У деяких країнах застосовуються автобуси без тягових батарей, а всі роботи виконуються іоністорами.

У ході проведених випробувань було виявлено, що такі пристрої перевершують свинцево-кислотні батареї у вітрових турбінах. Суперконденсатори потрібні в системах безперебійного живлення, в яких потрібно забезпечити швидку передачу потужності.

У світі налічується приблизно 66 найбільших виробників іоністорів.

Перспективи використання

Іоністори з кожним роком стають все досконалішими. Важливим параметром, якому вчені приділяють особливу увагу є збільшення питомої ємності. Через якийсь час планується подібними приладами замінити акумулятори. Такі елементи дозволяють замінити батареї у різних технічних сферах. Фахівці покладають великі надії розробити графенових пристроїв. Застосування інноваційного матеріалу допоможе вже найближчим часом створити вироби з високими показниками питомої енергії, що запасається.

Іоністор нового зразка у кілька разів перевершує альтернативні варіанти. Ці елементи мають у своїй основі пористу структуру. Застосовується графен, у якому розподіляються частки рутенію. Перевагою графенової піни є здатність утримання оксидів частинок перехідних металів. Подібні суперконденсатори працюють на водному електроліті, що дозволяє забезпечити безпеку експлуатації.

У перспективі новинки будуть застосовуватись у сфері виготовлення персонального електричного транспорту. Прилади на основі графенової піни можуть перезаряджатися до 8000 разів без погіршення якісних характеристик.

У сфері автомобільної будови проводяться розробки альтернативних різновидів палива та пристроїв накопичення енергії високої ефективності. Подібні прилади можуть застосовуватись для вантажного транспорту, електричних автомобілів та поїздів.

У автомобілебудуванні суперконденсаторні батареї знаходять такі застосування:

1. Пусковий пристрій приєднується паралельно до стартерних батарей. Застосовується для підвищення експлуатаційного терміну та покращення пускових характеристик двигуна.
2. Для стабільного живлення акустичних систем великої потужності у автомобілі.
3. Буферні батареї підходять для застосування у гібридному транспорті. Вони характеризуються невеликою ємністю та значною вихідною потужністю.
4. Тягові батареї актуальні при використанні як основне джерело живлення.

Суперконденсатори мають безліч переваг у порівнянні з акумуляторами в автомобільній промисловості. Вони чудово витримують перепади напруги. Прилади характеризуються легкістю, тому можна встановлювати велику кількість.

Для галузі мікроелектроніки розробляються нові технології з виробництва компактних суперконденсаторів. При виробництві електродів застосовуються спеціальні методи осадження тонку підкладку з діоксиду кремнію спеціальної вуглецевої плівки.

Використання суперконденсаторів дозволяє впровадити у життя екологічні технології економії енергії. У перспективі передбачено розширення сфер застосування таких пристроїв для галузей автотранспорту, мобільної техніки та засобів зв’язку.

Іоністор

Порівняно недавно у широкому продажу з’явилися так звані іоністори. Інакше їх називають суперконденсаторами. За розмірами вони порівняні звичайним електролітичним конденсаторам, але мають порівняно з ними набагато більшу ємність.

Іоністор – це якийсь гібрид конденсатора та акумулятора. У зарубіжній літературі іоністор називають скорочено EDLC, що розшифровується як Electric Double Layer Capacitor, що означає: конденсатор з подвійним електричним шаром. Робота іоністора ґрунтується на електрохімічних процесах.

Влаштування іоністора.

Відмінність іоністора від конденсатора полягає в тому, що між електродами немає спеціального шару з діелектрика. Натомість електроди у іоністора зроблені з речовин, що мають протилежні типи носіїв заряду.

Як відомо, електрична ємність конденсатора залежить від площі обкладок: чим вона більша, тим більша ємність. Тому електроди іоністорів найчастіше роблять із спіненого вуглецю або активованого вугілля. Завдяки цьому прийому вдається отримати велику площу своєрідних “обкладок”. Електроди поділяються сепаратором, і все це знаходяться в електроліті. Сепаратор необхідний виключно захисту електродів від короткого замикання. Електроліт виконується на основі розчинів кислот і лугів і є кристалічним і твердим.

Наприклад, за допомогою твердого кристалічного електроліту на основі рубідії, срібла та йоду (RbAg ₄ I ₅ ) можливе створення іоністорів з низьким саморозрядом, великою ємністю та витримують низькі температури. _{Також можливе виготовлення іоністорів} на основі електролітів розчинів кислот, таких як _H2SO4 . Такі іоністори мають низький внутрішній опір, але і малою робочою напругою близько 1 В. Останнім часом іоністори на основі електролітів з розчинів лугів і кислот майже не виробляють, так як такі іоністори містять токсичні речовини.

Внаслідок електрохімічних реакцій невелика кількість електронів відривається від електродів. При цьому електроди набувають позитивного заряду. Негативні іони, що у електроліті, притягуються електродами, які заряджені позитивно. У результаті цього процесу і утворюється електричний шар.

Заряд в іоністорі зберігається на межі розділу електрода з вуглецю та електроліту. Товщина електричного шару, утвореного аніонами і катіонами, становить дуже малу величину часом рівну 1…5 нанометрам (нм). Як відомо, із зменшенням відстані між обкладками ємність зростає.

До основних позитивних якостей іоністорів можна віднести:

Малий час заряду та розряду. Завдяки цьому іоністор можна швидко зарядити та використовувати, тоді як на заряд акумуляторних батарей йде значний час;

Кількість циклів заряд/розряд – понад 100 000;

Чи не вимагають обслуговування;

Невелика вага та габарити;

Для заряду не потрібні складні зарядні пристрої;

Працює у широкому діапазоні температур (-40…+70°C). При температурі більше +70 ° C іоністор, як правило, руйнується;

До негативних властивостей іоністорів можна віднести все ще високу вартість, а також досить малу напругу одному елементі іоністора. Номінальна робоча напруга іоністор залежить від типу використовуваного в ньому електроліту.

Щоб збільшити робочу напругу ионистора їх з’єднують послідовно, як і при з’єднанні батарейок. Щоправда, для надійної роботи такого складового іоністора потрібно кожен окремий іоністор шунтувати резистором. Робиться це для того, щоб вирівняти напругу на кожному окремому іоністорі. Це з тим, що параметри окремих іоністорів відрізняються. Струм, який тече через вирівнює резистор, повинен бути в кілька разів більше струму витоку (саморозряду) іоністора. Значення струму саморозряду у малопотужних іоністорів становить десятки мікроампер.

Також варто пам’ятати, що іоністор – це полярний компонент. Тому при підключенні його в схему потрібно дотримуючись полярності.

Крім цього, варто уникати короткого замикання висновків іоністора. І хоча іоністори досить стійкі до короткого замикання, воно може призвести до надмірного підвищення температури понад максимальну внаслідок теплової дії струму, а це призведе до псування іоністора.

Іонистори чудово працюють у ланцюгах постійного та пульсуючого струму. Щоправда, у разі протікання через іоністор пульсуючого струму високої частоти він може нагріватися через високий внутрішній опір на високих частотах. Як уже говорилося, збільшення температури електродів іоністору вище максимально допустимої призводить до його псування.

У документації на іоністор зазвичай вказується значення його внутрішнього опору на частоті 1 кГц. Наприклад, для іоністора DB-5R5D105T ємністю 1 Фарада внутрішній опір на частоті 1 кГц становить 30Ω. Також існують іоністори із ще меншим внутрішнім опором. Вони маркуються як Low resistance або Low ESR. Такі іоністори заряджаються швидше.

Для постійного струму ж внутрішній опір іоністор мало і становить одиниці міліом – десятки ом.

Позначення іоністора на схемі.

На схемах іоністор позначається як і електролітичний конденсатор. Тоді ж постає питання: “А як же визначити, що на принциповій схемі зображено саме іоністор?”

Визначити, що у схемі зображений ионистор можна за значенням номінальних параметрів. Якщо поруч із позначенням зазначено, наприклад, 1F * 5,5 V, тут відразу стане зрозуміло, що це ионистор. Як відомо, електролітичних конденсаторів ємністю 1 Фарада не існує, а якщо і існує, то габарити у нього чималі. Також відразу впадає в око номінальна напруга в 5,5 V. Як уже говорилося, іоністори в принципі не розраховані на велику робочу напругу.

Де застосовуються іоністори?

Дуже часто іоністори можна зустріти у цифровій апаратурі. Там вони виконують роль автономного або резервного джерела живлення для мікроконтролерів (IC’s), мікросхем пам’яті (RAM’s), КМОП-мікросхем (CMOS’s) або електронного годинника (RTC). Завдяки цьому навіть при вимкненому основному живленні електронний прилад зберігає задані налаштування та перебіг годинника. Так, наприклад, у касетному аудіоплеєрі Walkman використовується мініатюрний іоністор.

При заміні акумуляторів або батарейок у плеєрі він повністю знеструмлюється, що неминуче призводить до стирання налаштувань (наприклад, частот радіостанцій, установок еквалайзера, скидання ходу електронного годинника). Але цього не відбувається завдяки тому, що електронну схему в режимі, що чекає, живить заряджений іоністор. І хоча ємність його незрівнянно менша, ніж ємність акумулятора або батареї цього вистачає для збереження налаштувань і роботи годин протягом кількох діб!

Іоністор є досить новим електронним компонентом. Вперше іоністор був розроблений у Сполучених штатах у 1960-х роках. А пізніше, 1978 року, іоністори з’явилися й у СРСР під маркою К58-1. То був перший вітчизняний іоністор. Далі промисловість стала випускати іоністори марок К58-15 та К58-16.

Як можна застосувати іоністор у саморобних конструкціях? Його можна використовувати як аварійне джерело живлення, наприклад, у конструкціях на мікроконтролерах. Ось найпростіша схема включення іоністора в ланцюг живлення електронного пристрою.

Діод VD1 служить для запобігання розряду іоністора С1, коли напруга живлення дорівнює 0 (Uпіт = 0). Як діод VD1 краще застосувати діод Шоттки, наприклад, 1N5817 і аналогічні, так як у них мале падіння напруги на відкритому переході. Резистор R1 перешкоджає навантаженню джерела живлення, обмежуючи зарядний струм іоністора. Його можна не встановлювати, якщо джерело живлення витримує струм навантаження 100 – 250 мА. R _н – це опір навантаження (пристрій, що живиться, наприклад, мікроконтролер).

Під завісу цієї розповіді хочеться показати якесь відео. Відео не моє, знайшов у YouTube. Показано, як можна запитати світлодіод від зарядженого іоністора ємністю 0,047 Ф. Іоністор на 5,5 V, тому якщо вирішите повторити експеримент, то заряджайте його 3 вольтами, інакше можна ненароком спалити світлодіод.

До речі, у мене виявляється, такий самий іоністор у запаснику завалявся. А у Вас є іоністор?

Суперконденсатори: принцип роботи та алгоритм вибору

Все частіше у складі сучасних електронних пристроїв можна зустріти суперконденсатори. Суперконденсатори здатні виступати як як основні елементи живлення, так і як буферні елементи для згладжування провалів напруги акумуляторів при роботі з імпульсним навантаженням.

Нарівні з терміном “суперконденсатор” в літературі часто застосовують альтернативні назви, наприклад, “ультраконденсатор” або “іоністор”. Всі ці назви застосовуються для позначення одного і того ж компонента – конденсатора з подвійним електричним шаром. Вперше суперконденсатор було створено далекого 1957 року компанією General Electric. Пізніше аналогічні компоненти випускалися різними виробниками в усьому світі, зокрема й у СРСР (наприклад, ионистори КІ1-1).

Принцип роботи суперконденсатора

Структура та принцип роботи суперконденсатора пояснюються на рис. 1. Суперконденсатор складається з електродів, графітового сепаратора та електроліту. При додатку зовнішньої напруги носії заряду утворюють два електронні шари на межі сепаратора та електроліту. Чим більше площа поверхні сепаратора, тим більше буде заряд, що накопичується. З малюнка видно, що на відміну від акумуляторів суперконденсаторі відсутні хімічні реакції, а енергія накопичується у вигляді статичного заряду, як і в звичайних конденсаторах.

Рис. 1. Структура та принцип дії суперконденсатора

Основні характеристики суперконденсаторів

За своїми характеристиками суперконденсатори займають проміжне положення між акумуляторами та звичайними конденсаторами. Останнім часом, завдяки великій ємності, суперконденсатори стають чудовою альтернативою для акумуляторів у широкому спектрі пристроїв, що мало споживають. Порівняння деяких параметрів суперконденсаторів та акумуляторів наведено у таблиці 1.

Таблиця 1. Порівняння параметрів суперконденсаторів та акумуляторів

1 мільйон цикловили 30 000 год

Час напрацювання на відмову)

Діапазон температур заряду

Діапазон температур розряду

Місткість – один із найважливіших параметрів для будь-якого накопичувача енергії. За величиною питомої ємності на одиницю маси суперконденсатори значно перевершують звичайні конденсатори (у тому числі електролітичні), але в свою чергу так само сильно поступаються акумуляторам (рис. 2). З цієї ж причини вартість одиниці ємності для суперконденсаторів виявляється значно вищою, ніж для акумуляторів.

Рис. 2. Порівняння питомої ємності накопичувачів енергії

Другим за важливістю параметром накопичувача є розрядний струм. За цим показником лідирують звичайні конденсатори, які через низький власний опір здатні витримувати величезні імпульси струму. Акумулятори, навпаки, відрізняються високим опором і надзвичайно чутливі до великих розрядних струмів. Наприклад, літій-іонні акумулятори схильні до перегріву та руйнування при швидкому розряді. Суперконденсатори характеризуються вищим послідовним опором, ніж прості конденсатори, проте є моделі, здатні витримувати розрядні струми до сотень ампер.

Високий опір створює проблеми не тільки з погляду розігріву, але і з точки зору просадки напруги при імпульсному навантаженні. Імпульсне споживання притаманно більшості сучасних систем, але особливо яскраво воно проявляється у пристроях з бездротовими радіопередавачами. На рис. 3 представлений приклад передчасного відключення системи з акумуляторним живленням через просідання напруги. При передачі даних бездротовим каналом споживання системи істотно зростає, проте акумулятор не здатний видати необхідну потужність миттєво. Через це напруга на навантаженні просідає і може опуститися нижче за порогове значення. Порогове значення обмежує мінімально допустиму напругу живлення, нижче якої відбувається відключення пристрою. На рис. 3 граничне значення становить 1 В. В результаті просадки напруги пристрій відключається, незважаючи на те, що рівень заряду акумулятора насправді залишається високим. У багатьох випадках з цією проблемою не можуть впоратися навіть конденсатори, що розв’язують.

Рис. 3. Провали напруги через високий внутрішній опір акумулятора

Суперконденсатори здатні видавати досить високу імпульсну потужність і дозволяють вирішити проблему просідання напруги (рисунок 4). Для цього суперконденсатор вмикається паралельно з акумулятором. У даному випадку ультраконденсатор не тільки запобігає помилковим вимкненням системи, але й захищає акумулятор від пікових струмів, які негативно впливають на термін його служби і можуть у деяких випадках банально викликати його перегрів та руйнування. Таким чином, режим буферного елемента є одним із основних варіантів використання суперконденсаторів. Докладніше про це питання розповідається у статті «Відстань не перешкода. Ефективний радіус дії суперконденсаторів CAP-XX.

Рис. 4. Суперконденсатор не тільки запобігає помилковим вимкненням, але й захищає акумулятор від пікових струмів.

Останнім часом спостерігається бурхливий розвиток електроніки, що мало споживає. Сучасні електронні системи можуть споживати лише сотні мкА в активному режимі і частки мкА в режимі очікування. Найчастіше для живлення таких пристроїв використовують різні малопотужні харвестери енергії: сонячні батареї, віброхарвестери, термогенератори тощо. Для накопичення енергії цих перетворювачів не можна використовувати конденсатори. Наприклад, пристрій може накопичувати енергію кілька годин, після чого виконувати швидке відправлення даних радіоканалом і знову засипати. Високий саморозряд конденсаторів не дозволить працювати у такому режимі. У той самий час суперконденсатор виявиться цілком прийнятним варіантом роль накопичувача енергії. Приклад такого режиму роботи розглядається у статті «Використання суперконденсаторів CAP-XX у пристроях із живленням від сонячних батарей».

Однак при використанні суперконденсатора як основний елемент живлення необхідно враховувати дві важливі особливості. По-перше, суперконденсатори мають низьку робочу напругу 2,3…2,75 В (хоча на ринку присутні моделі з напругою 3 В, наприклад, суперконденсатори від VINATech). Цього не завжди достатньо, а значить, може знадобитися послідовне включення кількох елементів, що призведе до зменшення сумарної ємності. У той же час у літій-іонних акумуляторів номінальна напруга становить 3,6, що є оптимальним значенням для більшості сучасних мікросхем.

По-друге, ще одним недоліком суперконденсаторів стає лінійний характер розряду. Зрозуміло, передбачувана форма розряду це добре, але не завжди. На рис. 5 представлений приклад, в якому система досягає граничної напруги (мінімально допустима напруга живлення) в той момент, коли суперконденсатор розряджений лише на 50%. З цієї причини для нормальної роботи пристрою може знадобитися додатковий регулятор. У той же час акумулятори характеризуються відносно невеликим зменшенням напруги робочого діапазону.

Рис. 5. Розрядні характеристики акумуляторів та суперконденсаторів

Ще однією перевагою суперконденсаторів перед акумуляторами є широкий діапазон робочих температур. Це стосується процесу заряду, так і процесу розряду. На ринку є моделі суперконденсаторів, які здатні працювати при негативних температурах до -40°С і при позитивних до +125°С. Як приклад можна навести ультраконденстори від компанії FastCAP (рис. 6). Зрозуміло, на ринку є і акумулятори з широким діапазоном робочих температур, проте йдеться про спеціалізовані рішення.

Рис. 6. Існують моделі ультарконденсаторів, здатні працювати в широкому діапазоні температур, наприклад ультраконденстори від компанії FastCAP.

Приклади суперконденсаторів

На закінчення короткого екскурсу суперконденсатором наведемо деякі конкретні приклади.

Широкий спектр суперконденсаторів випускає компанія LS Mtron, створена на базі одного з підрозділів LG Electronics. У номенклатурі LS Mtron можна знайти моделі з традиційною рулонною та прямокутною конструкцією, а також суперконденсаторні батареї та модулі (рис. 7).

Рис. 7. Суперконденсатори FastCAP відрізняються широким діапазоном робочих температур -40 … +125 ° С

Ще одним відомим виробником суперконденсаторів є компанія SPSCAP, яка пропонує кілька серій одноячечних суперконденсаторів з діапазоном вихідних струмів 0,9…250 А (рис. 8). SPSCAP також випускає ультраконденсаторні батареї.

Рис. 8. Суперконденсатори від компанії SPSCAP

Цікаву модельну низку суперконденсаторів пропонує корейська компанія VINATech. Крім того, це один із небагатьох виробників, який випускає суперконденсатори з робочою напругою 3,0 Ст.

Рис. 9. Суперконденсатори та суперконденсаторні батареї від VINATech з робочою напругою до 3 В

На порталі УНІТЕРу ми також неодноразово розповідали і про деякі унікальні рішення, до яких можна віднести і надтонкі суперконденсатори DMHA14R5V353M4ATA0 від компанії Murata. Ці суперконденсатори мають товщину лише 0,4 мм (рис. 10).

Рис. 10. Надтонкі суперконденсатори DMHA14R5V353M4ATA0 мають товщину всього 0,4 мм.

В одній із статей ми також розповідали про суперконденсатори від компанії FastCAP, які відрізняються широким діапазоном робочих температур –40…+125 °С (рис. 11).

Рис. 11. Суперконденсатори від компанії FastCAP із широким діапазоном робочих температур

Алгоритм вибору суперконденсаторів

Як вже зазначалося вище, суперконденсатори можуть використовуватися або як основний накопичувач енергії, або як буферний елемент при роботі у зв’язці з основним акумулятором. Зрозуміло, алгоритм вибору суперконденсатора у випадках буде відрізнятися, проте основні кроки будуть приблизно однаковими.

Для початку слід визначитися з основними параметрами суперконденсатора – з робочою напругою та з максимальним вихідним струмом.

Суперконденсатори не люблять перенапруг, тому при виборі потрібного накопичувача слід подбати про узгодження робочої напруги. Для збільшення робочої напруги можна використовувати послідовне включення суперконденсаторів, проте не варто забувати, що в такому разі ємність зменшуватиметься. Крім того, за потреби слід передбачити захисні ланцюги для обмеження напруги.

Далі слід розрахувати величину ємності. Розглянемо алгоритм розрахунку, запропонований компанією SPSCAP. Для початку потрібно вибрати сценарій розряду суперконденсатора. Розряд може відбуватися або з постійним струмом або з постійною напругою.

Розряд із постійним струмом. При такому сценарії струм розряду має фіксоване значення, а ємність розраховуватиметься за такою формулою:

де Vwork – номінальна робоча напруга, Vmin – мінімально допустима напруга, I – струм розряду (постійна величина у разі), t – час розряду.

Наприклад, якщо Vwork=5, Vmin=4,2, t = 10 с, I =100 мА = 0,1 А, тоді:

При виборі конкретної моделі суперконденсатора необхідно передбачити деякий запас ємності. З іншого боку, слід врахувати температурну залежність ємності. Після вибору конкретної моделі суперконденсатора слід звіритися з температурною характеристикою, щоб переконатися, що ємність перевищує розраховане значення у всьому діапазоні робочих температур.

Розряд із постійною потужністю. У такому разі потужність розряду залишається фіксованою, а ємність розраховуватиметься за формулою:

де Vwork – номінальна робоча напруга, Vmin – мінімально допустима напруга, P – потужність розряду (постійна величина у разі), t – час розряду.

Наприклад, якщо передбачається розряд суперконденсатора протягом 10 секунд при постійній потужності 200 кВт, а діапазон робочої напруги становить 450 – 750 В, тоді необхідна ємність складе:

З = 2 * 200 кВт * 10 / (750 2 -450 2 ) = 11 Ф

У разі знову слід передбачити деякий запас і температурну залежність ємності.

Що таке суперконденсатори

7 червня 1962 року, Роберт Райтмайер, хімік американської компанії Standard Oil Company (SOHIO), яка розташовувалась у місті Клівленд, штат Огайо, подав заявку на отримання патенту, де докладно описувався механізм збереження електричної енергії в конденсаторі, що володіє «подвійним електричним шаром».

Якщо в звичайному конденсаторі алюмінієві обкладки, традиційно, були ізольовані шаром діелектрика, то в варіанті, що пропонується винахідником акцент робився безпосередньо на матеріал обкладок. Електроди повинні були мати різну провідність: один електрод повинен був мати іонну провідність, а інший – електронну.

Таким чином, у процесі заряду конденсатора відбувався б поділ електронів і позитивних центрів в електронному провіднику, і поділ катіонів та аніонів в іонному провіднику.

Електронний провідник пропонувалося зробити з пористого вуглецю, тоді іонним провідником міг бути водний розчин сірчаної кислоти. Заряд у разі зберігався на межі розділу цих спеціальних провідників (той самий подвійний шар). Різниця потенціалів цих перших іоністорів могла досягати значення 1 вольт, а ємність – одиниць фарад, адже тепер відстань між обкладками була менше 5 нанометрів.

У 1971 році ліцензія була передана японській компанії NEC, що займається на той момент усіма напрямками електронної комунікації. Японцям вдалося успішно просунути технологію ринку електроніки під назвою «Суперконденсатор».

Через сім років, у 1978 році, компанія Panasonic, у свою чергу, випустила «Золотий конденсатор» («Gold Cap»), який також завоював успіх на цьому ринку. Успіх був забезпечений зручністю застосування іоністорів для живлення енергозалежної пам’яті SRAM. Однак ці іоністори мали високий внутрішній опір, який обмежував можливість швидкого вилучення енергії, а отже, сильно звужував діапазон сфер застосування.

У 1982 році фахівці американського Науково-дослідного Інституту Pinnacle (PRI), розташованого в місті Лос-Гатос, штат Каліфорнія, працюючи над покращенням матеріалів електродів та електролітів, розробили іоністори з надзвичайно високою щільністю енергії, які з’явилися на ринку під назвою «PRI Ultracapacitor» .

Через 10 років, у 1992 році, компанія Maxwell Laboratories (яка пізніше змінила назву на Maxwell Technologies, м. Сан-Дієго, штат Каліфорнія, США) почала розвивати технологію PRI під назвою “Boost Caps”. Метою тепер стало створення конденсаторів високої ємності з низьким опором, щоб отримати можливість живлення потужного електроустаткування.

Рис. 1. Суперконденсатор DH5U308W60138TH фірми SAMWHA ELECTRIC

1999 року тайванська компанія UltraCap Technologies Corp. також розпочала співпрацю з PRI, які розробили на той час електродну кераміку надзвичайно великої площі, і до 2001 року на ринок вийшов перший високоємнісний ультраконденсатор виробництва Тайваню. З цього моменту почався активний розвиток технології у багатьох НДІ світу.

На Українському ринку теж присутні свої гравці, так компанія «Ультраконденсатори Фенікс» (ТОВ «УКФ») є інжиніринговою компанією, що спеціалізується на проектуванні, розробці, виробництві та практичному застосуванні рішень та систем на базі суперконденсаторів/іоністорів. Компанія працює у щільній зв’язці з найкращими світовими виробниками та активно переймає їх досвід.

Іоністори на одиниці фарад отримали заслужене застосування як джерела резервного живлення в безлічі пристроїв. Починаючи з живлення таймерів телевізорів та НВЧ-печей та закінчуючи складними медичними приладами. На платах пам’яті, як правило, встановлені іоністори.

При зміні батареї у відео або фотокамері, іоністор підтримує живлення схем пам’яті, що відповідають за налаштування, це стосується музичних центрів, комп’ютерів та іншої подібної техніки. Телефони, електронні лічильники електроенергії, охоронні системи сигналізації, електронні вимірювальні прилади та прилади медичного застосування – скрізь знайшли застосування суперконденсатори.

Рис. 2. Суперконденсатори (іоністори)

Малі іоністори на основі органічних електролітів мають максимальну напругу близько 2,5 вольт. Для отримання більш високої допустимої напруги, іоністори з’єднують у батареї, обов’язково застосовуючи шунтуючі резистори.

До переваг іоністорів належить: висока швидкість заряду-розряду, стійкість до сотень тисяч циклів перезаряду порівняно з акумуляторами, мала вага порівняно з електролітичними конденсаторами, низький рівень токсичності, допустимість розряду до нуля.

Рис. 3. Джерело безперебійного живлення на суперконденсаторах

Рис. 4. Суперконденсаторні автомобільні модулі

Під час розробки іоністорів дедалі більше підвищується їх питома ємність, і ймовірно, рано чи пізно це призведе до повної заміни акумуляторів на суперконденсатори у багатьох технічних сферах.

Останні дослідження групи вчених Каліфорнійського університету в Ріверсайді показали, що новий тип іоністорів на основі пористої структури, де частинки оксиду рутенію нанесені на графен, перевершують найкращі аналоги майже вдвічі.

Дослідники виявили, що пори «графенової піни» мають нанорозміри, що підходять для утримання частинок оксидів перехідних металів. Суперконденсатори на основі оксиду рутенію тепер є найперспективнішим із варіантів. Безпечно працюючі на водному електроліті, вони забезпечують збільшення енергії, що запасається, і підвищують допустиму силу струму вдвічі в порівнянні з найкращими з доступних на ринку іоністорів.

Вони запасають більше енергії на кожен кубічний сантиметр свого об’єму, тому ними доцільно замінити акумулятори. Насамперед, мова йде про електроніку, що носиться і імплантується, але в перспективі новинка може обґрунтуватися і на персональному електротранспорті.

На частинки нікелю пошарово осідають графен, що виступає опорою для вуглецевих нанотрубок, які разом з графеном формують пористу вуглецеву структуру. В отримані нанопори останньої водного розчину проникають частинки оксиду рутенію діаметром менше 5 нм. Питома ємність іоністора на основі отриманої структури становить 503 фарад на грам, що відповідає питомій потужності 128 кВт/кг.

Рис. 4. Зарядний пристрій на графеновому суперконденсаторі

Можливість масштабування цієї структури вже започаткувала та створила основу на шляху створення ідеального засобу зберігання енергії. Іоністори на основі «графенової піни» пройшли успішно перші тести, де показали здатність до перезаряду понад вісім тисяч разів без погіршення характеристик.