Лекция
Привет, сегодня поговорим про ионистор, обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое ионистор, суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор, графеновые суперконденсаторы , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.
Иони́стор ( суперконденсатор , ультраконденсатор , двухслойный электрохимический конденсатор , англ. EDLC, Electric double-layer capacitor) — электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электродаи электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.
Сравнение конструктивных схем трех конденсаторов. Слева: «обычный» конденсатор, в середине:электролитический, справа: ионистор
В связи с тем, что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) крайне мала, запасенная ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. К тому же, использование двойного электрического слоя вместо обычного диэлектрика позволяет намного увеличить площадь поверхности электрода. Типичная емкость ионистора — несколькофарад, при номинальном напряжении 2—10 вольт.
Первый конденсатор с двойным слоем на пористых угольных электродах был запатентован в 1957 году фирмойGeneral Electric . Так как точный механизм к тому моменту времени был не ясен, было предположено, что энергия запасается в порах на электродах, что и приводит к образованию «исключительно высокой способности накопления заряда». Чуть позже, в 1966 фирма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USAзапатентовала элемент, который сохранял энергию в двойном слое
Столкнувшись с фактом небольшого объема продаж, в 1971 году SOHIO передала лицензию фирме NEC, которой удалось удачно продвинуть продукт на рынке под именем «Supercapacitor» (Суперконденсатор). В 1978 году фирма Panasonic выпустила на рынок «Gold capacitor» («Gold Cap») «Золотой конденсатор», работающий на том же принципе. Эти конденсаторы имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее отдачу энергии, так что эти конденсаторы применялись только как накопительные батареи для SRAM.
Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году. На рынке эти ионисторы появились под именем «PRI Ultracapacitor».
1) Ионисторы с идеально поляризуемыми углеродными электродами («идеальный» ионистор, ионный конденсатор). Не используют электрохимических реакций, работают за счет ионного переноса между электродами. Некоторые варианты электролита: 30 % водный раствор КОН; 38 % водный раствор Н2SO4; органические электролиты.
2) Ионисторы с идеально поляризуемым углеродным электродом и неполяризуемыми или слабо поляризуемыми катодом или анодом («гибридные» ионисторы). На одном электроде происходит электрохимическая реакция. Варианты: Ag(-) и твердый электролит RbAg4I5; 30 % водный раствор КОН и NiOOH(+)
3) Псевдоконденсаторы — ионисторы, использующие обратимые электрохимические процессы на поверхности электродов. Имеют высокую удельную емкость. Электрохимическая схема: (-) Ni(H) / 30 % водный раствор КОН / NiОOH (+); (-) С(Н) / 38 % водный раствор Н2SO4 / PbSO4(РbO2) (+).
Протекающая электрохимическая реакция заставляет часть электронов оторваться от электродов, в результате чего электрод становится носителем положительного заряда.
Отрицательные ионы, расположенные в электролите, начинают притягиваться электродами с плюсовым зарядом.
Весь этот процесс является условием для формирования так называемого электрического слоя.
А накопленный заряд хранится в пограничной области раздела между электродом и электролитом. И толщина сформированного анионами и катионами слоя составляет от 1 до 5 нм.
С появлением ионисторов стало возможным использовать конденсаторы в электрических цепях не только как преобразующий элемент, но и как источник напряжения. Широко применяются в качестве замены батареек для хранения информации о параметрах изделия при отсутствии внешнего питания. Такие элементы имеют как несколько преимуществ, так и недостатков над обычными химическими источниками тока — гальваническими элементами и аккумуляторами:
Высокая стоимость изделия. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . До сих пор ионистор стоит существенно дороже обычных конденсаторов и аккумуляторов
Низкое напряжение изделия, на которое рассчитан ионистор. Особенность суперконденсатора такова, что они рассчитаны на довольно низкое напряжение, величина которого зависит от вида применяемого электролита. Для увеличения напряжения ионисторы соединяют последовательно. Но помимо такого соединения необходимо каждый суперконденсатор шунтировать резистором по причине выравнивания напряжение на отдельном ионисторе.
Если превысить рабочую температуру в 70 градусов по Цельсию, то высока вероятность, что изделие просто разрушится.
Суперконденсатор – полярный элемент, поэтому при подключении необходимо соблюдать полярность.
Электроды выполняют, как правило, путем использования пористых материалов, таких, как активированный уголь или вспененные металлы, вместо обычных изоляционных материалов. Общая площадь поверхности, даже в тонком слое такого материала, во много раз больше, чем в традиционных материалах, таких как алюминий, что позволило хранить заряд в любом объеме.
Плотность энергии ионисторов пока еще в несколько раз меньше возможностей аккумуляторов. Например, плотность энергии ионистора BCAP3000 3000Ф x 2.7В массой 0.51 кг составляет 21.4 кДж/кг. Это в 7.6 раз меньше плотности энергии свинцовых электролитических аккумуляторов, в 25 раз меньше литий-полимерных аккумуляторов, но в десятки раз больше плотности энергии электролитического конденсатора.
Плотность мощности ионистора зависит от внутреннего сопротивления. В последних моделях ионисторов внутреннее сопротивление достаточно мало, что позволяет получать мощность, сравнимую с аккумуляторной.
В 1997 году исследователи из CSIRO разработали супер-конденсатор, который мог хранить большой заряд за счет использования пленочных полимеров в качестведиэлектрика. Электроды были изготовлены из углеродных нанотрубок. У обычных конденсаторов удельная энергия составляет 0,5 Вт·ч/кг, а у конденсаторов PET она была в 4 раза больше.
В 2008 году индийские исследователи разработали опытный образец ионистора на основе графеновых электродов, обладающий удельной энергоемкостью до 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30—40 Вт·ч/кг) .
В 2011 году корейские ученые под руководством профессора Чой Джунг Вук (Choi Jung-wook) разработали суперконденсатор, изготовленный с применением графена и азота, обеспечивающий удвоенную емкость по сравнению с традиционными источниками энергии того же класса. Улучшение электрических свойств элемента питания было достигнуто благодаря добавлению азота.
На схемах ионистор обозначается точно так же как и электролитический конденсатор и различить их можно лишь по сопутствующей надписи. Так, например, если рядом со схематическим изображением будет написано 0,47F 5,5V, . Так как обычных конденсаторов на такую емкость не производят да и низкое напряжение помогает определить.
Тяжелый и общественный транспорт
В настоящее время автобусы с питанием от ионисторов выпускаются фирмами Hyundai Motor и «Тролза».
Автобусы на ионисторах от Hyundai Motor представляют собой обыкновенные автобусы с электроприводом, питаемым от бортовых ионисторов. По задумке конструкторов из Hyundai Motor такой автобус будет заряжаться на каждой второй или каждой третьей остановке, причем длительности остановки достаточно для подзарядки автобусных ионисторов. Hyundai Motor позиционирует свой автобус на ионисторах как экономичную альтернативу троллейбусу (нет необходимости прокладывать контактную сеть) или дизельному (и даже водородному) автобусу (электроэнергия пока дешевле дизельного или водородного топлива).
Автобусы на ионисторах от «Тролзы» технически представляют собой «бесштанговые троллейбусы». То есть конструктивно это троллейбус, но без штанг питания от контактной сети и, соответственно, с питанием электропривода от ионисторов.
Но особенно перспективны ионисторы в качестве средства реализации системы автономного хода для обычных троллейбусов. Троллейбус, оборудованный ионисторами, по маневренности приближается к автобусу. В частности такой троллейбус может:
Таким образом троллейбусная система, эксплуатируя оборудованные ионисторами троллейбусы, по гибкости приближается к обычной автобусной.
Автомобильный
Ё-мобиль — проект автомобиля, разрабатывавшийся в Российской Федерации, использовал суперконденсатор как основное средство для накопления электрической энергии. Сами эти суперконденсаторы пока не выпускаются серийно и разрабатывались параллельно с автомобилем.
Существуют проекты, объединяющие суперконденсатор и химический аккумулятор в едином блоке, что взаимно компенсирует недостатки тех и других. В результате получается накопитель с большим сроком службы, меньшей стоимостью и большим запасом энергии, чем при использовании обычных аккумуляторов.
Автогонки
Система KERS, применяющаяся в «Формуле-1», использует именно ионисторы.
Применяются для основного и резервного питания в фотовспышках, фонарях, карманных плеерах и автоматических коммунальных счетчиках — везде, где требуется быстро зарядить устройство. Лазерный детектор рака молочной железы на ионисторах заряжается за 2,5 минуты и работает 1 минуту.
В 2007 году выпустили шуруповерт, в котором ионисторы общей емкостью 55 фарад заряжаются 1,5 минуты. Заряда хватает на 22 шурупа.
В магазинах автоаксессуаров продаются ионисторы емкостью порядка 1Ф, предназначенные для питания автомагнитол (и аппаратуры, питаемой от разъема прикуривателя) при выключенном зажигании и в период старта двигателя (на многих автомобилях на время работы стартера отключаются все остальные потребители), а также для сглаживания скачков напряжения при пиковых нагрузках, например, работы мощных динамиков.
Согласно заявлениям сотрудников MIT 2006 года , ионисторы могут в скором времени заменить обычные аккумуляторы. Кроме того, в 2009 году были проведены испытания аккумулятора на основе ионистора, в котором в пористый материал были введены наночастицы железа. Полученный двойной электрический слой пропускалэлектроны в два раза быстрее за счет создания туннельного эффекта. Группа ученых из Техасского университета в Остине разработала новый материал, представляющий собой пористый объемный углерод. Полученный таким образом углерод обладал свойствами суперконденсатора. Обработка вышеописанного материала гидроксидом калия привела к созданию в углероде большого количества крохотных пор, которые в сочетании с электролитом смогли хранить в себе колоссальный электрический заряд .
В настоящее время создана одна из необходимых частей конденсатора — твердый нанокомпозиционный электролит с проводимостью по ионам лития. Ведется разработка электродов для конденсатора. Одна из задач — уменьшить размеры ионистора за счет внутренней структуры.
Графен предлагается в качестве замены активированного угля в суперконденсаторах, частично из-за его высокой относительной площади поверхности (которая более значительна, чем у активированного угля). Площадь поверхности является одним из ограничений емкости, а более высокая площадь поверхности означает большее накопление электростатического заряда. Кроме того, суперконденсаторы на основе графена будут использовать его малый вес, упругие свойства и механическую прочность. Графен представляет собой тонкий слой чистого углерода, плотно упакованный и связанный в шестиугольную сотовую решетку. Он широко известен как «чудодейственный материал», потому что он наделен множеством удивительных черт: это самое тонкое соединение, известное человеку с толщиной в один атом, а также самый известный проводник. Он также обладает удивительными характеристиками прочности и поглощения света и даже считается экологически чистым и устойчивым, так как углерод широко распространен в природе и даже в человеческом теле. Суперконденсаторы на основе графена накапливают почти столько же энергии, сколько простые литий-ионные аккумуляторы, заряжаются и разряжаются за считанные секунды и поддерживают все это в течение десятков тысяч циклов зарядки.
Одним из способов достижения этого является использование высокопористой формы графена с большой площадью внутренней поверхности (изготовленной путем упаковки порошка графена в ячейку в форме монеты, а затем высушивания и прессования). Графеновые суперконденсаторы, основанные на быстром накоплении ионов, обеспечивают высокую мощность, длительную стабильность и эффективное накопление энергии с использованием высокопористых электродных материалов. Используя масштабируемый метод синтеза нанопористого графена, включающий процесс отжига в водороде, суперконденсаторы с высокопористыми графеновыми электродами, способны достигать не только высокой плотности мощности 41 кВт кг-1 и кулоновского КПД 97,5%, но также высокой плотность энергии 148,75 Вт.ч. кг-1. Устройства могут сохранять 100% емкость даже после 7000 циклов заряда/разряда при плотности тока 8 А г-1 . Превосходные характеристики суперконденсаторов обусловлены их идеальным размером пор, однородностью пор и хорошей ионной доступностью синтезированного графена. В 10 раз больше энергии на единицу объема!
К сожалению, в одной статье не просто дать все знания про ионистор. Но я - старался. Если ты проявишь интерес к раскрытию подробностей,я обязательно напишу продолжение! Надеюсь, что теперь ты понял что такое ионистор, суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор, графеновые суперконденсаторы и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база