Что такое ионистор как он работает: Устройство суперконденсаторов (ионисторов), применение

Ионисторы Panasonic: физика, принцип работы, параметры

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

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

 

Физико-химические основы работы ионистора

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

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

 

Принцип работы и возможные конструкции

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

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

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

Общая емкость ионистора может быть представлена как:

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

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

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

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

Эквивалентная схема

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

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

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

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

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

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

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

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

Электрические, эксплуатационные и надежностные параметры ионисторов

Емкость

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

Рис. 8. Зависимость напряжения для ионистора от времени

Емкость ионистора может быть оценена следующим образом:

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

Внутреннее сопротивление

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

Характеристика заряда

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

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

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

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

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

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

Характеристика разряда и саморазряда

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

Характеристика саморазряда ионистора может быть представлена следующим образом:

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

Предполагаемый срок эксплуатации, срок службы и t_back-up

Предполагаемый срок эксплуатации может быть оценен следующим образом:

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

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

Параметр t_back-up может быть рассчитан следующим образом:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Типы и характеристики ионисторов Panasonic

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

Рис. 11. Различные семейства ионисторов Panasonic

Таблица 1. Рекомендуемые серии для типичных применений

Таблица 2. Диапазон емкостей

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

Таблица 3. Диапазон токов

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

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

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

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

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

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

Ионистор: устройство, применение и характеристики

Содержание:

Ионистор впервые появился еще в 20 веке.  Изобрел это устройство американец Райтмаер, химик по образованию. В различных источниках и научной литературе этот прибор называется по-разному – суперконденсатор или ультраконденсатор. По своему внешнему виду ионистор похож на электролитический конденсатор, единственное и существенное отличие – это его емкость, она намного превышает обычные значение для этих радиодеталей.

В странах ЕС и США они обозначаются аббревиатурой EDLC, что переводится как конденсатор с двойным слоем. В данной статье будет разобрано строение, структура, применение ионисторов, где они используются. В качестве дополнения статья содержит в себе скачиваемые материал с точными техническими характеристиками и два видеоролика.

Что такое ионистор

Ионистор (или суперконденсатор) – это энергонакопительный конденсатор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух сред – электрода и электролита. Энергия в ионисторе содержится в виде статического заряда. Накопление совершается, если к его обкладкам будет приложена разность потенциалов (постоянное напряжение).

Концепция создания ионисторов появилась недавно, и в настоящее время они заняли свою нишу применения. Ионисторы успешно могут заменять химические источники тока в качестве резервного (микросхемы памяти) или основного подзаряжаемого (часы, калькуляторы) источника питания.

Структура ионистора

Если обычный конденсатор представляет собой обкладки из фольги, разделенные сухим сепаратором, то ионистор – это комбинация конденсатора с электрохимической батареей. В нем применяются специальные обкладки и электролит.

В качестве обкладок используются материалы одного из трех типов: обкладки большой площади на основе активированного угля, оксиды металлов и проводящие полимеры. Использование высокопористых угольных материалов позволяет достичь плотности емкости порядка 10 Ф/см3 и больше.

Ионисторы на базе активированного угля наиболее экономичны в изготовлении. Их еще называют двухслойными или DLC-конденсаторами, потому что заряд сохраняется в двойном слое, образующемся на поверхности обкладки.

[stextbox id=’info’]Электролит ионисторов может быть водным либо органическим. Ионисторы на основе водного электролита обладают небольшим внутренним сопротивлением, но напряжение заряда для них ограничено 1 В. А ионисторы на основе органических электролитов обладают более высоким внутренним сопротивлением, но обеспечивают напряжение заряда 2…3 В.[/stextbox]

Для питания электронных схем нужны более высокие напряжения, чем обеспечивают ионисторы. Для получения нужного напряжения их включают последовательно. 3-4 ионистора обеспечивают напряжение достаточной величины.

Величина энергетической емкости конденсаторов измеряется в пикофарадах, нанофарадах и микрофарадах, в то время как емкость ионисторов (суперконденсаторов) на самом деле огромна и измеряется в фарадах (Ф). В ионисторах достижима энергетическая плотность от 1 до 10 Вт/кг. Она больше, чем у типичных конденсаторов, но меньше, чем у аккумуляторов. Относительно низкое внутреннее сопротивление ионисторов обеспечивает хорошую проводимость.

Ионистор

Параметры

Ионисторы отличаются следующими характеристиками:

1. Внутреннее сопротивление (измеряется в миллиОмах).
2. Максимальный ток. (А).
3. Номинальное напряжение (В).
4. Емкость (Ф).
5. Параметры саморазряда.

В качестве электродов в приборе применяется активированный уголь или углерод на вспененной основе. Эти компоненты помещаются в электролит. Сепаратор предназначен для защиты устройства от короткого замыкания электродов. В современных устройствах не используется электролит на основе кислоты или кристаллического раствора щелочи, так как данные компоненты обладают высоким уровнем токсичности.

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

Во внутренних полостях конструкции содержится электролит, запасающий электроэнергию при взаимодействии с пластинами. Первые электрохимические ионисторы (молекулярные накопители энергиибыли) разработаны более 50 лет назад. Они были изготовлены на основе пористых углеродных электродов. В настоящее время они используются в некоторых электрических приборах. По сравнению с литий – ионными аккумуляторами современные ионисторы характеризуются большим ресурсом и высокой скоростью разряда.

При использовании ионисторов можно добиться более экономичного режима работы за счет аккумулирования излишков энергии. Между обкладками конструкции располагается не стандартный слой диэлектрика, а более толстая прослойка, позволяющая получить тонкий зазор.

При этом прибор обеспечивает возможность получения электроэнергии в больших объемах. Суперконденсатор аккумулирует и расходует заряды быстрее, чем альтернативные варианты. Двойной слой диэлектрика увеличивает площадь электродов. Это позволяет улучшить электрические характеристики.

Связка из шести ионисторов

Отличия суперконденсаторов от аккумуляторов

Суперконденсаторы часто применяются вместо батарей. Стандартные конденсаторы способны хранить небольшое количество электроэнергии. Суперконденсаторы могут накапливать заряды в тысячи, миллионы и миллиарды раз больше.

Подобные приборы работают быстрее батарей. Это обусловлено тем, что суперконденсатор создает статистические заряды на твердых телах, а батареи зависят от медленно протекающих химических реакций.

Батареи характеризуются более высокой плотностью энергии, а ионисторы более высокой плотностью мощности. Суперконденсаторы способны функционировать при низких показателях напряжения, а для получения большего напряжения, их нужно последовательно соединить. Такой вариант необходим для более мощного оборудования.

Технология ионисторов может найти применение в энергетике и приборостроении. Одно из применений – использование в ветряных турбинах. Подобные приборы помогают сгладить прерывистое питание от ветра.

В портативных электронных приборах используются источники питания разнообразных типов. В таких устройствах, как планшеты, смартфоны и ноутбуки важное значение имеет удельная энергоемкость. Чем больше данный показатель, тем выше будет емкость устройства при тех же физических параметрах.

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.

Плоский ионистор

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.

[stextbox id=’warning’]В момент замены батареек или аккумуляторов в плеере могут сбиться настройки частоты радиостанции, часов. Благодаря встроенному ионистору этого не происходит. Он питает электронную схему. [/stextbox]

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.

Перспективы использования

Ионисторы с каждым годом становятся все совершенней. Важным параметром, которому ученые уделяют особое внимание – является увеличение удельной емкости. Через какое – то время планируется подобными приборами заменить аккумуляторы. Такие элементы позволяют заменить батареи в различных технических сферах. Специалисты возлагают большие надежды на разработку графеновых устройств. Применение инновационного материала поможет уже в ближайшее время создать изделия с высокими показателями запасаемой удельной энергии.

Ионистор нового образца в несколько раз превосходит альтернативные варианты. Данные элементы имеют в своей основе пористую структуру. Применяется графен, на котором распределяются частицы рутения. Преимуществом графеновой пены является способность удержания частиц оксидов переходных металлов. Подобные суперконденсаторы работают на водном электролите, что позволяет обеспечить безопасность эксплуатации.

Интересно почитать: что такое электрический ток.

В перспективе новинки будут применяться в сфере изготовления персонального электрического транспорта. Приборы на основе графеновой пены могут перезаряжаться до 8000 раз без ухудшения качественных характеристик. В сфере автомобильного строения проводятся разработки альтернативных разновидностей топлива и устройств накопления энергии высокой эффективности. Подобные приборы могут применяться для грузового транспорта, электрических автомобилей и поездов.

Батарея из суперконденсаторов

В автомобилестроении суперконденсаторные батареи находят следующие применения:

1. Пусковое устройство  подсоединяется параллельно стартерным батареям. Применяется для повышения эксплуатационного срока и улучшения пусковых характеристик двигателя.
2. Для стабильного питания акустических систем большой мощности в автомобиле.
3. Буферные батареи подходят для применения в гибридном транспорте. Они характеризуются небольшой емкостью и значительной выходной мощностью.
4. Тяговые батареи актуальны при использовании в качестве основного источника питания.

Суперконденсаторы обладают множеством преимуществ по сравнению с аккумуляторами в автомобильной промышленности. Они превосходно выдерживают перепады напряжения. Приборы характеризуются легкостью, поэтому можно устанавливать большое их количество. Для сферы микроэлектроники разрабатываются новые технологии по производству компактных суперконденсаторов.

При производстве электродов применяются специальные методы осаждения на тонкую подложку из диоксида кремния специальной углеродистой пленки. Использование суперконденсаторов позволяет внедрить в жизнь экологические технологии экономии энергии. В перспективе предусмотрено расширение сфер применения таких приспособлений для отраслей автотранспорта, мобильной техники и средств связи.

Заключение

Рейтинг автора

Написано статей

Более подробно о том, что такое ионистор, рассказано в статье Ионистор в автономной электрической цепи Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. А также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.electrosam.ru

www.na-dostupnom.ru

www.ultracapacitor.ru

www.electrik.info

www.powerinfo.ru

Предыдущая

КонденсаторыФормула расчёта сопротивления конденсатора

Следующая

КонденсаторыБумажный конденсатор – что это?

Как они работают, преимущества и недостатки

Люди часто выражают беспокойство по поводу качества наружного воздуха. Но как насчет качества воздуха в помещении, например, на работе или дома?

Взвешенные в воздухе частицы, такие как пыль, токсины и микробы, могут привести к ухудшению качества воздуха в помещении. Это может повлиять на ваше дыхание и со временем привести к нежелательным последствиям для здоровья. Это также может ухудшить существующие состояния, такие как астма.

Если вы заинтересованы в очистке воздуха в помещении, вам может быть интересно, справятся ли с этой задачей ионизаторы. Ионизаторы — это устройства, которые удаляют определенные частицы в воздухе с помощью отрицательных ионов. Задача ионизатора воздуха состоит в том, чтобы помочь частицам воздуха осесть и собраться из воздуха.

Ионизаторы могут помочь улучшить качество воздуха в помещении, но они также могут иметь потенциальные недостатки. В этой статье мы рассмотрим, что делают ионизаторы, а также их преимущества и риски.

Чтобы понять, что делают ионизаторы воздуха, полезно знать, что такое аэроионы.

Ионы воздуха представляют собой молекулы с электрическим зарядом. Это невидимые молекулы, которые плавают в атмосфере. Отрицательные ионы — это молекулы, получившие электрон; положительные ионы – это те, которые потеряли электрон.

Ионизатор воздуха — это устройство, выпускающее в воздух отрицательные ионы. Отрицательные ионы прикрепляются к мельчайшим частицам, как в табачном дыме.

Это придает частицам электрический заряд, заставляя их слипаться и приземляться на такие поверхности, как:

• стены
• потолки
• полы
• столешницы
• шторы
• ковры и коврики
• металлические коллекторные пластины в устройстве

После того, как частицы приземлились на что-либо, их можно очистить.

Научный обзор 2018 года показал, что отрицательные ионы могут остановить рост вирусов. Другой научный обзор 2020 года показал, что озон, вырабатываемый ионизаторами, может инактивировать вирусы в воздухе и на поверхностях.

Озон — бесцветный газ, который образуется, когда ионы заряжают другие частицы. Он инактивирует вирусы, повреждая их генетический материал и мембраны.

В ответ на пандемию COVID-19 люди устанавливают ионизаторы в офисах и ресторанах. Цель состоит в том, чтобы улучшить качество воздуха и снизить уровень SARS-CoV-2, вируса, вызывающего COVID-19..

Согласно обзору 2020 года, считается, что озон может работать против SARS-CoV-2. Было обнаружено, что он очень эффективен против других вирусов SARS. Но неясно, насколько хорошо ионизаторы работают против SARS-CoV-2. Необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, может ли озон, специально производимый ионизаторами, уничтожать SARS-CoV-2.

Ионизаторы используют отрицательные ионы для удаления мелких частиц из воздуха. Это может помочь уменьшить запахи и сделать воздух более свежим.

Согласно научному обзору литературы по ионизации за 2018 год, отрицательные ионы также:

• подавление вирусов, бактерий и видов плесени
• уменьшение стресса
• регулирование режима сна
• повышение иммунитета
• поддержка настроения

Несмотря на потенциальные преимущества использования ионизатора, у этого устройства есть некоторые недостатки. Важно помнить об этих рисках перед покупкой ионизатора.

Вот некоторые недостатки:

Неэффективны при астме и аллергии

Ионизаторы не способны удалять из воздуха крупные частицы, в том числе вызывающие симптомы астмы и аллергии.

К ним относятся такие частицы, как:

• пыль
• перхоть
• пыльца

Использование ионизатора может быть бесполезным, если у вас астма или аллергия.

Неэффективен для запахов и газов

Ионизаторы не уничтожают запахи и газы, включая летучие органические соединения (ЛОС). ЛОС выделяются из таких продуктов, как краски, чистящие средства и клеи.

ЛОС считаются загрязнителями помещений и могут вызывать проблемы со здоровьем. К сожалению, ионизаторы неэффективны для снижения содержания летучих органических соединений в воздухе.

Выделяет озон

Как упоминалось ранее, ионизаторы производят озон. Это происходит, когда отрицательные ионы электрически заряжают частицы в воздухе.

Хотя озон может действовать против микроорганизмов, таких как вирусы, он также вызывает раздражение легких. Вдыхание небольшого количества озона может вызвать краткосрочные эффекты, такие как:

• раздражение горла
• боль в груди
• кашель
• одышка
• затрудненное дыхание

В долгосрочной перспективе озон может вызвать такие последствия для здоровья, как:

• снижение функции легких
• обострение астмы
• повышенный риск респираторных инфекций
• воспаление легких

Существует несколько типов ионизаторов на выбор. Сюда входят:

Биполярная ионизация

Биполярная ионизация — это технология, которая производит положительные и отрицательные аэроионы.

Часто используется с другими устройствами, такими как системы HVAC. Биполярная ионизация является относительно новой, поэтому исследования ограничены.

Ионизатор на вентиляторах

Вентилятор использует вращающиеся лопасти для циркуляции воздуха. Это полезно для увеличения вентиляции в помещении.

Некоторые вентиляторы также имеют функцию ионизации. Эти устройства циркулируют воздух и способствуют потоку воздуха, выпуская отрицательные ионы.

Очиститель воздуха с ионизатором

Очиститель воздуха — это устройство, удаляющее из воздуха вредные частицы. Он также известен как:

• комнатный воздухоочиститель
• переносной воздухоочиститель
• дезинфицирующее средство для воздуха

Как правило, очистители воздуха используют фильтр и вентилятор для очистки воздуха. В отличие от ионизатора, очиститель воздуха эффективно удаляет пыль и пыльцу. Его часто рекомендуют людям, страдающим астмой или аллергией.

Некоторые очистители воздуха также имеют технологию ионизации. Это означает, что устройство очищает воздух, испуская отрицательные ионы.

Ионизаторы — это устройства, выпускающие в воздух отрицательные ионы. Эти ионы электрически заряжают другие частицы, заставляя их собираться на таких поверхностях, как пол и потолок. Они также могут работать против вредных микроорганизмов, таких как вирусы или споры плесени.

Люди используют ионизаторы для удаления мелких частиц из воздуха и улучшения качества воздуха в помещении. Ионизаторы не могут удалить крупные частицы, например те, которые вызывают астму и аллергию. Они также могут выделять озон — бесцветный газ, вызывающий раздражение легких.

Если вы заинтересованы в использовании ионизатора, сначала изучите информацию. Вам также следует поговорить со своим врачом, если вы хотите улучшить воздух в помещении из-за состояния здоровья. При использовании ионизатора или любого подобного устройства обязательно следуйте инструкциям.

Все об ионизаторах и ионизаторах

Ионизаторы (ионизаторы)

Если вы читаете эту страницу, скорее всего, вы задумывались о покупке чего-то для очистки воздуха у себя дома или, может быть, в офисе. Термин «ионизатор» стал синонимом очистки воздуха из-за того, что технология существует уже очень давно, но, верьте или нет, воздушные фильтры-ионизаторы на самом деле являются одной из самых низких форм очистки воздуха, доступных сегодня.

Что такое ионизатор и для чего он нужен?
Ионизаторы (также иногда называемые ионизаторами) или генераторы отрицательных ионов создают статический заряд вокруг переносимых по воздуху загрязняющих веществ, которые плавают в вашей комнате. Будучи заряжены статическим электричеством, эти частицы (пыль, аллергены, шерсть домашних животных и т. д.) просто прилипают к ближайшей поверхности, которую они находят. Ваш воздух кажется свежим, потому что загрязняющие вещества больше не парят в воздухе, но факт в том, что эти загрязняющие вещества теперь прочно прилипли ко многим поверхностям комнаты, таким как стены, мебель, ковры и столешницы.

Вот почему вы часто видите черное кольцо вокруг основания ионизатора, когда его перемещают.

Некоторые ионизаторы имеют внутри пластины для сбора . Предполагается, что они собирают заряженные частицы, чтобы вы могли смыть их, когда тарелки наполнятся. Но на самом деле большая часть частиц уже прилипла к ближайшей поверхности в комнате, и очень немногие действительно добираются до ионизатора.

Является ли ионизатор эффективной формой очистки воздуха?
Одним словом, нет. В конечном счете, воздушный фильтр с ионизатором не удаляет какие-либо вредные частицы из помещения, а просто осаждает их на ближайшей поверхности. Если вы серьезно хотите улучшить качество воздуха в своем доме, то вам следует стремиться удалить вызывающие раздражение аллергены и частицы пыли, а не просто перемещать их. Логичным выбором будет либо фильтр Hepa хорошего качества, либо, возможно, даже стерилизатор воздуха.

Если не ионизатор, то что мне искать?
Ну, в зависимости от того, что вы хотите удалить из воздуха, вашей первой мыслью, вероятно, должен быть очиститель воздуха Hepa хорошего качества. Приличный очиститель воздуха Hepa на самом деле собирает и удаляет более 99% всех переносимых по воздуху загрязнителей размером до 0,3 микрона. На самом деле лучшие очистители воздуха Hepa, такие как производимые шведской компанией Blueair, улавливают частицы размером до 0,1 микрона. Это весьма примечательно, если учесть, что диаметр человеческого волоса составляет около 100 микрон! Вы можете ознакомиться с ассортиментом очистителей воздуха Hepa компании Blueair здесь.

Каковы размеры в микронах переносимых по воздуху аллергенов и пыли?
Размер наиболее распространенных аллергенов, таких как пыльца, споры плесени, перхоть домашних животных и фекалии пылевых клещей, варьируется от 100 микрон до 0,3 микрона, поэтому они легко отфильтровываются хорошим очистителем воздуха Hepa. Некоторая бытовая пыль, пыль от инсектицидов, грибки и бактерии могут быть размером всего 0,01 микрона, а на самом маленьком конце шкалы находятся вирусы и бактерии, размер которых может достигать 0,001 микрона.