Ионистор что это: Может ли ионистор заменить аккумулятор? / Хабр

Содержание

Ионисторы – аккумуляторы будущего?

Статья о современных ионисторах. Их особенностью является способность отдавать большое количество энергии за очень небольшой временной интервал. Устройство уже широко применяется в различных отраслях. Возможно, что ионисторы скоро повсеместно заменят обычные химические элементы питания.

Ионистор (другие названия: суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор) – электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.

Ионисторы или суперконденсаторы появились сравнительно недавно. Первое такое электрическое устройство запатентовала фирма General Electric в 1957 году. Особенностью ионистора является способность отдавать большое количество энергии за очень небольшой временной интервал.

Обыкновенный конденсатор – это две пластины из металла, между которыми расположен слой диэлектрика. Причем электрическая ёмкость конденсатора напрямую зависит от площади пластин, которые исполняют роль электродов. А поскольку увеличение пластин в размерах приводило к увеличению самого прибора, долгое время повысить ёмкость конденсаторов не удавалось. Однако выход всё же нашелся. Благодаря применению для изготовления электродов пористых материалов. Площадь пор такой пластины в десятки раз больше площади поверхности электрода из обычного металла.

После долгих опытов был найден и наиболее подходящий пористый металл. Им оказался обычный активированный уголь. Следующим шагом от конденсатора к ионистору стала замена диэлектрика на кристаллический твёрдый электролит, сделанный на основе растворов кислот и щелочей. При взаимодействии пористого металла с электролитом на его поверхности образуется двойной электрический слой из ионов и электронов. Эти заряды не могут сблизиться из-за сопротивления молекул воды и ионов металла.

Таким образом, получается устройство схожее по принципу действия с конденсатором.

Однако расстояние между зарядами, которые, по сути, являются электродами, гораздо меньше толщины диэлектрика, применяемого в обычном конденсаторе, поэтому и электрическая ёмкость такого устройства в десятки раз больше. Для сравнения: энергии обычного конденсатора хватит, чтобы поднять его в воздух примерно на полтора метра, а ионистор весом в 0,5 граммах может подпрыгнуть за счёт своего заряда на целых 293 метра. Во время зарядки ионистора на порах металла с одной стороны образуются положительные ионы, а с другой – накапливаются электроны. В процессе отдачи энергии они плавно перетекают друг к другу, образуя нейтральные атомы металла. Чтобы таким образом не произошла полная разрядка прибора, между слоями металла применяется разделительный слой из нейтрального вещества (пластика, бумаги, ваты и т.д.). Ионистор очень быстро накапливает заряд и также быстро его отдаёт. Кроме этого, у него есть ряд других преимуществ:

неограниченное количество циклов заряда и разряда;
накапливаемая энергия обладает высокой плотностью;
прибор не нагревается в отличие от энергоносителей, в основу действия которых заложены химические реакции;
удобство зарядки: когда ионистор заряжается полностью, он просто перестает принимать заряд;
выдерживает температуру от –50 до +85 градусов Цельсия;
ионистор экологически безопасен;
коэффициент полезного действия может достигать 98%.

Все эти преимущества позволяют говорить о том, что масштабы применения ионисторов безграничны. Они получили широкое распространение в компьютерных устройствах в качестве источников питания для элементов памяти. В микроэлектронике и радиотехнике ионисторы применяют в качестве кратковременных мощных источников тока и источников бесперебойного питания. В популярных сегодня новых автомобилях с гибридной силовой установкой также используются суперконденсаторы для уменьшения нагрузки на аккумулятор. В качестве замены батарей ионисторы уже применяются во многих областях. Ионисторы малой емкости устанавливают в мобильные телефоны, а особо мощные – в автомобили. Если сравнивать их с обычными химическими батареями, то последние проигрывают по целому ряду показателей. Они экологически небезопасны, имеют ограниченное количество циклов заряда, долго заряжаются, склонны к перегреву. На сегодняшний день более широкому использованию ионисторов препятствует только их высокая цена. Однако компании-производители рассчитывают в течение ближайших 5 лет снизить ее вдвое, применяя нанотехнологии.

Ионисторы Справочники Любительская Радиоэлектроника

Ионисторы

В последние годы появился класс новых приборов, функционально близких к конденсаторам очень большой емкости; по существу – занимающих положение между конденсаторами и источниками питания. Это – ионисторы, конденсаторы с двойным электрическим слоем.

Номинальное напряжение ионистра зависит от вида используемого в нем электролита и является для него максимально допустимым. Для получения более высокого рабочего напряжения ионисторы соединяют последовательно. Но делать это самостоятельно не рекомендуется – параметры ионистров в такой связке должны быть очень близкими.

Внутреннее сопротивление R_вн ионистора может быть расчитано по формуле: R_вн=U/I_кз, где R_вн – в омах; U – напряжение на ионисторе, В; I

кз – ток короткого замыкания, А.

Для ионистора К58-3 (японский аналог DC-2R4D225) R_вн=10…100 Ом.

Электрическую емкость ионистора расчитывают по формуле: C=I*t/U_ном, где C – емкость, Ф; I – постоянный ток разрядки, А; U_ном – номинальное напряжение ионистора, В; t – время разрядки от U_ном до нуля, с.

Важнейший параметр ионистора – ток утечки. Особенно при использовании его в качестве резервного источника питания.

Габариты некоторых ионисторов, выпускаемых в России, показаны на рис. 1. Ионистор К58-9А представляет собой залитый компаундом ионистор К58-3 с приваренными проволочными выводами (“+” маркирован черной точкой). Ионисторы К58-9Б и К58-9В (японский аналог DB-5R5D105) на напряжение 5 и 6,3 В состоят, соответственно, из двух и трех соединенных последовательно ионисторов К58-3.

Рис. 1. Ионисторы

В принципе ионистор – неполярный прибор. Вывод “+” указывают для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе.

Основные характеристики отечественных ионисторов приведены в таблице 1. Их рабочие температуры – -25…+70°C; отклонения емкости от номинальной – -20…+80%.

Таблица 1

Тип ионистора	Емкость, Ф	Номинальное напряжение, В	Внутреннее сопротивление, Ом	Габариты a-b-c-d-e, мм	Масса, г
58-3	2,00	2,5	30	18,3---*-2,7	2,0
58-9А	0,47	2,5	80	10,5-14-5-26-4,5	0,5
”	2,00	2,5	30	19-23-5-38-5,5	2,0
58-9Б	0,62	5,0	60	27-22,5-10-35-13	11,0
”	1,00	5,0	60	27-22,5-10-35-13	11,0
”	0,62	6,3	90	27-22,5-10-35-13	11,0
58-9В	1,00	5,0	60	21,5-8-5-4-*	8,0
”	0,62	6,3	90	21,5-10,5-5-16,5-*	10,0

Долговечность ионистора зависит от условий эксплуатации. Так, при работе под напряжением U_ном при температуре окружающей среды +70°C гарантированная долговечность составит 500 часов. При работе под напряжением 0,8U_ном она увеличивается до 5000 часов. Если же напряжение на ионисторе не превышает 0,6U_ном, а температура окружающей среды – +40°C, то ионистор будет исправно работать не менее 40000 часов.

Рис. 2. Типовые разрядные характеристики ионисторов

На рис. 2 показаны типовые разрядные характеристики ионисторов. Зависимость емкости ионистора от тока разряда (для температур +25°C и +70°C) показана на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость емкости ионистора от тока разряда

На рис. 4 показана зависимость тока зарядки от времени зарядки ионистора (для температур -15°C, +25°C и +80°C).

Рис. 4. Зависимость тока зарядки от времени зарядки ионистора

Зависимость тока утечки ионистора от рабочего напряжения приведена на рис. 5, а от температуры окружающей среды – на рис. 6.

Рис. 5. Зависимость тока утечки ионистора от рабочего напряжения

Рис. 6. Зависимость тока утечки от рабочего напряжения

Обычная схема включения ионистора в качестве резервного источника питания приведена на рис. 7. Диод VD1 предотвращает разряд ионистора C1 при U_пит=0. Резистор R1 ограничивает зарядный ток ионистора, защищая источник питания от перегрузки при включении. Он не потребуется, если источник питания выдерживает кратковременную нагрузку током 100…250 мА

Рис. 7. Включение ионистора в качестве резервного источника питания

Во многих случаях ионистор с успехом заменяет встраиваемые в прибор резервные источники питания. Весьма перспективен ионистор в качестве накопителя энергии при работе совместно с солнечными батареями. Здесь особенно ценна его некритичность к режиму заряда, практически неограниченное число циклов заряд-разряд.

Ионистор не требует ухода в течении всего срока службы.

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

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

yandex.ru

Как устроен ионистор

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

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

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

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

yandex.ru

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

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

Принцип работы

yandex.ru

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

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

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

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

Плюсы и минусы суперконденсаторов

yandex.ru

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

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

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

3. Нет необходимости обслуживать изделие.

4. Незначительный вес и скромные размеры.

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

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

yandex.ru

К минусам же ионисторов относят

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

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

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

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

Ионистор на схемах

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

yandex.ru

Область применения

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

Заключение

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

можно ли его заменить на

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

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

В чём плюсы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

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

В чём минусы конденсатора в сравнении с аккумулятором?

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

Почему суперконденсатор вместо аккумулятора на практике используют так редко?

1. У них разные цели

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

2. У конденсатора саморазряд

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

3. Разное напряжение

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

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

Польза ионисторов в регистраторах

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

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

Новые возможности использования ионисторов – Газета.Ru

В недалеком будущем электронные приборы, работающие от аккумуляторов, станут более компактными, эффективными и долгоживущими. О новой разработке, позволяющей внедрять более эффективные накопители энергии, суперконденсаторы-ионисторы, «Газете.Ru» рассказал ее автор — профессор Дрексельского университета, ученый c Украины Юрий Гогоци.

В век скоростей, мобильности и интенсивного ритма жизни «друзья человека» — мобильные телефоны и ноутбуки — также активно развиваются. Их размеры становятся все меньше, а возможности и время автономной работы все больше. Однако бесконечное эволюционное изменение существующих технологий, в частности источников питания, по понятным причинам невозможно. Рано или поздно они исчерпают свой ресурс, и произойдет переход к принципиально иным технологиям и устройствам.

Возможно, такой альтернативой обычным батарейкам станут суперконденсаторы. Сейчас их использование технологически ограничено, однако ученым из Университета Дрекселя (США) и их французским коллегам из Университета Тулузы удалось значительно усовершенствовать существующие суперконденсаторы. Это позволяет надеяться на их более широкое внедрение и принципиальное улучшение качества работы электронных устройств, которые стали неотъемлемой частью жизни миллионов людей по всей планете.

О разработанной технологии рассказал «Газете.Ru» руководитель работы профессор Дрексельского университета Юрий Гогоци.

— Чем отличаются суперконденсаторы от обычных конденсаторов?
— Суперконденсатор (в русскоязычной литературе их называют еще ультраконденсаторами или ионисторами) — это конденсатор с органическим или водным электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. В связи с тем что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) очень мала, а удельная площадь поверхности электрода очень велика, запасенная ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. Именно этим и определяются их уникальные свойства.

Для сравнения, обычный конденсатор, состоящий из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками) из металлической фольги, разделенных диэлектриком малой толщины, имеет емкость порядка от пикофарад до микрофарад. Больше заряда накопиться на поверхности раздела проводник-диэлектрик не может. А в суперконденсаторах вместо фольги используется пористый углерод. Особенность этого материала в его очень высокой удельной поверхности – до тысяч кв. м на грамм. То есть в крупинке этого материала скрыта площадь нескольких стадионов. Вот такой суперконденсатор может накопить гораздо больше заряда: относительно большой аппарат (размером с банку колы) имеет емкость в несколько тысяч фарад, то есть на 10 порядков величины больше, чем твердотельные конденсаторы.

Сейчас ионисторы широко используются в мобильных телефонах и в компьютерах.

Когда вы быстро выводите ноутбук (или другое портативное устройство) из спящего режима, для вас работает именно ионистор. Он позволяет обеспечить быструю передачу энергии, чтобы выйти из режима сна.

Однако эти суперконденсаторы по ряду причин не могут заменить обычную литиевую батарейку. Их конструкция — или пластина в пластиковой упаковке, или цилиндр, упакованный в алюминий, которые затем припаиваются к интегральным схемам. Ограниченность использования ионисторов объясняется несколькими факторами. Во-первых, до сих пор не было создано технологий, которые позволяют напрямую встроить ионистор в микросхемы. Во-вторых, не удавалось довести их емкость до значений, конкурентоспособных в мире батарей.

— Какие принципиально новые технические решения были предложены вами?
В опубликованной в Science работе мы показали метод, который позволяет в два-три раза увеличить емкость конденсатора на единицу объема, что решает одну из заявленных проблем. Кроме того, мы разработали технологию создания ионисторов в виде пленки, которая может быть интегрирована на поверхность кремниевых подложек и встроена в таком виде в электронное устройство.

100%

В принципе сам этот материал (углерод, полученный экстракцией металла из карбидов) исследовался для использования в ионисторах давно. Первые работы были сделаны в Санкт-Петербурге в конце 90-х годов С. Гордеевым, А. Кравчиком и другими. Но тогда были предложены технологии работы с порошками. Мы же не только продолжили работы на порошках, но и показали, что для более эффективного функционирования устройства можно перейти к пленкам.

В чем преимущество пленки перед порошком? При напылении порошка на подложку между его частичками остаются поры, попросту заполненные «бесполезным» электролитом. За счет этого снижается эффективность устройства и увеличивается его вес. Чтобы обойти эту проблему, нужна пленка, где размер пор будет полностью соответствовать размеру ионов электролита. Так снижается вес устройства, растет его эффективность, емкость, а также появляется возможность использовать нанопористую пленку как цельный объект.

Мы считаем, что наша работа закладывает новое направление, которое позволит использовать ионисторы более широко и эффективно, чем это делается сейчас. Ионисторы способны улучшить использование многих электронных приборов, так как обладают рядом серьезных преимуществ.

Во-первых, по сравнению с обычными батарейками они безапелляционно выигрывают по скорости зарядки.

Этот дает возможность использовать разряженный прибор уже через несколько секунд после того, как его вставили в розетку. Не нужно объяснять, насколько это удобно.

Во-вторых, срок жизни ионисторов почти неограничен: они выдерживают сотни, тысячи и даже миллионы циклов работы. То есть в отличие от батареек их не нужно заменять — они сами переживут любое устройство. Собственно, это одна из причин, по которым ионисторы менее известны «в народе», чем литиевые батарейки. Батарейки мы постоянно меняем, ругаемся на них, ищем лучшие, а ионисторы за время службы любых наших устройств работают стабильно, не дают о себе знать и работают до конца срока службы прибора. Вот поэтому мы о них и не знаем, хотя они есть во многих очень распространенных сейчас устройствах.

В-третьих, они обладают гораздо большей плотностью мощности, которая позволяет тронуть с места и быстро разогнать электромобиль, послать мощный радиосигнал или приложить максимальное усилие к электрической отвертке или дрели.

Есть у них и очевидные недостатки: у них заметно меньше плотность запасенной энергии. Если оснастить прибор одним лишь ионистором, время его работы будет очень коротким. Например, его может хватить лишь на несколько минут разговора по мобильному телефону. Но зато они полностью отдают заряд, то есть способны зарядиться от почти севшей батарейки и эффективно отдать энергию, которая в батарейке была уже «пассивной».

— Какова стоимость производства ионисторов?
— Что касается стоимости технологии ионисторов, она недорогая. Из материалов необходим углерод, алюминий для токосъемников и какой-то электролит. Им может быть хоть соленая вода, как и в других обычных приборах, или органические электролиты, которые могут давать большую плотность энергии. То есть фундаментально в этой технологии нет ничего дорогого – ни редких металлов (таких как тантал в хороших «обычных» конденсаторах), ни токсичных металлов. Фактически в данный конкретный момент они чуть более дорогие, потому что малы объемы производства: малые промышленные обороты неминуемо приводят к большей стоимости. Но это лишь вопрос времени. Вспомните батарейки литиевые 10 лет назад: цена была выше, а срок их жизни, эффективность работы — меньше. Сейчас индустрия ионисторов проходит ту стадию, на которой литиевые аккумуляторы были 10–15 лет назад.

— Расскажите о своей научной карьере
— Я закончил инженерно–физический факультет Киевского политехнического института в 1984 году и там же защитил кандидатскую диссертацию по физической химии в 1986. Докторскую диссертацию я делал в Институте проблем материаловедения (ИПМ) им. И. Н. Францевича Академии наук Украины. За рубежом я работаю с 1990 года (Германия, Япония и Норвегия – объездил полмира, чтобы понять, как наука организована в Азии и Европе), конкретно в США с 1996 года. В данный момент я руковожу Дрексельским институтом нанотехнологии, а также являюсь профессором материаловедения и инженерии в Дрексельском университете в Филадельфии.

100%

Я поддерживаю научные связи с моими коллегами в Киеве, как и с коллегами по всему миру. Наука вообще по сути интернациональна. Например, работа по ионисторам сделана в сотрудничестве с коллегами из Франции. Сейчас у меня в группе работает студентка из Московского государственного университета, с факультета наук о материалах, который возглавляет замечательный специалист и настоящий научный лидер академик Юрий Третьяков. Коллеги из Киева также приезжают сюда на работу и в аспирантуру. Продолжается и сотрудничество с Центром материаловедения, ИПМ и Киевским политехническим институтом (сейчас он называется Национальный технический университет) – между ним и Дрексельским университетом недавно подписан договор о дружбе и сотрудничестве, планируются большие совместные работы.

— Как вы оцениваете состояние науки на Украине?
— Я бы сказал, что на Украине ситуация сейчас даже хуже, чем в России. России во многом помогли пережить трудные времена соросовские гранты 90-х годов, а Украина отказалась от них. Возможно, поэтому в России сохранилось больше групп, где ученые продолжают работать на мировом уровне. На Украине такие группы также есть, но их меньше.

Особенная ситуация сложилась с материаловедением. Эта отрасль исторически работала на советский военно-промышленный комплекс, поэтому после распада СССР здесь настали особенно тяжелые времена. Возникло полностью потерянное поколение: кто-то уехал за границу, кто-то совсем бросил науку. Когда я приезжал в родной институт в середине 90-х годов, я и коллеги моего возраста были самыми молодыми: новые люди не приходили.

Сейчас ситуация меняется. Снова появились студенты, аспиранты, заметен повышенный интерес к науке. Но все еще необходим длительный процесс, чтобы восстановить утраченное.

А академическая система в Украине очень косная, очень устаревшая.

За 20 лет в ней слишком мало изменилось. Украинской науке нужны свежие силы, нужны другие взгляды на организацию научной деятельности. Украинская наука должна интегрироваться в мировую науку. Нужно отказаться от идей печатать научные журналы на украинском языке: это бессмысленно. Нужно больше уделять внимание англоязычной литературе и издавать на Украине англоязычные журналы, которые будут доступны мировой научной общественности. Кроме того, сейчас очень мало людей возвращается назад после работы за рубежом. Если бы была создана система привлечения таких кадров, их опыт был бы бесценным для организации новых научных школ, укрепления связи с международными научными центрами и повышения общего уровня науки.

Будущее украинской науки, мне кажется, всецело зависит сейчас от скорости ее интеграции в мировую науку и перестройки самой системы. Важную роль в этом играет и правительство, и то, как новый президент оценит важность развития научной сферы. Если эти идеи найдут отклик – опыт Китая показывает, что правильная политика и достаточные инвестиции вполне могут за довольно короткое время существенно повысить научный уровень страны и ее конкурентоспособность на мировом рынке.

Что такое ионисторы, где они применяются и в чем их особенность | Энергофиксик

Ионистор (он же суперконденсатор) – это своеобразный гибрид самого обычного конденсатора и привычного нам аккумулятора. В этом материале будет подробно рассказано про сам ионистор, а также про его область применения в современной электронике.

Устройство ионистора

За границей ионистор называют EDLC (Electric Double Layer Capacitor), что переводится на русский как «конденсатор с двойным электрическим слоем». И вся работа изделия базируется на электрохимических процессах.

Ионистор отличается от обычного конденсатора тем, что между электродами отсутствует привычный диэлектрик. Вместо этого, сами электроды реализованы из материалов с противоположными типами носителей заряда.

Вы, безусловно, знаете, что емкость конденсатора напрямую зависит от площади обкладок. По этой причине в ионисторах применены электроды из вспененного углерода или активированного угля.

При этом разделение электродов в ионисторе реализовано за счет применения сепаратора. И вся внутренняя полость заполнена электролитом, который выполнен на основе растворов кислот и щелочей и при этом имеет твердую кристаллическую структуру.

Так за счет применения твердого электролита RbAg4I5 (рубидий, серебро, йод) можно реализовать ионистор с минимальным саморазрядом, высокой емкостью и с высокой устойчивостью к воздействию отрицательных температур.

На текущий момент ионисторов с твердым кристаллическим электролитом на основе растворов щелочей и кислот уже не найдешь, так как они сняты с производства по причине высокой токсичности компонентов.

Как работает ионистор

Протекающая электрохимическая реакция заставляет часть электронов оторваться от электродов. В результате этого электрод становится носителем положительного заряда.

Отрицательные ионы, которые присутствуют в электролите, начинают притягиваться электродами с положительным зарядом.

Весь этот процесс является условием для образования так называемого электрического слоя. И весь запасенный заряд начинает храниться в пограничной области раздела между электродом и электролитом. И толщина сформированного анионами и катионами слоя равняется от 1 до 5 нм.

В чем преимущества и недостатки ионисторов

К плюсам суперконденсаторов можно отнести следующие моменты:

1. Минимальное время зарядки и разрядки. То есть ионистор способен как зарядиться, так и отдать весь накопленный заряд практически мгновенно.

2. Повышенное количество циклов заряд/разряд (составляет более 100 000).

3. Не требует обслуживания.

4. Скромный вес и малые размеры.

5. Процесс зарядки не требует использования сложных зарядных устройств.

6. Ионистор полноценно работает в температурном диапазоне от -40 до +70 градусов по Цельсию.

На этом с плюсами заканчиваем и переходим к минусам изделия.

К минусам относят следующие явления

1. Достаточно высокая стоимость. Ионистор стоит существенно дороже, чем обычные конденсаторы и аккумуляторы.

2. Изделие рассчитано на довольно низкое напряжение. Эта особенность суперконденсатора и величина рабочего напряжения зависит от того, какой тип электролита в нем применен. При этом для того чтобы увеличить рабочее напряжение, ионисторы соединяют последовательно. Но при таком раскладе нужно также каждый суперконденсатор шунтировать резистором, так как необходимо выровнять напряжение на отдельном ионисторе.

3. При превышении рабочей температуры в +70 градусов по Цельсию изделие довольно быстро разрушится.

4. Суперконденсатор – это полярный элемент, поэтому при его установке следует строго соблюдать полярность.

Обозначение ионисторов на схеме

На схемах ионистор обозначается точно так же, как и обычный электролитический конденсатор и поэтому различить их между собой можно только по наличию или отсутствию сопутствующей надписи.

Допустим, если рядом со схематическим обозначением будет присутствовать надпись 0,47F 5,5V, то сразу становится понятно, что перед вами суперконденсатор. Так как обычные конденсаторы на такие низкие напряжения и на такие емкости не производят.

Где применяются ионисторы

Сейчас суперконденсаторы стали активно использоваться в современной цифровой аппаратуре. Так в некоторых изделиях ионисторы играют роль резервного питания для энергозависимой памяти, микроконтроллеров, электронных часов и т. п. Из чего можно сделать вывод, что суперконденсаторы нашли довольно широкое применение.

Заключение

В этом материале мы поговорили об ионисторах, которые впервые появились в 1960 году в США, а с 1978 года выпускались в СССР под маркировкой К58-1. Статья оказалась полезна и интересна? Тогда оцените ее и не забудьте подписаться на канал. Спасибо за ваше внимание!

Как работают суперконденсаторы? – Объясни, что материал

org/Person”> Криса Вудфорда. Последнее изменение: 22 июля 2020 г.

Если вы думаете, что электричество играет сегодня большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили и системы отопления, работающие на ископаемом топливе, должны будут перейти на электроэнергию. также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофический климат изменение. Электричество – чрезвычайно универсальный вид энергии, но он имеет один большой недостаток: в спешке складировать относительно сложно.Батареи могут удерживать большое количество энергии, но на то, чтобы заряжать. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь крошечные количества энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и выделять большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров. Какие они и как работают? Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Стек суперконденсаторов Maxwell, используемых для хранения энергии в электромобилях. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Как можно хранить электрический заряд?

Фото: В типичной угольно-цинковой батарее на заводе хранится электричество, и ее можно разрядить только один раз, прежде чем ее придется выбросить. Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды – миллиарды выбрасываются во всем мире каждый год.

Батареи и конденсаторы выполняют аналогичную работу – хранят электричество, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество называется электролитом. Когда вы включаете питание, химические реакции происходят с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции преобразуют химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти. Как только химические вещества будут исчерпаны, реакции прекращаются и аккумулятор разряжен. В перезаряжаемой батарее, например в литий-ионном блоке питания. в портативном компьютере или MP3-плеере реакция может с радостью бегите в любом направлении – так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз перед заменой батареи.

Фотография: Типичный конденсатор в электронной схеме. В нем хранится меньше энергии, чем в аккумуляторе, но его можно заряжать и разряжать мгновенно, почти любое количество раз. В отличие от батареи, положительный и отрицательный заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними – это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы заставить его приклеиться.На пластинах накапливаются положительные и отрицательные электрические заряды, и разделение между ними, предотвращающее их соприкосновение, – это то, что сохраняет энергию. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, поэтому можно сказать, что это делает конденсатор более эффективным в качестве устройства для хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не имеют содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать и разряжался бесчисленное количество раз без износа.Но они есть и большой недостаток: килограмм на килограмм, их базовая конструкция не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества электрическая энергия в виде батарей.

Что мы можем с этим поделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо за счет использования лучшего материала для диэлектрика или с помощью металлических пластин большего размера. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно колоссальные тарелки. Грозовые облака, например, это по сути сверхгигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии – и все мы знаем, насколько они велики! Какие об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между тарелками? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.

Artwork: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными способами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик.Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, есть разница: они обычно построены из разных материалов и имеют несколько разную структуру, поэтому они хранят разное количество энергии. В целях этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных обкладок. Пластины сделаны из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда.Представьте на мгновение, что электричество – это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вытереть только крошечные пятна, пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсатора – это электрические губки!

А как насчет разделителя между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как шкала настройки внутри радио).Когда конденсатор заряжен, на одной пластине формируются положительные заряды, а на другой – отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в линию в направлении, противоположном полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это проиллюстрировано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Изображение: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком (серый).Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору сохранять больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых материалов, обычно на основе углерода, пропитанных электролитом.Пластины имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность накапливать гораздо больше заряда.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, по обе стороны от сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый двойной электрический слой толщиной, возможно, всего одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму рисунка, вы увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают свою гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, сделанных из таких вещей, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Фотографии: Суперконденсаторы иногда можно использовать как прямую замену батареям.Вот аккумуляторная дрель на базе суперконденсаторов для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавтам-космическим астронавтам не всегда удается дождаться ночи, когда они начнут учиться! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Основная единица электрической емкости называется фарад (F), в честь новаторского британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электричества (они обычно измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).В отличие от этого типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (измеренный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это все еще составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор. Но большим преимуществом суперконденсатора является то, что он может хранить и высвобождать энергия почти мгновенно – намного быстрее, чем батарея.Это потому, что суперконденсатор работает за счет накопления статического электричества. заряжается на твердых телах, в то время как батарея полагается на заряды, медленно производимые в результате химических реакций, часто с жидкостями.

Вы часто видите батареи и суперконденсаторы, сравниваемые с точки зрения их энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова используются как синонимы; в науке мощность – это количество энергии, использованное или произведенное за определенный период времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут быстрее выделять энергию).Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и выделения большого количества энергии, но батареи по-прежнему являются королем для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольта), их можно подключать последовательно (как батареи) для получения более высоких напряжений для использования в более мощном оборудовании.

Так как суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и разряжены любое количество раз (спецификации для коммерческих суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).У них небольшое внутреннее сопротивление или оно отсутствует, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. без особых затрат энергии – и работать на очень близких к 100 процентный КПД (обычно 97–98 процентов).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам нужно сохранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы храните в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно тем, что вам нужно.Суперконденсаторы были широко используется в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах – «энергия резервуары », сглаживающие подачу питания на электрические и электронное оборудование. Суперконденсаторы также можно подключать к батареи, чтобы регулировать подачу питания.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для хранения энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко используемых в электромобилях. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Одно из распространенных применений – ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать прерывистую мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, Это означает, что сотни последовательно соединенных суперконденсаторов необходим для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А Отчет Allied за 2020 год Маркетинговые исследования оценили мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказывали, что это будет достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году – пятикратный рост всего за несколько лет!

Как работают суперконденсаторы? – Объясни, что материал

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 22 июля 2020 г.

Если вы думаете, что электричество играет сегодня большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили и системы отопления, работающие на ископаемом топливе, должны будут перейти на электроэнергию. также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофический климат изменение.Электричество – чрезвычайно универсальный вид энергии, но он имеет один большой недостаток: в спешке складировать относительно сложно. Батареи могут удерживать большое количество энергии, но на то, чтобы заряжать. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь крошечные количества энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и выделять большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров.Какие они и как работают? Давайте посмотрим внимательнее!

Как можно хранить электрический заряд?

Фото: В типичной угольно-цинковой батарее на заводе хранится электричество, и ее можно разрядить только один раз, прежде чем ее придется выбросить.Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды – миллиарды выбрасываются во всем мире каждый год.

Батареи и конденсаторы выполняют аналогичную работу – хранят электричество, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество называется электролитом. Когда вы включаете питание, химические реакции происходят с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции преобразуют химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти.Как только химические вещества будут исчерпаны, реакции прекращаются и аккумулятор разряжен. В перезаряжаемой батарее, например в литий-ионном блоке питания. в портативном компьютере или MP3-плеере реакция может с радостью бегите в любом направлении – так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз перед заменой батареи.

Фотография: Типичный конденсатор в электронной схеме. В нем хранится меньше энергии, чем в аккумуляторе, но его можно заряжать и разряжать мгновенно, почти любое количество раз.В отличие от батареи, положительный и отрицательный заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

Что такое суперконденсатор?

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Для чего используются суперконденсаторы?

Суперконденсатор

Суперконденсаторы обычно используются как энергия устройства хранения данных.Суперконденсаторы хранят большое количество электрический заряд по сравнению с электролитическим конденсаторы и все другие типы обычных конденсаторы.

суперконденсатор состоит электродов с большой площадью поверхности и очень тонкого диэлектрика что позволяет добиться очень большой емкости (большой зарядный накопитель). Суперконденсаторы обычно хранят от 10 до В 100 раз больше заряда на единицу объема, чем у электролитического конденсаторы.

Суперконденсатор определение

Суперконденсатор является электронное устройство, хранящее большое количество электрических плата. Эти конденсаторы также известны как ультраконденсаторы или электрические двойные слоистые конденсаторы.

Как чем суперконденсаторы отличаются от обычных конденсаторов?

Материал, используемый для Конструкция суперконденсаторов отличается от обычных конденсаторы.Обычный конденсатор состоит из двух токопроводящие электроды разделены изоляционным материалом. В проводящие пластины конденсатора являются хорошими проводниками электричество, поэтому они легко пропускают электрический ток их. С другой стороны, диэлектрический материал (изолирующий материал) плохо проводит электричество, поэтому не пропустить через него электрический ток.

Когда напряжение подается на конденсатор таким образом, чтобы положительный полюс аккумуляторной батареи подключен к левой стороне электрод или пластина, а отрицательный полюс батареи подключен к правой боковой пластине, положительные заряды накапливаются на левый боковой электрод и отрицательные заряды накапливаются на правый боковой электрод.

В простыми словами, когда напряжение подается на обычный конденсатор, противоположные заряды накапливаются на поверхности электроды.

В общепринятый конденсаторы, емкость (накопление заряда) напрямую пропорционально площади поверхности каждого электрода или пластины и обратно пропорционально расстоянию между электроды.Проще говоря, конденсатор с большой площадью площадь электродов и очень тонкий диэлектрик обеспечивает большую емкость (хранит большое количество электрического заряда), тогда как конденсаторы с электродами малой площади и очень толстый диэлектрик обеспечивает меньшую емкость (сохраняет небольшие количество электрического заряда). Вот как обычный конденсаторы хранят электрический заряд.

конденсаторы и аккумуляторы различаются по двум параметрам: количество накопленного заряда и как быстро доставляется энергия (заряд). Батареи может хранить больше заряда, чем обычный конденсаторы, но главный недостаток аккумуляторов в том, что они не могут доставить энергию (заряд) очень быстро.

Вкл. с другой стороны, конденсаторы передают энергию (заряжают) очень быстро (разряжается очень быстро) но главный недостаток конденсаторы, потому что они не могут хранить большое количество заряда, так как магазин аккумуляторов.

Эти два недостатка (большой накопитель заряда и доставка заряда быстро) можно преодолеть с помощью суперконденсаторов.

суперконденсаторы также работают как обычные конденсаторы. Однако суперконденсаторы отличаются от обычные конденсаторы двумя способами: суперконденсаторы имеют электроды с большой площадью поверхности и очень тонкий диэлектрик (расстояние между электродами очень мало) по сравнению с обычными конденсаторами.Это делает это можно достичь большей емкости (больший накопитель заряда) чем обычные конденсаторы.

суперконденсаторы хранит большое количество заряда, поскольку аккумуляторы хранят и доставляют энергии или заряжаются очень быстро, как обычные конденсаторы доставлять.

Типы суперконденсаторы

Суперконденсаторы находятся в основном подразделяется на три типа:

Двухместный слоистые конденсаторы
Псевдо -конденсаторы
Гибрид конденсаторы

Двухслойный конденсаторы

А двухслойный конденсатор состоит из двух электродов, разделителя, и электролит.Электролит представляет собой смесь положительных ионы и отрицательные ионы, растворенные в воде. Два электрода разделены разделителем.

поверхность левого электрода контактирует с жидкостью с левой стороны электролит аналогично; правильная поверхность электрода делает контакт с правой стороной жидкого электролита. Дело в которой соответствует жидкий электролит и поверхность электрода, образуют общую границу для жидкого электролита и нерастворимого поверхность твердого электрода.

Два напротив заряды накапливаются в области, где поверхность электрода и раствор электролита встречается. Эти противоположные обвинения представлен в виде двух слоев электрического заряда или двойного электрического заряда зарядовые слои. Каждый электрод суперконденсатора генерирует два слоя электрического заряда.

Один зарядовый слой формируется на поверхности электрода с одна полярность (положительная или отрицательная) и другой слой заряда образуется в растворе электролита возле электрода поверхность с противоположной полярностью (отрицательной или положительной).Эти два зарядовых слоя разделены монослоем (слой с одним толщиной молекулы) растворителя или молекул воды.

молекулы растворителя плотно прилегают к электроду поверхности и разделяют противоположно заряженные ионы. Растворитель молекулы, которые разделяют противоположные заряды, действуют как диэлектрик (молекула диэлектрика).

молекулы растворителя не пропускают через себя электрические заряды. Следовательно, между электродом и электродом не протекают электрические заряды. электролит.

Когда напряжение подается на конденсатор таким образом, чтобы положительный полюс аккумуляторной батареи подключен к левой стороне электрод и отрицательный полюс батареи подключен к правому боковому электроду, двойной слой конденсатор начинает заряжаться.

Потому что этого напряжения питания большое количество положительных зарядов построить на левой боковой поверхности электрода и большое количество отрицательные заряды накапливаются на правом боковом электроде поверхность. Эти заряды действуют как заряды первого слоя.

отрицательные ионы в электролите испытывают сильное сила притяжения от положительно заряженного электрода.Как в результате отрицательные ионы движутся к положительно заряженным электрод. Аналогичным образом положительные ионы в электролит испытывает сильную притягивающую силу со стороны отрицательно заряженный электрод. В результате положительные ионы перемещаются к отрицательно заряженному электроду.

Когда эти отрицательные ионы или положительные ионы подошли ближе к электрод, они испытывают сильное сопротивление со стороны растворителя молекулы.Следовательно, заряд не передается от электролита к электрод или электрод к электролиту. Однако эти противоположные заряды оказывают друг на друга электростатическую силу. Таким образом, большой количество заряда накапливается на общей границе электрода и электролит.

наиболее часто используемые электродные материалы для двойного слоя конденсаторы или суперконденсаторы – активированный уголь, уголь аэрогель, углеродное волокно и углеродные нанотрубки.

Псевдоконденсаторы

псевдоконденсаторы хранить электрическую энергию за счет передачи электронного заряда между электрод и электролит (электроны от электролита к катод или от катода к электролиту). Это можно сделать Редокс (окислительно-восстановительная реакция).

Сокращение: Снижение происходит, когда атом получает электрон и становится более отрицательным.

Окисление: Окисление происходит, когда атом теряет электрон и становится более положительным.

Восстановление-окисление: Восстановление-окисление происходит, когда один атом получает (или теряет) электрон, а другой атом теряет (или получает) электрон. В псевдоконденсаторах окислительно-восстановительная реакция происходит между электродом и раствор электролита.

В псевдоконденсаторы, накопление заряда (емкость) является результатом заряда перенос между электролитом и электродом.

Когда на псевдоконденсатор подается напряжение, заряженные атомы или ионы в электролите движутся к противоположно заряженным электрод. Между поверхностью электрода и соседний электролит, два электрических слоя или двойной электрический слои формируются. Эти два электрических слоя разделены молекулы электролита.

заряженные атомы электролита в двойном слое действуют как доноры электронов и переносит электроны на атомы электрод.В результате атомы в электроде заряжаются. Таким образом, заряд сохраняется в двойных электрических слоях.

псевдоконденсаторы в качестве электродов используйте проводящие полимеры или оксиды металлов. В количество электрического заряда, хранящегося в псевдоконденсаторе, составляет прямо пропорционально приложенному напряжению. В псевдоемкость измеряется в фарадах.

Гибрид конденсаторы

гибридные конденсаторы разработаны с использованием методов конденсаторы с двойным слоем и псевдоконденсаторы.В гибриде конденсаторы, как емкостные, так и псевдослойные. емкость достигается.

Преимущества суперконденсаторы

Магазины большой заряд по сравнению с обычным конденсаторы (высокая емкость).
Доставляет энергия или очень быстрая зарядка (высокая удельная мощность)
Длинный срок службы
Низкая стоимость
Суперконденсаторы делать не взорваться, как аккумуляторы, даже если они перезаряжены.

Приложения суперконденсаторов

Вспышка легкие приложения
Солнечная силовые приложения
Суперконденсаторы находятся используется в электронных устройствах, таких как портативные компьютеры, портативные медиаплееры, портативные устройства и фотоэлектрические системы стабилизации электроснабжения.
Суперконденсаторы находятся используется как временные накопители энергии для энергии системы уборки урожая.
Суперконденсаторы находятся используется в дефибрилляторах (инструменте, который контролирует нерегулярное сердцебиение из-за подачи электрического тока на грудная клетка).

Что такое суперконденсатор? Объяснение следующего шага для электромобилей и гибридов

► Суперконденсаторы имеют несколько преимуществ перед батареями
► Но в настоящее время есть и недостатки
► Они используются в новом Lamborghini Sian

В 2019 году электромобили широко рассматриваются как преемники автомобилей с ДВС, и производители спешат электрифицировать свои модельные ряды: на автосалоне во Франкфурте в 2019 году будут представлены готовые к производству электромобили от Porsche, VW и Honda, и это лишь некоторые из них.И легко понять почему.

Увеличенный запас хода, больше точек зарядки и общие усовершенствования теперь делают электромобили серьезным соперником бензиновых аналогов. Но для многих они все еще далеки от совершенства: требуется время на зарядку и по-прежнему отсутствует по-настоящему широко распространенная инфраструктура, по крайней мере, в Великобритании.

Хотя сейчас литий-ионная технология используется по умолчанию, она не может быть окончательным ответом, когда дело доходит до питания электромобилей. Суперконденсаторы позволяют решить некоторые давние проблемы, связанные с полностью электрическими автомобилями с батарейным питанием, а также имеют дополнительные преимущества для гибридов.Они могли бы стать толчком для мира электромобилей, но что такое суперконденсаторы, как они работают и настолько ли они научно-фантастические, как звучат?

Что такое суперконденсатор?

Давайте сначала объясним, что такое суперконденсатор. Иногда называемый ультраконденсатором, суперконденсатор, как и батарея, является средством хранения и высвобождения электричества. Но вместо того, чтобы хранить энергию в виде химикатов, суперконденсаторы хранят электричество в статическом состоянии, что позволяет им быстрее заряжать и разряжать энергию.

В химическую лабораторию!

Литий-ионные батареи

работают с использованием слоев ячеек с использованием положительных и отрицательных электродов, разделенных электролитом. Они генерируют заряд, когда ионы лития переходят от отрицательного к положительному положению при разряде, а при зарядке происходит обратное.

Как работают суперконденсаторы?

Конденсаторы

, с другой стороны, хранят электричество в статическом состоянии, а не оставляют его «запертым» в химических реакциях. Взломайте конденсатор, и вы обнаружите две проводящие пластины, называемые электродами, разделенные изоляционным материалом, известным как диэлектрик.Эти две пластины, одна положительная, а другая отрицательная, создают электрическое поле при подключении к электрической цепи, которая поляризует атомы в диэлектрике, поэтому положительные атомы сидят на стороне отрицательной пластины, а отрицательные атомы – на стороне положительной пластины. пластина, создавая таким образом заряд.

Во многих отношениях суперконденсатор – это просто конденсатор большего размера с большими электродными пластинами и меньшим расстоянием между ними, что позволяет хранить больший заряд в виде потенциальной электрической энергии.Суперконденсатор не использует диэлектрик; вместо этого пористые электродные пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким разделительным материалом. Когда заряд проходит через электроды, атомы в них становятся поляризованными, придавая электродам положительный или отрицательный заряд.

Затем они притягивают электроны противоположной полярности в электролите и, таким образом, создают двойной электрический слой, а это означает, что суперконденсаторы хранят намного больше энергии, чем их обычные конденсаторные аналоги.

В чем преимущества суперконденсаторов?

Суперконденсаторы уже существуют в автомобилях с системами рекуперативного торможения. Это связано с их большей удельной мощностью, чем у батарей, основанных на химических реакциях, что позволяет им быстро накапливать и разряжать электричество, что удобно для сбора энергии, генерируемой при торможении, а затем быстрого высвобождения ее при ускорении.

В автомобилях, полностью построенных на элементах, таких как Toyota FCHV, также используются суперконденсаторы для обеспечения дополнительной ускоряющей мощности, которую водородные топливные элементы не могут сделать в одиночку.

Им еще предстоит заменить литий-ионные батареи в качестве основного источника энергии, но электрические и гибридные автомобили развиваются из года в год, поэтому у суперконденсаторов есть большой потенциал, чтобы играть большую роль в электромобилях и автомобилях следующего поколения. зарядная инфраструктура для их поддержки.

Поскольку суперконденсаторы в значительной степени полагаются на физику, а не на химию для хранения своей энергии, они не разлагаются так же, как литий-ионные батареи. Это может предоставить огромные возможности для увеличения срока службы электромобиля, а также для снижения воздействия на окружающую среду использования литий-ионных элементов питания.

Но самым большим преимуществом суперконденсаторов перед литий-ионными и никель-кадмиевыми батареями является их способность быстро заряжаться и разряжаться; мы говорим о зарядке за минуты, а не за часы. Таким образом, суперконденсаторы могут быть панацеей для сокращения часов, которые в настоящее время уходит на перезарядку полностью электрического автомобиля, или могут повысить скорость гибридов, о чем мы расскажем позже в этой статье.

Суперконденсаторы

также очень хорошо справляются с беспроводной зарядкой, что в сочетании с их способностью заряжаться на высокой скорости может избавить от необходимости подключать электромобили к точкам питания и сделать процесс зарядки более плавным.

Какие недостатки у суперконденсаторов?

В настоящее время с суперконденсаторами связаны две основные проблемы, и самая тревожная – это плотность энергии. Конечно, суперконденсаторы могут поглощать и отдавать большое количество энергии быстрее, чем литий-ионные батареи, но сейчас они не могут хранить столько энергии.

Это проблема, которая делает их менее подходящими для электромобилей, но не означает, что они должны быть исключены в будущем. Не забывайте, что потребовалось время, чтобы извлечь приемлемый диапазон пробега из литий-ионных аккумуляторных систем, поэтому есть возможности для повышения плотности энергии суперконденсаторов, если умные люди работают над повышением их эффективности.

Исследователи из Университета Суррея заявили о прорыве в материалах для суперконденсаторов, которые могут позволить им использовать весь диапазон бензиновых автомобилей, но это первые дни, и вы не увидите этого на современных суперконденсаторах.

Вторая проблема с суперконденсаторами в том виде, в каком они стоят, – это разрядка или время, в течение которого они могут удерживать заряд. В настоящее время суперконденсаторы не могут держать заряд так же долго, как литий-ионные батареи. Например, если вы оставите автомобиль с суперконденсаторным питанием в гараже на неделю, вы, вероятно, найдете его бесплатно, когда вернетесь.

Быстрая зарядка может решить эту проблему, но вам нужно убедиться, что у вас есть под рукой зарядное устройство, имеющее достаточную силу тока, чтобы обеспечить высокий заряд, с которым может справиться суперконденсатор. У вас вряд ли будет домашнее зарядное устройство на пару тысяч ампер в запасе.

По мере того, как в суперконденсаторах совершаются прорывы, мы неизбежно можем ожидать лучшего накопления энергии и способов предотвращения быстрой разрядки, которая в конечном итоге может привести к тому, что суперконденсаторы вытеснят литий-ионные аккумуляторные системы.Но это похоже на долгий путь.

Суперконденсаторы прямо сейчас? Рука помощи гибридам

По мере того, как в суперконденсаторах совершаются прорывы, мы неизбежно можем ожидать лучшего накопления энергии и способов предотвращения быстрой разрядки, которая в конечном итоге может привести к тому, что суперконденсаторы вытеснят литий-ионные аккумуляторные системы. Но это похоже на долгий путь.

Так что насчет сейчас? Хотя суперконденсаторы, возможно, какое-то время не будут использоваться в электромобилях, эта технология уже идеально подходит для гибридных силовых агрегатов.Суперконденсаторы уже используются для быстрой зарядки источников питания в гибридных автобусах при их движении от остановки к остановке, но такие производители автомобилей, как Lamborghini, обнаруживают, что они также могут добавить серьезную дополнительную производительность.

Когда гибридная энергия используется исключительно для повышения производительности, такие вопросы, как дальность полета и способность удерживать заряд, не так важны – и именно поэтому мы уже наблюдаем, как технологии проникают в мир гиперкаров.

Lamborghini Sian сочетает в себе электромотор мощностью 34 л.с. с питанием от суперконденсатора и двигатель Sant’Agata V12 для sub 3.0 с 0 до 100 км / ч.

В Сиане использование суперконденсатора является единственным методом хранения электроэнергии, но вполне возможно, что мы могли бы получить автомобили, которые также сочетают суперконденсатор и литий-ионную технологию, используя преимущества обоих; литий-ионные батареи по-прежнему будут основным источником энергии, но суперконденсаторы могут их дополнить для более быстрого разряда и перезарядки энергии во время разгона и торможения.

Что ждет суперконденсаторы в будущем?

Мы просто обдумываем идею, но такая машина могла бы работать на суперконденсаторной энергии по всему городу, где есть инфраструктура для поддержки быстрой зарядки, эффективно перепрыгивая от powerpoint к powerpoint.Затем для более длительных прогулок автомобиль может переключиться на литий-ионный аккумулятор с рекуперативным торможением, помогающим увеличить запас хода.

Учитывая, что Тесла купила Максвелла, специалиста по суперконденсаторам и батареям, в 2019 году, есть шанс, что именно производитель автомобилей сделает такой электромобиль реальностью; время покажет, для чего Tesla использует технологию Максвелла.

Суперконденсаторы уже используются для быстрой зарядки источников питания в гибридных автобусах при их движении от остановки к остановке. В настоящее время такие зарядные устройства коммерчески нецелесообразны для массового производства, но по мере того, как все больше людей покупают электромобили, инфраструктура зарядки, вероятно, разовьется до такой степени, что широко распространенные зарядные устройства для суперконденсаторов станут реальностью.

Итак, мы можем ожидать увидеть точки зарядки суперконденсаторов и беспроводные зарядные устройства, питаемые от них на станциях, как электрический эквивалент бензонасоса, способного заправить автомобиль за считанные минуты.

Чтобы получить немного научной фантастики о вещах, такую зарядку можно было бы расширить с помощью суперконденсаторов, встроенных в дороги, постоянно поставляющих энергию электромобилям, когда они мчатся и останавливаются на светофоре. За пределами выделенных полос на автомагистралях такое видение может показаться немного надуманным.

Но системы электромобилей, аккумуляторы, зарядка и технологии постоянно совершенствуются, поэтому возможности для суперконденсаторов для усиления будущих электромобилей огромны.

Суперконденсатор – Институт чистой энергии

Что такое суперконденсатор и как он работает?

Суперконденсатор (также называемый ультраконденсатором или электрохимическим конденсатором ) представляет собой тип электрохимического накопителя энергии.Внешне он похож на обычный конденсатор тем, что состоит из пары электродов с параллельными пластинами, но отличается тем, что два электрода разделены раствором электролита, а не твердым диэлектриком. Обычно, но не всегда, два электрода идентичны, и между ними размещается ионопроницаемый сепаратор, чтобы они не касались друг друга и не создавали короткое замыкание. Когда на устройство подается напряжение, положительный заряд накапливается на одном электроде, а отрицательный – на другом.Для обычных конденсаторов это конец истории. Однако в суперконденсаторе каждый заряженный электрод будет притягивать противоположно заряженные частицы из раствора электролита, которые уравновешивают заряд электрода. Частицы, которые адсорбируются непосредственно на поверхности электрода, образуют так называемую «внутреннюю плоскость Гельмгольца» и представляют собой преимущественно поляризованные молекулы растворителя с некоторыми ионами, утратившими свою сольватную оболочку. За ним находится слой, называемый «внешней плоскостью Гельмгольца», который состоит из сольватированных ионов с зарядом, противоположным электроду.Такое разделение зарядов на границе раздела электрод-электролит известно как «эффект двойного электрического слоя» и является средством накопления электрической энергии. Поскольку падение потенциала в основном ограничивается этой областью, которая колеблется от 0,1 до 10 нм, соответствующая напряженность электрического поля составляет тысячи кВ на мм, что позволяет суперконденсаторам накапливать в 10000 раз больше заряда на единицу массы, чем электролитические конденсаторы. 1]

Упрощенный принцип накопления заряда EDLC в двойных слоях Гельмгольца Источник: https: // commons.wikimedia.org/wiki/File:EDLC-simplified-principle.png

Рис. 1: Иллюстрация образования двойного слоя и распределения электрического потенциала в одном электроде заряженного суперконденсатора. (Изображение находится в открытом доступе)

Двухслойный механизм подразумевает, что количество заряда, накопленного на единицу напряжения (т. Е. Емкость), пропорционально площади поверхности раздела электродов. Таким образом, электроды суперконденсатора, как правило, изготавливаются из чрезвычайно пористых материалов, площадь поверхности которых может превышать 1000 м ² (примерно одна пятая размера футбольного поля) на грамм материала.

В отличие от литий-ионных батарей, которые накапливают энергию посредством реакций переноса заряда между ионами Li ⁺ в электролите и каждым электродом, накопление энергии в суперконденсаторах является преимущественно электростатическим по своей природе. * Без ограничивающих факторов кинетики реакции и переноса ионов через объемный электродный материал суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться на два порядка быстрее, чем литий-ионные батареи. Кроме того, повторяющаяся интеркаляция / деинтеркаляция лития в электродах батареи может приводить к вредным побочным продуктам и циклическим напряжениям, ограничивающим срок их службы.Суперконденсаторы не сталкиваются с этими проблемами и могут выдерживать сотни тысяч циклов заряда-разряда без значительной потери емкости. С другой стороны, суперконденсаторы обычно обладают меньшей способностью к хранению заряда, чем батареи; плотность энергии суперконденсаторов составляет менее 10 Втч / кг по сравнению со средним значением 150 Втч / кг для литий-ионных батарей. [2,3]

* Некоторые специально разработанные суперконденсаторы, называемые псевдоконденсаторами, также могут накапливать заряд за счет быстрых окислительно-восстановительных реакций, которые не приводят к какому-либо фазовому переходу материала электрода.(См. Страницу о псевдоемкости.) Псевдоконденсаторы предлагают плотность энергии около 30 Втч / кг, лучше, чем суперконденсаторы, основанные только на двухслойной емкости, но все же намного меньше, чем литий-ионные батареи. [3]

Рис. 2: График гравиметрической (основанной на массе) плотности мощности в зависимости от плотности энергии для различных конденсаторных и аккумуляторных технологий. Источник: Wikimedia Commons, пользователь Shaddim (CC by-SA 3.0)

Приложения

Благодаря своей надежности и быстрому механизму накопления и высвобождения заряда суперконденсаторы идеально подходят для приложений, требующих высокой мощности (большой ток, подаваемый за короткое время) в течение многих циклов.В качестве одного из примеров они могут рекуперировать энергию от повторяющихся торможений автомобилей или поездов, которая обычно теряется в виде тепла. [4,5] Другими примерами являются холодный запуск больших дизельных двигателей, импульсы радаров и накопление энергии для солнечных батарей. Светодиодные уличные фонари. [6–8]

Суперконденсаторы

также могут действовать как буфер мощности, смягчая эффекты высоких пиков и кратковременных прерываний тока. Они использовались в качестве резервных источников питания для компьютерных модулей памяти и системы управления шагом в приводах ветряных турбин.[9,10] Кроме того, они были предложены в качестве буферов для высокой импульсной мощности, потребляемой некоторыми электромобилями во время зарядки, что в противном случае снизило бы эффективность сети. [11]

Список литературы

[1] Дж. Берд, Теория и технология электрических цепей, Routledge, 2014.

[2] А.К. Сингх, Д. Саркар, Г.Г. Хан, К. Мандал, Уникальные гидрогенизированные наногетероструктуры ядра / оболочки Ni / NiO 1D с превосходными электрохимическими характеристиками в качестве суперконденсаторов, Journal of Materials Chemistry A.1 (2013) 12759. DOI: 10.1039 / c3ta12736b.

[3] H.D. Абруна, Ю. Кия, Дж. К. Хендерсон, Батареи и электрохимические конденсаторы, Physics Today. 61 (2008) 43–47. DOI: 10,1063 / 1,3047681.

[4] П. Вайслер, Mazda представляет рекуперативное торможение суперконденсаторного типа – SAE International, (2013). http://articles.sae.org/11845/ (по состоянию на 15 июня 2016 г.).

[5] Д. Левитан, Транзитные системы начали экономить много энергии, Scientific American. (2014).http://www.scientificamerican.com/article/braking-trains-coupling-with-energy-storage-for-big-electricity-savings/ (по состоянию на 15 июня 2016 г.).

[6] Х. Лю, З. Ван, С. Цяо, Ю. Лю, Улучшение возможностей холодного пуска двигателя с использованием гибридного суперконденсатора и свинцово-кислотной батареи, в: Двадцать третья ежегодная конференция и выставка IEEE Applied Power Electronics, 2008 APEC 2008, 2008: с. 668–675. DOI: 10.1109 / APEC.2008.4522793.

[7] Д. Терронес, Tecate Group – Рынки и приложения.- Военные / авиакосмические – радар, (нет данных). (по состоянию на 15 июня 2016 г.).

[8] Nippon Chemi-Con Corporation, Nippon Chemi-Con, Stanley Electric и Tamura объявляют о разработке «Super CaLeCS», экологически чистого светодиодного уличного фонаря с питанием от EDLC (2010 г.). http://www.chemi-con.co.jp/e/company/pdf/20100330-1.pdf (по состоянию на 15 июня 2016 г.).

[9] Купер Буссманн, Суперконденсаторы 5,5 В для приложений удержания и резервного копирования памяти, (2007). http://www1.cooperbussmann.com/pdf/76833af0-e7e1-47d7-8e43-819f008e35a1.pdf (последний просмотр 15 июня 2016 г.).

[10] Максвелл Технологии | Решения по управлению углом наклона ветра, Maxwell Technologies. (нет данных). http://www.maxwell.com/solutions/power-grid/wind-pitch-control (по состоянию на 15 июня 2016 г.).

[11] М. Фархади, О.А. Мохаммед, Работа в реальном времени и гармонический анализ изолированной и неизолированной гибридной микросети постоянного тока, транзакции IEEE в отраслевых приложениях. 50 (2014) 2900–2909. DOI: 10.1109 / TIA.2014.2298556.

Псевдоемкость

В определенных системах электрод / электролит при определенных приложенных потенциалах некоторые ионы могут фактически участвовать в обратимых окислительно-восстановительных реакциях на поверхности электрода или вблизи нее.В отличие от интеркаляции лития в литий-ионных батареях, эти окислительно-восстановительные процессы по своей природе быстры и не приводят к фазовому превращению материала электрода. Это представляет собой второй механизм емкостного накопления энергии, известный как псевдоемкость . Во многих случаях псевдоемкость обеспечивает гораздо более высокую плотность энергии по сравнению с емкостью двойного слоя. В технологии суперконденсаторов используются два основных типа псевдоемкости:

Рисунок 1: Иллюстрация окислительно-восстановительной псевдоемкости. Источник: [1]

Псевдоемкость окислительно-восстановительного потенциала: Это происходит, когда ионы адсорбируются на поверхности электрода или вблизи нее с сопутствующим переносом электронов. Одним из примеров системы, которая демонстрирует такое поведение, является водный диоксид рутения (RuO ₂ * n H ₂ O) в кислом растворе. В этом примере механизм накопления заряда объясняется одновременным внедрением электронов и протонов в структуру, вызывая смещение степени окисления рутения между Ru ⁴⁺, Ru ³⁺ и Ru ²⁺.[2]

Экспериментально электроды, изготовленные из водного оксида рутения, смешанного с аморфным углеродом и покрытые графитом, достигли удельной емкости 1340 Ф / г при скорости развертки напряжения 25 мВ / с, что очень близко к теоретическому значению емкости. 3]

Рисунок 2: Иллюстрация интеркаляционной псевдоемкости. Источник: [1]

Псевдоемкость интеркаляции: Это происходит, когда ионы проникают в пустоты в окислительно-восстановительно-активном материале электрода с сопутствующим переносом заряда.В принципе, это похоже на литий-ионный аккумулятор с той разницей, что в материале-хозяине не происходит фазового превращения. В этом случае понятие «емкость», измеряемая в миллиампер-часах и обычно применяемая к литий-ионным батареям, имеет большее значение, чем «емкость», измеряемая в фарадах.

Один пример проиллюстрирован орторомбическими полиморфами Nb ₂ O ₅ ( T- Nb ₂ O ₅) и V ₂ O ₅, оба из которых образуют слоистые листовые структуры. .[4–6] Когда используется электролит на основе лития, ионы Li ⁺ могут быстро диффундировать через межслойные пустоты и обратимо связываться с оксидом, теряя или приобретая электрон в процессе.

В случае T- Nb ₂ O ₅ максимальное количество лития, которое может быть размещено, равно x = 2. Это соответствует теоретической емкости ~ 200 мАч / г; 130 мАч / г (65% от теоретического) было достигнуто экспериментально при скорости 10 ° C (это означает, что ток разрядит или зарядит всю теоретическую емкость за одну десятую часа или 6 минут).[4] Для сравнения, большинство коммерческих литий-ионных аккумуляторов нельзя заряжать со скоростью более 3 ° C (разрядка / зарядка теоретической емкости за одну треть часа) без значительного снижения емкости и срока службы.

Список литературы

[1] В. Августин, П. Саймон, Б. Данн, Псевдемкостные оксидные материалы для высокоскоростного электрохимического накопления энергии, Энергетика и экология. 7 (2014) 1597. DOI: 10.1039 / c3ee44164d.

[2] W.Дмовски, Т. Эгами, К. Swider-Lyons, C.T. С любовью, Д. Ролисон, Локальная атомная структура и механизм проводимости нанокристаллического водного RuO2 по рассеянию рентгеновских лучей, J. Phys. Chem. B. 106 (2002) 12677–12683. DOI: 10.1021 / jp026228l.

[3] C.-C. Ху, W.-C. Чен, К.-Х. Чанг, Как добиться максимального использования водного оксида рутения для суперконденсаторов, J. Electrochem. Soc. 151 (2004) A281 – A290. DOI: 10,1149 / 1,1639020.

[4] В. Августин, Дж. Коме, М. А. Лоу, Дж.W. Kim, P.-L. Таберна, С. Толберт, Х. Абрунья, П. Саймон, Б. Данн, Высокоскоростное электрохимическое накопление энергии за счет интеркаляционной псевдоемкости Li +, Nat Mater. 12 (2013) 518–522. DOI: 10,1038 / nmat3601.

[5] М. Лю, Ч. Янь, Ю. Чжан, Изготовление нанолистов Nb2O5 для высокоскоростных приложений хранения ионов лития, Научные отчеты. 5 (2015) 8326. DOI: 10.1038 / srep08326.

[6] З. Тонг, Х. Сю, Г. Лю, Дж. Чжао, Ю. Ли, Псевдемкостный эффект и коэффициент диффузии Li + в трехмерно упорядоченном макропористом оксиде ванадия для хранения энергии, Электрохимические коммуникации.69 (2016) 46–49. DOI: 10.1016 / j.elecom.2016.05.017.

Материалы и конструкция суперконденсатора

В большинстве серийно выпускаемых коммерческих суперконденсаторов сегодня в качестве основного компонента используется активированный уголь. Активированный уголь может быть получен из множества различных источников с высоким содержанием углерода, включая древесный уголь, скорлупу кокосовых орехов и древесину. Чаще всего его получают путем термообработки исходного материала в инертном газе при 600-900 ° C для преобразования его в углерод, а затем подвергания его воздействию перегретого пара в аналогичном температурном диапазоне.Этот второй процесс протравливает углеродную поверхность, чтобы создать множество небольших пор с небольшим объемом (обычно менее 10 нм в диаметре). Эта пористость придает материалу огромную удельную поверхность, которая может превышать 1000 м ² на грамм. Кроме того, активированный уголь обладает большой электропроводностью из-за делокализованных π-электронов от связанных атомов sp ². Эти свойства делают его хорошо подходящим для применений с двойной емкостью. Типичный серийный суперконденсатор на основе активированного угля и органического жидкого электролита имеет удельную емкость (т.е.е., емкость на единицу массы электрохимически активного материала) 25-30 Ф / г [1]

Рис. 1. Оптическая микрофотография порошка активированного угля. Частицы имеют фрактальную форму, которая отражает их большую площадь поверхности. Масштабная линейка = 100 мкм. Источник: Wikimedia Commons, пользователь Zephyris (CC by-SA 3.0)

Другими материалами, которые были исследованы на предмет емкости двойного слоя, являются вертикально ориентированные углеродные нанотрубки, [2] пористые трехмерные сборки графеновых листов и углеродные аэрогели, полученные из органических полимеров.Подобно активированному углю, эти формы углерода имеют очень высокую удельную поверхность и электрическую проводимость, что позволяет максимально увеличить накопление заряда и возможность увеличения скорости. В частности, предполагается, что вертикальное выравнивание углеродных нанотрубок создает лучшие пути проводимости для электронов и пути диффузии для ионов в электролите.

Суперконденсаторы, основанные на псевдоемкости в качестве основного механизма накопления заряда, как правило, основаны на оксидах переходных металлов, таких как RuO ₂, MnO ₂, Nb ₂ O ₅, V ₂ O ₅, и Fe ₃ O _4. Они могут быть синтезированы различными методами, включая золь-гель, соосаждение и гидротермальные методы, и могут быть переработаны в композиты с формами углерода, описанными выше, для улучшения свойств переноса электронов, а также для увеличения емкости двойного слоя. .

В дополнение к активному материалу, который отвечает за емкость двойного слоя и псевдоемкость, в электродах также могут присутствовать небольшие количества неактивных добавок. Обычно они состоят из: инертного полимерного связующего, которое помогает частицам активного материала прилипать друг к другу, улучшая механическую целостность электрода; и «технический углерод», который представляет собой порошкообразную форму углерода, полученную в результате неполного сгорания нефтепродуктов и улучшающую электрическую проводимость в объеме электрода.Технический углерод особенно важен для псевдоемкостных материалов, которые сами по себе обладают незначительной проводимостью.

В промышленных масштабах суперконденсаторы часто изготавливаются в форм-факторе плоских элементов, подобных литий-ионным батареям. Подготовка электрода включает измельчение активного материала до мелких частиц с последующим тщательным измельчением активного материала, связующего и углеродной сажи в пасту или суспензию, в зависимости от того, находится ли связующее в форме твердого вещества или эмульсии.Затем смесь непосредственно помещается или покрывается лезвием на металлическую фольгу, которая служит токоприемником, то есть каналом для электронов между электродом и внешней цепью. Вводится электролит, между двумя электродами помещается ионопроницаемый разделительный лист, и ячейка герметично закрывается обжимным устройством. Материалы сепаратора включают целлюлозу, полипропилен, стекловолокно и стекловату. [3]

Рисунок 2: Принципиальная схема сборки монетного элемента. (Собственная работа)

Электролит может представлять собой водный раствор, такой как серная кислота или гидроксид калия, органический раствор, такой как тетрафторборат тетраэтиламмония в ацетонитриле, или ионная жидкость, такая как имидазолий. Выбор электролита так же важен, как и выбор активного материала при определении емкости, сопротивления, рабочего напряжения и температурного диапазона суперконденсатора. Водные электролиты обладают наивысшей проводимостью и, следовательно, максимальной мощностью, но могут работать только до 1.2 В, выше которого вода разрушается. Это сильно ограничивает количество энергии, которое может быть сохранено. С другой стороны, электролиты в органических растворителях могут работать до ~ 2,7 В, но проводимость может быть на порядок ниже, что приводит к потере мощности. Кроме того, органические электролиты имеют тенденцию быть дорогими, токсичными и легковоспламеняющимися. Ионные жидкости, которые в основном представляют собой расплавленные соли при комнатной температуре, имеют самый высокий предел рабочей температуры (~ 300 ° C) и напряжения (~ 4,5 В), негорючие, но также очень дороги.[4]

Список литературы

[1] В.В.Н. Обрежа, А. Динеску, А.С. Обрежа, Электроды на основе активированного угля в коммерческих суперконденсаторах и их характеристики, Международный обзор электротехники. 5 (2010) 272–282.

[2] М. Сагхафи, Ф. Махбуби, С. Мохаджерзаде, Р. Хольце, Получение вертикально ориентированных углеродных нанотрубок и их электрохимические характеристики в суперконденсаторах, Синтетические металлы. 195 (2014) 252–259. DOI: 10.1016 / j.synthmet.2014.06.012.

[3] З.А. Норден, С. Сугавара, С. Мацумото, Некоррозионные разделительные материалы для конденсатора с двойным электрическим слоем, IEEJ Trans Elec Electron Eng. 9 (2014) 235–240. DOI: 10.1002 / tee.21961.

[4] К. Гао, Оптимизация углеродных суперконденсаторов в водных и органических электролитах, докторская диссертация, Орлеанский университет, 2013. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00872080/document (по состоянию на 11 июня. , 2016).

Тестирование суперконденсаторов

Циклическая вольтамперометрия

Циклическая вольтамперометрия (CV) – это фундаментальный метод анализа, при котором ток, протекающий через электрохимическую ячейку, измеряется при изменении напряжения в заданном диапазоне, обычно с фиксированной скоростью.Результирующий график зависимости тока от напряжения называется вольтамперограммой и имеет примерно прямоугольную форму для суперконденсатора (рис. 1A). Это следует из простого соотношения для конденсатора:

Где I = ток, Q = заряд, V = напряжение, C = емкость и t = время. Это означает, что если напряжение изменяется линейно во времени, то соответствующий ток будет иметь постоянную величину, положительную при повышении напряжения и отрицательную при понижении напряжения.В действительности отклонения от прямоугольности будут происходить из-за последовательного сопротивления в системе, которое может быть связано с переносом электронов в материале электрода, контактами между электродом и выводами устройства и / или диффузией ионов в электролите. Такое сопротивление означает, что ток не может мгновенно реагировать на изменения направления развертки напряжения, что приводит к округлению двух углов вольтамперограммы (рис. 1B), причем округление становится более выраженным при увеличении скорости развертки.При достаточно высоких скоростях развертки межфазный двойной слой вообще не успевает сформироваться, что приводит к незначительной емкости.

Примеры идеальных (A) и неидеальных (B, C) кривых CV. Источник: [1]

Другая неидеальность, обычно наблюдаемая в суперконденсаторах, – это деградация электролита, которая может происходить в экстремумах развертки напряжения. Например, если используется водный электролит, приложение напряжения выше ~ 1,2 В будет окислять воду с образованием газообразного кислорода и H ⁺:

Такая окислительно-восстановительная реакция вызывает увеличение тока, превышающего тот, который необходим для зарядки межфазного двойного слоя, но они не влияют на емкость.На вольтамперограмме это проявляется как «заострение» двух углов (рис. 1C).

Удельная емкость может быть получена путем интегрирования вольтамперограммы в указанном диапазоне напряжений:

Где μ, – скорость сканирования, м, – масса активного материала, а ΔV, – потенциальное окно.

Гальваностатический цикл

Гальваностатическое циклирование – экспериментальная «противоположность» циклической вольтамперометрии: суперконденсатор заряжается и разряжается между двумя заданными точками напряжения при постоянном приложенном токе.Этот тип операции более точно отражает реальную производительность. В идеале результирующий график зависимости напряжения от времени является линейным, как предсказано уравнением 1, с чередованием положительного и отрицательного наклона (рис. 2А). Отклонения от линейности могут возникать по тем же причинам, которые обсуждались выше, с последовательным сопротивлением, вызывающим быстрое падение напряжения элемента («ИК-падение», рис. 2B) при переключении с зарядки на разряд. Кроме того, разложение электролита или другие окислительно-восстановительные реакции (например, из-за псевдоемкости) будут давать плато или точки перегиба на графике напряжения (рис. 2C).

Кроме того, все настоящие суперконденсаторы демонстрируют саморазряд, когда небольшой ток проходит, когда устройство находится в заряженном состоянии, но не подключено к какой-либо внешней нагрузке. Если элемент закорочен, например, из-за непреднамеренного прямого контакта электродов, паразитный ток может быть значительным. Это приводит к тому, что во время разряда напряжение элемента падает быстрее, чем ожидалось, и это более заметно при низких плотностях приложенного тока из-за более высокой относительной величины паразитного тока.

Рисунок 2: Примеры идеальных (A) и неидеальных (B, C) кривых гальваностатического заряда-разряда. Источник: [1]

Удельную емкость можно рассчитать по:

, где C _s – удельная емкость, I – постоянный ток разряда, м – масса активного материала, ΔV – окно потенциала, а Δt – время, прошедшее в диапазон ΔV .

Аналогично циклической вольтамперометрии, гальваностатическое циклирование может проводиться в диапазоне плотностей тока в зависимости от допустимой скорости измерения.

Спектроскопия электрохимического импеданса

Рисунок 3: Пример графика Найквиста для двухслойного конденсатора на основе аэрогеля с активированным углем. График покрывает частотный диапазон 10 ⁶ –10 ^–3 Гц. Источник: [2]

Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS), пожалуй, наиболее полный метод электрохимического анализа. Это включает в себя приложение переменного напряжения к устройству в широком диапазоне частот и измерение амплитуды и фазового сдвига результирующего тока.На основе этих измерений на каждой частоте рассчитывается импеданс, который представляется в виде графика Найквиста (который отображает мнимую составляющую импеданса относительно реальной составляющей) или графика Боде (который показывает величину импеданса и фазового сдвига в зависимости от частота). Интерпретация этих данных выходит за рамки этого веб-сайта, но их можно использовать для различных эквивалентных схем суперконденсаторов (которых много). Из наилучшего соответствия могут быть извлечены конкретные параметры, такие как емкость двойного слоя, последовательное сопротивление, сопротивление переносу заряда (сопротивление, связанное с окислительно-восстановительными реакциями на границе электрод-электролит, если псевдоемкость значительна) и сопротивление, связанное с диффузией.Кроме того, использование множества различных частот в подаваемом напряжении позволяет изучить скоростную способность устройства, то есть, насколько быстро оно может переключаться без значительных потерь емкости.

Список литературы

[1] Б. Сиа, Синтез материалов и определение характеристик для приложений микро-суперконденсаторов, докторская диссертация, Калифорнийский университет, Беркли, 2013. http://digitalassets.lib.berkeley.edu/etd/ucb/text/Hsia_berkeley_0028E_13892.pdf (по состоянию на 15 июня 2016 г.).

[2] Ю.-З. Вэй, Б. Фанг, С. Иваса, М. Кумагаи, Новый электродный материал для электрических двухслойных конденсаторов, Журнал источников энергии. 141 (2005) 386–391. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2004.10.001.

Текущие исследования суперконденсаторов в UW / CEI

Guozhong Cao (MSE) изучает модифицированный пористый углерод для электродов суперконденсатора. Эти материалы получают путем сублимационной сушки органических полимерных гелей с последующим высокотемпературным пиролизом в инертной атмосфере.В одной недавней статье рассказывается о совместном легировании таких углеродных материалов серой и азотом путем смешивания пентасульфида фосфора с предшественниками геля. [24] Гипотеза состоит в том, что посторонние элементы могут приводить к более высокой плотности поверхностного заряда, вызывая псевдоемкостные реакции в дополнение к емкости двойного слоя. Удельная емкость 103,5 Ф / г была достигнута для легированного аэрогеля, что на 43,5% выше, чем у чистого пористого углерода. Также было обнаружено, что легирующие примеси серы и азота улучшают электрокаталитическую активность углерода-хозяина для реакции восстановления кислорода (ORR), ключевой реакции для топливных элементов.

Peter Pauzauskie (MSE) также исследует пористые угли, полученные из органических гелей, но с помощью процесса сверхкритической сушки, а не сублимационной сушки. В частности, гели изготавливаются из полимеризации резорцина и формальдегида с использованием новой технологии, катализируемой кислотой, в ацетонитриле, которая ускоряет гелеобразование более чем в 10 раз. Оксид графена (GO), окисленное и расслоенное производное графита, может быть введен в предшественники геля для создания (после пиролиза) ковалентно-сшитой сборки графена, двумерной структуры атомов углерода, связанных в гексагональной решетке.Это многообещающий материал суперконденсатора, учитывая исключительные свойства графена для переноса электронов, которые могут минимизировать импеданс устройства и повысить его быстродействие. Эти гипотезы были подтверждены испытаниями на постоянном токе разряда и импедансной спектроскопией [25].

Кристин Ласкомб (MSE / Chemistry) изучает проводящие сверхразветвленные полимеры для материалов отрицательных электродов для асимметричных суперконденсаторов (то есть, где два электрода сделаны из разных материалов).Проводящие полимеры обладают окислительно-восстановительной активностью, обладают псевдоемкостью и могут быть синтезированы с меньшими затратами, чем псевдоемкостные оксиды металлов, такие как RuO ₂, из-за относительного обилия исходных материалов. В недавнем исследовании электроды суперконденсатора на основе полимеров с сердечниками из трифениламина и клеммами на основе диимида нафталина были ограничены умеренной емкостью (<22 Ф / г), но показали снижение емкости менее 10% за 500 циклов - наравне с существующими технологиями аккумуляторов.[26]

Список литературы

[1] Ю. Чжоу, Р. Ма, С.Л. Канделария, Дж. Ван, К. Лю, Э. Учакер, П. Ли, Ю. Чен, Г. Цао, Пористый углерод, легированный фосфором / серой, с повышенной удельной емкостью для суперконденсатора и улучшенной каталитической активностью для реакции восстановления кислорода, Журнал источников энергии. 314 (2016) 39–48. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2016.03.009.

[2] М.Б. Лим, М. Ху, С. Манандар, А. Сакшауг, А. Стронг, Л. Райли, П. Дж. Паузауски, Сверхбыстрый золь-гель синтез графеновых аэрогелевых материалов, Carbon.95 (2015) 616–624. DOI: 10.1016 / j.carbon.2015.08.037.

[3] Д.Ф. Зейглер, С. Канделария, К. Маццио, Т. Мартин, Э. Учакер, С.-Л. Сурару, Л.Дж. Канг, Г. Цао, К.К. Ласкомб, Гиперразветвленные полимеры N-типа для катодов суперконденсаторов с переменной пористостью и превосходной электрохимической стабильностью, макромолекулы. 48 (2015) 5196–5203. DOI: 10.1021 / acs.macromol.5b01070.

Суперконденсаторы в качестве альтернативы батареям

Представьте, что вы заряжаете свой мобильный телефон всего за несколько секунд.Или подумайте, как изменился бы транспорт, если бы заправка электромобиля занимала всего несколько минут.

Технология быстрого включения питания существует уже несколько десятилетий – в суперконденсаторах. Суперконденсаторы не только заряжаются быстрее, чем батареи, но и служат дольше, потому что не страдают от физических потерь при зарядке и разрядке, которые изнашивают батареи. У них также есть ряд преимуществ в плане безопасности. Однако суперразмер суперконденсаторов – они должны быть намного больше, чтобы удерживать ту же энергию, что и батареи, – и их сверхвысокая стоимость сдерживают их.

Но ряд ученых считает, что недавние открытия сделали быстрый, надежный и потенциально более безопасный накопитель энергии в суперконденсаторах, иногда называемых ультраконденсаторами, в пределах досягаемости, позволяя лучше конкурировать с батареями.

«Ультраконденсаторы похожи на молнию в бутылке, если хотите, – сказал Майкл Сунд, вице-президент Maxwell Technologies, ведущего производителя новой технологии, который продает тысячи единиц для зарядки автобусов в Китае.

Проблемы с безопасностью аккумуляторов

Любой, у кого закончился заряд во время важного телефонного разговора или кто пытался успокоить ребенка, чей игрушечный грузовик внезапно остановился, знает пределы заряда аккумуляторов.Аккумуляторы заряжаются долго, они относительно тяжелые – большая проблема для рынка электромобилей – и их безопасность часто возникает как проблема.

Этим летом крупному розничному торговцу пришлось отозвать тысячи запасных батарей для ноутбуков, произведенных Apple, только одним из многих производителей ноутбуков и сотовых телефонов, у которых были отозваны собственные батареи из соображений безопасности. (См. Соответствующий тест: «Что вы не знаете о батареях».)

Пожары с батареями в начале этого года также помогли временно заземлить новый Dreamliner Boeing.В одной из самых страшных трагедий, связанных с отказом аккумуляторной батареи, два члена экипажа погибли в 2010 году в авиакатастрофе самолета UPS в Дубае, который следователи связали с пламенем, поднимающимся из груза аккумуляторных батарей. (См. Статью по теме: «Преобразование полета для повышения топливной эффективности: пять технологий на взлетно-посадочной полосе».)

Опасные подводные камни, связанные с использованием батарей, являются частью того, что способствует возобновлению интереса к суперконденсаторам.

Безопасность – это гораздо большая проблема, чем это было в прошлом, – сказал Питер Харроп, председатель IDTechEx, фирмы по исследованию рынка, базирующейся в Кембридже, США.К. Он и другие поклонники новых технологий утверждают, что суперконденсаторы будут процветать, поскольку компании будут искать новые и более надежные источники питания, которые также более безопасны, чем современные батареи.

Вместо химических веществ, затрудняющих управление батареями, суперконденсаторы используют своего рода статическое электричество для хранения энергии. Это означает, что их характеристики более предсказуемы, их материалы более надежны и менее уязвимы к перепадам температуры, и они могут быть полностью разряжены для более безопасной транспортировки, сказал Харроп.(См. Связанные фотографии: «Семь ингредиентов для улучшения аккумуляторов электромобилей».)

Открытие для суперконденсаторов?

Ученым давно известно, что энергия может храниться в виде электрического заряда, а не в химических реактивах, как в батареях. Знаменитый эксперимент Бенджамина Франклина с рядами лейденских сосудов, которые он назвал «батареей» после военного термина, обозначающего совместное функционирование оружия, на самом деле был ранней версией конденсатора.

Но недавний прорыв в материалах суперконденсаторов может сделать их конкурентами батареям в большем количестве приложений.«Суперконденсаторы улучшаются намного быстрее, чем батареи», – сказал Харроп.

С другой стороны, суперконденсаторы уже много лет находятся на грани коммерческого успеха. Заголовок 1995 года, например, предполагал, что ультраконденсаторы «рвутся вперед». Но они остались небольшим бизнесом по сравнению с перезаряжаемыми батареями – в первую очередь потому, что они хранят относительно мало энергии по сравнению с обычными элементами.

В аккумуляторах накопление электрического заряда называется «плотностью энергии», в отличие от «плотности мощности» или скорости доставки энергии.

Плотность энергии суперконденсаторов бледнеет по сравнению с литий-ионными батареями – технологией, которая сегодня обычно используется в телефонах и ноутбуках. Литий-ионные аккумуляторы хранят в 20 раз больше энергии, чем суперконденсаторы для данного веса и размера. Это означает, что iPhone 5, возможно, должен быть на два или три дюйма толще, чтобы удерживать суперконденсатор, что делает устройство едва ли стройным.

Суперконденсаторы, с другой стороны, превосходны, когда дело доходит до удельной мощности. Они обладают огромной мощностью – их можно быстро заряжать и высвобождать эту мощность быстрыми всплесками тока.Подумайте о тех резких электрических ударах, которые могут возникнуть, если неправильно натереть ворсистое ковровое покрытие. Или, может быть, лучше подумайте о разрядах электричества, которые зажигают летнюю бурю.

Производитель суперконденсаторов Maxwell Technologies сообщил, что наибольшие продажи идут производителям автобусов. Операторы используют суперконденсаторы, чтобы улавливать энергию, генерируемую при торможении автобуса на одной из своих многочисленных остановок, а затем разряжать электроэнергию, чтобы автобус начал движение с полной остановки. С этой целью суперконденсаторы могут полностью заменить батареи в гибридных автобусах, в то время как полностью электрические автобусы требуют меньше батарей.

Это, вероятно, лучший способ продолжить продажу суперконденсаторов в качестве дополнения к батареям или двигателям, работающим на топливе, сказал Сунд. «Суперконденсаторы часто дополняют батареи», – сказал он. «Поэтому мы стараемся держаться подальше от того, что мы называем« вышибанием батарей »».

Тем не менее, есть и другие места, где суперконденсаторы полностью заменяют батареи. Один из примеров – ветряные турбины, особенно расположенные на море и труднодоступные. Суперконденсаторы могут обеспечить, например, всплески мощности, необходимые для регулировки лопастей турбины при изменении ветровых условий.

Аккумуляторы традиционно удовлетворяли эту потребность. Но батареи изнашиваются, потому что их химические вещества со временем теряют свою эффективность. Поскольку они не используют химические вещества для хранения электроэнергии, конденсаторы служат намного дольше, что является важным фактором для турбин, чья высота и удаленное расположение делают их обслуживание дорогостоящим.

Некоторые европейские автомобили также используют суперконденсаторы аналогично автобусам. Европейские «микрогибридные» автомобили выключаются, когда обычно работают на холостом ходу. Эта технология «старт-стоп» обычно работает только от батарей, но французский автопроизводитель PSA использует суперконденсаторы Maxwell в некоторых своих автомобилях Citroen и Peugeot.

Аккумуляторы, тем не менее, продолжают занимать большую часть рынка микрогибрид, потому что суперконденсаторы и сопутствующая электроника могут добавить пару сотен долларов к стоимости автомобиля. Сторонники технологии утверждают, что в долгосрочной перспективе суперкапсы стоят меньше, потому что они служат дольше, чем батареи, и экономят больше топлива, поскольку работают более надежно.

Тем не менее, когда дело доходит до микрогибридных автомобилей, начальная цена покупки пока превосходит эффективность и долгосрочную стоимость владения, сказал Сунд.

Преодолеть препятствия

Новые материалы могут помочь суперконденсаторам лучше конкурировать по плотности энергии. Многие ученые сосредотачиваются на графене, углероде толщиной всего в один атом, который вызвал большое волнение с тех пор, как он был усовершенствован около десяти лет назад. Производство графена оказалось дорогим. Но недавно лаборатория показала, что дешевое обычное бытовое устройство может производить графен в недорогих высококачественных листах. Аспирант использовал записывающее устройство DVD, чтобы сделать графен в химической лаборатории, которой руководит Рик Канер, профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

DVD-привод имеет функцию под названием LightScribe, которая наносит изображения на поверхность DVD-дисков. Оказывается, лазер также преобразует обычный материал, оксид графита, в листы графена. Открытие было описано в прошлом году в журнале Science.

Лазер производит графен с характеристикой, которая делает его особенно перспективным для суперконденсаторов: он выходит с отверстиями или порами. Этот высокопористый графен можно уложить в несколько слоев, при этом обе стороны каждого слоя остаются доступными.В экспериментах это удвоило или утроило плотность энергии суперконденсаторов, сделанных из графена.

Диск размером с DVD из лаборатории Рика Канера содержит микроконденсаторы.

Фотография любезно предоставлена Аргоннской национальной лабораторией

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Один слой атомов углерода не хранит много энергии, сказал Канер. «Это когда вы можете складывать сотни или даже тысячи слоев – и это то, что мы делаем.«

Он не предсказывает, когда новый материал может появиться в коммерческих суперконденсаторах, кроме как выразить надежду, что это произойдет не через десять или даже пять лет. Даже в этом случае суперконденсаторы, вероятно, будут работать в тандеме с батареями». «пока они не заменят батареи», – сказал Канер. сказал.«Кроме того, в отличие от батарей, они не перезаряжаются и не перегреваются».

По словам Харропа из IDTechEX, преимущества суперконденсаторов в области безопасности будут расти по мере роста спроса на портативную энергию. Конденсаторы сами по себе создают проблемы с безопасностью, потому что любая технология, которая хранит энергию, потенциально опасна. Но производители постепенно отказываются от токсичных и легковоспламеняющихся химикатов, которые использовались в суперконденсаторах, и даже эти суперконденсаторы имеют лучшие показатели безопасности, чем литий-ионные батареи, сказал он.

Между тем безопасность аккумуляторов станет более серьезной проблемой по мере увеличения размеров элементов, таких как те, которые сейчас используются в электромобилях. Харроп добавил, что чем больше батарея, тем больше вероятность того, что что-то пойдет не так. «Легче сделать аккумулятор безопасным для чего-то вроде телефона, чем для автомобиля».

Эта история – часть специальной серии, посвященной вопросам энергетики. Для получения дополнительной информации посетите The Great Energy Challenge.

Суперконденсаторы – жизнеспособная альтернатива технологии литий-ионных батарей?

11 ноя 2020

13283 Просмотры

8 мин чтения

Введение

Суперконденсаторы

, также называемые ультраконденсаторами, двухслойными конденсаторами или электрохимическими конденсаторами, представляют собой тип системы накопления энергии, привлекающий в последние годы многих экспертов.Проще говоря, их можно представить как нечто среднее между обычным конденсатором и батареей; тем не менее, они отличаются от обоих.

Прежде чем мы углубимся в нюансы того, могут ли суперконденсаторы сами по себе влиять на то, как можно хранить энергию в будущем, стоит узнать больше о том, как они работают и чем они отличаются от литий-ионных аккумуляторов.

Суперконденсаторы и батареи, они оба являются методами хранения. Если мы посмотрим на литий-ионные батареи, они полностью зависят от химических реакций.Они состоят из положительной и отрицательной стороны, технически называемых анодом и катодом. Эти две стороны погружены в жидкий электролит и разделены микроперфорированным сепаратором, через который проходят только ионы. Во время зарядки и разрядки аккумуляторов ионы имеют тенденцию перемещаться туда-сюда между анодом и катодом. В процессе переноса ионов батарея нагревается, расширяется, а затем сжимается. Эти реакции постепенно разрушают батарею, что приводит к сокращению срока ее службы.Однако существенным преимуществом аккумуляторной технологии является то, что она имеет очень высокую удельную энергию или плотность энергии для хранения энергии для последующего использования.

Но суперконденсаторы разные; они не полагаются на химическую игру, чтобы функционировать. Вместо этого они накапливают в себе потенциальную энергию электростатически. В суперконденсаторах между пластинами используется диэлектрик или изолятор, чтобы разделить совокупность положительных (+ ve) и отрицательных (-ve) зарядов на пластинах каждой стороны. Именно такое разделение позволяет устройству накапливать энергию и быстро ее высвобождать.Он в основном улавливает статическое электричество для использования в будущем. Самым значительным преимуществом этого является то, что конденсатор 3 В теперь по-прежнему будет конденсатором 3 В через 15-20 лет. Напротив, с другой стороны, аккумулятор может терять емкость по напряжению со временем и при повторном использовании.

Кроме того, в отличие от батареи, они имеют более высокую пропускную способность, что означает, что они могут заряжаться и разряжаться за меньшее время. Тем не менее, они имеют очень низкую удельную энергию по сравнению с батареями. Суперконденсаторы лучше всего подходят для очень небольших всплесков мощности.

Сама концепция «суперконденсатора » вовсе не нова. Первый суперконденсатор был создан GE (General Electric) в 1957 году. Standard Oil, случайно в 1966 году открыли двухслойный конденсатор при работе с топливными элементами. Тем не менее, только в конце 1970-х годов японская компания NEC начала коммерчески предлагать первый «суперконденсатор» для резервного копирования памяти компьютера.

Мы находимся на этапе, когда применение суперконденсаторов только начинается.В целом было обнаружено, что суперконденсаторы имеют наибольший потенциал для применения в гибридных транспортных средствах (намекает на приобретение Tesla – Maxwell).

Peugeot-Citroen, Toyota, Mazda и даже Lamborghini выпустили модели автомобилей, в которых используется определенная комбинация суперконденсаторов и обычных литий-ионных аккумуляторов. Такие автомобили, как концепт Toyota Hybrid-R и мощный Sian от Lamborghini, используют суперконденсаторы для определенной роли. Например, они использовали его в системах рекуперации энергии во время замедления автомобиля.Проще говоря, когда автомобили замедляются, энергия, генерируемая в результате этого действия, накапливается бортовыми суперконденсаторами и позже используется для ускорения. Приводит к экономии батарей для менее напряженных действий, чем ускорение и замедление. В нем используется превосходная пропускная способность суперконденсаторов.

Интересно, что Илон Маск недавно заявил, что приобретение Tesla компании Maxwell окажет значительное влияние на батареи . Это было связано с объявлением Tesla о приобретении компании Maxwell, производящей ультраконденсаторы и аккумуляторы из Сан-Диего, за более чем 200 миллионов долларов.Было неясно, было ли это для основного бизнеса компании, суперконденсаторов, или для ее новейшей технологии аккумуляторов, такой как новая технология сухих электродов для аккумуляторных элементов.

В Швейцарии можно увидеть фантастический пример того, насколько эффективны суперконденсаторы. Парк автобусов имеет зарядные станции на различных остановках на своем ежедневном коммутационном маршруте. Всего за 15 секунд можно зарядить аккумулятор, а для полной зарядки хватит всего нескольких минут. За счет частых дозаправок он восполняет недостаток плотности и накопления энергии.А поскольку суперконденсаторы потребляют более низкий ток в течение нескольких минут за раз, это снижает нагрузку на сеть.

Почему суперконденсаторы вызывают большой интерес и чем они отличаются, например, от литий-ионных батарей?

Ответ на этот вопрос может во многом зависеть от приложений, для которых они могут использоваться. У каждой технологии действительно есть несколько явных преимуществ и недостатков. Как упоминалось ранее, батареи имеют гораздо более высокую плотность энергии , чем суперконденсаторы.

Это означает, что батареи больше подходят для приложений с более высокой плотностью энергии, например, для приложений, в которых устройство должно работать в течение длительных периодов времени на одной зарядке. С другой стороны, суперконденсаторы имеют гораздо более высокую удельную мощность, чем батареи. Это делает их идеальными для приложений с высоким энергопотреблением, таких как питание электромобиля. Пожалуйста, обратитесь к выставке ниже для сравнительного обзора.

Суперконденсаторы

также имеют гораздо больший срок службы, чем батареи. Обычная батарея может выдерживать около 2000-3000 циклов зарядки и разрядки, в то время как ультраконденсаторы обычно выдерживают более 1000000 циклов.Это может дать значительную экономию материалов и затрат.

Волнение действительно кажется заслуженным. Суперконденсаторы могут перезаряжаться за секунды, и в отличие от батарей, которые зависят от внутренних химических реакций и, следовательно, быстро изнашиваются, суперконденсаторы не разрушаются со временем. Суперконденсатор на 2,7 В сегодня будет суперконденсатором на 2,7 В через 15 лет. Для сравнения, все современные конструкции аккумуляторов постепенно теряют производительность, что означает, что ваша 12-вольтовая батарея сегодня может быть 11-вольтовой.Аккумулятор на 4 вольта всего за три года.

Возможно, все еще существует некоторая распространенная путаница с точки зрения хранения энергии. Таблица 6, показанная ниже, может прояснить, как эти две технологии сравниваются по характеристикам плотности мощности и плотности энергии, включая некоторые другие формы накопления энергии.

Хотя суперконденсатор с таким же весом, как батарея, может выдерживать большую мощность, его ватт / кг (удельная мощность) до 10 раз лучше, чем у литий-ионных батарей. Однако неспособность суперконденсаторов медленно разряжаться означает, что их количество ватт-часов / кг (плотность энергии) – это лишь небольшая часть того, что предлагает литий-ионный аккумулятор.

Суперконденсаторы ждут захватывающие времена – следите за ними!

С приведенными выше сравнениями и всеми примерами различных приложений суперконденсаторов, исследуемых многочисленными производителями оригинального оборудования, похоже, не наблюдается какого-либо массового движения к замене батарей на суперконденсаторы. Итак, почему все это волнение?

Суперконденсаторы

превосходят традиционные конденсаторы благодаря своей способности накапливать и выделять энергию; однако они не смогли заменить обычные литий-ионные батареи.Это происходит главным образом потому, что литий-ионные аккумуляторы обладают такой мощностью, которую суперконденсаторы не могут дать в виде удельной энергии или плотности энергии (литий-ионные ~ 250 Втч / кг по сравнению с суперконденсаторами ~ 20 Вт-час / кг).

Основываясь на недавних исследованиях суперконденсаторов, можно сделать прорыв в суперконденсаторах на основе графена, что приведет к значительному прогрессу в суперконденсаторах. В результате исследования, проведенного в Технологическом университете Квинсленда и Университете Райса , были опубликованы две статьи в журналах Journal of Nanotechnology и Power Sources .Исследователи из этих университетов предложили решение, состоящее из двух слоев графена со слоем электролита между ними. Эта пленка получается прочной, тонкой и может выделять большое количество энергии за короткое время. Эти факторы даны как данность – в конце концов, это суперконденсатор. Это исследование делает это исследование уникальным и интересным, потому что исследователи предполагают, что новые, более тонкие суперконденсаторы могут заменить более громоздкие батареи в будущих электромобилях.

Даже такие компании, как Skeleton Technologies, которые в значительной степени сосредоточились на технологии суперконденсаторов, признают, что гибридизация литий-ионных систем и систем, управляемых суперконденсаторами, может продвинуть электрические технологии в новую эру.

Соавтор исследования

Цзиньчжан Лю говорит, что «Ожидается, что в будущем суперконденсаторы можно будет модифицировать для хранения большего количества энергии, чем литий-ионный аккумулятор, при сохранении способности выделять свою энергию в 10 раз быстрее. Это означает, что суперконденсаторы в его кузовных панелях могут полностью питать автомобиль ». Он добавляет, что «после одной полной зарядки этот автомобиль должен иметь возможность проехать до 500 км (310 миль) – аналогично автомобилю с бензиновым двигателем и более чем вдвое превышает лимит тока электромобиля.”

Для технологии, которой почти 65 лет, суперконденсаторы еще не нашли свое место в электрических технологиях. Но похоже, что вместе с литий-ионными батареями и с более широким применением графена суперконденсаторы постепенно становятся жизненно важной ролью в гибридно-электрических технологиях. Суперконденсаторы могут сыграть роль в создании литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии, более полезных в течение более продолжительных периодов времени.

Список литературы

Разница между батареей и суперконденсатором
Как работают суперконденсаторы?
Суперконденсатор и батарея – сравнение и практический пример
Могут ли суперконденсаторы заменить батареи?
Суперконденсаторы против батарей: выдержат ли батареи испытание временем?
Конденсаторы заменят батареи?
Новые материалы делают суперконденсаторы лучше, чем батареи
Узнайте, как суперконденсатор может улучшить аккумулятор
Могут ли ультраконденсаторы заменить батареи в электромобилях будущего?

Ионистор что это: Может ли ионистор заменить аккумулятор? / Хабр

Ионисторы – аккумуляторы будущего?

Ионисторы Справочники Любительская Радиоэлектроника

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

Как устроен ионистор

Принцип работы

Плюсы и минусы суперконденсаторов

Ионистор на схемах

Область применения

Заключение

можно ли его заменить на

Новые возможности использования ионисторов – Газета.Ru

Что такое ионисторы, где они применяются и в чем их особенность | Энергофиксик

Устройство ионистора

Как работает ионистор

В чем преимущества и недостатки ионисторов

К минусам относят следующие явления

Обозначение ионисторов на схеме

Где применяются ионисторы

Заключение

Как работают суперконденсаторы? – Объясни, что материал

Как можно хранить электрический заряд?

Что такое суперконденсатор?

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Для чего используются суперконденсаторы?

Как работают суперконденсаторы? – Объясни, что материал

Как можно хранить электрический заряд?

Что такое суперконденсатор?

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Для чего используются суперконденсаторы?

Суперконденсатор

Суперконденсатор определение

Как чем суперконденсаторы отличаются от обычных конденсаторов?

Типы суперконденсаторы

Двухслойный конденсаторы

Псевдоконденсаторы

Гибрид конденсаторы

Преимущества суперконденсаторы

Приложения суперконденсаторов

Что такое суперконденсатор? Объяснение следующего шага для электромобилей и гибридов

Что такое суперконденсатор?

В химическую лабораторию!

Как работают суперконденсаторы?

В чем преимущества суперконденсаторов?

Какие недостатки у суперконденсаторов?

Суперконденсаторы прямо сейчас? Рука помощи гибридам

Что ждет суперконденсаторы в будущем?

Суперконденсатор – Институт чистой энергии

Суперконденсаторы в качестве альтернативы батареям

Суперконденсаторы – жизнеспособная альтернатива технологии литий-ионных батарей?

Введение

Почему суперконденсаторы вызывают большой интерес и чем они отличаются, например, от литий-ионных батарей?

Суперконденсаторы ждут захватывающие времена – следите за ними!

Список литературы

Больше новостей

Добавить комментарий Отменить ответ