Применение ионисторов: Устройство суперконденсаторов (ионисторов), применение

Содержание

Ионистор. Что такое и зачем нужен?

Сравнительно недавно в широкой продаже появились так называемые ионисторы. По-иному их ещё называют суперконденсаторами. По размерам они сравни обычным электролитическим конденсаторам, но обладают по сравнению с ними, гораздо большей ёмкостью.

Ионистор – это некий гибрид конденсатора и аккумулятора. В зарубежной литературе ионистор называют сокращённо EDLC, что расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor, что по-русски означает: конденсатор с двойным электрическим слоем. Работа ионистора основана на электрохимических процессах.

Устройство ионистора.

Отличие ионистора от конденсатора заключается в том, что между его электродами нет специального слоя из диэлектрика. Взамен этого электроды у ионистора сделаны из веществ, обладающими противоположенными типами носителей заряда.

Как известно, электрическая ёмкость конденсатора зависит от площади обкладок: чем она больше, тем больше ёмкость. Поэтому электроды ионисторов чаще всего делают из вспененного углерода или активированного угля. Благодаря этому приёму удаётся получить большую площадь своеобразных “обкладок”. Электроды разделяются сепаратором и всё это находятся в электролите. Сепаратор необходим исключительно для защиты электродов от короткого замыкания. Электролит же выполняется на основе растворов кислот и щелочей и является кристаллическим и твёрдым.

Например, с помощью твёрдого кристаллического электролита на основе рубидия, серебра и йода (RbAg₄I₅) возможно создание ионисторов с низким саморазрядом, большой ёмкостью и выдерживающие низкие температуры. Также возможно изготовление ионисторов на основе электролитов растворов кислот, таких как H

2SO₄. Такие ионисторы обладают низким внутренним сопротивлением, но и малым рабочим напряжением около 1 В. В последнее время ионисторы на основе электролитов из растворов щелочей и кислот почти не производят, так как такие ионисторы содержат токсичные вещества.

В результате электрохимических реакций небольшое количество электронов отрывается от электродов. При этом электроды приобретают положительный заряд. Отрицательные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются электродами, которые заряжены положительно. В итоге всего этого процесса и образуется электрический слой.

Заряд в ионисторе сохраняется на границе раздела электрода из углерода и электролита. Толщина электрического слоя, который образован анионами и катионами, составляет очень малую величину порой равную 1…5 нанометрам (нм). Как известно, с уменьшением расстояния между обкладками ёмкость возрастает.

К основным положительным качествам ионисторов можно отнести:

Малое время заряда и разряда. Благодаря этому ионистор можно быстро зарядить и использовать, тогда, как на заряд аккумуляторных батарей уходит значительное время;
Количество циклов заряд/разряд – более 100000;
Не требуют обслуживания;
Небольшой вес и габариты;
Для заряда не требуется сложных зарядных устройств;
Работает в широком диапазоне температур (-40…+70°C). При температуре больше +70°C ионистор, как правило, разрушается;
Длительный срок службы.

К отрицательным свойствам ионисторов можно отнести всё ещё высокую стоимость, а также довольно малое напряжение на одном элементе ионистора. Номинальное рабочее напряжение ионистора зависит от типа используемого в нём электролита.

Чтобы увеличить рабочее напряжение ионистора их соединяют последовательно, также как и при соединении батареек. Правда, для надёжной работы такого составного ионистора нужно каждый отдельный ионистор шунтировать резистором. Делается это для того, чтобы выровнять напряжение на каждом отдельном ионисторе. Это связано с тем, что параметры отдельных ионисторов отличаются. Ток, который течёт через выравнивающий резистор, должен быть в несколько раз больше тока утечки (саморазряда) ионистора. Значение тока саморазряда у маломощных ионисторов составляет десятки микроампер.

Также стоит помнить, что ионистор – это полярный компонент. Поэтому при подключении его в схему нужно соблюдая полярность.

Кроме этого стоит избегать короткого замыкания выводов ионистора. И хотя ионисторы достаточно устойчивы к короткому замыканию, оно может привести к чрезмерному повышению температуры сверх максимального вследствие теплового действия тока, а это приведёт к порче ионистора.

Ионисторы прекрасно работают в цепях постоянного и пульсирующего тока. Правда, в случае протекания через ионистор пульсирующего тока высокой частоты он может нагреваться из-за высокого внутреннего сопротивления на высоких частотах. Как уже говорилось, увеличение температуры электродов ионистора выше максимально допустимой приводит к его порче.

В документации на ионистор, как правило, указывается значение его внутреннего сопротивления на частоте 1 кГц. Например, для ионистора DB-5R5D105T ёмкостью 1 Фарада внутреннее сопротивление на частоте 1 кГц составлет 30Ω. Также существуют ионисторы с ещё меньшим внутренним сопротивлением. Они маркируются как Low resistance

или Low ESR.

Такие ионисторы заряжаются быстрее.

Для постоянного тока же внутреннее сопротивление ионистора мало и составляет единицы миллиом – десятки ом.

Обозначение ионистора на схеме.

На схемах ионистор обозначается также как и электролитический конденсатор. Тогда же встаёт вопрос: “А как же определить, что на принципиальной схеме изображён именно ионистор?”

Определить, что на схеме изображён ионистор можно по значению номинальных параметров. Если рядом с обозначением указано, например, 1F * 5,5 V, то тут сразу станет понятно, что это ионистор. Как известно, электролитических конденсаторов ёмкостью 1 Фарада не существует, а если и существует, то габариты у него немалые . Также сразу бросается в глаза номинальное напряжение в 5,5 V. Как уже говорилось, ионисторы в принципе не рассчитаны на большое рабочее напряжение.

Где применяются ионисторы?

Очень часто ионисторы можно встретить в цифровой аппаратуре. Там они выполняют роль автономного или резервного источника питания для микроконтроллеров (IC’s), микросхем памяти (RAM’s), КМОП-микросхем (CMOS’s) или электронных часов (RTC). Благодаря этому даже при отключенном основном питании электронный прибор сохраняет заданные настройки и ход часов. Так, например, в кассетном аудиоплеере Walkman используется миниатюрный ионистор.

При замене аккумуляторов или батареек в плеере он полностью обесточивается, что неизбежно приводит к стиранию настроек (например, частот радиостанций, установок эквалайзера, сброс хода электронных часов). Но этого не происходит благодаря тому, что электронную схему в “ждущем” режиме питает заряженный ионистор. И хотя ёмкость его несоизмеримо меньше, чем ёмкость аккумулятора или батареи этого хватает для сохранения настроек и работы часов в течение нескольких суток!

Ионистор является достаточно новым электронным компонентом. Впервые ионистор был разработан в Соединённых штатах в 1960-х годах. А позднее, в 1978 году, ионисторы появились и в СССР под маркой К58-1. Это был первый отечественный ионистор. Далее промышленность стала выпускать ионисторы марок К58-15 и К58-16.

Как можно применить ионистор в самодельных конструкциях? Его можно использовать в качестве аварийного источника питания, например, в конструкциях на микроконтроллерах. Вот простейшая схема включения ионистора в цепь питания электронного устройства.

Диод VD1 служит для предотвращения разряда ионистора С1, когда напряжение питания равно 0 (Uпит=0). В качестве диода VD1 лучше применить диод Шоттки, например, 1N5817 и аналогичные, так как у них малое падение напряжения на открытом переходе. Резистор R1 препятствует перегрузке источника питания, ограничивая зарядный ток ионистора. Его можно не устанавливать, если источник питания выдерживает ток нагрузки 100 – 250 мА. R_н – это сопротивление нагрузки (питаемое устройство, например, микроконтроллер).

Под занавес сего повествования хочется показать какое-нибудь видео. Видео не моё, нашёл в YouTube. Показано, как можно запитать светодиод от заряженного ионистора ёмкостью в 0,047 Ф. Ионистор на 5,5 V, поэтому если решите повторить эксперимент, то заряжайте его 3 вольтами, иначе можно нечаянно спалить светодиод.

Кстати, у меня оказывается, точно такой же ионистор в запаснике завалялся.

А у Вас есть ионистор?

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

Как устроено электромагнитное реле?
Как проверить ИК-приёмник?

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

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

Историческая справка
Назначение электронного устройства
Конструкция и материалы ионисторов
Достоинства и недостатки
Промышленное применение
Направления развития суперконденсаторов

Историческая справка

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

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

Назначение электронного устройства

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

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

Конструкция и материалы ионисторов

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

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

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

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

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

Достоинства и недостатки

Среди достоинств прибора следует выделить следующие:

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

EDLC имеют некоторые недостатки:

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

Промышленное применение

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

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

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

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

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

Направления развития суперконденсаторов

Новые перспективные разработки ионисторов:

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

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

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

Что такое суперконденсаторы | Ионисторы, ультраконденсаторы, двухслойные электрохимические конденсаторы, электрический двухслойный конденсатор

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы – история создания и развития техники

7 июня 1962 года Роберт Райтмайер, химик Американского Компания Standard Oil (SOHIO) в Кливленде, штат Огайо, подала заявку на патент, в которой подробно описывается механизм хранения электроэнергии в двухслойном конденсаторе.

Если в обычном конденсаторе Поскольку алюминиевые пластины традиционно изолировались диэлектрическим слоем, то в варианте, предложенном изобретателем, упор был сделан непосредственно на материал пластин. Электроды должны были иметь разную проводимость: один электрод должен был иметь ионную проводимость, а другой – электронную.

Таким образом, в процессе заряда конденсатора будет происходить разделение электронов и положительных центров в электронном проводнике и разделение катионов и анионов в ионном проводнике.

Электронный проводник предлагалось изготавливать из пористого углерода, тогда ионный проводник мог быть водным раствором серной кислоты. В этом случае заряд накапливался бы на границе раздела этих специальных проводников (того самого двойного слоя). Разность потенциалов этих первых ионисторов могла достигать значения в 1 вольт, а емкость — единиц фарад, ведь теперь расстояние между обкладками было меньше 5 нанометров.

В 1971 году лицензия была передана японской компании NEC, которая на тот момент занималась всеми сферами электронной связи. Японцы добились успеха в продвижении на рынок электроники технологии под названием “Суперконденсатор” .

Семь лет спустя, в 1978 году, Panasonic, в свою очередь, выпустила Gold Capacitor, также завоевавший успех на этом рынке. Успех был обеспечен удобством использования ионисторов для питания энергозависимой памяти SRAM. Однако эти ионисторы имели большое внутреннее сопротивление, что ограничивало возможность быстрого извлечения энергии, а потому сильно сужало область применения.

В 1982 году специалисты Американского научно-исследовательского института Pinnacle (PRI), расположенного в Лос-Гатосе, штат Калифорния, работая над улучшением материалов электродов и электролитов, разработали ионизаторы с чрезвычайно высокой плотностью энергии, появившиеся на рынке под названием «PRI Ultracapacitor».

Спустя 10 лет, в 1992 году, компания Maxwell Laboratories (позднее сменившая название на Maxwell Technologies, Сан-Диего, Калифорния, США) начала разработку технологии PRI под названием «Boost Caps». Теперь целью было создание конденсаторов большой емкости с низким сопротивлением, чтобы иметь возможность питать мощное электрооборудование.

Рис. 1. Суперконденсатор SAMWHA ELECTRIC DH5U308W60138TH. запущен. С этого момента началась активная разработка технологии во многих научно-исследовательских институтах мира.

На российском рынке тоже есть игроки, так компания «Ультраконденсаторы Феникс» (ООО «УКФ») — инжиниринговая компания, специализирующаяся на проектировании, разработке, производстве и практическом применении решений и систем на основе суперконденсаторов/ионизаторов. Компания работает в тесном сотрудничестве с лучшими мировыми производителями и активно перенимает их опыт.

Применение ионисторов

Единицы ионисторов на фарад получили заслуженное применение в качестве резервных источников питания во многих устройствах. Начиная с питания таймеров телевизоров и микроволновых печей, и заканчивая сложными медицинскими приборами. Как правило, ионисторы устанавливаются на карты памяти.

При замене батарейки в видео или фотоаппарате ионистор поддерживает питание цепей памяти, отвечающих за настройки, то же касается музыкальных центров, компьютеров и другой подобной техники. Телефоны, электронные счетчики электроэнергии, системы охранной сигнализации, электронные измерительные приборы и медицинские приборы – суперконденсаторы нашли применение повсеместно.

Рис. 2. Суперконденсаторы (ионисторы)

Малые ионисторы с органическим электролитом имеют максимальное напряжение около 2,5 вольт. Для получения более высоких допустимых напряжений ионисторы соединяют в батареи, обязательно используя шунтирующие резисторы.

К преимуществам ионисторов можно отнести: высокую скорость заряда-разряда, устойчивость к сотням тысяч циклов перезарядки по сравнению с аккумуляторами, малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами, низкую токсичность, устойчивость к разряду до нуля.

Рис. 3. Источник бесперебойного питания на суперконденсаторах

Рис. 4. Суперконденсаторные автомобильные модули

Перспективы

это приведет к полной замене аккумуляторов суперконденсаторами во многих областях техники.

Недавние исследования группы ученых Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что новый тип ионистора основан на пористой структуре, где частицы оксида рутения нанесены на графен, превосходящий его лучшие аналоги почти в два раза.

Исследователи обнаружили, что поры «пенопласта графена» имеют наноразмеры, подходящие для удержания частиц оксидов переходных металлов. Суперконденсаторы на основе оксида рутения в настоящее время являются наиболее перспективным вариантом. Безопасно работая на водном электролите, они обеспечивают увеличение запасаемой энергии и увеличивают допустимую силу тока в два раза по сравнению с лучшими ионисторами, доступными на рынке.

Они запасают больше энергии на каждый кубический сантиметр своего объема, поэтому было бы целесообразно заменить ими батарейки. В первую очередь речь идет о носимой и имплантируемой электронике, но в будущем новинка может быть основана и на персональных электромобилях.

Графен нанесен на слои никеля, выступающего в качестве подложки для углеродных нанотрубок, которые вместе с графеном образуют пористую углеродную структуру. Частицы оксида рутения диаметром менее 5 нм проникают в полученные нанопоры последнего из водного раствора. Удельная емкость ионистора на основе полученной структуры составляет 503 фарад на грамм, что соответствует удельной мощности 128 кВт/кг.

Рис. 4. Зарядное устройство на графеновом суперконденсаторе

Возможность масштабирования этой конструкции уже заложила основу и заложила основу для создания идеального средства хранения энергии. Ионисторы на основе «пены графена» успешно прошли первые испытания, где показали способность более восьми тысяч раз перезаряжаться без износа.

Лампы нано, конденсаторы супер!

: 30 апреля 2009 г., Путь на Восток, том 22, N1

В течение нескольких лет специалисты Института неорганической химии СО РАН (Новосибирск) разрабатывают методы синтеза массивов направленных углеродных нанотрубок и изучают их структуру и характеристики. В качестве электродного материала нанотрубки обладают большим потенциалом для создания новых видов суперконденсаторов и аккумуляторов.

Растущие потребности современной техники привели к появлению нового класса устройств — суперконденсаторы или ионисторы . Они обладают высокой емкостью и накапливают энергию в двойном электрическом слое на поверхности высокопористой проводящей структуры. В отличие от обычных конденсаторов вторым электродом в суперконденсаторах является электролит, который при напряжении 1 В позволяет сформировать слой ионов на поверхности электрода. Ионы находятся в сольватной оболочке, состоящей из молекул воды, расположенных с характерными интервалами около 1 нм.

Известно, что емкость элементарного конденсатора пропорциональна площади электродов и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Так как в ионисторах расстояние между заряженной поверхностью электродов и слоем ионов электролита очень мало и удельная поверхность пористого проводника (например, активированного угля) достигает 1000—1500 м2/г, емкость такого устройства может превышать 100 Фарад/г. Для сравнения, удельная емкость традиционных электролитических конденсаторов составляет одну тысячную емкости ионистов.

Суперконденсаторы отличаются высокой мощностью и малыми токами утечки, выдерживают десятки тысяч циклов заряда-разряда и могут заряжаться за короткое время. Являются эффективным средством для надежного пуска двигателя при низких температурах, а также в случае севшего аккумулятора.

Для обеспечения исключительно высокой емкости двухслойного конденсатора материал электрода должен обладать такими характеристиками, как хорошая электропроводность, высокая удельная поверхность, химическая и термическая стойкость. Все это весьма характерно для углеродных материалов. В последние годы круг углеродных наноматериалов, перспективных для изготовления электрохимически активных электродов, расширился за счет монослойных и многослойных нанотрубок. Углеродные нанотрубки по некоторым параметрам превосходят традиционные материалы. Особый интерес вызывает геометрия, при которой массив углеродных нанотрубок расположен преимущественно перпендикулярно поверхности проводящей подложки, что приводит как к значительному увеличению эффективной поверхности электродов, так и к улучшению условий протекания электрического тока. .

Сегодня учеными Института неорганической химии СО РАН разработаны методы синтеза массивов углеродных нанотрубок длиной до 3 мм. Самый толстый массив получен в результате непрерывного впрыска смеси углеводорода и катализатора при 800°С.Удельная емкость суперконденсаторов из массивов направленных углеродных нанотрубок в водных электролитах составляет 100—120 Фарад/г.

Емкость можно еще увеличить, нанеся на поверхность нанотрубки вещество, способное обратимо изменить свою структуру в результате химической реакции под действием тока. Этот электрохимический элемент является не настоящим суперконденсатором, а фактически аккумулятором. При его разрядке накопленная в нем химическая энергия преобразуется в ток.

Существует ряд полимеров, которые можно использовать в качестве структур с хорошими окислительно-восстановительными характеристиками. Ученые лаборатории физико-химии наноматериалов Института неорганической химии наносят тонкий слой полианилина для модификации поверхности нанотрубок, выращенных на кремниевых пластинах. Лучшие образцы имеют слой полианилина толщиной 10 нм, что сравнимо со средним радиусом самих нанотрубок.