Что такое суперконденсаторы. Справочные данные по ионисторам

На сегодняшний день аккумуляторные технологии значительно продвинулись и стали более совершенными по сравнению с прошлым десятилетием. Но все же, пока что аккумуляторные батареи остаются расходным материалом, потому как имеют небольшой ресурс.

Мысль о том, чтобы использовать, конденсатор для накопления и хранения энергии не нова и первые эксперименты проводились с электролитическими конденсаторами. Ёмкость у электролитических конденсаторов бывает значительной – сотни тысяч микрофарад, но все же ее недостаточно для того, чтобы длительное время питать хоть и не большую нагрузку, притом присутствует значительный ток утечки, обусловленный особенностями конструкции.

Современные технологии не стоят на месте, и был изобретен ионистор, это конденсатор, имеет сверхбольшую емкость – от единиц фарад и до десятков тысяч фарад. Ионисторы емкостью единицы фарад используются в портативной электронике, для обеспечения бесперебойного питания слаботочных цепей, например микроконтроллера. А ионисторы емкостью десятки тысяч фарад используются совместно с аккумуляторами для питания различных электродвигателей. В такой комбинации ионистор позволяет уменьшить нагрузку на аккумуляторные батареи, что значительно увеличивает их срок службы аккумулятора и одновременно увеличивает стартовый ток, который способна отдать гибридная система питания двигателя.

Появилась необходимость запитать датчик температуры, таким образом, чтобы не менять в нем батарейку. Датчик питается от батареи типоразмера АА и включается для отправки данных на погодную станцию один раз в 40 секунд. В момент отправки датчик потребляет в среднем 6 мА в течение 2 секунд.

Возникла идея использовать солнечную батарею и ионистор. Исходя из выявленных характеристик потребления датчика, были взяты следующие элементы:
1. Солнечная батарея 5 Вольта и ток примерно 50 мА (Солнечная батарея Советского производства возрастом примерно 15 лет)
2. Ионистор: Panasonic 5.5 Вольт и емкостью 1 фарад.
3. Ионисторы 2 шт: DMF 5.5 Вольт и общей емкостью 1 фарад.
4. Диод Шотки с прямым падением напряжения при малом токе 0.3 В.
Диод Шотки необходим для того чтобы предотвратить разряд емкости через солнечную батарею.
Ионисторы соединены параллельно, и общая емкость составляет 2 фарады.

Фото 1.

Эксперимент №1 – Подключил микроконтроллер с монохромным ЖК-дисплеем и общим током потребления 500 мкА. Хотя микроконтроллер с дисплеем и заработали, но я заметил, что старые солнечные элементы крайне не эффективны, ток заряда в тени был недостаточным для того, чтобы хоть сколько-нибудь зарядить ионисторы, напряжение на 5ти вольтовой солнечной батареи в тени было меньше 2 вольт. (По некоторым обстоятельствам микроконтроллер с дисплеем на фото не показаны).

Эксперимент №2
Для повышения шанса на успех я приобрел на радиорынке новые солнечные элементы номиналами 2 В, током 40 мА и 100 мА, китайского производства залитые оптической смолой. Для сравнения данные батареи в тени уже выдавали 1,8 вольт, при этом не большой ток заряда, но все же заметно лучше заряжающий ионистор.
Спаяв конструкцию уже с новой батареей, диодом шотки и конденсаторами я положил ее на подоконник для того, чтобы конденсатор зарядился.
Притом, что солнечный свет напрямую не попадал на батарею, уже через 10 минут конденсатор зарядился до 1,95 В. Взял датчик температуры, вынул из него батарею и подключил ионистор с солнечной батареей к контактам батарейного отсека.

Фото 2.

Датчик температуры сразу же заработал и передал на метеостанцию комнатную температуру. Убедившись, что датчик работает, закрепил на него конденсатор с солнечной батареей и повесил на место.
Что же было дальше?
Все светлое время суток датчик исправно работал, но с наступлением темного времени суток, уже через час, датчик перестал передавать данные. Очевидно, что запасенного заряда не хватало даже на час работы датчика и потом выяснилось почему…

Эксперимент №3
Решил немного доработать конструкцию таким образом, чтобы ионистор (вернул сборку ионисторов 2 фарады) был полностью заряжен. Собрал батарею из трех элементов, получилось 6 вольт и ток 40 мА (при полном освещении солнцем). Данная батарея в тени уже давала до 3,7 В вместо предыдущей 1,8 В (фото 1) и ток заряда до 2 мА. Соответственно ионистор заряжаясь до 3,7 В и имел уже значительно больше запасенной энергии в сравнении с Экспериментом №2.

Фото 3.

Все бы хорошо, но мы теперь имеем на выходе до 5,5 В, а датчик питается от 1,5 В. Необходим DC\DC преобразователь, что в свою очередь вносит дополнительные потери. Тот преобразователь, который у меня был в наличии, потреблял порядка 30 мкА и на выходе давал 4,2 В. Пока мне не удалось найти нужный преобразователь, для того чтобы запитать датчик температуры уже от модернизированной конструкции. (Нужно будет подобрать преобразователь и повторить опыт).

О потерях энергии:
Выше упоминалось, что ионисторы имеют ток саморазряда, в данном случае у сборки 2 фарада он составлял 50 мкА, так же сюда добавляются потери в DC\DC преобразователе порядка 4% (заявленная эффективность 96%) и его холостой ход 30 мкА. Если не брать во внимание потери на преобразование, мы уже имеем потребление порядка 80 мкА.
Отнестись к энергосбережению необходимо особо внимательно, потому как экспериментальным путем установлено, что ионистор емкостью 2 фарады заряженный до 5,5 В и разряженный до 2,5 В имеет так скажем «аккумуляторную» емкость 1 мА. Иначе говоря – потребляя 1 мА с ионистора в течении часа, мы его разрядим с 5,5 В до 2,5 В.

О скорости заряда прямым солнечным светом:
Ток, получаемый от солнечной батареи тем выше, чем лучше батарея освещена прямыми солнечными лучами. Соответственно скорость заряда ионистора увеличивается в разы.

Фото 4.

Из показаний мультиметра видно (0.192 В, начальные показания), через 2 минуты конденсатор зарядился до 1,161 В, через 5 минут до 3,132 В и еще через 10 минут 5,029 В. В течении 17 минут ионистор был заряжен на 90%. Нужно отметить, что освещение солнечной батареи было неравномерным в течении всего времени и происходило через двойное оконное стекло и защитную пленку батареи.

Технический отчет по Эксперименту №3
Технические характеристики макета:
- Солнечная батарея 12 элементов, 6 В, ток 40 мА (при полной засветке солнцем), (в тени пасмурной погоды 3,7 В и ток 1 мА с нагрузкой на ионистор).
- Ионисторы соединены параллельно, суммарная емкость 2 Фарад, допустимое напряжение 5,5 В, ток саморазряда 50 мкА;
- Диод Шотки с падением прямого напряжения 0,3 В, используется для развязки по питанию солнечную батарею и ионистор.
- Размеры макета 55 х 85 мм (пластиковая карта VISA).
От данного макета удалось запитать:
Микроконтроллер с ЖК-дисплеем (ток потребления 500 мкА при 5,5 В, время работы без солнечной батареи, приблизительно 1,8 часа);
Датчик температуры, время работы световой день с солнечной батареей, потребление 6 мА в течении 2 секунд каждые 40 секунд;
Светодиод светился 60 сек при среднем токе 60 мА без солнечной батареи;
Так же был испробован DC\DC преобразователь напряжения (для стабильного питания), с которым удалось получить 60 мА и 4 В, в течении 60 секунд (при заряде ионистора до 5,5 В, без солнечной батареи).
Полученные данные говорят о том, что ионисторы в данной конструкции имеют приблизительную емкость 1 мА (без подпитки от солнечной батареи с разрядом до 2,5 В).

Выводы:
Данная конструкция позволяет накапливать энергию в конденсаторах для беспрерывного питания микропотребляющих устройств. Накопленная емкость 1 мА на 2 фарады емкости конденсатора должно хватить для обеспечения работоспособности микропроцессора с низким потреблением в темное время суток в течение 10 часов. При этом суммарный ток потерь и потребления нагрузкой не должен превышать 100 мкА. Днем ионистор подзаряжается от солнечной батареи даже в тени и способен питать нагрузку в импульсном режиме током до 100 мА.

Отвечаем на вопрос в заголовке статьи - Может ли ионистор заменить аккумулятор?
– может заменить, но пока со значительными ограничениями по току потребления и режиму работы нагрузки.

Недостатки:

• малая емкость запаса энергии (приблизительно 1 мА на каждые 2 Фарад емкости ионистора)
• значительный ток саморазряда конденсаторов (ориентировочная потеря 20% емкости за сутки)
• габариты конструкции определяются солнечной батареей и суммарной емкостью ионисторов.

• отсутствие изнашиваемых химических элементов (аккумуляторов)
• диапазон рабочих температур от -40 до +60 градусов Цельсия
• простота конструкции
• не высокая стоимость

Фото 5.

С одной стороны платы располагаются солнечная батарея, с другой стороны сборка ионисторов и DC\DC преобразователь.

Технические характеристики:

• Солнечная батарея 12 элементов, 6 В, ток 60 мА (при полной засветке солнцем);
• Ионисторы суммарная емкость 4; 6 или 16 Фарад, допустимое напряжение 5,5 В, суммарный ток саморазряда соответственно 120\ 140\ (пока не известно) мкА;
• Диод Шотки сдвоенный с падением прямого напряжения 0,15 В, используется для развязки по питанию солнечной батареи и ионистора;
• Размеры макета: 55 х 85 мм (пластиковая карта VISA);
• Расчетная емкость без подпитки от солнечных батарей при установке конденсаторов 4; 6 или 16 Фарад, составляет примерно 2\ 3\ 8 мА.

P. S. Если вы заметили опечатку, ошибку или неточность в расчетах - напишите нам личным сообщением, и мы оперативно все исправим.

Продолжение следует…

В настоящее время получили широкое распространение устройства, потребляющие высокую мощность в течение короткого интервала времени, например, электронные замки, реле, двигатели, импульсные излучатели. Для них не всегда можно использовать аккумуляторную батарею в качестве буферного источника энергии. Могут возникнуть сложности с формированием мощных кратковременных токов. Для таких ситуаций стали использовать ионисторы или суперконденсаторы, которые можно устанавливать вместо аккумулятора или в комбинации с ним. Для изготовления этих элементов применяется технология, основанная на использовании эффекта образования двойного электрического слоя. Этим они выгодно отличаются от батарей и аккумуляторов.

Промышленные ионисторы появились не так давно, но их массовым производством уже занимаются, как отечественные, так и зарубежные производители.

Что такое суперконденсаторы

Энергоемкие системы выдвигают высокие требования к источникам питания. Для различного современного оборудования требуется аккумулирование и подача определенной энергии. Чтобы решить такую задачу, используются аккумуляторы или подсоединенные к батарее суперконденсаторы. В последнем варианте ионисторы (молекулярные накопители энергии) играют роль страховки при падении напряжения. Суперконденсаторы отличаются не большой плотностью энергии и высокой мощностью, что обеспечивает эффективную разрядку на нагрузку. При включении прибора параллельно батарее, снижается импульсная нагрузка на неё, что позволяет продлить срок службы.

Суперконденсаторы представляют собой электрохимические конденсаторы с большими показателями удельной мощности. Они отличаются лучшими техническими характеристиками, чем аккумуляторы. Эти элементы быстрее заряжаются и разряжаются.

В дальнейшем разработчики планируют этими устройствами полностью заменить аккумуляторные батареи. Они могут стать альтернативными источниками питания в разных сферах, например, в производстве автомобилей. Суперконденсаторы применяют в ветроэнергетических конструкциях и солнечных батареях. Подобные приборы представляют собой сочетание стандартного конденсатора и аккумуляторной батареи.

Одно из отличий ионисторов от обычных конденсаторов - наличие двойного электрического слоя, что позволяет накапливать значительное количество энергии. В конструкции отлично сочетаются такие характеристики, как скорость зарядки и разрядки конденсатора и емкость аккумулятора. От обычных конденсаторы такие устройства отличаются отсутствием обычного диэлектрика между электродами.

Параметры

Ионисторы отличаются следующими характеристиками:

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

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

Во внутренних полостях конструкции содержится электролит, запасающий электроэнергию при взаимодействии с пластинами.

Первые электрохимические ионисторы (молекулярные накопители энергиибыли) разработаны более 50 лет назад. Они были изготовлены на основе пористых углеродных электродов. В настоящее время они используются в некоторых электрических приборах.

По сравнению с литий - ионными аккумуляторами современные ионисторы характеризуются большим ресурсом и высокой скоростью разряда.

При использовании ионисторов можно добиться более экономичного режима работы за счет аккумулирования излишков энергии.

Между обкладками конструкции располагается не стандартный слой диэлектрика, а более толстая прослойка, позволяющая получить тонкий зазор. При этом прибор обеспечивает возможность получения электроэнергии в больших объемах. Суперконденсатор аккумулирует и расходует заряды быстрее, чем альтернативные варианты. Двойной слой диэлектрика увеличивает площадь электродов. Это позволяет улучшить электрические характеристики.

Отличия суперконденсаторов от аккумуляторов

Суперконденсаторы часто применяются вместо батарей. Стандартные конденсаторы способны хранить небольшое количество электроэнергии. Суперконденсаторы могут накапливать заряды в тысячи, миллионы и миллиарды раз больше. Подобные приборы работают быстрее батарей. Это обусловлено тем, что суперконденсатор создает статистические заряды на твердых телах, а батареи зависят от медленно протекающих химических реакций.

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

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

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

Установка прибора с более значительной удельной энергоемкостью позволит увеличить время работы мобильного оборудования, не увеличивая его параметры. Поэтому в смартфонах часто используются полимерные аккумуляторные батареи, которые являются лидерами в малогабаритных перезаряжаемых источниках питания.

Аккумуляторные батареи обладают ограниченным ресурсом. При интенсивном применении ресурс прибора является критичным фактором, который сокращает жизненный цикл оборудования. Поэтому к более перспективным устройствам относятся ионисторы. Они представляют собой идеальный накопитель электроэнергии.

Ионистор похож на электролитический конденсатор, но при тех же размерах имеет большую емкость. Подобные устройства могут накапливать большое количество энергии за короткий промежуток времени, что позволит сократить время подзарядки до минимального значения. Суперконденсаторы могут выдержать без видимой деградации несколько десятков тысяч циклов.

Благодаря незначительной токсичности материалов для изготовления ионисторов, их легче утилизировать, чем аналогичные варианты. Но из-за большого тока саморазряда данные приборы не годятся для очень продолжительного хранения электроэнергии. Ионисторы отлично подходят для беспроводных периферийных устройств. Здесь проявляют себя такие свойства, как эффективность и высокая скорость заряда.

Беспроводное устройство с ионистором требует ежедневной подзарядки. Но на данную процедуру потратится несколько минут.

Разновидности

Суперконденсаторы бывают следующих видов:

1. Псевдоконденсаторы оснащены твердыми электродами. Емкость зависит не только от электростатических процессов, но и от фарадеевских реакций с перемещением зарядов.
2. Гибридные представляют собой переходное устройство между аккумулятором и конденсатором. Они способны накапливать и отдавать заряд в двойном электрическом слое. Электроды делаются из различных материалов, а скопление зарядов произвоится по разным механизмам. Окислительно - восстановительные реакции повышают удельную емкость механизма.
3. Двухслойные суперконденсаторы состоят из пористых электродов, разделенных сепаратором. Электрический заряд в таких устройствах определяется емкостью двойного электрического слоя. Электролит является соединяющим проводником с ионной проводимостью.

Суперконденсаторы бывают разных форм и размеров. Основное назначение таких устройств - это дублирование главного источника при падении напряжения.

Для создания гибридных устройств применяются катоды особого вида. Их делают из графена гипероксидированного типа. Графен представляет собой двумерную модификацию углерода, в которой атомы размещены в один слой. Данный компонент отличается высокой химической стойкостью.

Принцип действия

Принцип действия ионистора похож с обычным конденсатором. Но эти приборы различаются применяемыми материалами. Обкладки делаются из пористого материала, который представляет собой отличный проводник. Это позволяет увеличить емкость устройства. В качестве диэлектрика применяется электролит, что позволяет уменьшить расстояние между обкладками и повысить емкость.

В суперконденсаторе заряд накапливается в результате формирования двойного электрического слоя на электроде при адсорбции ионов из электролитов.

В основе принципа работы - разложение разности потенциалов к токовыводам. При этом на катоде создаются отрицательные ионы, а на аноде - положительные. Сепаратор пропускает ионы электролита и предотвращает короткое замыкание между электродами. Электричество сохраняется статическим способом. В процессе заряда-разряда отсутствуют реакции электрохимического типа.

Суперконденсаторы способны накапливать большое количество энергии за короткий промежуток времени, что позволяет уменьшить время для подзарядки приборов.

Современные ионные аккумуляторы могут отдавать только 60 % электроэнергии, израсходованной на их зарядку. У суперконденсаторов данный показатель превышает 90 %. Другим важным преимуществом является большой ресурс. У многих видов аккумуляторов уменьшение емкости происходит после нескольких сотен циклов разряда - разряда. А ионисторы выдерживают до миллиона циклов без нарушений.

Конструкции элементарных ячеек позволяют создать модули различных размеров и любого напряжения. Устройства могут быть выполнены с охлаждением разного типа - воздушного, водяного и естественного.

Плюсы и минусы

Стоит выбрать суперконденсаторы, ради следующих преимуществ:

1. Заряд и разрядка происходит быстро. Их можно применять, когда нет возможности поставить аккумулятор из - за продолжительной подзарядки.
2. Ионисторы обладают большим количеством циклов заряда-разряда по сравнению с другим оборудованием.
3. Для проведения подзарядки не требуются специальные устройства, что облегчает обслуживание.
4. Приборы легче аккумуляторов и отличаются меньшими размерами.
5. Обширный диапазон рабочих температур от -45 до 70 градусов.
6. Продолжительный срок эксплуатации по сравнению с аккумуляторными батареями.
7. Высокие значения емкостной плотности и КПД циклов разрядки.
8. Экологическая чистота, долговечность и надежность.
9. Превосходные параметры удельной мощности.
10. Допускается полная разрядка.

Некоторые минусы вызывают сложности с эксплуатацией:

1. Дорогостоящие элементы.
2. Невысокие характеристики номинального напряжения. Чтобы справиться с проблемой требуется последовательное соединение нескольких элементов.
3. При несоблюдении температурного режима устройство может быстро сломаться.

Устройство должно быть защищено от короткого замыкания, т.к. это может вызвать повышение температуры. В результате элементу понадобится замена.

Применение

Уникальные характеристики ионисторов находят применение в различных областях техники. .

Суперконденсаторы используются в следующих вариантах техники:

1. Общественный транспорт. В электробусах вместо аккумуляторов устанавливаются ионисторы. Они заряжаются во время высадки и посадки пассажиров. Подобный транспорт способен объезжать пробки и обрывы контактных линий.
2. Электромобили. Одна из проблем такого транспорта является длительное время зарядки. Суперконденсатор позволяет производить зарядку на кратковременных остановках.
3. Бытовая электроника. Устройства применяются в фотовспышках и другом оборудовании. Они обеспечивают быструю подзарядку.
4. Неполярные конденсаторы применяются в ветровых турбинах и кислотных батареях.
5. Ионисторы используются в системах демпфирования энергетических нагрузок, а также в оборудовании запуска электродвигателей.
6. Суперконденсаторы необходимы в комплексах, в которых предусмотрены критические нагрузки. Для вышек мобильной связи, больничных учреждений и для портового оборудования.
7. Приборы применяются для источников резервного электроснабжения ПК, а также в микропроцессорах и мобильных телефонах.

Для улучшения работы автомагнитолы можно приобрести и поставить ионистор. Он позволяет сгладить колебания напряжения во время включения зажигания. В некоторых странах применяются автобусы без тяговых батарей, а все работы производятся ионисторами.

В ходе проведенных испытаний было выявлено, что подобные устройства превосходят свинцово-кислотные батареи в ветровых турбинах. Суперконденсаторы востребованы в системах бесперебойного питания, в которых необходимо обеспечить быструю передачу мощности.

В мире насчитывается примерно 66 крупнейших производителей ионисторов.

Перспективы использования

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

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

В перспективе новинки будут применяться в сфере изготовления персонального электрического транспорта. Приборы на основе графеновой пены могут перезаряжаться до 8000 раз без ухудшения качественных характеристик.

В сфере автомобильного строения проводятся разработки альтернативных разновидностей топлива и устройств накопления энергии высокой эффективности. Подобные приборы могут применяться для грузового транспорта, электрических автомобилей и поездов.

В автомобилестроении суперконденсаторные батареи находят следующие применения:

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

Суперконденсаторы обладают множеством преимуществ по сравнению с аккумуляторами в автомобильной промышленности. Они превосходно выдерживают перепады напряжения. Приборы характеризуются легкостью, поэтому можно устанавливать большое их количество.

Для сферы микроэлектроники разрабатываются новые технологии по производству компактных суперконденсаторов. При производстве электродов применяются специальные методы осаждения на тонкую подложку из диоксида кремния специальной углеродистой пленки.

Использование суперконденсаторов позволяет внедрить в жизнь экологические технологии экономии энергии. В перспективе предусмотрено расширение сфер применения таких приспособлений для отраслей автотранспорта, мобильной техники и средств связи.

При проектировании современных электронных приборов и устройств перед разработчиком довольно часто встает вопрос резервного или автономного питания своего устройства. Как правило, в зависимости от характера потребления электроэнергии и задач, в этом случае используют электролитические конденсаторы, аккумуляторы или батареи. Однако использование вышеприведенных устройств или их комбинации, в силу специфики каждого устройства, не всегда в полной мере позволяет решить поставленную задачу.

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

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

Физико-химические основы работы ионистора

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

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

Принцип работы и возможные конструкции

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

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

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

Общая емкость ионистора может быть представлена как:

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

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

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

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

Эквивалентная схема

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

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

Эквивалентная схема ионистора на основе параллельного соединения сопротивлений и емкостей малых конденсаторов приведена на рис. 5а. R 1 , R 2 и R n - сопротивления изоляции (внутреннее сопротивление частиц активированного угля), C 1 , C 2 и C n - соответствующая емкость двойного электрического слоя для сопротивлений R 1 , R 2 и R n .

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

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

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

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

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

Электрические, эксплуатационные и надежностные параметры ионисторов

Емкость

При аналогичных условиях эксплуатации и тестировании емкость ионистора подобна эффективной емкости батареи. Как было сказано ранее, ионистор можно представить в виде эквивалентной схемы из малых конденсаторов, имеющих различные значения сопротивления. Если начальное зарядное напряжение ниже напряжения полного заряда (V 0), то в начале измерения емкости после снятия зарядного напряжения напряжение на ионисторе упадет вниз (рис. 8). Это связано с наличием не полностью заряженных малых конденсаторов с большим внутренним сопротивлением. Однако, увеличивая время зарядки, эти малые конденсаторы с большим внутренним сопротивлением зарядятся, что приведет к увеличению измеренной емкости.

Рис. 8. Зависимость напряжения для ионистора от времени

Емкость ионистора может быть оценена следующим образом:

где С - электростатическая емкость (Ф), I - тестовый ток (А), V 1 –V 2 - тестовый диапазон напряжений, (В) t - время (c). Емкость, конечно же, зависит от тока. Если ток разряда большой или конденсатор разряжался в течение длительного периода времени, результирующая емкость будет мала. И наоборот, если ток разряда мал или конденсатор разряжался в течение короткого периода времени, измеренная электростатическая емкость будет большая. Поэтому, чтобы иметь воспроизводимые измерения, используют стандартный ток разряда 1 мA/Ф.

Внутреннее сопротивление

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

Характеристика заряда

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

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

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

где: t - время, С - емкость, V 0 - внутреннее напряжение, V 1 - напряжение после t (с ), I - ток нагрузки, R - сопротивление нагрузки.

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

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

Характеристика разряда и саморазряда

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

Характеристика саморазряда ионистора может быть представлена следующим образом:

где R L - сопротивление изоляции (сумма сопротивлений частиц активированного угля электрода).

Предполагаемый срок эксплуатации, срок службы и t back-up

Предполагаемый срок эксплуатации может быть оценен следующим образом:

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

Например, оценим t back-up для F-типа ионистора Panasonic, EECF5R5H105 (5,5 В, 1,0 Ф), полный заряд при 5,0 В постоянного напряжения, разрядный ток 10 мкА. Температура при разряде –40 °C, напряжение, до которого разрядится ионистор, - 2 В.

Параметр t back-up может быть рассчитан следующим образом:

где C - емкость ионистора (Ф), i - ток в течение t back-up (A), i L - ток утечки (A), R - внутреннее сопротивление ионистора (Ом на 1 кГц), V 1 - напряжение, до которого разрядится ионистор (В), V 0 - приложенное напряжение (В).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Типы и характеристики ионисторов Panasonic

Таблица 3. Диапазон токов

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

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы - история создания и развития технологии

7 июня 1962 года, Роберт Райтмаер, химик американской компании Standard Oil Company (SOHIO), располагавшейся в городе Кливленд, штата Огайо, подал заявку на получение патента, где подробно описывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, обладающем «двойным электрическим слоем».

Если в алюминиевые обкладки, традиционно, были изолированы слоем диэлектрика, то в предлагаемом изобретателем варианте акцент делался непосредственно на материал обкладок. Электроды должны были иметь различную проводимость: один электрод должен был обладать ионной проводимостью, а другой - электронной.

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

Электронный проводник предлагалось сделать из пористого углерода, тогда ионным проводником мог бы быть водный раствор серной кислоты. Заряд в таком случае сохранялся бы на границе раздела этих особых проводников (тот самый двойной слой). 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, занимающейся к тому моменту всеми направлениями электронной коммуникации. Японцам удалось успешно продвинуть технологию на рынок электроники под названием «Суперконденсатор» .

Спустя семь лет, в 1978 году, компания Panasonic, в свою очередь, выпустила «Золотой конденсатор» («Gold Cap»), так же завоевавший успех на этом рынке. Успех был обеспечен удобством применения ионисторов для питания энергозависимой памяти SRAM. Однако эти ионисторы обладали высоким внутренним сопротивлением, которое ограничивало возможность быстрого извлечения энергии, а значит, сильно сужала диапазон сфер применения.

В 1982 году специалисты американского Научно-исследовательского Института Pinnacle (PRI), расположенного в городе Лос-Гатос, штат Калифорния, работая над улучшением материалов электродов и электролитов, разработали ионисторы с чрезвычайно высокой плотностью энергии, которые появились на рынке под названием «PRI Ultracapacitor».

Спустя 10 лет, в 1992 году, компания Maxwell Laboratories (позже сменившая название на Maxwell Technologies, г. Сан-Диего, штат Калифорния, США) начала развивать технологию PRI под названием "Boost Caps". Целью теперь стало создание конденсаторов высокой емкости с низким сопротивлением, чтобы получить возможность питания мощного электрооборудования.

Рис. 1. Суперконденсатор DH5U308W60138TH фирмы SAMWHA ELECTRIC

В 1999 году тайванская компания UltraCap Technologies Corp. также начала сотрудничество с PRI, которые разработали к тому времени электродную керамику чрезвычайно большой площади, и к 2001 году на рынок вышел первый высокоемкостной ультраконденсатор производства Тайваня. С этого момента началось активное развитие технологии во многих НИИ мира.

На Российском рынке тоже присутствуют свои игроки, так компания «Ультраконденсаторы Феникс» (ООО "УКФ") является инжиниринговой компанией, специализирующейся на проектировании, разработке, производстве и практическом применении решений и систем на базе суперконденсаторов/ионисторов. Компания работает в плотной связке с лучшими мировыми производителями и активно перенимает их опыт.

Применение ионисторов

Ионисторы на единицы фарад получили заслуженное применение в качестве источников резервного питания во множестве устройств. Начиная с питания таймеров телевизоров и СВЧ-печей, и заканчивая сложными медицинскими приборами. На платах памяти, как правило, установлены ионисторы.

При смене батареи в видео или фотокамере, ионистор поддерживает питание схем памяти, отвечающих за настройки, это же касается музыкальных центров, компьютеров и другой подобной техники. Телефоны, электронные измерительные приборы и приборы медицинского применения - везде нашли применение суперконденсаторы.

Рис. 2. Суперконденсаторы (ионисторы)

Малые ионисторы на основе органических электролитов обладают максимальным напряжением около 2,5 вольт. Для получения более высоких допустимых напряжений, ионисторы соединяют в батареи, обязательно применяя шунтирующие резисторы.

К преимуществам ионисторов относится : высокая скорость заряда-разряда, устойчивость к сотням тысяч циклов перезаряда по сравнению с аккумуляторами, малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами, низкий уровень токсичности, допустимость разряда до нуля.

Рис. 3. Источник бесперебойного питания на суперконденсаторах

Рис. 4. Суперконденсаторные автомобильные модули

Перспективы

При разработке ионисторов все более и более повышается их удельная емкость, и по всей вероятности, рано или поздно это приведет к полной замене аккумуляторов на суперконденсаторы во многих технических сферах.

Последние исследования группы ученых Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что новый тип ионисторов на основе пористой структуры, где частицы оксида рутения нанесены на , превосходят лучшие аналоги почти в два раза.

Исследователи обнаружили, что поры «графеновой пены» обладают наноразмерами, подходящими для удержания частиц оксидов переходных металлов. Суперконденсаторы на основе оксида рутения теперь являются самым перспективным из вариантов. Безопасно работающие на водном электролите, они обеспечивают увеличение запасаемой энергии и повышают допустимую силу тока вдвое по сравнению с самыми лучшими из доступных на рынке ионисторов.

Они запасают больше энергии на каждый кубический сантиметр своего объёма, поэтому ими целесообразно будет заменить аккумуляторы. Прежде всего, речь идёт о носимой и имплантируемой электронике, но в перспективе новинка может обосноваться и на персональном электротранспорте.

На частицы никеля послойно осаживают графен, выступающий опорой для углеродных нанотрубок, которые вместе с графеном формируют пористую углеродную структуру. В полученные нанопоры последней из водного раствора проникают частицы оксида рутения диаметром менее 5 нм. Удельная ёмкость 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 структуры уже положила начало и создала основу на пути создания идеального средства хранения энергии. Ионисторы на основе «графеновой пены» прошли успешно первые тесты, где показали способность к перезаряду более восьми тысяч раз без ухудшения характеристик.

Андрей Повный

Электрическая емкость земного шара, как известно из курса физики, составляет примерно 700 мкФ. Обычный конденсатор такой емкости можно сравнить по весу и объему с кирпичом. Но есть и конденсаторы с электроемкостью земного шара, равные по своим размерам песчинке - суперконденсаторты.

Появились такие приборы сравнительно недавно, лет двадцать назад. Их называют по-разному: ионисторами, иониксами или просто суперконденсаторами.

Не думайте, что они доступны лишь каким-то аэрокосмическим фирмам высокого полета. Сегодня можно купить в магазине ионистор размером с монету и емкостью в одну фараду, что в 1500 раз больше емкости земного шара и близко к емкости самой большой планеты Солнечной системы - Юпитера.

Любой конденсатор запасает энергию. Чтобы понять, сколь велика или мала энергия, запасаемая в ионисторе, важно ее с чем-то сравнить. Вот несколько необычный, зато наглядный способ.

Энергии обычного конденсатора достаточно, чтобы он мог подпрыгнуть примерно на метр-полтора. Крохотный ионистор типа 58-9В, имеющий массу 0,5 г, заряженный напряжением 1 В, мог бы подпрыгнуть на высоту 293 м!

Иногда думают, что ионисторы способны заменить любой аккумулятор. Журналисты живописали мир будущего с бесшумными электромобилями на суперконденсаторах. Но пока до этого далеко. Ионистор массой в один кг способен накопить 3000 Дж энергии, а самый плохой свинцовый аккумулятор - 86 400 Дж - в 28 раз больше. Однако при отдаче большой мощности за короткое время аккумулятор быстро портится, да и разряжается только наполовину. Ионистор же многократно и без всякого вреда для себя отдает любые мощности, лишь бы их могли выдержать соединительные провода. Кроме того, ионистор можно зарядить за считаные секунды, а аккумулятору на это обычно нужны часы.

Это и определяет область применения ионистора. Он хорош в качестве источника питания устройств, кратковременно, но достаточно часто потребляющих большую мощность: электронной аппаратуры, карманных фонарей, автомобильных стартеров, электрических отбойных молотков. Ионистор может иметь и военное применение как источник питания электромагнитных орудий. А в сочетании с небольшой электростанцией ионистор позволяет создавать автомобили с электроприводом колес и расходом топлива 1-2 л на 100 км.

Ионисторы на самую разную емкость и рабочее напряжение есть в продаже, но стоят они дороговато. Так что если есть время и интерес, можно попробовать сделать ионистор самостоятельно. Но прежде чем дать конкретные советы, немного теории.

Из электрохимии известно: при погружении металла в воду на его поверхности образуется так называемый двойной электрический слой, состоящий из разноименных электрических зарядов - ионов и электронов. Между ними действуют силы взаимного притяжения, но заряды не могут сблизиться. Этому мешают силы притяжения молекул воды и металла. По сути своей двойной электрический слой не что иное, как конденсатор. Сосредоточенные на его поверхности заряды выполняют роль обкладок. Расстояние между ними очень мало. А, как известно, емкость конденсатора при уменьшении расстояния между его обкладками возрастает. Поэтому, например, емкость обычной стальной спицы, погруженной в воду, достигает нескольких мФ.

По сути своей ионистор состоит из двух погруженных в электролит электродов с очень большой площадью, на поверхности которых под действием приложенного напряжения образуется двойной электрический слой. Правда, применяя обычные плоские пластины, можно было бы получить емкость всего лишь в несколько десятков мФ. Для получения же свойственных ионисторам больших емкостей в них применяют электроды из пористых материалов, имеющих большую поверхность пор при малых внешних размерах.

На эту роль были перепробованы в свое время губчатые металлы от титана до платины. Однако несравненно лучше всех оказался… обычный активированный уголь. Это древесный уголь, который после специальной обработки становится пористым. Площадь поверхности пор 1 см3 такого угля достигает тысячи квадратных метров, а емкость двойного электрического слоя на них - десяти фарад!

Самодельный ионистор На рисунке 1 изображена конструкция ионистора. Он состоит из двух металлических пластин, плотно прижатых к «начинке» из активированного угля. Уголь уложен двумя слоями, между которыми проложен тонкий разделительный слой вещества, не проводящего электроны. Все это пропитано электролитом.

При зарядке ионистора в одной его половине на порах угля образуется двойной электрический слой с электронами на поверхности, в другой - с положительными ионами. После зарядки ионы и электроны начинают перетекать навстречу друг другу. При их встрече образуются нейтральные атомы металла, а накопленный заряд уменьшается и со временем вообще может сойти на нет.

Чтобы этому помешать, между слоями активированного угля и вводится разделительный слой. Он может состоять из различных тонких пластиковых пленок, бумаги и даже ваты.
В любительских ионисторах электролитом служит 25%-ный раствор поваренной соли либо 27%-ный раствор КОН. (При меньших концентрациях не сформируется слой отрицательных ионов на положительном электроде.)

В качестве электродов применяют медные пластины с заранее припаянными к ним проводами. Их рабочие поверхности следует очистить от окислов. При этом желательно воспользоваться крупнозернистой шкуркой, оставляющей царапины. Эти царапины улучшат сцепление угля с медью. Для хорошего сцепления пластины должны быть обезжирены. Обезжиривание пластин производится в два этапа. Вначале их промывают мылом, а затем натирают зубным порошком и смывают его струей воды. После этого прикасаться к ним пальцами не стоит.

Активированный уголь, купленный в аптеке, растирают в ступке и смешивают с электролитом до получения густой пасты, которой намазывают тщательно обезжиренные пластины.

При первом испытании пластины с прокладкой из бумаги кладут одна на другую, после этого попробуем его зарядить. Но здесь есть тонкость. При напряжении более 1 В начинается выделение газов Н2, О2. Они разрушают угольные электроды и не позволяют работать нашему устройству в режиме конденсатора-ионистора.

Поэтому мы должны заряжать его от источника с напряжением не выше 1 В. (Именно такое напряжение на каждую пару пластин рекомендовано для работы промышленных ионисторов.)

Подробности для любознательных

При напряжении более 1,2 В ионистор превращается в газовый аккумулятор. Это интересный прибор, тоже состоящий из активированного угля и двух электродов. Но конструктивно он выполнен иначе (см. рис. 2). Обычно берут два угольных стержня от старого гальванического элемента и обвязывают вокруг них марлевые мешочки с активированным углем. В качестве электролита употребляется раствор КОН. (Раствор поваренной соли применять не следует, поскольку при ее разложении выделяется хлор.)

Энергоемкость газового аккумулятора достигает 36 000 Дж/кг, или 10 Вт-ч/кг. Это в 10 раз больше, чем у ионистора, но в 2,5 раза меньше, чем у обычного свинцового аккумулятора. Однако газовый аккумулятор - это не просто аккумулятор, а очень своеобразный топливный элемент. При его зарядке на электродах выделяются газы - кислород и водород. Они «оседают» на поверхности активированного угля. При появлении же тока нагрузки происходит их соединение с образованием воды и электрического тока. Процесс этот, правда, без катализатора идет очень медленно. А катализатором, как выяснилось, может быть только платина… Поэтому, в отличие от ионистора, газовый аккумулятор большие токи давать не может.

Тем не менее, московский изобретатель А.Г. Пресняков (http://chemfiles.narod .r u/hit/gas_akk.htm) успешно применил для запуска мотора грузовика газовый аккумулятор. Его солидный вес - почти втрое больше обычного - в этом случае оказался терпим. Зато низкая стоимость и отсутствие таких вредных материалов, как кислота и свинец, казалось крайне привлекательным.

Газовый аккумулятор простейшей конструкции оказался склонен к полному саморазряду за 4-6 часов. Это и положило конец опытам. Кому же нужен автомобиль, который после ночной стоянки нельзя завести?

И все же «большая техника» про газовые аккумуляторы не забыла. Мощные, легкие и надежные, они стоят на некоторых спутниках. Процесс в них идет под давлением около 100 атм, а в качестве поглотителя газов применяется губчатый никель, который при таких условиях работает как катализатор. Все устройство размещено в сверхлегком баллоне из углепластика. Получились аккумуляторы с энергоемкостью почти в 4 раза выше, чем у аккумуляторов свинцовых. Электромобиль мог бы на них пройти около 600 км. Но, к сожалению, пока они очень дороги.