Kondensaattori akun sijaan: tekninen ratkaisu. Kotitekoinen ionistori - teemme superkondensaattorin omilla käsillämme Kuinka tehdä ionistorisuperkondensaattori kotona

Ruokalusikallinen aktiivihiiltä apteekista, muutama tippa suolavettä, peltilautanen ja muovipurkki valokuvafilmiä. Tekemistä riittää DIY ionistori, sähkökondensaattori, jonka kapasitanssi on suunnilleen yhtä suuri kuin maapallon sähköinen kapasitanssi .... Leydenin purkki.

On mahdollista, että yksi amerikkalaisista sanomalehdistä kirjoitti juuri tällaisesta laitteesta vuonna 1777: "... Tri Franklin on keksinyt hammastikkukotelon kokoisen koneen, joka pystyy muuttamaan Lontoon St. Paulin katedraalin kouralliseksi tuhkaa. ” Ensimmäiset asiat kuitenkin ensin.

Ihmiskunta on käyttänyt sähköä hieman yli kaksi vuosisataa, mutta sähköilmiöt ovat olleet ihmisten tiedossa tuhansia vuosia, eikä niillä ole ollut käytännön merkitystä pitkään aikaan. Vasta 1700-luvun alussa, kun tieteestä tuli muodikasta viihdettä, saksalainen tiedemies Otto von Guericke loi "elektroforisen" koneen erityisesti julkisten kokeiden suorittamiseen, jonka avulla hän sai sähköä ennenkuulumattomissa määrin.

Kone koostui lasipallosta, jota vasten nahanpala hankautui pyöriessään. Hänen työnsä vaikutus oli suuri: kipinät rätisivät, näkymättömät sähkövoimat repivät irti naisten huivit ja saivat hiukset nousemaan pystyyn. Yleisö oli erityisen yllättynyt kehojen kyvystä kerätä sähkövarauksia.

Vuonna 1745 hollantilainen Leidenin fyysikko Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) kaatoi vettä lasipurkkiin, laittoi lankapalan sisälle, kuten kukka maljakkoon, ja tarttui varovasti kämmenillä ja toi sen elektrofori kone. Pullo keräsi niin paljon sähköä, että langanpalasta lensi kirkas kipinä "kuurottavalla pauhduksella". Seuraavan kerran kun tiedemies kosketti lankaa sormellaan, hän sai iskun, josta hän menetti tajuntansa; Jos ei olisi ajoissa saapunut avustaja Kuneus, asia olisi voinut päättyä surullisesti.

Siten luotiin laite, joka pystyi keräämään miljoonia kertoja enemmän varausta kuin mikään tuolloin tunnettu kappale. Sitä kutsuttiin "Leydenin purkiksi". Se oli eräänlainen kondensaattori, jonka yksi levyistä oli kokeilijan kämmen, dielektrinen lasiseinät ja toinen levy oli vettä.

Uutinen keksinnöstä levisi kaikkialle valaistuneeseen Eurooppaan. Leyden-purkkia käytettiin välittömästi Ranskan kuninkaan Ludvig XV:n kouluttamiseen. Esitykset alkoivat. Yhdessä historiaan jääneessä kokeessa sähkövirta johdettiin vartijaketjun läpi kädestä pitäen. Kun sähköpurkaus iski, kaikki hyppäsivät ylös yhtenä ikään kuin olisivat marssimassa ilmaan. Toisessa kokeessa virta kuljetettiin 700 munkin ketjun läpi...

Kokeilut Leyden-purkilla Amerikassa ottivat käytännönläheisemmän suunnan. Vuonna 1747 ne aloitti yksi Yhdysvaltojen perustajista, jo mainittu Benjamin Franklin. Hän keksi idean kääriä purkin folioon, ja sen kapasiteetti kasvoi moninkertaiseksi ja työstä tuli turvallisempaa. Kokeissaan Franklin osoitti, että sähköpurkaus voi tuottaa lämpöä ja nostaa elohopeapylvästä lämpömittarissa. Ja korvaamalla purkin tinafoliolla peitetyllä lasilevyllä Franklin sai litteän kondensaattorin, joka oli monta kertaa kevyempi kuin hänen parantamansa Leyden-purkki.

Historia on hiljaa laitteesta, joka pystyy varastoimaan niin paljon energiaa, että, kuten sanomalehti kirjoitti, sitä voitaisiin käyttää "muuttamaan Pyhän Paavalin katedraali tuhkakasaksi", mutta tämä ei tarkoita, etteikö B. Franklin olisi voinut luoda sitä. .

Ja tässä on aika palata siihen, miten toimia DIY ionistori. Jos olet hankkinut kaiken tarvitsemasi, laske peltilevy kalvotölkin pohjalle juotettuasi siihen palan eristettyä lankaa. Aseta päälle suodatinpaperityyny, kaada päälle kerros aktiivihiiltä ja peitä "voileipäsi" toisella elektrodilla suolalla maustetun veden kaatamisen jälkeen.

Ionistorin toiminnan kaavio.

Sinulla on sähkökemiallinen kondensaattori - ionistori. Se on mielenkiintoista, koska aktiivihiilihiukkasten huokosiin ilmestyy niin kutsuttu kaksoissähkökerros - kaksi erimerkkisten sähkövarausten kerrosta, jotka sijaitsevat lähellä toisiaan, eli eräänlainen sähkökemiallinen kondensaattori. Kerrosten välinen etäisyys lasketaan angströmeinä (1 angstrom - 10-9 m). Ja kondensaattorin kapasitanssi, kuten tiedetään, mitä suurempi on, mitä pienempi on levyjen välinen etäisyys.

Tästä johtuen kaksinkertaisen kerroksen energiareservi tilavuusyksikköä kohti on suurempi kuin voimakkaimman räjähteen. Tämä Leydenin purkki!

Ionistori toimii seuraavasti. Ulkoisen jännitteen puuttuessa sen kapasiteetti on mitätön. Mutta kondensaattorin napoihin syötetyn jännitteen vaikutuksesta viereiset kivihiilikerrokset latautuvat. Liuoksen vastakkaisen merkin ionit ryntäävät hiilipartikkeleihin ja muodostavat niiden pinnalle kaksinkertaisen sähkökerroksen.

Teollinen sähkökemiallinen kondensaattori (ionistori). Napinkokoisessa metallikotelossa on kaksi aktiivihiilikerrosta, jotka on erotettu toisistaan huokoisella välikappaleella.

Suunnittele kuinka se tehdään DIY ionistori.

Kaavio kotitekoisesta ionistorista, joka on valmistettu muovipurkista ja aktiivihiilestä:

1 - ylempi elektrodi;

2 - liitäntäjohdot;

3,5 - kerrokset märkää aktiivihiiltä;

4 - huokoinen erotustiiviste;

6 - pohjaelektrodi;

7 - runko.

Jos kondensaattorin napoihin kytketään kuorma, hiilihiukkasten sisäpinnalta vastakkaiset varaukset kulkevat johtoja pitkin toisiaan kohti ja niiden huokosissa olevat ionit tulevat ulos.

Siinä kaikki. nyt ymmärrät kuinka se tehdään DIY ionistori.

Nykyaikaisten ionistorien kapasiteetti on kymmeniä ja satoja faradeja. Purkautuessaan ne pystyvät kehittämään suurta tehoa ja ovat erittäin kestäviä. Energiareservin massa- ja tilavuusyksikköä kohden ionistorit ovat edelleen huonompia kuin akut. Mutta jos aktiivihiili korvataan ohuimmilla hiilinanoputkilla tai muulla sähköä johtavalla aineella, ionistorin energiaintensiteetti voi kasvaa fantastisen suureksi.

Benjamin Franklin eli aikana, jolloin nanoteknologiaa ei edes ajateltu, mutta tämä ei tarkoita, etteikö sitä olisi käytetty. Kuten kemian Nobel-palkinnon voittaja Robert Curie kertoi, muinaiset käsityöläiset käyttivät tietämättään teriä Damaskoksen teräksestä tehdessään nanoteknologian menetelmiä. Muinainen damastiteräs pysyi aina terävänä ja kestävänä metallirakenteen erityisen hiilikoostumuksen ansiosta.

Joitakin nanomateriaaleja, kuten nanoputkia sisältäviä hiiltyneitä kasvinvarsia, Franklin voisi käyttää superkondensaattorin luomiseen. Kuinka moni teistä ymmärtää mitä se on? Leydenin purkki, ja kuka yrittää tehdä sen?

Ionistorit ovat sähkökemiallisia laitteita, jotka on suunniteltu varastoimaan sähköenergiaa. Niille on ominaista suuri lataus-purkausnopeus (jopa useita kymmeniä tuhansia kertoja), niillä on erittäin pitkä käyttöikä toisin kuin muilla akuilla (ladattavat akut ja galvaaniset paristot), pieni vuotovirta ja mikä tärkeintä, ionistoreilla voi olla suuri kapasiteetti ja erittäin pienet koot. Ionistoreita käytetään laajalti henkilökohtaisissa tietokoneissa, autoradioissa, mobiililaitteissa ja niin edelleen. Suunniteltu tallentamaan muistia, kun pääakku poistetaan tai laite sammutetaan. Viime aikoina ionistoreita on usein käytetty itsenäisissä sähköjärjestelmissä, joissa käytetään aurinkoakkuja.

Ionistorit säilyttävät myös latausta erittäin pitkään sääolosuhteista riippumatta, ne kestävät pakkasta ja lämpöä, eikä tämä vaikuta laitteen toimintaan millään tavalla. Joissakin elektronisissa piireissä muistin tallentamiseen tarvitaan jännite, joka on suurempi kuin ionistorin jännite; ongelman ratkaisemiseksi ionistorit kytketään sarjaan ja ionistorin kapasitanssin lisäämiseksi ne kytketään rinnakkain. Jälkimmäistä liitäntätyyppiä käytetään pääasiassa pidentämään ionistorin toiminta-aikaa sekä lisäämään kuormaan syötettyä virtaa; virran tasapainottamiseksi rinnakkaisliitännässä jokaiseen ionistoriin on kytketty vastus.

Ionistoreita käytetään usein paristojen kanssa, ja toisin kuin ne, ne eivät pelkää oikosulkuja ja äkillisiä ympäristön lämpötilan muutoksia. Jo nykyään kehitetään erikoisionistoreita, joiden kapasiteetti on suuri ja joiden virta on jopa 1 ampeeri. Kuten tiedetään, nykyään muistin tallennustekniikassa käytettävien ionistoreiden virta ei ylitä 100 milliampeeria, tämä on yksi ja eniten ionistorien tärkeä haittapuoli, mutta tätä kallistusta kompensoivat edellä luetellut ionistorien edut. Internetistä löydät monia malleja, jotka perustuvat niin kutsuttuihin superkondensaattoreihin - ne ovat myös ionistoreita. Ionistorit ilmestyivät melko äskettäin - 20 vuotta sitten.

Tiedemiesten mukaan planeettamme sähköinen kapasiteetti on 700 mikrofaradia, verrataan yksinkertaiseen kondensaattoriin... Ionistorit valmistetaan pääosin hiilestä, joka aktivoinnin ja erikoiskäsittelyn jälkeen muuttuu huokoiseksi, kaksi metallilevyä painetaan tiukasti osastoa vasten. hiiltä. Ionistorin valmistaminen kotona on hyvin yksinkertaista, mutta huokoisen hiilen saaminen on melkein mahdotonta; sinun on käsiteltävä puuhiiltä kotona, ja tämä on jonkin verran ongelmallista, joten on helpompi ostaa ionistori ja tehdä mielenkiintoisia kokeita. Esimerkiksi yhden ionistorin parametrit (teho ja jännite) riittävät LEDin syttymiseen kirkkaasti ja pitkään tai toimimaan

Superkondensaattori tai ionistori on laite energiamassojen varastointiin; varauksen kertyminen tapahtuu elektrodin ja elektrolyytin välisellä rajalla. Hyödyllinen energiamäärä tallennetaan staattisen tyyppisenä varauksena. Akkumulaatioprosessi laskeutuu vuorovaikutukseen vakiojännitteen kanssa, kun ionistori vastaanottaa potentiaalieron levyjensä välillä. Tekninen toteutus sekä ajatus tällaisten laitteiden luomisesta ilmestyivät suhteellisen äskettäin, mutta ne onnistuivat saamaan kokeellisen käytön tiettyjen ongelmien ratkaisemiseksi. Osa voi korvata kemiallista alkuperää olevia virtalähteitä, olla vara- tai päävirtalähde kelloissa, laskimissa ja erilaisissa mikropiireissä.

Kondensaattorin perusrakenne koostuu levystä, jonka materiaalina on kalvo, jota rajoittaa kuiva erotusaine. Ionistori koostuu useista kondensaattoreista, joissa on sähkökemiallinen laturi. Sen valmistukseen käytetään erityisiä elektrolyyttejä. Peitteitä voi olla useita erilaisia. Aktiivihiiltä käytetään laajamittaisten vuorausten valmistukseen. Myös metallioksideja ja korkean johtavuuden omaavia polymeerimateriaaleja voidaan käyttää. Vaaditun kapasitiivisen tiheyden saavuttamiseksi on suositeltavaa käyttää erittäin huokoisia hiilimateriaaleja. Lisäksi tämän lähestymistavan avulla voit valmistaa ionistorin vaikuttavan alhaisilla kustannuksilla. Tällaiset osat kuuluvat DLC-kondensaattorien luokkaan, jotka keräävät varauksen levylle muodostettuun kaksoisosastoon.

Suunnitteluratkaisulle, kun ionistori yhdistetään vesielektrolyyttipohjaan, on tunnusomaista sisäelementtien alhainen resistanssi, kun latausjännite on rajoitettu 1 V:iin. Orgaanisten johtimien käyttö takaa noin 2...3 jännitetason. V ja lisääntynyt vastus.

Elektroniset piirit toimivat korkeammalla energiantarpeella. Ratkaisu tähän ongelmaan on lisätä käytettyjen tehopisteiden määrää. Ionistoria ei asenneta vain yksi, vaan 3-4 kappaletta, mikä antaa tarvittavan määrän latausta.

Verrattuna nikkelimetallihydridiakkuun, ionistori pystyy sisältämään kymmenesosan energiareservistä, kun taas sen jännite laskee lineaarisesti, tasopurkausvyöhykkeitä lukuun ottamatta. Nämä tekijät vaikuttavat kykyyn säilyttää varaus täysin ionistorissa. Lataustaso riippuu suoraan elementin teknisestä tarkoituksesta.

Melko usein ionistoria käytetään syöttämään muistisiruja, ja se sisältyy suodatinpiireihin ja tasoitussuodattimiin. Niitä voidaan myös yhdistää erityyppisten akkujen kanssa äkillisten virranpiippujen seurausten torjumiseksi: kun syötetään matalaa virtaa, ionistori latautuu, muuten se vapauttaa osan energiasta, mikä vähentää kokonaiskuormitusta.

Ihmiset käyttivät ensin kondensaattoreita sähkön varastointiin. Sitten, kun sähkötekniikka ylitti laboratoriokokeet, keksittiin paristot, joista tuli tärkein sähköenergian varastointikeino. Mutta 2000-luvun alussa ehdotetaan jälleen kondensaattoreiden käyttöä sähkölaitteiden tehostamiseksi. Kuinka mahdollista tämä on ja tuleeko akuista vihdoinkin menneisyyttä?

Syy siihen, miksi kondensaattorit korvattiin paristoilla, johtui huomattavasti suuremmista sähkömääristä, joita ne pystyvät varastoimaan. Toinen syy on se, että purkautumisen aikana akun lähdön jännite muuttuu hyvin vähän, joten jännitteen stabilointia ei joko tarvita tai se voi olla hyvin yksinkertainen.

Suurin ero kondensaattoreiden ja akkujen välillä on se, että kondensaattorit varastoivat suoraan sähkövarauksen, kun taas akut muuttavat sähköenergian kemialliseksi energiaksi, varastoivat sen ja muuntavat sitten kemiallisen energian takaisin sähköenergiaksi.

Energiamuutosten aikana osa siitä menetetään. Siksi jopa parhaiden akkujen hyötysuhde on enintään 90%, kun taas kondensaattoreissa se voi olla 99%. Kemiallisten reaktioiden voimakkuus riippuu lämpötilasta, joten akut toimivat huomattavasti huonommin kylmällä säällä kuin huoneenlämmössä. Lisäksi akkujen kemialliset reaktiot eivät ole täysin palautuvia. Tästä johtuen lataus-purkausjaksojen pieni määrä (tuhansien luokkaa, useimmiten akun käyttöikä on noin 1000 lataus-purkausjaksoa) sekä "muistiefekti". Muistetaan, että "muistiefekti" on se, että akku on aina purettava tiettyyn määrään kertynyttä energiaa, niin sen kapasiteetti on maksimi. Jos siihen jää enemmän energiaa purkamisen jälkeen, akun kapasiteetti pienenee vähitellen. "Muistivaikutus" on ominaista melkein kaikille kaupallisesti tuotetuille akkutyypeille, paitsi happamille (mukaan lukien niiden lajikkeet - geeli ja AGM). Vaikka on yleisesti hyväksyttyä, että litiumioniakuissa ja litiumpolymeeriakuissa sitä ei ole, itse asiassa heilläkin on, se vain ilmenee vähemmän kuin muissa tyypeissä. Mitä tulee happoakuihin, niissä on levysulfaation vaikutus, mikä aiheuttaa peruuttamattomia vaurioita virtalähteeseen. Yksi syy on se, että akku pysyy pitkään alle 50 %:n varaustilassa.

Vaihtoehtoisen energian osalta "muistiefekti" ja levysulfaatio ovat vakavia ongelmia. Tosiasia on, että energian saantia aurinkopaneeleista ja tuulivoimaloista on vaikea ennustaa. Tämän seurauksena akkujen lataaminen ja purkaminen tapahtuu kaoottisesti, ei-optimaalisessa tilassa.

Nykyaikaisen elämänrytmin kannalta on täysin mahdotonta hyväksyä, että akkuja on ladattava useita tunteja. Miten esimerkiksi kuvittelet ajavasi pitkän matkan sähköajoneuvolla, jos tyhjentynyt akku pitää sinut jumissa latauspisteessä useita tunteja? Akun latausnopeutta rajoittaa siinä tapahtuvien kemiallisten prosessien nopeus. Voit lyhentää latausaikaa 1 tuntiin, mutta ei muutamaan minuuttiin. Samaan aikaan kondensaattorin latausnopeutta rajoittaa vain laturin tarjoama maksimivirta.

Akkujen luetellut haitat ovat tehneet kondensaattoreiden käyttämisen sen sijaan.

Käyttämällä sähköistä kaksoiskerrosta

Monien vuosikymmenten ajan elektrolyyttikondensaattoreilla oli suurin kapasiteetti. Niissä toinen levyistä oli metallifoliota, toinen elektrolyyttiä ja levyjen välinen eriste oli metallioksidia, joka pinnoitti kalvon. Elektrolyyttikondensaattorien kapasiteetti voi saavuttaa sadasosat faradista, mikä ei riitä akun vaihtamiseen kokonaan.

Erityyppisten kondensaattoreiden mallien vertailu (Lähde: Wikipedia)

Suuri kapasitanssi, joka mitataan tuhansissa faradeissa, voidaan saavuttaa kondensaattoreilla, jotka perustuvat niin kutsuttuun sähköiseen kaksoiskerrokseen. Niiden toimintaperiaate on seuraava. Sähköinen kaksoiskerros muodostuu tietyissä olosuhteissa kiinteän ja nestefaasin aineiden rajapinnalle. Muodostuu kaksi ionikerrosta, joiden varaukset ovat vastakkaisia, mutta niiden suuruus on sama. Jos yksinkertaistamme tilannetta suuresti, muodostuu kondensaattori, jonka "levyt" ovat ilmoitettuja ionikerroksia, joiden välinen etäisyys on yhtä suuri kuin useita atomeja.

Maxwellin valmistamat superkondensaattorit eri kapasiteetteilla

Tähän vaikutukseen perustuvia kondensaattoreita kutsutaan joskus ionistoreiksi. Itse asiassa tämä termi ei tarkoita vain kondensaattoreita, joihin sähkövaraus varastoidaan, vaan myös muihin sähkön varastointilaitteisiin, joissa sähköenergia muunnetaan osittain kemialliseksi energiaksi sekä sähkövarauksen varastointi (hybridi-ionistori), sekä kaksinkertaiseen sähkökerrokseen perustuvat akut (ns. pseudokondensaattorit). Siksi termi "superkondensaattorit" on sopivampi. Joskus sen sijaan käytetään identtistä termiä "ultrakondensaattori".

Tekninen toteutus

Superkondensaattori koostuu kahdesta aktiivihiililevystä, jotka on täytetty elektrolyytillä. Niiden välissä on kalvo, joka päästää elektrolyytin läpi, mutta estää aktiivihiilihiukkasten fyysisen liikkumisen levyjen välillä.

On huomattava, että superkondensaattoreilla itsessään ei ole napaisuutta. Tässä ne eroavat olennaisesti elektrolyyttikondensaattoreista, joille yleensä on ominaista napaisuus, jonka noudattamatta jättäminen johtaa kondensaattorin vikaantumiseen. Napaisuutta sovelletaan kuitenkin myös superkondensaattoreihin. Tämä johtuu siitä, että superkondensaattorit lähtevät tehtaan kokoonpanolinjalta jo ladattuina, ja merkintä osoittaa tämän varauksen napaisuuden.

Superkondensaattorin parametrit

Yksittäisen superkondensaattorin kirjoitushetkellä saavutettu maksimikapasiteetti on 12 000 F. Massatuotettujen superkondensaattorien osalta se ei ylitä 3 000 F. Suurin sallittu jännite levyjen välillä ei ylitä 10 V. Kaupallisesti tuotetuissa superkondensaattoreissa tämä luku on pääsääntöisesti välillä 2,3 – 2,7 V. Alhainen käyttöjännite edellyttää stabilointitoiminnolla varustetun jännitteenmuuntimen käyttöä. Tosiasia on, että purkauksen aikana kondensaattorilevyjen jännite muuttuu laajalla alueella. Jännitteenmuuntimen rakentaminen kuorman ja laturin yhdistämiseksi ei ole triviaali tehtävä. Oletetaan, että sinun on syötettävä 60 W kuormaa.

Asian käsittelyn yksinkertaistamiseksi jätämme huomiotta jännitteenmuuntimen ja stabilisaattorin häviöt. Jos työskentelet tavallisella 12 V akulla, ohjauselektroniikan on kestettävä 5 A virta. Tällaiset elektroniset laitteet ovat yleisiä ja edullisia. Mutta täysin erilainen tilanne syntyy käytettäessä superkondensaattoria, jonka jännite on 2,5 V. Tällöin muuntimen elektronisten komponenttien läpi kulkeva virta voi nousta 24 A:iin, mikä vaatii uusia lähestymistapoja piiriteknologiaan ja nykyaikaista elementtipohjaa. Juuri muuntimen ja stabilisaattorin rakentamisen monimutkaisuus voi selittää sen tosiasian, että superkondensaattorit, joiden sarjatuotanto aloitettiin 1900-luvun 70-luvulla, ovat vasta nyt alkaneet laajalti käyttää monilla aloilla.

Kaaviokaavio keskeytymättömästä virtalähteestä
superkondensaattorien jännite, pääkomponentit on toteutettu
yhdellä LinearTechnologyn valmistamalla mikropiirillä

Superkondensaattorit voidaan kytkeä akkuihin sarja- tai rinnakkaisliitännöillä. Ensimmäisessä tapauksessa suurin sallittu jännite kasvaa. Toisessa tapauksessa - kapasiteetti. Suurimman sallitun jännitteen lisääminen tällä tavalla on yksi tapa ratkaista ongelma, mutta joudut maksamaan siitä pienentämällä kapasitanssia.

Superkondensaattorien mitat riippuvat luonnollisesti niiden kapasiteetista. Tyypillinen superkondensaattori, jonka kapasiteetti on 3000 F, on sylinteri, jonka halkaisija on noin 5 cm ja pituus 14 cm. Kapasiteetilla 10 F superkondensaattori on mitoiltaan verrattavissa ihmisen sormenkynteen.

Hyvät superkondensaattorit kestävät satoja tuhansia lataus-purkaussyklejä ylittäen akut noin 100 kertaa tässä parametrissa. Mutta kuten elektrolyyttikondensaattorit, superkondensaattorit kohtaavat ikääntymisongelman, joka johtuu elektrolyytin asteittaisesta vuotamisesta. Toistaiseksi ei ole kertynyt täydellisiä tilastoja superkondensaattorien vioista tästä syystä, mutta välillisten tietojen mukaan superkondensaattorien käyttöiän voidaan arvioida olevan noin 15 vuotta.

Kertynyttä energiaa

Kondensaattoriin varastoidun energian määrä jouleina:

E = CU 2/2,
jossa C on kapasitanssi, joka ilmaistaan faradeina, U on levyjen jännite voltteina.

Kondensaattoriin varastoidun energian määrä kWh:na ilmaistuna on:

W = CU 2 /7200000

Näin ollen 3000 F:n kapasiteetin kondensaattori, jonka levyjen välinen jännite on 2,5 V, pystyy varastoimaan vain 0,0026 kWh. Miten tämä vertaa esimerkiksi litiumioniakkua? Jos otamme sen lähtöjännitteen purkausasteesta riippumattomaksi ja 3,6 V:ksi, 0,0026 kWh:n energiamäärä varastoidaan litiumioniakkuun, jonka kapasiteetti on 0,72 Ah. Valitettavasti erittäin vaatimaton tulos.

Superkondensaattorien käyttö

Hätävalaistusjärjestelmissä superkondensaattorien käyttö paristojen sijasta tekee todellisen eron. Itse asiassa juuri tälle sovellukselle on ominaista epätasainen purkaus. Lisäksi on toivottavaa, että hätälamppu latautuu nopeasti ja että siinä käytettävä varavirtalähde on luotettavampi. Superkondensaattoripohjainen varavirtalähde voidaan integroida suoraan T8 LED-lamppuun. Useat kiinalaiset yritykset valmistavat jo tällaisia lamppuja.

Sähkökäyttöinen LED-maavalo
aurinkopaneeleista, energian varastoinnista
jossa se suoritetaan superkondensaattorissa

Kuten jo todettiin, superkondensaattorien kehitys johtuu suurelta osin kiinnostuksesta vaihtoehtoisia energialähteitä kohtaan. Käytännön käyttö rajoittuu kuitenkin LED-lamppuihin, jotka saavat energiaa auringosta.

Superkondensaattorien käyttö sähkölaitteiden käynnistämiseen kehittyy aktiivisesti.

Superkondensaattorit pystyvät toimittamaan suuria määriä energiaa lyhyessä ajassa. Syöttämällä sähkölaitteet käynnistyksen yhteydessä superkondensaattorista, voidaan vähentää sähköverkon huippukuormia ja viime kädessä pienentää käynnistysvirran marginaalia, jolloin saavutetaan valtavia kustannussäästöjä.

Yhdistämällä useita superkondensaattoreita akkuun saadaan kapasiteetti, joka on verrattavissa sähköajoneuvoissa käytettäviin akkuihin. Mutta tämä akku painaa useita kertoja enemmän kuin akku, mikä ei ole hyväksyttävää ajoneuvoille. Ongelma voidaan ratkaista käyttämällä grafeenipohjaisia superkondensaattoreita, mutta ne ovat tällä hetkellä olemassa vain prototyyppeinä. Kuuluisan Yo-mobilen lupaava versio, joka toimii vain sähköllä, käyttää kuitenkin uuden sukupolven superkondensaattoreita, joita venäläiset tutkijat kehittävät, virtalähteenä.

Superkondensaattorit hyödyttävät myös perinteisten bensiini- tai dieselajoneuvojen akkujen vaihtoa – niiden käyttö tällaisissa ajoneuvoissa on jo todellisuutta.

Tällä välin onnistuneimpana toteutetuista superkondensaattorien käyttöönottoprojekteista voidaan pitää uusia venäläisiä johdinautoja, jotka ilmestyivät äskettäin Moskovan kaduille. Kun jännitteen syöttö kontaktiverkkoon katkeaa tai virrankeräimet "lentää pois", johdinauto voi kulkea pienellä nopeudella (noin 15 km/h) useita satoja metrejä paikkaan, jossa se ei häiritse liikennettä. tiellä. Tällaisten liikkeiden energialähde on superkondensaattoriparisto.

Yleensä superkondensaattorit voivat toistaiseksi syrjäyttää akkuja vain tietyissä "rakoissa". Mutta tekniikka kehittyy nopeasti, minkä ansiosta voimme odottaa, että lähitulevaisuudessa superkondensaattorien käyttöalue laajenee merkittävästi.

Ionistori on kondensaattori, jonka levyt ovat kaksinkertainen sähkökerros elektrodin ja elektrolyytin välissä. Toinen tämän laitteen nimi on superkondensaattori, ultrakondensaattori, kaksikerroksinen sähkökemiallinen kondensaattori tai ionix. Siinä on suuri kapasiteetti, mikä mahdollistaa sen käytön virtalähteenä.

Superkondensaattori laite

Ionistorin toimintaperiaate on samanlainen kuin tavanomaisen kondensaattorin, mutta nämä laitteet eroavat käytetyistä materiaaleista. Tällaisten elementtien vuorauksina käytetään huokoisia materiaaleja - aktiivihiiltä, joka on hyvä johdin, tai vaahdotettuja metalleja. Tämä mahdollistaa niiden pinta-alan suurentamisen moninkertaiseksi ja koska kondensaattorin kapasitanssi on suoraan verrannollinen elektrodien pinta-alaan, se kasvaa samassa määrin. Lisäksi elektrolyyttiä käytetään dielektrisenä, kuten elektrolyyttikondensaattoreissa, mikä vähentää levyjen välistä etäisyyttä ja lisää kapasitanssia. Yleisimmät parametrit ovat useat faradit jännitteellä 5-10V.

Ionistorityypit

Tällaisia laitteita on useita tyyppejä:

Täydellisesti polarisoituvilla aktiivihiilielektrodeilla. Tällaisissa alkuaineissa ei tapahdu sähkökemiallisia reaktioita. Elektrolyyttinä käytetään natriumhydroksidin (30 % KOH), rikkihapon (38 % H2SO4) tai orgaanisten elektrolyyttien vesiliuoksia;
Täysin polarisoituvaa aktiivihiilielektrodia käytetään yhtenä levynä. Toinen elektrodi on heikosti tai ei-polarisoituva (anodi tai katodi, mallista riippuen);
Pseudokondensaattorit. Näissä laitteissa tapahtuu palautuvia sähkökemiallisia reaktioita levyjen pinnalla. Niillä on suuri kapasiteetti.

Ionistorien edut ja haitat

Tällaisia laitteita käytetään paristojen tai akkujen sijasta. Niihin verrattuna tällaisilla elementeillä on etuja ja haittoja.

Superkondensaattorien huonot puolet:

alhainen purkausvirta yleisissä elementeissä, ja mallit ilman tätä haittaa ovat erittäin kalliita;
laitteen lähdön jännite laskee purkauksen aikana;
jos suurikapasiteettisissa elementeissä, joilla on pieni sisäinen vastus, tapahtuu oikosulku, koskettimet palavat;
pienempi sallittu jännite ja purkausnopeus verrattuna perinteisiin kondensaattoreihin;
suurempi itsepurkautumisvirta kuin akuissa.

Ultrakondensaattorien edut:

suurempi nopeus, lataus- ja purkausvirta kuin akuissa;
kestävyys - kun testattiin 100 000 lataus-/purkaussyklin jälkeen, parametrien heikkenemistä ei havaittu;
korkea sisäinen vastus useimmissa malleissa, mikä estää itsepurkauksen ja vian oikosulun aikana;
pitkä käyttöikä;
pienempi tilavuus ja paino;
kaksinapaisuus - valmistaja merkitsee "+" ja "-", mutta tämä on tuotantotestien aikana käytetyn varauksen napaisuus;
laaja käyttölämpötila-alue ja kestää mekaanisia ylikuormituksia.

Energiatiheys

Kyky varastoida energiaa superkondensaattoreihin on 8 kertaa pienempi kuin lyijyakkujen ja 25 kertaa pienempi kuin litiumakkujen. Energiatiheys riippuu sisäisestä resistanssista: mitä pienempi se on, sitä suurempi on laitteen ominaisenergiakapasiteetti. Tiedemiesten viimeaikainen kehitys mahdollistaa elementtien luomisen, joiden kyky varastoida energiaa on verrattavissa lyijyakkuihin.

Vuonna 2008 Intiassa luotiin ionistori, jonka levyt valmistettiin grafeenista. Tämän alkuaineen energiaintensiteetti on 32 (Wh)/kg. Vertailun vuoksi auton akkujen energiakapasiteetti on 30-40 (Wh)/kg. Näiden laitteiden nopeutettu lataus mahdollistaa niiden käytön sähköajoneuvoissa.

Vuonna 2011 korealaiset suunnittelijat loivat laitteen, jossa käytettiin grafeenin lisäksi typpeä. Tämä elementti antoi kaksinkertaisen ominaisenergian intensiteetin.

Viite. Grafeeni on 1 atomin paksuinen hiilikerros.

Ionistorien käyttö

Superkondensaattorien sähköisiä ominaisuuksia käytetään tekniikan eri aloilla.

Julkinen liikenne

Hyundai Motor, Trolza, Belkommunmash ja jotkut muut valmistavat sähköbusseja, joissa käytetään ionistoreita akkujen sijaan.

Nämä linja-autot ovat rakenteeltaan samanlaisia kuin raiteettomat johdinautot eivätkä vaadi kontaktiverkkoa. Ne latautuvat pysäkeillä matkustajien poistumisen ja nousemisen aikana tai reitin päätepisteissä 5-10 minuutissa.

Ionistoreilla varustetut johdinautot pystyvät ohittamaan katkeavat kosketusjohdot ja liikenneruuhkat eivätkä vaadi johtoja varikoilla ja parkkipaikoilla reitin päätepisteissä.

Sähköautot

Sähköautojen suurin ongelma on pitkät latausajat. Ultrakondensaattori, jolla on korkea latausvirta ja lyhyt latausaika, mahdollistaa uudelleenlatauksen lyhyiden pysähdysten aikana.

Venäjällä on kehitetty Yo-mobile, joka käyttää akuna erityisesti luotua ionistoria.

Lisäksi superkondensaattorin asentaminen rinnan akun kanssa mahdollistaa sähkömoottorin kuluttaman virran lisäämisen käynnistyksen ja kiihdytyksen aikana. Tätä järjestelmää käytetään KERS:ssä, Formula 1 -autoissa.

Viihde-elektroniikka

Näitä laitteita käytetään salamoissa ja muissa laitteissa, joissa nopea lataus ja purkautuminen on tärkeämpää kuin laitteen koko ja paino. Esimerkiksi syöpätunnistin latautuu 2,5 minuutissa ja toimii 1 minuutin ajan. Tämä riittää tutkimusten tekemiseen ja tilanteiden estämiseen, joissa laite on käyttökelvoton purkautuneiden akkujen takia.

Autokaupoista voit ostaa ionistoreita, joiden kapasiteetti on 1 farad käytettäväksi rinnakkain autoradion kanssa. Ne tasoittavat jännitteen vaihteluita moottorin käynnistyksen aikana.

DIY ionistori

Halutessasi voit tehdä superkondensaattorin omin käsin. Tällaisella laitteella on huonommat parametrit, eikä se kestä kauan (kunnes elektrolyytti kuivuu), mutta se antaa käsityksen tällaisten laitteiden toiminnasta yleensä.

Jotta voit tehdä ionistorin omin käsin, tarvitset:

kupari- tai alumiinifolio;
suola;
aktiivihiili apteekista;
puuvilla;
joustavat johdot johtoja varten;
muovilaatikko koteloa varten.

Ultrakondensaattorin valmistusprosessi on seuraava:

leikkaa kaksi foliopalaa niin suureksi, että ne mahtuvat laatikon pohjalle;
juota johdot kalvoon;
kostuta kivihiili vedellä, jauha jauheeksi ja kuivaa;
valmista 25-prosenttinen suolaliuos;
sekoita kivihiilijauhe suolaliuoksella tahnaksi;
kostuta puuvillaa suolaliuoksella;
levitä tahna ohuena, tasaisena kerroksena kalvolle;
tee "voileipä": folio hiilellä ylös, ohut kerros puuvillaa, kalvo hiilellä alaspäin;
aseta rakenne laatikkoon.

Tällaisen laitteen sallittu jännite on 0,5 V. Kun se ylittyy, elektrolyysiprosessi alkaa ja ionistori muuttuu kaasuakuksi.