Kondensatorius vietoj akumuliatoriaus: techninis sprendimas. Naminis jonistorius - savo rankomis gaminame superkondensatorių Kaip pasigaminti jonistoriaus superkondensatorių namuose

Valgomasis šaukštas aktyvintos anglies iš vaistinės, keli lašai pasūdyto vandens, skardinė lėkštė ir plastikinis indelis fotojuostos. Užtenka padaryti DIY jonistorius, elektrinis kondensatorius, kurio talpa yra maždaug lygi Žemės rutulio elektrinei talpai .... Leyden stiklainis.

Gali būti, kad vienas iš Amerikos laikraščių 1777 metais rašė kaip tik apie tokį įrenginį: „... Daktaras Franklinas išrado dantų krapštuko korpuso dydžio mašiną, galinčią paversti Londono Šv. Pauliaus katedrą sauja pelenų. “ Tačiau pirmieji dalykai.

Žmonija elektros energiją naudoja kiek daugiau nei du šimtmečius, tačiau elektros reiškiniai žmonėms žinomi tūkstančius metų ir ilgą laiką neturėjo praktinės reikšmės. Tik XVIII amžiaus pradžioje, kai mokslas tapo madinga pramoga, vokiečių mokslininkas Otto von Guericke sukūrė specialiai viešiems eksperimentams atlikti skirtą „elektroforinę“ mašiną, kurios pagalba gaudavo iki tol negirdėtais kiekiais elektros.

Mašiną sudarė stiklinis rutulys, į kurį sukdamasis trynė odos gabalas. Jos darbo efektas buvo puikus: spragsėjo kibirkštys, nematomos elektros jėgos nuplėšė damų skaras, stojo plaukai. Visuomenę ypač nustebino kūnų gebėjimas kaupti elektros krūvius.

1745 m. olandų fizikas iš Leideno Pieteris van Musšenbroekas (1692 - 1761) į stiklinį indelį įpylė vandens, į vidų įkišo vielos gabalėlį, kaip gėlę į vazą, ir, atsargiai suspaudęs delnais, nunešė į elektroforo mašina. Butelis surinko tiek elektros energijos, kad iš vielos gabalo išskriejo ryški kibirkštis su „kurtinančiu riaumojimu“. Kitą kartą, kai mokslininkas pirštu palietė laidą, jis gavo smūgį, nuo kurio prarado sąmonę; Jei ne laiku atvykęs padėjėjas Kuneusas, reikalas galėjo baigtis liūdnai.

Taip buvo sukurtas įrenginys, galintis sukaupti milijonus kartų daugiau krūvio nei bet kuris tuo metu žinomas kūnas. Jis buvo vadinamas "Leyden jar". Tai buvo savotiškas kondensatorius, kurio viena iš plokščių buvo eksperimentuotojo delnai, dielektrikas – stiklinės sienelės, antroji – vanduo.

Žinia apie išradimą pasklido po apšviestą Europą. Leydeno stiklainis buvo nedelsiant panaudotas prancūzų karaliaus Liudviko XV švietimui. Prasidėjo pasirodymai. Viename iš eksperimentų, įėjusių į istoriją, elektros srovė buvo perleista per sargybinių grandinę, besilaikančių už rankų. Kai užklupo elektros iškrova, visi kaip vienas pašoko, lyg ruoštųsi žygiuoti į orą. Kito eksperimento metu srovė buvo praleista per 700 vienuolių grandinę...

Eksperimentai su Leyden stiklainiu Amerikoje paėmė praktiškesnę kryptį. 1747 metais juos pradėjo vienas iš JAV įkūrėjų, jau minėtas Benjaminas Franklinas. Jis sugalvojo indelį suvynioti į skardinę foliją, jo talpa išaugo daug kartų, darbas tapo saugesnis. Eksperimentuose su juo Franklinas įrodė, kad elektros iškrova gali generuoti šilumą ir pakelti gyvsidabrio stulpelį termometre. O pakeitęs stiklainį stikline plokšte, padengta alavo folija, Franklinas gavo plokščią kondensatorių, daug kartų lengvesnį už net jo patobulintą Leydeno indelį.

Istorija tyli apie įrenginį, galintį sukaupti tiek energijos, kad, kaip rašė laikraštis, būtų galima „paversti Šv. Pauliaus katedrą pelenų krūva“, tačiau tai nereiškia, kad B. Franklinas negalėjo jo sukurti. .

Ir štai laikas grįžti prie to, kaip tai padaryti DIY jonistorius. Jei sukaupėte viską, ko reikia, nuleiskite skardinę plokštę ant plėvelės skardinės dugno, prie jos prilitavę izoliuoto laido gabalėlį. Ant viršaus uždėkite filtravimo popieriaus padą, ant jo užpilkite aktyvintos anglies sluoksnį ir, užpylę pasūdyto vandens, uždenkite savo „sumuštinį“ kitu elektrodu.

Jonistoriaus veikimo schema.

Jūs turite elektrocheminį kondensatorių - jonistorių. Įdomu tai, kad aktyvintos anglies dalelių porose atsiranda vadinamasis dvigubas elektrinis sluoksnis – du greta vienas kito išsidėstę skirtingų ženklų elektros krūvių sluoksniai, tai yra savotiškas elektrocheminis kondensatorius. Atstumas tarp sluoksnių skaičiuojamas angstremais (1 angstremas – 10-9 m). O kondensatoriaus talpa, kaip žinoma, tuo didesnė, tuo mažesnis atstumas tarp plokščių.

Dėl šios priežasties dvigubo sluoksnio tūrio vieneto energijos rezervas yra didesnis nei galingiausio sprogmens. Tai Leyden stiklainis!

Jonistorius veikia taip. Jei nėra išorinės įtampos, jo talpa yra nereikšminga. Tačiau veikiant įtampai, tiekiamai į kondensatoriaus polius, įkraunami gretimi anglies sluoksniai. Priešingo ženklo jonai tirpale veržiasi į anglies daleles ir jų paviršiuje sudaro dvigubą elektrinį sluoksnį.

Pramoninis elektrocheminis kondensatorius (jonistorius). Mygtuko dydžio metaliniame korpuse yra du aktyvintos anglies sluoksniai, atskirti porėtu tarpikliu.

Schema, kaip tai padaryti DIY jonistorius.

Naminio jonistoriaus, pagaminto iš plastikinio indelio ir aktyvintos anglies, schema:

1 - viršutinis elektrodas;

2 - jungiamieji laidai;

3,5 - šlapios aktyvintos anglies sluoksniai;

4 - porėta atskyrimo tarpinė;

6 - apatinis elektrodas;

7 - kūnas.

Jei apkrova yra prijungta prie kondensatoriaus polių, tada priešingi krūviai nuo anglies dalelių vidinio paviršiaus bėgs išilgai laidų vienas kito link, o jų porose esantys jonai išeis.

Tai viskas. dabar jūs suprantate, kaip tai padaryti DIY jonistorius.

Šiuolaikiniai jonistoriai turi dešimčių ir šimtų faradų talpą. Išsikrovę jie gali išvystyti didelę galią ir yra labai patvarūs. Pagal energijos rezervą masės ir tūrio vienetui jonistoriai vis dar nusileidžia akumuliatoriams. Bet jei aktyvuotą anglį pakeisite ploniausiais anglies nanovamzdeliais ar kita elektrai laidžia medžiaga, jonistoriaus energijos intensyvumas gali tapti fantastiškai didelis.

Benjaminas Franklinas gyveno laikais, kai apie nanotechnologijas net nebuvo galvojama, tačiau tai nereiškia, kad jos nebuvo naudojamos. Kaip pranešė Nobelio chemijos premijos laureatas Robertas Curie, gamindami peiliukus iš Damasko plieno, senovės meistrai, patys to nežinodami, naudojo nanotechnologijos metodus. Senovinis damasko plienas visada išliko aštrus ir patvarus dėl ypatingos anglies sudėties metalo konstrukcijoje.

Kai kurias nanomedžiagas, pavyzdžiui, suanglėjusius augalų stiebus, kuriuose yra nanovamzdelių, Franklinas galėtų panaudoti kurdamas superkondensatorių. Kiek iš jūsų supranta, kas tai yra? Leyden stiklainis, o kas bandys tai padaryti?

Jonizatoriai yra elektrocheminiai prietaisai, skirti kaupti elektros energiją. Jie pasižymi dideliu įkrovimo-iškrovimo laipsniu (iki kelių dešimčių tūkstančių kartų), jie turi labai ilgą tarnavimo laiką, skirtingai nuo kitų baterijų (įkraunamų baterijų ir galvaninių elementų), maža nuotėkio srove, o svarbiausia – jonistoriai gali turėti didelė talpa ir labai maži dydžiai. Jonizatoriai plačiai naudojami asmeniniuose kompiuteriuose, automobilių radijo imtuvuose, mobiliuosiuose įrenginiuose ir kt. Sukurta saugoti atmintį, kai išimama pagrindinė baterija arba įrenginys išjungiamas. Pastaruoju metu jonistoriai dažnai naudojami autonominėse energijos sistemose, kuriose naudojamos saulės baterijos.

Jonizatoriai taip pat labai ilgai saugo įkrovą, nepaisant oro sąlygų, yra atsparūs šalčiui ir karščiui, o tai niekaip neturės įtakos įrenginio veikimui. Kai kuriose elektroninėse grandinėse, norint išsaugoti atmintį, reikia turėti aukštesnę įtampą nei jonistoriaus įtampa; norint išspręsti šią problemą, jonistoriai jungiami nuosekliai, o norint padidinti jonistoriaus talpą, jie įjungiami lygiagrečiai. Pastarasis jungčių tipas daugiausia naudojamas jonistoriaus veikimo laikui padidinti, taip pat į apkrovą tiekiamai srovei didinti, srovei lygiagrečiame jungtyje subalansuoti prie kiekvieno jonistoriaus prijungiamas rezistorius.

Jonizatoriai dažnai naudojami su baterijomis ir, skirtingai nei jie, nebijo trumpųjų jungimų ir staigių aplinkos temperatūros pokyčių. Jau šiandien kuriami specialūs didelės talpos jonistoriai, kurių srovė siekia iki 1 ampero.Kaip žinoma, šiandien atminties saugojimo technikoje naudojamų jonistorių srovė neviršija 100 miliamperų, tai vienas ir labiausiai Svarbus jonistorių trūkumas, tačiau šį trūkumą kompensuoja aukščiau išvardinti jonistorių privalumai. Internete galite rasti daugybę konstrukcijų, pagrįstų vadinamaisiais superkondensatoriais – jie taip pat yra jonizatoriai. Jonizatoriai atsirado visai neseniai – prieš 20 metų.

Anot mokslininkų, mūsų planetos elektrinė talpa yra 700 mikrofaradų, palyginkite su paprastu kondensatoriumi... Jonizatoriai daugiausia gaminami iš medžio anglies, kuri po aktyvavimo ir specialaus apdorojimo tampa porėta, dvi metalinės plokštės tvirtai prispaudžiamos prie skyriaus su anglis. Namuose pasigaminti jonistorių labai paprasta, tačiau akytos anglies gauti beveik neįmanoma, anglį reikia apdoroti namuose, o tai yra šiek tiek problematiška, todėl lengviau nusipirkti jonistorių ir su juo atlikti įdomius eksperimentus. Pavyzdžiui, vieno jonistoriaus parametrų (galios ir įtampos) pakanka, kad šviesos diodas ryškiai ir ilgai šviestų arba veiktų.

Superkondensatorius arba jonistorius yra energijos masės kaupimo įtaisas; krūvis kaupiasi ties elektrodo ir elektrolito riba. Naudingos energijos tūris saugomas kaip statinis krūvis. Kaupimo procesas vyksta iki sąveikos su pastovia įtampa, kai jonistorius gauna potencialų skirtumą tarp savo plokščių. Technologinis įgyvendinimas, kaip ir pati tokių prietaisų kūrimo idėja, atsirado palyginti neseniai, tačiau juos pavyko eksperimentiškai panaudoti sprendžiant tam tikras problemas. Detalė gali pakeisti cheminės kilmės srovės šaltinius, būti atsargine ar pagrindine maitinimo priemone laikrodžiuose, skaičiuotuvuose, įvairiose mikroschemose.

Elementarią kondensatoriaus konstrukciją sudaro plokštė, kurios medžiaga yra folija, ribojama sausa atskyrimo medžiaga. Jonistorius susideda iš kelių kondensatorių su elektrocheminio tipo įkrovikliu. Jo gamybai naudojami specialūs elektrolitai. Dangos gali būti kelių rūšių. Aktyvuota anglis naudojama didelio masto pamušalams gaminti. Taip pat gali būti naudojami didelio laidumo metalų oksidai ir polimerinės medžiagos. Norint pasiekti reikiamą talpinį tankį, rekomenduojama naudoti labai porėtas anglies medžiagas. Be to, šis metodas leidžia pagaminti jonistorių už įspūdingai mažą kainą. Tokios dalys priklauso DLC kondensatorių kategorijai, kurios kaupia įkrovą ant plokštelės suformuotame dvigubame skyriuje.

Konstrukcinis sprendimas, kai jonistorius derinamas su vandens elektrolito pagrindu, pasižymi maža vidinių elementų varža, o įkrovimo įtampa ribojama iki 1 V. Organinių laidininkų naudojimas garantuoja apie 2...3 įtampos lygius. V ir padidėjęs atsparumas.

Elektroninės grandinės veikia su didesniais energijos poreikiais. Šios problemos sprendimas yra padidinti naudojamų galios taškų skaičių. Jonistorius montuojamas ne vienas, o 3-4 vnt., suteikiant reikiamą įkrovos kiekį.

Palyginti su nikelio-metalo hidrido baterija, jonistorius gali išlaikyti dešimtadalį energijos rezervo, o jo įtampa krenta tiesiškai, neįskaitant plokštuminio iškrovimo zonų. Šie veiksniai turi įtakos gebėjimui visiškai išlaikyti jonistoriaus įkrovą. Įkrovimo lygis tiesiogiai priklauso nuo elemento technologinės paskirties.

Gana dažnai jonistorius naudojamas atminties lustams maitinti ir yra įtrauktas į filtrų grandines ir išlyginimo filtrus. Jie taip pat gali būti derinami su įvairių tipų baterijomis, siekiant kovoti su staigių srovės šuolių pasekmėmis: tiekiant mažą srovę jonistorius įkraunamas, priešingu atveju jis išskiria dalį energijos, taip sumažindamas bendrą apkrovą.

Žmonės pirmiausia naudojo kondensatorius elektrai kaupti. Tada, kai elektrotechnika peržengė laboratorinius eksperimentus, buvo išrastos baterijos, kurios tapo pagrindine elektros energijos kaupimo priemone. Tačiau XXI amžiaus pradžioje vėl siūloma elektros įrangai maitinti naudoti kondensatorius. Kaip tai įmanoma ir ar baterijos pagaliau taps praeitimi?

Priežastis, kodėl kondensatoriai buvo pakeisti baterijomis, buvo dėl žymiai didesnio elektros energijos kiekio, kurį jie gali sukaupti. Kita priežastis yra ta, kad išsikrovimo metu įtampa akumuliatoriaus išėjime kinta labai mažai, todėl įtampos stabilizatorius arba nereikalingas, arba gali būti labai paprastos konstrukcijos.

Pagrindinis skirtumas tarp kondensatorių ir baterijų yra tas, kad kondensatoriai tiesiogiai kaupia elektros krūvį, o baterijos paverčia elektros energiją chemine energija, kaupia ją, o vėliau paverčia cheminę energiją atgal į elektros energiją.

Energijos transformacijų metu dalis jos prarandama. Todėl net geriausių baterijų efektyvumas yra ne didesnis kaip 90%, o kondensatorių - 99%. Cheminių reakcijų intensyvumas priklauso nuo temperatūros, todėl akumuliatoriai šaltu oru veikia pastebimai blogiau nei kambario temperatūroje. Be to, cheminės reakcijos baterijose nėra visiškai grįžtamos. Taigi mažas įkrovimo-iškrovimo ciklų skaičius (tūkstančiais, dažniausiai akumuliatoriaus tarnavimo laikas yra apie 1000 įkrovimo-iškrovimo ciklų), taip pat „atminties efektas“. Prisiminkime, kad „atminties efektas“ yra tas, kad akumuliatorius visada turi būti iškrautas iki tam tikro sukauptos energijos kiekio, tada jo talpa bus maksimali. Jei po iškrovimo jame lieka daugiau energijos, tada akumuliatoriaus talpa palaipsniui mažės. „Atminties efektas“ būdingas beveik visiems komerciškai gaminamų tipų baterijoms, išskyrus rūgštines (įskaitant jų rūšis - gelį ir AGM). Nors visuotinai priimta, kad ličio jonų ir ličio polimerų baterijos jo neturi, iš tikrųjų jos taip pat turi, tik tai pasireiškia mažiau nei kitose rūšyse. Kalbant apie rūgštines baterijas, jos turi plokštelės sulfatacijos efektą, dėl kurio negrįžtamai pažeidžiamas maitinimo šaltinis. Viena iš priežasčių yra ta, kad akumuliatorius ilgą laiką išlieka mažesnio nei 50% įkrovimo būsenoje.

Kalbant apie alternatyvią energiją, „atminties efektas“ ir plokštelių sulfatacija yra rimtos problemos. Faktas yra tai, kad sunku numatyti energijos tiekimą iš tokių šaltinių kaip saulės baterijos ir vėjo turbinos. Dėl to baterijų įkrovimas ir iškrovimas vyksta chaotiškai, neoptimaliu režimu.

Šiuolaikiniam gyvenimo ritmui visiškai nepriimtina, kad baterijas reikia krauti kelias valandas. Pavyzdžiui, kaip įsivaizduojate važiavimą ilgą atstumą elektromobiliu, jei išsikrovęs akumuliatorius kelias valandas įstrigo įkrovimo vietoje? Akumuliatoriaus įkrovimo greitį riboja joje vykstančių cheminių procesų greitis. Įkrovimo laiką galite sutrumpinti iki 1 valandos, bet ne iki kelių minučių. Tuo pačiu metu kondensatoriaus įkrovimo greitį riboja tik maksimali įkroviklio teikiama srovė.

Dėl išvardytų baterijų trūkumų reikėjo skubiai vietoj jų naudoti kondensatorius.

Naudojant elektrinį dvigubą sluoksnį

Daugelį dešimtmečių elektrolitiniai kondensatoriai turėjo didžiausią talpą. Juose viena iš plokščių buvo metalinė folija, kita – elektrolitas, o izoliacija tarp plokščių – metalo oksidas, kuriuo padengta folija. Elektrolitinių kondensatorių talpa gali siekti šimtąsias farado dalis, kurių neužtenka visiškai pakeisti akumuliatorių.

Įvairių tipų kondensatorių konstrukcijų palyginimas (Šaltinis: Vikipedija)

Didelę talpą, matuojamą tūkstančiais faradų, galima gauti naudojant kondensatorius, pagrįstus vadinamuoju elektriniu dvigubu sluoksniu. Jų veikimo principas yra toks. Tam tikromis sąlygomis kietosios ir skystosios fazės medžiagų sąsajoje atsiranda elektrinis dvigubas sluoksnis. Susidaro du jonų sluoksniai su priešingų ženklų, bet vienodo dydžio krūviais. Jei labai supaprastinsime situaciją, susidaro kondensatorius, kurio „plokštelės“ yra nurodyti jonų sluoksniai, kurių atstumas lygus keliems atomams.

Maxwell gaminami įvairios talpos superkondensatoriai

Šiuo efektu pagrįsti kondensatoriai kartais vadinami jonistoriais. Tiesą sakant, šis terminas reiškia ne tik kondensatorius, kuriuose kaupiamas elektros krūvis, bet ir kitus elektros energijos kaupimo įrenginius – su daliniu elektros energijos pavertimu chemine energija kartu su elektros krūvio kaupimu (hibridinis jonistorius), taip pat baterijos, pagrįstos dvigubu elektriniu sluoksniu (vadinamieji pseudokondensatoriai). Todėl terminas „superkondensatoriai“ yra tinkamesnis. Kartais vietoj to naudojamas identiškas terminas „ultrakondensatorius“.

Techninis įgyvendinimas

Superkondensatorius susideda iš dviejų aktyvintos anglies plokštelių, užpildytų elektrolitu. Tarp jų yra membrana, kuri praleidžia elektrolitą, tačiau neleidžia fiziškai judėti aktyvintosios anglies dalelėms tarp plokštelių.

Reikėtų pažymėti, kad patys superkondensatoriai neturi poliškumo. Tuo jie iš esmės skiriasi nuo elektrolitinių kondensatorių, kuriems, kaip taisyklė, būdingas poliškumas, kurio nesilaikymas sukelia kondensatoriaus gedimą. Tačiau poliškumas taip pat taikomas superkondensatoriams. Taip yra dėl to, kad superkondensatoriai palieka gamyklos surinkimo liniją jau įkrauti, o žymėjimas rodo šio įkrovimo poliškumą.

Superkondensatoriaus parametrai

Didžiausia atskiro superkondensatoriaus talpa, pasiekta rašant šį raštą, yra 12 000 F. Masinės gamybos superkondensatorių atveju ji neviršija 3 000 F. Didžiausia leistina įtampa tarp plokščių neviršija 10 V. Komerciniais tikslais gaminamiems superkondensatoriams: Šis skaičius, kaip taisyklė, svyruoja tarp 2,3 – 2,7 V. Esant žemai darbinei įtampai, reikia naudoti įtampos keitiklį su stabilizatoriaus funkcija. Faktas yra tas, kad iškrovimo metu kondensatoriaus plokščių įtampa keičiasi plačiu diapazonu. Įtampos keitiklio, skirto apkrovai ir įkrovikliui sujungti, sukūrimas yra nereikšminga užduotis. Tarkime, jums reikia maitinti 60 W apkrovą.

Norėdami supaprastinti problemos svarstymą, nepaisysime nuostolių įtampos keitiklyje ir stabilizatoriuje. Jei dirbate su įprasta 12 V baterija, tai valdymo elektronika turi atlaikyti 5 A srovę. Tokie elektroniniai prietaisai yra plačiai paplitę ir nebrangūs. Bet visiškai kitokia situacija susidaro naudojant superkondensatorių, kurio įtampa yra 2,5 V. Tada srovė, tekanti per keitiklio elektroninius komponentus, gali siekti 24 A, todėl reikia naujų požiūrių į grandinių technologiją ir modernią elementų bazę. Būtent keitiklio ir stabilizatoriaus kūrimo sudėtingumas gali paaiškinti tai, kad superkondensatoriai, kurių serijinė gamyba prasidėjo XX amžiaus aštuntajame dešimtmetyje, tik dabar buvo pradėti plačiai naudoti įvairiose srityse.

Nepertraukiamo maitinimo šaltinio schema
įtampa ant superkondensatorių, pagrindiniai komponentai yra įgyvendinti
vienoje „LinearTechnology“ pagamintoje mikroschemoje

Superkondensatoriai gali būti jungiami į baterijas naudojant nuoseklias arba lygiagrečias jungtis. Pirmuoju atveju didžiausia leistina įtampa didėja. Antruoju atveju – talpa. Tokiu būdu padidinus didžiausią leistiną įtampą – vienas iš būdų išspręsti problemą, tačiau už tai teks susimokėti sumažinus talpą.

Superkondensatorių matmenys natūraliai priklauso nuo jų talpos. Tipiškas 3000 F talpos superkondensatorius yra apie 5 cm skersmens ir 14 cm ilgio cilindras. 10 F talpos superkondensatoriaus matmenys prilygsta žmogaus nago.

Geri superkondensatoriai gali atlaikyti šimtus tūkstančių įkrovimo-iškrovimo ciklų, o pagal šį parametrą baterijas viršija maždaug 100 kartų. Tačiau, kaip ir elektrolitiniai kondensatoriai, superkondensatoriai susiduria su senėjimo problema dėl laipsniško elektrolito nutekėjimo. Kol kas nėra sukaupta išsami statistika apie superkondensatorių gedimus dėl šios priežasties, tačiau pagal netiesioginius duomenis superkondensatorių tarnavimo laikas gali būti apytiksliai įvertintas 15 metų.

Sukaupta energija

Kondensatoriuje sukauptos energijos kiekis, išreikštas džauliais:

E = CU 2/2,
kur C yra talpa, išreikšta faradais, U yra plokščių įtampa, išreikšta voltais.

Kondensatoriuje sukauptos energijos kiekis, išreikštas kWh, yra:

W = 2 CU /7200000

Vadinasi, 3000 F talpos kondensatorius, kurio įtampa tarp plokščių yra 2,5 V, gali sukaupti tik 0,0026 kWh. Kaip tai palyginti su, pavyzdžiui, ličio jonų baterija? Jei laikysime, kad jo išėjimo įtampa nepriklauso nuo iškrovos laipsnio ir lygi 3,6 V, tada 0,72 Ah talpos ličio jonų akumuliatoriuje bus sukaupta 0,0026 kWh energijos. Deja, labai kuklus rezultatas.

Superkondensatorių taikymas

Avarinio apšvietimo sistemos yra tai, kur superkondensatorių naudojimas vietoj baterijų yra tikras skirtumas. Tiesą sakant, būtent šiai programai būdingas netolygus iškrovimas. Be to, pageidautina, kad avarinė lempa būtų greitai įkraunama, o joje naudojamas atsarginis maitinimo šaltinis būtų patikimesnis. Superkondensatoriaus pagrindu sukurtas atsarginis maitinimo šaltinis gali būti integruotas tiesiai į T8 LED lempą. Tokias lempas jau gamina nemažai Kinijos įmonių.

Maitinamas LED žemės apšvietimas
iš saulės baterijų, energijos kaupimo
kurioje ji atliekama superkondensatoriuje

Kaip jau minėta, superkondensatorių kūrimas daugiausia susijęs su susidomėjimu alternatyviais energijos šaltiniais. Tačiau praktinis pritaikymas vis dar apsiriboja LED lempomis, kurios gauna energiją iš saulės.

Aktyviai vystosi superkondensatorių naudojimas elektros įrangai paleisti.

Superkondensatoriai gali tiekti didelius energijos kiekius per trumpą laiką. Paleidžiant elektros įrangą iš superkondensatoriaus, galima sumažinti didžiausias elektros tinklo apkrovas ir galiausiai sumažinti įsijungimo srovės atsargą, taip sutaupant daug išlaidų.

Sujungę kelis superkondensatorius į bateriją galime pasiekti tokią talpą, kuri prilygsta elektromobiliuose naudojamoms baterijoms. Tačiau šis akumuliatorius svers kelis kartus daugiau nei akumuliatorius, o tai nepriimtina transporto priemonėms. Problemą galima išspręsti naudojant grafeno pagrindu pagamintus superkondensatorius, tačiau šiuo metu jie egzistuoja tik kaip prototipai. Tačiau perspektyvioje garsiojo „Yo-mobile“ versijoje, maitinamoje tik elektra, kaip maitinimo šaltinis bus naudojami naujos kartos superkondensatoriai, kuriuos kuria Rusijos mokslininkai.

Superkondensatoriai taip pat bus naudingi keičiant įprastų benzininių ar dyzelinių transporto priemonių baterijas – jų naudojimas tokiose transporto priemonėse jau yra realybė.

Tuo tarpu sėkmingiausiais iš įgyvendintų superkondensatorių įvedimo projektų galima laikyti neseniai Maskvos gatvėse pasirodžiusius naujus Rusijos gamybos troleibusus. Nutrūkus įtampos tiekimui kontaktiniam tinklui arba „išskridus“ srovės kolektoriams, troleibusas gali nedideliu greičiu (apie 15 km/h) nuvažiuoti kelis šimtus metrų iki vietos, kur tai netrukdys eismui. kelyje. Tokių manevrų energijos šaltinis yra superkondensatorių baterija.

Apskritai, kol kas superkondensatoriai gali išstumti baterijas tik tam tikrose „nišose“. Tačiau technologijos sparčiai vystosi, o tai leidžia tikėtis, kad artimiausiu metu superkondensatorių taikymo sritis labai išsiplės.

Jonistorius yra kondensatorius, kurio plokštės yra dvigubas elektrinis sluoksnis tarp elektrodo ir elektrolito. Kitas šio įrenginio pavadinimas yra superkondensatorius, ultrakondensatorius, dvisluoksnis elektrocheminis kondensatorius arba joniksas. Jis turi didelę talpą, todėl jį galima naudoti kaip srovės šaltinį.

Superkondensatoriaus įtaisas

Jonistoriaus veikimo principas panašus į įprasto kondensatoriaus, tačiau šie įrenginiai skiriasi naudojamomis medžiagomis. Tokiuose elementuose kaip pamušalas naudojamos porėtos medžiagos – aktyvuota anglis, kuri yra geras laidininkas, arba putoti metalai. Tai leidžia daug kartų padidinti jų plotą ir, kadangi kondensatoriaus talpa yra tiesiogiai proporcinga elektrodų plotui, ji padidėja tiek pat. Be to, elektrolitas naudojamas kaip dielektrikas, kaip ir elektrolitiniuose kondensatoriuose, todėl sumažėja atstumas tarp plokščių ir padidėja talpa. Dažniausi parametrai yra keli faradai, esant 5-10 V įtampai.

Jonistorių tipai

Yra keletas tokių įrenginių tipų:

Su puikiai poliarizuojamais aktyvintosios anglies elektrodais. Tokiuose elementuose elektrocheminės reakcijos nevyksta. Kaip elektrolitas naudojami vandeniniai natrio hidroksido (30 % KOH), sieros rūgšties (38 % H2SO4) arba organinių elektrolitų tirpalai;
Puikiai poliarizuojamas aktyvintosios anglies elektrodas naudojamas kaip viena plokštelė. Antrasis elektrodas yra silpnai arba nepoliarizuojamas (anodas arba katodas, priklausomai nuo konstrukcijos);
Pseudokondensatoriai. Šiuose įrenginiuose plokštelių paviršiuje vyksta grįžtamosios elektrocheminės reakcijos. Jie turi didelę talpą.

Jonistorių privalumai ir trūkumai

Tokie įrenginiai naudojami vietoj baterijų ar akumuliatorių. Palyginti su jais, tokie elementai turi privalumų ir trūkumų.

Superkondensatorių trūkumai:

maža iškrovimo srovė bendruose elementuose, o dizainas be šio trūkumo yra labai brangus;
įrenginio išėjimo įtampa krinta iškrovimo metu;
trumpojo jungimo atveju didelės talpos elementuose su mažu vidiniu pasipriešinimu kontaktai perdega;
sumažinta leistina įtampa ir iškrovos greitis, palyginti su įprastais kondensatoriais;
didesnė savaiminio išsikrovimo srovė nei akumuliatoriuose.

Ultrakondensatorių privalumai:

didesnis greitis, įkrovimo ir iškrovimo srovė nei akumuliatoriuose;
ilgaamžiškumas – testuojant po 100 000 įkrovimo/iškrovimo ciklų, nepastebėta parametrų pablogėjimo;
didelis vidinis pasipriešinimas daugumoje konstrukcijų, neleidžiantis savaiminiam išsikrovimui ir gedimui trumpojo jungimo metu;
ilgas tarnavimo laikas;
mažesnis tūris ir svoris;
bipoliškumas - gamintojas žymi „+“ ir „-“, tačiau tai yra gamybos bandymų metu taikomo krūvio poliškumas;
platus darbinių temperatūrų diapazonas ir atsparumas mechaninėms perkrovoms.

Energijos tankis

Galimybė kaupti energiją superkondensatoriuose yra 8 kartus mažesnė nei švino baterijų ir 25 kartus mažesnė nei ličio baterijų. Energijos tankis priklauso nuo vidinės varžos: kuo ji mažesnė, tuo didesnė įrenginio savitoji energijos talpa. Naujausi mokslininkų pasiekimai leidžia sukurti elementus, kurių gebėjimas kaupti energiją prilygsta švino akumuliatoriams.

2008 metais Indijoje buvo sukurtas jonistorius, kuriame plokštės buvo pagamintos iš grafeno. Šio elemento energijos intensyvumas yra 32 (Wh)/kg. Palyginimui, automobilių akumuliatorių energetinė talpa yra 30-40 (Wh)/kg. Pagreitintas šių įrenginių įkrovimas leidžia juos naudoti elektromobiliuose.

2011 metais Korėjos dizaineriai sukūrė įrenginį, kuriame, be grafeno, buvo naudojamas ir azotas. Šis elementas suteikė dvigubai didesnį specifinį energijos intensyvumą.

Nuoroda. Grafenas yra 1 atomo storio anglies sluoksnis.

Jonistorių taikymas

Superkondensatorių elektrinės savybės naudojamos įvairiose technologijų srityse.

Viešasis transportas

Elektrinius autobusus, kuriuose vietoj akumuliatorių naudojami jonitoriai, gamina „Hyundai Motor“, „Trolza“, „Belkommunmash“ ir kai kurie kiti.

Šie autobusai savo struktūra yra panašūs į troleibusus be grotų ir jiems nereikia kontaktinio tinklo. Jie įkraunami stotelėse keleiviams išlipant ir įlipant arba maršruto galiniuose taškuose per 5-10 minučių.

Troleibusai su jonistoriais gali aplenkti nutrūkusias kontaktines linijas ir kamščius bei nereikalauja laidų depuose ir stovėjimo aikštelėse galiniuose maršruto taškuose.

Elektromobiliai

Pagrindinė elektromobilių problema – ilgas įkrovimo laikas. Ultrakondensatorius su didele įkrovimo srove ir trumpu įkrovimo laiku leidžia įkrauti trumpų sustojimų metu.

Rusijoje buvo sukurtas „Yo-mobile“, kuris kaip baterija naudoja specialiai sukurtą jonistorių.

Be to, lygiagrečiai su akumuliatoriumi sumontavus superkondensatorių, galima padidinti elektros variklio sunaudojamą srovę paleidimo ir greitėjimo metu. Ši sistema naudojama KERS, Formulės 1 automobiliuose.

Buitinė elektronika

Šie įrenginiai naudojami fotoblykstėse ir kituose įrenginiuose, kuriuose galimybė greitai įkrauti ir iškrauti yra svarbesnė nei įrenginio dydis ir svoris. Pavyzdžiui, vėžio detektorius įkraunamas per 2,5 minutės ir veikia 1 minutę. To pakanka norint atlikti tyrimus ir išvengti situacijų, kai įrenginys neveikia dėl išsikrovusių baterijų.

Automobilių parduotuvėse galite įsigyti 1 faradų talpos jonistorių, skirtų naudoti lygiagrečiai su automobilio radiju. Jie išlygina įtampos svyravimus variklio užvedimo metu.

DIY jonistorius

Jei norite, superkondensatorių galite pasigaminti savo rankomis. Toks prietaisas turės prastesnius parametrus ir tarnaus neilgai (kol elektrolitas išdžius), tačiau suteiks idėją apie tokių prietaisų veikimą apskritai.

Norėdami savo rankomis pasigaminti jonistorių, jums reikia:

vario arba aliuminio folija;
druskos;
aktyvuota anglis iš vaistinės;
vata;
lankstūs laidų laidai;
plastikinė dėžutė dėklui.

Ultrakondensatoriaus gamybos procedūra yra tokia:

supjaustykite du folijos gabalus, tokius didelius, kad jie tilptų ant dėžutės dugno;
prilituokite laidus prie folijos;
sudrėkinkite anglį vandeniu, sumalkite į miltelius ir išdžiovinkite;
paruošti 25% druskos tirpalą;
sumaišykite anglies miltelius su druskos tirpalu iki pastos;
sudrėkinkite vatą druskos tirpalu;
plonu, lygiu sluoksniu užtepkite pastą ant folijos;
padaryti „sumuštinį“: folija su anglimi į viršų, plonas vatos sluoksnis, folija su anglimi žemyn;
įdėkite konstrukciją į dėžę.

Leistina tokio įrenginio įtampa – 0,5 V. Ją viršijus prasideda elektrolizės procesas, jonistorius virsta dujų baterija.