O lingură de cărbune activat de la o farmacie, câteva picături de apă cu sare, o farfurie de tablă și un borcan de plastic cu film fotografic. Este suficient de făcut Ionistor DIY, un condensator electric a cărui capacitate este aproximativ egală cu capacitatea electrică ... a globului. Borcan de Leyden.
Este posibil ca unul dintre ziarele americane să fi scris despre tocmai un astfel de dispozitiv în 1777: „... Dr. Franklin a inventat o mașină de mărimea unei cutii de scobitori, capabilă să transforme Catedrala Sf. Paul din Londra într-o mână de cenușă. ” Cu toate acestea, primele lucruri mai întâi.
Omenirea folosește electricitatea de puțin peste două secole, dar fenomenele electrice sunt cunoscute oamenilor de mii de ani și nu au o semnificație practică de mult timp. Abia la începutul secolului al XVIII-lea, când știința a devenit un divertisment la modă, omul de știință german Otto von Guericke a creat o mașină „electroforică” special pentru efectuarea de experimente publice, cu ajutorul căreia a primit energie electrică în cantități nemaivăzute până acum.
Aparatul era alcătuit dintr-o minge de sticlă, de care se freca o bucată de piele în timp ce se învârtea. Efectul muncii ei a fost grozav: scântei trosneau, forțele electrice invizibile smulgeau șalurile doamnelor și făceau părul pe cap. Publicul a fost deosebit de surprins de capacitatea corpurilor de a acumula sarcini electrice.
În 1745, fizicianul olandez din Leiden Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) a turnat apă într-un borcan de sticlă, a pus înăuntru o bucată de sârmă, ca o floare într-o vază, și, strângând-o cu grijă cu palmele, a adus-o la aparat electrofor. Sticla a colectat atât de multă electricitate încât o scânteie strălucitoare a zburat din bucățică de sârmă cu un „vuiet asurzitor”. Data viitoare când omul de știință a atins firul cu degetul, a primit o lovitură din care și-a pierdut cunoștința; Dacă nu ar fi fost asistentul Kuneus, care a sosit la timp, problema s-ar fi putut termina cu tristețe.
Astfel, a fost creat un dispozitiv care ar putea acumula de milioane de ori mai multă încărcare decât orice corp cunoscut la acea vreme. Se numea „borcanul Leyden”. Era un fel de condensator, una dintre plăcile căruia erau palmele experimentatorului, dielectricul erau pereți de sticlă, iar a doua placă era apă.
Vestea invenției s-a răspândit în toată Europa iluminată. Borcanul din Leyden a fost folosit imediat pentru a-l educa pe regele francez Ludovic al XV-lea. Au început spectacolele. Într-unul dintre experimentele rămase în istorie, un curent electric a fost trecut printr-un lanț de paznici care se țineau de mână. Când a lovit descărcarea electrică, toți au sărit în sus ca unul singur, de parcă ar fi fost pe cale să mărșăluiască în aer. Într-un alt experiment, curentul a fost trecut printr-un lanț de 700 de călugări...
Experimentele cu borcanul Leyden în America au luat o direcție mai practică. În 1747, au fost începute de unul dintre fondatorii Statelor Unite, deja menționatul Benjamin Franklin. I-a venit ideea de a înveli borcanul în folie de tablă, iar capacitatea acestuia a crescut de multe ori, iar munca a devenit mai sigură. În experimente cu acesta, Franklin a demonstrat că o descărcare electrică poate genera căldură și poate ridica coloana de mercur într-un termometru. Și prin înlocuirea borcanului cu o placă de sticlă acoperită cu folie de tablă, Franklin a primit un condensator plat, de multe ori mai ușor decât chiar și borcanul Leyden pe care l-a îmbunătățit.
Istoria tace despre un dispozitiv capabil să stocheze atât de multă energie încât, după cum scria ziarul, ar putea fi folosit pentru a „transforma Catedrala Sf. Paul într-un morman de cenușă”, dar asta nu înseamnă că B. Franklin nu a putut să o creeze. .
Și aici este momentul să te întorci la cum să faci Ionistor DIY. Dacă v-ați aprovizionat cu tot ce aveți nevoie, coborâți placa de tablă pe fundul cutiei de film, după ce lipiți o bucată de sârmă izolată pe aceasta. Puneți deasupra un tampon de hârtie de filtru, turnați pe el un strat de cărbune activ și, după ce turnați apă cu sare, acoperiți „sandvișul” cu un alt electrod.
Diagrama de funcționare a ionistorului.
Ai un condensator electrochimic - ionistor. Este interesant pentru că în porii particulelor de cărbune activ apare un așa-numit strat dublu electric - două straturi de sarcini electrice de semne diferite situate aproape una de alta, adică un fel de condensator electrochimic. Distanța dintre straturi este calculată în angstrom (1 angstrom - 10-9 m). Și capacitatea unui condensator, după cum se știe, cu atât mai mare este mai mică distanța dintre plăci.
Datorită acestui fapt, rezerva de energie pe unitatea de volum din stratul dublu este mai mare decât cea a celui mai puternic exploziv. Acest Borcan de Leyden!
Ionistorul funcționează după cum urmează. În absența tensiunii externe, capacitatea sa este neglijabilă. Dar sub influența tensiunii aplicate polilor condensatorului, straturile adiacente de cărbune sunt încărcate. Ionii de semn opus din soluție se grăbesc către particulele de cărbune și formează un strat electric dublu pe suprafața lor.
Condensator electrochimic industrial (ionistor). Carcasa metalică de mărimea unui buton adăpostește două straturi de cărbune activ, separate printr-un distanțier poros.
Schema cum se face Ionistor DIY.
Diagrama unui ionistor de casă realizat dintr-un borcan de plastic și cărbune activ:
1 - electrod superior;
2 - fire de conectare;
3,5 - straturi de cărbune activ umed;
4 - garnitură de separare poroasă;
6 - electrod inferior;
7 - corp.
Dacă o sarcină este conectată la polii condensatorului, atunci sarcini opuse de pe suprafața interioară a particulelor de cărbune vor rula de-a lungul firelor una spre cealaltă, iar ionii aflați în porii lor vor ieși.
Asta e tot. acum înțelegi cum să faci Ionistor DIY.
Ionistorii moderni au o capacitate de zeci și sute de farazi. Când sunt descărcate, sunt capabile să dezvolte o putere mare și sunt foarte durabile. În ceea ce privește rezerva de energie pe unitate de masă și unitate de volum, ionistorii sunt încă inferiori bateriilor. Dar dacă înlocuiți cărbunele activ cu cele mai subțiri nanotuburi de carbon sau altă substanță conductoare de electricitate, intensitatea energetică a ionistorului poate deveni fantastic de mare.
Benjamin Franklin a trăit într-o perioadă în care nanotehnologia nici nu era gândită, dar asta nu înseamnă că nu a fost folosită. După cum a raportat Robert Curie, câștigătorul Premiului Nobel pentru chimie, când fabricau lame din oțel Damasc, meșterii antici, fără să știe, foloseau metode nanotehnologiei. Oțelul damasc antic a rămas întotdeauna ascuțit și durabil datorită compoziției speciale a carbonului din structura metalică.
Un fel de nanomateriale, cum ar fi tulpinile de plante carbonizate care conțin nanotuburi, ar putea fi folosite de Franklin pentru a crea un supercondensator. Câți dintre voi înțelegeți ce este? Borcan de Leyden, și cine va încerca să o facă?
Ionistorii sunt dispozitive electrochimice concepute pentru a stoca energie electrică. Se caracterizează printr-o rată mare de încărcare-descărcare (de până la câteva zeci de mii de ori), au o durată de viață foarte lungă, spre deosebire de alte baterii (baterii reîncărcabile și celule galvanice), curent de scurgere scăzut și, cel mai important, ionistorii pot avea o capacitate mare și dimensiuni foarte mici. Ionistorii sunt utilizați pe scară largă în computerele personale, radiourile auto, dispozitivele mobile și așa mai departe. Proiectat pentru a stoca memorie atunci când bateria principală este scoasă sau dispozitivul este oprit. Recent, ionistorii au fost adesea folosiți în sistemele de alimentare autonome care utilizează baterii solare.
De asemenea, ionistorii stochează o încărcare foarte mult timp, indiferent de condițiile meteorologice, sunt rezistenți la îngheț și căldură, iar acest lucru nu va afecta în niciun fel funcționarea dispozitivului. În unele circuite electronice, pentru a stoca memorie, trebuie să aveți o tensiune mai mare decât tensiunea ionistorului; pentru a rezolva această problemă, ionistorii sunt conectați în serie și pentru a crește capacitatea ionistorului, sunt conectați în paralel. Ultimul tip de conexiune este utilizat în principal pentru a crește timpul de funcționare al ionistorului, precum și pentru a crește curentul furnizat sarcinii; pentru a echilibra curentul într-o conexiune paralelă, un rezistor este conectat la fiecare ionistor.
Ionistorii sunt adesea folosiți cu baterii și, spre deosebire de aceștia, nu se tem de scurtcircuite și schimbări bruște ale temperaturii ambientale. Deja astăzi se dezvoltă ionistori speciali cu o capacitate mare și un curent de până la 1 amper. După cum se știe, curentul ionistorilor care sunt utilizați astăzi în tehnologia de stocare a memoriei nu depășește 100 de miliamperi, acesta este unul și cel mai mare. dezavantaj important al ionistorilor, dar acest cant este compensat de avantajele enumerate mai sus ale ionistorilor. Pe Internet puteți găsi multe modele bazate pe așa-numitele supercondensatori - sunt și ionistori. Ionistorii au apărut destul de recent - acum 20 de ani.
Potrivit oamenilor de știință, capacitatea electrică a planetei noastre este de 700 de microfaradi, comparativ cu un simplu condensator... Ionistorii sunt fabricați în principal din cărbune, care, după activare și tratament special, devine poros; două plăci metalice sunt presate strâns pe compartimentul cu cărbunele. Realizarea unui ionistor acasă este foarte simplă, dar obținerea de carbon poros este aproape imposibilă; trebuie să procesați cărbunele acasă, iar acest lucru este oarecum problematic, deci este mai ușor să cumpărați un ionistor și să efectuați experimente interesante pe el. De exemplu, parametrii (putere și tensiune) ai unui ionistor sunt suficienți pentru ca LED-ul să se aprindă puternic și pentru o lungă perioadă de timp sau să funcționeze
Un supercondensator sau un ionistor este un dispozitiv pentru stocarea maselor de energie; acumularea de sarcină are loc la limita dintre electrod și electrolit. Volumul de energie utilă este stocat ca o sarcină de tip static. Procesul de acumulare se reduce la interacțiunea cu o tensiune constantă atunci când ionistorul primește o diferență de potențial peste plăcile sale. Implementarea tehnologică, precum și însăși ideea de a crea astfel de dispozitive, au apărut relativ recent, dar au reușit să primească o utilizare experimentală pentru a rezolva un anumit număr de probleme. Piesa poate înlocui sursele de curent de origine chimică, fiind o rezervă sau principalul mijloc de alimentare cu energie în ceasuri, calculatoare și diverse microcircuite.
Designul elementar al unui condensator constă dintr-o placă, al cărei material este folie, delimitată de o substanță de separare uscată. Ionistorul este format dintr-un număr de condensatori cu un încărcător de tip electrochimic. Pentru producerea acestuia se folosesc electroliți speciali. Acoperirile pot fi de mai multe soiuri. Cărbunele activat este utilizat pentru fabricarea de căptușeli la scară largă. De asemenea, pot fi utilizați oxizi metalici și materiale polimerice cu conductivitate ridicată. Pentru a obține densitatea capacitivă necesară, se recomandă utilizarea materialelor de carbon foarte poroase. În plus, această abordare vă permite să faceți un ionistor la un cost impresionant de scăzut. Astfel de piese aparțin categoriei condensatoarelor DLC, care acumulează sarcina într-un compartiment dublu format pe placă.
Soluția de proiectare, atunci când ionistorul este combinat cu o bază de electrolit de apă, se caracterizează prin rezistența scăzută a elementelor interne, în timp ce tensiunea de încărcare este limitată la 1 V. Utilizarea conductorilor organici garantează niveluri de tensiune de aproximativ 2...3 V și rezistență crescută.
Circuitele electronice funcționează cu cerințe mai mari de energie. Soluția la această problemă este creșterea numărului de puncte de alimentare utilizate. Ionistorul este instalat nu doar unul, ci într-o cantitate de 3-4 bucăți, oferind cantitatea necesară de încărcare.
În comparație cu o baterie nichel-hidrură metalică, ionistorul este capabil să conțină o zecime din rezerva de energie, în timp ce tensiunea sa scade liniar, excluzând zonele de descărcare plană. Acești factori afectează capacitatea de a reține complet sarcina în ionistor. Nivelul de încărcare depinde direct de scopul tehnologic al elementului.
Destul de des, un ionistor este folosit pentru alimentarea cipurilor de memorie și este inclus în circuitele de filtrare și filtrele de netezire. Ele pot fi, de asemenea, combinate cu baterii de diferite tipuri pentru a combate consecințele creșterilor bruște de curent: atunci când este furnizat un curent scăzut, ionistorul este reîncărcat, altfel eliberează o parte din energie, reducând astfel sarcina totală.
Oamenii au folosit mai întâi condensatori pentru a stoca electricitate. Apoi, când ingineria electrică a depășit experimentele de laborator, au fost inventate bateriile, care au devenit principalul mijloc de stocare a energiei electrice. Dar, la începutul secolului al XXI-lea, se propune din nou utilizarea condensatoarelor pentru alimentarea echipamentelor electrice. Cât de posibil este acest lucru și vor deveni în sfârșit un lucru din trecut?
Motivul pentru care condensatorii au fost înlocuiți cu baterii s-a datorat cantităților semnificativ mai mari de energie electrică pe care sunt capabili să le stocheze. Un alt motiv este că în timpul descărcării tensiunea la ieșirea bateriei se modifică foarte puțin, astfel încât un stabilizator de tensiune fie nu este necesar, fie poate avea un design foarte simplu.
Principala diferență dintre condensatori și baterii este că condensatoarele stochează direct sarcina electrică, în timp ce bateriile convertesc energia electrică în energie chimică, o stochează și apoi convertesc energia chimică înapoi în energie electrică.
În timpul transformărilor energetice, o parte din ea se pierde. Prin urmare, chiar și cele mai bune baterii au o eficiență de cel mult 90%, în timp ce la condensatoare poate ajunge la 99%. Intensitatea reacțiilor chimice depinde de temperatură, astfel încât bateriile funcționează considerabil mai rău pe vreme rece decât la temperatura camerei. În plus, reacțiile chimice din baterii nu sunt complet reversibile. De aici și numărul mic de cicluri de încărcare-descărcare (de ordinul a miilor, cel mai adesea durata de viață a bateriei este de aproximativ 1000 de cicluri de încărcare-descărcare), precum și „efectul de memorie”. Să ne amintim că „efectul de memorie” este că bateria trebuie să fie întotdeauna descărcată la o anumită cantitate de energie acumulată, atunci capacitatea sa va fi maximă. Dacă, după descărcare, rămâne mai multă energie în el, atunci capacitatea bateriei va scădea treptat. „Efectul de memorie” este caracteristic pentru aproape toate tipurile de baterii produse comercial, cu excepția celor acide (inclusiv soiurile lor - gel și AGM). Deși este în general acceptat că bateriile litiu-ion și litiu-polimer nu o au, de fapt o au și ele, pur și simplu se manifestă într-o măsură mai mică decât la alte tipuri. În ceea ce privește bateriile cu acid, acestea prezintă efectul sulfatării plăcii, care provoacă daune ireversibile sursei de alimentare. Unul dintre motive este că bateria rămâne într-o stare de încărcare mai mică de 50% pentru o perioadă lungă de timp.
În ceea ce privește energia alternativă, „efectul de memorie” și sulfatarea plăcii sunt probleme serioase. Cert este că aprovizionarea cu energie din surse precum panourile solare și turbinele eoliene este greu de prevăzut. Ca urmare, încărcarea și descărcarea bateriilor are loc haotic, într-un mod non-optim.
Pentru ritmul modern al vieții, se dovedește a fi absolut inacceptabil ca bateriile să fie încărcate timp de câteva ore. De exemplu, cum vă imaginați că conduceți o distanță lungă într-un vehicul electric dacă o baterie descărcată vă ține blocat la punctul de încărcare timp de câteva ore? Viteza de încărcare a unei baterii este limitată de viteza proceselor chimice care au loc în aceasta. Puteți reduce timpul de încărcare la 1 oră, dar nu la câteva minute. În același timp, rata de încărcare a condensatorului este limitată doar de curentul maxim furnizat de încărcător.
Dezavantajele enumerate ale bateriilor au făcut să fie urgentă utilizarea condensatoarelor.
Folosind un strat dublu electric
Timp de multe decenii, condensatoarele electrolitice au avut cea mai mare capacitate. În ele, una dintre plăci era folie metalică, cealaltă era un electrolit, iar izolația dintre plăci era oxid metalic, care a acoperit folia. Pentru condensatoarele electrolitice, capacitatea poate ajunge la sutimi de farad, ceea ce nu este suficient pentru a înlocui complet bateria.
Comparația modelelor diferitelor tipuri de condensatoare (Sursa: Wikipedia)
Capacitatea mare, măsurată în mii de faradi, poate fi obținută prin condensatoare bazate pe așa-numitul strat dublu electric. Principiul funcționării lor este următorul. Un strat dublu electric apare in anumite conditii la interfata substantelor in faza solida si lichida. Se formează două straturi de ioni cu sarcini de semne opuse, dar de aceeași mărime. Dacă simplificăm foarte mult situația, atunci se formează un condensator, ale cărui „plăci” sunt straturile indicate de ioni, distanța dintre care este egală cu mai mulți atomi.
Supercondensatoare de diferite capacități produse de Maxwell
Condensatorii bazați pe acest efect sunt uneori numiți ionistori. De fapt, acest termen nu se referă numai la condensatoarele în care este stocată sarcina electrică, ci și la alte dispozitive pentru stocarea energiei electrice - cu conversia parțială a energiei electrice în energie chimică împreună cu stocarea sarcinii electrice (ionistor hibrid), precum și pentru baterii pe bază de dublu strat electric (așa-numitele pseudocondensatoare). Prin urmare, termenul „supercondensatori” este mai potrivit. Uneori se folosește în schimb termenul identic „ultracondensator”.
Implementare tehnica
Supercondensatorul este format din două plăci de cărbune activ umplute cu electrolit. Între ele există o membrană care permite trecerea electrolitului, dar împiedică mișcarea fizică a particulelor de cărbune activ între plăci.
Trebuie remarcat faptul că supercondensatorii în sine nu au polaritate. Prin aceasta, ele diferă fundamental de condensatoarele electrolitice, care, de regulă, sunt caracterizate prin polaritate, nerespectarea acesteia duce la defectarea condensatorului. Cu toate acestea, polaritatea se aplică și supercondensatorilor. Acest lucru se datorează faptului că supercondensatorii părăsesc linia de asamblare din fabrică deja încărcată, iar marcajul indică polaritatea acestei încărcări.
Parametrii supercapacitorului
Capacitatea maximă a unui supercondensator individual, atinsă la momentul scrierii, este de 12.000 F. Pentru supercondensatoarele produse în masă, aceasta nu depășește 3.000 F. Tensiunea maximă admisă între plăci nu depășește 10 V. Pentru supercondensatoarele produse comercial, această cifră, de regulă, este cuprinsă între 2, 3 – 2,7 V. Tensiunea scăzută de funcționare necesită utilizarea unui convertor de tensiune cu funcție de stabilizator. Faptul este că în timpul descărcării, tensiunea de pe plăcile condensatorului se modifică într-o gamă largă. Construirea unui convertor de tensiune pentru a conecta sarcina și încărcătorul este o sarcină non-trivială. Să presupunem că trebuie să alimentați o sarcină de 60 W.
Pentru a simplifica luarea în considerare a problemei, vom neglija pierderile în convertorul de tensiune și stabilizatorul. Dacă lucrați cu o baterie obișnuită de 12 V, atunci electronica de control trebuie să poată rezista la un curent de 5 A. Astfel de dispozitive electronice sunt răspândite și ieftine. Dar o situație complet diferită apare atunci când se folosește un supercondensator, a cărui tensiune este de 2,5 V. Apoi, curentul care curge prin componentele electronice ale convertorului poate ajunge la 24 A, ceea ce necesită noi abordări ale tehnologiei circuitelor și o bază modernă a elementelor. Tocmai complexitatea construirii unui convertor și stabilizator poate explica faptul că supercondensatorii, a căror producție în serie a început în anii 70 ai secolului XX, abia acum au început să fie utilizați pe scară largă într-o varietate de domenii.
Schema schematică a unei surse de alimentare neîntreruptibile
tensiune pe supercondensatoare, componentele principale sunt implementate
pe un microcircuit produs de LinearTechnology
Supercondensatorii pot fi conectați la baterii folosind conexiuni în serie sau paralele. În primul caz, tensiunea maximă admisă crește. În al doilea caz - capacitatea. Creșterea tensiunii maxime admise în acest fel este o modalitate de a rezolva problema, dar va trebui să plătiți pentru aceasta prin reducerea capacității.
Dimensiunile supercondensatoarelor depind în mod natural de capacitatea lor. Un supercondensator tipic cu o capacitate de 3000 F este un cilindru cu un diametru de aproximativ 5 cm și o lungime de 14 cm. Cu o capacitate de 10 F, un supercondensator are dimensiuni comparabile cu o unghie umană.
Supercondensatorii buni pot rezista la sute de mii de cicluri de încărcare-descărcare, depășind bateriile de aproximativ 100 de ori în acest parametru. Dar, ca și condensatorii electrolitici, supercondensatorii se confruntă cu problema îmbătrânirii din cauza scurgerii treptate a electrolitului. Până în prezent, nu s-au acumulat statistici complete cu privire la defecțiunea supercondensatorilor din acest motiv, dar conform datelor indirecte, durata de viață a supercondensatorilor poate fi estimată la aproximativ 15 ani.
Energia acumulată
Cantitatea de energie stocată într-un condensator, exprimată în jouli:
E = CU 2/2,
unde C este capacitatea, exprimată în faradi, U este tensiunea de pe plăci, exprimată în volți.
Cantitatea de energie stocată în condensator, exprimată în kWh, este:
W = CU 2 /7200000
Prin urmare, un condensator cu o capacitate de 3000 F cu o tensiune între plăci de 2,5 V este capabil să stocheze doar 0,0026 kWh. Cum se compară asta cu, de exemplu, o baterie litiu-ion? Dacă considerăm că tensiunea de ieșire este independentă de gradul de descărcare și egală cu 3,6 V, atunci o cantitate de energie de 0,0026 kWh va fi stocată într-o baterie litiu-ion cu o capacitate de 0,72 Ah. Din păcate, un rezultat foarte modest.
Aplicarea supercondensatorilor
Sistemele de iluminat de urgență sunt acolo unde utilizarea supercondensatoarelor în loc de baterii face o diferență reală. De fapt, tocmai această aplicație se caracterizează prin descărcare neuniformă. În plus, este de dorit ca lampa de urgență să fie încărcată rapid și ca sursa de alimentare de rezervă utilizată în ea să aibă o fiabilitate mai mare. O sursă de alimentare de rezervă bazată pe supercondensator poate fi integrată direct în lampa LED T8. Astfel de lămpi sunt deja produse de o serie de companii chineze.
Lumină de sol cu LED alimentată
din panouri solare, stocare energie
în care se realizează într-un supercondensator
După cum sa menționat deja, dezvoltarea supercondensatorilor se datorează în mare parte interesului față de sursele alternative de energie. Dar aplicarea practică este încă limitată la lămpile LED care primesc energie de la soare.
Utilizarea supercondensatorilor pentru pornirea echipamentelor electrice se dezvoltă activ.
Supercondensatorii sunt capabili să furnizeze cantități mari de energie într-o perioadă scurtă de timp. Prin alimentarea echipamentelor electrice la pornire de la un supercondensator, sarcinile de vârf pe rețeaua de energie pot fi reduse și, în cele din urmă, marja curentului de pornire poate fi redusă, realizând economii uriașe de costuri.
Prin combinarea mai multor supercondensatori într-o baterie, putem obține o capacitate comparabilă cu bateriile utilizate în vehiculele electrice. Dar această baterie va cântări de câteva ori mai mult decât bateria, ceea ce este inacceptabil pentru vehicule. Problema poate fi rezolvată folosind supercondensatori pe bază de grafen, dar în prezent există doar ca prototipuri. Cu toate acestea, o versiune promițătoare a celebrului Yo-mobile, alimentată doar de electricitate, va folosi ca sursă de energie supercondensatori de nouă generație, care sunt dezvoltați de oamenii de știință ruși.
Supercondensatorii vor beneficia și de înlocuirea bateriilor în vehiculele convenționale pe benzină sau diesel - utilizarea lor în astfel de vehicule este deja o realitate.
Între timp, cele mai de succes dintre proiectele implementate de introducere a supercondensatorilor pot fi considerate noile troleibuze de fabricație rusă care au apărut recent pe străzile Moscovei. Când alimentarea cu tensiune a rețelei de contact este întreruptă sau când colectoarele de curent „zboară”, troleibuzul poate călători cu o viteză mică (aproximativ 15 km/h) câteva sute de metri până la un loc în care nu va interfera cu traficul. pe drum. Sursa de energie pentru astfel de manevre este o baterie de supercondensatoare.
În general, deocamdată supercondensatorii pot înlocui bateriile doar în anumite „nișe”. Dar tehnologia se dezvoltă rapid, ceea ce ne permite să ne așteptăm că, în viitorul apropiat, domeniul de aplicare al supercondensatorilor se va extinde semnificativ.
Un ionistor este un condensator ale cărui plăci sunt un strat electric dublu între electrod și electrolit. Un alt nume pentru acest dispozitiv este supercondensator, ultracapacitor, condensator electrochimic cu două straturi sau ionix. Are o capacitate mare, ceea ce îi permite să fie folosit ca sursă de curent.
Dispozitiv cu supercondensator
Principiul de funcționare al unui ionistor este similar cu un condensator convențional, dar aceste dispozitive diferă în ceea ce privește materialele utilizate. Materialele poroase sunt folosite ca căptușeli în astfel de elemente - cărbune activ, care este un bun conductor, sau metale spumate. Acest lucru face posibilă creșterea zonei lor de mai multe ori și, deoarece capacitatea condensatorului este direct proporțională cu aria electrozilor, crește în aceeași măsură. În plus, un electrolit este folosit ca dielectric, ca în condensatoarele electrolitice, ceea ce reduce distanța dintre plăci și crește capacitatea. Cei mai comuni parametri sunt câțiva faradi la o tensiune de 5-10V.
Tipuri de ionistori
Există mai multe tipuri de astfel de dispozitive:
- Cu electrozi de carbon activ perfect polarizabili. Reacțiile electrochimice nu apar în astfel de elemente. Ca electrolit se folosesc soluții apoase de hidroxid de sodiu (30% KOH), acid sulfuric (38% H2SO4) sau electroliți organici;
- Un electrod de cărbune activ perfect polarizabil este folosit ca o singură placă. Al doilea electrod este slab sau nepolarizabil (anod sau catod, în funcție de proiect);
- Pseudocondensatori. În aceste dispozitive, pe suprafața plăcilor apar reacții electrochimice reversibile. Au o capacitate mare.
Avantajele și dezavantajele ionistorilor
Astfel de dispozitive sunt folosite în locul bateriilor sau acumulatorilor. În comparație cu acestea, astfel de elemente au avantaje și dezavantaje.
Dezavantajele supercondensatoarelor:
- curent de descărcare scăzut în elementele comune, iar modelele fără acest dezavantaj sunt foarte scumpe;
- tensiunea la ieșirea dispozitivului scade în timpul descărcării;
- în cazul unui scurtcircuit în elemente de mare capacitate cu rezistență internă scăzută, contactele se ard;
- tensiune și rata de descărcare permise reduse în comparație cu condensatoarele convenționale;
- curent de autodescărcare mai mare decât în baterii.
Avantajele ultracondensatorilor:
- viteză, curent de încărcare și descărcare mai mare decât la baterii;
- durabilitate - la testare după 100.000 de cicluri de încărcare/descărcare, nu s-a observat nicio deteriorare a parametrilor;
- rezistență internă ridicată în majoritatea modelelor, prevenind autodescărcarea și defecțiunea în timpul unui scurtcircuit;
- durată lungă de viață;
- mai puțin volum și greutate;
- bipolaritate - producătorul marchează „+” și „-“, dar aceasta este polaritatea sarcinii aplicate în timpul testelor de producție;
- gamă largă de temperaturi de funcționare și rezistență la suprasarcini mecanice.
Densitatea energiei
Capacitatea de a stoca energie în supercondensatoare este de 8 ori mai mică decât cea a bateriilor cu plumb și de 25 de ori mai mică decât a bateriilor cu litiu. Densitatea de energie depinde de rezistența internă: cu cât este mai mică, cu atât este mai mare capacitatea energetică specifică a dispozitivului. Evoluțiile recente ale oamenilor de știință fac posibilă crearea unor elemente a căror capacitate de a stoca energie este comparabilă cu bateriile cu plumb.
În 2008, în India a fost creat un ionistor, în care plăcile erau făcute din grafen. Intensitatea energetică a acestui element este de 32 (Wh)/kg. Spre comparație, capacitatea energetică a bateriilor auto este de 30-40 (Wh)/kg. Încărcarea accelerată a acestor dispozitive le permite să fie utilizate în vehicule electrice.
În 2011, designerii coreeni au creat un dispozitiv în care, pe lângă grafen, se folosea azot. Acest element a furnizat dublul intensității energetice specifice.
Referinţă. Grafenul este un strat de carbon, grosime de 1 atom.
Aplicarea ionistorilor
Proprietățile electrice ale supercondensatorilor sunt utilizate în diferite domenii ale tehnologiei.
Transport public
Autobuzele electrice, care folosesc ionistori în loc de baterii, sunt produse de Hyundai Motor, Trolza, Belkommunmash și alții.
Aceste autobuze sunt similare structural cu troleibuzele fără bare și nu necesită o rețea de contact. Se reincarca la opriri in timpul debarcarii si imbarcarii pasagerilor sau la punctele de capat ale traseului in 5-10 minute.
Troleibuzele echipate cu ionistori sunt capabile să ocolească liniile de contact întrerupte și ambuteiajele și nu necesită fire în depozite și parcări la punctele de capăt ale traseului.
Mașini electrice
Principala problemă a vehiculelor electrice este timpul lung de încărcare. Un ultracondensator cu un curent de încărcare mare și un timp scurt de încărcare permite reîncărcarea în timpul opririlor scurte.
În Rusia, a fost dezvoltat un Yo-mobile care folosește ca baterie un ionistor special creat.
În plus, instalarea unui supercondensator în paralel cu bateria vă permite să creșteți curentul consumat de motorul electric în timpul pornirii și accelerației. Acest sistem este folosit în KERS, în mașinile de Formula 1.
Electronice de consum
Aceste dispozitive sunt folosite în blitz-uri și alte dispozitive în care capacitatea de a încărca și descărca rapid este mai importantă decât dimensiunea și greutatea dispozitivului. De exemplu, detectorul de cancer se încarcă în 2,5 minute și funcționează timp de 1 minut. Acest lucru este suficient pentru a efectua cercetări și a preveni situațiile în care dispozitivul este inoperabil din cauza bateriilor descărcate.
In magazinele auto poti achizitiona ionistori cu o capacitate de 1 farad pentru utilizare in paralel cu radioul auto. Ele netezesc fluctuațiile de tensiune în timpul pornirii motorului.
Ionistor DIY
Dacă doriți, puteți face un supercondensator cu propriile mâini. Un astfel de dispozitiv va avea parametri mai răi și nu va dura mult timp (până când electrolitul se usucă), dar va da o idee despre funcționarea unor astfel de dispozitive în general.
Pentru a face un ionistor cu propriile mâini, aveți nevoie de:
- folie de cupru sau aluminiu;
- sare;
- cărbune activ de la o farmacie;
- lână de bumbac;
- fire flexibile pentru cabluri;
- cutie de plastic pentru carcasă.
Procedura de fabricație pentru un ultracondensator este următoarea:
- tăiați două bucăți de folie atât de mari încât să încapă pe fundul cutiei;
- lipiți firele pe folie;
- umeziți cărbunele cu apă, măcinați în pulbere și uscați;
- preparați o soluție de sare 25%;
- amestecați pulberea de cărbune cu soluție salină până la o pastă;
- umeziți vata cu soluție de sare;
- aplica pasta intr-un strat subtire, uniform pe folie;
- faceți un „sandviș”: folie cu cărbune în sus, un strat subțire de vată, folie cu cărbune în jos;
- puneți structura în cutie.
Tensiunea admisă a unui astfel de dispozitiv este de 0,5 V. Când este depășită, începe procesul de electroliză, iar ionistorul se transformă într-o baterie cu gaz.
Interesant. Dacă asamblați mai multe astfel de structuri, tensiunea de funcționare va crește, dar capacitatea va scădea.
Ionistorii sunt dispozitive electrice promițătoare care, datorită ratelor lor ridicate de încărcare și descărcare, pot înlocui bateriile convenționale.
Video