Kondenzátor namiesto batérie: technické riešenie. Domáci ionistor - vyrábame superkondenzátor vlastnými rukami Ako si vyrobiť ionistorový superkondenzátor doma

Polievková lyžica aktívneho uhlia z lekárne, pár kvapiek osolenej vody, pocínovaný tanier a plastový téglik s fotografickým filmom. Stačí urobiť DIY ionistor, elektrický kondenzátor, ktorého kapacita je približne rovnaká ako elektrická kapacita ... zemegule. Leydenská nádoba.

Je možné, že jeden z amerických novín v roku 1777 napísal práve o takomto zariadení: „... Dr. Franklin vynašiel stroj veľkosti puzdra na špáradlo, ktorý je schopný premeniť londýnsku katedrálu sv. Pavla na hrsť popola. “ Najprv však.

Ľudstvo využíva elektrinu niečo vyše dvoch storočí, no elektrické javy sú ľuďom známe už tisícky rokov a už dávno nemajú praktický význam. Až začiatkom 18. storočia, keď sa veda stala módnou zábavou, vytvoril nemecký vedec Otto von Guericke „elektroforický“ stroj špeciálne na vykonávanie verejných experimentov, pomocou ktorého získaval elektrinu v dovtedy neslýchaných množstvách.

Stroj pozostával zo sklenenej gule, o ktorú sa pri otáčaní obtieral kúsok kože. Účinok jej práce bol skvelý: iskry praskali, neviditeľné elektrické sily strhávali dámske šatky a vstávali vlasy dupkom. Verejnosť prekvapila najmä schopnosť tiel akumulovať elektrické náboje.

V roku 1745 holandský fyzik z Leidenu Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) nalial vodu do sklenenej nádoby, vložil do nej kúsok drôtu ako kvet vo váze a opatrne ho zovrel dlaňami a priniesol do elektroforový stroj. Fľaša nazbierala toľko elektriny, že z kusu drôtu vyletela jasná iskra s „ohlušujúcim revom“. Keď sa vedec nabudúce dotkol drôtu prstom, dostal úder, pri ktorom stratil vedomie; Nebyť asistenta Kuneusa, ktorý prišiel včas, záležitosť sa mohla skončiť smutne.

Vzniklo tak zariadenie, ktoré dokázalo akumulovať miliónkrát viac náboja, než ktorékoľvek vtedy známe teleso. Volalo sa to „Leydenská nádoba“. Bol to druh kondenzátora, ktorého jedna z dosiek bola dlaňami experimentátora, dielektrikom boli sklenené steny a druhou doskou bola voda.

Správa o vynáleze sa rozšírila po celej osvietenej Európe. Leydenská nádoba bola okamžite použitá na vzdelanie francúzskeho kráľa Ľudovíta XV. Začali sa predstavenia. Pri jednom z experimentov, ktoré sa zapísali do histórie, prešiel elektrický prúd reťazou strážcov, ktorí sa držali za ruky. Keď zasiahol elektrický výboj, všetci vyskočili ako jeden, akoby sa chystali pochodovať vo vzduchu. V inom experimente prešiel prúd cez reťaz 700 mníchov...

Experimenty s Leydenskou nádobou v Amerike nabrali praktickejší smer. V roku 1747 ich začal jeden zo zakladateľov USA, už spomínaný Benjamin Franklin. Prišiel s nápadom zabaliť nádobu do alobalu a jej kapacita sa mnohonásobne zvýšila a práca sa stala bezpečnejšou. Pri pokusoch s ním Franklin dokázal, že elektrický výboj môže vytvárať teplo a zvyšovať ortuťový stĺpec v teplomere. A nahradením nádoby sklenenou doskou pokrytou cínovou fóliou dostal Franklin plochý kondenzátor, mnohokrát ľahší ako dokonca aj Leydenská nádoba, ktorú vylepšil.

História mlčí o zariadení schopnom uchovať toľko energie, že, ako napísali noviny, by sa dalo použiť na „premenu Katedrály sv. Pavla na hromadu popola“, ale to neznamená, že by ho B. Franklin nedokázal vytvoriť .

A tu je čas vrátiť sa k tomu, ako to urobiť DIY ionistor. Ak máte na sklade všetko, čo potrebujete, po prispájkovaní kúska izolovaného drôtu spustite cínový plech na spodok plechovky. Na vrch položte podložku z filtračného papiera, nasypte na ňu vrstvu aktívneho uhlia a po naliatí slanou vodou prikryte váš „chlebíček“ ďalšou elektródou.

Schéma činnosti ionizátora.

Máte elektrochemický kondenzátor - ionistor. Je zaujímavé, že v póroch častíc aktívneho uhlia sa objavuje takzvaná dvojitá elektrická vrstva - dve vrstvy elektrických nábojov rôznych znakov umiestnené blízko seba, to znamená akýsi elektrochemický kondenzátor. Vzdialenosť medzi vrstvami sa počíta v angstromoch (1 angstrom - 10-9 m). A kapacita kondenzátora, ako je známe, čím väčšia, tým menšia je vzdialenosť medzi doskami.

Vďaka tomu je energetická rezerva na jednotku objemu v dvojitej vrstve väčšia ako pri najsilnejšej výbušnine. Toto Leydenská nádoba!

Ionistor funguje nasledovne. Pri absencii externého napätia je jeho kapacita zanedbateľná. Ale pod vplyvom napätia aplikovaného na póly kondenzátora sa nabijú susedné vrstvy uhlia. Ióny opačného znamienka v roztoku sa ponáhľajú k časticiam uhlia a vytvárajú na ich povrchu dvojitú elektrickú vrstvu.

Priemyselný elektrochemický kondenzátor (ionistor). Kovové puzdro veľkosti gombíka obsahuje dve vrstvy aktívneho uhlia oddelené poréznym tesnením.

Schéma ako na to DIY ionistor.

Schéma domáceho ionistora vyrobeného z plastovej nádoby a aktívneho uhlia:

1 - horná elektróda;

2 - spojovacie vodiče;

3,5 - vrstvy mokrého aktívneho uhlia;

4 - porézne separačné tesnenie;

6 - spodná elektróda;

7 - telo.

Ak je k pólom kondenzátora pripojená záťaž, opačné náboje z vnútorného povrchu častíc uhlia budú prebiehať pozdĺž drôtov smerom k sebe a ióny umiestnené v ich póroch budú vychádzať.

To je všetko. teraz chápete, ako to urobiť DIY ionistor.

Moderné ionistory majú kapacitu desiatok a stoviek farád. Po vybití sú schopné vyvinúť veľkú silu a sú veľmi odolné. Pokiaľ ide o rezervu energie na jednotku hmotnosti a jednotku objemu, ionistory sú stále horšie ako batérie. Ale ak nahradíte aktívne uhlie najtenšími uhlíkovými nanorúrkami alebo inou elektricky vodivou látkou, energetická náročnosť ionistora môže byť fantasticky veľká.

Benjamin Franklin žil v dobe, kedy sa o nanotechnológii ani len neuvažovalo, to však neznamená, že sa nepoužívala. Ako uviedol nositeľ Nobelovej ceny za chémiu Robert Curie, pri výrobe čepelí z damaškovej ocele starí remeselníci, bez toho, aby o tom vedeli, používali nanotechnológie. Starodávna damašková oceľ zostala vždy ostrá a odolná vďaka špeciálnemu zloženiu uhlíka v kovovej konštrukcii.

Niektoré druhy nanomateriálov, ako napríklad zuhoľnatené stonky rastlín obsahujúce nanorúrky, by mohol použiť Franklin na vytvorenie superkondenzátora. Koľkí z vás chápu, čo to je? Leydenská nádoba a kto sa o to pokúsi?

Ionistory sú elektrochemické zariadenia určené na uchovávanie elektrickej energie. Vyznačujú sa veľkou rýchlosťou nabitia a vybitia (až niekoľko desiatok tisíckrát), majú veľmi dlhú životnosť na rozdiel od iných batérií (dobíjacie batérie a galvanické články), nízky zvodový prúd a čo je najdôležitejšie, ionistory môžu mať veľká kapacita a veľmi malé rozmery. Ionistory sú široko používané v osobných počítačoch, autorádiách, mobilných zariadeniach atď. Navrhnuté na ukladanie pamäte pri vybratí hlavnej batérie alebo vypnutí zariadenia. V poslednej dobe sa ionistory často používajú v autonómnych systémoch napájania pomocou solárnych batérií.

Ionistory tiež uchovávajú náboj veľmi dlho, bez ohľadu na poveternostné podmienky, sú odolné voči mrazu a teplu a to nijako neovplyvní chod zariadenia. V niektorých elektronických obvodoch na uloženie pamäte potrebujete mať napätie, ktoré je vyššie ako napätie ionistora; na vyriešenie tohto problému sú ionistory zapojené do série a na zvýšenie kapacity ionistora sú zapojené do paralelný. Posledný typ zapojenia sa používa hlavne na zvýšenie prevádzkovej doby ionistora, ako aj na zvýšenie prúdu dodávaného do záťaže, na vyrovnanie prúdu v paralelnom zapojení je ku každému ionistoru pripojený odpor.

Ionistory sa často používajú s batériami a na rozdiel od nich sa neboja skratov a náhlych zmien okolitých teplôt. Už dnes sa vyvíjajú špeciálne ionistory s veľkou kapacitou a prúdom až 1 ampér Ako je známe, prúd ionistorov, ktoré sa dnes používajú v technike na ukladanie pamäte, nepresahuje 100 miliampérov, to je jeden a najviac významná nevýhoda ionistorov, ale toto prevýšenie je kompenzované vyššie uvedenými výhodami ionistorov. Na internete nájdete množstvo návrhov založených na takzvaných superkondenzátoroch – sú to tiež ionistory. Ionistory sa objavili pomerne nedávno - pred 20 rokmi.

Elektrická kapacita našej planéty je podľa vedcov 700 mikrofaradov, v porovnaní s jednoduchým kondenzátorom... Ionistory sa vyrábajú hlavne z dreveného uhlia, ktoré sa po aktivácii a špeciálnej úprave stáva pórovitým, dve kovové platne sú tesne pritlačené k priehradke s uhlie. Výroba ionistora doma je veľmi jednoduchá, ale získať porézny uhlík je takmer nemožné; musíte spracovať drevené uhlie doma, a to je trochu problematické, takže je jednoduchšie kúpiť ionistor a vykonávať na ňom zaujímavé experimenty. Napríklad parametre (výkon a napätie) jedného ionistora stačia na to, aby LED svietila jasne a dlho alebo aby fungovala

Superkondenzátor alebo ionistor je zariadenie na ukladanie energetických hmôt, na hranici medzi elektródou a elektrolytom dochádza k akumulácii náboja. Užitočný objem energie je uložený ako náboj statického typu. Proces akumulácie prichádza k interakcii s konštantným napätím, keď ionistor dostane potenciálny rozdiel na svojich doskách. Technologická implementácia, ako aj samotná myšlienka vytvorenia takýchto zariadení sa objavili relatívne nedávno, ale podarilo sa im experimentálne použiť na vyriešenie určitého počtu problémov. Súčiastka môže nahradiť prúdové zdroje chemického pôvodu ako záloha alebo hlavný zdroj napájania v hodinkách, kalkulačkách a rôznych mikroobvodoch.

Základnú konštrukciu kondenzátora tvorí platňa, ktorej materiálom je fólia, ohraničená suchou separačnou látkou. Ionistor pozostáva z niekoľkých kondenzátorov s nabíjačkou elektrochemického typu. Na jeho výrobu sa používajú špeciálne elektrolyty. Kryty môžu mať niekoľko druhov. Aktívne uhlie sa používa na výrobu veľkorozmerných obkladov. Môžu sa použiť aj oxidy kovov a polymérne materiály s vysokou vodivosťou. Na dosiahnutie požadovanej kapacitnej hustoty sa odporúča použiť vysoko porézne uhlíkové materiály. Okrem toho vám tento prístup umožňuje vyrobiť ionistor za pôsobivo nízku cenu. Takéto časti patria do kategórie kondenzátorov DLC, ktoré akumulujú náboj v dvojitom oddelení vytvorenom na platni.

Konštrukčné riešenie, kedy je ionistor kombinovaný s vodnou elektrolytickou bázou, sa vyznačuje nízkym odporom vnútorných prvkov, pričom nabíjacie napätie je obmedzené na 1 V. Použitie organických vodičov zaručuje napäťové úrovne cca 2...3 V a zvýšený odpor.

Elektronické obvody pracujú s vyššími energetickými nárokmi. Riešením tohto problému je zvýšenie počtu použitých napájacích bodov. Ionistor je inštalovaný nielen jeden, ale v množstve 3-4 kusov, čo dáva požadované množstvo náboja.

V porovnaní s nikel-metal hydridovou batériou je ionistor schopný obsiahnuť desatinu energetickej rezervy, pričom jeho napätie klesá lineárne, bez zón plošného výboja. Tieto faktory ovplyvňujú schopnosť plne udržať náboj v ionistore. Úroveň nabitia priamo závisí od technologického účelu prvku.

Pomerne často sa ionistor používa na napájanie pamäťových čipov a je súčasťou filtračných obvodov a vyhladzovacích filtrov. Môžu byť tiež kombinované s batériami rôznych typov na boj proti následkom náhlych prúdových skokov: pri dodávaní nízkeho prúdu sa ionistor dobije, inak uvoľní časť energie, čím sa zníži celková záťaž.

Ľudia najskôr používali kondenzátory na skladovanie elektriny. Potom, keď elektrotechnika prekročila hranice laboratórnych experimentov, boli vynájdené batérie, ktoré sa stali hlavným prostriedkom na uchovávanie elektrickej energie. Ale na začiatku 21. storočia sa opäť navrhuje používať kondenzátory na napájanie elektrických zariadení. Ako je to možné a stanú sa batérie konečne minulosťou?

Dôvodom, prečo boli kondenzátory nahradené batériami, bolo podstatne väčšie množstvo elektriny, ktoré sú schopné akumulovať. Ďalším dôvodom je, že počas vybíjania sa napätie na výstupe batérie mení len veľmi málo, takže stabilizátor napätia buď nie je potrebný, alebo môže mať veľmi jednoduchú konštrukciu.

Hlavný rozdiel medzi kondenzátormi a batériami je v tom, že kondenzátory priamo ukladajú elektrický náboj, zatiaľ čo batérie premieňajú elektrickú energiu na chemickú energiu, ukladajú ju a potom premieňajú chemickú energiu späť na elektrickú energiu.

Pri energetických premenách sa časť z nej stráca. Preto aj tie najlepšie batérie majú účinnosť nie vyššiu ako 90%, zatiaľ čo pre kondenzátory môže dosiahnuť 99%. Intenzita chemických reakcií závisí od teploty, takže batérie fungujú v chladnom počasí výrazne horšie ako pri izbovej teplote. Navyše chemické reakcie v batériách nie sú úplne reverzibilné. Z toho vyplýva malý počet cyklov nabitia a vybitia (rádovo tisíce, najčastejšie je životnosť batérie okolo 1000 cyklov nabitia a vybitia), ako aj „pamäťový efekt“. Pripomeňme, že „pamäťový efekt“ spočíva v tom, že batéria musí byť vždy vybitá na určité množstvo naakumulovanej energie, potom bude jej kapacita maximálna. Ak v nej po vybití zostane viac energie, tak kapacita batérie bude postupne klesať. „Pamäťový efekt“ je charakteristický pre takmer všetky komerčne vyrábané typy batérií, okrem kyslých (vrátane ich odrôd - gél a AGM). Hoci sa všeobecne uznáva, že lítium-iónové a lítium-polymérové batérie ho nemajú, v podstate ho tiež majú, len sa to prejavuje v menšej miere ako u iných typov. Kyselinové batérie vykazujú efekt sulfatácie platní, čo spôsobuje nezvratné poškodenie zdroja energie. Jedným z dôvodov je, že batéria zostáva dlhodobo v stave nabitia pod 50 %.

Čo sa týka alternatívnej energie, „pamäťový efekt“ a sulfatácia platní sú vážnymi problémami. Faktom je, že dodávky energie zo zdrojov, ako sú solárne panely a veterné turbíny, je ťažké predpovedať. Výsledkom je, že nabíjanie a vybíjanie batérií prebieha chaoticky, v neoptimálnom režime.

Pre moderný rytmus života sa ukazuje ako absolútne neprijateľné, aby sa batérie museli nabíjať niekoľko hodín. Ako si napríklad predstavujete jazdu na dlhú vzdialenosť v elektromobile, ak vás vybitá batéria drží na mieste nabíjania niekoľko hodín? Rýchlosť nabíjania batérie je obmedzená rýchlosťou chemických procesov, ktoré v nej prebiehajú. Dobu nabíjania môžete skrátiť na 1 hodinu, ale nie na niekoľko minút. Zároveň je rýchlosť nabíjania kondenzátora obmedzená iba maximálnym prúdom poskytovaným nabíjačkou.

Uvedené nevýhody batérií spôsobili, že je naliehavé používať namiesto nich kondenzátory.

Použitie elektrickej dvojitej vrstvy

Po mnoho desaťročí mali najvyššiu kapacitu elektrolytické kondenzátory. V nich bola jedna z dosiek kovová fólia, druhá elektrolyt a izolácia medzi doskami bola z oxidu kovu, ktorý fóliu pokrýval. V prípade elektrolytických kondenzátorov môže kapacita dosiahnuť stotiny farada, čo nestačí na úplnú výmenu batérie.

Porovnanie návrhov rôznych typov kondenzátorov (Zdroj: Wikipedia)

Veľkú kapacitu, meranú v tisíckach farad, možno dosiahnuť kondenzátormi založenými na takzvanej elektrickej dvojvrstve. Princíp ich fungovania je nasledovný. Elektrická dvojvrstva vzniká za určitých podmienok na rozhraní látok v tuhej a kvapalnej fáze. Vytvárajú sa dve vrstvy iónov s nábojmi opačných znamienok, ale rovnakej veľkosti. Ak situáciu veľmi zjednodušíme, vytvorí sa kondenzátor, ktorého „dosky“ sú naznačené vrstvy iónov, pričom vzdialenosť medzi nimi sa rovná niekoľkým atómom.

Superkondenzátory rôznych kapacít vyrábané firmou Maxwell

Kondenzátory založené na tomto efekte sa niekedy nazývajú ionistory. V skutočnosti sa týmto pojmom neoznačujú len kondenzátory, v ktorých je uložený elektrický náboj, ale aj iné zariadenia na ukladanie elektriny - s čiastočnou premenou elektrickej energie na chemickú spolu s ukladaním elektrického náboja (hybridný ionistor), ako aj na batérie na báze dvojitej elektrickej vrstvy (tzv. pseudokondenzátory). Preto je vhodnejší termín „superkondenzátory“. Niekedy sa namiesto toho používa identický výraz „ultrakondenzátor“.

Technická realizácia

Superkondenzátor pozostáva z dvoch platní s aktívnym uhlím naplnených elektrolytom. Medzi nimi je membrána, ktorá umožňuje prechod elektrolytu, ale bráni fyzickému pohybu častíc aktívneho uhlia medzi doskami.

Treba poznamenať, že samotné superkondenzátory nemajú žiadnu polaritu. V tom sa zásadne líšia od elektrolytických kondenzátorov, ktoré sa spravidla vyznačujú polaritou, ktorej nedodržanie vedie k poruche kondenzátora. Polarita sa však aplikuje aj na superkondenzátory. Je to spôsobené tým, že superkondenzátory opúšťajú výrobnú montážnu linku už nabité a označenie označuje polaritu tohto náboja.

Parametre superkondenzátora

Maximálna kapacita jednotlivého superkondenzátora, dosiahnutá v čase písania článku, je 12 000 F. U sériovo vyrábaných superkondenzátorov nepresahuje 3 000 F. Maximálne prípustné napätie medzi doskami nepresahuje 10 V. Pre komerčne vyrábané superkondenzátory tento údaj sa spravidla pohybuje v rozmedzí 2. 3 – 2,7 V. Nízke prevádzkové napätie vyžaduje použitie meniča napätia s funkciou stabilizátora. Faktom je, že počas vybíjania sa napätie na doskách kondenzátora mení v širokom rozsahu. Zostrojenie meniča napätia na pripojenie záťaže a nabíjačky je netriviálna úloha. Povedzme, že potrebujete napájať 60W záťaž.

Pre zjednodušenie úvahy o problematike zanedbáme straty v meniči napätia a stabilizátore. Ak pracujete s bežnou 12 V batériou, potom musí riadiaca elektronika vydržať prúd 5 A. Takéto elektronické zariadenia sú rozšírené a lacné. Úplne iná situácia ale nastáva pri použití superkondenzátora, ktorého napätie je 2,5 V. Vtedy môže prúd pretekajúci elektronickými súčiastkami meniča dosiahnuť 24 A, čo si vyžaduje nové prístupy k obvodovej technike a modernú základňu prvkov. Práve zložitosť stavby meniča a stabilizátora môže vysvetliť fakt, že superkondenzátory, ktorých sériová výroba sa začala v 70. rokoch 20. storočia, sa až teraz začali vo veľkom využívať v rôznych oblastiach.

Schematický diagram zdroja neprerušiteľného napájania
napätia na superkondenzátoroch sú implementované hlavné komponenty
na jednom mikroobvode vyrobenom spoločnosťou LinearTechnology

Superkondenzátory môžu byť zapojené do batérií pomocou sériového alebo paralelného zapojenia. V prvom prípade sa zvyšuje maximálne prípustné napätie. V druhom prípade - kapacita. Zvýšenie maximálneho povoleného napätia týmto spôsobom je jedným zo spôsobov, ako vyriešiť problém, ale budete za to musieť zaplatiť znížením kapacity.

Rozmery superkondenzátorov prirodzene závisia od ich kapacity. Typický superkondenzátor s kapacitou 3000 F je valec s priemerom asi 5 cm a dĺžkou 14 cm.S kapacitou 10 F má superkondenzátor rozmery porovnateľné s ľudským nechtom.

Dobré superkondenzátory dokážu vydržať státisíce cyklov nabíjania a vybíjania, pričom v tomto parametri prevyšujú batérie asi 100-krát. Ale podobne ako elektrolytické kondenzátory, aj superkondenzátory čelia problému starnutia v dôsledku postupného úniku elektrolytu. Doposiaľ neboli nazhromaždené kompletné štatistiky o poruchovosti superkondenzátorov z tohto dôvodu, ale podľa nepriamych údajov možno životnosť superkondenzátorov odhadnúť približne na 15 rokov.

Akumulovaná energia

Množstvo energie uloženej v kondenzátore vyjadrené v jouloch:

E = CU 2 /2,
kde C je kapacita vyjadrená vo faradoch, U je napätie na doskách vyjadrené vo voltoch.

Množstvo energie uloženej v kondenzátore, vyjadrené v kWh, je:

W = CU 2 /7200000

Kondenzátor s kapacitou 3000 F s napätím medzi doskami 2,5 V je teda schopný uložiť iba 0,0026 kWh. Ako je to v porovnaní napríklad s lítium-iónovou batériou? Ak vezmeme jej výstupné napätie nezávislé od stupňa vybitia a rovná sa 3,6 V, potom sa v lítium-iónovej batérii s kapacitou 0,72 Ah uloží množstvo energie 0,0026 kWh. Bohužiaľ, veľmi skromný výsledok.

Aplikácia superkondenzátorov

V systémoch núdzového osvetlenia je použitie superkondenzátorov namiesto batérií skutočným rozdielom. V skutočnosti je to práve táto aplikácia, ktorá sa vyznačuje nerovnomerným vybíjaním. Okrem toho je žiaduce, aby sa núdzové svietidlo rýchlo nabilo a aby v ňom použitý záložný zdroj mal väčšiu spoľahlivosť. Záložný zdroj na báze superkondenzátora môže byť integrovaný priamo do LED lampy T8. Takéto svietidlá už vyrába množstvo čínskych spoločností.

Napájané LED pozemné svetlo
zo solárnych panelov, skladovanie energie
v ktorom sa uskutočňuje v superkondenzátore

Ako už bolo uvedené, vývoj superkondenzátorov je z veľkej časti spôsobený záujmom o alternatívne zdroje energie. Ale praktická aplikácia je stále obmedzená na LED lampy, ktoré prijímajú energiu zo slnka.

Použitie superkondenzátorov na spustenie elektrických zariadení sa aktívne rozvíja.

Superkondenzátory sú schopné dodať veľké množstvo energie v krátkom čase. Napájaním elektrického zariadenia pri štarte zo superkondenzátora možno znížiť špičkové zaťaženie elektrickej siete a v konečnom dôsledku možno znížiť rozpätie nábehového prúdu, čím sa dosiahnu obrovské úspory nákladov.

Spojením niekoľkých superkondenzátorov do batérie môžeme dosiahnuť kapacitu porovnateľnú s batériami používanými v elektromobiloch. Ale táto batéria bude vážiť niekoľkonásobne viac ako batéria, čo je pre vozidlá neprijateľné. Problém možno vyriešiť použitím superkondenzátorov na báze grafénu, tie však v súčasnosti existujú len ako prototypy. Sľubná verzia slávneho Yo-mobilu, poháňaná len elektrinou, však bude ako zdroj energie využívať superkondenzátory novej generácie, ktoré vyvíjajú ruskí vedci.

Superkondenzátorom prospeje aj výmena batérií v bežných benzínových či naftových vozidlách – ich použitie v takýchto vozidlách je už realitou.

Medzičasom za najúspešnejší z realizovaných projektov na zavedenie superkondenzátorov možno považovať nové trolejbusy ruskej výroby, ktoré sa nedávno objavili v uliciach Moskvy. Pri prerušení dodávky napätia do kontaktnej siete alebo pri „odletení zberačov prúdu“ môže trolejbus jazdiť nízkou rýchlosťou (asi 15 km/h) niekoľko stoviek metrov na miesto, kde nebude prekážať premávke. na ceste. Zdrojom energie pre takéto manévre je batéria superkondenzátorov.

Vo všeobecnosti môžu superkondenzátory v súčasnosti vytláčať batérie iba v určitých „výklenkoch“. Technológia sa však rýchlo rozvíja, čo nám umožňuje očakávať, že v blízkej budúcnosti sa rozsah použitia superkondenzátorov výrazne rozšíri.

Ionistor je kondenzátor, ktorého dosky sú dvojitou elektrickou vrstvou medzi elektródou a elektrolytom. Iný názov pre toto zariadenie je superkondenzátor, ultrakondenzátor, dvojvrstvový elektrochemický kondenzátor alebo ionix. Má veľkú kapacitu, čo umožňuje jeho použitie ako zdroja prúdu.

Superkondenzátorové zariadenie

Princíp činnosti ionistora je podobný bežnému kondenzátoru, tieto zariadenia sa však líšia použitými materiálmi. Ako obklady v takýchto prvkoch sa používajú porézne materiály - aktívne uhlie, ktoré je dobrým vodičom, alebo penové kovy. To umožňuje mnohonásobne zväčšiť ich plochu a keďže kapacita kondenzátora je priamo úmerná ploche elektród, zvyšuje sa rovnakou mierou. Okrem toho sa ako dielektrikum používa elektrolyt, ako v elektrolytických kondenzátoroch, čo znižuje vzdialenosť medzi doskami a zvyšuje kapacitu. Najbežnejšími parametrami sú niekoľko farád pri napätí 5-10V.

Typy ionistorov

Existuje niekoľko typov takýchto zariadení:

S dokonale polarizovateľnými elektródami s aktívnym uhlím. V takýchto prvkoch nedochádza k elektrochemickým reakciám. Ako elektrolyt sa používajú vodné roztoky hydroxidu sodného (30 % KOH), kyseliny sírovej (38 % H2SO4) alebo organické elektrolyty;
Ako jedna platňa je použitá dokonale polarizovateľná elektróda s aktívnym uhlím. Druhá elektróda je slabo alebo nepolarizovateľná (anóda alebo katóda, v závislosti od konštrukcie);
Pseudokondenzátory. V týchto zariadeniach dochádza na povrchu platní k reverzibilným elektrochemickým reakciám. Majú veľkú kapacitu.

Výhody a nevýhody ionistorov

Takéto zariadenia sa používajú namiesto batérií alebo akumulátorov. V porovnaní s nimi majú takéto prvky výhody aj nevýhody.

Nevýhody superkondenzátorov:

nízky vybíjací prúd v spoločných prvkoch a konštrukcie bez tejto nevýhody sú veľmi drahé;
napätie na výstupe zariadenia počas vybíjania klesá;
v prípade skratu vo vysokokapacitných prvkoch s nízkym vnútorným odporom sa kontakty spália;
znížené prípustné napätie a rýchlosť vybíjania v porovnaní s konvenčnými kondenzátormi;
vyšší samovybíjací prúd ako v batériách.

Výhody ultrakondenzátorov:

vyššia rýchlosť, nabíjací a vybíjací prúd ako v batériách;
odolnosť - pri testovaní po 100 000 cykloch nabitia/vybitia nebolo zaznamenané žiadne zhoršenie parametrov;
vysoký vnútorný odpor vo väčšine prevedení, ktorý zabraňuje samovybíjaniu a poruche počas skratu;
dlhá životnosť;
menší objem a hmotnosť;
bipolarita - výrobca označuje „+“ a „-“, ale ide o polaritu náboja aplikovaného počas výrobných testov;
široký rozsah prevádzkových teplôt a odolnosť voči mechanickému preťaženiu.

Hustota energie

Schopnosť uchovávať energiu v superkondenzátoroch je 8-krát menšia ako u olovených batérií a 25-krát menšia ako u lítiových batérií. Hustota energie závisí od vnútorného odporu: čím je nižší, tým vyššia je merná energetická kapacita zariadenia. Najnovší vývoj vedcov umožňuje vytvárať prvky, ktorých schopnosť uchovávať energiu je porovnateľná s olovenými batériami.

V roku 2008 bol v Indii vytvorený ionistor, v ktorom boli platne vyrobené z grafénu. Energetická náročnosť tohto prvku je 32 (Wh)/kg. Pre porovnanie, energetická kapacita autobatérií je 30-40 (Wh)/kg. Zrýchlené nabíjanie týchto zariadení umožňuje ich použitie v elektrických vozidlách.

V roku 2011 kórejskí dizajnéri vytvorili zariadenie, v ktorom bol okrem grafénu použitý aj dusík. Tento prvok poskytoval dvojnásobnú mernú energetickú náročnosť.

Odkaz. Grafén je vrstva uhlíka s hrúbkou 1 atóm.

Aplikácia ionizátorov

Elektrické vlastnosti superkondenzátorov sa využívajú v rôznych oblastiach techniky.

Verejná doprava

Elektrobusy, ktoré namiesto batérií využívajú ionistory, vyrábajú Hyundai Motor, Trolza, Belkommunmash a niektoré ďalšie.

Tieto autobusy sú konštrukčne podobné trolejbusom bez tyčí a nevyžadujú kontaktnú sieť. Dobíjajú sa na zastávkach pri vystupovaní a nastupovaní cestujúcich alebo na konečných bodoch trasy za 5-10 minút.

Trolejbusy vybavené ionistormi sú schopné obísť prerušené trolejové vedenia a dopravné zápchy a nepotrebujú drôty v depách a na parkoviskách v koncových bodoch trasy.

Elektrické autá

Hlavným problémom elektromobilov je dlhá doba nabíjania. Ultrakondenzátor s vysokým nabíjacím prúdom a krátkym časom nabíjania umožňuje dobíjanie počas krátkych zastávok.

V Rusku bol vyvinutý Yo-mobile, ktorý používa ako batériu špeciálne vytvorený ionistor.

Okrem toho inštalácia superkondenzátora paralelne s batériou umožňuje zvýšiť prúd spotrebovaný elektromotorom počas štartovania a zrýchlenia. Tento systém sa používa v KERS, v autách Formuly 1.

Spotrebná elektronika

Tieto zariadenia sa používajú vo fotografických bleskoch a iných zariadeniach, v ktorých je schopnosť rýchleho nabíjania a vybíjania dôležitejšia ako veľkosť a hmotnosť zariadenia. Napríklad detektor rakoviny sa nabije za 2,5 minúty a funguje 1 minútu. To stačí na vykonanie výskumu a predchádzanie situáciám, v ktorých je zariadenie nefunkčné z dôvodu vybitých batérií.

V predajniach áut si môžete zakúpiť ionistory s kapacitou 1 farad pre paralelné použitie s autorádiom. Vyhladzujú kolísanie napätia pri štartovaní motora.

DIY ionistor

Ak chcete, môžete si vyrobiť superkondenzátor vlastnými rukami. Takéto zariadenie bude mať horšie parametre a nebude trvať dlho (kým nevyschne elektrolyt), ale dá predstavu o fungovaní takýchto zariadení vo všeobecnosti.

Ak chcete vyrobiť ionistor vlastnými rukami, potrebujete:

medená alebo hliníková fólia;
soľ;
aktívne uhlie z lekárne;
vata;
Ohybné drôty pre vodiče;
plastový box na puzdro.

Výrobný postup pre ultrakondenzátor je nasledujúci:

odrežte dva kusy fólie tak veľké, aby sa zmestili na dno škatule;
spájkujte drôty na fóliu;
navlhčite uhlie vodou, rozdrvte na prášok a vysušte;
pripravte 25% roztok soli;
zmiešajte uhoľný prášok s fyziologickým roztokom na pastu;
navlhčite vatu soľným roztokom;
naneste pastu v tenkej, rovnomernej vrstve na fóliu;
urobte „sendvič“: fólia s dreveným uhlím nahor, tenká vrstva vaty, fólia s uhlím nadol;
umiestnite štruktúru do krabice.

Prípustné napätie takéhoto zariadenia je 0,5 V. Po jeho prekročení sa začne proces elektrolýzy a ionistor sa zmení na plynovú batériu.