Суперконденсатор або іоністор є пристроєм для накопичення енергетичних мас, акумулювання заряду відбувається на межі між електродом і електролітом. Корисний енергетичний обсяг зберігається як заряд статичного типу. Накопичувальний процес зводиться до взаємодії з постійною напругою, коли іоністор отримує різницю потенціалів на обкладинки. p align="justify"> Технологічна реалізація, як і сама ідея створення подібних приладів, з'явилася відносно недавно, проте вони встигли отримати досвідчене застосування для вирішення певного ряду завдань. Деталь може замінити джерела струму хімічного походження, будучи резервним або основним засобом енергозабезпечення в годинах, обчислювальних калькуляторах, різноманітних мікросхем.
Елементарна конструкція конденсатора складається з обкладки, матеріалом для виготовлення якої служить фольга, розмежованої сухою речовиною, що сепарує. Іоністор складається з цілого ряду конденсаторів із зарядним пристроєм електрохімічного типу. Для виготовлення застосовують спеціальні електроліти. Обкладинки можуть бути кількох різновидів. Активоване вугілля використовується виготовлення обкладок великих параметрів. Також можуть застосовуватися оксиди металів та полімерні матеріали з високими показниками провідності. Для досягнення необхідних показників ємнісної щільності рекомендується використовувати високопористі вугільні матеріали. До того ж, такий підхід дозволяє зробити іоністор значно нижчою собівартістю. Такі деталі відносяться до розряду DLC-конденсаторів, що виробляють накопичення заряду у подвійному відділенні, утвореному на обкладці.
Конструктивне рішення, коли іоністор скомбінований на базі водяного електроліту характеризується малим опором внутрішніх елементів, при цьому обмеження напруженості заряду становить 1 В. Застосування органічних провідників гарантує показники напруги близько 2...3 В та підвищеним опором.
Електронні схеми функціонують із вищими енергетичними потребами. Розв'язанням такого завдання є збільшення кількості точок живлення, що використовуються. Іоністор встановлюється не один, а в кількості 3-4 штук, що дає необхідну кількість заряду.
Порівняно з нікель-металгідридним акумулятором, іоністор здатний містити десяту частину енергетичного запасу, при цьому його напруга спадає лінійним чином, виключаючи зони площинної розрядки. Дані чинники впливають здатність повного утримання заряду в ионисторе. Рівень заряджання безпосередньо залежить від технологічного призначення елемента.
Досить часто іоністор застосовується для підживлення мікросхем пам'яті, включають до складу ланцюгів, що фільтрують, і фільтрів згладжування. Їх також можуть комбінувати з батареями різних зразків для боротьби з наслідками різких стрибків величини струму: під час подачі низького струму відбувається підзарядка іоністора, в іншому випадку він віддає частину енергії, чим знижує величину загального навантаження.
Столова ложка активованого вугілля з аптеки, кілька крапель підсоленої води, жерстяна платівка та пластикова баночка від фотоплівки. Цього достатньо, щоб зробити іоністор своїми руками, Електричний конденсатор, ємність якого приблизно дорівнює електричної ємності ... земної кулі. Лейденська банка.
Не виключено, що саме про такий пристрій писала одна з американських газет у 1777 році: «…доктор Франклін винайшов машину розміром з футляр від зубочистки, здатну перетворити лондонський собор Святого Павла на жменьку попелу». Проте про все по порядку.
Людство користується електрикою трохи більше двох століть, але електричні явища відомі людям тисячі років і довго не мали практичного значення. Лише на початку XVIII століття, коли наука стала модною розвагою, спеціально для проведення публічних дослідів німецький учений Отто фон Геріке створив електрофорну машину, за допомогою якої отримував електрику в нечуваних раніше кількостях.
Машина складалася зі скляної кулі, про яку при його обертанні терся шматок шкіри. Ефект від її роботи був великий: тріщали іскри, невидимі електричні сили зривали жіночі шалі, змушували волосся вставати дибки. Особливо дивувала публіку здатність тіл накопичувати електричні заряди.
В 1745 голландський фізик з Лейдена Пітер ван Мушенбрук (1692 - 1761) налив у скляну банку воду, поклав усередину, немов квітка у вазу, відрізок дроту і, дбайливо обхопивши долонями, підніс до електрофорної машини. Пляшка набрала стільки електрики, що зі шматка дроту з «оглушливим гуркотом» вилетіла яскрава іскра. Коли ж наступного разу вчений торкнувся дроту пальцем, то отримав удар, від якого знепритомнів; якби помічник Кюнеус, що встиг вчасно, справа могла закінчитися сумно.
Так було створено пристрій, здатний накопичити в мільйони разів більший заряд, ніж будь-яке з відомих на той час тіл. Його назвали "лейденською банкою". Це був своєрідний конденсатор, однією з обкладок якого були долоні експериментатора, діелектриком – скляні стінки, а другою обкладкою – вода.
Звістка про винахід облетіла всю освічену Європу. Лейденську банку негайно використовували для освіти французького короля Людовика XV. Почалися уявлення. В одному з експериментів, що увійшли в історію, електричний струм пропускали крізь ланцюг гвардійців, які взялися за руки. При електричному розряді всі як один підстрибнули, немовби збираючись марширувати в повітрі. В іншому експерименті струм пропустили крізь ланцюг із 700 ченців.
Більш практичний напрямок отримали досвіди з лейденською банкою в Америці. У 1747 році їх почав один із засновників США, згаданий вже Бенджамін Франклін. Він здогадався обгортати банку олов'яною фольгою, і ємність її зросла в багато разів, а робота стала безпечнішою. У дослідах із нею Франклін довів, що електричний розряд здатний виробляти тепло та піднімати стовпчик ртуті у термометрі. А замінивши банку скляною пластинкою, обклеєною олов'яною фольгою, Франклін отримав плоский конденсатор, у багато разів легший, ніж удосконалена ним лейденська банка.
Про пристрій, здатний запасти стільки енергії, що з її допомогою можна, як писала газета, «перетворити собор Святого Павла на жменьку попелу», історія замовчує, але це не означає, що Франклін не міг його створити.
І тут саме час повернутися до того, як зробити іоністор своїми руками. Якщо ви запаслися всім необхідним, опустіть бляшанку на дно баночки від фотоплівки, попередньо припаявши до неї відрізок ізольованого дроту. Зверху покладіть прокладку з фільтрувального паперу, а на неї насипте шар активованого вугілля і налив підсоленої води накрийте ваш «бутерброд» ще одним електродом.
Схема роботи ионистора.
У вас вийшов електрохімічний конденсатор-іоністор. Цікавий він тим, що в порах частинок активованого вугілля виникає так званий подвійний електричний шар - два розташовані близько один до одного шари електричних зарядів різного знака, тобто електрохімічний конденсатор. Відстань між шарами обчислюється ангстремами (1 ангстрем – 10-9 м). А ємність конденсатора, як відомо, тим більша, чим менша відстань між обкладками.
Завдяки цьому запас енергії на одиницю об'єму в подвійному шарі більший, ніж у найпотужнішої вибухової речовини. Ось це лейденська банка!
Працює іоністор так. За відсутності зовнішньої напруги його ємність дуже мала. Але під дією прикладеного до полюсів конденсатора напруги прилеглі до них шари вугілля заряджаються. Іони протилежного знака, що знаходяться в розчині, спрямовуються до частинок вугілля і утворюють на їх поверхні подвійний електричний шар.
Електрохімічний конденсатор (іоністор) промислового виробництва. У металевому корпусі розміром з гудзик розміщені два шари активованого вугілля, розділені пористою прокладкою.
Схема, як зробити іоністор своїми руками.
Схема саморобного іоністору із пластикової баночки та активованого вугілля:
1 – верхній електрод;
2 - сполучні дроти;
3,5 – шари вологого активованого вугілля;
4 - пориста розділова прокладка;
6 – нижній електрод;
7 – корпус.
Якщо до полюсів конденсатора підключити навантаження, то протилежні заряди з внутрішньої поверхні частинок вугілля побіжать по дротах назустріч один одному, а іони, що знаходяться в їх порах, вийдуть назовні.
От і все. тепер ви зрозуміли, як зробити іоністор своїми руками.
Сучасні іоністори мають ємність у десятки та сотні фарад. При розряді вони здатні розвивати більшу потужність і дуже довговічні. За запасом енергії на одиницю маси та одиницю об'єму іоністори поки що поступаються акумуляторам. Але якщо замінити активоване вугілля найтоншими нанотрубками вуглецю або іншої електропровідної речовини, енергоємність іоністора може стати фантастично великою.
Бенджамен Франклін жив у часи, коли про нанотехнології навіть не думали, але це не означає, що їх не застосовували. Як повідомив лауреат Нобелівської премії з хімії Роберт Кюрі, при виготовленні клинків із дамаської стали стародавні майстри, самі того не підозрюючи, застосовували методи нанотехнології. Стародавній булат завжди залишався гострим та міцним завдяки особливій композиції вуглецю у структурі металу.
Свого роду наноматеріали, наприклад обвуглені стебла рослин, що містять нанотрубки, міг використовувати Франклін для створення надконденсатора. А хто з вас зрозумів, що таке лейденська банка, і хто пробуватиме її зробити?
Вимоги знизити розміри радіодеталей при збільшенні їх технічних характеристиках спричинило появу великої кількості приладів, які сьогодні використовуються повсюдно. Це повною мірою торкнулося і конденсаторів. Так звані іоністри або суперконденсатори є елементами з великою ємністю (розкид цього показника досить широкий від 0,01 до 30 фарад) з напругою зарядки від 3 до 30 вольт. При цьому їх розміри дуже малі. Оскільки предмет нашої розмови – це іоністр своїми руками, необхідно в першу чергу розібратися з самим елементом, тобто, що він собою представляє.
Конструктивні особливості іоністра
По суті це звичайний конденсатор з великою ємністю. Але іоністри мають великий опір, тому що в основі елемента лежить електроліт. Це перше. Друге – це невелика напруга заряджання. Справа в тому, що в цьому суперконденсаторі обкладки розташовуються дуже близько одна до одної. Саме це і є причиною зниженої напруги, але саме з цієї причини збільшується ємність конденсатора.
Заводські іоністри виготовляються із різних матеріалів. Обкладки зазвичай робляться з фольги, які розмежовують суху речовину сепаруючої дії. Наприклад, активоване вугілля (для великих обкладок), оксиди металів, полімерні речовини, які мають високу електричну провідність.
Збираємо іоністр своїми руками
Складання іоністра своїми руками – справа не найпростіша, але в домашніх умовах її зробити все ж таки можна. Є кілька конструкцій, де є різні матеріали. Пропонуємо одну із них. Для цього вам знадобиться:
- металева баночка від кави (50 г);
- активоване вугілля, яке продається в аптеках, його можна замінити потовченими вугільними електродами;
- два кола із мідної пластини;
- вата.
Насамперед необхідно приготувати електроліт. Для цього спочатку треба потовкти активоване вугілля на порошок. Потім зробити сольовий розчин, для чого до 100 г води треба додати 25 г солі, і все це добре перемішати. Далі, розчин поступово додається порошок активованого вугілля. Його кількість визначає консистенція електроліту, вона має бути щільністю, як замазка.
Після цього готовий електроліт наноситься на мідні кола (на одну зі сторін). Зверніть увагу, що товстіший шар електроліту, тим більша ємність іоністра. І ще один момент, товщина електроліту на двох колах повинна бути однакова. Отже, електроди готові, тепер їх треба розмежувати матеріалом, який пропускав би електричний струм, але не пропускав вугільний порошок. Для цього використовується звичайна вата, хоч варіантів і тут чимало. Товщина ватного шару визначає діаметр металевої баночки від кави, тобто вся ця електродна конструкція повинна в неї спокійно поміститися. Звідси, в принципі, і доведеться вибирати розміри самих електродів (мідних кіл).
Залишається лише самі електроди підключити до висновків. Все, іоністр, виготовлений своїми руками, та ще й у домашніх умовах, готовий. У такої конструкції не дуже велика ємність – не вище 0,3 фарад, та й напруга зарядки всього лише один вольт, але це справжнісінький іоністр. 
Висновок на тему
Що можна ще доповнити сказати про цей елемент. Якщо його порівнювати, наприклад, з акумулятором нікель-металгідридного типу, то іоністр може спокійно тримати запас електроенергії до 10% від акумуляторної потужності. До того ж спад напруги у нього відбувається лінійно, а не стрибкоподібно. Але рівень зарядки елемента залежить від його технологічного призначення.
Для накопичення електроенергії люди спочатку використовували конденсатори. Потім, коли електротехніка вийшла за межі лабораторних дослідів, винайшли акумулятори, які стали основним засобом запасання електричної енергії. Але на початку XXI століття знову пропонується використати конденсатори для живлення електроустаткування. Наскільки це можливо і чи залишать акумулятори остаточно в минулому?
Причина, через яку конденсатори були витіснені акумуляторами, була пов'язана із значно більшими значеннями електроенергії, які вони здатні накопичувати. Іншою причиною є те, що при розряді напруга на виході акумулятора змінюється дуже слабо, так що стабілізатор напруги або не потрібний або може мати дуже просту конструкцію.
Головна відмінність між конденсаторами та акумуляторами полягає в тому, що конденсатори безпосередньо зберігають електричний заряд, а акумулятори перетворюють електричну енергію на хімічну, запасають її, а потім назад перетворять хімічну енерію на електричну.
При перетворення енергії частина її втрачається. Тому навіть у найкращих акумуляторів ККД становить не більше 90%, тоді як у конденсаторів він може досягати 99%. Інтенсивність хімічних реакцій залежить від температури, тому на морозі акумулятори працюють помітно гірше, ніж за кімнатної температури. Крім цього, хімічні реакції в акумуляторах не повністю оборотні. Звідси мала кількість циклів заряду-розряду (порядку одиниць тисяч, найчастіше ресурс акумулятора становить близько 1000 циклів заряду-розряду), а також «ефект пам'яті». Нагадаємо, що "ефект пам'яті" полягає в тому, що акумулятор потрібно завжди розряджати до певної величини накопиченої енергії, тоді його ємність буде максимальною. Якщо після розрядки в ньому залишається більше енергії, то ємність акумулятора буде поступово зменшуватися. «Ефект пам'яті» властивий практично всім типам акумуляторів, що серійно випускаються, крім, кислотних (включаючи їх різновиди - гелеві і AGM). Хоча прийнято вважати, що літій-іонним і літій-полімерним акумуляторам він не властивий, насправді і вони є, просто проявляється меншою мірою, ніж в інших типах. Що ж до кислотних акумуляторів, то в них проявляється ефект сульфатації пластин, що викликає незворотне псування джерела живлення. Однією з причин є тривале знаходження акумулятора у стані заряду менше ніж на 50%.
Щодо альтернативної енергетики «ефект пам'яті» та сульфатація пластин є серйозними проблемами. Справа в тому, що надходження енергії від таких джерел, як сонячні батареї та вітряки, складно спрогнозувати. Внаслідок цього заряд і розряд акумуляторів відбуваються хаотично, в неоптимальному режимі.
Для сучасного ритму життя виявляється абсолютно неприйнятним, що акумулятори доводиться заряджати кілька годин. Наприклад, як ви собі уявляєте поїздку на електромобілі на далекі відстані, якщо акумулятор, що розрядився, затримає вас на кілька годин у пункті зарядки? Швидкість зарядки акумулятора обмежена швидкістю хімічних процесів, що протікають в ньому. Можна скоротити час заряджання до 1 години, але не кілька хвилин. У той же час швидкість заряджання конденсатора обмежена тільки максимальним струмом, який дає зарядний пристрій.
Перелічені недоліки акумуляторів зробили актуальним використання замість них конденсаторів.
Використання подвійного електричного шару
Протягом багатьох десятиліть найбільшою ємністю мали електролітичні конденсатори. Вони однією з обкладок була металева фольга, інший - електроліт, а ізоляцією між обкладками - окис металу, якої покрита фольга. У електролітичних конденсаторів ємність може досягати сотих часток фаради, що недостатньо для того, щоб повноцінно замінити акумулятор.
Велику ємність, що вимірюється тисячами фарад, дозволяють отримати конденсатори, засновані на так званому подвійному електричному шарі. Принцип їхньої роботи наступний. Подвійний електричний шар виникає за певних умов на межі речовин у твердій та рідкій фазах. Утворюються два шари іонів із зарядами протилежного знака, але однакової величини. Якщо дуже спростити ситуацію, то утворюється конденсатор, «обкладками» якого є зазначені шари іонів, відстань між якими дорівнює кільком атомам.
Конденсатори, засновані на цьому ефекті, іноді називають іоністорами. Насправді цей термін не тільки до конденсаторів, в яких накопичується електричний заряд, але й до інших пристроїв для накопичення електроенергії - з частковим перетворенням електричної енергії в хімічну поряд зі збереженням електричного заряду (гібридний іоністор), а також для акумуляторів, заснованих на подвійному електричному шарі (так звані псевдоконденсатори). Тому найбільш сприятливим є термін «суперконденсатори». Іноді замість нього використовується тотожний термін «ультраконденсатор».
Технічна реалізація
Суперконденсатор є дві обкладки з активованого вугілля, залиті електролітом. Між ними розташована мембрана, яка пропускає електроліт, але перешкоджає фізичному переміщенню частинок активованого вугілля між обкладинками.
Слід зазначити, що суперконденсатори власними силами немає полярності. Цим вони принципово від електролітичних конденсаторів, котрим, зазвичай, властива полярність, недотримання якої призводить до виходу конденсатора з ладу. Проте, на суперконденсаторах також наноситься полярність. Пов'язано це з тим, що суперконденсатори сходять із заводського конвеєра вже зарядженими, маркування і означає полярність цього заряду.
Параметри суперконденсаторів
Максимальна ємність окремого суперконденсатора, досягнута на момент написання статті, становить 12000 Ф. У масово випускаються супероконденсаторів вона не перевищує 3000 Ф. Максимально допустима напруга між обкладками не перевищує 10 В. Для суперконденсаторів, що серійно випускаються, цей показник, як правило, лежить в межах 2, 3 – 2,7 В. Низька робоча напруга вимагає використання перетворювача напруги з функцією стабілізатора. Річ у тім, що з розряді напруга на обкладках конденсатора змінюється у межах. Побудова перетворювача напруги для підключення навантаження та зарядного пристрою є нетривіальним завданням. Припустимо, що вам потрібно мати навантаження з потужністю 60 Вт.
Для спрощення розгляду питання знехтуємо втратами у перетворювачі напруги та стабілізаторі. У тому випадку, якщо ви працюєте зі звичайним акумулятором з напругою 12 В, то електроніка, що управляє, повинна витримувати струм в 5 А. Такі електронні прилади широко поширені і коштують недорого. Але зовсім інша ситуація складається при використанні суперконденсатора, напруга на якому становить 2,5 В. Тоді струм, що протікає через електронні компоненти перетворювача, може досягати 24 А, що вимагає нових підходів до схмотехніки та сучасної елементної бази. Саме складністю з побудовою перетворювача і стабілізатора можна пояснити той факт, що суперконденсатори, серійний випуск яких було розпочато ще в 70-х роках XX століття, тільки зараз стали широко використовуватися в різних областях.
Суперконденсатори можуть з'єднуватися в батареї з використанням послідовного або паралельного з'єднання. У першому випадку підвищується максимально допустима напруга. У другому випадку – ємність. Підвищення максимально допустимої напруги в такий спосіб є одним із способів вирішення проблеми, але заплатити за неї доведеться зниженням ємності.
Розміри суперконденсаторів, звичайно, залежать від їхньої ємності. Типовий суперконденсатор ємністю 3000 Ф є циліндр діаметром близько 5 см і довжиною 14 см. При ємності 10 Ф суперконденсатор має розміри, порівнянні з людським нігтем.
Хороші суперконденсатори здатні витримати сотні тисяч циклів заряду-розряду, перевершуючи за цим параметром акумулятори приблизно 100 разів. Але, як і в електролітичних конденсаторів, для суперконденсаторів стоїть проблема старіння через поступовий витік електроліту. Поки повної статистики виходу з ладу суперконденсаторів з цієї причини не накопичено, але за непрямими даними, термін служби суперконденсаторів можна приблизно оцінити величиною 15 років.
Накопичувана енергія
Кількість енергії, запасеної в конденсаторі, виражена в джоулях:
де C – ємність, виражена у фарадах, U – напруга на обкладках, виражена у вольтах.
Кількість енергії, запасеної в конденсаторі, виражене в кВтг, дорівнює:
Звідси, конденсатор ємністю 3000 Ф з напругою між обкладками 2,5 здатний запасти в собі тільки 0,0026 кВтг. Як це можна співвіднести, наприклад, з літій-іонним акумулятором? Якщо прийняти його вихідну напругу не залежить від ступеня розряду і дорівнює 3,6 В, то кількість енергії 0,0026 кВтг буде запасено в літій-іонному акумуляторі ємністю 0,72 Ач. На жаль, дуже скромний результат.
Застосування суперконденсаторів
Системи аварійного освітлення є місцем, де використання суперконденсаторів замість акумуляторів дає відчутний виграш. Справді, для цього застосування характерна нерівномірність розрядки. Крім цього, бажано, щоб зарядка аварійного світильника відбувалася швидко, і щоб резервне джерело живлення, що використовується в ньому, мало велику надійність. Джерело резервного живлення на основі суперконденсатора можна вбудувати безпосередньо у світлодіодну лампу T8. Такі лампи вже випускаються поряд китайських фірм.
Як зазначалося, розвиток суперконденсаторів багато в чому пов'язані з інтересом до альтернативним джерелам енергії. Але практичне застосування поки що обмежене світлодіодними світильниками, які отримують енергію від сонця.
Активно розвивається такий напрямок як використання суперконденсаторів для запуску електроустаткування.
Суперконденсатори здатні дати велику кількість енергії у короткий інтервал часу. Запитуючи електрообладнання в момент пуску від суперконденсатора, можна зменшити пікові навантаження на електромережу і зрештою зменшити запас на пускові струми, добившись величезної економії коштів.
З'єднавши кілька суперконденсаторів в батарею, ми можемо досягти ємності, що можна порівняти з акумуляторами, що використовуються в електромобілях. Але важити ця батарея буде в кілька разів більше акумулятора, що для транспортних засобів є неприйнятним. Вирішити проблему можна, використовуючи суперконденсатори на основі графену, але вони поки що існують тільки як досвідчені зразки. Тим не менш, перспективний варіант знаменитого "Е-мобіля", який працює тільки від електрики, як джерело живлення використовуватиме суперконденсатори нового покоління, розробка яких ведеться російськими вченими.
Суперконденсатори також дадуть виграш при заміні акумуляторів у звичайних машинах, що працюють на бензині або дизельному паливі – їх використання у таких транспортних засобах є реальністю.
Поки що найвдалішим із реалізованих проектів впровадження суперконденсаторів вважатимуться нові тролейбуси російського виробництва, які нещодавно вийшли на вулиці Москви. При припиненні подачі напруги в контактну мережу або при злітанні струмознімачів тролейбус може проїхати на невеликій (близько 15 км/год) швидкості кілька сотень метрів у місце, де він не заважатиме руху на дорозі. Джерелом енергії за таких маневрів для нього є батарея суперконденсаторів.
Загалом, поки що суперконденсатори можуть витіснити акумулятори тільки в окремих «нішах». Але технології бурхливо розвиваються, що дозволяє очікувати, що вже найближчим часом область застосування суперконденсаторів значно розшириться.
Олексій Васильєв
Суперконденсатори можна назвати найяскравішою розробкою останніх років. У порівнянні з звичайними конденсаторами вони, при тих же габаритах, відрізняються на три порядки більшою ємністю. За це конденсатори і отримали свою приставку – супер. За мінімальний проміжок часу вони можуть давати величезну кількість енергії.
Випускаються вони різних розмірів та форм:від дуже маленьких, які кріпляться на поверхні приладів, не більше монетки за розмірами, до дуже великих циліндричних і призматичних. Основним їх призначенням є дублювання джерела основного (батареї) у разі падіння напруги.
Енергоємні сучасні електронні та електричні системи до джерел живлення висувають високі вимоги. Обладнання, що з'явилося (від цифрових камер до електронних портативних пристроїв та електричних трансмісій транспортних засобів) потребує акумулювання та подачі необхідної енергії.
Вирішується це завдання сучасними розробниками двома шляхами:
- Використання акумулятора, здатного забезпечувати високий імпульс струму
- Приєднанням паралельно батареї як страхування суперконденсаторів, тобто. "гібридне" рішення.
У разі суперконденсатор виконує функцію джерела живлення при падінні напруги на акумуляторі. Зумовлено це тим, що батареї мають високу щільність енергії і малу щільність потужності, у той час як суперконденсатори, навпаки, характеризуються малою щільністю енергії, але високою щільністю потужності, тобто. вони забезпечують струм розрядки навантаження. Увімкнувши суперконденсатор паралельно батареї, можна її використовувати більш ефективно, отже, продовжити термін служби.
Де використовують суперконденсатори
Відео: Тест суперконденсатора 116,6F 15V (6 * 700F 2,5В), замість стартерного акумулятора в автомобілі
В автомобільних електронних системах їх використовують для запуску двигунівтим самим скорочуючи навантаження на акумулятор. Також вони дають змогу зменшити масу, скоротивши монтажні схеми. Широке застосування вони знаходять у гібридних авто, де генератором управляє ДВС, а електричний мотор (або мотори) наводять автомобіль у рух, тобто. суперконденсатор (енергетичний кеш) використовується як джерело струму при прискоренні та початку руху, а під час гальмування відбувається його «підзарядка». Перспективне застосування їх не тільки в легковому, а й у міському транспорті, оскільки новий вид конденсаторів дозволяє на 50% скоротити споживання палива та на 90% скоротити викид шкідливих газів у навколишній простір.
Замінити повністю батарею суперконденсатори поки що не можу, але це лише питання часу. Використовувати суперконденсатор замість акумулятора зовсім не фантастика. Якщо вчені — нанотехнологи з університету QUT йдуть правильним шляхом, то незабаром це стане реальністю. Виступати як акумулятор зможуть панелі кузова, всередині яких стоять суперконденсатори останнього покоління. Співробітникам цього університету вдалося об'єднати у новому пристрої переваги батарей літій-іонних та суперконденсаторів. Складається новий тонкий, легкий і потужний суперконденсатор із карбонових електродів, що знаходиться між ними електроліту. Новинку, як стверджують вчені, можна встановлювати в будь-якому місці кузова.
Поліпшити завдяки великому крутному моменту (пусковому) стартові характеристики при низьких температурах і розширити можливості системи живлення, їм під силу вже зараз. Доцільність їх використання в системі живлення пояснюється тим, що час їхнього заряджання/розрядження дорівнює 5-60 секунд. Крім цього використовувати їх можна системі розподільної деяких приладів машини: соленоїдів, систем регулювання дверних замків та положення шибок.
Суперконденсатор своїми руками
Можна зробити суперконденсатор своїми руками. Оскільки конструкція його складається з електроліту та електродів, потрібно визначитися з матеріалом для них. Для електродів цілком підійде мідь, нержавіюча сталь або латунь. Можна взяти, наприклад, старі п'ятикопійчані монети. Потрібен буде ще вугільний порошок (в аптеці можна купити активоване вугілля та подрібнити його). Як електроліт «пригодиться» звичайна вода, в якій розчинити потрібно кухонну сіль (100:25). Розчин змішується з вугільним порошком, щоб вийшла суміш замазки. Тепер її шаром у кілька міліметрів необхідно нанести на обидва електроди.
Залишилося підібрати прокладку, що розділяє електроди, крізь пори якої вільно проходитиме електроліт, але затримуватиметься вугільний порошок. Підійде для цих цілей склотканина або поролон.
Електроди – 1,5; обмазка вугільно-електролітна – 2,4; прокладання – 3.
Як кожух можна використовувати пластмасову коробочку, просвердливши в ній попередньо отвори для проводів, припаяних до електродів. Під'єднавши дроти до батареї, очікуємо, поки зарядиться конструкція «іонікс», названа так тому, що на електродах утворитися повинна різна концентрація іонів. Перевірити простіше заряд за допомогою вольтметра.
Є й інші методи. Наприклад, використовуючи олов'яний папір (станіолеву фольгу – обгортку від шоколадки), шматки жерсті та парафінований папір, виготовити який можна самостійно, нарізавши і зануривши на пару хвилин у розплавлений, але не киплячий парафін смужки цигаркового паперу. Ширина смужок має бути п'ятдесят міліметрів, а довжина від двохсот до трьохсот міліметрів. Вийнявши смужки з парафіну, необхідно зіскребти тупою стороною ножа парафін.
Просочений парафіном папір складають у вигляді гармошки (як на малюнку). З обох боків у проміжки вкладаються листи станіолеві, які відповідають розміру 45х30 міліметрів. Підготувавши, таким чином, заготовку, її складають, потім прогладжують теплою праскою. Станіолеві кінці, що залишилися, зовні з'єднують між собою. Можна використовувати для цього картонні пластинки та латунні з бляшаними обоймами, до яких пізніше припаюються провідники для того, щоб при монтажі можна було припаяти конденсатор.
Місткість конденсатора залежить від кількості станіолевих листочків. Вона дорівнює, наприклад, тисячі пікофарад при використанні десяти таких листків, і двох тисяч, якщо їх кількість збільшити вдвічі. Така технологія придатна виготовлення конденсаторів ємністю до п'яти тисяч пикофарад.
Якщо ж необхідна велика ємність, то необхідно мати старий мікрофарадний паперовий конденсатор, який представляє собою рулон зі стрічки, що складається зі смуг парафінованого паперу, між якими прокладена смуга фольги станіолевої.
Для визначення довжини смуг користуються формулою:
l = 0,014 С/а, де ємність необхідного конденсатора в пФ - С; ширина смуг см – а: довжина см – 1.
Відмотавши від старого конденсатора смужки потрібної довжини, з усіх боків обрізають на 10 мм фольгу, щоб між собою не дати з'єднатися обкладкам конденсатора.
Знову стрічку потрібно згорнути, але спочатку припаяючи багатожильні дроти до кожної смужки фольги. Зверху конструкцію обклеюють щільним папером, а на краї паперу, які виступають, закладають два монтажні дроти (жорстких), до яких припаюються з внутрішньої сторони паперової гільзи висновки від конденсатора (див. малюнок). Останній крок – заливання конструкції парафіном.
Переваги карбонових суперконденсаторів
Оскільки ходу електротранспорту планетою сьогодні не можна не помічати, вчені працюють над питанням, пов'язаним з його якнайшвидшою зарядкою. Ідей виникає безліч, але втілюються в життя одиниці. У Китаї, наприклад, у місті Нінбо запущено незвичайний маршрут міського транспорту. Автобус, що курсує ним, працює від електромотора, але на зарядку йому потрібно всього десять секунд. На ній він долає п'ять кілометрів і знову під час висадки/посадки пасажирів встигає підзарядитися.
Можливим це стало завдяки використанню нового типу конденсаторів – карбонових.
Карбонові конденсаторивитримують близько мільйона циклів перезарядки, добре працюють у діапазоні температур від мінус сорока до плюс шістдесяти п'яти градусів. До 80% енергії вони повертають при рекуперації.
Вони відкрили нову еру в управлінні живленням, скоротивши до наносекунд час розрядки та заряджання, знизивши вагу автомобіля. До цих переваг можна додати невисоку вартість, оскільки у виготовленні не застосовуються рідкісноземельні метали та екологічність.