Ионистор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Иони́стор (суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор, англ. EDLC, Electric double-layer capacitor) — электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.

Концепция[править | править вики-текст]

Сравнение конструктивных схем трёх конденсаторов. Слева: «обычный» конденсатор, в середине: электролитический, справа: ионистор

В связи с тем, что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) крайне мала, запасённая ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. К тому же, использование двойного электрического слоя вместо обычного диэлектрика позволяет намного увеличить площадь поверхности электрода. Типичная ёмкость ионистора — несколько фарад, при номинальном напряжении 2—10 вольт.

История создания[править | править вики-текст]

Первый конденсатор с двойным слоем на пористых угольных электродах был запатентован в 1957 году фирмой General Electric[1]. Так как точный механизм к тому моменту времени был не ясен, было предположено, что энергия запасается в порах на электродах, что и приводит к образованию «исключительно высокой способности накопления заряда». Чуть позже, в 1966 фирма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA запатентовала элемент, который сохранял энергию в двойном слое.[2]

Столкнувшись с фактом небольшого объёма продаж, в 1971 году SOHIO передала лицензию фирме NEC, которой удалось удачно продвинуть продукт на рынке под именем «Supercapacitor» (Суперконденсатор). В 1978 году фирма Panasonic выпустила на рынок «Gold capacitor» («Gold Cap») «Золотой конденсатор», работающий на том же принципе. Эти конденсаторы имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее отдачу энергии, так что эти конденсаторы применялись только как накопительные батареи для SRAM.

Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году. На рынке эти ионисторы появились под именем «PRI Ultracapacitor».

Типы ионисторов[править | править вики-текст]

1) Ионисторы с идеально поляризуемыми углеродными электродами («идеальный» ионистор, ионный конденсатор). Не используют электрохимических реакций, работают за счет ионного переноса между электродами. Некоторые варианты электролита: 30 % водный раствор КОН; 38 % водный раствор Н2SO4; органические электролиты.[3]

2) Ионисторы с идеально поляризуемым углеродным электродом и неполяризуемыми или слабо поляризуемыми катодом или анодом («гибридные» ионисторы). На одном электроде происходит электрохимическая реакция. Варианты: Ag(-) и твердый электролит RbAg4I5; 30 % водный раствор КОН и NiOOH(+)[3]

3) Псевдоконденсаторы — ионисторы, использующие обратимые электрохимические процессы на поверхности электродов. Имеют высокую удельную емкость. Электрохимическая схема: (-) Ni(H) / 30 % водный раствор КОН / NiОOH (+); (-) С(Н) / 38 % водный раствор Н2SO4 / PbSO4(РbO2) (+).[3]

Сравнения[править | править вики-текст]

С появлением ионисторов стало возможным использовать конденсаторы в электрических цепях не только как преобразующий элемент, но и как источник напряжения. Широко применяются в качестве замены батареек для хранения информации о параметрах изделия при отсутствии внешнего питания. Такие элементы имеют как несколько преимуществ, так и недостатков над обычными химическими источниками тока — гальваническими элементами и аккумуляторами:

Недостатки[править | править вики-текст]

  • Удельная энергия симметричных ионисторов меньше, чем у аккумуляторов (5-12 Вт·ч/кг при 200 Вт·ч/кг для литий-ионных аккумуляторов).
  • Напряжение зависит от степени заряженности.
  • Возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании.
  • Низкое рабочее напряжение по сравнению с другими типами конденсаторов (несколько вольт).
  • Значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд: порядка 1 мкА у ионистора 2 Ф × 2,5 В[4].

Преимущества[править | править вики-текст]

  • Большие максимальные токи зарядки и разрядки.
  • Простота зарядного устройства.
  • Малая деградация даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда. Проводились исследования по определению максимального числа циклов заряд-разряд. После 100 000 циклов не наблюдалось ухудшения характеристик.
  • Ионистор обладает длительным сроком службы.
  • Малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной ёмкости.
  • Низкая токсичность материалов (кроме органических электролитов).
  • Высокая эффективность (более 95 %)[источник не указан 827 дней].
  • Неполярность (хотя на ионисторах и указаны «+» и «−», это делается для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе).

Материалы[править | править вики-текст]

Электроды выполняют, как правило, путём использования пористых материалов, таких, как активированный уголь или вспененные металлы, вместо обычных изоляционных материалов. Общая площадь поверхности, даже в тонком слое такого материала, во много раз больше, чем в традиционных материалах, таких как алюминий, что позволило хранить заряд в любом объёме.

Плотность энергии[править | править вики-текст]

Плотность энергии ионисторов пока еще в несколько раз меньше возможностей аккумуляторов. Например, плотность энергии ионистора BCAP3000 3000Ф x 2.7В массой 0.51 кг составляет 21.4 кДж/кг. Это в 7.6 раз меньше плотности энергии свинцовых электролитических аккумуляторов, в 25 раз меньше литий-полимерных аккумуляторов, но в десятки раз больше плотности энергии электролитического конденсатора.

Плотность мощности ионистора зависит от внутреннего сопротивления. В последних моделях ионисторов внутреннее сопротивление достаточно мало, что позволяет получать мощность, сравнимую с аккумуляторной.

В 1997 году исследователи из CSIRO разработали супер-конденсатор, который мог хранить большой заряд за счёт использования плёночных полимеров в качестве диэлектрика. Электроды были изготовлены из углеродных нанотрубок. У обычных конденсаторов удельная энергия составляет 0,5 Вт·ч/кг, а у конденсаторов PET она была в 4 раза больше.[источник не указан 1725 дней]

В 2008 году индийские исследователи разработали опытный образец ионистора на основе графеновых электродов, обладающий удельной энергоёмкостью до 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30—40 Вт·ч/кг) [5].

В 2011 году корейские ученые под руководством профессора Чой Джунг Вук (Choi Jung-wook) разработали суперконденсатор, изготовленный с применением графена и азота, обеспечивающий удвоенную ёмкость по сравнению с традиционными источниками энергии того же класса. Улучшение электрических свойств элемента питания было достигнуто благодаря добавлению азота.[6]

Использование[править | править вики-текст]

Транспортные средства[править | править вики-текст]

Тяжелый и общественный транспорт[править | править вики-текст]

В настоящее время автобусы с питанием от ионисторов выпускаются фирмами Hyundai Motor и «Тролза».

Автобусы на ионисторах от Hyundai Motor представляют собой обыкновенные автобусы с электроприводом, питаемым от бортовых ионисторов. По задумке конструкторов из Hyundai Motor такой автобус будет заряжаться на каждой второй или каждой третьей остановке, причём длительности остановки достаточно для подзарядки автобусных ионисторов. Hyundai Motor позиционирует свой автобус на ионисторах как экономичную альтернативу троллейбусу (нет необходимости прокладывать контактную сеть) или дизельному (и даже водородному) автобусу (электроэнергия пока дешевле дизельного или водородного топлива).

Автобусы на ионисторах от «Тролзы» технически представляют собой «бесштанговые троллейбусы». То есть конструктивно это троллейбус, но без штанг питания от контактной сети и, соответственно, с питанием электропривода от ионисторов.

Но особенно перспективны ионисторы в качестве средства реализации системы автономного хода для обычных троллейбусов. Троллейбус, оборудованный ионисторами, по маневренности приближается к автобусу. В частности такой троллейбус может:

  • проходить отдельные короткие участки маршрута, не оборудованные контактной сетью (в том числе при необходимости двигаться в объезд, когда на каком-то участке маршрута движение по штатной трассе маршрута невозможно);
  • проходить места обрыва линии контактной сети;
  • возможность объезжать препятствия даже тогда, когда длина токоприёмных штанг не позволяет это сделать (водитель оборудованного ионисторами троллейбуса в этом случае просто опустит токоприёмные штанги и объедет препятствие, после чего вновь поднимет токоприёмные штанги и продолжит движение в штатном режиме);
  • отпадает надобность в развитии контактной сети в депо и на разворотных кольцах на конечных остановках — в депо и на разворотных кольцах оборудованные ионисторами троллейбусы маневрируют с опущенными токоприёмными штангами.

Таким образом троллейбусная система, эксплуатируя оборудованные ионисторами троллейбусы, по гибкости приближается к обычной автобусной.

Автомобильный[править | править вики-текст]

Ё-мобиль — проект автомобиля, разрабатывавшийся в Российской Федерации, использовал суперконденсатор как основное средство для накопления электрической энергии. Сами эти суперконденсаторы пока не выпускаются серийно и разрабатывались параллельно с автомобилем.

Существуют проекты, объединяющие суперконденсатор и химический аккумулятор в едином блоке, что взаимно компенсирует недостатки тех и других. В результате получается накопитель с большим сроком службы, меньшей стоимостью и большим запасом энергии, чем при использовании обычных аккумуляторов.

Автогонки[править | править вики-текст]

Система KERS, применяющаяся в «Формуле-1», использует именно ионисторы.

Бытовая электроника[править | править вики-текст]

Применяются для основного и резервного питания в фотовспышках, фонарях, карманных плеерах и автоматических коммунальных счётчиках — везде, где требуется быстро зарядить устройство. Лазерный детектор рака молочной железы на ионисторах заряжается за 2,5 минуты и работает 1 минуту.[7]

В 2007 году выпустили шуруповёрт, в котором ионисторы общей ёмкостью 55 фарад заряжаются 1,5 минуты. Заряда хватает на 22 шурупа.

В магазинах автоаксессуаров продаются ионисторы емкостью порядка 1Ф, предназначенные для питания автомагнитол (и аппаратуры, питаемой от разъёма прикуривателя) при выключенном зажигании и в период старта двигателя (на многих автомобилях на время работы стартёра отключаются все остальные потребители), а также для сглаживания скачков напряжения при пиковых нагрузках, например, работы мощных динамиков.

Перспективы развития[править | править вики-текст]

Согласно заявлениям сотрудников MIT 2006 года[8], ионисторы могут в скором времени заменить обычные аккумуляторы. Кроме того, в 2009 году были проведены испытания аккумулятора на основе ионистора, в котором в пористый материал были введены наночастицы железа. Полученный двойной электрический слой пропускал электроны в два раза быстрее за счет создания туннельного эффекта. Группа учёных из Техасского университета в Остине разработала новый материал, представляющий собой пористый объемный углерод. Полученный таким образом углерод обладал свойствами суперконденсатора. Обработка вышеописанного материала гидроксидом калия привела к созданию в углероде большого количества крохотных пор, которые в сочетании с электролитом смогли хранить в себе колоссальный электрический заряд.[9]

В 2013 году стало известно о разработке на мощностях ООО "Новосибирский завод радиодеталей «Оксид», входящего в холдинг «Росэлектроника», первых российских ионисторов[источник не указан 69 дней]. Цель предприятия — реализовать венчурный проект по покупке производственной линии и организации серийного производства ионисторов, для чего потребуются вложения в размере $6 624 000.[10]

В июне 2014 года к разработке российского ионистора подключились ученые Института химии твердого тела и механохимии СО РАН и компания «Яровит Инжиниринг».

В настоящее время создана одна из необходимых частей конденсатора — твердый нанокомпозиционный электролит с проводимостью по ионам лития. Ведётся разработка электродов для конденсатора. Одна из задач — уменьшить размеры ионистора за счет внутренней структуры.[11]

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. H. I. Becker: Low voltage electrolytic capacitor, U.S.-Patent 2800616
  2. R.A. Rightmire, , «Electrical energy storage apparatus», U.S. Patent 3288641
  3. 1 2 3 В. Кузнецов, О. Панькина, Н. Мачковская, Е. Шувалов, И. Востриков. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработка и производство. Компоненты и технологии № 6, 2005.
  4. Ионисторы Справочники Любительская Радиоэлектроника
  5. S.R.C.Vivekchand; Chandra Sekhar Rout, K.S.Subrahmanyam, A.Govindaraj and C.N.R.Rao (2008). «Graphene-based electrochemical supercapacitors». J. Chem. Sci., Indian Academy of Sciences 120, January 2008: 9−13.
  6. Корейские ученые разработали графеновый суперконденсатор для электромобилей / Новости hardware / 3DNews — Daily Digital Digest
  7. CiteSeerX — TurboCap: A Batteryless, Supercapacitor-based Power Supply for Mini-FDPM
  8. MIT разработал углеродную «мини-батарейку»
  9. Суперконденсаторы помогают усовершенствовать элементы питания :: Overclockers.ru
  10. Международный Центр развития внешнеэкономического торгово-промышленного сотрудничества — информация о проекте ООО "Новосибирский завод радиодеталей «Оксид»
  11. Ученые ИХТТМ СО РАН намерены создать суперконденсатор

Ссылки[править | править вики-текст]

В статье «Поедем на конденсаторе» (впервые опубликованной в журнале «Юный Техник» за декабрь 1990 года) приведен рецепт изготовления ионистора (там он назывался «ИОНИКС») своими руками для модели лодки с мотором.