Οικιακά ιονιστικά υψηλής χωρητικότητας. Ιονιστές (υπερπυκνωτές) - συσκευή, τύποι, εφαρμογή

Οι περισσότεροι σύγχρονοι πυκνωτές έχουν χωρητικότητα σε microfarads ή picofarads. Η χωρητικότητα των ιονιστών υπολογίζεται σε Farads.
Για να καταλάβετε πόσο είναι αυτό, μπορείτε να θυμηθείτε τον τύπο με τον οποίο μπορείτε να υπολογίσετε την απαιτούμενη χωρητικότητα ανάλογα με το φορτίο.

Οπου
C - χωρητικότητα, F;
I - σταθερό ρεύμα εκφόρτισης, A;
U - ονομαστική τάση του ιονιστή, V;
t - χρόνος εκφόρτισης από Unom στο μηδέν, s;

Τώρα στην αγορά υπάρχουν ήδη ιονιστές χωρητικότητας δεκάδων Farad.
Για παράδειγμα, υπάρχει ένας ιονιστής 5,5 Volt χωρητικότητας 22 Farads. Θα το φορτίσουμε πλήρως και θα συνδέσουμε μια λάμπα 1 Watt (5,5 Volts 0,18 Amperes).

Σύνολο:
22 Farad = 0,18 Ampere t / 5,5 Volt
t = 672 δευτερόλεπτα

Με βάση τον παραπάνω τύπο, ο λαμπτήρας μας θα καίει για 672 δευτερόλεπτα ή 12 λεπτά. Φαίνεται ότι αυτή δεν είναι τόσο μεγάλη τιμή, αλλά στην πραγματικότητα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολλά ιονιστικά ταυτόχρονα.
Για παράδειγμα, υπάρχουν υπερπυκνωτές με πολύ μεγαλύτερες χωρητικότητες.

Για παράδειγμα, το νέο ρωσικό αυτοκίνητο Yo-mobile χρησιμοποιεί πυκνωτές από τη διεύθυνση http://www.elton-cap.com/.
Οι ιονιστές αυτής της εταιρείας φτάνουν σε χωρητικότητα 10.000 Farads σε τάση 1,5 Volt. Παράγουν επίσης κυψέλες (modules) με αρκετούς ιονιστές χωρητικότητας 1000 Farads και τάση λειτουργίας 15 Volt.

Δυστυχώς, οι υπερπυκνωτές έχουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.

Οι υπερπυκνωτές είναι αρκετά ακριβοί και επομένως δεν ανταγωνίζονται τις μπαταρίες (συσσωρευτές), αφού οι πυκνωτές με χωρητικότητα ίση με τη χωρητικότητα μιας μπαταρίας θα σας κοστίσουν χιλιάδες δολάρια.
Παρόλα αυτά, η χρήση υπερπυκνωτών στα ηλεκτρονικά είναι κάτι παραπάνω από δικαιολογημένη.
- δυστυχώς, η τάση πέφτει στις επαφές των υπερπυκνωτών κατά τη διάρκεια ολόκληρου του κύκλου εκφόρτισης, επομένως αυτό δεν ισχύει για συσκευές που απαιτούν σταθερή τάση. Είναι δυνατό να χρησιμοποιήσετε σταθεροποιητή, αλλά η συσκευή θα καταναλώσει περισσότερη ενέργεια.
- δυστυχώς, ο υπερπυκνωτής δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί πλήρως μαζί με την μπαταρία. Εάν συνδέονται παράλληλα λόγω εσωτερικής αντίστασης, η μπαταρία θα παρέχει πάντα περισσότερο ρεύμα από τον πυκνωτή.
Επιπλέον, εάν ο καταναλωτής χρησιμοποιεί τροφοδοτικό μεταγωγής, σε εκείνες τις στιγμές που η μπαταρία και ο πυκνωτής αποσυνδέονται, η μπαταρία θα φορτίσει τον πυκνωτή και με υψηλά ρεύματα, μια ήπια λειτουργία για την μπαταρία απλά δεν θα λειτουργήσει.
Η μόνη διέξοδος είναι να χρησιμοποιήσετε ιονιστές ως πρόσθετη πηγή ενέργειας, δηλαδή να τους φορτίσετε όταν το δίκτυο δεν είναι φορτωμένο και να απελευθερώσετε πλήρως την ενέργειά τους στις κατάλληλες στιγμές και στη συνέχεια να συνδέσετε την μπαταρία όταν η ενέργεια έχει ήδη εξαντληθεί.
Αυτό περιπλέκει σημαντικά το σύστημα και, ως εκ τούτου, την τιμή τέτοιων συσκευών.
Ωστόσο, αυτοί οι πυκνωτές μπορούν ακόμα να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά σε συστήματα ανάκτησης ενέργειας.

Πολύ μεγάλος αριθμός κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης
+ υψηλά ρεύματα εξόδου
+ Οι υπερπυκνωτές φορτίζονται αρκετά γρήγορα (σχεδόν αμέσως ανάλογα με το πόσο ρεύμα μπορεί να παρέχει ο φορτιστής)
+ Οι υπερπυκνωτές είναι πολύ μικρότεροι από τους συμβατικούς πυκνωτές και ταυτόχρονα έχουν πολύ μεγαλύτερη χωρητικότητα.
+ ευρύ φάσμα θερμοκρασιών λειτουργίας (από -50 έως + 50 βαθμούς Κελσίου)

Οι υπερπυκνωτές μπορεί να είναι το μέλλον, αλλά δυστυχώς αυτή τη στιγμή είναι απίθανο να αντικαταστήσουν πλήρως τις μπαταρίες.

Αν και ορισμένα αυτοκίνητα αντικαθιστούν ήδη τις μπαταρίες εκκίνησης με υπερπυκνωτές, οι οποίοι εκτελούν τις λειτουργίες τους πολύ πιο αποτελεσματικά. Συγκεκριμένα, παρέχουν άμεσα πολύ μεγάλα ρεύματα, τα οποία είναι απαραίτητα για την επιτυχή εκκίνηση του κινητήρα, ειδικά σε κρύο καιρό.

Τον περασμένο αιώνα, ο Αμερικανός χημικός Reitmeier έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μια συσκευή που αποθηκεύει ηλεκτρική ενέργεια με διπλό ηλεκτρικό στρώμα. Σήμερα μια τέτοια συσκευή ονομάζεται ιονιστής. Σε διαφορετικές πηγές μπορεί να έχουν διαφορετικά ονόματα: υπερπυκνωτές, υπερπυκνωτές. Μοιάζουν σε μέγεθος και εμφάνιση με τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, με τη διαφορά να είναι μεγαλύτερη χωρητικότητα.

Σε ξένες χώρες έχουν μια σύντομη ονομασία - EDLC, που μεταφράζεται από τα αγγλικά σημαίνει: ένας πυκνωτής με διπλό ηλεκτρικό στρώμα. Στην πραγματικότητα, ο ιονιστής είναι ένα είδος υβριδίου μπαταρίας και πυκνωτή.

Συσκευή και αρχή λειτουργίας

Εάν συγκρίνουμε το σχέδιο ενός ιονιστή με το σχέδιο ενός πυκνωτή, η διαφορά έγκειται στην απουσία διηλεκτρικού στρώματος στον ιονιστή. Οι πλάκες είναι ουσίες που έχουν φορείς φορτίου αντίθετου πρόσημου.

Η χωρητικότητα οποιουδήποτε πυκνωτή, καθώς και ενός ιονιστή, εξαρτάται από το μέγεθος των πλακών. Επομένως, ο ιονιστής έχει πλάκες από ενεργό άνθρακα ή αφρώδες άνθρακα. Με αυτόν τον τρόπο, λαμβάνεται μια σημαντική περιοχή τροποποιημένων πλακών. Τα καλώδια ιονιστή διαχωρίζονται από έναν διαχωριστή που τοποθετείται στον ηλεκτρολύτη. Έχουν σχεδιαστεί για να αποτρέπουν πιθανά βραχυκυκλώματα. Σύνθεση ηλεκτρολυτών: αλκάλια και οξέα σε στερεή και κρυσταλλική μορφή.

Εάν χρησιμοποιείτε κρυσταλλικό στερεό ηλεκτρολύτη με βάση το ιώδιο, το άργυρο και το ρουβίδιο, μπορείτε να δημιουργήσετε έναν ιονιστή με υψηλή χωρητικότητα, χαμηλή αυτοεκφόρτιση και ικανό να λειτουργεί σε χαμηλές θερμοκρασίες. Είναι δυνατή η παραγωγή παρόμοιων υπερπυκνωτών με βάση έναν ηλεκτρολύτη από διάλυμα θειικού οξέος. Τέτοιες συσκευές έχουν χαμηλή εσωτερική αντίσταση, αλλά και χαμηλή τάση λειτουργίας 1 βολτ. Επί του παρόντος, ιονιστές που περιέχουν ηλεκτρολύτες από οξέα και αλκάλια πρακτικά δεν κατασκευάζονται, καθώς έχουν αυξημένες τοξικές ιδιότητες.

Ως αποτέλεσμα ηλεκτροχημικών αντιδράσεων, ένας μικρός αριθμός ηλεκτρονίων απομακρύνεται από τους πόλους της συσκευής, παρέχοντάς τους θετικό φορτίο. Τα αρνητικά ιόντα στον ηλεκτρολύτη έλκονται από τους πόλους που έχουν θετικό φορτίο. Ως αποτέλεσμα, δημιουργείται ένα ηλεκτρικό στρώμα.

Το φορτίο σε έναν υπερπυκνωτή αποθηκεύεται στη διεπαφή μεταξύ του πόλου άνθρακα και του ηλεκτρολύτη. Το ηλεκτρικό στρώμα που σχηματίζεται από κατιόντα και ανιόντα έχει πολύ μικρό πάχος, ίσο με 1 έως 5 νανόμετρα, το οποίο μπορεί να αυξήσει σημαντικά τη χωρητικότητα του υπερπυκνωτή.

Ταξινόμηση

• Ιδανικό.Πρόκειται για ιοντικούς πυκνωτές με τέλεια πολωμένα ηλεκτρόδια που αποτελούνται από άνθρακα. Τέτοιοι υπερπυκνωτές λειτουργούν όχι λόγω ηλεκτροχημικών αντιδράσεων, αλλά λόγω της μεταφοράς ιόντων μεταξύ των ηλεκτροδίων. Οι ηλεκτρολύτες μπορεί να αποτελούνται από αλκάλιο καλίου, θειικό οξύ και οργανικές ουσίες.
• Υβρίδιο.Αυτοί είναι υπερπυκνωτές με ένα τέλεια πολώσιμο ηλεκτρόδιο από άνθρακα και μια ασθενώς πολούμενη άνοδο ή κάθοδο. Το έργο τους βασίζεται εν μέρει σε μια ηλεκτροχημική αντίδραση.
• Ψευδοπυκνωτές. Πρόκειται για συσκευές που συσσωρεύουν φορτίο χρησιμοποιώντας αναστρέψιμες ηλεκτροχημικές αντιδράσεις στην επιφάνεια των ηλεκτροδίων. Έχουν αυξημένη ειδική χωρητικότητα.

Παράμετροι λειτουργίας ιονιστών

• Χωρητικότητα.
• Υψηλότερο ρεύμα εκφόρτισης.
• Εσωτερική αντίσταση.
• Μετρημένη ηλεκτρική τάση.
• Χρόνος εκφόρτισης.

Οι οδηγίες για έναν υπερπυκνωτή συνήθως υποδεικνύουν την τιμή της εσωτερικής αντίστασης σε συχνότητα ρεύματος 1 kilohertz. Όσο χαμηλότερη είναι η εσωτερική τους αντίσταση, τόσο πιο γρήγορα γίνεται η φόρτιση.

Εικόνα στα διαγράμματα

Στα ηλεκτρικά διαγράμματα, οι ιονιστές απεικονίζονται ως ηλεκτρολυτικός πυκνωτής και μπορούν να διακριθούν μόνο από την τιμή των ονομαστικών τους παραμέτρων.

Εάν, για παράδειγμα, το διάγραμμα δείχνει την τιμή χωρητικότητας 1 Farad, τότε είναι αμέσως σαφές ότι εμφανίζεται ένας ιονιστής, καθώς δεν υπάρχουν τέτοιοι μεγάλοι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές. Η τάση ενός υπερπυκνωτή μπορεί επίσης να υποδεικνύει τη διαφορά του από έναν ηλεκτρολυτικό πυκνωτή, αφού συνήθως είναι μια μικρή τιμή λίγων βολτ (1 έως 5 V). Οι ιονιστές δεν μπορούν να λειτουργήσουν σε υψηλή τάση.

Πλεονεκτήματα

• Εάν συγκρίνουμε τους υπερπυκνωτές με τις μπαταρίες, οι πρώτοι είναι ικανοί να παρέχουν σημαντικά μεγαλύτερο αριθμό κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης.
• Ο κύκλος φόρτισης και εκφόρτισης πραγματοποιείται σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, γεγονός που καθιστά δυνατή τη χρήση τους σε καταστάσεις όπου οι μπαταρίες δεν μπορούν να εγκατασταθούν λόγω του μεγάλου χρόνου φόρτισής τους.
• Οι συσκευές αυτού του τύπου έχουν πολύ μικρότερο βάρος και συνολικές διαστάσεις.
• Δεν απαιτείται ειδική χρέωση για την εκτέλεση της φόρτισης, γεγονός που απλοποιεί τη συντήρηση.
• Η διάρκεια ζωής των υπερπυκνωτών είναι σημαντικά μεγαλύτερη σε σύγκριση με τις μπαταρίες και τους πυκνωτές ισχύος.
• Ευρύ εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας από -40 έως +70 βαθμούς.

Ελαττώματα

• Χαμηλή ονομαστική τάση. Αυτό το ζήτημα επιλύεται συνδέοντας πολλούς υπερπυκνωτές σε σειρά, όπως και αρκετοί συνδέονται για να αυξήσουν την τάση.
• Αυξημένη τιμήσε τέτοιες συσκευές συμβάλλει στην αύξηση της τιμής των προϊόντων στα οποία χρησιμοποιούνται. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, αυτό το πρόβλημα σύντομα θα καταστεί άσχετο, καθώς οι τεχνολογίες αναπτύσσονται συνεχώς και το κόστος τέτοιων συσκευών μειώνεται.
• Οι ιονιστές δεν είναι ικανοί να αποθηκεύουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας, αφού έχουν χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα και δεν μπορούν να έχουν ισχύ συγκρίσιμη με τις μπαταρίες. Αυτό επηρεάζει αρνητικά την περιοχή χρήσης τους. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να λυθεί εν μέρει με τη σύνδεση πολλών ιονιστών μαζί σε ένα παράλληλο κύκλωμα.
• Η ανάγκη διατήρησης της πολικότηταςόταν συνδέεται.
• Δεν επιτρέπεται βραχυκύκλωμαμεταξύ των ηλεκτροδίων, καθώς αυτό θα αυξήσει σημαντικά τη θερμοκρασία του υπερπυκνωτή και μπορεί να αποτύχει.
• Οι ιονιστές λειτουργούν καλά σε κυκλώματα παλμικού και συνεχούς ρεύματος. Αλλά με παλμικό ρεύμα υψηλής συχνότητας αυτοί ζεσταίνονται πολύλόγω της υψηλής εσωτερικής τους αντίστασης, η οποία συχνά οδηγεί σε αστοχία.

Εφαρμογή

Οι υπερπυκνωτές βρίσκονται συχνά σε ψηφιακό εξοπλισμό. Παίζουν το ρόλο ενός εφεδρικού τροφοδοτικού, μικροκυκλώματος κ.λπ. Χρησιμοποιώντας μια τέτοια πηγή, όταν η κύρια τροφοδοσία είναι απενεργοποιημένη, ο εξοπλισμός μπορεί να αποθηκεύσει ρυθμίσεις και να παρέχει ισχύ στο ενσωματωμένο ρολόι. Για παράδειγμα, ορισμένες συσκευές αναπαραγωγής ήχου χρησιμοποιούν έναν μικροσκοπικό υπερπυκνωτή.

Κατά την αντικατάσταση μπαταριών ή συσσωρευτών στη συσκευή αναπαραγωγής, ενδέχεται να χαθούν οι ρυθμίσεις συχνότητας του ραδιοφωνικού σταθμού και του ρολογιού. Χάρη στον ενσωματωμένο ιονιστή αυτό δεν συμβαίνει. Τροφοδοτεί το ηλεκτρονικό κύκλωμα. Η χωρητικότητά του είναι πολύ μικρότερη από την μπαταρία, αλλά διαρκεί αρκετές ημέρες για να κρατήσει το ρολόι και τις ρυθμίσεις σε λειτουργία.

Οι υπερπυκνωτές χρησιμοποιούνται επίσης για τη λειτουργία χρονομετρητών τηλεόρασης, φούρνων μικροκυμάτων και πολύπλοκου ιατρικού εξοπλισμού.

Υπήρξαν περιπτώσεις πειραματικής χρήσης ιονιστών, για παράδειγμα, για το σχεδιασμό ενός ηλεκτρομαγνητικού όπλου, το οποίο ονομάζεται όπλο Gauss.

Στην καθημερινή ζωή, οι ιονιστές χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα φακών LED χαμηλής ισχύος. Μπορεί να φορτιστεί χρησιμοποιώντας ηλιακά κύτταρα.

Μίζα άλματος αυτοκινήτου

Ένα δημοφιλές παράδειγμα χρήσης ενός ισχυρού ιονιστή είναι μια συσκευή εκκίνησης για έναν κινητήρα αυτοκινήτου.

Αυτό το κύκλωμα εκτελείται σε επιβατικά αυτοκίνητα οποιασδήποτε μάρκας με τάση δικτύου 12 βολτ.

• 1 – θετική επαφή της μπαταρίας.
• 2 – επαφή γείωσης (αρνητικός πόλος).
• 3 – ακροδέκτης διακόπτη ανάφλεξης.
• B1 – μπαταρία.
• Ks – διακόπτης ανάφλεξης.
• K1 και K1.1 – επαφέας με κλειδί ελέγχου.
• C – ιονιστής.
• Rс – αντίσταση για τον περιορισμό του ρεύματος φόρτισης του υπερπυκνωτή.

Το κύκλωμα χρησιμοποιεί έναν ιονιστή με τις ακόλουθες παραμέτρους:

• Μέγιστη τάση 15 βολτ.
• Εσωτερική αντίσταση 0,0015 Ohm.
• Χωρητικότητα 216 Farad.
• Ρεύμα λειτουργίας 2000 αμπέρ.

Αυτή η συσκευή εκκίνησης είναι αρκετή για να ξεκινήσει ένας κινητήρας με ισχύ έως 150 ίππους. Με. Ο υπερπυκνωτής μπορεί να λάβει πλήρη φόρτιση σε πέντε δευτερόλεπτα. Μια τέτοια συσκευή μπορεί να βρεθεί στην πώληση, αλλά η κατασκευή της μόνοι σας είναι πολύ φθηνότερη.

Κατά το σχεδιασμό σύγχρονων ηλεκτρονικών συσκευών και συσκευών, ο προγραμματιστής αντιμετωπίζει αρκετά συχνά το ζήτημα της εφεδρικής ή αυτόνομης τροφοδοσίας για τη συσκευή του. Κατά κανόνα, ανάλογα με τη φύση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας και των εργασιών, σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιούνται ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές, επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ή μπαταρίες. Ωστόσο, η χρήση των παραπάνω συσκευών ή ο συνδυασμός τους, λόγω των ιδιαιτεροτήτων της κάθε συσκευής, δεν λύνει πάντα πλήρως το πρόβλημα.

Κατά την εφαρμογή αυτόνομης τροφοδοσίας, αρκετά συχνά είναι επίσης απαραίτητο να εφαρμόζονται αρχικά μεγάλα βραχυπρόθεσμα ρεύματα (για παράδειγμα, ένα ηλεκτρικό εργαλείο χειρός που λειτουργεί με μπαταρία) και δεν είναι δυνατή η διαχείριση μόνο με μπαταρία. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήστε έναν συνδυασμό μπαταρίας (ή μπαταρίας)/ηλεκτρολυτικού πυκνωτή. Ο συσσωρευτής ή η μπαταρία παρέχει μακροπρόθεσμη, μη πτητική ισχύ και ο ηλεκτρολυτικός πυκνωτής παρέχει βραχυπρόθεσμα υψηλό ρεύμα στο φορτίο. Σχετικά πρόσφατα, εμφανίστηκε μια νέα κατηγορία συσκευών - ιονιστές. Σε αντίθεση με τις μπαταρίες, τους συσσωρευτές ή τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, οι οποίοι χρησιμοποιούν μη αναστρέψιμες, αναστρέψιμες χημικές αντιδράσεις ή το κλασσικό φορτίο πυκνωτή, αντίστοιχα, οι υπερπυκνωτές χρησιμοποιούν μηχανισμό «διπλής ηλεκτρικής στρώσης». Οι ιονιστές έχουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις παραπάνω συσκευές: μεγάλο εύρος θερμοκρασίας, μεγάλη χωρητικότητα, υψηλή αντίσταση μόνωσης (χαμηλά ρεύματα διαρροής), μεγάλη διάρκεια ζωής, δεν χρειάζεται έλεγχος της διαδικασίας φόρτισης, έως και αρκετές δεκάδες χιλιάδες φόρτιση/εκφόρτιση κύκλους.

Σήμερα, οι ιονιστές παράγονται από πολλούς κατασκευαστές, εγχώριους και ξένους. Αυτό το άρθρο χρησιμοποιεί υλικά από την Panasonic και χρησιμοποιώντας το παράδειγμα ιονιστών αυτής της εταιρείας, η οποία έλαβε την επωνυμία Gold Capacitors (Gold Cap), θα εξετάσουμε τη φυσική και την αρχή λειτουργίας τους, πιθανές επιλογές σχεδίασης και ισοδύναμα κυκλώματα, χαρακτηριστικά και παραμέτρους , καθώς και συστάσεις για πιθανές εφαρμογές .

Φυσικοχημικές αρχές λειτουργίας ιονιστή

Είναι γνωστό ότι οι συμβατικοί πυκνωτές έχουν ένα πολυστρωματικό ή μονολιθικό διηλεκτρικό μεταξύ δύο πλακών. Ένας ηλεκτρολυτικός πυκνωτής αλουμινίου, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί ένα φιλμ οξειδίου του αλουμινίου ως διηλεκτρικό στρώμα, ενώ ένας πυκνωτής τανταλίου χρησιμοποιεί ένα φιλμ οξειδίου του τανταλίου. Ο ιονιστής δεν έχει διηλεκτρικό στρώμα, χρησιμοποιεί έναν φυσικό μηχανισμό για το σχηματισμό ενός διπλού ηλεκτρικού στρώματος, το οποίο λειτουργεί παρόμοια με ένα φορτισμένο διηλεκτρικό. Η διαδικασία φόρτισης/εκφόρτισης λαμβάνει χώρα σε ένα στρώμα ιόντων που σχηματίζεται στις επιφάνειες των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων, για παράδειγμα, από ενεργό άνθρακα (Εικ. 1). Υπό την επίδραση μιας εφαρμοζόμενης τάσης, ανιόντα και κατιόντα μετακινούνται στο αντίστοιχο ηλεκτρόδιο και συσσωρεύονται στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, σχηματίζοντας έτσι ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα με το φορτίο του ηλεκτροδίου. Ως αποτέλεσμα, εμφανίστηκε το όνομα "ηλεκτρικός πυκνωτής διπλής στρώσης" (EDLC).

Ρύζι. 1. Σχηματισμός διπλού ηλεκτρικού στρώματος στις επιφάνειες θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων, για παράδειγμα, από ενεργό άνθρακα

Αρχή λειτουργίας και πιθανά σχέδια

Υπάρχουν δύο τύποι ηλεκτρολυτών που χρησιμοποιούνται συχνότερα από τους κατασκευαστές ιονιστών σήμερα: υδατικοί (υδατοδιαλυτοί) και οργανικοί (αδιάλυτοι στο νερό). Ένας άνυδρος ηλεκτρολύτης σάς επιτρέπει να εφαρμόσετε τάση έως και 3 V στο στοιχείο ιονιστή, η οποία είναι διπλάσια σε σύγκριση με έναν υδατοδιαλυτό ηλεκτρολύτη, για τον οποίο αυτή η τάση δεν υπερβαίνει το 1,5 V. Στην περίπτωση αυτή, η διπλή ηλεκτρική Το στρώμα λειτουργεί ως μονωτικό στρώμα και δεν επιτρέπει τη ροή ρεύματος. Σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο τάσης ορισμένης πολικότητας, το ρεύμα θα αρχίσει να ρέει λόγω ηλεκτροχημικών διεργασιών. Το μέγεθος αυτής της τάσης ονομάζεται «τάση αποσύνθεσης» ή «ηλεκτροχημική τάση αποσύνθεσης του ηλεκτρολύτη». Μια περαιτέρω αύξηση της τάσης θα προκαλέσει την εντατική αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη, οδηγώντας στην εμφάνιση πρόσθετου ρεύματος και ο ιονιστής θα αποτύχει. Επομένως, κατά τη φόρτιση, η τάση που εφαρμόζεται στον ιονιστή περιορίζεται από την τάση αποσύνθεσης, ως αποτέλεσμα της οποίας οι ιονιστές συνδέονται αρκετά συχνά σε σειρά.

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, θετικά και αρνητικά φορτία σχηματίζονται στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου, σχηματίζοντας έτσι ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα με το φορτίο του ηλεκτροδίου. Η διεπαφή σε αυτή την περίπτωση θα είναι ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα (Εικ. 2α). Αυτή η περιοχή αυξάνεται όταν εφαρμόζεται υψηλότερη τάση (Εικ. 2β) και το συσσωρευμένο φορτίο αυξάνεται. Το πάχος του ηλεκτρικού διπλού στρώματος είναι πολύ μικρό και συγκρίσιμο με το μέγεθος του μορίου, δηλαδή περίπου 5–10 nm. Ως ηλεκτρόδια, για παράδειγμα, οι ιονιστές Panasonic χρησιμοποιούν ενεργό άνθρακα (με τη μορφή λεπτού κλάσματος), κατασκευασμένο με ειδική τεχνολογία σκόνης και έναν οργανικό ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης διεισδύει ανάμεσα στα σωματίδια ενεργού άνθρακα και έτσι το ηλεκτρόδιο «εμποτίζεται» με τον ηλεκτρολύτη. Η συνολική χωρητικότητα του ιονιστή μπορεί να φανταστεί ως ένας μεγάλος αριθμός μικρών πυκνωτών, όπου κάθε σωματίδιο ενεργού άνθρακα είναι ένα είδος ηλεκτροδίου για έναν μικρό πυκνωτή με χωρητικότητα λόγω του διπλού ηλεκτρικού στρώματος.

Ρύζι. 2. Σχηματισμός ηλεκτρικού διπλού στρώματος (α) και αύξηση φόρτισης όταν εφαρμόζεται τάση (β)

Η συνολική χωρητικότητα του ιονιστή μπορεί να αναπαρασταθεί ως:

Οπου ρε- πάχος ηλεκτρικής διπλής στρώσης 5–10 nm, μικρόείναι η συνολική επιφάνεια του ηλεκτροδίου ενεργού άνθρακα.

Δεδομένου ότι το ηλεκτρόδιο ιονιστή είναι μια συλλογή από έναν τεράστιο αριθμό σωματιδίων ενεργού άνθρακα, έχει μια πολύ μεγάλη «ανεπτυγμένη» επιφάνεια, έως περίπου 2500–3000 cm²/g. Αυτό σας επιτρέπει να αποκτήσετε χωρητικότητα έως και αρκετές δεκάδες φαράντ.

Στο Σχ. Το σχήμα 3 δείχνει ένα από τα πιθανά σχέδια του ιονιστή σε διατομή χρησιμοποιώντας το παράδειγμα της σειράς EN Panasonic. Για την αποφυγή της διείσδυσης ιόντων, ένας «διαχωριστής» με καλές μονωτικές ιδιότητες βρίσκεται ανάμεσα στα ηλεκτρόδια, ο οποίος βοηθά στην αποφυγή βραχυκυκλωμάτων μεταξύ των ηλεκτροδίων.

Ρύζι. 3. Ένα από τα πιθανά σχέδια του ιονιστή σε διατομή χρησιμοποιώντας το παράδειγμα της σειράς EN Panasonic

Ισοδύναμο κύκλωμα

Δεδομένου ότι ένα διπλό ηλεκτρικό στρώμα σχηματίζεται στην επιφάνεια του ενεργού άνθρακα, ο οποίος έρχεται σε επαφή με τον ηλεκτρολύτη, ένα ισοδύναμο κύκλωμα που χρησιμοποιεί συμβατικούς πυκνωτές μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ιονιστές (Εικ. 4). Κάθε μικρός πυκνωτής που βασίζεται στη δομή σωματιδίου ενεργού άνθρακα/ηλεκτρολύτη θα έχει διπλή χωρητικότητα ηλεκτρικής στρώσης - Cn. Οι τιμές της αντίστασης φόρτισης R sn κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης και της αντίστασης των μη αντισταθμιζόμενων ιόντων R ln μπορούν να αυξηθούν ή να μειωθούν ανάλογα με την απόσταση μεταξύ των ηλεκτροδίων που φέρουν ρεύμα, την ταχύτητα κίνησης των ιόντων, την αντίσταση επαφής μεταξύ σωματιδίων ενεργού άνθρακα και άλλων παραμέτρων.

Ρύζι. 4. Σχηματική αναπαράσταση της πολυστρωματικής δομής ενεργού άνθρακα/ηλεκτρολύτη

Ένα ισοδύναμο κύκλωμα ενός ιονιστή που βασίζεται σε μια παράλληλη σύνδεση αντιστάσεων και χωρητικοτήτων μικρών πυκνωτών φαίνεται στο Σχ. 5α. Τα R 1 , R 2 και R n είναι αντιστάσεις μόνωσης (εσωτερική αντίσταση σωματιδίων ενεργού άνθρακα), C 1 , C 2 και C n είναι η αντίστοιχη χωρητικότητα του διπλού ηλεκτρικού στρώματος για τις αντιστάσεις R 1 , R 2 και R n .

Ρύζι. 5. Επιλογές για ένα ισοδύναμο κύκλωμα ιονιστή με βάση μικρούς πυκνωτές διπλού ηλεκτρικού στρώματος από κάθε σωματίδιο ενεργού άνθρακα και αντίσταση μόνωσης (αντίσταση σωματιδίων ενεργού άνθρακα) (α) και λαμβάνοντας υπόψη την αντίσταση των ηλεκτροδίων και του διαχωριστή ( σι)

Εάν εφαρμοστεί τάση (V) στο ισοδύναμο κύκλωμα που φαίνεται στο Σχ. 5b, το οποίο λαμβάνει υπόψη την αντίσταση των ηλεκτροδίων και του διαχωριστή, στη συνέχεια το ρεύμα φόρτισης ( Εγώ) μπορεί να περιγραφεί σύμφωνα με:

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι όταν το ρεύμα φόρτισης (i) μειωθεί, ο χρόνος φόρτισης θα αυξηθεί. Το ρεύμα φόρτισης, σύμφωνα με την εξίσωση (2), θα παριστάνεται γραφικά ως ευθεία γραμμή. Ωστόσο, στην πραγματικότητα, η καμπύλη ρεύματος φόρτισης είναι εκθετικής φύσης (Εικ. 6a, b). Το ρεύμα (i) εντός του ιονιστή μπορεί να αναπαρασταθεί ως το άθροισμα των ρευμάτων που διαρρέουν κάθε έναν από τους μικρούς πυκνωτές (Εικ. 6b, 7a). Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι εάν η σταθερά χρόνου CxR είναι μικρή, ο χρόνος φόρτισης θα είναι επίσης μικρός και αντίστροφα, εάν η τιμή CxR είναι μεγάλη, ο χρόνος φόρτισης θα είναι μεγάλος. Δηλαδή, εάν ο χρόνος φόρτισης περιορίζεται σε λίγα λεπτά ή η πηγή φόρτισης είναι περιορισμένη, ο υπερπυκνωτής δεν μπορεί να φορτίσει αρκετά ώστε να αποθηκεύσει τη δεδομένη ενέργεια για τον απαιτούμενο χρόνο.

Ρύζι. 6. Εξάρτηση του ρεύματος φόρτισης από το χρόνο φόρτισης: α) υπολογισμένες και πραγματικές εξαρτήσεις. β) ως το άθροισμα των ρευμάτων που διέρχονται από μικρούς πυκνωτές

Ρύζι. 7. Ισοδύναμο κύκλωμα με τιμές τάσης αμέσως μετά τη διαδικασία φόρτισης και μετά την εκφόρτιση (α) και μείωση της τάσης στην αρχή της λειτουργίας λόγω ανεπαρκούς φόρτισης μικρών πυκνωτών (β)

Ηλεκτρικές, λειτουργικές παράμετροι και αξιοπιστία ιονιστών

Χωρητικότητα

Κάτω από παρόμοιες συνθήκες λειτουργίας και δοκιμής, η χωρητικότητα του υπερπυκνωτή είναι παρόμοια με την πραγματική χωρητικότητα της μπαταρίας. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ο υπερπυκνωτής μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένα ισοδύναμο κύκλωμα μικρών πυκνωτών που έχουν διαφορετικές τιμές αντίστασης. Εάν η αρχική τάση φόρτισης είναι χαμηλότερη από την τάση πλήρους φόρτισης (V 0), τότε στην αρχή της μέτρησης της χωρητικότητας μετά την αφαίρεση της τάσης φόρτισης, η τάση στον ιονιστή θα πέσει (Εικ. 8). Αυτό οφείλεται στην παρουσία ατελώς φορτισμένων μικρών πυκνωτών με υψηλή εσωτερική αντίσταση. Ωστόσο, αυξάνοντας το χρόνο φόρτισης, αυτοί οι μικροί πυκνωτές με υψηλή εσωτερική αντίσταση θα φορτιστούν, με αποτέλεσμα την αύξηση της μετρούμενης χωρητικότητας.

Ρύζι. 8. Εξάρτηση της τάσης του ιονιστή από το χρόνο

Η χωρητικότητα του υπερπυκνωτή μπορεί να εκτιμηθεί ως εξής:

Οπου ΜΕ- ηλεκτροστατική χωρητικότητα (F), Εγώ- ρεύμα δοκιμής (A), V 1 –V 2 - εύρος τάσης δοκιμής, (V) t- χρόνος (γ). Η χωρητικότητα, φυσικά, εξαρτάται από το ρεύμα. Εάν το ρεύμα εκφόρτισης είναι μεγάλο ή ο πυκνωτής έχει αποφορτιστεί για μεγάλο χρονικό διάστημα, η προκύπτουσα χωρητικότητα θα είναι μικρή. Αντίθετα, εάν το ρεύμα εκφόρτισης είναι μικρό ή ο πυκνωτής έχει εκφορτιστεί για σύντομο χρονικό διάστημα, η μετρούμενη ηλεκτροστατική χωρητικότητα θα είναι μεγάλη. Επομένως, για να έχουμε αναπαραγώγιμες μετρήσεις, χρησιμοποιείται τυπικό ρεύμα εκφόρτισης 1 mA/F.

Εσωτερική αντίσταση

Η εσωτερική αντίσταση ενός υπερπυκνωτή, για παράδειγμα, σε σύγκριση με τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, είναι υψηλή, αφού το ισοδύναμο κύκλωμα ενός υπερπυκνωτή αποτελείται από συνδέσεις μεγάλου αριθμού μικρών πυκνωτών με διαφορετικές τιμές εσωτερικής αντίστασης. Συνήθως οι τιμές αυτών των αντιστάσεων μπορούν να αναπαρασταθούν για μια σταθερή τάση. Αλλά για να λάβετε την πραγματική τους τιμή, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε τη σύνθετη αντίσταση Z (για παράδειγμα, στο 1 kHz). Εάν το ρεύμα μετρηθεί από 30 έως 60 λεπτά μετά την εφαρμογή της ονομαστικής τάσης, θα είναι αρκετά μεγάλο, έως 10 μA, λόγω του γεγονότος ότι αυτό το ρεύμα είναι το άθροισμα των ρευμάτων φόρτισης που διαρρέουν τους μικρούς πυκνωτές. Δεδομένου ότι είναι εξαιρετικά δύσκολο να προσδιοριστούν τα ρεύματα διαρροής σε ιονιστές, συνήθως δεν αναφέρονται στην τεκμηρίωση. Χρειάζονται τουλάχιστον 10 ώρες για την πλήρη φόρτιση του πυκνωτή, ώστε να είναι δυνατή η αξιολόγηση του ρεύματος διαρροής.

Χαρακτηριστικά φόρτισης

Το χαρακτηριστικό φόρτισης του ιονιστή, με την επιφύλαξη ορισμένων υποθέσεων, μπορεί να αναπαρασταθεί με την έκφραση (4):

Στο Σχ. Το σχήμα 9α δείχνει την εξάρτηση της τάσης στον υπερπυκνωτή Panasonic EECF5R5U104 από το χρόνο φόρτισης σε διαφορετικές αντιστάσεις φορτίου. Καθώς η αντίσταση αυξάνεται, το χαρακτηριστικό γίνεται πιο επίπεδο και ο χρόνος φόρτισης αυξάνεται.

Ο χρόνος εκφόρτισης για σταθερό ρεύμα και σταθερή αντίσταση φορτίου κατά την εκφόρτιση δίνονται στις εκφράσεις (5) και (6), αντίστοιχα:

Οπου: t- χρόνος, ΜΕ- χωρητικότητα, V 0 - εσωτερική τάση, V 1 - τάση μετά t(Με), Εγώ- ρεύμα φόρτωσης, R- αντίσταση φορτίου.

Στο Σχ. Το σχήμα 9β δείχνει την εξάρτηση της τάσης του ιονιστή Panasonic EECF5R5U104 από το χρόνο εκφόρτισης σε διαφορετικούς χρόνους φόρτισης. Μπορεί να φανεί ότι, για παράδειγμα, όταν ο χρόνος διαδικασίας φόρτισης αλλάζει από μία ώρα σε 100 ώρες, η τάση στην πραγματικότητα αλλάζει από 2,5 σε 2,8 V, δηλαδή, η διαδικασία φόρτισης του ιονιστή μπορεί να είναι πολύ γρήγορη.

Ρύζι. 9. Εξάρτηση της τάσης ιονιστή από το χρόνο φόρτισης σε διαφορετικές αντιστάσεις (α) και το χρόνο εκφόρτισης σε διαφορετικούς χρόνους φόρτισης (β)

Χαρακτηριστικά απόρριψης και αυτοεκφόρτισης

Τα χαρακτηριστικά εκφόρτισης του ιονιστή, λαμβάνοντας υπόψη το (3), μπορούν να παρουσιαστούν ως εξής:

Τα χαρακτηριστικά αυτοεκφόρτισης του ιονιστή μπορούν να παρουσιαστούν ως εξής:

Οπου R L- αντίσταση μόνωσης (το άθροισμα των αντιστάσεων των σωματιδίων ενεργού άνθρακα του ηλεκτροδίου).

Εκτιμώμενη διάρκεια ζωής, διάρκεια ζωής και t back-up

Η αναμενόμενη διάρκεια ζωής μπορεί να εκτιμηθεί ως εξής:

Η διάρκεια ζωής του ιονιστή περιορίζεται συνήθως από το χρόνο t backup, το οποίο καθορίζεται σύμφωνα με τις συνθήκες λειτουργίας. t backup(Χρόνος δημιουργίας αντιγράφων ασφαλείας) - αυτή είναι η στιγμή που το ιονιστή λειτουργεί ως εφεδρική πηγή ισχύος μεταξύ των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης.

Για παράδειγμα, ας υπολογίσουμε t backupγια ιονιστή τύπου F Panasonic, EECF5R5H105 (5,5 V, 1,0 F), πλήρης φόρτιση σε τάση 5,0 V DC, ρεύμα εκφόρτισης 10 μA. Η θερμοκρασία κατά την εκφόρτιση είναι –40 °C, η τάση στην οποία εκφορτίζεται ο ιονιστής είναι 2 V.

Παράμετρος t backupμπορεί να υπολογιστεί ως εξής:

Οπου ντο- χωρητικότητα ιονιστή (F), Εγώ- ρεύμα κατά τη διάρκεια t backup(ΕΝΑ), εγώ Λ- ρεύμα διαρροής (A), R- εσωτερική αντίσταση του ιονιστή (Ohm στο 1 kHz), V 1 - τάση στην οποία θα εκφορτιστεί ο ιονιστής (V), V 0 - εφαρμοζόμενη τάση (V).

Επειτα ντο= 0,8 F (1,0 F – 20%), R= 50 Ohm, V 0 = 5 V, V 1 = 2 V, Εγώ=10 μΑ. Ως εκ τούτου: t backup= 0,8×(5–0,0005–2)/(10+2×10–6) = 55 ώρες.

Αυτός ο υπολογισμός δείχνει ότι ο χρόνος που θα λειτουργήσει ο υπερπυκνωτής υπό τις δεδομένες συνθήκες ως εφεδρική πηγή ενέργειας είναι περίπου 55 ώρες.

Αν πάρουμε για παράδειγμα μια πραγματική αλλαγή χωρητικότητας 30% για τετραπλάσια αλλαγή στην εσωτερική αντίσταση, στους 85 °C και 5,5 V, τότε μετά από 1000 ώρες λειτουργίας t backupθα αλλάξει και θα είναι περίπου 38 ώρες.

Για να λάβετε υπόψη τον παράγοντα θερμοκρασίας για τους ιονιστές, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την εξίσωση Arrhenius, σύμφωνα με την οποία η διάρκεια ζωής της συσκευής διπλασιάζεται καθώς η θερμοκρασία περιβάλλοντος μειώνεται κάθε δέκα βαθμούς.

Όταν η τάση αλλάζει από 5,5 σε 5 V, ο συντελεστής τάσης για την αλλαγή χωρητικότητας θα είναι 1,1. Ετσι, αναμενόμενη διάρκεια ζωής = διάρκεια ζωής × συντελεστής θερμοκρασίας × συντελεστής τάσης= 1000 (h)×22,6×1,1 = 24.800 (h) = 2,8 χρόνια.

Το εύρος χωρητικότητας του ιονιστή καταλαμβάνει μια ενδιάμεση θέση μεταξύ των χωρητικοτήτων ενός ηλεκτρολυτικού πυκνωτή αλουμινίου και των μπαταριών και των μπαταριών (Εικ. 10). Ο ιονιστής χρησιμοποιείται κυρίως ως εφεδρικό ή αυτόνομο τροφοδοτικό, καθώς και ως αντικατάσταση μπαταριών ή συσσωρευτών.

Ρύζι. 10. Εύρος χωρητικοτήτων ιονιστή, ηλεκτρολυτικού πυκνωτή αλουμινίου, μπαταριών και μπαταριών

Διάρκεια Ζωής. Η διάρκεια ζωής των ιονιστών είναι πολύ μεγάλη. Στην πραγματικότητα, όταν ο υπερπυκνωτής διατηρείται στις κατάλληλες συνθήκες, μπορεί να διαρκέσει όσο ο εξοπλισμός στον οποίο χρησιμοποιείται.

Ευρύ φάσμα θερμοκρασιών λειτουργίας. Οι μπαταρίες είναι γενικά ευαίσθητες σε αλλαγές θερμοκρασίας και τείνουν να χάνουν ενέργεια όταν θερμαίνονται ή σε χαμηλές θερμοκρασίες, όπως κάτω από 0°C. Ορισμένοι ιονιστές μπορούν να λειτουργήσουν μέχρι το εύρος της βιομηχανικής θερμοκρασίας.

Δεν χρειάζεται έλεγχος φόρτισης. Οι μπαταρίες Ni-Cd παράγουν θερμότητα κατά τη φόρτιση ή την εκφόρτιση, γεγονός που μειώνει τη διάρκεια ζωής τους, εξ ου και η ανάγκη για κύκλωμα ελέγχου φόρτισης και φορτίου. Οι ιονιστές δεν έχουν περιορισμούς στη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης και δεν χρειάζεται να ελέγχουν τη διαδικασία φόρτισης.

Ρυθμός φόρτισης, κύκλοι επαναφόρτισης/εκφόρτισης. Για τους ιονιστές, είναι δυνατή η γρήγορη φόρτιση και ένας μεγάλος αριθμός κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης (έως και αρκετές δεκάδες χιλιάδες), καθώς δεν συμβαίνουν εσωτερικές χημικές αντιδράσεις σε αυτά, όπως, για παράδειγμα, στις μπαταρίες. Οι ιονιστές είναι ιδανικοί για κυκλώματα που απαιτούν γρήγορες διαδικασίες φόρτισης.

Οικολογική καθαριότητα. Οι υπερπυκνωτές Panasonic δεν χρησιμοποιούν τοξικά υλικά όπως μόλυβδο, κάδμιο ή υδράργυρο. Οι υπερπυκνωτές Panasonic πληρούν όλες τις απαιτήσεις RoHS.

Τύποι και χαρακτηριστικά ιονιστών Panasonic

Πίνακας 3. Τρέχον εύρος

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η διαδικασία φόρτισης του ιονιστή, λαμβάνοντας υπόψη ορισμένες υποθέσεις, μπορεί να περιγραφεί με την έκφραση (4). Στο Σχ. Το Σχήμα 12α δείχνει το χαρακτηριστικό φορτίου για τον ιονιστή Panasonic EECF5R5U105 σε δύο διαφορετικές αντιστάσεις. Δεδομένου ότι η εξάρτηση είναι εκθετική, οι πραγματικές διαφορές παρατηρούνται στο αρχικό στάδιο της φόρτισης, μέσα σε 6-7 λεπτά. Στο Σχ. Το 12b για τον ίδιο ιονιστή δείχνει το χαρακτηριστικό αυτοεκφόρτισης. Μπορεί να φανεί ότι η διαδικασία φόρτισης είναι βέλτιστη όταν ο χρόνος φόρτισης είναι μεγαλύτερος από 24 ώρες, ωστόσο, ο χρόνος φόρτισης δεν επηρεάζει πολύ τη διαδικασία αυτοεκφόρτισης, καθώς η εσωτερική αντίσταση του ιονιστή σε αυτή την περίπτωση αλλάζει μόνο λόγω του αντίσταση των ανακατανεμημένων ιόντων. Όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία λειτουργίας του ιονιστή, τόσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος αυτοεκφόρτισης και η διάρκεια ζωής της συσκευής θα είναι σημαντικά μεγαλύτερη (Εικ. 13). Δεδομένου ότι η εξάρτηση του χρόνου εκφόρτισης από την χωρητικότητα και την αντίσταση φορτίου είναι ευθέως ανάλογη και από την τάση - λογαριθμική (βλέπε εξάρτηση 6), τότε με μεγαλύτερη χωρητικότητα του ιονιστή και της αντίστασης φορτίου, άλλα πράγματα είναι ίσα (θερμοκρασία, συνθήκες φόρτισης , κ.λπ.), ο χρόνος διαδικασίας εκφόρτισης θα είναι μεγαλύτερος (Εικ. 14α, β). Τα χαρακτηριστικά εκφόρτισης, σε αντίθεση με την αυτοεκφόρτιση, εξαρτώνται λιγότερο από τη θερμοκρασία (Εικ. 15). Η αλλαγή στην χωρητικότητα, για παράδειγμα, για το EECF5R5U104 (5,5 V, 0,1 F) (συνθήκες μέτρησης: 5,5 V, +70 ° C) από το ρεύμα εκφόρτισης, την εφαρμοζόμενη τάση και τη θερμοκρασία, στην πραγματικότητα αρχίζει να εμφανίζεται σε στιγμές που υπερβαίνουν τις 1000 ώρες (Εικ. 16).

Ιονιστές, υπερπυκνωτές, υπερπυκνωτές - η ιστορία της δημιουργίας και της ανάπτυξης της τεχνολογίας

Στις 7 Ιουνίου 1962, ο Robert Rightmyer, χημικός για την American Standard Oil Company (SOHIO), που βρίσκεται στο Κλίβελαντ του Οχάιο, κατέθεσε αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας που περιγράφει λεπτομερώς έναν μηχανισμό αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας σε έναν πυκνωτή με «ηλεκτρικό διπλό στρώμα».

Εάν οι πλάκες αλουμινίου ήταν παραδοσιακά μονωμένες με ένα στρώμα διηλεκτρικού, τότε στην έκδοση που πρότεινε ο εφευρέτης η έμφαση δόθηκε απευθείας στο υλικό των πλακών. Τα ηλεκτρόδια έπρεπε να έχουν διαφορετική αγωγιμότητα: το ένα ηλεκτρόδιο έπρεπε να έχει ιοντική αγωγιμότητα και το άλλο ηλεκτρονική αγωγιμότητα.

Έτσι, κατά τη διαδικασία φόρτισης του πυκνωτή, θα υπήρχε διαχωρισμός ηλεκτρονίων και θετικών κέντρων στον ηλεκτρονικό αγωγό και διαχωρισμός κατιόντων και ανιόντων στον ιοντικό αγωγό.

Προτάθηκε να κατασκευαστεί ο ηλεκτρονικός αγωγός από πορώδες άνθρακα, τότε ο ιονικός αγωγός θα μπορούσε να είναι ένα υδατικό διάλυμα θειικού οξέος. Το φορτίο σε αυτή την περίπτωση θα παραμείνει στη διεπαφή μεταξύ αυτών των ειδικών αγωγών (αυτό το ίδιο διπλό στρώμα). Η διαφορά δυναμικού αυτών των πρώτων ιονιστών θα μπορούσε να φτάσει την τιμή του 1 βολτ και η χωρητικότητα θα μπορούσε να φτάσει τις μονάδες farads, επειδή τώρα η απόσταση μεταξύ των πλακών ήταν μικρότερη από 5 νανόμετρα.

Το 1971, η άδεια μεταβιβάστηκε στην ιαπωνική εταιρεία NEC, η οποία μέχρι τότε ασχολούνταν με όλους τους τομείς των ηλεκτρονικών επικοινωνιών. Οι Ιάπωνες κατάφεραν να προωθήσουν με επιτυχία την τεχνολογία στην αγορά ηλεκτρονικών με το όνομα "Υπερπυκνωτής".

Επτά χρόνια αργότερα, το 1978, η Panasonic, με τη σειρά της, κυκλοφόρησε το "Gold Cap", το οποίο κέρδισε επίσης επιτυχία σε αυτήν την αγορά. Η επιτυχία εξασφαλίστηκε από την ευκολία χρήσης ιονιστών για την τροφοδοσία της πτητικής μνήμης SRAM. Ωστόσο, αυτοί οι ιονιστές είχαν υψηλή εσωτερική αντίσταση, η οποία περιόριζε την ικανότητα γρήγορης εξαγωγής ενέργειας και επομένως περιόριζε πολύ το εύρος των εφαρμογών.

Το 1982, ειδικοί στο Αμερικανικό Ινστιτούτο Ερευνών Pinnacle (PRI), που βρίσκεται στο Los Gatos της Καλιφόρνια, εργάζονται για τη βελτίωση των υλικών ηλεκτροδίων και ηλεκτρολυτών, ανέπτυξαν υπερπυκνωτές εξαιρετικά υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, οι οποίοι διατέθηκαν στο εμπόριο με την ονομασία "PRI Ultracapacitor".

Δέκα χρόνια αργότερα, το 1992, η Maxwell Laboratories (αργότερα άλλαξε το όνομά της σε Maxwell Technologies, Σαν Ντιέγκο, Καλιφόρνια, ΗΠΑ) άρχισε να αναπτύσσει την τεχνολογία PRI με το όνομα «Boost Caps». Ο στόχος τώρα ήταν να δημιουργηθούν πυκνωτές υψηλής χωρητικότητας και χαμηλής αντίστασης για να μπορούν να τροφοδοτούν ηλεκτρικό εξοπλισμό υψηλής ισχύος.

Ρύζι. 1. Υπερπυκνωτής DH5U308W60138TH από την SAMWHA ELECTRIC

Το 1999, η ταϊβανέζικη εταιρεία UltraCap Technologies Corp. ξεκίνησε επίσης συνεργασία με την PRI, η οποία μέχρι τότε είχε αναπτύξει κεραμικά ηλεκτροδίων εξαιρετικά μεγάλης περιοχής, και μέχρι το 2001 εισήλθε στην αγορά ο πρώτος υπερπυκνωτής υψηλής χωρητικότητας που κατασκευάστηκε στην Ταϊβάν. Από εκείνη τη στιγμή άρχισε η ενεργός ανάπτυξη της τεχνολογίας σε πολλά ερευνητικά ιδρύματα σε όλο τον κόσμο.

Η ρωσική αγορά έχει επίσης τους δικούς της παίκτες, για παράδειγμα, η εταιρεία Phoenix Ultracapacitors (UKF LLC) είναι μια εταιρεία μηχανικών που ειδικεύεται στο σχεδιασμό, την ανάπτυξη, την παραγωγή και την πρακτική εφαρμογή λύσεων και συστημάτων που βασίζονται σε υπερπυκνωτές/ιονιστές. Η εταιρεία συνεργάζεται στενά με τους καλύτερους κατασκευαστές του κόσμου και υιοθετεί ενεργά την εμπειρία τους.

Εφαρμογή ιονιστών

Οι ιονιστές Farad έχουν χρησιμοποιηθεί επάξια ως εφεδρικές πηγές ενέργειας σε πολλές συσκευές. Ξεκινώντας από την τροφοδοσία με χρονόμετρα τηλεόρασης και φούρνους μικροκυμάτων και τελειώνοντας με πολύπλοκες ιατρικές συσκευές. Κατά κανόνα, οι ιονιστές εγκαθίστανται σε πλακέτες μνήμης.

Κατά την αλλαγή της μπαταρίας σε βιντεοκάμερα ή φωτογραφική μηχανή, ο ιονιστής διατηρεί την ισχύ στα κυκλώματα μνήμης που είναι υπεύθυνα για τις ρυθμίσεις, το ίδιο ισχύει για κέντρα μουσικής, υπολογιστές και άλλο παρόμοιο εξοπλισμό. Τηλέφωνα, ηλεκτρονικά όργανα μέτρησης και ιατρικές συσκευές - υπερπυκνωτές χρησιμοποιούνται παντού.

Ρύζι. 2. Υπερπυκνωτές (ιονιστές)

Οι μικροί ιονιστές που βασίζονται σε οργανικούς ηλεκτρολύτες έχουν μέγιστη τάση περίπου 2,5 βολτ. Για την επίτευξη υψηλότερων επιτρεπόμενων τάσεων, τα ιονιστικά μόρια συνδέονται σε μπαταρίες, χρησιμοποιώντας πάντα αντιστάσεις διακλάδωσης.

Τα πλεονεκτήματα των ιονιστών περιλαμβάνουν: υψηλός ρυθμός φόρτισης-εκφόρτισης, αντοχή σε εκατοντάδες χιλιάδες κύκλους επαναφόρτισης σε σύγκριση με μπαταρίες, μικρό βάρος σε σύγκριση με ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, χαμηλό επίπεδο τοξικότητας, επιτρεπόμενη εκφόρτιση στο μηδέν.

Ρύζι. 3. Αδιάλειπτη τροφοδοσία βασισμένη σε υπερπυκνωτές

Ρύζι. 4. Μονάδες αυτοκινήτων υπερπυκνωτών

Προοπτικές

Καθώς αναπτύσσονται οι ιονιστές, η ειδική χωρητικότητά τους αυξάνεται όλο και περισσότερο, και κατά πάσα πιθανότητα, αργά ή γρήγορα αυτό θα οδηγήσει στην πλήρη αντικατάσταση των μπαταριών με υπερπυκνωτές σε πολλούς τεχνικούς τομείς.

Πρόσφατες μελέτες από μια ομάδα επιστημόνων στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Ρίβερσαϊντ έδειξαν ότι ένας νέος τύπος ιονιστών που βασίζεται σε μια πορώδη δομή, όπου εναποτίθενται σωματίδια οξειδίου του ρουθηνίου, ξεπερνά τα καλύτερα ανάλογα σχεδόν δύο φορές.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι πόροι του αφρού γραφενίου έχουν νανομεγέθη, κατάλληλοι για τη συγκράτηση σωματιδίων οξειδίων μετάλλων μεταπτώσεως. Οι υπερπυκνωτές οξειδίου του ρουθηνίου είναι πλέον η πιο πολλά υποσχόμενη επιλογή. Λειτουργώντας με ασφάλεια σε υδατικό ηλεκτρολύτη, παρέχουν αυξημένη αποθήκευση ενέργειας και διπλασιάζουν την τρέχουσα χωρητικότητα των καλύτερων υπερπυκνωτών που διατίθενται στην αγορά.

Αποθηκεύουν περισσότερη ενέργεια ανά κυβικό εκατοστό του όγκου τους, επομένως θα ήταν σκόπιμο να αντικαταστήσετε τις μπαταρίες με αυτές. Πρώτα απ 'όλα, μιλάμε για φορητές και εμφυτεύσιμες ηλεκτρονικές συσκευές, αλλά στο μέλλον το νέο προϊόν μπορεί να βρει το δρόμο του και στα προσωπικά ηλεκτρικά οχήματα.

Το γραφένιο εναποτίθεται σε σωματίδια νικελίου στρώμα προς στρώμα, λειτουργώντας ως στήριγμα για νανοσωλήνες άνθρακα, οι οποίοι μαζί με το γραφένιο σχηματίζουν μια πορώδη δομή άνθρακα. Σωματίδια οξειδίου του ρουθηνίου με διάμετρο μικρότερη από 5 nm διεισδύουν στους νανοπόρους που προκύπτουν από το υδατικό διάλυμα. Η ειδική χωρητικότητα του ιονιστή με βάση τη δομή που προκύπτει είναι 503 farads ανά γραμμάριο, που αντιστοιχεί σε ειδική ισχύ 128 kW/kg.

Ρύζι. 4. Φορτιστής που βασίζεται σε υπερπυκνωτή γραφενίου

Η επεκτασιμότητα αυτής της δομής έχει ήδη θέσει τις βάσεις για την ιδανική λύση αποθήκευσης ενέργειας. Οι ιονιστές που βασίζονται σε "αφρό γραφενίου" πέρασαν με επιτυχία τις πρώτες δοκιμές, όπου έδειξαν την ικανότητα να επαναφορτίζονται περισσότερες από οκτώ χιλιάδες φορές χωρίς να επιδεινώνονται τα χαρακτηριστικά.

Αντρέι Πόβνι

Ένας ιονιστής είναι ένας πυκνωτής του οποίου οι πλάκες είναι ένα διπλό ηλεκτρικό στρώμα μεταξύ του ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη. Ένα άλλο όνομα αυτής της συσκευής είναι υπερπυκνωτής, υπερπυκνωτής, ηλεκτροχημικός πυκνωτής διπλής στρώσης ή ionix. Έχει μεγάλη χωρητικότητα, η οποία του επιτρέπει να χρησιμοποιείται ως πηγή ρεύματος.

Συσκευή υπερπυκνωτών

Η αρχή λειτουργίας ενός ιονιστή είναι παρόμοια με έναν συμβατικό πυκνωτή, αλλά αυτές οι συσκευές διαφέρουν ως προς τα υλικά που χρησιμοποιούνται. Τα πορώδη υλικά χρησιμοποιούνται ως επενδύσεις σε τέτοια στοιχεία - ο ενεργός άνθρακας, ο οποίος είναι καλός αγωγός, ή τα αφρισμένα μέταλλα. Αυτό καθιστά δυνατή την πολλαπλάσια αύξηση της επιφάνειάς τους και, καθώς η χωρητικότητα του πυκνωτή είναι ευθέως ανάλογη με την περιοχή των ηλεκτροδίων, αυξάνεται στον ίδιο βαθμό. Επιπλέον, ένας ηλεκτρολύτης χρησιμοποιείται ως διηλεκτρικό, όπως στους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, ο οποίος μειώνει την απόσταση μεταξύ των πλακών και αυξάνει την χωρητικότητα. Οι πιο συνηθισμένες παράμετροι είναι πολλά farads σε τάση 5-10V.

Τύποι ιονιστών

Υπάρχουν διάφοροι τύποι τέτοιων συσκευών:

• Με τέλεια πολωτικά ηλεκτρόδια ενεργού άνθρακα. Σε τέτοια στοιχεία δεν συμβαίνουν ηλεκτροχημικές αντιδράσεις. Ως ηλεκτρολύτης χρησιμοποιούνται υδατικά διαλύματα υδροξειδίου του νατρίου (30% ΚΟΗ), θειικού οξέος (38% H2SO4) ή οργανικών ηλεκτρολυτών.
• Ένα τέλεια πολώσιμο ηλεκτρόδιο ενεργού άνθρακα χρησιμοποιείται ως μία πλάκα. Το δεύτερο ηλεκτρόδιο είναι ασθενώς ή μη πολώσιμο (άνοδος ή κάθοδος, ανάλογα με το σχεδιασμό).
• Ψευδοπυκνωτές. Σε αυτές τις συσκευές, αναστρέψιμες ηλεκτροχημικές αντιδράσεις συμβαίνουν στην επιφάνεια των πλακών. Έχουν μεγάλη χωρητικότητα.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ιονιστών

Τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούνται αντί για μπαταρίες ή συσσωρευτές. Σε σύγκριση με αυτά, τέτοια στοιχεία έχουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.

Μειονεκτήματα των υπερπυκνωτών:

• χαμηλό ρεύμα εκφόρτισης σε κοινά στοιχεία και σχέδια χωρίς αυτό το μειονέκτημα είναι πολύ ακριβά.
• η τάση στην έξοδο της συσκευής πέφτει κατά την εκφόρτιση.
• σε περίπτωση βραχυκυκλώματος σε στοιχεία υψηλής χωρητικότητας με χαμηλή εσωτερική αντίσταση, οι επαφές καίγονται.
• μειωμένη επιτρεπόμενη τάση και ρυθμός εκφόρτισης σε σύγκριση με τους συμβατικούς πυκνωτές.
• υψηλότερο ρεύμα αυτοεκφόρτισης από ότι στις μπαταρίες.

Πλεονεκτήματα των υπερπυκνωτών:

• υψηλότερη ταχύτητα, ρεύμα φόρτισης και εκφόρτισης από ότι στις μπαταρίες.
• ανθεκτικότητα - όταν δοκιμάστηκε μετά από 100.000 κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης, δεν παρατηρήθηκε επιδείνωση στις παραμέτρους.
• υψηλή εσωτερική αντίσταση στα περισσότερα σχέδια, αποτρέποντας την αυτοεκφόρτιση και την αστοχία κατά τη διάρκεια βραχυκυκλώματος.
• μεγάλη διάρκεια ζωής ·
• λιγότερο όγκο και βάρος?
• διπολικότητα - ο κατασκευαστής σημειώνει "+" και "-", αλλά αυτή είναι η πολικότητα της χρέωσης που εφαρμόζεται κατά τις δοκιμές παραγωγής.
• ευρύ φάσμα θερμοκρασιών λειτουργίας και αντοχή σε μηχανικές υπερφορτώσεις.

Ενεργειακή Πυκνότητα

Η ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας σε υπερπυκνωτές είναι 8 φορές μικρότερη από αυτή των μπαταριών μολύβδου και 25 φορές μικρότερη από αυτή των μπαταριών λιθίου. Η ενεργειακή πυκνότητα εξαρτάται από την εσωτερική αντίσταση: όσο χαμηλότερη είναι, τόσο μεγαλύτερη είναι η ειδική ενεργειακή χωρητικότητα της συσκευής. Οι πρόσφατες εξελίξεις από τους επιστήμονες καθιστούν δυνατή τη δημιουργία στοιχείων των οποίων η ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας είναι συγκρίσιμη με τις μπαταρίες μολύβδου.

Το 2008, δημιουργήθηκε στην Ινδία ένας ιονιστής, στον οποίο οι πλάκες ήταν κατασκευασμένες από γραφένιο. Η ενεργειακή ένταση αυτού του στοιχείου είναι 32 (Wh)/kg. Για σύγκριση, η ενεργειακή χωρητικότητα των μπαταριών αυτοκινήτων είναι 30-40 (Wh)/kg. Η ταχεία φόρτιση αυτών των συσκευών επιτρέπει τη χρήση τους σε ηλεκτρικά οχήματα.

Το 2011, Κορεάτες σχεδιαστές δημιούργησαν μια συσκευή στην οποία, εκτός από το γραφένιο, χρησιμοποιήθηκε και άζωτο. Αυτό το στοιχείο παρείχε διπλάσια συγκεκριμένη ενεργειακή ένταση.

Αναφορά.Το γραφένιο είναι ένα στρώμα άνθρακα, πάχους 1 ατόμου.

Εφαρμογή ιονιστών

Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των υπερπυκνωτών χρησιμοποιούνται σε διάφορους τομείς της τεχνολογίας.

Δημόσια συγκοινωνία

Τα ηλεκτρικά λεωφορεία, που χρησιμοποιούν ιονιστές αντί για μπαταρίες, παράγονται από τη Hyundai Motor, την Trolza, την Belkommunmash και κάποιες άλλες.

Αυτά τα λεωφορεία είναι δομικά παρόμοια με τα τρόλεϊ χωρίς μπάρες και δεν απαιτούν δίκτυο επαφής. Φορτίζονται σε στάσεις κατά την αποβίβαση και επιβίβαση επιβατών ή στα τελικά σημεία της διαδρομής σε 5-10 λεπτά.

Τα τρόλεϊ εξοπλισμένα με ιονιστές μπορούν να παρακάμψουν σπασμένες γραμμές επαφής και μποτιλιαρίσματα και δεν απαιτούν καλώδια σε αμαξοστάσια και χώρους στάθμευσης στα τελικά σημεία της διαδρομής.

Ηλεκτρικά αυτοκίνητα

Το κύριο πρόβλημα με τα ηλεκτρικά οχήματα είναι οι μεγάλοι χρόνοι φόρτισης. Ένας υπερπυκνωτής με υψηλό ρεύμα φόρτισης και σύντομο χρόνο φόρτισης επιτρέπει την επαναφόρτιση κατά τη διάρκεια σύντομων στάσεων.

Στη Ρωσία, έχει αναπτυχθεί ένα Yo-mobile που χρησιμοποιεί ένα ειδικά δημιουργημένο ιονιστή ως μπαταρία.

Επιπλέον, η εγκατάσταση ενός υπερπυκνωτή παράλληλα με την μπαταρία σάς επιτρέπει να αυξήσετε το ρεύμα που καταναλώνει ο ηλεκτροκινητήρας κατά την εκκίνηση και την επιτάχυνση. Αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται στο KERS, στα μονοθέσια της Formula 1.

Καταναλωτικά ηλεκτρονικά είδη

Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται σε φλας φωτογραφιών και σε άλλες συσκευές στις οποίες η δυνατότητα γρήγορης φόρτισης και αποφόρτισης είναι πιο σημαντική από το μέγεθος και το βάρος της συσκευής. Για παράδειγμα, ο ανιχνευτής καρκίνου φορτίζει σε 2,5 λεπτά και λειτουργεί για 1 λεπτό. Αυτό είναι αρκετό για τη διεξαγωγή έρευνας και την πρόληψη καταστάσεων στις οποίες η συσκευή δεν λειτουργεί λόγω αποφορτισμένων μπαταριών.

Στα καταστήματα αυτοκινήτων μπορείτε να αγοράσετε ιονιστές χωρητικότητας 1 φαράντ για χρήση παράλληλα με το ραδιόφωνο αυτοκινήτου. Εξομαλύνουν τις διακυμάνσεις της τάσης κατά την εκκίνηση του κινητήρα.

DIY ιονιστής

Εάν θέλετε, μπορείτε να φτιάξετε έναν υπερπυκνωτή με τα χέρια σας. Μια τέτοια συσκευή θα έχει χειρότερες παραμέτρους και δεν θα διαρκέσει πολύ (μέχρι να στεγνώσει ο ηλεκτρολύτης), αλλά θα δώσει μια ιδέα για τη λειτουργία τέτοιων συσκευών γενικά.

Για να φτιάξετε ένα ιονιστή με τα χέρια σας, χρειάζεστε:

• φύλλο χαλκού ή αλουμινίου.
• άλας;
• Ενεργός άνθρακας από φαρμακείο.
• βαμβάκι;
• εύκαμπτα καλώδια για καλώδια.
• πλαστικό κουτί για τη θήκη.

Η διαδικασία κατασκευής ενός υπερπυκνωτή είναι η εξής:

• κόψτε δύο κομμάτια αλουμινόχαρτου τόσο μεγάλα ώστε να χωρούν στο κάτω μέρος του κουτιού.
• κολλήστε τα καλώδια στο αλουμινόχαρτο.
• Βρέξτε τον άνθρακα με νερό, αλέστε σε σκόνη και στεγνώστε.
• παρασκευάστε ένα διάλυμα άλατος 25%.
• ανακατέψτε τη σκόνη άνθρακα με αλατούχο διάλυμα σε μια πάστα.
• υγράνετε το βαμβάκι με διάλυμα άλατος.
• εφαρμόστε την πάστα σε ένα λεπτό, ομοιόμορφο στρώμα στο αλουμινόχαρτο.
• Φτιάξτε ένα "σάντουιτς": αλουμινόχαρτο με κάρβουνο επάνω, ένα λεπτό στρώμα από βαμβάκι, αλουμινόχαρτο με κάρβουνο κάτω.
• τοποθετήστε τη δομή στο κουτί.

Η επιτρεπόμενη τάση μιας τέτοιας συσκευής είναι 0,5 V. Όταν ξεπεραστεί, αρχίζει η διαδικασία ηλεκτρόλυσης και ο ιονιστής μετατρέπεται σε μπαταρία αερίου.

Ενδιαφέρων.Εάν συναρμολογήσετε πολλές τέτοιες κατασκευές, η τάση λειτουργίας θα αυξηθεί, αλλά η χωρητικότητα θα μειωθεί.

Οι ιονιστές είναι πολλά υποσχόμενες ηλεκτρικές συσκευές που, χάρη στους υψηλούς ρυθμούς φόρτισης και εκφόρτισης, μπορούν να αντικαταστήσουν τις συμβατικές μπαταρίες.

βίντεο