Ionistorii devin din ce în ce mai mult unul dintre elementele principale ale sistemelor electronice auto. Un supercondensator pentru o mașină rezolvă problema pornirii motorului, reducând astfel sarcina bateriei. În plus, prin optimizarea schemelor electrice, greutatea vehiculului este redusă.
Ionistorii auto sunt utilizați pe scară largă în fabricarea de mașini hibride. Funcționarea generatorului lor depinde de motorul cu ardere internă, iar mașina este antrenată de motoare electrice. Un ionistor pentru o mașină într-un astfel de circuit este o sursă de energie primită rapid atunci când începe să se miște și să accelereze. În timpul frânării, dispozitivul de stocare este reîncărcat.
În prezent, un supercondensator este folosit doar parțial în locul unei baterii. Cu toate acestea, în viitorul apropiat înlocuire completă va deveni cu siguranță reală, deoarece oamenii de știință dezvoltă în mod activ astfel de tehnologii.

Când este necesar un ionistor pentru a porni un motor?
Un supercondensator pentru o mașină este necesar în cazurile în care există riscul ca bateria standard să nu facă față sarcinii de pornire a motorului cu ardere internă. De exemplu, un ionistor pentru o mașină ajută în următoarele situații:
- bateria lipseste cronic de incarcare in timpul calatoriilor frecvente pe distante scurte;
- puterea bateriei nu este suficientă pentru a porni motorul. Cel mai adesea această problemă apare iarna;
- este necesar să se reducă sarcinile de vârf ale bateriei pentru a prelungi durata de viață a acesteia.
Chiar și atunci când bateria s-a defectat complet, unii oameni folosesc un supercondensator în loc de o baterie. Rezolvă problema pornirii motorului, iar ulterior rețeaua de bord este alimentată în principal de generator. Cu toate acestea, se recomandă utilizarea unui supercondensator în loc de baterie doar în modul de urgență până când devine posibilă instalarea unei baterii noi.
Într-o situație normală, ionistorul este utilizat pentru a porni motorul în următorul format. Este conectat în paralel cu bateria și în momentul pornirii preia sarcina principală. Un demaror blocat poate consuma un curent foarte mare (sute de amperi). Acest curent de pornire inițial pentru demarorul și arborele cotit staționar este generat pentru mașină. Când este furnizată sarcina principală, ionistorul împreună cu bateria vor porni motorul într-un mod mai relaxat.
Ionistorii pentru o mașină nu numai că prelungesc durata de viață a bateriei, dar au și un efect pozitiv asupra funcționării electronicelor de bord. Când se utilizează supercondensatori pentru mașini, căderea de tensiune la pornire este redusă, astfel încât toate componentele electronice funcționează într-un mod mai stabil. Din același motiv, performanța sistemului de aprindere se îmbunătățește.
Când conduceți, o combinație de baterie și supercondensator pentru o mașină va atenua căderile de tensiune care apar în rețeaua de bord. Acestea apar din cauza modului în care diferite echipamente electrice se comportă la diferite sarcini și turații ale motorului. Prezența unui ionistor în circuit minimizează impactul negativ al unor astfel de supratensiuni. Puteți afla mai multe despre posibilitatea folosirii unui ionistor în locul unei baterii, precum și în paralel cu acesta, de la consultanții noștri.

Supercondensatorii pot fi numiți cea mai strălucitoare dezvoltare din ultimii ani. În comparație cu condensatoarele convenționale, cu aceleași dimensiuni, acestea diferă ca capacitate cu trei ordine de mărime. Pentru aceasta, condensatorii și-au primit prefixul - „super”. Ele pot elibera cantități enorme de energie într-o perioadă scurtă de timp.

Sunt disponibile în diferite dimensiuni și forme: de la cele foarte mici, care se montează pe suprafața dispozitivelor, nu mai mari de o monedă, până la cele cilindrice și prismatice foarte mari. Scopul lor principal este de a duplica sursa principală (bateria) în cazul unei căderi de tensiune.

Sistemele electronice și electrice moderne, consumatoare de energie, impun cerințe mari asupra surselor de alimentare. Echipamentele emergente (de la camere digitale la dispozitive electronice portabile și transmisii pentru vehicule electrice) trebuie să stocheze și să furnizeze energia necesară.

Dezvoltatorii moderni rezolvă această problemă în două moduri:

• Folosind o baterie capabilă să furnizeze un impuls de curent ridicat
• Prin conectarea în paralel la baterie ca asigurare pentru supercondensatoare, de ex. soluție „hibridă”.

În acest din urmă caz, supercondensatorul acționează ca o sursă de energie atunci când tensiunea bateriei scade. Acest lucru se datorează faptului că bateriile au o densitate mare de energie și o densitate scăzută de putere, în timp ce supercondensatorii, dimpotrivă, se caracterizează prin densitate scăzută de energie, dar densitate mare de putere, adică ele furnizează curent de descărcare sarcinii. Conectând un supercondensator în paralel cu bateria, îl puteți utiliza mai eficient și, prin urmare, îi puteți prelungi durata de viață.

Unde se folosesc supercondensatorii?

Video: Testul unui supercondensator 116.6F 15V (6* 700F 2.5V), în loc de o baterie de pornire într-o mașină

În sistemele electronice auto sunt folosite pentru pornirea motoarelor., reducând astfel sarcina bateriei. De asemenea, fac posibilă reducerea greutății prin reducerea schemelor de cablare. Ele sunt utilizate pe scară largă în mașinile hibride, unde generatorul este controlat de motorul cu ardere internă, iar un motor electric (sau motoare) conduc mașina, de exemplu. Supercondensatorul (cache-ul de energie) este folosit ca sursă de curent în timpul accelerației și mișcării și este „reîncărcat” în timpul frânării. Utilizarea lor este promițătoare nu numai în mașinile de pasageri, ci și în transportul urban, de atunci noul fel condensatorii pot reduce consumul de combustibil cu 50% și pot reduce emisia de gaze nocive în mediu cu 90%.

Încă nu pot înlocui complet bateria supercondenstorului, dar este doar o chestiune de timp. Folosirea unui supercondensator în loc de baterie nu este deloc fantastică. Dacă nanotehnologii de la Universitatea QUT urmează calea cea bună, atunci în viitorul apropiat acest lucru va deveni realitate. Panourile caroseriei care conțin cea mai recentă generație de supercondensatori vor putea funcționa ca baterii. Angajații acestei universități au reușit să combine avantajele bateriilor litiu-ion și ale supercondensatorilor într-un dispozitiv nou. Noul supercondensator subțire, ușor și puternic este format din electrozi de carbon cu un electrolit situat între ei. Potrivit oamenilor de știință, noul produs poate fi instalat oriunde în corp.

Datorită cuplului mare (cuplul de pornire), acestea pot îmbunătăți caracteristicile de pornire la temperaturi scăzute și pot extinde capacitățile sistemului de alimentare acum. Oportunitatea utilizării lor în sistemul de alimentare se explică prin faptul că timpul lor de încărcare/descărcare este de 5-60 de secunde. În plus, ele pot fi utilizate în sistemul de distribuție al unor dispozitive ale mașinii: solenoizi, sisteme de reglare a încuietorilor ușilor și pozițiile geamurilor.

Supercondensator DIY

Puteți face un supercondensator cu propriile mâini. Deoarece designul său constă dintr-un electrolit și electrozi, trebuie să decideți asupra materialului pentru acestea. Cuprul, oțelul inoxidabil sau alama sunt destul de potrivite pentru electrozi. Puteți lua, de exemplu, monede vechi de cinci copeci. Veți avea nevoie și de pudră de carbon (puteți cumpăra cărbune activ de la farmacie și măcinați). Apa obișnuită va funcționa ca un electrolit, în care trebuie să dizolvați sarea de masă (100:25). Soluția se amestecă cu pulbere de cărbune pentru a forma o consistență de chit. Acum trebuie aplicat într-un strat de câțiva milimetri pe ambii electrozi.

Tot ce rămâne este să alegeți o garnitură care să separe electrozii, prin porii cărora electrolitul va trece liber, dar pulberea de carbon va fi reținută. Fibra de sticlă sau cauciucul spumă sunt potrivite pentru aceste scopuri.

Electrozi – 1,5; acoperire cu carbon-electrolit – 2,4; garnitura - 3.

Puteți folosi o cutie de plastic ca carcasă, având în prealabil găuri forate în ea pentru firele lipite la electrozi. După ce au conectat firele la baterie, așteptăm ca designul „ionix” să se încarce, numit așa deoarece pe electrozi ar trebui să se formeze concentrații diferite de ioni. Este mai ușor să verificați încărcarea folosind un voltmetru.

Există și alte moduri. De exemplu, folosind hârtie de tablă (folie de staniu - înveliș de ciocolată), bucăți de tablă și hârtie cerată, pe care le puteți face singur tăind și scufundând benzi de hârtie absorbantă în parafină topită, dar nu fierbinte, timp de câteva minute. Lățimea benzilor ar trebui să fie de cincizeci de milimetri și lungimea de la două sute la trei sute de milimetri. După ce ați îndepărtat benzile din parafină, trebuie să răzuiți parafina cu partea contonată a unui cuțit.

Hârtia înmuiată cu parafină este pliată într-o formă de acordeon (ca în imagine). Pe ambele părți, în goluri sunt introduse foi de staniol, care corespund unei dimensiuni de 45x30 milimetri. După ce a pregătit astfel piesa de prelucrat, aceasta este pliată și apoi călcată cu un fier de călcat cald. Capetele staniolului rămase sunt conectate între ele din exterior. Pentru aceasta, puteți folosi plăci de carton și plăci de alamă cu cleme de tablă, la care conductoarele sunt ulterior lipite pentru ca condensatorul să poată fi lipit în timpul instalării.

Capacitatea condensatorului depinde de numărul de frunze de staniol. Este egal, de exemplu, cu o mie de picofarade atunci când se folosesc zece astfel de foi și două mii dacă numărul lor este dublat. Această tehnologie este potrivită pentru fabricarea de condensatoare cu o capacitate de până la cinci mii de picofarads.

Dacă este nevoie de o capacitate mare, atunci trebuie să aveți un vechi condensator de hârtie microfarad, care este o rolă de bandă constând din benzi de hârtie cerată, între care este așezată o bandă de folie de staniol.

Pentru a determina lungimea benzilor, utilizați formula:

l = 0,014 C/a, unde capacitatea condensatorului necesar în pF este C; lățimea dungilor în cm – a: lungimea în cm – 1.

După desfășurarea benzilor de lungimea necesară de pe vechiul condensator, tăiați folia de 10 mm pe toate părțile pentru a preveni conectarea plăcilor condensatorului între ele.

Banda trebuie înfășurată din nou, dar mai întâi prin lipirea firelor tordante pe fiecare bandă de folie. Structura este acoperită cu hârtie groasă deasupra, iar două fire de montare (dure) sunt sigilate pe marginile hârtiei care ies, la care cablurile de la condensator sunt lipite pe interiorul manșonului de hârtie (vezi figura). Ultimul pas este umplerea structurii cu parafină.

Avantajele supercondensatoarelor de carbon

Deoarece marșul vehiculelor electrice de pe glob nu poate fi ignorat astăzi, oamenii de știință lucrează la problema legată de cea mai rapidă încărcare a acestora. Apar multe idei, dar doar câteva sunt puse în practică. În China, de exemplu, o rută neobișnuită de transport urban a fost lansată în orașul Ningbo. Autobuzul care circulă pe el este alimentat de un motor electric, dar durează doar zece secunde pentru a se încărca. Pe el parcurge cinci kilometri si din nou, in timpul debarcarii/preluarii pasagerilor, reuseste sa se reincarce.

Acest lucru a devenit posibil datorită utilizării unui nou tip de condensatoare - carbon.

Condensatoare de carbon Ele pot rezista la aproximativ un milion de cicluri de reîncărcare și funcționează perfect în intervalul de temperatură de la minus patruzeci la plus șaizeci și cinci de grade. Ele returnează până la 80% din energie prin recuperare.

Au inaugurat o nouă eră în gestionarea energiei, reducând timpii de descărcare și încărcare la nanosecunde și reducând greutatea vehiculului. La aceste avantaje putem adăuga costuri reduse, deoarece metalele din pământuri rare și respectarea mediului nu sunt utilizate în producție.

Oamenii au folosit mai întâi condensatori pentru a stoca electricitate. Apoi, când ingineria electrică a depășit experimentele de laborator, au fost inventate bateriile, care au devenit principalul mijloc de stocare a energiei electrice. Dar, la începutul secolului al XXI-lea, se propune din nou utilizarea condensatoarelor pentru alimentarea echipamentelor electrice. Cât de posibil este acest lucru și vor deveni în sfârșit un lucru din trecut?

Motivul pentru care condensatorii au fost înlocuiți cu baterii s-a datorat cantităților semnificativ mai mari de energie electrică pe care sunt capabili să le stocheze. Un alt motiv este că în timpul descărcării tensiunea la ieșirea bateriei se modifică foarte puțin, astfel încât un stabilizator de tensiune fie nu este necesar, fie poate avea un design foarte simplu.

Principala diferență dintre condensatori și baterii este că condensatoarele stochează direct sarcina electrică, în timp ce bateriile convertesc energia electrică în energie chimică, o stochează și apoi convertesc energia chimică înapoi în energie electrică.

În timpul transformărilor energetice, o parte din ea se pierde. Prin urmare, chiar și cele mai bune baterii au o eficiență de cel mult 90%, în timp ce la condensatoare poate ajunge la 99%. Intensitatea reacțiilor chimice depinde de temperatură, astfel încât bateriile funcționează considerabil mai rău pe vreme rece decât la temperatura camerei. În plus, reacțiile chimice din baterii nu sunt complet reversibile. De aici și numărul mic de cicluri de încărcare-descărcare (de ordinul a miilor, cel mai adesea durata de viață a bateriei este de aproximativ 1000 de cicluri de încărcare-descărcare), precum și „efectul de memorie”. Să ne amintim că „efectul de memorie” este că bateria trebuie să fie întotdeauna descărcată la o anumită cantitate de energie acumulată, atunci capacitatea sa va fi maximă. Dacă, după descărcare, rămâne mai multă energie în el, atunci capacitatea bateriei va scădea treptat. „Efectul de memorie” este caracteristic pentru aproape toate tipurile de baterii produse comercial, cu excepția celor acide (inclusiv soiurile lor - gel și AGM). Deși este în general acceptat că bateriile litiu-ion și litiu-polimer nu o au, de fapt o au și ele, pur și simplu se manifestă într-o măsură mai mică decât la alte tipuri. În ceea ce privește bateriile cu acizi, acestea prezintă efectul sulfatării plăcii, care provoacă daune ireversibile sursei de alimentare. Unul dintre motive este că bateria rămâne într-o stare de încărcare mai mică de 50% pentru o perioadă lungă de timp.

În ceea ce privește energia alternativă, „efectul de memorie” și sulfatarea plăcii sunt probleme serioase. Cert este că furnizarea de energie din surse precum panouri solare iar turbinele eoliene sunt greu de prezis. Ca urmare, încărcarea și descărcarea bateriilor are loc haotic, într-un mod non-optim.

Pentru ritmul modern al vieții, se dovedește a fi absolut inacceptabil ca bateriile să fie încărcate timp de câteva ore. De exemplu, cum vă imaginați că conduceți o distanță lungă într-un vehicul electric dacă o baterie descărcată vă ține blocat la punctul de încărcare timp de câteva ore? Viteza de încărcare a unei baterii este limitată de viteza proceselor chimice care au loc în aceasta. Puteți reduce timpul de încărcare la 1 oră, dar nu la câteva minute. În același timp, rata de încărcare a condensatorului este limitată doar de curentul maxim furnizat de încărcător.

Dezavantajele enumerate ale bateriilor au făcut să fie urgentă utilizarea condensatoarelor.

Folosind un strat dublu electric

Timp de multe decenii, condensatoarele electrolitice au avut cea mai mare capacitate. În ele, una dintre plăci era folie metalică, cealaltă era un electrolit, iar izolația dintre plăci era oxid metalic, care a acoperit folia. Pentru condensatoarele electrolitice, capacitatea poate ajunge la sutimi de farad, ceea ce nu este suficient pentru a înlocui complet bateria.

Capacitatea mare, măsurată în mii de faradi, poate fi obținută prin condensatoare bazate pe așa-numitul strat dublu electric. Principiul funcționării lor este următorul. Un strat dublu electric apare in anumite conditii la interfata substantelor in faza solida si lichida. Se formează două straturi de ioni cu sarcini de semne opuse, dar de aceeași mărime. Dacă simplificăm foarte mult situația, atunci se formează un condensator, ale cărui „plăci” sunt straturile indicate de ioni, distanța dintre care este egală cu mai mulți atomi.

Condensatorii bazați pe acest efect sunt uneori numiți ionistori. De fapt, acest termen nu se referă numai la condensatoarele în care este stocată sarcina electrică, ci și la alte dispozitive pentru stocarea energiei electrice - cu conversia parțială a energiei electrice în energie chimică împreună cu stocarea sarcinii electrice (ionistor hibrid), precum și pentru baterii pe bază de dublu strat electric (așa-numitele pseudocondensatoare). Prin urmare, termenul „supercondensatori” este mai potrivit. Uneori se folosește în schimb termenul identic „ultracondensator”.

Implementare tehnica

Supercondensatorul este format din două plăci de cărbune activ umplute cu electrolit. Între ele există o membrană care permite trecerea electrolitului, dar împiedică mișcarea fizică a particulelor de cărbune activ între plăci.

Trebuie remarcat faptul că supercondensatorii în sine nu au polaritate. Prin aceasta, ele diferă fundamental de condensatoarele electrolitice, care, de regulă, sunt caracterizate prin polaritate, nerespectarea acesteia duce la defectarea condensatorului. Cu toate acestea, polaritatea se aplică și supercondensatorilor. Acest lucru se datorează faptului că supercondensatorii părăsesc linia de asamblare din fabrică deja încărcată, iar marcajul indică polaritatea acestei încărcări.

Parametrii supercapacitorului

Capacitatea maximă a unui supercondensator individual, atinsă la momentul scrierii, este de 12.000 F. Pentru supercondensatoarele produse în masă, aceasta nu depășește 3.000 F. Tensiunea maximă admisă între plăci nu depășește 10 V. Pentru supercondensatoarele produse comercial, această cifră, de regulă, este cuprinsă între 2, 3 – 2,7 V. Tensiunea scăzută de funcționare necesită utilizarea unui convertor de tensiune cu funcție de stabilizator. Faptul este că în timpul descărcării, tensiunea de pe plăcile condensatorului se modifică într-o gamă largă. Construcția unui convertor de tensiune pentru conectarea sarcinii și încărcător sunt o sarcină nebanală. Să presupunem că trebuie să alimentați o sarcină de 60 W.

Pentru a simplifica luarea în considerare a problemei, vom neglija pierderile în convertorul de tensiune și stabilizatorul. Dacă lucrați cu o baterie obișnuită de 12 V, atunci electronica de control trebuie să poată rezista la un curent de 5 A. Astfel de dispozitive electronice sunt răspândite și ieftine. Dar o situație complet diferită apare atunci când se folosește un supercondensator, a cărui tensiune este de 2,5 V. Apoi, curentul care curge prin componentele electronice ale convertorului poate ajunge la 24 A, ceea ce necesită noi abordări ale tehnologiei circuitelor și o bază de elemente modernă. Tocmai complexitatea construirii unui convertor și stabilizator poate explica faptul că supercondensatorii, a căror producție în serie a început în anii 70 ai secolului XX, abia acum au început să fie utilizați pe scară largă într-o varietate de domenii.

Supercondensatorii pot fi conectați la baterii folosind conexiuni în serie sau paralele. În primul caz, tensiunea maximă admisă crește. În al doilea caz - capacitatea. Creșterea tensiunii maxime admise în acest fel este o modalitate de a rezolva problema, dar va trebui să plătiți pentru aceasta prin reducerea capacității.

Dimensiunile supercondensatoarelor depind în mod natural de capacitatea lor. Un supercondensator tipic cu o capacitate de 3000 F este un cilindru cu un diametru de aproximativ 5 cm și o lungime de 14 cm Cu o capacitate de 10 F, un supercondensator are dimensiuni comparabile cu o unghie umană.

Supercondensatorii buni pot rezista la sute de mii de cicluri de încărcare-descărcare, depășind bateriile de aproximativ 100 de ori în acest parametru. Dar, ca și condensatorii electrolitici, supercondensatorii se confruntă cu problema îmbătrânirii din cauza scurgerii treptate a electrolitului. Pentru acum statistici complete Nu a existat o acumulare de defecțiuni ale supercondensatorilor din acest motiv, dar conform datelor indirecte, durata de viață a supercondensatorilor poate fi estimată la aproximativ 15 ani.

Energia acumulată

Cantitatea de energie stocată într-un condensator, exprimată în jouli:

unde C este capacitatea, exprimată în faradi, U este tensiunea de pe plăci, exprimată în volți.

Cantitatea de energie stocată în condensator, exprimată în kWh, este:

Prin urmare, un condensator cu o capacitate de 3000 F cu o tensiune între plăci de 2,5 V este capabil să stocheze doar 0,0026 kWh. Cum se compară asta cu, de exemplu, o baterie litiu-ion? Dacă considerăm că tensiunea de ieșire este independentă de gradul de descărcare și egală cu 3,6 V, atunci o cantitate de energie de 0,0026 kWh va fi stocată într-o baterie litiu-ion cu o capacitate de 0,72 Ah. Din păcate, un rezultat foarte modest.

Aplicarea supercondensatorilor

Sistemele de iluminat de urgență sunt acolo unde utilizarea supercondensatoarelor în loc de baterii face o diferență reală. De fapt, tocmai această aplicație se caracterizează prin descărcare neuniformă. În plus, este de dorit ca lampa de urgență să fie încărcată rapid și ca sursa de alimentare de rezervă utilizată în ea să aibă o fiabilitate mai mare. O sursă de alimentare de rezervă bazată pe supercondensator poate fi integrată direct în lampa LED T8. Astfel de lămpi sunt deja produse de o serie de companii chineze.

După cum sa menționat deja, dezvoltarea supercondensatorilor se datorează în mare parte interesului față de sursele alternative de energie. Dar aplicarea practică este încă limitată la lămpile LED care primesc energie de la soare.

Utilizarea supercondensatorilor pentru pornirea echipamentelor electrice se dezvoltă activ.

Supercondensatorii sunt capabili să furnizeze cantități mari de energie într-o perioadă scurtă de timp. Prin alimentarea echipamentelor electrice la pornire de la un supercondensator, sarcinile de vârf pe rețeaua electrică pot fi reduse și, în cele din urmă, marja curentului de pornire poate fi redusă, realizând economii uriașe de costuri.

Prin combinarea mai multor supercondensatori într-o baterie, putem obține o capacitate comparabilă cu bateriile folosite la mașinile electrice. Dar această baterie va cântări de câteva ori mai mult decât bateria, ceea ce este inacceptabil pentru vehicule. Problema poate fi rezolvată folosind supercondensatori pe bază de grafen, dar în prezent există doar ca prototipuri. Cu toate acestea, varianta promitatoare Celebrul Yo-mobile, alimentat numai de electricitate, va folosi supercondensatoare de nouă generație ca sursă de energie, a căror dezvoltare este realizată de oamenii de știință ruși.

Supercondensatorii vor beneficia și de înlocuirea bateriilor în vehiculele convenționale pe benzină sau diesel - utilizarea lor în astfel de vehicule este deja o realitate.

Între timp, cele mai de succes dintre proiectele implementate de introducere a supercondensatorilor pot fi considerate noile troleibuze de fabricație rusă care au apărut recent pe străzile Moscovei. Când alimentarea cu tensiune a rețelei de contact este întreruptă sau când colectoarele de curent „zboară”, troleibuzul poate călători cu o viteză mică (aproximativ 15 km/h) câteva sute de metri până la un loc în care nu va interfera cu traficul. pe drum. Sursa de energie pentru astfel de manevre este o baterie de supercondensatoare.

În general, deocamdată supercondensatorii pot înlocui bateriile doar în anumite „nișe”. Dar tehnologia se dezvoltă rapid, ceea ce ne permite să ne așteptăm că, în viitorul apropiat, domeniul de aplicare al supercondensatorilor se va extinde semnificativ.

Alexei Vasiliev

Supercondensatorul, care a devenit larg răspândit recent, nu este chiar numele corect pentru un astfel de dispozitiv precum un ionistor. Un ionistor, la rândul său, este un tip de condensator. Ionistorul a fost inventat cu destul de mult timp în urmă - în anii 50, dar în forma sa actuală există din 1982. Primii ionistori cu rezistență internă scăzută pentru utilizare în circuite de mare putere au fost dezvoltați de PRI în 1982.

Odată cu apariția ionistorilor, a devenit posibilă utilizarea condensatoarelor în circuitele electrice nu numai ca element de conversie, ci și ca sursă de tensiune. Ionistorul este utilizat pe scară largă ca înlocuitor pentru baterii pentru a stoca informații despre parametrii produsului în absența unei surse externe. Astfel de elemente au mai multe avantaje față de sursele convenționale de curent chimic - celule galvanice și baterii:

• Rate ridicate de încărcare și descărcare.
• Simplitatea încărcătorului
• Degradare scăzută chiar și după sute de mii de cicluri de încărcare/descărcare
• Greutate redusă în comparație cu condensatoarele electrolitice de capacitate similară
• Toxicitate scăzută a materialelor
• Nepolaritate (deși „+” și „-” sunt indicate pe ionistori, acest lucru se face pentru a indica polaritatea tensiunii reziduale după ce aceasta este încărcată la producător).

Densitatea de energie a ionistorilor este încă de câteva ori mai mică decât capacitățile bateriilor. De exemplu, densitatea de energie a unui ionistor BCAP3000 3000F x 2,7V cu o greutate de 0,51 kg este de 21,4 kJ/kg. Aceasta este de 7,6 ori mai mică decât densitatea de energie a bateriilor electrolitice cu plumb, de 25 de ori mai mică decât a bateriilor cu litiu-polimer, dar de zeci de ori mai mult decât densitatea de energie a unui condensator electrolitic. Densitatea de putere a supercondensatorului depinde de rezistența internă. La ultimele modele de ionistori, rezistenta interna este destul de mica, ceea ce face posibila obtinerea unei puteri comparabile cu cea a unei baterii.

În 1997, cercetătorii de la CSIRO au dezvoltat un supercondensator care ar putea stoca cantități mari de sarcină prin utilizarea foliilor de polimer ca dielectric. Electrozii au fost fabricați din nanotuburi de carbon. Pentru condensatoarele convenționale energia specifică este de 0,5 Wh/kg, dar pentru condensatoarele PET era de 4 ori mai mare.

În 2008, cercetătorii au dezvoltat un prototip de supercondensator bazat pe electrozi de grafen cu o capacitate energetică specifică de până la 32 Wh/kg, comparabilă cu cea a bateriilor plumb-acid (30-40 Wh/kg).

Durata de viață a ionistorilor este lungă. Au fost efectuate cercetări pentru a determina numărul maxim de cicluri de încărcare-descărcare. După 100.000 de cicluri, nu a fost observată nicio degradare. Potrivit declarațiilor recente ale angajaților MIT, supercondensatorii ar putea înlocui în curând bateriile convenționale. În plus, în 2009, au fost efectuate teste pe o baterie bazată pe un ionistor, în care au fost introduse nanoparticule de fier în materialul poros. Stratul dublu electric rezultat a trecut electronii de două ori mai repede prin crearea unui efect de tunel.

Un nou design de supercondensator propus de specialiștii de la Nanotek Instruments Inc. (SUA), are electrozi formați din grafen cu amestecuri de acetilenă care crește conductivitatea și un liant PTFE. O substanță cunoscută în electrochimie ca EMIMBF4 a fost folosită ca electrolit. Apropo, acest grup științific a sugerat pentru prima dată în 2006 că grafenul, în principiu, ar putea fi folosit pentru a crea astfel de dispozitive. Ca urmare a utilizării acestor substanțe, oamenii de știință au creat condensatori nu mai mari decât o monedă într-o cameră de protecție.

Densitatea de energie a dispozitivului rezultat este comparabilă cu cea a bateriilor nichel-hidrură metalică. Dacă vorbim de cifre, densitatea de energie din dispozitivul creat este de aproximativ 85,6 W*oră/kg la temperatura camerei și de aproximativ 136 W*oră/kg la 80 de grade Celsius. Cu toate acestea, după cum s-a menționat mai sus, dispozitivul are un avantaj uriaș față de bateriile convenționale prin faptul că poate fi încărcat și descărcat extrem de rapid. Dezvoltatorii înșiși consideră creația lor o adevărată descoperire tehnologică. Capacitatea de încărcare rapidă înseamnă că un design similar ar putea fi folosit pentru a alimenta telefoanele mobile și alte echipamente portabile pentru consumatori în viitor.

Supercondensatori fabricați în Rusia

În Cercetarea Naţională universitate tehnologică MISIS din Rusia, în colaborare cu compania TEEMP, pe baza unui material unic asemănător grafenului și nanotuburilor, a dezvoltat super condensatoare, care au fost folosite în sistemele de pornire a motoarelor echipamentelor grele la temperaturi extrem de scăzute.

În interiorul supercondensatorului se află un material nanocarbon fabricat din fibră organică cu conductivitate mare a curentului și intensitate energetică specifică crescută - până la 20 F/cm3 de masă activă (unul dintre denumirile sale comune în comunitatea științifică este „muștați”) și costuri de producție scăzute. O nouă ideologie pentru asamblarea modulelor de supercondensatori, care reduce intensitatea muncii la fabricarea dispozitivelor de stocare, și o tehnologie originală pentru producerea materialelor electrozilor din fibre organice vor reduce în viitor costul de fabricație a unui dispozitiv de stocare a energiei de aproape 3 ori, spun reprezentanții compania TEEMP. Producția celor mai noi supercondensatori rusești folosind tehnologia descrisă mai sus este planificată să fie lansată în primul trimestru al anului 2017 în regiunea Moscova.

Prima linie de dispozitive care utilizează noul tip de supercondensatori a fost deja creată. Dezvoltatorii își concentrează atenția asupra sistemului de pornire a motorului, „conținând în interior un dispozitiv hibrid de stocare a energiei bazat pe un modul supercondensator și un generator de benzină”. Este capabil să funcționeze în mod autonom, nu necesită o rețea electrică și, atunci când este încărcat, poate porni, de exemplu, un autobasculant greu de 10 ori la rând la temperaturi de la -40 ° C la -60 ° C. Sistemul poate fi folosit pentru a lansa avioane mici care necesită putere mare într-o perioadă scurtă de timp, ceea ce distruge rapid bateriile convenționale. Un astfel de dispozitiv a fost deja testat în toamna lui 2016 pentru a lansa echipamente militare și a primit recenzii pozitive.

Capacitatea electrică a globului, așa cum se știe de la cursurile de fizică, este de aproximativ 700 μF. Un condensator obișnuit de această capacitate poate fi comparat în greutate și volum cu o cărămidă. Există însă și condensatoare cu capacitatea electrică a globului, egale ca mărime cu un grăunte de nisip - supercondensatori.

Astfel de dispozitive au apărut relativ recent, acum aproximativ douăzeci de ani. Se numesc diferit: ionistori, ionici sau pur și simplu supercondensatori.

Să nu credeți că acestea sunt disponibile doar pentru unele firme aerospațiale de mare zbor. Astăzi puteți cumpăra într-un magazin un ionistor de mărimea unei monede și o capacitate de un farad, care este de 1500 de ori capacitatea globului și aproape de capacitatea celei mai mari planete. sistem solar- Jupiter.

Orice condensator stochează energie. Pentru a înțelege cât de mare sau mică este energia stocată în supercondensator, este important să o comparați cu ceva. Iată o modalitate oarecum neobișnuită, dar clară.

Energia unui condensator obișnuit este suficientă pentru ca acesta să sară aproximativ un metru și jumătate. Un supercondensator minuscul de tip 58-9V, având o masă de 0,5 g, încărcat cu o tensiune de 1 V, ar putea sări la o înălțime de 293 m!

Uneori ei cred că ionistorii pot înlocui orice baterie. Jurnaliştii au descris o lume viitoare cu vehicule electrice silenţioase alimentate de supercondensatori. Dar asta e încă departe. Un ionistor care cântărește un kg este capabil să acumuleze 3000 J de energie, iar cea mai proastă baterie plumb-acid este de 86.400 J - de 28 de ori mai mult. Cu toate acestea, atunci când se livrează putere mare într-un timp scurt, bateria se deteriorează rapid și se descarcă doar la jumătate. Ionistorul în mod repetat și fără nici un rău pentru el însuși oferă energie, atâta timp cât firele de conectare o pot rezista. În plus, supercondensatorul poate fi încărcat în câteva secunde, în timp ce bateria are de obicei nevoie de ore pentru a face acest lucru.

Aceasta determină domeniul de aplicare al ionistorului. Este bun ca sursă de alimentare pentru dispozitivele care consumă multă putere pentru o perioadă scurtă de timp, dar destul de des: echipamente electronice, lanterne, demaroare auto, ciocane-pilot electric. Ionistorul poate avea și aplicații militare ca sursă de energie pentru arme electromagnetice. Și în combinație cu o centrală mică, un ionistor face posibilă crearea de mașini cu tracțiune electrică și consum de combustibil de 1-2 litri la 100 km.

Sunt disponibile spre vânzare ionistori pentru o gamă largă de capacități și tensiuni de funcționare, dar sunt destul de scumpe. Deci, dacă aveți timp și interes, puteți încerca să faceți singur un ionistor. Dar înainte de a da un sfat specific, puțină teorie.

Se știe din electrochimie: atunci când un metal este scufundat în apă, pe suprafața sa se formează un așa-numit strat electric dublu, format din sarcini electrice opuse - ioni și electroni. Între ele acţionează forţe de atracţie reciproce, dar acuzaţiile nu se pot apropia una de alta. Acest lucru este împiedicat de forțele atractive ale apei și ale moleculelor de metal. La bază, un strat dublu electric nu este altceva decât un condensator. Sarcinile concentrate pe suprafața sa acționează ca plăci. Distanța dintre ele este foarte mică. Și, după cum știți, capacitatea unui condensator crește pe măsură ce distanța dintre plăcile sale scade. Prin urmare, de exemplu, capacitatea unei spițe obișnuite de oțel scufundată în apă ajunge la câțiva mF.

În esență, un ionistor este format din doi electrozi cu o suprafață foarte mare scufundați într-un electrolit, pe suprafața căruia se formează un strat electric dublu sub influența unei tensiuni aplicate. Adevărat, folosind plăci plate obișnuite, ar fi posibil să se obțină o capacitate de doar câteva zeci de mF. Pentru a obține capacitățile mari caracteristice ionistorilor, aceștia folosesc electrozi din materiale poroase care au o suprafață mare a porilor cu dimensiuni exterioare mici.

Metalele burete de la titan la platină au fost odată încercate pentru acest rol. Totuși, cel incomparabil mai bun a fost... cărbune activ obișnuit. Acesta este cărbunele, care după un tratament special devine poros. Suprafața porilor de 1 cm3 a unui astfel de cărbune ajunge la mii metri patrati, iar capacitatea stratului dublu electric de pe ele este de zece farazi!

Ionistor de casă Figura 1 prezintă designul unui ionistor. Este alcătuit din două plăci metalice presate strâns pe o „umplutură” de cărbune activ. Cărbunele este așezat în două straturi, între care se află un strat de separare subțire al unei substanțe care nu conduce electronii. Toate acestea sunt impregnate cu electrolit.

La încărcarea ionistorului, se formează un strat electric dublu cu electroni la suprafață într-o jumătate a porilor de carbon și cu ioni pozitivi în cealaltă jumătate. După încărcare, ionii și electronii încep să curgă unul spre celălalt. Când se întâlnesc, se formează atomi de metal neutru, iar sarcina acumulată scade și în timp poate dispărea cu totul.

Pentru a preveni acest lucru, se introduce un strat de separare între straturile de cărbune activ. Poate consta din diverse folii subtiri de plastic, hartie si chiar vata.
La ionistorii amatori, electrolitul este o soluție de 25%. sare de masă sau soluție de KOH 27%. (La concentrații mai mici, un strat de ioni negativi nu se va forma pe electrodul pozitiv.)

Ca electrozi se folosesc plăci de cupru cu fire lipite în prealabil. Suprafețele lor de lucru trebuie curățate de oxizi. În acest caz, este indicat să folosiți hârtie abrazivă cu granulație grosieră care lasă zgârieturi. Aceste zgârieturi vor îmbunătăți aderența cărbunelui la cupru. Pentru o buna aderenta placile trebuie degresate. Degresarea plăcilor se realizează în două etape. Mai întâi, sunt spălate cu săpun, apoi frecate cu pudră de dinți și spălate cu un jet de apă. După aceasta, nu trebuie să le atingeți cu degetele.

Cărbunele activat, achiziționat de la o farmacie, este măcinat într-un mojar și amestecat cu electrolit pentru a obține o pastă groasă, care se întinde pe plăci bine degresate.

În timpul primului test, plăcile cu garnitură de hârtie se așează una peste alta, după care vom încerca să o încărcăm. Dar există o subtilitate aici. Când tensiunea este mai mare de 1 V, începe eliberarea gazelor H2 și O2. Ei distrug electrozii de carbon și nu permit dispozitivului nostru să funcționeze în modul condensator-ionistor.

Prin urmare, trebuie să-l încărcăm de la o sursă cu o tensiune nu mai mare de 1 V. (Aceasta este tensiunea pentru fiecare pereche de plăci care este recomandată pentru funcționarea ionistorilor industriali.)

Detalii pentru curioși

La o tensiune mai mare de 1,2 V, ionistorul se transformă într-o baterie pe gaz. Acesta este un dispozitiv interesant, format tot din cărbune activ și doi electrozi. Dar din punct de vedere structural este proiectat diferit (vezi Fig. 2). De obicei, luați două tije de carbon dintr-o celulă galvanică veche și legați pungi de tifon cu cărbune activ în jurul lor. Soluția de KOH este utilizată ca electrolit. (O soluție de sare de masă nu trebuie utilizată, deoarece descompunerea ei eliberează clor.)

Intensitatea energetică a unei baterii pe gaz ajunge la 36.000 J/kg sau 10 Wh/kg. Acesta este de 10 ori mai mult decât un ionistor, dar de 2,5 ori mai puțin decât o baterie cu plumb convențională. Cu toate acestea, o baterie pe gaz nu este doar o baterie, ci o celulă de combustibil foarte unică. La încărcare, pe electrozi sunt eliberate gaze - oxigen și hidrogen. Ele „se așează” pe suprafața cărbunelui activ. Când apare un curent de sarcină, acestea sunt conectate pentru a forma apă și curent electric. Acest proces, totuși, decurge foarte lent fără un catalizator. Și, după cum sa dovedit, doar platina poate fi catalizator... Prin urmare, spre deosebire de un ionistor, o baterie cu gaz nu poate produce curenți mari.

Cu toate acestea, inventatorul Moscovei A.G. Presnyakov (http://chemfiles.narod.r u/hit/gas_akk.htm) a folosit cu succes o baterie pe gaz pentru a porni motorul unui camion. Greutatea lui considerabilă – de aproape trei ori mai mare decât de obicei – s-a dovedit a fi suportabilă în acest caz. Dar costul scăzut și absența materialelor nocive precum acidul și plumbul păreau extrem de atractive.

O baterie pe gaz cu cel mai simplu design s-a dovedit a fi predispusă la auto-descărcare completă în 4-6 ore. Acest lucru a pus capăt experimentelor. Cine are nevoie de o mașină care nu poate fi pornită după ce a fost parcat peste noapte?

Dar inca " echipamente mari„Nu am uitat de bateriile pe gaz. Puternice, ușoare și fiabile, se găsesc pe unii sateliți. Procesul în ele are loc la o presiune de aproximativ 100 atm, iar nichelul burete este utilizat ca absorbant de gaz, care în astfel de condiții acționează ca un catalizator. Întregul dispozitiv este găzduit într-un cilindru ultra-ușor din fibră de carbon. Bateriile rezultate au o capacitate energetică de aproape 4 ori mai mare decât cea a bateriilor cu plumb. O mașină electrică ar putea parcurge aproximativ 600 de km pe ele. Dar, din păcate, sunt încă foarte scumpe.