Структура суперконденсаторовВ состав суперконденсатора (ионистора) входят два погруженных в электролит электрода, и сепаратор. Задача последнего заключается в предотвращении перемещения заряда между двумя электродами, имеющими противоположную полярность.
Принцип работы суперконденсатораСуперконденсатор запасает энергию за счет электростатических зарядов, которые создаются на противоположных поверхностях электродов, относящихся к двойному электрическому слою. Этот слой создается между электролитом и электродами. В процессе зарядки распределенные случайным образом ионы электролита перемещаются в сторону поверхности электрода, имеющего противоположную полярность. Данный процесс имеет физическую, а не химическую природу. Кроме того, он полностью обратим. Во многом именно этим определяется высокая мощность суперконденсаторов, их длительный срок эксплуатации, продолжительное время хранения и легкость технического обслуживания.
Суперконденсатор – это уникальное устройство для накопления энергии, которое одновременно имеет высокую мощность и высокую энергоемкость. Этим оно отличается от традиционных аккумуляторных батарей и конденсаторов.Высокая энергоемкость суперконденсаторов в сравнении с привычными электролитическими конденсаторами создается за счет материала электрода. В этом качестве выступает активный углерод, который имеет две важные особенности:- чрезвычайно большая площадь поверхности;- малое расстояние между разделенными зарядами.От традиционных батарей суперконденсаторы выгодно отличаются высокой мощностью, длительным сроком хранения и продолжительным сроком службы, который объясняется особым механизмом накопления энергии. В обычных аккумуляторах накопление и отдача энергии осуществляется за счет происходящей внутри электродного материала химической реакции. Многократное прохождение таких процессов неминуемо приводит к деградации данной системы.Суперконденсаторы, как уже говорилось выше, работают на основе физического явления разделения зарядов, которое происходит между ионами электролита и зарядом на электроде. Здесь осуществляется физический и легко обратимый процесс, поэтому ионисторы способны гораздо быстрее отдавать энергию. Кроме того, они делают это с большей мощностью в сравнении с батареями, в которых происходит медленная химическая реакция. В результате суперконденсаторы готовы выдержать сотни тысяч циклов, и это не приведет к каким-либо значительным изменениям в их показателях.
Заряд и разряд ионистораСуперконденсаторы отличаются по своим зарядно-разрядным характеристикам от традиционных батарей. У аккумуляторов график напряжения обладает нелинейной формой с горизонтальным участком. У графика для ультраконденсаторов наблюдается постоянный наклон. Имеющееся линейное соотношение с напряжением с помощью специального преобразователя меняется на постоянное напряжение. Количество накопленной конденсатором энергии с легкостью вычисляется посредством измерения напряжения.
Формулы для определения энергии в конденсатореРабочие характеристики суперконденсаторов и аккумуляторов определяются в разных величинах измерения – Фарадах и Ампер-часах. При переходе на ионисторы это может смутить неподготовленного пользователя. Для легкого вычисления количества энергии в конденсаторе используется следующая формула:Энергия (Дж) = 1/2*Емкость (Ф) * Напряжение в квадрате (В)Мы рекомендуем осуществлять разрядку суперконденсаторов со 100% до 50% от значения их номинального напряжения. При этом Вы получите 75% энергии хранящейся в накопителе.
Что такое диэлектрическая абсорбция
Суперконденсаторы
– это современное накапливающее энергию устройство. Суперконденсатор способен:- накапливать энергию как батарея;- быстро разряжаться и заряжаться как конденсатор.В результате электрохимическое устройство отличается:- в 10 раз большей емкостью в сравнении с конденсатором;- в 10 раз большей мощностью импульсного разряда в сравнении с традиционной аккумуляторной батареей.Ионистор или молекулярный накопитель энергии по сути является конденсатором большой емкости.
Преимущества суперконденсаторов:- быстрота зарядки и разрядки;- малое внутреннее сопротивление;- срок службы (минимум 10 лет);- отсутствие ограничений по числу циклов зарядки и разрядки;- диапазон рабочих температур (от -45ºС до +65ºС);- простые способы зарядки без необходимости контроля;- взрыво- и пожаробезопасность, экологическая безопасность, отсутствие токсичных веществ.
Где применяются суперконденсаторы:Активное производство и продажа ионисторов объясняется тем, что на современном этапе развития человечеству требуются более эффективные способы накопления и хранения электроэнергии. Суперконденсатор хорош тем, что он обеспечивает импульсное выделение энергии за короткий временной промежуток – от 0,1 с до 10 с.Ионистор становится незаменимым устройством в том случае, когда нужно обеспечить гарантированный пуск двигателя внутреннего сгорания автомобиля, строительной и прочей спецтехники, железнодорожной техники и так далее. Если раньше проблема запуска ДВС при разряженном штатном аккумуляторе или неблагоприятных погодных условиях требовала больших усилий, серьезных расходов и изобретательности, то сегодня для этого достаточно купить суперконденсатор.Продажа ионисторов ориентирована не только на владельцев автомобилей и спецтехники вместо аккумулятора, для запуска двигателя. Суперконденсатор сегодня покупают и для обеспечения бесперебойной работы систем электроснабжения особо важных объектов. К примеру, в Москве их часто используют в:- системах жизнеобеспечения медицинских и прочих учреждений;- системах связи;- для автомобиля, вместо аккумулятора;- опасных производствах.
Суперконденсатор можно использовать вместе с солнечными батареями и гидрогенераторами.Сегодня многие производители электротранспорта предпочитают приобрести ионистор в качестве замены аккумуляторов. В том числе, такой технологией пользуется отечественный производитель средств общественного транспорта «ТролЗа». Если электропривод троллейбуса питает суперконденсатор, то он становится независимым от контактной сети, что крайне важно для больших городов. Электротранспорт с ионисторами подзаряжается только на остановках с помощью выдвижных элементов, а на основном протяжении маршрута он приближается по маневренности к автобусам с ДВС.Купить суперконденсаторные модули можно и для сборки электромобилей. В них данные устройства используются в качестве источника импульсной мощности при разгоне.Если вы думаете, что суперконденсаторные модули доступны только крупным и богатым компаниям, то это уже давно не так. Молекулярный накопитель энергии сегодня может купить и небольшая организация, и даже частное лицо. Установленная на суперконденсатор цена определяется его техническими характеристиками. В первую очередь, это емкость и напряжение. Если вы хотите приобрести ионистор, то цена и прочие параметры всех моделей приведены в прайс-листе.
Что могут суперконденсаторы
Некоторые считают, что ионисторы, способны заменить любую аккумуляторную батарею в любом устройстве. На самом деле это не совсем так.
Эти устройства решают свои специфические задачи, но полной заменой аккумуляторов стать пока не могут.Приведем простой пример. Обычный суперконденсатор при весе 1 кг способен накопить в 25-30 раз меньше энергии, чем недорогой свинцовый аккумулятор. Однако у суперконденсаторов задача совсем иная. Суперконденсатор способен многократно и без какого-либо ущерба отдавать любую мощность. Ограничение здесь есть ровно одно – соединительные провода должны выдержать эти мощности. Если обычный аккумулятор заставить отдавать большую мощность за короткий промежуток времени, то он быстро выйдет из строя, и к тому же разрядится только наполовину. При этом суперконденсаторы заряжаются за считанные секунды. Обычной аккумуляторной батарее на это нужно несколько часов.Эти особенности и определяют сферу применения суперконденсаторов. Ультраконденсаторы хороши как источники питания для устройств, которые потребляют большую мощность в течение короткого временного промежутка. Например, сюда можно отнести автомобильные стартеры, электроинструменты и электронную аппаратуру. Ультраконденсаторы сохраняют работоспособность при отрицательных температурах, что важно в наших условиях эксплуатации. Молекулярный накопитель энергии используется для запуска военной и гражданской техники.
В настоящее время получили широкое распространение устройства, потребляющие высокую мощность в течение короткого интервала времени, например, электронные замки, реле, двигатели, импульсные излучатели. Для них не всегда можно использовать аккумуляторную батарею в качестве буферного источника энергии. Могут возникнуть сложности с формированием мощных кратковременных токов. Для таких ситуаций стали использовать ионисторы или суперконденсаторы, которые можно устанавливать вместо аккумулятора или в комбинации с ним. Для изготовления этих элементов применяется технология, основанная на использовании эффекта образования двойного электрического слоя. Этим они выгодно отличаются от батарей и аккумуляторов.
Промышленные ионисторы появились не так давно, но их массовым производством уже занимаются, как отечественные, так и зарубежные производители.
Что такое суперконденсаторы
Энергоемкие системы выдвигают высокие требования к источникам питания. Для различного современного оборудования требуется аккумулирование и подача определенной энергии. Чтобы решить такую задачу, используются аккумуляторы или подсоединенные к батарее суперконденсаторы. В последнем варианте ионисторы (молекулярные накопители энергии) играют роль страховки при падении напряжения. Суперконденсаторы отличаются небольшой плотностью энергии и высокой мощностью, что обеспечивает эффективную разрядку на нагрузку. При включении прибора параллельно батарее, снижается импульсная нагрузка на неё, что позволяет продлить срок службы.
Суперконденсаторы представляют собой электрохимические конденсаторы с большими показателями удельной мощности. Они отличаются лучшими техническими характеристиками, чем аккумуляторы. Эти элементы быстрее заряжаются и разряжаются.
В дальнейшем разработчики планируют этими устройствами полностью заменить аккумуляторные батареи. Они могут стать альтернативными источниками питания в разных сферах, например, в производстве автомобилей. Суперконденсаторы применяют в ветроэнергетических конструкциях и солнечных батареях. Подобные приборы представляют собой сочетание стандартного конденсатора и аккумуляторной батареи.
Одно из отличий ионисторов от обычных конденсаторов – наличие двойного электрического слоя, что позволяет накапливать значительное количество энергии. В конструкции отлично сочетаются такие характеристики, как скорость зарядки и разрядки конденсатора и емкость аккумулятора. От обычных конденсаторы такие устройства отличаются отсутствием обычного диэлектрика между электродами.
Параметры
Ионисторы отличаются следующими характеристиками:
В качестве электродов в приборе применяется активированный уголь или углерод на вспененной основе. Эти компоненты помещаются в электролит. Сепаратор предназначен для защиты устройства от короткого замыкания электродов. В современных устройствах не используется электролит на основе кислоты или кристаллического раствора щелочи, так как данные компоненты обладают высоким уровнем токсичности.
Во внутренних полостях конструкции содержится электролит, запасающий электроэнергию при взаимодействии с пластинами.
Первые электрохимические ионисторы (молекулярные накопители энергиибыли) разработаны более 50 лет назад. Они были изготовлены на основе пористых углеродных электродов. В настоящее время они используются в некоторых электрических приборах.
По сравнению с литий – ионными аккумуляторами современные ионисторы характеризуются большим ресурсом и высокой скоростью разряда.
При использовании ионисторов можно добиться более экономичного режима работы за счет аккумулирования излишков энергии.
Между обкладками конструкции располагается не стандартный слой диэлектрика, а более толстая прослойка, позволяющая получить тонкий зазор. При этом прибор обеспечивает возможность получения электроэнергии в больших объемах.
Суперконденсатор аккумулирует и расходует заряды быстрее, чем альтернативные варианты.
Двойной слой диэлектрика увеличивает площадь электродов. Это позволяет улучшить электрические характеристики.
Отличия суперконденсаторов от аккумуляторов
Суперконденсаторы часто применяются вместо батарей. Стандартные конденсаторы способны хранить небольшое количество электроэнергии. Суперконденсаторы могут накапливать заряды в тысячи, миллионы и миллиарды раз больше. Подобные приборы работают быстрее батарей. Это обусловлено тем, что суперконденсатор создает статистические заряды на твердых телах, а батареи зависят от медленно протекающих химических реакций.
Батареи характеризуются более высокой плотностью энергии, а ионисторы более высокой плотностью мощности. Суперконденсаторы способны функционировать при низких показателях напряжения, а для получения большего напряжения, их нужно последовательно соединить. Такой вариант необходим для более мощного оборудования.
Технология ионисторов может найти применение в энергетике и приборостроении. Одно из применений – использование в ветряных турбинах. Подобные приборы помогают сгладить прерывистое питание от ветра.
В портативных электронных приборах используются источники питания разнообразных типов. В таких устройствах, как планшеты, смартфоны и ноутбуки важное значение имеет удельная энергоемкость. Чем больше данный показатель, тем выше будет емкость устройства при тех же физических параметрах.
Установка прибора с более значительной удельной энергоемкостью позволит увеличить время работы мобильного оборудования, не увеличивая его параметры. Поэтому в смартфонах часто используются полимерные аккумуляторные батареи, которые являются лидерами в малогабаритных перезаряжаемых источниках питания.
Аккумуляторные батареи обладают ограниченным ресурсом. При интенсивном применении ресурс прибора является критичным фактором, который сокращает жизненный цикл оборудования. Поэтому к более перспективным устройствам относятся ионисторы. Они представляют собой идеальный накопитель электроэнергии.
Ионистор похож на электролитический конденсатор, но при тех же размерах имеет большую емкость. Подобные устройства могут накапливать большое количество энергии за короткий промежуток времени, что позволит сократить время подзарядки до минимального значения. Суперконденсаторы могут выдержать без видимой деградации несколько десятков тысяч циклов.
Благодаря незначительной токсичности материалов для изготовления ионисторов, их легче утилизировать, чем аналогичные варианты. Но из-за большого тока саморазряда данные приборы не годятся для очень продолжительного хранения электроэнергии. Ионисторы отлично подходят для беспроводных периферийных устройств. Здесь проявляют себя такие свойства, как эффективность и высокая скорость заряда.
Беспроводное устройство с ионистором требует ежедневной подзарядки. Но на данную процедуру потратится несколько минут.
Разновидности
Суперконденсаторы бывают следующих видов:
Суперконденсаторы бывают разных форм и размеров. Основное назначение таких устройств – это дублирование главного источника при падении напряжения.
Для создания гибридных устройств применяются катоды особого вида. Их делают из графена гипероксидированного типа. Графен представляет собой двумерную модификацию углерода, в которой атомы размещены в один слой. Данный компонент отличается высокой химической стойкостью.
Принцип действия
Принцип действия ионистора похож с обычным конденсатором. Но эти приборы различаются применяемыми материалами. Обкладки делаются из пористого материала, который представляет собой отличный проводник. Это позволяет увеличить емкость устройства. В качестве диэлектрика применяется электролит, что позволяет уменьшить расстояние между обкладками и повысить емкость.
В суперконденсаторе заряд накапливается в результате формирования двойного электрического слоя на электроде при адсорбции ионов из электролитов.
В основе принципа работы – разложение разности потенциалов к токовыводам. При этом на катоде создаются отрицательные ионы, а на аноде – положительные. Сепаратор пропускает ионы электролита и предотвращает короткое замыкание между электродами. Электричество сохраняется статическим способом. В процессе заряда-разряда отсутствуют реакции электрохимического типа.
Суперконденсаторы способны накапливать большое количество энергии за короткий промежуток времени, что позволяет уменьшить время для подзарядки приборов.
Современные ионные аккумуляторы могут отдавать только 60 % электроэнергии, израсходованной на их зарядку. У суперконденсаторов данный показатель превышает 90 %. Другим важным преимуществом является большой ресурс. У многих видов аккумуляторов уменьшение емкости происходит после нескольких сотен циклов разряда – разряда. А ионисторы выдерживают до миллиона циклов без нарушений.
Конструкции элементарных ячеек позволяют создать модули различных размеров и любого напряжения. Устройства могут быть выполнены с охлаждением разного типа – воздушного, водяного и естественного.
Плюсы и минусы
Стоит выбрать суперконденсаторы, ради следующих преимуществ:
Некоторые минусы вызывают сложности с эксплуатацией:
Устройство должно быть защищено от короткого замыкания, т.к. это может вызвать повышение температуры. В результате элементу понадобится замена.
Применение
Уникальные характеристики ионисторов находят применение в различных областях техники..
Суперконденсаторы используются в следующих вариантах техники:
Для улучшения работы автомагнитолы можно приобрести и поставить ионистор. Он позволяет сгладить колебания напряжения во время включения зажигания. В некоторых странах применяются автобусы без тяговых батарей, а все работы производятся ионисторами.
В ходе проведенных испытаний было выявлено, что подобные устройства превосходят свинцово-кислотные батареи в ветровых турбинах. Суперконденсаторы востребованы в системах бесперебойного питания, в которых необходимо обеспечить быструю передачу мощности.
В мире насчитывается примерно 66 крупнейших производителей ионисторов.
Перспективы использования
Ионисторы с каждым годом становятся все совершенней. Важным параметром, которому ученые уделяют особое внимание — является увеличение удельной емкости. Через какое – то время планируется подобными приборами заменить аккумуляторы. Такие элементы позволяют заменить батареи в различных технических сферах. Специалисты возлагают большие надежды на разработку графеновых устройств. Применение инновационного материала поможет уже в ближайшее время создать изделия с высокими показателями запасаемой удельной энергии.
Ионистор нового образца в несколько раз превосходит альтернативные варианты. Данные элементы имеют в своей основе пористую структуру. Применяется графен, на котором распределяются частицы рутения. Преимуществом графеновой пены является способность удержания частиц оксидов переходных металлов. Подобные суперконденсаторы работают на водном электролите, что позволяет обеспечить безопасность эксплуатации.
В перспективе новинки будут применяться в сфере изготовления персонального электрического транспорта. Приборы на основе графеновой пены могут перезаряжаться до 8000 раз без ухудшения качественных характеристик.
В сфере автомобильного строения проводятся разработки альтернативных разновидностей топлива и устройств накопления энергии высокой эффективности. Подобные приборы могут применяться для грузового транспорта, электрических автомобилей и поездов.
В автомобилестроении суперконденсаторные батареи находят следующие применения:
Суперконденсаторы обладают множеством преимуществ по сравнению с аккумуляторами в автомобильной промышленности. Они превосходно выдерживают перепады напряжения. Приборы характеризуются легкостью, поэтому можно устанавливать большое их количество.
Для сферы микроэлектроники разрабатываются новые технологии по производству компактных суперконденсаторов. При производстве электродов применяются специальные методы осаждения на тонкую подложку из диоксида кремния специальной углеродистой пленки.
Использование суперконденсаторов позволяет внедрить в жизнь экологические технологии экономии энергии. В перспективе предусмотрено расширение сфер применения таких приспособлений для отраслей автотранспорта, мобильной техники и средств связи.