Ионистор - устройство, применение, характеристики

Разновидности суперконденсаторов

Ионисторы делятся на три вида:

Идеальный ионистор. Название было присвоено ионному конденсатору, в котором электроды из углерода поляризовались на 100%. При полном отсутствии электрохимических процессов энергия накапливается благодаря ионному переносу электронов с одного на другой электрод. Электролитом в «идеальных» ионисторах служат растворы основания KOH и серной кислоты H2SO4.
Гибридные ионисторы – это конденсаторы со слабо поляризуемыми электродами. Скопление энергии в ДЭС происходит на поверхности одного из электродов.
Псевдоионисторы обладают высокой удельной ёмкостью. На поверхности электродов происходят возвратные электрохимические реакции.

Устройство ионистора

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.

Параметры

Ионисторы отличаются следующими характеристиками:

Внутреннее сопротивление (измеряется в миллиОмах).
Максимальный ток. (А).
Номинальное напряжение (В).
Емкость (Ф).
Параметры саморазряда.

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.

Связка из шести ионисторов

Принцип работы ионистора

Как уже было сказано, ионистор сильно напоминает конденсатор, но в отличие от него он не имеет диэлектрического слоя вокруг себя. Обкладки представляют собой особые вещества, которые копят заряды противоположных знаков.

Известно, что емкостные характеристики конденсаторов, как и ионисторов, зависят от величины обкладок. Рассматриваемый элемент обладает обкладками из активированного угля или специально подготовленного вспененного углерода. Это обеспечивает повышенную площадь обкладок.

Простая схема, демонстрирующая принцип работы

Ионистор обладает выводами, которые сепарированы разделителем, помещенным в электролиты. Нужно это для предотвращения вероятных коротких замыканий. Электролиты чаще всего представляют собой кислоты и щелочи в любом приемлемом агрегатном состоянии.

Обратите внимание! При использовании электролитического йода или серебра можно получить качественный ионистор со значительными емкостными характеристиками, способностью работать при низких температурах и малым саморазрядом. Во время протекания электрических и химических реакций часть электронов отделяется от полюсов приспособления и обеспечивает создание положительного заряда

Отрицательно заряженные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются этими полюсами со знаком «плюс». В результате получается электрический слой

Во время протекания электрических и химических реакций часть электронов отделяется от полюсов приспособления и обеспечивает создание положительного заряда. Отрицательно заряженные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются этими полюсами со знаком «плюс». В результате получается электрический слой.

Ионистор на плате магнитолы

Сам же заряд сосредотачивается на границах углеродных полюсов и электролитического вещества. Слой очень тонкий, всего 1-5 нанометров в толщину, а это значительно повышает емкость приспособления.

Первое испытание с запуском двигателя

Я купил 6 суперконденсаторов и плату балансовой защиты, бывают они продаются индивидуально под каждый ионистор, а бывает и цельная линейка под шесть штук.

Собрал все воедино.

Плата защиты исключает перезаряд суперконденсаторов напряжением выше 2,7В, поэтому использовать ее практически обязательно нужно, если включение элементов производится последовательно.

Далее я припаял клеммы и установил эту батарею на авто. Но предварительно ее необходимо зарядить небольшим током 5-7 А до рабочего напряжения. На это ушло 10-15 минут времени.

После подключения автомобиль завелся без лишних сложностей, двигатель работал стабильно, напряжение в бортовой сети держалось на должном уровне.

В ходе этого эксперимента выяснились следующие плюсы и минут: батарея из ионисторов быстро разряжалась при выключенном зажигании, а именно где-то через 5-6 часов напряжение падало до 10 В. Это был минус, а плюс был в том, что даже при этом напряжении автомобиль все ещё заводился, так как для ионистора любое напряжение рабочее, в отличии от аккумулятора.

В итоге запустить двигатель по прошествии одних суток уже не представлялось возможным. И я решил исправить данный недостаток в следующей конструкции.

Схема аккумулятора на ионисторе

Схема основана на суперконденсаторах, емкость которых во много тысяч раз превышает обычные электролитические конденсаторы (1-3000 фарад), что делает их хорошими накопителями тока. В данном варианте использовались 2 конденсатора по 400 фарад, соединенных последовательно, что дает напряжение 5,4 В для питания преобразователя постоянного тока. Также схема оснащена зарядным модулем и цифровым вольтметром — индикатором напряжения на выходе.

Суперконденсаторы имеют множество преимуществ, они могут заряжаться и разряжаться даже миллион раз, они имеют чрезвычайно низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR для суперконденсатора составляет в среднем 0,01 Ом, для батарей — от 0,02 до 0,2 Ома), что позволяет быстро заряжать и разряжать конденсатор. Заряженные конденсаторы не теряют накопленный заряд во время хранения, как в случае с батареями. Кроме того, они намного безопаснее для окружающей среды.

Схема зарядки суперконденсаторов в данном случае очень проста и построена на основе LM317. Резисторы ограничивают выходное напряжение до 1,25 В. В качестве ограничителя напряжения использовались резисторы 2,2 Ом / 5 Вт, чтобы избежать возможности перегорания LM317. Ограничитель тока можно отключить с помощью перемычки. Защитой от обратного напряжения с заряженных конденсаторов являются два параллельных диода 1N4001.

В батарее конденсаторов работают два элемента, каждый емкостью 400 фарад и напряжением 2,7 В, соединенных последовательно. Это обеспечивает максимальное напряжение 5,4 В и результирующую емкость 200 фарад. Для питания преобразователя постоянного тока требуется напряжение 3,4 В, поэтому данное решение является идеальным — даже если напряжение на конденсаторах упадет с 5,4 до 3,4 В — преобразователь будет работать без проблем. Для удобства использовалась кнопка, позволяющая переключать вольтметр между выходом источником питания преобразователя или проверка состояния заряда конденсаторов.

В качестве преобразователя постоянного тока служит готовое устройство с напряжением питания не менее 3,4 В и диапазоном выходных напряжений до 33 В. Используемый инвертор имеет очень маленький размер, позволяет выдавать максимальное значение тока до 3 А и непрерывный до 2 А. Используемый преобразователь имеет мощность 15 Вт и эффективность 90%.

По желанию можно использовать модульный индикатор напряжения или просто стрелочный вольтметр. В этом решении установлен вольтметр 0-20 В с LED дисплеем. Далее принципиальная схема всей батареи.

Из определения емкости конденсатора следует, что 200F / 5,5 В разряжаются на 1 В (до 4,5 В), давая ток 1 А в течение 200 секунд. Таким образом, в этом конкретном случае инвертор будет работать в течение 7 минут, потребляя 1 А от конденсаторов.

Возможные улучшения и изменения, которые могут быть сделаны при повторении, включают создание сборок конденсаторов с большей емкостью и разработку более совершенной схемы управления зарядкой наряду с дополнительными функциями безопасности.

Сегодня эти конденсаторы можно купить всего за пару долларов за штуку. Кроме того это идеальное решение, например, в качестве буфера у солнечных элементах или ветротурбине, или в качестве источника энергии для сварочного аппарата.

Суперконденсаторы не являются чем-то новым (они используются в автомобильной аудиотехнике в течение уже долгого времени), но процесс производства электродов постоянно совершенствуется. Поскольку они сделаны из углеродного аэрогеля, этот материал чрезвычайно пористый и большая поверхность такого электрода равно большая емкость.

Что касается промышленного применения ионисторов, к примеру есть отвертка с таким источником питания. Можно работать несколько минут на один заряд. Это имеет большое преимущество перед всеми перезаряжаемыми батареями, так как время зарядки всего 50 секунд. Технология называется Flashcell.

История изобретения ионистора

Американской компанией Дженерал Электрик в 1957 году был запатентован простой ионистор с ДЭС, электроды которого были сделаны из активированного угля. Теоретически предполагалось накопление энергии в порах поверхности электродов.

Уже в 1966 году компанией Стандарт Ойл Огайо был получен патент на компонент, который обеспечивал накопление энергии в ДЭС. Потерпев убытки, связанные с низкой реализацией ёмких конденсаторов, фирма передала права на изготовление этих устройств компании Nec. Новый владелец лицензии сумел значительно увеличить спрос на свою продукцию под названием суперконденсатор (Supercapacitor). Устройство значительно понизило энергозависимость электронной памяти, что стимулировало развитие компьютерных технологий.

1978 год ознаменовался появлением на рынке электротехники Золотого конденсатора (Gold Cap) ведущей японской электрокомпании Панасоник. Это уже было устройство более высокого качества. Ионисторы нашли своё применение в системах питания электронной памяти.

В том же году первое упоминание о том, что такое ионисторы в СССР, было опубликовано в пятом номере журнала «Радио». В статье был описан первый советский ионистор КИ1-1. Его устройство предполагало предельный объём заряда до 50 фарад. Недостатком суперконденсатора было его высокое внутреннее сопротивление (ВС), что препятствовало полноценной отдаче электрической энергии.

Суперконденсаторы с малым ВС появились только в 1982 году. Новая конструкция была разработана специалистами компании PRI для особо мощных схем, где применяют ионистор «PRI Ultracapacitor».

Важно! Прогресс в совершенствовании суперконденсаторов приведёт к тому, что ионисторы полностью заменят традиционные аккумуляторы

Собираем ионистр своими руками

Сборка ионистра своими руками – дело не самое простое, но в домашних условиях его сделать все же можно. Есть несколько конструкций, где присутствуют разные материалы. Предлагаем одну из них. Для этого вам понадобится:

металлическая баночка от кофе (50 г);
активированный уголь, который продается в аптеках, его можно заменить истолченными угольными электродами;
два круга из медной пластины;
вата.

В первую очередь необходимо приготовить электролит. Для этого сначала надо истолочь активированный уголь в порошок. Затем сделать солевой раствор, для чего в 100 г воды надо добавить 25 г соли, и все это хорошо перемешать. Далее, в раствор постепенно добавляется порошок активированного угля. Его количество определяет консистенция электролита, она должна быть плотностью, как замазка.

После чего готовый электролит наносится на медные круги (на одну из сторон)

Обратите внимание, чем толще слой электролита, тем больше емкость ионистра. И еще один момент, толщина наносимого электролита на двух кругах должна быть одинаковая

Итак, электроды готовы, теперь их надо разграничить материалом, который бы пропускал электрический ток, но не пропускал угольный порошок. Для этого используется обычная вата, хотя вариантов и здесь немало. Толщина ватного слоя определяет диаметр металлической баночки от кофе, то есть, вся эта электродная конструкция должна в нее спокойно поместиться. Отсюда, в принципе, и придется подбирать размеры самих электродов (медных кругов).

Остается только сами электроды подключить к выводам. Все, ионистр, изготовленный своими руками, да еще в домашних условиях, готов. У такой конструкции не очень большая емкость – не выше 0,3 фарад, да и напряжение зарядки всего лишь один вольт, но это самый настоящий ионистр.

Положительные и отрицательные стороны

К числу безусловных преимуществ этих устройств относятся следующие качества:

разрядка и заряд устройства не занимает много времени, что позволяет их использовать в тех случаях, когда аккумуляторы установить не представляется возможным из-за долгой подзарядки;
по сравнению с аккумуляторными батареями у ионисторов значительно больше циклов полного заряда-разряда устройства;
чтобы произвести подзарядку, не понадобится специальное зарядное оборудование, следовательно, упрощается обслуживание;
радиодетали этого типа гораздо легче аккумуляторов и меньше их по габаритам;
широкий диапазон рабочей температуры – от -40 до 70С°;
срок эксплуатации во много раз больше, чем его имеют силовые конденсаторы и аккумуляторные батареи.

Как бы ни были хороши эти радиодетали, но у них есть и недостатки, которые несколько усложняют эксплуатацию, а именно:

относительно высокая цена на ионисторы приводит к тому, что использование их в технике ведет к ее удорожанию. Как утверждают специалисты, в ближайшем будущем эта проблема будет решена, благодаря развитию новых технологий;
низкие параметры номинального напряжения устройств, решением может служить последовательное соединение нескольких элементов (принцип такой же, как при подключении нескольких батареек). В этом случае потребуется установить шунт в виде резистора на каждый компонент;
превышение температурного режима (нагрев более 70С°) становится причиной выхода из строя;
данный тип радиодеталей не позволяет накапливать достаточно энергии, помимо этого они обладают небольшой энергетической плотностью (то есть не столь мощные, как аккумуляторы), что несколько сужает сферу их применения. Параллельное подключение нескольких элементов позволяет частично справиться с этой проблемой.

Отдельно следует заметить, что суперконденсаторы относятся к элементам, подключение которых требует, чтобы была соблюдена полярность. Нельзя допускать короткое замыкание устройства, поскольку оно станет причиной, из-за которой повысится температура, и радиоэлементу потребуется замена.

Ионистор своими руками

Для изготовления суперконденсатора своими руками потребуются:

фольга, можно взять вкладку из пачки сигарет, она будет диэлектриком;
таблетка активированного угля, это будет электрод;
клей ПВА в качестве электролита.

Изготавливают простейший ионистор своими руками следующим образом:

Мелко размолотый уголь перемешивают с клеем ПВА.
Кистью наносят смесь на один отрезок фольги.
После каждой просушки наносят следующий клеевой слой. Трех слоев вполне достаточно для изготовления ионистора.
На высушенную поверхность накладывают второй отрезок фольги после обработки клеем ПВА.
Приложив с двух сторон модели проводки от батарейки, заряжают самодельный ионистор.

Самодельный ионистор

Продемонстрировать возможности самоделки можно, услышав сигнал подсоединённого маломощного динамика, или, если применить его для свечения светодиода.

Частота, с которой создаются новые модели суперконденсаторов, настолько большая, что порой трудно запоминать новые названия. Специалисты ожидают скорого появления высоковольтных иониксов, которые совершат технологическую революцию во всех сферах деятельности человека.

Применение суперконденсаторов

Системы аварийного освещения являются тем местом, где использование суперконденсаторов вместо аккумуляторов дает ощутимый выигрыш. В самом деле, именно для этого применения характерна неравномерность разрядки. Кроме этого, желательно, чтобы зарядка аварийного светильника происходила быстро, и чтобы используемый в нем резервный источник питания имел большую надежность. Источник резервного питания на основе суперконденсатора можно встроить непосредственно в светодиодную лампу T8. Такие лампы уже выпускаются рядом китайских фирм.

Грунтовый светодиодный светильник с питанием от солнечных батарей, накопление энергии в котором осуществляется в суперконденсаторе

Как уже отмечалось, развитие суперконденсаторов во многом связано с интересом к альтернативным источникам энергии. Но практическое применение пока ограничено светодиодными светильниками, получающими энергию от солнца.

Активно развивается такое направление как использование суперконденсаторов для запуска электрооборудования.

Суперконденсаторы способны дать большое количество энергии в короткий интервал времени. Запитывая электрооборудование в момент пуска от суперконденсатора, можно уменьшить пиковые нагрузки на электросеть и в конечном счете уменьшить запас на пусковые токи, добившись огромной экономии средств.

Соединив несколько суперконденсаторов в батарею, мы можем достичь емкости, сопоставимой с аккумуляторами, используемыми в электромобилях. Но весить эта батарея будет в несколько раз больше аккумулятора, что для транспортных средств неприемлемо. Решить проблему можно, используя суперконденсаторы на основе графена, но они пока существуют только в качестве опытных образцов. Тем не менее, перспективный вариант знаменитого «Ё-мобиля», работающий только от электричества, в качестве источника питания будет использовать суперконденсаторы нового поколения, разработка которых ведется российскими учеными.

Суперконденсаторы также дадут выигрыш при замене аккумуляторов в обычных машинах, работающих на бензине или дизельном топливе — их использование в таких транспортных средствах уже является реальностью.

Пока же самым удачным из реализованных проектов внедрения суперконденсаторов можно считать новые троллейбусы российского производства, вышедшие недавно на улицы Москвы. При прекращении подачи напряжения в контактную сеть или же при «слетании» токосъемников троллейбус может проехать на небольшой (порядка 15 км/ч) скорости несколько сотен метров в место, где он не будет мешать движению на дороге. Источником энергии при таких маневрах для него является батарея суперконденсаторов.

В общем, пока суперконденсаторы могут вытеснить аккумуляторы только в отдельных «нишах». Но технологии бурно развиваются, что позволяет ожидать, что уже в ближайшем будущем область применения суперконденсаторов значительно расширится.

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы — история создания и развития технологии

7 июня 1962 года, Роберт Райтмаер, химик американской компании Standard Oil Company (SOHIO), располагавшейся в городе Кливленд, штата Огайо, подал заявку на получение патента, где подробно описывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, обладающем «двойным электрическим слоем». Если в обычном конденсаторе алюминиевые обкладки, традиционно, были изолированы слоем диэлектрика, то в предлагаемом изобретателем варианте акцент делался непосредственно на материал обкладок. Электроды должны были иметь различную проводимость: один электрод должен был обладать ионной проводимостью, а другой – электронной.

Таким образом, в процессе заряда конденсатора происходило бы разделение электронов и положительных центров в электронном проводнике, и разделение катионов и анионов в ионном проводнике. Электронный проводник предлагалось сделать из пористого углерода, тогда ионным проводником мог бы быть водный раствор серной кислоты. Заряд в таком случае сохранялся бы на границе раздела этих особых проводников (тот самый двойной слой). Разность потенциалов этих первых ионисторов могла достигать значения в 1 вольт, а емкость – единиц фарад, ведь теперь расстояние между обкладками было меньше 5 нанометров.

В 1971 году лицензия была передана японской компании NEC, занимающейся к тому моменту всеми направлениями электронной коммуникации. Японцам удалось успешно продвинуть технологию на рынок электроники под названием «Суперконденсатор».

Спустя семь лет, в 1978 году, компания Panasonic, в свою очередь, выпустила «Золотой конденсатор» («Gold Cap»), так же завоевавший успех на этом рынке. Успех был обеспечен удобством применения ионисторов для питания энергозависимой памяти SRAM. Однако эти ионисторы обладали высоким внутренним сопротивлением, которое ограничивало возможность быстрого извлечения энергии, а значит, сильно сужала диапазон сфер применения.

Gold Cap от Panasonic

В 1982 году специалисты американского Научно-исследовательского Института Pinnacle (PRI), расположенного в городе Лос-Гатос, штат Калифорния, работая над улучшением материалов электродов и электролитов, разработали ионисторы с чрезвычайно высокой плотностью энергии, которые появились на рынке под названием «PRI Ultracapacitor».

Спустя 10 лет, в 1992 году, компания Maxwell Laboratories (позже сменившая название на Maxwell Technologies, г. Сан-Диего, штат Калифорния, США) начала развивать технологию PRI под названием «Boost Caps». Целью теперь стало создание конденсаторов высокой емкости с низким сопротивлением, чтобы получить возможность питания мощного электрооборудования.

В 1999 году тайванская компания UltraCap Technologies Corp. также начала сотрудничество с PRI, которые разработали к тому времени электродную керамику чрезвычайно большой площади, и к 2001 году на рынок вышел первый высокоемкостной ультраконденсатор производства Тайваня. С этого момента началось активное развитие технологии во многих НИИ мира.

Как зарядить ионистор

Для зарядки этого элемента нужен источник питания. Если он имеется в схеме, и прибор работает корректно, то ионистор заряжается сам по себе и поддерживает напряжение, передаваемое от аккумулятора или электрической сети. Если необходимо зарядить приспособление самостоятельно, то подойдет схема, описная ниже.

Пример подключения для зарядки

Прибор запитывают от 12-вольтного адаптера. Затем используется стабилизатор напряжения и тока для регулирования 5,5 В для зарядки элемента. Это напряжение подается на конденсатор через полевой MOSFET-транзистор, который действует в роли переключателя. Он замыкается только тогда, когда напряжение в ионисторе падает до 4,8 В.

Важно! Если напряжение повышается, то транзистор размыкается, и зарядка прекращается

Заключение

Теперь поподробнее о достоинствах и недостатка:

Плюсы:

В отличии от аккумулятора суперконденсаторы надежнее справляются с пиковым пусковым током. Пуск получается надежнее.
Низкое напряжение вполне является рабочим.
Имеет низкий вес, от чего всю коробку можно запросто таскать домой на всякий случай.
Для пуска можно произвести зарядку даже от батареек и спокойно ехать в путь.

Минусы:

Большой саморазряд. Передвигаться конечно можно, но если необходимо на короткий срок включить габариты или аварийную сигнализацию — мало на что хватит энергии, при заглушенном двигателе естественно.

Ну это то что пришло в голову. Теперь о стоимости. На Али Экспресс супер конденсаторы стоят не так уж и дорого. И если посчитать их 6 и балансную защиту, то выйдет дешевле чем кислотный аккумулятор.

На этом у меня все. Надеюсь мой эксперимент был для вас познавательным и интересным. Удачи всем!

Список источников