Суперконденсатор

Научно-технический прогресс во всех сферах деятельности человечества всё более нуждается в резервных источниках электрической энергии. Современные аккумуляторы сложны в обслуживании и ограничены в объёме электрического заряда. Суперконденсатор (ионистор) – это мощный накопитель электричества, который в будущем заменит традиционные аккумуляторы.

Суперконденсаторы

Концепция

Конденсаторы большой ёмкости накапливают электрический заряд за счёт двойного электрического слоя. Двойной электрический слой (ДЭС) позволяет сохранять энергетический потенциал на несколько порядков выше, чем это может обычный конденсатор.

ДЭС – это прослойка между обкладками из ионов, покрывающая поверхность частиц на границе фаз. Заряд одного слоя ионов компенсируется потенциалом второго слоя противоионов. Толщина ДЭС ничтожно мала, в то же время площадь пористых обкладок огромна.

Ионистор использует ДЭС между углем и электролитом. Электрод – это твёрдый активированный уголь, а электролит представлен в жидкой форме. При плотном контакте этих двух сред положительные и отрицательные полюсы имеют между собой очень узкий зазор. При воздействии электрического поля образуется двойной электрический слой на граничащей с углём поверхности электролита.

Ионистор с двойным электрическим слоем

Применение двойного электрического слоя вместо диэлектрика даёт возможность неограниченно увеличивать поверхность электрода. В результате небольшой суперконденсатор может обладать ёмкостью в несколько фарад при напряжении от 2 до 10 вольт.

История создания суперконденсатора

В 1957 году американской фирмой General Electric был запатентован конденсатор с двойным электрическим слоем и пористыми угольными электродами. Концепция патента заключалась в том, что накопление электрического потенциала происходило в угольных порах.

Однако уже в 1966 году фирма из штата Огайо SOHIO получила патент на ионистор, скапливающий заряд в двойном электрическом слое. В 1971 году фирма NEC, перекупившая патент у SOHIO, стала производить изделия под названием Суперконденсатор (Supercapacitor).

В 1978 году японский производитель радиотехники Panasonic заполнил рынок ионисторами под названием Золотой конденсатор (Gold capacitor). В этом же году в СССР были разработаны и изготовлены первые суперконденсаторы ёмкостью от 0,1 до 50 фарад.

Типы ионисторов

Суперконденсаторы делят на три типа:

1. «Идеальный» ионистор – конденсатор с идеально поляризуемыми угольными электродами. Заряд происходит за счёт ионного переноса с одного на другой электрод. В качестве электролита применяют 30% раствор гидрооксида калия (КОН) или 38% раствор серной кислоты (H2SO4).
2. Конденсаторы со слабо поляризуемыми катодами или анодами – гибридные ионисторы. Электрохимическая реакция происходит только на одном из электродов.
3. Псевдоконденсаторы – это ионисторы с электродами, на поверхности которых происходят обратимые электрохимические процессы. Изделия обладают высокой удельной ёмкостью.

Сравнение

Суперконденсаторы (СК) в основном используют тогда, когда нужно сохранить информацию в памяти различных устройств и кратковременно поддержать их питание. Ионисторы препятствуют потере данных и сбросу настроек в мобильных электронных аппаратах во время смены элементов питания (батарейки, аккумуляторные батареи).

Преимущества

• Зарядка и разрядка большого по силе тока;
• Устойчивость к потере качеств после 100 тыс. циклов заряда – разряда;
• Внутреннее сопротивление не позволяет возникать быстрому саморазряду, перегреву и разрушению СК;
• После 50 тыс. часов эксплуатации ионистор теряет незначительную часть ёмкости;
• Ионистор обладает незначительной массой, по сравнению с аналогичными электролитическими конденсаторами;
• Невосприимчивость к резким перепадам температуры окружающей среды;
• Стойкость к внешним механическим воздействиям.

Недостатки

• Высокий риск разрушения при коротком замыкании для СК большой ёмкости и низким внутренним сопротивлением;
• Низкое рабочее напряжение;
• Высокая степень саморазряда;
• Замедленная отдача заряда;
• Высокая стоимость.

Материалы

Основным материалом для СК является активированный уголь в измельчённом состоянии. Из него формируют электроды ионисторов. Общая площадь поверхности гранул позволяет концентрировать большой величины электрический потенциал.

Плотность энергии

По этому показателю ионисторы находятся между электролитическими конденсаторами и свинцовыми, полимерными аккумуляторами. Последние разработки позволили получить СК, по своим характеристикам приближенные к параметрам аккумуляторов.

Последнее достижение в этой области – это суперконденсатор, созданный индийскими и корейскими учёными с применением графена и азота. Опытный образец превосходил в два раза характеристики свинцового аккумулятора.

Практическое применение суперконденсаторов

Современные ионисторы нашли широкое применение в таких сферах, как:

1. Транспортные средства;
2. Бытовая электроника.

Транспортные средства

Суперконденсаторы с недавнего времени стали встраивать в транспортные средства, питанием которых является электроэнергия.

Тяжёлый и общественный транспорт

Не так давно на улицы Минска вышли на маршруты электробусы совместного производства южно-корейской компании Hyundai Motor и белорусского предприятия Белкоммунмаш. Новый общественный транспорт оснащён электрическим двигателем, питающимся энергией бортовых ионисторов. Москвичей порадовали электрические автобусы отечественного производства, вышедшие на городские маршруты в мае 2019 года.

Городской транспорт на ионисторах способен проходить маршрут до конечной остановки с подзарядкой на 2 или 3 остановках. Время подзарядки занимает 2-3 минуты, что вполне хватает для высадки и посадки пассажиров. Полную зарядку конденсаторной системы питания производят на конечных станциях в течение 8-10 минут.

Автомобили

Мировые лидеры по производству автомобилей постоянно совершенствуют свои электромобили. На международных выставках особое внимание уделяется машинам, питание которых обеспечивают суперконденсаторы.

Автомобильный суперконденсатор

Недавно российскими производителями был представлен Ё-мобиль, использующий суперконденсаторы как основной источник электроэнергии.

СК для пуска двигателя

Автогонки

Автомобильные компании, производящие электромобили и их гибридные модификации, регулярно проводят автогонки с участием машин на ионисторах. Это делается для рекламы и продвижения своей продукции на мировом авторынке.

Бытовая электроника

Ни одно сложное электронное устройство не обходится без суперконденсаторов. Их можно найти в резервном питании ноутбуков, смартфонов и в других приборах бытового назначения. Ионисторы необходимы там, где нужно поддержать электропитание во время прерывания связи с основным источником тока.

Источники бесперебойного питания (ИБП) построены на ионисторах. ИБП незаменимы там, где электроснабжение зависит от непостоянных источников электроэнергии, таких как ветрогенераторы, солнечные батареи и пр.

Ионистор для ИБП

Перспективы развития

В недалёком будущем ожидается массовое производство гибридного общественного транспорта. Это троллейбусы, которые смогут преодолевать участки дорог без троллей с использованием питания бортовых ионисторов. Они смогут маневрировать в тех местах, где штанги будут непреодолимой помехой движению транспорта.

Учёными всего мира ведутся поиски новых материалов для создания особо мощных суперконденсаторов. Такие ионисторы могли бы полностью заменить традиционные аккумуляторы.

Ионистор своими руками

Для изготовления суперконденсатора в домашних условиях понадобятся:

• фольга из пачки сигарет (диэлектрик);
• таблетки активированного угля (электрод);
• водорастворимый акриловый лак или клей ПВА (электролит).

Изготовить самодельный ионистор можно следующим образом:

1. Из фольги вырезают 2 прямоугольника.
2. Таблетки угля размалывают в ступке до состояния мелкого порошка. Это можно сделать и в кофемолке.
3. Угольный порошок перемешивают с акриловым лаком.
4. Полученную смесь наносят кисточкой на один из отрезков фольги.
5. После просушки наносят второй угольный слой, затем процесс повторяют.
6. Используя клей ПВА, приклеивают второй прямоугольник из фольги. Суперконденсатор готов.
7. Подсоединив проводки к двум противоположным сторонам изделия, можно зарядить ионистор с помощью любой батарейки.

Суперконденсатор своими руками

Научно-технический прогресс в создании совершенных источников электроэнергии ни на секунду не замирает. В скором будущем будут созданы высоковольтные суперконденсаторы высокого качества, которые сделают технологический переворот практически во всех сферах деятельности человечества.

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич