Jonistory, inaczej superkondensatory lub ultrakondensatory, to urządzenia podobne do kondensatorów, w których ładunek elektryczny gromadzi się między dwiema płytkami na styku dwóch mediów - elektrolitu i elektrod. Cała energia w jonistach jest magazynowana w postaci ładunku statycznego. Akumulacja energii następuje z powodu przyłożonego stałego napięcia na jego zaciskach zewnętrznych. Łatwiej powiedzieć, że to zwykłe kondensatory, które w przeciwieństwie do prostych mają ogromną pojemność.

Niektórzy uważają, że superkondensatory mogą zastąpić baterię. Ale do tej pory tak nie jest. Ważący jeden kilogram jonizator może zgromadzić 3000 J energii, a dość tani akumulator ołowiowy może zmagazynować 86000 J. Ale w przypadku dużej mocy wyjściowej w bardzo krótkim czasie akumulator szybko ponieść porażkę. Jonist można wielokrotnie i bez szkody zmusić do podania jakiejkolwiek mocy, jonizator można naładować w ciągu kilku sekund. Zasada ta znalazła szerokie zastosowanie w przenośnych aparatach rentgenowskich.

Jak wiemy z poprzednich wykładów z elektrotechniki, te, do których przywykliśmy, mają wewnątrz foliowe wykładziny, oddzielone dielektrykiem. Jonizatory to już połączenie pojemności z baterią elektrochemiczną. W jonizatorze zastosowano specjalny elektrolit i okładziny. Zasadniczo zwiększenie całkowitej pojemności superkondensatora odbywa się poprzez zastosowanie materiałów o wystarczająco dużej powierzchni własnej.

Jonizatory mają podszewki następujące typy: z użyciem węgla aktywnego, polimerów przewodzących i różnych tlenków metali. Zastosowanie superporowatych materiałów węglowych umożliwia uzyskanie całkowitej gęstości pojemności 10 Farad/cm 3 i nawet więcej. Superkondensatory oparte na węglu aktywnym są tańsze w produkcji komercyjnej. Nazywane są również kondensatorami DLC - dwuwarstwowymi, ponieważ pojemność gromadzi się w podwójnej warstwie, która powstaje na powierzchni okładziny.

Elektrolit jonizatorów może być wodny lub organiczny. Jonizatory zawierające wodny elektrolit mają niską rezystancję wewnętrzną, ale ich napięcie ładowania jest ograniczone do poziomu jednego wolta. Wręcz przeciwnie, superkondensatory oparte na elektrolicie organicznym mają dość dużą rezystancję, ale ich poziom naładowania wynosi 2-3 wolty.

Ponieważ do zasilania różnych obwodów elektronicznych stosuje się wyższe wartości napięcia niż w przypadku pojedynczego jonizatora, są one łączone szeregowo, aby uzyskać pożądaną wartość znamionową. Pojemność jonizatorów mierzona jest w faradach. W superkondensatorach możliwe jest osiągnięcie gęstości mocy na masę substancji roboczej od jednego do dziesięciu W/kg. Jest to o rząd wielkości większy niż w przypadku standardowych kondensatorów i mniejszy niż w przypadku akumulatorów.

Do głównych wad działania superkondensatora należy liniowy spadek poziomu napięcia podczas jego pracy, aż do całkowitego rozładowania. Dlatego jonizatory nie mogą w pełni naładować. Całkowity stan naładowania jest obliczany w procentach i zależy od tego, jakie napięcie zostanie początkowo zastosowane.

Jeśli superkondensator jest ładowany do poziomu napięcia ośmiu woltów, a obwód pracuje przy minimalnym napięciu czterech woltów, to okazuje się, że ładunek użyteczny wynosi tylko 50%. Pozostała energia elektryczna w jonizatorze jest całkowicie zbędna. Aby zwiększyć stopień zużycia energii, stosuje się konwertery, ale sprawność znacznie spada.

Jonizatory zastosowano w zasilaniu układów pamięci, w układach filtrujących. Dobrze współpracują również z bateriami.

Zalety jonizatorów.

Niska rezystancja wewnętrzna, wydłużona żywotność, brak ograniczeń co do liczby cykli ładowania/rozładowania, niski koszt, szeroki zakres temperatur pracy, szybki proces ładowania i rozładowania, praca na dowolnym napięciu nie wyższym niż napięcie znamionowe, brak konieczności kontroli opłata

Wady jonizatorów.

Niska gęstość energii, nie ma możliwości zapewnienia wystarczającego magazynowania energii, niskie napięcie na jednym jonizatorze, wysoki poziom samorozładowania

Wykorzystanie paneli słonecznych staje się coraz bardziej popularne. systemy kopii zapasowych zasilacz. Jednak zarówno na odległych obszarach, jak i na obszarach podłączonych do scentralizowanych sieci, systemy fotowoltaiczne są źródłem czystej energii, która nie zanieczyszcza środowiska, tak jak elektrownie cieplne.

Zgodnie ze swoją zasadą jonizator składa się z dwóch elektrod o bardzo dużej powierzchni umieszczonych w elektrolicie, na powierzchni których pod działaniem napięcia zewnętrznego pojawia się podwójna warstwa elektryczna. Aby uzyskać duże wartości pojemności, używają elektrod wykonanych z materiałów porowatych, aby zwiększyć powierzchnię ze względu na powierzchnię porów.

Domowy jonizator składa się z dwóch metalowych płytek ciasno dociśniętych do wypełnienia na bazie węgla aktywnego. Węgiel układany jest równomiernie w dwóch warstwach, pomiędzy którymi znajduje się cienka dielektryczna warstwa oddzielająca. Wszystko to impregnowane elektrolitem.

W procesie ładowania jonizatora w jednej jego połowie na porach węgla pojawia się podwójna warstwa elektryczna z wolnymi elektronami na powierzchni, aw drugiej połowie z jonami dodatnimi. Po naładowaniu jony i elektrony zaczynają zbliżać się do siebie. Kiedy się spotykają, powstają neutralne atomy, a nagromadzony ładunek maleje i ostatecznie całkowicie zanika.

Aby zapobiec temu ruchowi ładunków, pomiędzy warstwami węgla aktywnego znajduje się dielektryczna warstwa oddzielająca. Może być wykonany z cienkich folii z tworzywa sztucznego. W amatorskich jonistach radiowych elektrolitem jest 25% roztwór chlorku sodu.

W roli własnoręcznie wykonanych elektrod są miedziane płytki z wlutowanymi do nich wyprowadzeniami. Powierzchnie robocze należy oczyścić z tlenków. Można to zrobić za pomocą gruboziarnistej skóry, która pozostawia zadrapania. Te koleiny zwiększą przyczepność węgla do miedzi. Dla lepszej przyczepności zaleca się odtłuszczenie płytek. Aby to zrobić, są myte mydłem, a następnie nacierane proszkiem do zębów i zmywane czystą bieżącą wodą.

Węgiel aktywowany kupowany jest w aptece, rozcierany i mieszany z elektrolitem do uzyskania gęstej pasty, którą stosuje się do rozmazywania płytek beztłuszczowych.

Podczas pierwszego testu płytki z dielektrykiem w postaci arkuszy papieru są układane jedna na drugiej, po czym są ładowane. Należy pamiętać, że przy napięciu powyżej jednego wolta rozpoczyna się gazowanie H 2, Około 2. Dlatego należy go ładować ze źródła zasilania o napięciu nie większym niż 1 V.

Stosunkowo niedawno w szerokiej sprzedaży pojawiły się tak zwane jonizatory. W inny sposób nazywane są również superkondensatorami. Rozmiarami są porównywalne z konwencjonalnymi kondensatorami elektrolitycznymi, ale mają w porównaniu z nimi znacznie większą pojemność.

Jonistor to rodzaj hybrydy kondensatora i baterii. W literaturze zagranicznej jonizator jest skrótem EDLC, co oznacza mi elektryk D podwójnie L ayer C Apacitor, co po rosyjsku oznacza: elektryczny kondensator dwuwarstwowy. Praca jonizatora oparta jest na procesach elektrochemicznych.

Urządzenie jonizatorowe.

Różnica między jonizatorem a kondensatorem polega na tym, że między jego elektrodami nie ma specjalnej warstwy dielektrycznej. Zamiast tego elektrody jonizatora są wykonane z substancji, które mają przeciwne typy nośników ładunku.

Jak wiadomo, pojemność elektryczna kondensatora zależy od powierzchni płytek: im większa, tym większa pojemność. Dlatego elektrody jonizatorów są najczęściej wykonane z węgla spienionego lub węgla aktywnego. Dzięki tej technice możliwe jest uzyskanie dużej powierzchni swoistych „talerzów”. Elektrody są oddzielone separatorem, a wszystko to znajduje się w elektrolicie. Separator jest potrzebny tylko do ochrony elektrod przed zwarciem. Elektrolit wytwarzany jest na bazie roztworów kwasów i zasad, jest krystaliczny i stały.

Na przykład przy użyciu stałego elektrolitu krystalicznego na bazie rubidu, srebra i jodu ( RbAg 4 I 5) istnieje możliwość tworzenia jonizatorów o niskim samorozładowaniu, Duża pojemność i wytrzymują niskie temperatury. Możliwe jest również wytwarzanie jonizatorów na bazie elektrolitowych roztworów kwasów, takich jak H 2 SO 4 . Takie jonizatory mają niską rezystancję wewnętrzną, ale także niskie napięcie robocze około 1 V. Ostatnio prawie nigdy nie wytwarza się jonizatorów opartych na elektrolitach z roztworów zasadowych i kwasowych, ponieważ takie jonizatory zawierają substancje toksyczne.

W wyniku reakcji elektrochemicznych duża liczba elektrony są odłączane od elektrod. W takim przypadku elektrody nabywają ładunek dodatni. Jony ujemne znajdujące się w elektrolicie są przyciągane przez elektrody naładowane dodatnio. W wyniku tego całego procesu powstaje warstwa elektryczna.

Ładunek w jonizatorze jest przechowywany na granicy między elektrodą węglową a elektrolitem. Grubość warstwy elektrycznej, którą tworzą aniony i kationy, jest wartością bardzo małą, czasami równą 1…5 nanometrów (nm). Jak wiadomo, wraz ze spadkiem odległości między płytami pojemność wzrasta.

Główne pozytywne cechy jonizatorów to:

Krótki czas ładowania i rozładowania. Dzięki temu jonizator może być szybko ładowany i używany, a ładowanie akumulatorów zajmuje dużo czasu;

Liczba cykli ładowania / rozładowania - ponad 100 000;

Nie wymagają konserwacji;

Lekka waga i wymiary;

Ładowanie nie wymaga skomplikowanych ładowarek;

Działa w szerokim zakresie temperatur (-40…+70 0 C). W temperaturach powyżej +70 0 C jonizator z reguły ulega zniszczeniu;

Długa żywotność.

Negatywne właściwości jonizatorów obejmują wciąż wysoki koszt, a także dość niskie napięcie na jednym elemencie jonizatora. Znamionowe napięcie robocze jonizatora zależy od rodzaju użytego w nim elektrolitu.

Aby zwiększyć napięcie robocze jonizatora, łączy się je szeregowo, a także przy podłączaniu akumulatorów. To prawda, że ​​dla niezawodnej pracy takiego jonizatora kompozytowego każdy pojedynczy jonizator musi być zbocznikowany rezystorem. Odbywa się to w celu wyrównania napięcia na każdym pojedynczym jonizatorze. Wynika to z faktu, że parametry poszczególnych jonizatorów są różne. Prąd płynący przez rezystor wyrównujący musi być kilkakrotnie większy niż prąd upływu (samorozładowanie) jonizatora. Wartość prądu samorozładowania dla jonizatorów małej mocy wynosi kilkadziesiąt mikroamperów.

Warto również pamiętać, że jonizator jest składnikiem polarnym. Dlatego przy podłączaniu do obwodu należy przestrzegać biegunowości.

Dodatkowo warto unikać zwarcia przewodów jonizatora. I chociaż jonizatory są wystarczająco odporne na zwarcia, może to prowadzić do nadmiernego wzrostu temperatury powyżej maksimum ze względu na termiczny efekt prądu, a to doprowadzi do uszkodzenia jonizatora.

Jonizatory świetnie sprawdzają się w obwodach prądu stałego i pulsującego. Prawdą jest, że w przypadku przepływu prądu pulsującego o wysokiej częstotliwości przez jonizator może się on nagrzewać ze względu na dużą rezystancję wewnętrzną przy wysokich częstotliwościach. Jak już wspomniano, wzrost temperatury elektrod jonizatorowych powyżej maksymalnej dopuszczalnej prowadzi do jej uszkodzenia.

Dokumentacja jonizatora z reguły wskazuje wartość jego rezystancji wewnętrznej przy częstotliwości 1 kHz. Na przykład dla jonizatora DB-5R5D105T o pojemności 1 Farada rezystancja wewnętrzna przy częstotliwości 1 kHz wynosi 30 Ω. Istnieją również jonizatory o jeszcze mniejszej rezystancji wewnętrznej. Są oznaczone jako słaby opór lub Niski ESR. Takie jonizatory ładują się szybciej.

W przypadku prądu stałego rezystancja wewnętrzna jonizatora jest niewielka i wynosi kilka miliomów - dziesiątki omów.

Oznaczenie jonizatora na schemacie.

Na schematach jonizator jest również oznaczony jako kondensator elektrolityczny. Wtedy pojawia się pytanie: „Ale jak ustalić, co jest włączone?” Schemat obwodu czy przedstawiony jest jonizator?"

Można określić, że jonizator jest przedstawiony na wykresie wartością parametrów nominalnych. Jeżeli obok oznaczenia wskazano np. 1F * 5,5 V, wtedy natychmiast stanie się jasne, że jest to jonizator. Jak wiadomo, kondensatory elektrolityczne o pojemności 1 Farada nie istnieją, a jeśli istnieją, to ich gabaryty są spore. Od razu rzuca się w oczy napięcie nominalne 5,5 V. Jak już wspomniano, jonizatory w zasadzie nie są przystosowane do wysokiego napięcia roboczego.

Gdzie są używane jonizatory?

Bardzo często jonizatory można znaleźć w sprzęcie cyfrowym. Działają tam jako samodzielne lub zapasowe źródło zasilania dla mikrokontrolerów (układów scalonych), układów pamięci (RAM), układów CMOS (CMOS) lub zegar elektroniczny(RTC). Dzięki temu nawet po wyłączeniu głównego zasilania urządzenie elektroniczne zachowuje określone ustawienia i częstotliwość taktowania. Na przykład magnetofon kasetowy Walkman wykorzystuje miniaturowy jonizator.

Podczas wymiany akumulatorów lub baterii w odtwarzaczu jest on całkowicie pozbawiony energii, co nieuchronnie prowadzi do skasowania ustawień (na przykład częstotliwości stacji radiowych, ustawień korektora, resetu zegara elektronicznego). Ale tak się nie dzieje, ponieważ obwód elektryczny w trybie „gotowości” zasila naładowany jonizator. I choć jego pojemność jest nieproporcjonalnie mniejsza niż pojemność baterii czy baterii, to wystarczy, aby zapisać ustawienia i przepracować zegar przez kilka dni!

Jonistor jest dość nowy komponent elektroniczny. Jonistor został po raz pierwszy opracowany w Stanach Zjednoczonych w latach 60. XX wieku. A później, w 1978 roku, w ZSRR pojawiły się jonizatory pod marką K58-1. Był to pierwszy krajowy jonizator. Ponadto przemysł zaczął produkować jonizatory marek K58-15 i K58-16.

Jak wykorzystać jonizator w domowych projektach? Może być stosowany jako źródło zasilania awaryjnego np. w konstrukcjach opartych na mikrokontrolerach. Tutaj najprostszy obwód włączenie jonizatora do obwodu zasilania urządzenia elektronicznego.

Dioda VD1 służy do zapobiegania rozładowaniu jonizatora C1, gdy napięcie zasilania wynosi 0 (Upit=0). Jako dioda VD1 lepiej jest użyć diody Schottky'ego, na przykład 1N5817 i tym podobnych, ponieważ mają one niski spadek napięcia na otwartym złączu. Rezystor R1 zapobiega przeciążeniu zasilacza poprzez ograniczenie prądu ładowania superkondensatora. Można go pominąć, jeśli zasilacz wytrzymuje prąd obciążenia 100 - 250 mA. R n to rezystancja obciążenia (zasilane urządzenie, np. mikrokontroler).

Pod koniec tej historii chcę pokazać jakiś film. Film nie jest mój, znalazłem go na YouTube. Pokazano, jak można zasilić diodę z naładowanego jonizatora o mocy 0,047 F. Jonizator na 5,5 V, więc jeśli zdecydujesz się powtórzyć eksperyment, naładuj go 3 V, w przeciwnym razie możesz przypadkowo spalić diodę.

Swoją drogą okazuje się, że mam w magazynie dokładnie taki sam jonizator. Czy masz jonizator?

Większość nowoczesnych kondensatorów ma pojemność w mikrofaradach lub pikofaradach. Pojemność jonizatorów jest obliczana w Faradach.
Aby zrozumieć, ile to jest, możesz zapamiętać formułę, za pomocą której możesz obliczyć wymaganą pojemność w zależności od obciążenia.

Gdzie
C - pojemność, F;
I- Waszyngton absolutorium, A;
U - napięcie znamionowe jonizatora, V;
t - czas rozładowania od Unom do zera, s;

Teraz na rynku są już jonizatory o pojemności kilkudziesięciu faradów.
Na przykład jonizator 5,5 V o pojemności 22 Farad. Naładujemy go całkowicie i podłączymy 1 watową żarówkę (5,5 V 0,18 ampera).

Całkowity:
22 farady = 0,18 amperów t / 5,5 woltów
t = 672 sekundy

W oparciu o powyższą formułę nasza żarówka będzie się świecić przez 672 sekundy lub 12 minut. Wygląda na to, że tak nie jest Świetna cena, ale w rzeczywistości możemy używać kilku jonizatorów jednocześnie.
Na przykład istnieją superkondensatory o znacznie większej pojemności.

Na przykład w nowym rosyjskim samochodzie Yo-mobile zastosowano kondensatory firmy http://www.elton-cap.com/.
Jonizatory tej firmy osiągają pojemność 10 000 Faradów przy napięciu 1,5 V. Produkują również ogniwa (moduły) z kilkoma jonizatorami o pojemności 1000 Faradów i napięciu roboczym 15 V.

Niestety superkondensatory mają zalety i wady.

Superkondensatory są dość drogie, więc nie konkurują z bateriami (akumulatorami), ponieważ kondensatory o pojemności równej pojemności jednej baterii będą kosztować tysiące dolarów.
Jednak zastosowanie superkondensatorów w elektronice jest więcej niż uzasadnione.
- niestety spadki napięć na stykach superkondensatorów podczas całego cyklu rozładowania, więc nie dotyczy to urządzeń wymagających stałego napięcia. Możliwe jest zastosowanie stabilizatora, ale urządzenie będzie zużywać więcej energii.
- niestety superkondensator nie może być w pełni wykorzystany razem z akumulatorem. Jeśli są połączone równolegle ze względu na rezystancję wewnętrzną, bateria zawsze będzie dostarczać więcej prądu niż kondensator.
Jeśli jednak konsument korzysta źródło impulsu zasilanie, w tych momentach, gdy akumulator i kondensator są odłączone - akumulator naładuje kondensator, natomiast przy dużych prądach i trybie łagodnym dla akumulatora po prostu nie zadziała.
Jedynym wyjściem jest wykorzystanie jonizatorów jako dodatkowego źródła zasilania, czyli ładowanie ich w czasie, gdy sieć nie jest obciążona i oddawanie całkowicie swojej energii w odpowiednich momentach, a następnie podłączenie akumulatora, gdy energia jest już wyczerpana .
To bardzo komplikuje system, a co za tym idzie cenę takich urządzeń.
Jednak kondensatory te nadal mogą być skutecznie wykorzystywane w systemach odzyskiwania energii.

Bardzo duża liczba cykli ładowania i rozładowania
+ wysokie prądy odrzutowe
+ Superkondensatory ładują się wystarczająco szybko (prawie natychmiast zależy od tego, jaki prąd może zapewnić) Ładowarka)
+ Superkondensatory są znacznie mniejsze niż zwykłe kondensatory, a jednocześnie mają dużo Duża pojemność.
+ szeroki zakres temperatur pracy (od -50 do + 50 stopni Celsjusza)

Być może przyszłość leży w superkondensatorach, ale niestety ten moment jest mało prawdopodobne, że będą w stanie całkowicie wymienić baterie.

Chociaż niektóre samochody już wymieniają akumulatory rozruchowe na superkondensatory, które pełnią swoje funkcje znacznie wydajniej. W szczególności natychmiast dają bardzo duże prądy, które są niezbędne do udanego rozruchu silnika, szczególnie w chłodne dni.

Obecnie szeroko stosowane są urządzenia, które pobierają dużą moc przez krótki okres czasu, np. zamki elektroniczne, przekaźniki, silniki, nadajniki impulsów. Dla nich nie zawsze jest możliwe wykorzystanie baterii jako buforowego źródła energii. Trudności mogą pojawić się przy tworzeniu silnych prądów krótkotrwałych. W takich sytuacjach zaczęli używać jonizatorów lub superkondensatorów, które można zainstalować zamiast akumulatora lub w połączeniu z nim. Do produkcji tych elementów stosuje się technologię opartą na wykorzystaniu efektu tworzenia podwójnej warstwy elektrycznej. Pod tym względem wypadają korzystnie w porównaniu z bateriami i akumulatorami.

Jonistory przemysłowe pojawiły się nie tak dawno temu, ale zarówno producenci krajowi, jak i zagraniczni są już zaangażowani w ich masową produkcję.

Czym są superkondensatory

Energochłonne systemy stawiają wysokie wymagania zasilaczom. W przypadku różnych nowoczesnych urządzeń wymagana jest akumulacja i dostarczanie określonej energii. Aby rozwiązać ten problem, stosuje się baterie lub superkondensatory podłączone do akumulatora. W Ostatnia wersja jonizatory (molekularne urządzenia magazynujące energię) pełnią rolę ubezpieczenia w przypadku spadku napięcia. Superkondensatory charakteryzują się niską gęstością energii i dużą mocą, co zapewnia sprawne rozładowanie do obciążenia. Włączenie urządzenia równolegle z akumulatorem powoduje zmniejszenie obciążenia impulsowego na nim, co pozwala wydłużyć żywotność.

Superkondensatory to kondensatory elektrochemiczne o dużej mocy właściwej. Oni są najlepsi Specyfikacja techniczna niż baterie. Te ogniwa ładują się i rozładowują szybciej.

W przyszłości programiści planują całkowitą wymianę tych urządzeń akumulatory. Mogą stać się alternatywnymi źródłami zasilania w różnych dziedzinach, na przykład przy produkcji samochodów. Superkondensatory są stosowane w konstrukcjach elektrowni wiatrowych i panele słoneczne. Takie urządzenia to połączenie standardowego kondensatora i baterii.

Jedną z różnic między jonizatorami a konwencjonalnymi kondensatorami jest obecność podwójnej warstwy elektrycznej, która pozwala na zmagazynowanie znacznej ilości energii. Konstrukcja doskonale łączy takie cechy jak szybkość ładowania i rozładowywania kondensatora oraz pojemność akumulatora. Takie urządzenia różnią się od zwykłych kondensatorów brakiem konwencjonalnego dielektryka między elektrodami.

Parametry

Jonizatory mają następujące cechy:

1. Rezystancja wewnętrzna (mierzona w miliomach).
2. Maksymalny prąd. (ALE).
3. Napięcie znamionowe (V).
4. Pojemność (F).
5. parametry samorozładowania.

W urządzeniu jako elektrody stosuje się węgiel aktywny lub spieniony. Te elementy są umieszczone w elektrolicie. Separator ma za zadanie chronić urządzenie przed zwarciem elektrod. W nowoczesne urządzenia nie stosuje się elektrolitu na bazie kwasu lub krystalicznego roztworu zasady, ponieważ składniki te mają wysoki poziom toksyczności.

Wewnętrzne wnęki konstrukcji zawierają elektrolit, który magazynuje energię elektryczną podczas interakcji z płytami.

Pierwsze jonizatory elektrochemiczne (urządzenia do magazynowania energii molekularnej) zostały opracowane ponad 50 lat temu. Zostały wykonane na bazie porowatych elektrod węglowych. Są obecnie używane w niektórych urządzeniach elektrycznych.

W porównaniu z akumulatorami litowo – jonowymi nowoczesne jonizatory charakteryzują się długim zasobem i wysoką szybkością rozładowania.

Przy zastosowaniu jonizatorów możliwe jest uzyskanie bardziej ekonomicznego trybu pracy poprzez gromadzenie nadmiaru energii.

Pomiędzy płytami konstrukcji nie znajduje się standardowa warstwa dielektryczna, ale grubsza warstwa, co umożliwia uzyskanie cienkiej szczeliny. Jednocześnie urządzenie zapewnia możliwość pozyskiwania energii elektrycznej w dużych ilościach. Superkondensator magazynuje i wyczerpuje ładunki szybciej niż alternatywy. Podwójna warstwa dielektryczna zwiększa powierzchnię elektrod. Poprawia to wydajność elektryczną.

Różnice między superkondensatorami a bateriami

Superkondensatory są często używane zamiast baterii. Standardowe kondensatory są w stanie zmagazynować niewielką ilość energii elektrycznej. Superkondensatory mogą przechowywać tysiące, miliony i miliardy razy więcej ładunków. Podobne urządzenia działają szybciej niż baterie. Dzieje się tak, ponieważ superkondensator wytwarza ładunki statyczne na ciałach stałych, podczas gdy akumulatory są zależne od powolnych reakcji chemicznych.

Baterie charakteryzują się wyższą gęstością energii, a jonizatory wyższą gęstością mocy. Superkondensatory są zdolne do pracy przy niskich napięciach i aby uzyskać wyższe napięcia, muszą być połączone szeregowo. Ta opcja jest niezbędna w przypadku mocniejszego sprzętu.

Technologia jonistyczna może znaleźć zastosowanie w energetyce i budowie przyrządów. Jednym z zastosowań jest zastosowanie w turbinach wiatrowych. Takie urządzenia pomagają wygładzić przerywaną moc wiatru.

Przenośne urządzenia elektroniczne korzystają z różnych zasilaczy. W urządzeniach takich jak tablety, smartfony i laptopy ważne jest określone zużycie energii. Im większy ten wskaźnik, tym większa pojemność urządzenia przy tych samych parametrach fizycznych.

Zainstalowanie urządzenia o wyższym jednostkowym zużyciu energii zwiększy czas pracy sprzętu mobilnego bez zwiększania jego parametrów. Dlatego smartfony często korzystają z baterii polimerowych, które są liderami w zakresie niewielkich zasilaczy wielokrotnego ładowania.

Baterie mają ograniczony zasób. Przy intensywnym użytkowaniu zasób urządzenia jest krytycznym czynnikiem skracającym cykl życia sprzętu. Dlatego jonizatory są bardziej obiecującymi urządzeniami. Są idealnym urządzeniem do magazynowania energii.

Jonistor jest podobny do kondensatora elektrolitycznego, ale przy tych samych wymiarach ma większą pojemność. Takie urządzenia mogą w krótkim czasie zgromadzić dużą ilość energii, co skróci czas ładowania do minimum. Superkondensatory mogą wytrzymać kilkadziesiąt tysięcy cykli bez widocznej degradacji.

Ze względu na niską toksyczność materiałów do produkcji jonizatorów są one łatwiejsze w utylizacji niż podobne opcje. Jednak ze względu na wysoki prąd samorozładowania urządzenia te nie nadają się do bardzo długoterminowego przechowywania energii elektrycznej. Jonizatory są świetne do komunikacji bezprzewodowej urządzenia peryferyjne. Tutaj przejawiają się takie właściwości, jak wydajność i duża prędkość ładowania.

Urządzenie bezprzewodowe z superkondensatorem wymaga codziennego ładowania. Ale ta procedura zajmie kilka minut.

Odmiany

Superkondensatory są następujących typów:

1. Pseudokondensatory są wyposażone w lite elektrody. Pojemność zależy nie tylko od procesów elektrostatycznych, ale także od reakcji Faradaya z ruchem ładunków.
2. Hybryda jest urządzeniem przejściowym między baterią a kondensatorem. Są zdolne do gromadzenia i uwalniania ładunku w podwójnej warstwie elektrycznej. Elektrody są wykonane z różnych materiałów, a kumulacja ładunków odbywa się za pomocą różnych mechanizmów. Reakcje redoks zwiększają pojemność właściwą mechanizmu.
3. Superkondensatory dwuwarstwowe składają się z porowatych elektrod oddzielonych separatorem. Ładunek elektryczny w takich urządzeniach jest określony przez pojemność podwójnej warstwy elektrycznej. Elektrolit jest przewodnikiem łączącym o przewodności jonowej.

Superkondensatory występują w wielu kształtach i rozmiarach. Głównym celem takich urządzeń jest powielanie głównego źródła w przypadku spadku napięcia.

Do tworzenia urządzenia hybrydowe stosowane są specjalne katody. Wykonane są z grafenu hiperoksydowanego. Grafen to dwuwymiarowa modyfikacja węgla, w której atomy są umieszczone w jednej warstwie. Ten składnik ma wysoką odporność chemiczną.

Zasada działania

Zasada działania jonizatora jest podobna do konwencjonalnego kondensatora. Ale te urządzenia różnią się zastosowanymi materiałami. Płyty wykonane są z materiału porowatego, który jest doskonałym przewodnikiem. Pozwala to zwiększyć wydajność urządzenia. Jako dielektryk stosowany jest elektrolit, co umożliwia zmniejszenie odległości między płytami i zwiększenie pojemności.

W superkondensatorze ładunek kumuluje się w wyniku tworzenia podwójnej warstwy elektrycznej na elektrodzie podczas adsorpcji jonów z elektrolitów.

Zasada działania opiera się na rozszerzeniu różnicy potencjałów na obecne wyprowadzenia. W tym przypadku na katodzie powstają jony ujemne, a na anodzie jony dodatnie. Separator umożliwia przechodzenie jonów elektrolitu i zapobiega zwarciom między elektrodami. Energia elektryczna jest magazynowana w sposób statyczny. W procesie ładowania-rozładowania nie występują reakcje typu elektrochemicznego.

Superkondensatory są w stanie zmagazynować dużą ilość energii w krótkim czasie, co skraca czas ładowania urządzeń.

Nowoczesne akumulatory jonowe mogą oddać tylko 60% energii elektrycznej używanej do ich ładowania. W przypadku superkondensatorów liczba ta przekracza 90%. Kolejną ważną zaletą jest duży zasób. W przypadku wielu typów akumulatorów spadek pojemności następuje po kilkuset cyklach rozładowania – rozładowania. A jonizatory mogą wytrzymać do miliona cykli bez naruszeń.

Projekty komórek jednostkowych umożliwiają tworzenie modułów różne rozmiary i wszelkie napięcie. Urządzenia mogą być wykonane z chłodzeniem inny rodzaj- powietrze, woda i naturalne.

Zalety i wady

Warto wybrać superkondensatory ze względu na następujące zalety:

1. Ładowanie i rozładowywanie jest szybkie. Mogą być używane, gdy nie ma możliwości zasilania baterii z powodu długotrwałego ładowania.
2. W porównaniu z innymi urządzeniami jonizatory mają dużą liczbę cykli ładowania-rozładowania.
3. Ładowanie nie wymaga specjalnych urządzeń, co ułatwia konserwację.
4. Urządzenia są lżejsze niż baterie i są mniejsze.
5. Szeroki zakres temperatur pracy od -45 do 70 stopni.
6. Długa żywotność w porównaniu do akumulatorów.
7. Wysokie wartości gęstości pojemnościowej i wydajności cykli rozładowania.
8. Przyjazność dla środowiska, trwałość i niezawodność.
9. Doskonałe parametry mocy właściwej.
10. Dozwolone jest pełne rozładowanie.

Niektóre wady powodują trudności w działaniu:

1. Drogie przedmioty.
2. Niska charakterystyka napięcia znamionowego. Aby poradzić sobie z problemem, wymagane jest szeregowe połączenie kilku elementów.
3. Jeśli temperatura nie zostanie zaobserwowana, urządzenie może się szybko zepsuć.

Urządzenie musi być zabezpieczone przed zwarciem, ponieważ może to spowodować wzrost temperatury. W rezultacie element będzie musiał zostać wymieniony.

Wniosek

Unikalne właściwości jonizatorów są wykorzystywane w różnych dziedzinach techniki. .

Superkondensatory stosowane są w następujących rodzajach technologii:

1. Transport publiczny. W autobusach elektrycznych zamiast baterii montuje się jonizatory. Są one pobierane podczas wysiadania i lądowania pasażerów. Taki transport jest w stanie ominąć korki i przerwy w liniach jezdnych.
2. Pojazdy elektryczne. Jednym z problemów takiego transportu jest długi czas ładowania. Superkondensator umożliwia ładowanie podczas krótkich postojów.
3. Elektroniki użytkowej. Urządzenia znajdują zastosowanie w latarkach i innym sprzęcie. Zapewniają szybkie ładowanie.
4. Kondensatory niepolarne są stosowane w turbinach wiatrowych i akumulatorach kwasowych.
5. Jonizatory znajdują zastosowanie w układach tłumienia obciążeń energetycznych, a także w urządzeniach do rozruchu silników elektrycznych.
6. Superkondensatory są potrzebne w kompleksach z obciążeniami krytycznymi. Do wież komunikacja mobilna, obiektów szpitalnych i urządzeń portowych.
7. Urządzenia wykorzystywane są do zasilania awaryjnego komputerów PC, a także mikroprocesorów i telefonów komórkowych.

Aby poprawić działanie radia samochodowego, możesz kupić i zainstalować jonizator. Pozwala wygładzić wahania napięcia podczas włączania zapłonu. W niektórych krajach używa się autobusów bez baterii trakcyjnych, a całą pracę wykonują jonizatory.

Podczas testów stwierdzono, że podobne urządzenia przewyższają akumulatory kwasowo-ołowiowe w turbinach wiatrowych. Superkondensatory są poszukiwane w systemach nieprzerwana dostawa energii, w którym konieczne jest podanie szybka transmisja moc.

Na świecie istnieje około 66 największych producentów jonizatorów.

Perspektywy użytkowania

Z roku na rok jonizatory stają się coraz doskonalsze. Ważny parametr, na co naukowcy zwracają szczególną uwagę - to zwiększenie określonej pojemności. Po pewnym czasie planowana jest wymiana baterii na podobne urządzenia. Takie elementy pozwalają na wymianę baterii w różnych dziedzinach technicznych. Eksperci wiążą duże nadzieje z rozwojem urządzeń grafenowych. Zastosowanie innowacyjnego materiału pomoże w niedalekiej przyszłości tworzyć produkty o wysokim współczynniku zmagazynowanej energii właściwej.

Jonizator nowej próbki jest kilkakrotnie lepszy od alternatywnych opcji. Elementy te oparte są na porowatej strukturze. Stosowany jest grafen, na którym rozmieszczone są cząsteczki rutenu. Zaletą pianki grafenowej jest zdolność zatrzymywania cząstek tlenków metali przejściowych. Takie superkondensatory działają na wodnym elektrolicie, co zapewnia bezpieczeństwo pracy.

W przyszłości nowości będą wykorzystywane w produkcji osobowych pojazdów elektrycznych. Urządzenia z pianką grafenową można ładować do 8000 razy bez pogorszenia wydajności.

W przemyśle motoryzacyjnym opracowywane są paliwa alternatywne i wysokowydajne urządzenia do magazynowania energii. Podobne urządzenia mogą być używane w ciężarówkach, samochodach elektrycznych i pociągach.

W branży motoryzacyjnej akumulatory superkondensatorowe znajdują następujące zastosowania:

1. Urządzenie rozruchowe jest połączone równolegle z akumulatorami rozruchowymi. Służy do wydłużenia żywotności i poprawy właściwości rozruchowych silnika.
2. Dla stabilnej podaży systemy akustyczne duża moc w aucie.
3. Akumulatory buforowe nadają się do stosowania w pojazdach hybrydowych. Charakteryzują się niską pojemnością i dużą mocą wyjściową.
4. Baterie trakcyjne są istotne, gdy są używane jako główne źródło zasilania.

Superkondensatory mają wiele zalet w porównaniu z akumulatorami w przemyśle motoryzacyjnym. Doskonale radzą sobie z wahaniami napięcia. Urządzenia są lekkie, dzięki czemu można zainstalować ich dużą ilość.

W dziedzinie mikroelektroniki opracowywane są nowe technologie produkcji kompaktowych superkondensatorów. W produkcji elektrod stosuje się specjalne metody osadzania specjalnego filmu węglowego na cienkim podłożu z dwutlenku krzemu.

Zastosowanie superkondensatorów umożliwia wdrażanie technologii energooszczędnych dla środowiska. W przyszłości planowane jest rozszerzenie zakresu tego typu urządzeń dla branż transportu samochodowego, sprzętu mobilnego i łączności.

Jonistor to kondensator, którego płytki stanowią podwójną warstwę elektryczną między elektrodą a elektrolitem. Inna nazwa tego urządzenia to superkondensator, ultrakondensator, dwuwarstwowy kondensator elektrochemiczny lub jonix. Posiada dużą pojemność, co pozwala na wykorzystanie go jako źródła prądu.

Urządzenie jonizatorowe

Zasada działania jonizatora jest podobna do konwencjonalnego kondensatora, ale urządzenia te różnią się zastosowanymi materiałami. Jako płyty w takich elementach stosuje się materiał porowaty - węgiel aktywny, który jest dobrym przewodnikiem lub spienione metale. Pozwala to wielokrotnie zwiększyć ich powierzchnię, a ponieważ pojemność kondensatora jest wprost proporcjonalna do powierzchni elektrod, wzrasta w tym samym stopniu. Dodatkowo jako dielektryk stosowany jest elektrolit, podobnie jak w kondensatorach elektrolitycznych, co zmniejsza odległość między płytami i zwiększa pojemność. Najczęstsze parametry to kilka faradów przy napięciu 5-10V.

Rodzaje jonizatorów

Istnieje kilka rodzajów takich urządzeń:

• Z doskonale polaryzowalnymi elektrodami z węglem aktywnym. W takich pierwiastkach nie zachodzą reakcje elektrochemiczne. Jako elektrolit stosuje się wodne roztwory sody kaustycznej (30% KOH), kwas siarkowy (38% H2SO4) lub elektrolity organiczne;
• Jako jedna elektroda stosowana jest doskonale polaryzowalna elektroda z węglem aktywnym. Druga elektroda jest słabo lub niespolaryzowana (anoda lub katoda, w zależności od konstrukcji);
• Pseudokondensatory. W tych urządzeniach na powierzchni płytek zachodzą odwracalne reakcje elektrochemiczne. Mają dużą pojemność.

Zalety i wady jonizatorów

Takie urządzenia są używane zamiast akumulatorów lub baterii. W porównaniu z nimi takie elementy mają zalety i wady.

Wady superkondensatorów:

• niski prąd rozładowania w elementach wspólnych, a konstrukcje bez tej wady charakteryzują się wysoką ceną;
• napięcie na wyjściu urządzenia spada podczas rozładowania;
• w przypadku zwarcia w elementach Duża pojemność styki o niskiej rezystancji wewnętrznej wypalają się;
• zmniejszone dopuszczalne napięcie i szybkość rozładowania w porównaniu z konwencjonalnymi kondensatorami;
• wyższy niż w akumulatorach, prąd samorozładowania.

Zalety ultrakondensatorów:

• większa niż w akumulatorach prędkość, prąd ładowania i rozładowania;
• trwałość - podczas testów po 100 000 cykli ładowania/rozładowania nie stwierdzono pogorszenia parametrów;
• wysoka rezystancja wewnętrzna w większości konstrukcji, zapobiegająca samorozładowaniu i awarii podczas zwarcia;
• długa żywotność;
• mniejsza objętość i waga;
• dwubiegunowość - producent zaznacza „+” i „-”, ale taka jest polaryzacja ładunku zastosowanego podczas testów produkcyjnych;
• szeroki zakres temperatur pracy i odporność na przeciążenia mechaniczne.

Gęstość energii

Zdolność magazynowania energii w superkondensatorach jest 8 razy mniejsza niż w przypadku akumulatorów ołowiowych i 25 razy mniejsza niż w przypadku litu. Gęstość energii zależy od oporu wewnętrznego: im niższy, tym wyższe jednostkowe zużycie energii przez urządzenie. Najnowsze osiągnięcia naukowców umożliwiają tworzenie ogniw, których zdolność magazynowania energii jest porównywalna z akumulatorami ołowiowymi.

W 2008 roku w Indiach powstał jonizator, w którym płytki wykonano z grafenu. Energochłonność tego elementu wynosi 32 (W*h)/kg. Dla porównania energochłonność akumulatorów samochodowych wynosi 30-40 (Wh)/kg. Przyspieszone ładowanie tych urządzeń pozwala na zastosowanie ich w pojazdach elektrycznych.

W 2011 roku koreańscy projektanci stworzyli aparat, w którym oprócz grafenu zastosowano azot. Ten element zapewniał dwukrotnie większe jednostkowe zużycie energii.

Sprawdzenie. Grafen to warstwa węgla o grubości 1 atomu.

Zastosowanie jonizatorów

Właściwości elektryczne superkondensatorów są wykorzystywane w różnych dziedzinach techniki.

Transport publiczny

Autobusy elektryczne, w których zamiast akumulatorów zastosowano jonizatory, produkują Hyundai Motor, Trolza, Belkommunmash i kilka innych.

Autobusy te są strukturalnie podobne do trolejbusów bez drążków i nie potrzebują sieci styków. Są one doładowywane na przystankach podczas wysiadania i wysiadania pasażerów lub na końcowych punktach trasy w ciągu 5-10 minut.

Trolejbusy wyposażone w jonizatory są w stanie ominąć przerwy w sieci trakcyjnej, korki i nie potrzebują przewodów w zajezdniach i parkingach na końcowych punktach trasy.

samochody elektryczne

Głównym problemem pojazdów elektrycznych jest długi czas ładowania. Ultrakondensator o dużym prądzie ładowania i krótkim czasie ładowania umożliwia doładowanie podczas krótkich postojów.

W Rosji opracowano Yo-mobile, który wykorzystuje specjalnie stworzony jonizator jako baterię.

Dodatkowo montaż superkondensatora równolegle z akumulatorem pozwala na zwiększenie prądu pobieranego przez silnik elektryczny podczas rozruchu i przyspieszania. Taki system jest stosowany w KERS, w samochodach Formuły 1.

Elektroniki użytkowej

Urządzenia te znajdują zastosowanie w latarkach i innych urządzeniach, w których możliwość szybkiego ładowania i rozładowania jest ważniejsza niż wielkość i waga urządzenia. Na przykład detektor raka ładuje się w 2,5 minuty i działa przez 1 minutę. To wystarczy, aby przeprowadzić dochodzenie i zapobiec sytuacjom, w których urządzenie nie działa z powodu rozładowanych baterii.

W salonach samochodowych można zakupić jonizatory o pojemności 1 farada do użytku równolegle z radiem samochodowym. Wygładzają wahania napięcia podczas rozruchu silnika.

Jonizator „zrób to sam”

Jeśli chcesz, możesz zrobić superkondensator własnymi rękami. Takie urządzenie będzie miało gorsze parametry i nie wytrzyma długo (do wyschnięcia elektrolitu), ale da wyobrażenie o działaniu takich urządzeń jako całości.

Aby zrobić jonizator własnymi rękami, potrzebujesz:

• folia miedziana lub aluminiowa;
• Sól;
• węgiel aktywowany z apteki;
• wata;
• przewody elastyczne do przewodów;
• plastikowe pudełko na obudowę.

Procedura wytwarzania ultrakondensatora jest następująca:

• wyciąć dwa kawałki folii wystarczająco duże, aby zmieściły się na dnie pudełka;
• druty lutownicze do folii;
• zwilżyć węgiel wodą, zmielić na proszek i wysuszyć;
• przygotować 25% roztwór soli;
• zmieszaj proszek węgla drzewnego z solą fizjologiczną na pastę;
• zwilżyć watę roztworem soli;
• nałożyć pastę cienką równomierną warstwą na folię;
• ułóż „kanapkę”: folia węglowa do góry, cienka warstwa waty, folia węglowa do dołu;
• umieść projekt w pudełku.

Dopuszczalne napięcie takiego urządzenia wynosi 0,5 V. Po jego przekroczeniu rozpoczyna się proces elektrolizy, a jonizator zamienia się w baterię gazową.

Ciekawe. Jeśli zmontujesz kilka takich konstrukcji, napięcie robocze wzrośnie, ale pojemność spadnie.

Jonizatory są obiecującymi urządzeniami elektrycznymi, które ze względu na wysokie szybkości ładowania i rozładowania mogą zastąpić konwencjonalne baterie.

Wideo