Ионисторы: особенности и применение

Министерство Образования Российской Федерации Реферат по специальности Комплексная защита объектов информатизации на тему: Ионисторы Санкт — Петербург, 2015

Ионистор (суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор) — электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита.

История создания Первый конденсатор с двойным слоем на пористых угольных электродах был запатентован в 1957 году фирмой General Electric.

Так как точный механизм к тому моменту времени был не ясен, было предположено, что энергия запасается в порах на электродах, что и приводит к образованию «исключительно высокой способности накопления заряда».

Чуть позже, в 1966 фирма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA запатентовала элемент, который сохранял энергию в двойном слое.

Столкнувшись с фактом небольшого объёма продаж, в 1971 году SOHIO передала лицензию фирме NEC, которой удалось удачно продвинуть продукт на рынке под именем «Supercapacitor» (Суперконденсатор). В 1978 году фирма Panasonic выпустила на рынок «Gold capacitor» («Gold Cap») «Золотой конденсатор», работающий на том же принципе.

Эти конденсаторы имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее отдачу энергии, так что эти конденсаторы применялись только как накопительные батареи для SRAM.

Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году. На рынке эти ионисторы появились под именем «PRI Ultracapacitor».

Типы ионисторов

1) Ионисторы с идеально поляризуемыми углеродными электродами («идеальный» ионистор, ионный конденсатор). Не используют электрохимических реакций, работают за счет ионного переноса между электродами. Некоторые варианты электролита: 30% водный раствор КОН; 38% водный раствор Н₂SO₄; органические электролиты^[3].

2) Ионисторы с идеально поляризуемым углеродным электродом и неполяризуемыми или слабо поляризуемыми катодом или анодом («гибридные» ионисторы). На одном электроде происходит электрохимическая реакция. Варианты: Ag (-) и твердый электролит RbAg₄I₅; 30% водный раствор КОН и NiOOH (+)^[3]

3) Псевдоконденсаторы — ионисторы, использующие обратимые электрохимические процессы на поверхности электродов. Имеют высокую удельную ёмкость. Электрохимическая схема: (-) Ni (H) / 30% водный раствор КОН / NiОOH (+); (-) С (Н) / 38% водный раствор Н₂SO₄ / PbSO₄(РbO₂) (+)^[3].

Устройство ионистора Отличие ионистора от конденсатора заключается в том, что между его электродами нет специального слоя из диэлектрика. Взамен этого электроды у ионистора сделаны из веществ, обладающими противоположенными типами носителей заряда.

Как известно, электрическая ёмкость конденсатора зависит от площади обкладок: чем она больше, тем больше ёмкость. Поэтому электроды ионисторов чаще всего делают из вспененного углерода или активированного угля. Благодаря этому приёму удаётся получить большую площадь своеобразных «обкладок». Электроды разделяются сепаратором и всё это находятся в электролите. Сепаратор необходим исключительно для защиты электродов от короткого замыкания. Электролит же выполняется на основе растворов кислот и щелочей и является кристаллическим и твёрдым.

Например, с помощью твёрдого кристаллического электролита на основе рубидия, серебра и йода (RbAg₄I₅) возможно создание ионисторов с низким саморазрядом, большой ёмкостью и выдерживающие низкие температуры. Также возможно изготовление ионисторов на основе электролитов растворов кислот, таких как H₂SO₄. Такие ионисторы обладают низким внутренним сопротивлением, но и малым рабочим напряжением около 1 В. В последнее время ионисторы на основе электролитов из растворов щелочей и кислот почти не производят, так как такие ионисторы содержат токсичные вещества.

В результате электрохимических реакций небольшое количество электронов отрывается от электродов. При этом электроды приобретают положительный заряд. Отрицательные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются электродами, которые заряжены положительно. В итоге всего этого процесса и образуется электрический слой.

Заряд в ионисторе сохраняется на границе раздела электрода из углерода и электролита. Толщина электрического слоя, который образован анионами и катионами, составляет очень малую величину порой равную 1…5 нанометрам (нм). Как известно, с уменьшением расстояния между обкладками ёмкость возрастает.

К основным положительным качествам ионисторов можно отнести:

· Малое время заряда и разряда. Благодаря этому ионистор можно быстро зарядить и использовать, тогда, как на заряд аккумуляторных батарей уходит значительное время;

· Количество циклов заряд/разряд — более 100 000;

· Не требуют обслуживания;

· Небольшой вес и габариты;

· Для заряда не требуется сложных зарядных устройств;

· Работает в широком диапазоне температур (-40…+70⁰C). При температуре больше +70⁰С ионистор, как правило, разрушается;

· Длительный срок службы.

Недостатки ионисторов:

· Удельная энергия меньше, чем у традиционных источников (5−12 Вт· ч/кг при 200 Вт· ч/кг для литий-ионных аккумуляторов).

· Напряжение зависит от степени заряженности.

· Возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании.

· Большое внутреннее сопротивление по сравнению с традиционными конденсаторами (10…100 Ом у ионистора 1 Ф Ч 5,5 В).

· Значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд: порядка 1 мкА у ионистора 2 Ф Ч 2,5 В^[3].

Чтобы увеличить рабочее напряжение ионистора их соединяют последовательно, также как и при соединении батареек. Правда, для надёжной работы такого составного ионистора нужно каждый отдельный ионистор шунтировать резистором. Делается это для того, чтобы выровнять напряжение на каждом отдельном ионисторе. Это связано с тем, что параметры отдельных ионисторов отличаются. Ток, который течёт через выравнивающий резистор, должен быть в несколько раз больше тока утечки (саморазряда) ионистора. Значение тока саморазряда у маломощных ионисторов составляет десятки микроампер.

Также стоит помнить, что ионистор — это полярный компонент. Поэтому при подключении его в схему нужно соблюдая полярность.

Кроме этого стоит избегать короткого замыкания выводов ионистора. И хотя ионисторы достаточно устойчивы к короткому замыканию, оно может привести к чрезмерному повышению температуры сверх максимального вследствие теплового действия тока, а это приведёт к порче ионистора.

Ионисторы прекрасно работают в цепях постоянного и пульсирующего тока. Правда, в случае протекания через ионистор пульсирующего тока высокой частоты он может нагреваться из-за высокого внутреннего сопротивления на высоких частотах. Как уже говорилось, увеличение температуры электродов ионистора выше максимально допустимой приводит к его порче.

В документации на ионистор, как правило, указывается значение его внутреннего сопротивления на частоте 1 кГц. Например, для ионистора DB-5R5D105T ёмкостью 1 Фарада внутреннее сопротивление на частоте 1 кГц составлет 30Щ. Также существуют ионисторы с ещё меньшим внутренним сопротивлением. Они маркируются как Low resistance или Low ESR. Такие ионисторы заряжаются быстрее.

Для постоянного тока же внутреннее сопротивление ионистора мало и составляет единицы миллиом — десятки ом.

Обозначение ионистора на схеме

ионистер конденсатор электрод энергия

На схемах ионистор обозначается также как и электролитический конденсатор.

Определить, что на схеме изображён ионистор можно по значению номинальных параметров. Если рядом с обозначением указано, например, 1 °F * 5,5 V, то это ионистор. Как известно, электролитических конденсаторов ёмкостью 1 Фарада не существует, а если и существует, то габариты у него немалые. Также сразу бросается в глаза номинальное напряжение в 5,5 V. Как уже говорилось, ионисторы в принципе не рассчитаны на большое рабочее напряжение.

Применение ионисторов

Тяжелый и общественный транспорт. В настоящее время автобусы с питанием от ионисторов выпускаются фирмами Hyundai Motor и «Тролза».

Автобусы на ионисторах от Hyundai Motor представляют собой обыкновенные автобусы с электроприводом, питаемым от бортовых ионисторов. По задумке конструкторов из Hyundai Motor такой автобус будет заряжаться на каждой второй или каждой третьей остановке, причём длительности остановки достаточно для подзарядки автобусных ионисторов. Hyundai Motor позиционирует свой автобус на ионисторах как экономичную альтернативу троллейбусу (нет необходимости прокладывать контактную сеть) или дизельному (и даже водородному) автобусу (электроэнергия пока дешевле дизельного или водородного топлива).

Автобусы на ионисторах от «Тролзы» технически представляют собой «бесштанговые троллейбусы». То есть конструктивно это троллейбус, но без штанг питания от контактной сети и, соответственно, с питанием электропривода от ионисторов. Но особенно перспективны ионисторы в качестве средства реализации системы автономного хода для обычных троллейбусов. Троллейбус, оборудованный ионисторами, по маневренности приближается к автобусу. В частности такой троллейбус может:

· проходить отдельные короткие участки маршрута, не оборудованные контактной сетью (в том числе при необходимости двигаться в объезд, когда на каком-то участке маршрута движение по штатной трассе маршрута невозможно);

· проходить места обрыва линии контактной сети;

· возможность объезжать препятствия даже тогда, когда длина токоприёмных штанг не позволяет это сделать (водитель оборудованного ионисторами троллейбуса в этом случае просто опустит токоприёмные штанги и объедет препятствие, после чего вновь поднимет токоприёмные штанги и продолжит движение в штатном режиме);

· отпадает надобность в развитии контактной сети в депо и на разворотных кольцах на конечных остановках — в депо и на разворотных кольцах оборудованные ионисторами троллейбусы маневрируют с опущенными токоприёмными штангами.

Таким образом троллейбусная система, эксплуатируя оборудованные ионисторами троллейбусы, по гибкости приближается к обычной автобусной. Автомобильный. Ё-мобиль — проект автомобиля, разрабатывавшийся в Российской Федерации, использовал суперконденсатор как основное средство для накопления электрической энергии. Сами эти суперконденсаторы пока не выпускаются серийно и разрабатывались параллельно с автомобилем.

Существуют проекты, объединяющие суперконденсатор и химический аккумулятор в едином блоке, что взаимно компенсирует недостатки тех и других. В результате получается накопитель с большим сроком службы, меньшей стоимостью и большим запасом энергии, чем при использовании обычных аккумуляторов.

Автогонки. Система KERS, применяющаяся в «Формуле-1», использует именно ионисторы.

Бытовая электроника. Применяются для основного и резервного питания в фотовспышках, фонарях, карманных плеерах и автоматических коммунальных счётчиках — везде, где требуется быстро зарядить устройство. Лазерный детектор рака молочной железы на ионисторах заряжается за 2,5 минуты и работает 1 минуту.

В 2007 году выпустили шуруповёрт, в котором ионисторы общей ёмкостью 55 фарад заряжаются 1,5 минуты. Заряда хватает на 22 шурупа.

В магазинах автоаксессуаров продаются ионисторы ёмкостью порядка 1Ф, предназначенные для питания автомагнитол (и аппаратуры, питаемой от разъёма прикуривателя) при выключенном зажигании и в период старта двигателя (на многих автомобилях на время работы стартёра отключаются все остальные потребители), а также для сглаживания скачков напряжения при пиковых нагрузках, например, работы мощных динамиков.

Перспективы развития

Согласно заявлениям сотрудников MIT 2006 года, ионисторы могут в скором времени заменить обычные аккумуляторы. Кроме того, в 2009 году были проведены испытания аккумулятора на основе ионистора, в котором в пористый материал были введены наночастицы железа. Полученный двойной электрический слой пропускал электроны в два раза быстрее за счет созданиятуннельного эффекта. Группа учёных из Техасского университета в Остине разработала новый материал, представляющий собой пористый объемный углерод. Полученный таким образом углерод обладал свойствами суперконденсатора. Обработка вышеописанного материала гидроксидом калия привела к созданию в углероде большого количества крохотных пор, которые в сочетании с электролитом смогли хранить в себе колоссальный электрический заряд.

В настоящее время создана одна из необходимых частей конденсатора — твердый нанокомпозиционный электролит с проводимостью по ионам лития. Ведётся разработка электродов для конденсатора. Одна из задач — уменьшить размеры ионистора за счет внутренней структуры.

Список используемой литературы

1. В. Кузнецов, О. Панькина, Н. Мачковская, Е. Шувалов, И. Востриков. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработка и производство. Компоненты и технологии № 6, 2005.

2. Ренне В. Т. Электрические конденсаторы. М.: Госэнергоиздат. 1959