Что такое ионистор
Ионисторы или суперконденсаторы выглядят как обычные электролитические конденсаторы, хотя отличаются от последних гораздо большей электроемкостью (конденсаторы сверхбольшой емкости). По своим свойствам ионистор — это нечто среднее между аккумулятором и конденсатором. Его устройство можно описать как конденсатор с двойным электрическим слоем, не зря на англоязычных ресурсах ионисторы именуют EDLC - Electric Double Layer Capacitor.
Ионистор (также известный как суперконденсатор, ультраконденсатор или двухслойный электрохимический конденсатор) — это электрохимический элемент с огромной ёмкостью, который по своим свойствам занимает промежуточное положение между обычным конденсатором и аккумулятором.
Такой конденсатор работает благодаря электрохимическим процессам, происходящими внутри него, а не просто благодаря электрическому полю, сохраняемому в диэлектрике между обкладками, как в обычном конденсаторе. Здесь нет классического слоя диэлектрика между обкладками, а сами обкладки изготовлены из веществ, отличающихся носителями заряда противоположного типа.
Поскольку емкость конденсатора прямо пропорционально связана с площадью его обкладок, для того чтобы получить большую емкость, необходимо иметь обширную площадь обкладок. Именно по этой причине электроды ионистора обычно изготовлены из вспененного углерода, дающего весьма значительную площадь «обкладок».
Электроды разделены сепаратором и находятся в твердом кислотном или щелочном электролите. Сепаратор исключает короткое замыкание между электродами. Кристаллический электролит из рубидия, серебра и йода позволяет создавать ионисторы высокой емкости с низким саморазрядом, стойкие к низким температурам.
Ионисторы с малым внутренним сопротивлением получаются, например, на основе раствора серной кислоты, однако рабочее напряжение таких ионисторов ограничено 1 вольтом, к тому же подобные решения токсичны, поэтому применяют их редко.
Электрохимическая реакция в ионисторе приводит к тому, что некоторые из электронов покидают электроды, при этом электроды заряжаются положительно. Отрицательные ионы притягиваются из электролита к заряженным положительно электродам. Так образуется электрический слой.
В результате заряд ионистора хранится на границе раздела углерода и электролита, и толщина электрического слоя, образованного катионами и анионами, составляет всего 1-5 нм, что эквивалентно очень маленькому расстоянию между обкладками конденсатора. Так получается значительная емкость измеряемая фарадами. Ионистор — полярен, поэтому при его включении в схему необходимо соблюдать правильную полярность.
Применение ионисторов
Сегодня ионисторы нередко встречаются в цифровой технике в качестве источников резервного питания микроконтроллеров, схем памяти, КМОП-микросхем, электронных часов и т. д.
При использовании вместе с аккумуляторными батареями ионисторы могут также увеличить их эффективность и позволить уменьшить вес и размер батарей за счет подачи дополнительного питания при пиковых нагрузках.
Находясь в промежуточном положении между конденсаторами и аккумуляторами, ионисторы применимы в различных областях: хранение энергии в системах рекуперативного торможения, приложениях с низким энергопотреблением и быстрой зарядкой (фотовспышка, плеер, память и т. д.).
В будущем, вероятно, портативные электронные устройства, электрокары и все то, что сегодня работает на аккумуляторах, с тем преимуществом, что заряжать их можно будет за считанные минуты. Незаменимы ионисторы и там, где требуется большое количество циклов заряда-разряда в условиях краткосрочного энергопотребления.
Перечислим лишь некоторые из сфер успешного применения ионисторов сегодня:
- ветровая энергетика,
- медицинское оборудование,
- резервирование мощности,
- аккумулирование энергии,
- регенерация энергии торможения,
- питание бытовой электроники и кухонных приборов,
- питание светодиодов и датчиков,
- резервная память,
- поддержание питания электронных замков,
- стабилизация напряжения.
Изобретение ионисторов
Ионисторы не были изобретены одним конкретным человеком. Их развитие шло поэтапно: в 1957 году General Electric запатентовала ранний конденсатор с двойным электрическим слоем на пористых угольных электродах, в 1962 году Роберт Райтмир из Standard Oil Company описал механизм накопления энергии, а в 1966 году Standard Oil представила первые практические ионисторы. Позднее технология получила развитие в новых материалах, включая полимерные и графеновые электроды.
Достоинства и недостатки
К недостаткам ионисторов можно отнести малое рабочее напряжение (до 2,7 вольт на элемент, что приводит к необходимости собирать ионисторы в батареи) и довольно высокую стоимость, по сравнению с аккумуляторами и конденсаторами.
Кроме этого, ионисторы имеют более высокий ток утечки, чем обычные конденсаторы, и линейное падение напряжения при разряде — от максимального значения до нуля, что отличает их от аккумуляторов, работающих с относительно постоянным напряжением. Также они чувствительны к перегрузкам и превышению напряжения, что требует применения защитных схем.
Положительные черты ионисторов: быстрота заряда и разряда (полный заряд за минуты против часов у аккумуляторов), ресурс в сотни тысяч циклов (более 100 000), необслуживаемость, малые габариты и вес, простота в эксплуатации, широкий рабочий температурный диапазон (от -40°C до +60°C и выше), продолжительный срок службы (до 15 лет).
Дополнительные преимущества: возможность работы в режиме постоянного заряда без ущерба для ресурса, высокая эффективность (до 95–98%), отсутствие токсичных материалов в составе, экологическая безопасность, и способность отдавать большой импульсный ток — важное преимущество для устройств с пиковыми нагрузками.
Перспективы использования
Эффективное хранение чистой энергии развивается быстрыми темпами в 21 веке, направленное на построение общества, свободного от ископаемого топлива.
Из-за высокой теоретической эффективности преобразования химической энергии в электрическую многообещающие технологии электрохимического накопления энергии вызвали многочисленные усилия по улучшению показателей энергопотребления и мощности.
Электрохимические конденсаторы, также известные как ионисторы или суперконденсаторы, продолжают развиваться в новых областях исследований и разработок с упором на технологии быстрой зарядки, высокой плотности энергии и долговременного хранения энергии.
В частности, ионисторы могут быть лучшим выбором по сравнению с батареями в приложениях с высокой плотностью мощности с типичным временем зарядки в несколько секунд для приложений с низкой плотностью энергии (5–10 Втч/кг).
Основные области применения включают системы резервного питания для микроконтроллеров и схем памяти, где ионисторы обеспечивают сохранение данных при отключении основного питания, импульсные источники питания для устройств с пиковыми нагрузками, системы рекуперативного торможения в электротранспорте для сбора и быстрого возврата энергии, а также портативные устройства и носимую электронику благодаря малым габаритам и весу.
В сочетании с солнечными и ветровыми энергосистемами ионисторы эффективно компенсируют кратковременные колебания генерации, обеспечивая стабильность сети. При этом комфортная работа ионисторов в широком температурном диапазоне (-40°C до +60°C) делает их незаменимыми в экстремальных климатических условиях, где традиционные аккумуляторы теряют эффективность.
Интересные факты про ионисторы
Ионисторы обладают уникальной ёмкостью, измеряемой в фарадах — типичная ёмкость составляет несколько фарад при номинальном напряжении 2–10 вольт. Гигантская ёмкость достигает от единиц до тысяч фарад, что на несколько порядков выше, чем у классических конденсаторов тех же габаритов. Приставку «супер» они получили благодаря ёмкости примерно на три порядка больше, чем у обычных конденсаторов.
Удельная поверхность углеродных порошков электродов составляет 500–2500 м2/г, то есть один грамм активированного угля имеет поверхность от 500 до 2200 квадратных метров. Это позволяет хранить заряд не на поверхности, а в объёме. Обычный ионистор хранит от 10 до 100 раз больше энергии на единицу объема или массы, чем электролитические конденсаторы.
Ионисторы заряжаются с рекордной скоростью — типичное время зарядки составляет несколько секунд для приложений с низкой плотностью энергии 5–10 Вт·ч/кг. Они заряжаются в десятки раз быстрее, чем аккумуляторы, и их эффективность превышает 95%, тогда как у современных литий-ионных аккумуляторов эффективность лишь около 60%. Удельная мощность достигает десятков киловатт на килограмм веса, а плотность мощности в 100 000 раз выше, чем у дисковой батареи Li-MnO2.
Долговечность ионисторов практически неограничена: они выдерживают сотни, тысячи и даже миллионы циклов работы, сохраняя эксплуатационные свойства даже после 10 000 зарядно-разрядных циклов. Малая деградация наблюдается даже после сотен тысяч циклов заряда и разряда, что намного превышает допустимое количество циклов для аккумуляторных батарей.
Ионисторы экологически безопасны благодаря низкой токсичности материалов при эксплуатации и утилизации. Они могут безопасно работать в водном электролите. При работе в ионисторах не происходят какие-либо химические реакции — энергия содержится в виде статического заряда. Суперконденсаторы производят накопление энергии электростатическим способом, поляризуя раствор электролита.
Рабочий температурный диапазон ионисторов чрезвычайно широкий — от -40°C до +70°C. Они применяются в электромобилях и гибридных локомотивах для обеспечения динамических характеристик, позволяя тронуть с места и быстро разогнать электромобиль. Ионистор может запасать энергию примерно равную одной десятой энергии никель-металлгидридного аккумулятора.
Ионистор сочетает в себе особенности конденсатора и аккумулятора — это нечто среднее между ними. В отличие от обычных конденсаторов с твердыми диэлектриками, ионисторы используют электролит, жидкость или гель, что увеличивает поверхность электродов. Главная особенность ионисторов — огромная площадь двойного электрического слоя, на несколько порядков большая, чем у электролитических конденсаторов. В ионисторах достижима энергетическая плотность от 1 до 10 Вт/кг.
Эти факты подтверждают, что ионисторы — это действительно революционная технология хранения энергии с уникальными характеристиками, недостижимыми для традиционных конденсаторов и аккумуляторов.
Сегодня ионисторы успешно применяются в системах резервного питания микроконтроллеров, электротранспорте с рекуперативным торможением, портативной электронике, а также в солнечных и ветровых энергосистемах для стабилизации генерации.
Ионисторы не заменяют аккумуляторы полностью, но находят незаменимое применение в специализированных задачах, где требуется быстрая отдача энергии, большое количество циклов зарядки и работа в экстремальных условиях. Их развитие с использованием новых материалов, включая графеновые электроды, открывает пути к ещё более высокой плотности энергии и расширению областей применения.
Смотрите также: Чем отличаются аккумуляторы от конденсаторов
Андрей Повный