Мощные ионисторы. Что такое суперконденсаторы

Сравнительно недавно в широкой продаже появились так называемые ионисторы. По-иному их ещё называют суперконденсаторами. По размерам они сравни обычным электролитическим конденсаторам , но обладают по сравнению с ними, гораздо большей ёмкостью.

Ионистор – это некий гибрид конденсатора и аккумулятора. В зарубежной литературе ионистор называют сокращённо EDLC , что расшифровывается как E lectric D ouble L ayer C apacitor, что по-русски означает: конденсатор с двойным электрическим слоем. Работа ионистора основана на электрохимических процессах.

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 (RbAg 4 I 5 ) возможно создание ионисторов с низким саморазрядом, большой ёмкостью и выдерживающие низкие температуры. Также возможно изготовление ионисторов на основе электролитов растворов кислот, таких как H 2 SO 4 . 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 100000;

Не требуют обслуживания;

Небольшой вес и габариты;

Для заряда не требуется сложных зарядных устройств;

Работает в широком диапазоне температур (-40…+70 0 C). При температуре больше +70 0 С ионистор, как правило, разрушается;

Длительный срок службы.

К отрицательным свойствам ионисторов можно отнести всё ещё высокую стоимость, а также довольно малое напряжение на одном элементе ионистора. Номинальное рабочее напряжение ионистора зависит от типа используемого в нём электролита.

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 30Ω. 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.

На схемах ионистор обозначается также как и электролитический конденсатор. Тогда же встаёт вопрос: "А как же определить, что на принципиальной схеме изображён именно ионистор?"

Определить, что на схеме изображён ионистор можно по значению номинальных параметров. Если рядом с обозначением указано, например, 1F * 5,5 V , то тут сразу станет понятно, что 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.

Где применяются ионисторы?

Очень часто ионисторы можно встретить в цифровой аппаратуре. Там они выполняют роль автономного или резервного источника питания для микроконтроллеров (IC"s), микросхем памяти (RAM"s), КМОП-микросхем (CMOS"s) или электронных часов (RTC). Благодаря этому даже при отключенном основном питании электронный прибор сохраняет заданные настройки и ход часов. Так, например, в кассетном аудиоплеере Walkman используется миниатюрный ионистор.

При замене аккумуляторов или батареек в плеере он полностью обесточивается, что неизбежно приводит к стиранию настроек (например, частот радиостанций, установок эквалайзера, сброс хода электронных часов). Но этого не происходит благодаря тому, что электронную схему в "ждущем" режиме питает заряженный ионистор. И хотя ёмкость его несоизмеримо меньше, чем ёмкость аккумулятора или батареи этого хватает для сохранения настроек и работы часов в течение нескольких суток!

Ионистор является достаточно новым электронным компонентом. Впервые ионистор был разработан в Соединённых штатах в 1960-х годах. А позднее, в 1978 году, ионисторы появились и в СССР под маркой К58-1. Это был первый отечественный ионистор. Далее промышленность стала выпускать ионисторы марок К58-15 и К58-16.

Как можно применить ионистор в самодельных конструкциях? Его можно использовать в качестве аварийного источника питания, например, в конструкциях на микроконтроллерах. Вот простейшая схема включения ионистора в цепь питания электронного устройства.

Диод VD1 служит для предотвращения разряда ионистора С1, когда напряжение питания равно 0 (Uпит=0). В качестве диода VD1 лучше применить диод Шоттки , например, 1N5817 и аналогичные, так как у них малое падение напряжения на открытом переходе. Резистор R1 препятствует перегрузке источника питания, ограничивая зарядный ток ионистора. Его можно не устанавливать, если источник питания выдерживает ток нагрузки 100 – 250 мА. R н – это сопротивление нагрузки (питаемое устройство, например, микроконтроллер).

Под занавес сего повествования хочется показать какое-нибудь видео. Видео не моё, нашёл в YouTube. Показано, как можно запитать светодиод от заряженного ионистора ёмкостью в 0,047 Ф. Ионистор на 5,5 V, поэтому если решите повторить эксперимент, то заряжайте его 3 вольтами, иначе можно нечаянно спалить светодиод.

Кстати, у меня оказывается, точно такой же ионистор в запаснике завалялся. А у Вас есть ионистор?

Ионисторы, другое название суперконденсаторы или ультраконденсаторы - это такие устройства, похожие на конденсаторы в которых накапливается электрический заряд между двумя обкладками на границе раздела двух сред - электролита и электродами. Вся энергия в ионисторах хранится в виде статического заряда. Накопление энергии происходит за счёт приложенного постоянного напряжения на его внешние выводы. Проще можно сказать, что это обычные конденсаторы, которые в отличие от простых, обладают огромной емкостью.

Некоторые считают, что суперконденсаторы способны заменить аккумулятор. Но пока это не так Ионистор массой в один килограмм может накопить 3000 Дж энергии, а достаточно дешевый свинцовый аккумулятор - 86000 Дж. Но в случае отдачи большой мощности за очень короткое время аккумулятор быстро выйдет из строя. Ионистор можно многократно и без всякого вреда заставить отдавать любые мощности, зарядить ионистор можно за считанные секунды. Этот принцип нашел широкое применение в переносных рентгеновских аппаратах.

Как мы знаем из предыдущих лекций по электротехники, привычные нам имеют внутри обкладки из фольги, разделенные диэлектриком. Ионисторы это уже объединение емкости с электрохимической батареей. В ионисторе применяется специальный электролит и обкладки. В основном увеличение общей емкости суперконденсатора осуществляется за счет применения материалов имеющих достаточно большую собственную поверхностную площадь.

У ионисторов обкладки бывают следующих видов: с использованием активированного угля, проводящих полимеров и различных оксидов металлов. Использование сверхпористых угольных материалов позволяет получить общую плотность емкости от 10 Фарад/см 3 и даже выше. Суперконденсаторы на основе активированонного угля получаются более дешевыми при промышленном изготовлении. Их еще именуют DLC-конденсаторами - двухслойными, так как емкость накапливается в двойном слое, который образуется на поверхности обкладки.

Электролит ионисторов, может быть водным или органическим. Ионисторы содержащие водный электролит, обладают низким внутренним сопротивлением, но их напряжение заряда ограничено уровнем до одного вольта. Напротив, суперконденсаторы на основе органического электролита обладает достаточно большим сопротивлением, зато их уровень заряда 2-3 вольта.

Так как для питания различных электронных схем используется более высокие значения напряжения, чем имеется у одного ионистора, то для получения нужного номинала их соединяют последовательно. Емкость ионисторов измеряется в фарадах. В суперконденсаторах возможно добиться плотности мощности на массу рабочего вещества от одного до десяти Вт/кг. Это на порядок больше, чем у стандартных конденсаторов, и меньше, чем у аккумуляторов.

К основным минусам в работе суперконденсатора можно отнести линейное снижение уровня напряжения в течение времени его работы до полного разряда. Поэтому ионисторы не могут удерживать полный заряд. Общая степень заряда вычисляется в процентах и зависит от того, какой номинал напряжения изначально будет приложен.

Если суперконденсатор заряжен до уровня напряжения в восемь вольт, а схема работает с минимальным напряжением четыре вольта, то выходит, что используемый заряд всего 50%. Оставшаяся электроэнергия в ионисторе оказывается совершенно ненужной. Для увеличения степени использования энергии применяют преобразователи, но при этом значительно падает КПД.

Применение ионисторы нашли в питании микросхем памяти, в цепях фильтрации. Они также хорошо работают в паре с батареями.

Плюсы ионисторов.

Малое внутреннее сопротивление, увеличенный срок службы, отсутствие ограничений по количеству циклов заряд/разряд, малая стоимость, широкий диапазон рабочих температур, быстрый процесс заряда и разряда, работа при любом напряжении, что не выше номинального, нет необходимости контроля за зарядом

Минусы ионисторов.

Низкая энергетическая плотность, нет возможности обеспечения достаточного накопления энергии, низкое напряжение на одном ионисторе, высокий уровень саморазряда

Все более популярным становится использование солнечных батарей в резервных системах электроснабжения. Однако, и в отдаленных, и в подсоединенных к централизованным сетям районах, фотоэлектрические системы являются источником чистой энергии, не загрязняющей окружающую среду подобно тепловым электростанциям

По своему принципу ионистор состоит из двух помещенных в электролит электродов с очень большой площадью, на поверхности которых под действием внещнего напряжения появляется двойной электрический слой. Для получения больших номиналов емкостей в них используют электроды из пористых материалов, для увеличения площади за счет поверхности пор.

Самодельный ионистор состоит из двух металлических пластин, плотно прижатых к начинке на основе активированного угля. Уголь ровно уложен двумя слоями, между которыми имеется тонкий разделительный слой диэлектрика. Все это пропитано электролитом.

В процессе зарядки ионистора в одной его половине на порах угля появляется двойной электрический слой с чыободными электронами на поверхности, а в другой - с положительными ионами. После зарядки ионы и электроны начинают двигаться навстречу друг другу. При их встрече возникают нейтральные атомы, а накопленный заряд снижается и со временем исчезает полностью

Чтобы помешать этому движению зарядов, между слоями активированного угля и имеется диэлектрический разделительный слой. Он может быть из тонких пластиковых пленок. В радиолюбительских ионисторах электролитом является 25% раствор поваренной соли.

В роли самодельных электродов служат медные пластины с заранее припаянными к ним выводами. Рабочие поверхности необходимо очистить от окислов. Это можно сделать с помощью крупнозернистой шкурки, оставляющей царапины. Эти рытвинки увеличат сцепление угля с медью. Для лучшего сцепления пластины рекомендуется обезжирить. Для этого их промывают мылом, а затем натирают зубным порошком и смывают чистой проточной водой.

Активированный уголь, приобретают в аптеке, растирают и смешивают с электролитом до получения густой пасты, которой намазывают обезжиренные пластины.

При первом испытании пластины с диэлектриком в виде листов бумаги кладут одна на другую, после этого заряжают. Учтите при напряжении выше одного вольта начинается выделение газов Н 2 , О 2 . Поэтому следует заряжать его от источника питания с напряжением не более одного В.

В прошлом веке американский химик Райтмаер получил патент на устройство, сохраняющее электрическую энергию с двойным электрическим слоем. Сегодня такое устройство называется ионистор. В разных источниках они могут иметь различные названия: суперконденсаторы, ультраконденсаторы. По размерам и внешнему виду они похожи на электролитические конденсаторы, с отличием, заключающимся в большой емкости.

В зарубежных странах они имеют короткое обозначение – EDLC, что в переводе с английского значит: конденсатор, обладающий двойным электрическим слоем. По сути дела ионистор является своеобразным гибридом аккумулятора и конденсатора.

Устройство и принцип действия

Если сравнивать устройство ионистора с конструкцией конденсатора, то разница заключается в отсутствии слоя диэлектрика у ионистора. В качестве обкладок выступают вещества, имеющие носители заряда противоположных знаков.

Емкость любого конденсатора, так же как ионистора зависит от размера обкладок. Поэтому у ионистора обкладки сделаны из активированного угля или вспененного углерода. Таким способом получают значительную площадь модифицированных обкладок. Выводы ионистора разделены сепаратором, помещенным в электролит. Они предназначены для предотвращения возможного короткого замыкания. Состав электролита: щелочи и кислоты в твердом и кристаллическом виде.

Если использовать кристаллический твердый электролит на основе йода, серебра и рубидия, то можно изготовить ионистор, обладающий большой емкостью, низким саморазрядом и способный функционировать при пониженных температурах. Возможно производство аналогичных ультраконденсаторов, на базе электролита из раствора серной кислоты. Такие устройства имеют малое внутреннее сопротивление, но также небольшое рабочее напряжение 1 вольт. В настоящее время ионисторы, содержащие электролиты из кислот и щелочей практически не изготавливают, так как они обладают повышенными токсичными свойствами.

В результате протекания электрохимических реакций незначительное число электронов отрывается от полюсов устройства, обеспечивая им положительный заряд. Находящиеся в электролите отрицательные ионы притягиваются полюсами, имеющими положительный заряд. В результате создается электрический слой.

Заряд в ультраконденсаторе сохраняется на границе углеродного полюса и электролита. Электрический слой, образованный катионами и анионами, имеет очень малую толщину, равную от 1 до 5 нанометров, что позволяет значительно повысить емкость ультраконденсатора.

Классификация

• Идеальные . Это ионные конденсаторы с идеально поляризуемыми электродами, состоящими из углерода. Такие суперконденсаторы работают не за счет электрохимических реакций, а благодаря переносу ионов между электродами. Электролиты могут состоять из щелочи калия, серной кислоты, а также органических веществ.
• Гибридные . Это суперконденсаторы с идеально поляризуемым электродом, изготовленным из углерода, и слабо поляризуемым анодом или катодом. В их работе частично используется электрохимическая реакция.
• Псевдоконденсаторы . Это устройства, накапливающие заряд путем использования обратимых электрохимических реакций на поверхности электродов. Они обладают повышенной удельной емкостью.

Рабочие параметры ионисторов

• Емкость .
• Наибольший ток разряда.
• Внутреннее сопротивление.
• Номинальное напряжение.
• Время разряда.

В инструкции на суперконденсатор обычно указывается величина внутреннего сопротивления при частоте тока 1 килогерц. Чем меньше их внутреннее сопротивление, тем быстрее происходит заряд.

Изображение на схемах

На электрических схемах ионисторы изображаются по типу электролитического конденсатора, и отличить его можно только по величине номинальных параметров.

Если, например, на схеме указана величина емкости 1 Фарада, то сразу ясно, что изображен ионистор, так как таких емких электролитических конденсаторов не бывает. Напряжение ультраконденсатора также может говорить об его отличии от электролитического конденсатора, так как обычно это незначительная величина в несколько вольт (от 1 до 5 В). Ионисторы не способны функционировать при большом напряжении.

Преимущества

• Если сравнивать ультраконденсаторы с аккумуляторами, то первые из них способны обеспечить значительно большее число циклов заряда и разряда.
• Цикл заряда и разряда происходит за очень короткое время, что дает возможность применять их в таких ситуациях, когда нельзя установить аккумуляторы, ввиду их длительной зарядки.
• Устройства такого вида имеют намного меньшую массу и габаритные размеры.
• Для выполнения заряда не требуется специального , что упрощает обслуживание.
• Срок работы ультраконденсаторов значительно выше, по сравнению с батареями аккумуляторов и силовыми конденсаторами.
• Широкий интервал эксплуатационной температуры от -40 до +70 градусов.

Недостатки

• Малая величина номинального напряжения . Этот вопрос решают путем соединения нескольких ультраконденсаторов по последовательной схеме, так же, как соединяют несколько для увеличения напряжения.
• Повышенная цена на такие устройства способствует удорожанию изделий, в которых они используются. По заверению ученых, скоро эта проблема станет неактуальной, так как технологии постоянно развиваются, и стоимость подобных устройств снижается.
• Ионисторы не способны накопить большое количество энергии , так как имеют незначительную энергетическую плотность, и не могут обладать мощностью, сравнимой с аккумуляторами. Это негативно влияет на область их использования. Эта проблема может частично решиться путем подключения нескольких ионисторов вместе, по параллельной схеме.
• Необходимость соблюдения полярности при подключении.
• Не допускается короткое замыкание между электродами, так как от этого сильно возрастет температура ультраконденсатора, и он может выйти из строя.
• Ионисторы хорошо работают в цепях пульсирующего и постоянного тока. Но при высокочастотном пульсирующем токе они сильно нагреваются ввиду их большого внутреннего сопротивления, что часто приводит к выходу из строя.

Применение

Ионисторы часто встречаются в устройстве цифрового оборудования. Они играют роль запасного источника питания , микросхемы и т.д. С помощью такого источника при выключенном основном питании аппаратура способна сохранять настройки и обеспечивать питание встроенных часов. Например, в некоторых аудиоплеерах применяется миниатюрный ионистор.

В момент замены батареек или аккумуляторов в плеере могут сбиться настройки частоты радиостанции, часов. Благодаря встроенному ионистору этого не происходит. Он питает электронную схему. Его емкость значительно меньше аккумулятора, но его хватает на несколько суток, чтобы сохранить работу часов и настроек.

Также ультраконденсаторы используются для работы таймеров телевизора, микроволновой печи, сложного медицинского оборудования.

Были случаи опытного использования ионисторов, например, для проектирования электромагнитной пушки, которую называют Гаусс оружием.

В быту ионисторы используются в схемах маломощных светодиодных фонариков. Его зарядка может выполняться от солнечных элементов.

Автомобильное пусковое устройство

Популярным примером использования мощного ионистора можно назвать пусковое устройство для двигателя автомобиля.

Эта схема выполняется на легковых автомобилях любой марки с напряжением сети 12 вольт.

• 1 – положительный контакт аккумуляторной батареи.
• 2 – контакт массы (отрицательный полюс).
• 3 – клемма замка зажигания.
• В1 – аккумулятор.
• Кс – замок зажигания.
• К1 и К1.1 – контактор с ключом управления.
• С – ионистор.
• Rс – сопротивление для ограничения зарядного тока ультраконденсатора.

В схеме применяется ионистор со следующими параметрами:

• Максимальное напряжение 15 вольт.
• Внутреннее сопротивление 0,0015 Ом.
• Емкость 216 Фарад.
• Рабочий ток 2000 ампер.

Такого пускового устройства достаточно, чтобы запустить двигатель мощностью до 150 л. с. ультраконденсатор способен получить полный заряд за пять секунд. Такое устройство можно найти в продаже, но сделать его самостоятельно намного дешевле.

Ионистор, он же суперконденсатор или ультраконденсатор - конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита.

Международное обозначение EDLC - Electric double-layer capacitor .

Появились такие приборы сравнительно недавно, лет двадцать назад. Их называют по-разному: ионисторами, иониксами или просто суперконденсаторами.

Перечень преимуществ ионисторов:

» малое внутреннее сопротивление

» большой срок службы

» нет ограничений по количеству циклов заряд/разряд

» относительно малая стоимость

» довольно широкий диапазон рабочих температур: от -25 до +70 °С

» быстрый процесс заряда и разряда

» работа при любом напряжении, что не превышает номинального

» использование простых способов заряда

» отсутствие контроля за режимом заряда

Перечень недостатков ионисторов:

» довольно малая энергетическая плотность

» не может обеспечить достаточного накопления электроэнергии

» весьма низкое напряжение на одной единицы элемента

» высокая степень саморазряда

Не думайте, что они доступны лишь каким-то аэрокосмическим фирмам высокого полета. Сегодня можно купить в магазине ионистор размером с монету и емкостью в одну фараду, что в 1500 раз больше емкости земного шара и близко к емкости самой большой планеты Солнечной системы - Юпитера.

Электрическая емкость земного шара, как известно из курса физики, составляет примерно 700 мкФ. Обычный конденсатор такой емкости можно сравнить по весу и объему с кирпичом. Но есть и конденсаторы с электроемкостью земного шара, равные по своим размерам песчинке.

Любой конденсатор запасает энергию. Чтобы понять, сколь велика или мала энергия, запасаемая в ионисторе, важно ее с чем-то сравнить. Вот несколько необычный, зато наглядный способ.

Энергии обычного конденсатора достаточно, чтобы он мог подпрыгнуть примерно на метр-полтора. Крохотный ионистор типа 58?9В, имеющий массу 0, 5 г, заряженный напряжением 1 В, мог бы подпрыгнуть на высоту 293 м!

Иногда думают, что ионисторы способны заменить любой аккумулятор. Журналисты живописали мир будущего с бесшумными электромобилями на суперконденсаторах. Но пока до этого далеко. Ионистор массой в один кг способен накопить 3000 Дж энергии, а самый плохой свинцовый аккумулятор - 86 400 Дж - в 28 раз больше. Однако при отдаче большой мощности за короткое время аккумулятор быстро портится, да и разряжается только наполовину. Ионистор же многократно и без всякого вреда для себя отдает любые мощности, лишь бы их могли выдержать соединительные провода. Кроме того, ионистор можно зарядить за считаные секунды, а аккумулятору на это обычно нужны часы.

Это и определяет область применения ионистора. Он хорош в качестве источника питания устройств, кратковременно, но достаточно часто потребляющих большую мощность: электронной аппаратуры, карманных фонарей, автомобильных стартеров, электрических отбойных молотков. Ионистор может иметь и военное применение как источник питания электромагнитных орудий. А в сочетании с небольшой электростанцией ионистор позволяет создавать автомобили с электроприводом колес и расходом топлива 1-2 л на 100 км.

Ионисторы на самую разную емкость и рабочее напряжение есть в продаже, но стоят они дороговато.

Главное достоинство ионисторов это - на несколько порядков большая емкость, чем у любых других классов конденсаторов. Ионисторы по диапазонам реализации удельной энергии и удельной мощности занимают промежуточное положение между химическими источниками тока и электролитическими конденсаторами, но в отличие от химических источников тока имеют более широкий температурный диапазон эксплуатации (сохраняют работоспособность при отрицательных температурах) и большое количество циклов в режиме "зарядка - разрядка".

то касается электролита ионисторов, он может быть водным или органическим. Ионисторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы), что содержат водный электролит, обладают довольно малым внутренним сопротивлением, но, есть также и значительный минус водного электролита, напряжение заряда для них ограничено до 1 Вольта. Ионисторы на органическом электролите обладает наиболее большим сопротивлением, но зато, они способены к работе с напряжением заряда от 2 до 3 Вольт.

Поскольку для питания электронных схем используется обычно более высокие напряжения, чем у ионистора, то для получения нужного значения их соединяют последовательно. Как Мы знаем, что величина обычных емкостей конденсаторов измеряется в приделах от пикофарад до микрофарад. Емкость ионисторов (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) измеряется уже в фарадах (в одном фараде миллион микрофарад). В ионисторах возможно достичь плотности мощности на массу рабочего вещества от 1 до 10 Вт/кг. Это больше, чем у обычных конденсаторов, и меньше, чем у аккумуляторов.

К основным недостаткам ионистора (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) можно отнести его постоянное линейное снижение напряжения в течение всего времени его работы до полного разряда (за один цикл заряда и разряда). Из-за этого ионисторы не способны удерживать полный заряд. Общая степень его заряда исчисляется в процентах и будет зависеть, в первую очередь, от того, какое напряжение к нему изначально будет приложено.

Если ионистор заряжен до напряжения 8 вольт, а схема нормально может работать с минимальным напряжением 4 вольта, то получается, что используемый заряд составляет всего 50%. Оставшаяся электроэнергия в ионисторе оказывается совершенно бесполезной. Для увеличения степени использования накопленной энергии в ионисторе применяют различные виды преобразователей, но и этот путь неидеален, поскольку ведёт к удорожанию всей системы на 10-15%. Плюс, значительно снижается КПД.

Применение ионисторам нашлось в электропитании микросхем памяти, использование в цепях фильтрации. Они также хорошо работают в паре с батареями с целью защиты их от внезапных перепадов электрического тока нагрузки: при малых токах электрической нагрузки батарея работает на подзарядку ионистора, а как только произойдёт скачёк тока, ионистор выдаст накопленную электроэнергию, в итоге значительно снижается общая нагрузка на батарею.

Обычная схема включения ионистора в качестве резервного источника питания приведена на рис. 1. Диод VD1 предотвращает разряд ионистора C1 при Uпит=0. Резистор R1 ограничивает зарядный ток ионистора, защищая источник питания от перегрузки при включении. Он не потребуется, если источник питания выдерживает кратковременную нагрузку током 100...250 мА

Номинальное напряжение ионистра зависти от вида используемого в нем электролита и является для него максимально допустимым. Для получения более высокого рабочего напряжения ионисторы соединяют последовательно. Но делать это самостоятельно не рекомендуется - параметры ионистров в такой связке должны быть очень близкими.

Внутреннее сопротивление Rвн ионистора может быть расчитано по формуле: Rвн=U/Iкз, где Rвн - в омах; U - напряжение на ионисторе, В; Iкз - ток короткого замыкания, А. Для ионистора К58-3 (японский аналог DC-2R4D225) Rвн=10...100 Ом.

Электрическую емкость ионистора расчитывают по формуле: C=I*t/Uном, где C - емкость, Ф; I - постоянный ток разрядки, А; Uном - номинальное напряжение ионистора, В; t - время разрядки от Uном до нуля, с.

Важнейший параметр ионистора - ток утечки. Особенно при использовании его в качестве резервного источника питания.

Рис. 1. Включение ионистора в качестве резервного источника питания.

Во многих случаях ионистор с успехом заменяет встраиваемые в прибор резервные источники питания. Весьма перспективен ионистор в качестве накопителя энергии при работе совместно с солнечными батареями. Здесь особенно ценна его некритичность к режиму заряда, практически неограниченное число циклов заряд-разряд.

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 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.

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.

Рис. 1. Суперконденсатор DH5U308W60138TH фирмы SAMWHA ELECTRIC

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.

На Российском рынке тоже присутствуют свои игроки, так компания «Ультраконденсаторы Феникс» (ООО "УКФ") является инжиниринговой компанией, специализирующейся на проектировании, разработке, производстве и практическом применении решений и систем на базе суперконденсаторов/ионисторов. Компания работает в плотной связке с лучшими мировыми производителями и активно перенимает их опыт.

Применение ионисторов

Ионисторы на единицы фарад получили заслуженное применение в качестве источников резервного питания во множестве устройств. Начиная с питания таймеров телевизоров и СВЧ-печей, и заканчивая сложными медицинскими приборами. На платах памяти, как правило, установлены ионисторы.

При смене батареи в видео или фотокамере, ионистор поддерживает питание схем памяти, отвечающих за настройки, это же касается музыкальных центров, компьютеров и другой подобной техники. Телефоны, электронные измерительные приборы и приборы медицинского применения - везде нашли применение суперконденсаторы.

Рис. 2. Суперконденсаторы (ионисторы)

Малые ионисторы на основе органических электролитов обладают максимальным напряжением около 2,5 вольт. Для получения более высоких допустимых напряжений, ионисторы соединяют в батареи, обязательно применяя шунтирующие резисторы.

К преимуществам ионисторов относится : высокая скорость заряда-разряда, устойчивость к сотням тысяч циклов перезаряда по сравнению с аккумуляторами, малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами, низкий уровень токсичности, допустимость разряда до нуля.

Рис. 3. Источник бесперебойного питания на суперконденсаторах

Рис. 4. Суперконденсаторные автомобильные модули

Перспективы

При разработке ионисторов все более и более повышается их удельная емкость, и по всей вероятности, рано или поздно это приведет к полной замене аккумуляторов на суперконденсаторы во многих технических сферах.

Последние исследования группы ученых Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что новый тип ионисторов на основе пористой структуры, где частицы оксида рутения нанесены на , превосходят лучшие аналоги почти в два раза.

Исследователи обнаружили, что поры «графеновой пены» обладают наноразмерами, подходящими для удержания частиц оксидов переходных металлов. Суперконденсаторы на основе оксида рутения теперь являются самым перспективным из вариантов. Безопасно работающие на водном электролите, они обеспечивают увеличение запасаемой энергии и повышают допустимую силу тока вдвое по сравнению с самыми лучшими из доступных на рынке ионисторов.

Они запасают больше энергии на каждый кубический сантиметр своего объёма, поэтому ими целесообразно будет заменить аккумуляторы. Прежде всего, речь идёт о носимой и имплантируемой электронике, но в перспективе новинка может обосноваться и на персональном электротранспорте.

На частицы никеля послойно осаживают графен, выступающий опорой для углеродных нанотрубок, которые вместе с графеном формируют пористую углеродную структуру. В полученные нанопоры последней из водного раствора проникают частицы оксида рутения диаметром менее 5 нм. Удельная ёмкость ионистора на основе полученной структуры составляет 503 фарад на грамм, что соответствует удельной мощности 128 кВт/кг.

Рис. 4. Зарядное устройство на графеновом суперконденсаторе

Возможность масштабирования этой структуры уже положила начало и создала основу на пути создания идеального средства хранения энергии. Ионисторы на основе «графеновой пены» прошли успешно первые тесты, где показали способность к перезаряду более восьми тысяч раз без ухудшения характеристик.

Андрей Повный