Где применяют ионистор? Типы ионисторов, их назначение, преимущества и недостатки

Ионистор – это электрохимические конденсаторы с двойным слоем или суперконденсаторы. Их металлические электроды покрыты очень пористым активированным углем, традиционно изготовленным из скорлупы кокосового ореха, но чаще всего из углеродного аэрогеля, других наноуглеродных или графеновых нанотрубок. Между этими электродами находится пористый сепаратор, который удерживает электроды друг от друга, при наматывании на спираль, все это пропитано электролитом. Некоторые инновационные формы ионистора имеют твердый электролит. Они заменяют традиционные батареи в источниках бесперебойного питания вплоть до грузовиков, где применяют ионистор в качестве источника питания.

Принцип работы

Ионистор использует действие двойной прослойки, сформированного на границе между углем и электролитом. Активированный уголь применяется в качестве электрода в твердой форме, а электролит в жидкой. Когда эти материалы контактируют друг с другом, положительные и отрицательные полюса распределяются относительно друг друга на очень коротком расстоянии. При приложении электрического поля в качестве основной конструкции используется электрический двойной слой, который образуется вблизи поверхности угля в электролитической жидкости.

Преимущество конструкции:

1. Обеспечивает емкость в небольшом устройстве, нет нужды в специальных схемах зарядки для контроля во время разрядки в устройствах, где применяют ионистор.
2. Перезарядка или чрезмерно частая разрядка не оказывает негативного влияния на срок службы, как в типовых батареях.
3. Технология чрезвычайно «чистая» с точки зрения экологии.
4. Нет проблем с нестабильными контактами, так у обычных батарей.

Недостатки конструкции:

1. Продолжительность работы ограничена из-за использования электролита в устройствах, где применяют ионистор.
2. Электролит может протекать, если конденсатор эксплуатируется неправильно.
3. По сравнению с алюминиевыми конденсаторами эти ионисторы имеют высокие сопротивления и поэтому не могут использоваться в цепях переменного тока.

Используя преимущества, описанные выше, электрические ионисторы широко применяются в таких приложениях, как:

1. Резервирование памяти для таймеров, программ, питание е-мобиля и т. д.
2. Видео и аудио оборудование.
3. Резервные источники при замене батарей для портативного электронного оборудования.
4. Источники питания для оборудования, использующего солнечные элементы, такие как часы и индикаторы.
5. Стартеры для малых и мобильных двигателей.

Как зарядить ионистор

Для зарядки этого элемента нужен источник питания. Если он имеется в схеме, и прибор работает корректно, то ионистор заряжается сам по себе и поддерживает напряжение, передаваемое от аккумулятора или электрической сети. Если необходимо зарядить приспособление самостоятельно, то подойдет схема, описная ниже.

Пример подключения для зарядки

Прибор запитывают от 12-вольтного адаптера. Затем используется стабилизатор напряжения и тока для регулирования 5,5 В для зарядки элемента. Это напряжение подается на конденсатор через полевой MOSFET-транзистор, который действует в роли переключателя. Он замыкается только тогда, когда напряжение в ионисторе падает до 4,8 В.

Важно! Если напряжение повышается, то транзистор размыкается, и зарядка прекращается.

Окислительно-восстановительные реакции

Аккумулятор заряда расположен на границе раздела между электродом и электролитом. Во время процесса зарядки электроны, движутся от отрицательного электрода к положительному по внешнему контуру. Во время разряда электроны и ионы движутся в обратном направлении. В суперконденсаторе EDLC нет переноса заряда. В этом типе суперконденсатора окислительно-восстановительная реакция возникает на электроде, генерирующем заряды и переносе заряда через двойные слои конструкции, где применяют ионистор.

Из-за окислительно-восстановительной реакции, происходящей в этом типе, существует потенциал с меньшей плотностью мощности, чем EDLC, поскольку системы Faradaic медленнее, чем нефарадевидные системы. Как правило, псевдокапакторы обеспечивают более высокую удельную емкость и плотность энергии, чем EDLC, из-за того, что они относятся к фарадеитовой системе. Тем не менее правильный выбор суперконденсатора зависит от приложения и доступности.

История изобретения ионистора

Американской компанией Дженерал Электрик в 1957 году был запатентован простой ионистор с ДЭС, электроды которого были сделаны из активированного угля. Теоретически предполагалось накопление энергии в порах поверхности электродов.

Суперконденсатор

Уже в 1966 году компанией Стандарт Ойл Огайо был получен патент на компонент, который обеспечивал накопление энергии в ДЭС. Потерпев убытки, связанные с низкой реализацией ёмких конденсаторов, фирма передала права на изготовление этих устройств компании Nec. Новый владелец лицензии сумел значительно увеличить спрос на свою продукцию под названием суперконденсатор (Supercapacitor). Устройство значительно понизило энергозависимость электронной памяти, что стимулировало развитие компьютерных технологий.

1978 год ознаменовался появлением на рынке электротехники Золотого конденсатора (Gold Cap) ведущей японской электрокомпании Панасоник. Это уже было устройство более высокого качества. Ионисторы нашли своё применение в системах питания электронной памяти.

В том же году первое упоминание о том, что такое ионисторы в СССР, было опубликовано в пятом номере журнала «Радио». В статье был описан первый советский ионистор КИ1-1. Его устройство предполагало предельный объём заряда до 50 фарад. Недостатком суперконденсатора было его высокое внутреннее сопротивление (ВС), что препятствовало полноценной отдаче электрической энергии.

Суперконденсаторы с малым ВС появились только в 1982 году. Новая конструкция была разработана специалистами компании PRI для особо мощных схем, где применяют ионистор «PRI Ultracapacitor».

Важно! Прогресс в совершенствовании суперконденсаторов приведёт к тому, что ионисторы полностью заменят традиционные аккумуляторы.

Материалы на основе графена

Ионистор характеризуется способностью быстрого заряда, гораздо быстрее, чем у традиционной батареи, но он не способен хранить столько же энергии, как батарея, так как имеет более низкую плотность энергии. Повышение эффективности у них достигается благодаря использованию графеновых и углеродных нанотрубок. Они помогут в будущем ионисторам полностью вытеснить электрохимические батареи. Нанотехнология сегодня является источником многих нововведений, особенно в е-мобиле.

Графен увеличивает емкость ионисторов. Этот революционный материал состоит из листов, толщина которых может быть ограничена толщиной атома углерода и атомная структура которого является ультраплотной. Такие характеристики способны заменить кремний в электронике. Пористый сепаратор помещается между двумя электродами. Однако вариации механизма хранения и выбор материала электрода приводят к различным классификациям ионисторов большой емкости:

1. Электрохимические двухслойные конденсаторы (EDLC), которые по большей части используют высокоуглеродистые углеродные электроды и сохраняют свою энергию за счет быстрой адсорбции ионов на границе раздела электрода/электролита.
2. Psuedo-конденсаторы, основаны на фагадическом процессе переноса заряда на поверхности электрода или вблизи него. В этом случае проводящие полимеры и оксиды переходных металлов остаются электрохимическими активными материалами,например, как в электронных часах на батарейках.

Гибкие устройства на основе полимеров

Ионистор набирает и сохраняет энергию с высокой скоростью, образуя электрохимические двойные слои зарядов или посредством поверхностных окислительно-восстановительных реакций, что приводит к высокой плотности мощности с длительной циклической стабильностью, низкой стоимостью и защитой окружающей среды. PDMS и ПЭТ являются в основном используемыми субстратами при реализации гибких суперконденсаторов. В случае пленки PDMS может создавать гибкие и прозрачные тонкопленочные ионисторы в часах с высокой циклической стабильностью после 10 000 циклов при изгибе.

Однослойные углеродные нанотрубки могут быть дополнительно включены в пленку PDMS для дальнейшего улучшения механической, электронной и термической стабильности. Аналогичным образом, проводящие материалы, такие как графен и УНТ, также покрываются пленкой ПЭТ для достижения, как высокой гибкости, так и электропроводности. Помимо ПДМС и ПЭТ другие полимерные материалы также привлекают растущие интересы и синтезируются различными методами. Например, локализованное импульсное лазерное облучение использовалось для быстрого преобразования первичной поверхности в электрическую проводящую пористую углеродную структуру с заданной графикой.

Природные полимеры, такие как нетканые материалы из древесных волокон и бумаги, также могут использоваться в качестве подложек, которые являются гибкими и легкими. УНТ наносится на бумагу для получения гибкого УНТ бумажного электрода. Из-за высокой гибкости бумажной подложки и хорошего распределения УНТ удельная емкость и плотность мощности и энергии меняется менее чем на 5% после изгиба на 100 циклов при радиусе изгиба 4,5 мм. Кроме того, из-за более высокой механической прочности и лучшей химической стабильности бактериальные наноцеллюлозные бумаги также используться для изготовления гибких суперконденсаторов, например для кассетного плеера walkman.

Практическое использование ионисторов

Современные модели суперконденсаторов стали использоваться в сферах транспорта и бытовой электроники.

Транспортные средства

С недавнего времени в схему питания электротранспорта всё чаще стали встраивать мощные ионистры.

Тяжёлый и общественный транспорт

На улицах мегаполисов мира стали появляться электробусы. В Москве можно увидеть общественный транспорт, работающий на энергии бортовых ионисторов. Отечественные электрические автобусы вышли на городские маршруты столицы в мае нынешнего года.

На тяжёлых транспортных средствах суперконденсаторы используются как вспомогательный источник питания.

Автомобили

Ведущие производители электромобилей, такие как Тесла и Ниссан, пользуясь международными выставками, представляют каждый раз новые модели, системы питания которых построены на ионисторах. Российский опытный образец Ё-мобиль использует суперконденсатор как основной источник энергии.

Автомобильный ионистор

Дополнительная информация. На автомобилях, работающих на жидком топливе, стали устанавливать ионисторы для обеспечения лёгкого пуска двигателя в условиях Крайнего Севера.

Суперконденсатор с АКБ для облегчённого пуска двигателя

Автогонки

Для пропаганды и рекламы автомобилей, работающих на ионисторах, ведущие автоконцерны постоянно проводят автогонки на таких автомашинах. Зрители на таких мероприятиях проявляют большой интерес к перспективе развития электрического индивидуального транспорта.

Бытовая электроника

Суперконденсаторы стремительно ворвались в сферу бытовой электроники. Их можно заметить в блоках резервного питания ноутбуков, смартфонов. Ионисторы встроены в операционные блоки персональных компьютеров. Они предохраняют от потери данных во время аварийных отключений от постоянного источника электроэнергии.

Ионистор для бесперебойного питания ПК

Производительность суперконденсаторов

Она определяется с точки зрения электрохимической активности и химических кинетических свойств, а именно: электронной и ионной кинетикой (транспортировкой) внутри электродов и эффективностью скорости переноса заряда на электрод/электролит. Для высокой производительности при использовании материалов на основе углерода с EDLC важна удельная площадь поверхности, электропроводность, размер пор и отличия. Графен с его высокой электропроводностью, большой площадью поверхности и межслойной структурой привлекателен для использования в EDLC.

В случае псевдоконденсаторов, несмотря на то что они обеспечивают превосходную емкость по сравнению с EDLC, они все же ограничены плотностями малой мощностью микросхемы кмоп. Это объясняется плохой электропроводностью, ограничивающей быстрое электронное движение. Кроме того, окислительно-восстановительный процесс, который ведет процесс зарядки/разрядки, может повредить электроактивные материалы. Высокая электропроводность графена и его отличная механическая прочность делают его пригодным в качестве материала в псевдоконденсаторах.

Исследования адсорбции на графене показали, что она происходит в основном на поверхности графеновых листов с доступом к большим порам (т.е. межслойная структура является пористой, обеспечивая легкий доступ к ионам электролита). Таким образом, для лучшей производительности следует избегать агломерации графена без пор. Производительность может быть дополнительно улучшена путем модификации поверхности путем присоединения функциональных групп, гибридизации с электропроводящими полимерами и путем образования композитов графена/оксида металла.

Ионистор своими руками

Для изготовления суперконденсатора своими руками потребуются:

• фольга, можно взять вкладку из пачки сигарет, она будет диэлектриком;
• таблетка активированного угля, это будет электрод;
• клей ПВА в качестве электролита.

Изготавливают простейший ионистор своими руками следующим образом:

1. Мелко размолотый уголь перемешивают с клеем ПВА.
2. Кистью наносят смесь на один отрезок фольги.
3. После каждой просушки наносят следующий клеевой слой. Трех слоев вполне достаточно для изготовления ионистора.
4. На высушенную поверхность накладывают второй отрезок фольги после обработки клеем ПВА.
5. Приложив с двух сторон модели проводки от батарейки, заряжают самодельный ионистор.

Самодельный ионистор

Продемонстрировать возможности самоделки можно, услышав сигнал подсоединённого маломощного динамика, или, если применить его для свечения светодиода.

Частота, с которой создаются новые модели суперконденсаторов, настолько большая, что порой трудно запоминать новые названия. Специалисты ожидают скорого появления высоковольтных иониксов, которые совершат технологическую революцию во всех сферах деятельности человека.

Сравнение конденсаторов

Ионисторы идеальны, когда требуется быстрая зарядка для удовлетворения краткосрочных потребностей в мощности. Гибридная батарея удовлетворяет обе потребности и снижает напряжение, что обеспечивает более длительный срок службы. В приведенной ниже таблице показано сравнение характеристик и основных материалов в конденсаторах.

Положительные и отрицательные стороны

К числу безусловных преимуществ этих устройств относятся следующие качества:

• разрядка и заряд устройства не занимает много времени, что позволяет их использовать в тех случаях, когда аккумуляторы установить не представляется возможным из-за долгой подзарядки;
• по сравнению с аккумуляторными батареями у ионисторов значительно больше циклов полного заряда-разряда устройства;
• чтобы произвести подзарядку, не понадобится специальное зарядное оборудование, следовательно, упрощается обслуживание;
• радиодетали этого типа гораздо легче аккумуляторов и меньше их по габаритам;
• широкий диапазон рабочей температуры – от -40 до 70С°;
• срок эксплуатации во много раз больше, чем его имеют силовые конденсаторы и аккумуляторные батареи.

Как бы ни были хороши эти радиодетали, но у них есть и недостатки, которые несколько усложняют эксплуатацию, а именно:

• относительно высокая цена на ионисторы приводит к тому, что использование их в технике ведет к ее удорожанию. Как утверждают специалисты, в ближайшем будущем эта проблема будет решена, благодаря развитию новых технологий;
• низкие параметры номинального напряжения устройств, решением может служить последовательное соединение нескольких элементов (принцип такой же, как при подключении нескольких батареек). В этом случае потребуется установить шунт в виде резистора на каждый компонент;
• превышение температурного режима (нагрев более 70С°) становится причиной выхода из строя;
• данный тип радиодеталей не позволяет накапливать достаточно энергии, помимо этого они обладают небольшой энергетической плотностью (то есть не столь мощные, как аккумуляторы), что несколько сужает сферу их применения. Параллельное подключение нескольких элементов позволяет частично справиться с этой проблемой.

Отдельно следует заметить, что суперконденсаторы относятся к элементам, подключение которых требует, чтобы была соблюдена полярность. Нельзя допускать короткое замыкание устройства, поскольку оно станет причиной, из-за которой повысится температура, и радиоэлементу потребуется замена.

Характеристика заряда

Время заряда 1-10 секунд. Первоначальный заряд может быть выполнен очень быстро, а заряд верхней части займет дополнительное время. Необходимо предусмотреть ограничение пускового тока при зарядке пустого суперконденсатора, поскольку он будет вытягивать все возможное. Ионистор не подлежит перезарядке и не требует обнаружения полной зарядки, ток просто перестает течь при заполнении. Сравнение производительности между ионистором для автомобиля и Li-ионом.

Какая полярность ионистора

Эти элементы не обладают характеристикой полярности в силу своих электротехнических свойств. К тому же отсутствие полярности — явный плюс. Иногда производители указывают на своих приспособлениях стрелочки для обозначения полюса или знаки «+» и «-». Это не полярность ионистора, а обозначение полярности остаточного напряжения после первой тестовой зарядки на заводе-изготовителе.

Обратите внимание! Это означает, что после разряда на нагрузку можно припаивать элемент с любыми включениями. На работоспособность схемы это никак не повлияет.

Преимущества устройств для зарядки

Транспортные средства нуждаются в дополнительном энергетическом рывке для ускорения, и именно в этом подходят ионисторы. Они имеют ограничение общего заряда, но они способны передать его очень быстро, что делает их идеальным аккумуляторами. Преимущества их по отношению к традиционным батареям:

1. Низкий импеданс (ESR) увеличивает импульсный ток и нагрузку при параллельном соединении с батареей.
2. Очень высокий цикл — разряд занимает миллисекунды до нескольких минут.
3. Падение напряжения по сравнению с устройством, работающим от батареи, без суперконденсатора.
4. Высокая эффективность при 97-98%, а эффективность DC-DC в обоих направлениях составляет 80% -95% в большинстве приложений, например, видеорегистратора с ионисторами.
5. В гибридном электрическом транспортном средстве эффективность кругового движения на 10% больше, чем у батареи.
6. Хорошо работает в очень широком температурном диапазоне, обычно от -40 C до + 70 C, но может быть и от -50 C до + 85 C, есть специальные версии, достигающие 125 C.
7. Небольшое количество тепла, выделяемого во время зарядки и разряда.
8. Длительный срок службы цикла с высокой надежностью, что снижает затраты на обслуживание.
9. Небольшая деградация в течение сотен тысяч циклов и длится до 20 миллионов циклов.
10. Они теряют не более 20% своей емкости после 10 лет, а продолжительность жизни составляет 20 лет и более.
11. Не подвержены износу и старению.
12. Не влияет на глубокие разряды, в отличие от батарей.
13. Повышенная безопасность по сравнению с батареями — нет опасности перезарядки или взрыва.
14. В конце эксплуатации не содержит опасных материалов для удаления, в отличие от многих батарей.
15. Соответствует экологическим стандартам, поэтому нет сложной утилизации или переработки.

Ионистор в видеорегистратор? Легко! Почти…

Наверное, многие это уже проходили. Едешь себе, бросаешь случайный взгляд на регистратор, а он бац! И не работает. А ты привык, что он работает всегда… И тут приходит в голову мысль — хорошо, что просто ехал и заметил, а случись чего В общем, чего долго развозить — мой верный и надежный MiVue™ C330 начал включаться через раз на морозе. А за тем и вообще перестал стартовать. Основываясь на опыте владения чередой китайских регов до этого, стало понятно, что наелся аккумулятор. Хотя, надо отдать должное, более 4 лет MiVue отработал не задавая лишних вопросов — только базы камер обновлял иногда. Разбираю рег, достаю виновника торжества, сажаю на тест на Литокалу. Результат закономерен — вместо заводских 240 mAh имеем жалких 4. Акб в утиль… Менять на новый? Я это проходил на китайцах — хватает от силы на год, и все по новой. Виновник, с уже снятой этикеткой. К слову, даже не вздулся, просто тихо умер…

Вот бы махнуть акб на ионистор? Он же капазитор, он же суперконденсатор. Давненько, я уже пытался это провернуть с очередным китайским регом, но промахнулся с емкостью. Купил у китайцев на 1 ф, чего оказалось очень мало — рег не успевал завершить свою работу. Хотел, было по старинке, протоптанной тропой идти к нашим китайским друзьям, но беглый осмотр предложений на али выявил небольшую проблему — ионисторы есть, разных емкостей, но мало, кто догадался привести их точные размеры. А те, кто догадались, сделали это очень криво, что в итоге не дает понятия, влезут ли они в рег (который, к слову, размерами весьма небольшой). В итоге, поиски привели меня на приведенный выше сайт, где нашлись и нужные мне ионисторы, и их размеры, и цена вполне приемлемая, и главное — доставка в течение недели… Долго изучал внутренности рега, прикидывал, как разместятся ионисторы, в итоге остановился на 15-ти фарадном, пара которых должны были лечь под GPS антенной аккурат между платой и корпусом, если спилить эту площадку, на которой лежал родной акб:

В сумме, при последовательном соединении, они мне дадут 7,5 фарада, чего конечно маловато, но по размерам это максимально, что получится впихнуть… Забегая вперед — этой емкости хватило с головой, а сценарий, когда достают видеорегистратор и начинают что-либо им снимать, я не использовал и с живым акб. Гораздо проще снять что-то на телефон, а от регистратора нужно, чтобы он гарантированно включился перед поездкой, и корректно выключился по ее окончании. По кр. мере мне… Прошла неделя, пришло смс — еду забирать ионисторы. Блин, визуально они кажутся крупнее, хотя размеры совпадают с данными сайта:

Первым делом решил их зарядить до номинальных 2,7в. И тут меня ждала первая проблема — ионистор бодренько впитал в себя за несколько секунд необходимое ему количество энергии с током 3 ампера, которые я оставил на лабораторнике… Нихрена ж себе, подумал я, а как к этому отнесется родная зарядка, которая больше ампера отдавать не научена… Чешу репу, а пока оставляю заряженные ионисторы на сутки, чтоб посмотреть на величину саморазряда. Пока они разряжались — решил, что вряд ли, при постоянных поездках, ионисторы будут высаживаться в ноль, и таких токов, при включении, быть не должно… Короче, пошел на полноценный русский авось На следующий день, меряю напругу на ионисторах — вижу 2,43 на каждом. Причем ровненько до второго знака — приятненько, т.к. разбаланс нам ни к чему — перезаряжать ионисторы выше номинального напряжения нельзя. Далее — начинаем эксперименты:

Эксперименты показывают, что после полной зарядки до 4,2В в регистраторе, его корректное выключение происходит в штатном режиме. И после этого на выходе ионисторов напряжение падает до 3,6В. Это в свою очередь, позволяет еще раз включить и корректно выключить рег без внешнего питания, после чего напруга падает до 3В и рег без внешнего питания больше не стартует. Эксперимент, конечно, с точки зрения практичности — ни о чем, но он показывает, что 7,5 фарад хватает с избытком, и можно было взять ионисторы на 10ф, которые меньше размером, и избежать того гемороя, который мне предстоял с упихиванием это всего хозяйства в корпус. Дополнительно, в ходе экспериментов, оказалось, что зарядка ионисторов регистратором идет подозрительно малым током. Десятки миллиампер. Чешу репу, вспоминаю, что со штатного акб выходило три провода. Похоже, контроллер акб умный, и как-то сам руководит зарядкой. Вот он:

Подключаю сборку ионисторов через него — все сразу встает на свои места. Ток заряда порядка 300-400 мА, напряжение окончания заряда 4.2в. Пытливый читатель наверное бы подумал — а что произойдет если саморазряд высадит ионисторы до напряжения ниже порогового, как поведет себя контроллер акб, без акб? Я подумал о том же, и решил по-быстренькому высадить ионисторы для проверки, замкнув их щупом мультиметра… Видели бы вы мои большие глаза, когда эта баночка за секунда нагрела жало щупа, что я аж обжег палец! Это какой ток она может отдать?! Ппц… Вторую разряжал через ваттный резистор, который тоже нехило так успел нагреться. Блин, надеюсь первому ионистору не поплохело от КЗ, которое я ему устроил В общем, включаю рег с разряженными ионисторами — он включается без ругани, и контроллер начинает таки заряжать ионисторы, но ток заряда падает опять до десятков милиампер. Но процесс медленно, но идет, по этому, думаю, что за несколько раз (или за одну длительную поездку), ионистор таки доберет заряда до нужного напряжения, и дальше зарядка пойдет штатным током. Пока же, перед сборкой, балансирую оба ионистора до 2в:

В итоге, окончательная сборка выглядит так:

Начинаю готовить корпус к имплантации. Впечатлительным можно промотать:

Технопорно

Слезы, маты и взрывы бытовго насилия я, пожалуй, пропущу. Скажу только ложиться рядком, между платой и корпусом, как я планировал, эти две бочки на отрез отказались. Удалось уложить их только в раскоряку, используя утолщение корпуса вокруг объектива рега. Владельцам плоских регистраторов, это фокус не удастся, по этому, если соберетесь повторить этот опус — продумывайте тщательнее баланс между размерами ионисторов и их емкостью Это взаимоисключающие параметры… В целом, с переделанным регом езжу уже больше, чем две недели. Был перерыв на 4 дня (приболел). Рег работает в штатном режиме, как и раньше, пофигу мороз… В общем, переделка имеет право на существование, особенно, если корпус позволяет, то прямо мастхев. Всем добра, и котиков — вот уж точно, кто познал дзен, того проблемы не колышат:

Рыжий рысь

Ps: сорри за «горизонталку» — так и не нашел, как тут крутить фото.

Сдерживающая технология

Суперконденсатор состоит из двух слоев графена с слоем электролита посередине. Пленка сильная, чрезвычайно тонкая и способна выпустить большое количество энергии за короткий промежуток времени, но тем не менее, есть определенные пока неразрешенные проблемы, которые сдерживают технический прогресс в этом направлении. Недостатки ионистора перед перезаряжаемыми батареями:

1. Низкая плотность энергии — обычно занимает от 1/5 до 1/10 энергии электрохимической батареи.
2. Линейный разряд — неспособность использовать полный энергетический спектр, в зависимости от применения, доступна не вся энергия.
3. Как и в случае с батареями, ячейки имеют низкое напряжение, необходимы последовательные соединения и балансировка напряжения.
4. Саморазряд часто выше, чем у аккумуляторов.
5. Напряжение изменяется с сохраненной энергией — для эффективного хранения и восстановления энергии требуется сложное электронное контрольно-коммутационное оборудование.
6. Обладает самым высоким диэлектрическим поглощением из всех типов конденсаторов.
7. Верхняя температура использования обычно составляет 70 C или менее и редко превышает 85 C.
8. Большинство из них содержат жидкий электролит, уменьшающий размер, необходимый для предотвращения непреднамеренного быстрого разряда.
9. Высокая стоимость электроэнергии на ватт.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств прибора следует выделить следующие:

1. Время заряда. EDLC имеют время зарядки и разрядки, сравнимое со временем обычных конденсаторов. Из-за низкого внутреннего сопротивления можно добиться высоких токов заряда и разряда. Чтобы достичь полностью заряженного состояния батареи обычно уходит до нескольких часов. Например, как у батареи сотового телефона, в то время как EDLC могут зарядиться менее чем за две минуты.
2. Удельная мощность. Конкретная мощность батареи или EDLC является мерой, используемой для сравнения различных технологий по выходной мощности, делённой на общую массу устройства. EDLC имеют удельную мощность в 5−10 раз большую, чем у батарей. Например, в то время как литий — ионные батареи имеют удельную мощность 1−3 кВт / кг, удельная мощность типичного EDLC составляет около 10 кВт / кг. Это свойство особенно важно в приложениях, требующих быстрого сброса энергии из устройств хранения.
3. Жизнеспособность и безопасность цикла. Батареи EDLC более безопасны, чем обычные батареи при неправильном обращении. В то время как батареи могут взрываться из-за чрезмерного нагрева при коротком замыкании, EDLC не нагреваются так сильно по причине низкого внутреннего сопротивления.
4. EDLC могут заряжаться и разряжаться миллионы раз и отличаются практически неограниченным сроком службы, в то время как батареи имеют цикл жизни в 500 раз и ниже. Это делает EDLC очень полезными в приложениях, где требуются частые хранения и выделения энергии.
5. Продолжительность жизни EDLC составляет от 10 до 20 лет, при этом ёмкость за 10 лет снижается с 100% до 80%.
6. Благодаря их низкому эквивалентному сопротивлению EDLC обеспечивают высокую плотность мощности и высокие токи нагрузки для достижения практически мгновенного заряда в секундах. Температурные характеристики также сильны, обеспечивая энергию при температурах до -40 C ° .

EDLC имеют некоторые недостатки:

1. Одним из недостатков является относительно низкая удельная энергия. Конкретная энергия EDLC является мерой общего количества энергии, хранящейся в устройстве, делённой на её вес. В то время как литий — ионные батареи, обычно используемые в сотовых телефонах, имеют удельную энергию 100−200 Втч/кг, EDLC могут хранить только 5 Вт/кг. Это означает, что EDLC, обладающий такой же ёмкостью, как обычная батарея, будет весить в 40 раз больше.
2. Линейное напряжение разряда. Например, батарея с номинальным напряжением 2,7 В, когда при 50%-м заряде все равно будет выводиться напряжение, близкое к 2,7 В. EDLC, рассчитанный на 2,7 В при 50%-м заряде, выдаёт ровно половину своего максимального заряда — 1,35 В. Это означает, что выходное напряжение упадёт ниже минимального рабочего напряжения устройства, работающего на EDLC, и оно должно будет отключиться, прежде чем использовать весь заряд в конденсаторе. Решением этой проблемы заключается в использовании DC-преобразователей. Однако этот подход создаёт новые трудности, такие как эффективность и шум.
3. Они не могут использоваться в качестве постоянного источника питания. Одна ячейка имеет обычно напряжение 2,7 В и если требуется более высокое напряжение, ячейки должны быть соединены последовательно.
4. Стоимость обычных EDLC в 20 раз выше, чем у Li-ion аккумуляторов. Однако она может быть уменьшена за счёт новых технологий и массового производства ионисторов.

Гибридная система хранения

Специальная конструкция и встроенные технологии силовой электроники были разработаны для производства модулей ионисторов с новой структурой. Поскольку их модули должны быть изготовлены с использованием новых технологий, они могут быть интегрированы в панели кузова автомобиля, такие как крыша, двери и крышка багажника. Кроме того, были изобретены новые технологии балансировки энергии, которые уменьшают потери энергии и размеры схем балансировки энергии в системах устройств и хранения энергии.

Также были разработаны серии связанных технологий, таких как контроль зарядки и разрядки, а также соединения с другими системами хранения энергии. Модуль ионистора с номинальной емкостью 150F, номинальным напряжением 50 В может быть размещен на плоских и криволинейных поверхностях с площадью поверхности 0,5 кв. м и толщиной 4 см. Приложения применимо к электромобилям и может быть интегрировано с различными частями транспортного средства и к другим случаям, когда требуются системы хранения энергии.

Параметры

Основные электрические характеристики ионисторов включают в себя:

• емкость, для ее измерения используется единица Фарад (Ф);
• внутреннее сопротивление (Ом);
• максимальный ток разряда (А);
• величина номинального напряжения (В)
• параметры саморазряда и разряда, последний довольно важный параметр, поэтому приведем формулу, по которой можно произвести расчет времени разряда ионистора: где:

t – время разряда, измеряется в секундах (с);

С – емкость устройства (Ф);

V1, V2 – начальное и конечное значение диапазона напряжений, при которых проводилось тестирование;

I – величина тестового тока (А).

Применение и перспективы

В США, России и Китае есть автобусы без тяговых батарей, все работы выполняются ионисторами. General Electric разработала пикап с суперконденсатором, заменяющим аккумулятор, аналогичное произошло в некоторых ракетах, игрушках и электроинструментах. Испытания показали, что суперконденсаторы превосходят свинцово-кислотные батареи в ветровых турбинах, что было достигнуто без плотности энергии суперконденсаторов, приближающейся к концентрации свинцово-кислотных батарей.

Теперь очевидно, что ионисторы похоронят свинцово-кислотные батареи в течение следующих нескольких лет, но это лишь часть истории, поскольку их параметры улучшаются быстрее, чем конкуренция. Поставщики, такие как Elbit Systems , Graphene Energy, Nanotech Instruments и Skeleton Technologies, заявили, что превышают плотность энергии свинцово-кислотных аккумуляторов с их суперконденсаторами и супербактериями, некоторые из которых теоретически соответствуют плотности энергии литий-ионов.

Тем не менее, ионистор в электромобиле — это один из аспектов электроники и электротехники, который игнорируется прессой, инвесторами, потенциальными поставщиками и многими людьми, живущими старыми технологиями, несмотря на стремительный рост многомиллиардного рынка. Например, для наземных, водных и воздушно аппаратов насчитывается около 200 серьезных производителей тяговых двигателей и 110 серьезных поставщиков тяговых батарей по сравнению с несколькими производителями суперконденсаторов. В целом в мире насчитывается не более 66 крупных производителей ионисторов, большинство из которых сосредоточили свое призводство на более легких моделях для потребительской электроники.

Что такое и ионистор

Ионисторы появились в массовой продаже сравнительно недавно. Также они могут называться суперконденсаторами или ультраконденсаторами. Внешне они похожи на обычные конденсирующие элементы, обладающие более внушительной емкостью. Если говорить проще, то это смесь аккумуляторной батареи и конденсатора. Техническое устройство прибора можно описать, как конденсирующий электролитический элемент с двойным электрическим слоем. В зарубежной литературе его принято обозначать EDLC, что расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor.

Внешний вид элемента

К сведению! Патент на производство приспособления, которое сохраняло электроэнергию с двойным электрическим слоем, получил американец К. Райтмаер еще в прошлом веке. Сегодня такие элементы стали крайне популярными и называются ионисторами.

Примерная схема строения

Несмотря на достаточно новую технологию преобразования и хранения электрической энергии, такие устройства сегодня доступны к продаже практически в любых магазинах электрики и электроники, а их производство налажено не только за рубежом, но и в России.