По своим основным характеристикам суперконденсаторы значительно отличаются от простых привычных конденсаторов. В них применены современные технологии, которые позволяют добиться увеличения срока службы, а также снизить токовые потери в процессе эксплуатации. Основной задачей производителей данных устройств является разработка, и создание изделий способных заменить аккумуляторы во многих отраслях.
Применение двойного электрического слоя
Продолжительное время обладателями высоких значений внутренней емкости являлись конденсаторы электролитического вида. В различных устройствах изготавливались разнообразные обкладки, у одних они производились из металла, в других в виде электролита, где изоляцией являлся оксид используемого металла. Причем у обыкновенных конденсаторов внутренняя емкость имеет значение значительно ниже и равна долям фарада, чего на практике недостаточно для питания потребителей вместо аккумуляторных батарей.
Для обеспечения питания для электропотребителей были разработаны устройства на основе применения двойного электрического поля. Данное явление может возникать на границах материала или вещества при определенных условиях в жидком или твердом состоянии. В результате образуются два слоя разнополярных ионов одинакового размера, получается своеобразный конденсатор с электродами, между которыми образуется минимальное расстояние равное нескольким атомам.
Интересно знать! Устройства, полученные таким способом, называют ионисторами, а также суперконденсатор или ультраконденсатор.
Перспективы развития
В недалёком будущем ожидается массовое производство гибридного общественного транспорта. Это троллейбусы, которые смогут преодолевать участки дорог без троллей с использованием питания бортовых ионисторов. Они смогут маневрировать в тех местах, где штанги будут непреодолимой помехой движению транспорта.
Учёными всего мира ведутся поиски новых материалов для создания особо мощных суперконденсаторов. Такие ионисторы могли бы полностью заменить традиционные аккумуляторы.
Техническая реализация
Ионистор или суперконденсатор представляет собой устройство в конструкции которого имеются два электрода или пластины, изготовленные из активированного угля. Пространство между ними заполнено специальным электролитом, также между обкладками располагается мембрана, благодаря которой не происходит перемещение частиц электродов, а электролит свободно проникает в данное пространство.
Причем стоит отметить, что самостоятельно данные устройства не имеют определения полярности заряда конкретных электродов. Это свойство является одним из главных отличий от конденсаторов электролитического вида, в которых несоблюдение правильного подключения приводило к преждевременному выходу из строя. Однако при производстве на ионисторах наносится маркировка с указанием полярности, в результате того, что в процессе производства данные накопители энергии уже выходят заряженные.
Ионистор своими руками
Для изготовления суперконденсатора в домашних условиях понадобятся:
- фольга из пачки сигарет (диэлектрик);
- таблетки активированного угля (электрод);
- водорастворимый акриловый лак или клей ПВА (электролит).
Изготовить самодельный ионистор можно следующим образом:
- Из фольги вырезают 2 прямоугольника.
- Таблетки угля размалывают в ступке до состояния мелкого порошка. Это можно сделать и в кофемолке.
- Угольный порошок перемешивают с акриловым лаком.
- Полученную смесь наносят кисточкой на один из отрезков фольги.
- После просушки наносят второй угольный слой, затем процесс повторяют.
- Используя клей ПВА, приклеивают второй прямоугольник из фольги. Суперконденсатор готов.
- Подсоединив проводки к двум противоположным сторонам изделия, можно зарядить ионистор с помощью любой батарейки.
Суперконденсатор своими руками
Научно-технический прогресс в создании совершенных источников электроэнергии ни на секунду не замирает. В скором будущем будут созданы высоковольтные суперконденсаторы высокого качества, которые сделают технологический переворот практически во всех сферах деятельности человечества.
Разновидности суперконденсаторов
В настоящее время все ультраконденсаторы разделяют на три основных вида:
- Двухслойные.
- Гибридные.
- Псевдоконденсаторы.
Двухслойные конденсаторы
Данные устройства представляют собой изделие в конструкции которых применяются электроды с наличием пор, покрытых углеродом повышенной проводимости между ними находится специальный сепаратор. Благодаря разделению зарядов на электродах происходит образование значительного значения потенциала, в результате чего происходит накопление энергии.
Интересно знать! На величину емкости оказывает непосредственное влияние значение двойного слоя.
Двойной слой в такой конструкции выполняет роль конденсатора поверхностного. Благодаря электролиту два слоя объединяются в последовательную цепочку.
Гибридный суперконденсатор
Данный вид накопителей электроэнергии считается промежуточным между аккумуляторами и конденсаторами. В конструкции таких устройств применяются электроды, изготовленные из различных материалов, в результате чего емкость заряд накапливается разными способами.
Непосредственно сам процесс восстановления заряда происходит благодаря реакции окислительно-восстановительного вида. Такая конструкция позволяет значительно увеличить внутреннюю емкость и повысить рабочее напряжение. Электроды состоят из соединения сложных проводящих полимеров, которые в сочетании между собой представляют материал повышенных электрических характеристик.
Псевдоконденсаторы
Данные устройства представляют собой изделия несколько похожие по свои основным характеристикам на АКБ, они имеют два твердых электрода.
В результате чего стало возможным применять конденсатор вместо аккумулятора. Принцип действия состоит из двух основных механизмов:
- рабочие циклы заряд-разряд;
- электростатические реакции, которые наблюдаются в устройствах с двойным слоем.
Интересно знать! Емкость псевдоконденсаторов зависит от реакций переноса электролитических зарядов.
Основные параметры
К основным характеристикам суперконденсатора следует отнести:
- время заряда, имеет малое значение и равно от 1 с до 10 с;
- в сравнении с кислотными аккумуляторами имеют значительное число рабочих циклов, практически более 30000 часов;
- номинальное рабочее напряжение имеет значение до 2,75 В;
- срок службы до 15 лет;
- диапазон рабочих температур от -45°С до +65°С;
- удельная энергоемкость имеет значение до 5 Вт*ч/ кг.
Энергетическая плотность
Способность ионисторов накапливать энергию ниже, чем у кислотных аккумуляторных батарей. Значение энергии зависит от внутреннего сопротивления устройства, чем оно ниже, тем выше плотность энергии. Современные разработки позволяют применять такие материалы как азот и графен, благодаря которым удалось добиться значительного увеличения внутренней плотности энергии.
Накапливаемая энергия
Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в джоулях:
E = CU2/2, где C — емкость, выраженная в фарадах, U — напряжение на обкладках, выраженное в вольтах.
Количество энергии, запасенной в конденсаторе, выраженное в кВтч, равно:
W = CU2/7200000
Отсюда, конденсатор емкостью 3000 Ф с напряжением между обкладками 2,5 В способен запасти в себе только 0,0026 кВтч. Как это можно соотнести, например, с литий-ионным аккумулятором? Если принять его выходное напряжение не зависящим от степени разряда и равным 3,6 В, то количество энергии 0,0026 кВтч будет запасено в литий-ионном аккумуляторе емкостью 0,72 Ач. Увы, весьма скромный результат.
Преимущества и недостатки
Как и любое электронное устройство ионисторы в процессе эксплуатации имеют некоторые достоинства и недостатки. К преимуществам производители относят:
- Имеют пониженную удельную стоимость, если сравнивать емкость конденсатора и аккумулятора.
- Повышенные показатели внутренней емкости, в результате чего увеличивается количество рабочих циклов заряд-разряд.
- Более надежные, а также имеют большой срок службы в отличие от кислотных и литиевых аккумуляторов.
- Отличаются экологической чистотой, благодаря применяемым материалам.
- Повышенные значения номинальной мощности.
- Возможность эксплуатирования в широком температурном диапазоне. Низкие температуры не помеха при запуске оборудования любого вида.
- Значительно увеличенный временной промежуток при восполнении заряда и при рабочем разряде.
- В отличие от аккумуляторных батарей имеют возможность полного разряда практически до нулевого значения рабочего напряжения.
Интересно знать! Суперконденсаторы имеют сравнительно малые размеры относительно других подобных приборов.
Однако при наличии многих плюсов в процессе эксплуатации присутствуют и минусы. К недостаткам относят:
- Малая плотность энергетических накоплений относительно аналогичных устройств.
- Пониженное значение напряжение на единицу внутренней емкости одного элемента.
- Увеличенное показание самостоятельного разряда.
- Не окончательно проработанная технология производства ионисторов.
Особенности применения
Широкую популярность ионисторы приобрели благодаря стремлению человечества найти новые и более эффективные средства для того, чтобы накапливать и сохранять энергию длительное время. Основным достоинством, определившим его распространение, стала возможность суперконденсатора за короткий период времени импульсно выделять значительную энергию от 0,1 с до 10 с.
Ионисторы нашли применение в установках и технике, где необходим быстрый и качественный запуск электрооборудования в короткий промежуток времени даже при отрицательных температурах. При этом уменьшаются максимальные токовые нагрузки и приводит к экономии средств. Не исключено и применение для запуска двигателя внутреннего сгорания.
При соединении конденсаторов в батарею возможно добиться максимальной емкости сопоставимой с аккумуляторной для питания электромобилей. Однако при этом вес источника питания будет значительно выше чем у обычных аккумуляторов. Разработчикам практически удалось решить проблему превышающего веса, для этого необходим графен однако такое возможно пока только в лабораторных условиях.
В настоящее время одним самых наиболее удачных применений ионисторов стало использование в общественном электротранспорте. В конструкции такой техники применяются устройства бесперебойного питания в которых присутствуют суперконденсаторы.
Аварийное освещение в которых установлены конденсаторы большой емкости вместо аккумуляторов имеют значительное преимущество перед системами с обычными аккумуляторами.
Интересно знать! Некоторые зарубежные производители встраивают резервные источники питания на основе ионисторов в светодиодные лампы.
Эксперименты
Опыты будем ставить на «Калине» с двигателем 1.6, 16 клапанов. При заряде ионисторов до 16 вольт летом холодный двигатель с легкостью заводится. Прогретый заводится даже при 14 вольт. Зимой при температуре -11 так же успешно завелся но уже с трудом. Бывали случаи что с первой попытки не заводится, для второй попытки нужно ждать 1.5 минуты пока заряжаются ионисторы. Но со второй попытки всегда заводится. На новом стандартном аккумуляторе, в любые морозы машина заводилась с первой попытки.
Сейчас, зимой, сдох аккумулятор от UPS, либо он просто не предназначен для работы на морозе, либо мне его изначально дали еле живой. Его не хватает даже на втягивающее стартера, но ионисторы заряжает. Заказал 4 LiFePO4 аккумуляторы и балансир.
