17923
8
Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы.
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 обычном конденсаторе 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».
Если в обычном конденсаторе 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.
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.
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.
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.
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, такими, как дефибрилляторы и рентгенаппараты.
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 счетчики электроэнергии, охранные системы сигнализации, электронные измерительные приборы и приборы медицинского применения – везде нашли применение суперконденсаторы.
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.
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 счетчики электроэнергии, охранные системы сигнализации, электронные измерительные приборы и приборы медицинского применения – везде нашли применение суперконденсаторы.
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.
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 графен, 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.
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.
Последние исследования группы ученых Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что новый тип ионисторов на основе пористой структуры, где частицы оксида рутения нанесены на графен, 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.
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.
На фото - использование суперкондесаторов в качестве пусковой батареи при разряженной (неисправной) штатной.
Источник:
Ссылки по теме:
- Нескучная физика, или Забавные научные трюки, из которых вы узнаете нечто новое
- Правда ли, что цветные сны - признак шизофрении?
- Подборка сайтов для технарей
- 9 удивительных фактов о человеческом мозге
- Ученые отвечают на вопрос, сколько должны длиться идеальные занятия любовью
и прочее и прочее. Вот только в статье кроме есмкости не указывали еще два важнейших параметра - ток утечки (как быстро саморазрядится) и цена.
Короче - не мой случай применения.
С аккумуляторами вроде бы вышли на то, что через пару лет в серию пойдут "твердотельные", которые обеспечат раза в два-три (для начала) бОльшую ёмкость. Причём заявления эти идут, прежде всего, от автомобильных компаний вроде Фискера и Тойоты.
Но - оставь мечты о том, чтобы твоего смартфона хватало больше, чем на пару суток. Как только повысят ёмкость аккумуляторов - навесят ещё пару ядер, сделают гибкий 4к экран и ещё пару ништяков, которые весь этот запас и сожрут. :-)
https://www.drive2.com/b/459823735269007551/https://www.drive2.com/b/459823735269007551/
И этта, что вы слышали, было глупой истерикой. Обманка, не обращайте внимания.
Первая партия таких конденсаторов поступила в магазин Святослав более года назад. Новинка в своё время вызвала много вопросов. Результаты испытаний ещё более интересны. Эта статья напомнит вам уже известные вещи и позволит ответить на многочисленные вопросы покупателей.
Лейденской банкой в прошлом веке называли конденсатор. Конденсатор известен давно и использовался в электро- и радиотехнике для накапливания энергии. Он способен моментально накапливать заряд и моментально его отдавать. Другое дело, что ёмкость обычного конденсатора мала по сравнению с ёмкостью гальванических источников тока и измеряется миллионными долями Фарада - микрофарадами. Будь ёмкость побольше можно было бы и отказаться от гальванических батарей. Въедливый читатель спросит а чем вам не угодила обычная аккумуляторная батарея? Вопрос хороший, и я постараюсь на него ответить.
Свинцовая аккумуляторная батарея была изобретена 140 лет назад и до сих пор пока находится вне конкуренции. Принцип её действия основан на реакции электролита с электродными пластинами. При стартерном запуске реакция не успевает происходить вовремя и батарея не отдаёт всю свою ёмкость. На морозе тем более, реакция замедляется и ёмкость батареи ещё сильнее снижается. Если температура, при которых определяются емкости аккумуляторов меньше, то приведение емкости к другой температуре необходимо производить из расчета 1% на 1 С. При минус 30 градусов по Цельсию ёмкость при медленной разрядке составит 45%, а при стартерном пуске 5% от паспортного значения.
Характеристики батарей по всем стандартам (по SAE, DIN и ГОСТ) оценивают её пусковые свойства при 0 градусов по Фарегейту (минус 18,4 по Цельсию). Ну скажите, сибиряки, разве это мороз? Вот что будет при минус 37, это стандарты не гарантируют. Итак, свинцовая аккумуляторная батарея эксплуатируется в условиях, для которых она совсем не предназначена. Совсем как у Станислава Лема. Таким образом, характеристики аккумуляторной батареи не удовлетворяют требованиям, предъявляемым пуском двигателя зимой. Чтобы уменьшить этот недостаток, в стартерных аккумуляторах применяют тонкие пластины и возможно более пористую активную массу; этим облегчается диффузия электролита в пластины и уменьшается падение напряжения. Зимой необходимо следить за тем, чтобы аккумуляторная батарея была хорошо заряжена. В условиях сурового климата повышают плотность электролита (чтобы в том же объеме диффундирующего электролита содержалось большее количество серной кислоты), а иногда утепляют батареи.
Сколько же надо ампер часов для холодного запуска двигателя? Давайте подсчитаем. Запуск исправного двигателя займёт максимум 10 секунд (0,003 часа) при токе максимум 300 ампер (это уже при трёхкратной перегрузке). Итак, требуемая ёмкость составит Q=0,003x300=0,9 А-ч. Зачем же тогда нам 60, а то и 75 ампер-часов ёмкости для той же Волги ? Такой запас как раз компенсирует недостатки аккумуляторов.
Что такое ИКЭ?
Импульсный энергоёмкий конденсатор (ИКЭ) новый тип мощного источника питания (см. фото). По размерам он даже меньше батареи 6СТ-60ЭМ. Раньше такие конденсаторы использовались для питания боевых лазеров мощностью более 5 квт. Развал оборонки заставил искать новую сферу применения ИКЭ. Рабочие завода-изготовителя и раньше таскали через забор эти конденсаторы для своих машин. Установка ИКЭ позволяла обходиться без батареи вообще. Новая сфера применения оказалась достаточно перспективной. В настоящее время в продажу поставляются три типа конденсаторов: ИКЭ 9/14 ёмкость 90 фарад и напряжением до 14 вольт, ИКЭ 16/14 ёмкость 160 фарад и напряжением до 14 вольт, а также ИКЭ 34/28 ёмкость 86 фарад и напряжением до 28 вольт. Первый тип предназначен для легковых автомобилей с 12 В электрооборудованием, второй для грузовиков, третий для машин с 24 В электрооборудованием (Toyota Land Cruiser, КамАЗ, МАЗ). Конденсатор не боится мороза, более того он имеет отрицательный температурный коэффициент ёмкости (ТКЕ). То есть, его ёмкость незначительно растёт на морозе. Он безразличен к длительному хранению, токам разряда. Ему вообще несвойственны многочисленные болячки аккумуляторных батарей (АКБ) сульфатация, коррозия пластин, осыпание массы и т.д. ИКЭ уступает батарее только в одном он меньше запасает энергии, но даже эту энергию он может отдать назад энергичнее, чем АКБ. В ИКЭ нет кислоты и газовыделения, поэтому его можно установить даже под сиденьем в салоне.
Экспериментальная проверка конденсатора
Чтобы убедиться в полезности такой покупки, отсутствии негативных последствий для машины, администрация магазина решила организовать экспериментальную проверку конденсатора. Конденсатор для грузовиков повышенной мощности ИКЭ 16/14 был установлен на грузовой автомобиль УАЗ-3303. Умощнённая модификация конденсатора была выбрана потому, что двигатель после ремонта вращался туго и требовал явно больше затрат мощности, чем прокручивание двигателя Жигулей . При подключении конденсатор был заряжен через лампу фары от батареи автомобиля. Подключение без зарядки вызвало бы мощное искрение на клеммах. Зарядка до 12 вольт заняла 14,3 минут. Если же дать ток зарядки 30 ампер, то потребуется 42 секунды на зарядку. Попробовал я зарядить конденсатор и от девяти батареек для фонарика. Зарядка происходила дольше - 27 минут, но для запуска стартером теплого двигателя этого хватило, ибо ёмкость батареек немного больше 0,9 А-ч. Ток при запуске тёплого двигателя составил 140 А. Для эксперимента специально была взята аккумуляторная батарея в последней стадии истощения. Её возможностей хватало на пару оборотов стартера. В случае фиаско доставай ручку. После подключения конденсатора батарея поделилась с конденсатором крохами ёмкости. Как только напряжение достигло предела этой батареи 11,64 В, был включен в работу стартер. Запуск был короткий и энергичный, и это при полумёртвой батарее! Итог следующий: максимальный ток стартера в режиме торможения составил 300 А, время уверенной прокрутки двигателя только конденсатором 11 секунд до напряжения 8,5 В. При включении фар с габаритными огнями напряжение на конденсаторе снижается с 14 до 12 В за 42 секунды. Как долговременный источник тока конденсатор неприменим, для этого есть аккумулятор. Зато конденсатор может другое, - в любой мороз отдать максимум тока. В 2000 году исследовательскую дипломную работу выполнял выпускник АТФ А.Н. Телепня. Его результаты ещё более интересны. Мало того, что пусковой ток легко достигает 600 ампер несмотря на мороз. За счёт того, что конденсатор берёт на себя максимум нагрузки, аккумуляторная батарея работает в щадящем режиме и не выходит из строя за один-два сезона работы.
Ответ на возможные опасения скептиков
Появление в продаже конденсаторов сразу вызвало лавину скептических вопросов. Все они сводятся к следующим.
- а не сгорит ли стартер от чрезмерной перегрузки?
А перегрузки как раз и нет! Любой электродвигатель быстрее перегорает наоборот, при пониженном напряжении и малой частоте вращения. Сколько электродрелей перегорело из-за малого напряжения на сельских подстанциях. Установка конденсатора не повышает напряжения в бортовой сети, просто на морозе автомобиль заводится так, как если бы вы принесли тёплую батарею из дома. Впрочем, такой вид спорта тоже имеет право на существование. Но это тяжело и хлопотно.
- а нет ли опасности поражения электрическим током, ведь название у конденсатора какое-то угрожающее: импульсный, да ещё и энергоёмкий.
Такой опасности нет. Название говорят только об отличиях в сравнении со стандартным электролитическим конденсатором. На зажимах ИКЭ напряжение не выше 14 вольт. Такое же напряжение и у аккумуляторной батареи. И я знаю только один несчастный случай, связанный с таким напряжением, когда на автодоровского электрика рухнула со стеллажа 12-вольтовая батарея.
Недостатки конденсатора: и в шутку и всерьёз
1. Данный конденсатор конечно не идеален (а прогресс будет). Мощность его желательно поднять еще раза в три. Поэтому, я бы купил самую мощную модификацию - ИКЭ 16/14. Поэтому, аккумуляторная батарея при конденсаторе всё-таки нужна, но очень маленькая, даже щелочная. И прослужит она намного дольше.
2. Конденсатор стоит денег, и его установка требует 60 минут свободного времени и квалификацию электрика минимального разряда. Для ленивого автовладельца лишние хлопоты покажутся излишними: вот если бы вы сами бесплатно принесли и установили, да ещё машину бы отмыли от прошлогодней грязи тогда ладно, соглашусь.
Меры предосторожности:
При подключении конденсатора важно соблюдать полярность. Плюсовая клемма имеет обозначение + . Перепутав полярность, вы рискуете повредить конденсатор. При установке и подключении конденсатора надо его зарядить, пропуская на его напряжение через лампу фары или резистор. Если сразу подключить конденсатор к батарее, конденсатор способен принять ток зарядки и 500 и 600 ампер, а это не совсем полезно для батареи. В случае короткого замыкания из-за неправильной установки искра будет тоже сильнее, чем бы у вас стояла одна батарея. Не забывайте и про надёжность изоляции кабеля, идущего от конденсатора.
Выводы:
Конденсатор имеет смысл купить тем, кто ездит нечасто и только летом. Аккумуляторная батарея такой режим работы не любит и быстро сульфатируется. При установке конденсатора летом надобность в аккумуляторах отпадает вовсе. Летом конденсатор обеспечивает уверенный пуск двигателя без подстраховки батареей. Срок службы конденсатора не менее 10 лет, а практически вечен. У меня есть конденсаторы от 1972 года и до сих пор они исправны. Подсчитайте, сколько аккумуляторных батарей вам бы пришлось купить за этот срок, и насколько это было бы дороже!
Конденсатор остро необходим и тем, кто постоянно ездит зимой, а машину ставит на улице. Холодный пуск двигателя облегчается, батарея не страдает от перегрузок и проработает дольше. Вы забудете про утренние хлопоты с батареей, неврозы из-за риска опоздать на работу. Спросите у того, кто поутру не смог завестись, а ехать срочно надо: что он готов отдать за возможность в тот же момент спокойно поехать? Наиболее полезен этот конденсатор (ИКЭ-28/40) при установке на КамАЗ. Дизельный двигатель при холодном пуске в большей степени нуждается в энергичном старте.
Бешеный спрос на эти конденсаторы в Москве позволил заводу поднять цены. Здесь же первая партия деталей продаётся пока с минимальной наценкой. Модификация конденсатора для грузовиков (повышенной мощности ИКЭ 16/14) стоит в Святославе столько же, сколько легковая модификация у ближайших, и весьма неразворотливых конкурентов.
P.S. Эта статья была написана год назад, и сейчас лишь немного дополнена. За этот год выяснилось столько интересного, что хоть впору докторскую пиши. В настоящее время этими конденсаторами занялись и буржуи . Зарубежные автопроизводители поняли, что они чуть не проспали новое перспективное направление. В Москве мне довелось побеседовать с автором нижеприведённого учебника Владимиром Евсеевичем Юттом. Его кафедра в МАДИ занимается конденсаторами уже несколько лет. В настоящее время применяются уже электролитические конденсаторы, как раньше. Сейчас разработаны конденсаторы электрохимического действия (их иногда называют молекулярными). Емкость таких конденсаторов обеспечивается двойным электрическим слоем. И здесь огромное поле деятельности для электрохимиков, оставшихся не у дел после сворачивания гальванического производства. Ёмкость наилучших конденсаторов такого типа приближается к ёмкости аккумуляторных батарей. Имеющиеся в Святославе конденсаторы относятся именно к молекулярным конденсаторам.
За прошедший год не было ни одного случая брака конденсатора. Только два покупателя обратились с недоумёнными вопросами по поводу купленных конденсаторов. Первый владелец ГАЗ-21 имел на своей машине изрядно погнившие провода к стартеру, поэтому пусковой ток не доходил до стартера. У другого на ГАЗ-31029 стартер имел межвитковое замыкание, поэтому стартер потреблял двукратный ток. Конденсатора ему хватало лишь на 5 секунд. Ну а на исправном автомобиле все конденсаторы показывали отличные результаты.