Majoritatea ionistorilor (supercondensatori) moderni vin cu o tensiune nominală de 2,7 sau 2,85 V. Singurul furnizor al acestor componente cu un rating de 3,0 V este o companie coreeană. VINATech. Chiar și o creștere atât de mică a tensiunii oferă o serie de beneficii, cum ar fi prelungirea semnificativă a duratei de viață a componentei.

Supercondensatorii (ionistori, ultracondensatori) sunt elemente de putere care ocupă o poziție intermediară între sursele de curent chimic (acumulatoare și baterii) și condensatoarele obișnuite (Figura 1).

Bateriile tradiționale au o serie de avantaje: capacitate mare, curenți scăzuti scurgeri, dimensiuni mici. Cu toate acestea, au și dezavantaje: un ciclu de încărcare lung, capacitate de încărcare relativ scăzută și un număr limitat de cicluri de încărcare-descărcare. Condensatoarele electrolitice convenționale au un număr practic nelimitat de cicluri de încărcare-descărcare și o putere de vârf ridicată, dar capacitatea lor este scăzută. Ionistorii, cunoscuți și sub denumirea de supercondensatori, sunt pe locul doi după sursele de curent chimic (CHS) în ceea ce privește capacitatea, iar în ceea ce privește viteza și puterea de încărcare și descărcare sunt aproape de condensatorii electrolitici.

Istoria supercondensatorilor datează de mai bine de cincizeci de ani. A fost început în 1957 de către companie General Electric, care a creat și brevetat primul condensator electric cu strat dublu. Aceasta a fost urmată de evoluții similare din alte companii. În Uniunea Sovietică, au fost produse elemente similare - ionistori KI1-1.

Este de remarcat: de multe ori, pentru a asigura puritatea patentului, au fost inventate noi nume pentru elemente noi. În esență, un condensator electrochimic cu două straturi, un ultracondensator, un supercondensator și un ionistor sunt unul și același lucru.

Acum există pe piață diverși producători, care produc în principal ultracondensatori cu o tensiune nominală de 2,7 V. Cei mai avansati oferă baterii cu o tensiune de 2,85 V. Singura companie care produce supercondensatori cu o tensiune de 3,0 V este VINATEch (Coreea de Sud). ).

De ce este atât de importantă cea mai mare tensiune nominală pentru supercondensatori? În primul rând, sunt utilizate cel mai adesea împreună cu bateriile a căror tensiune de încărcare este mai mare de 2,7 V, ceea ce înseamnă că este exclusă conexiunea lor directă în paralel. În schimb, trebuie să utilizați convertoare sau să conectați supercondensatoare în serie, ceea ce este complicat de nevoia de echilibrare.

În al doilea rând, după cum arată studiile, dacă un supercondensator funcționează la tensiuni mai mici decât tensiunea nominală, aceasta duce la o creștere bruscă a duratei de viață. De exemplu, pentru supercondensatoarele standard evaluate la 2,7 V, durata de viață la 2,7 V și 25 ° C este de 15,7 ani, dar la 40 ° C durata de viață scade la 6,6 ani (Figura 2). În condiții similare, durata de viață a supercondensatoarelor de 3,0 V produse de VINATEch este estimată la 80,5 și, respectiv, 27,5 ani, adică de 4...5 ori mai mare.

Astfel, supercondensatorii VINATEch 3.0 V au o durată de viață extinsă nu numai la temperaturi normale, ci și la temperaturi ridicate. Conform calculelor inginerilor VINATech, chiar și la o temperatură de 85°C, supercondensatorii vor funcționa timp de aproape șase luni la o tensiune de 2,7 V (Tabelul 1).

Tabel 1. Dependența duratei de viață a supercondensatorilor VINTech de 3,0 V de tensiunea de funcționare și temperatură

Tensiune, V	Temperatura, ºC
	25		40		50		60		70		85
	Mie ore	Ani	Mie ore	Ani	Mie ore	Ani	Mie ore	Ani	Mie ore	Ani	Mie ore	Ani
2,1	2012	229,7	711,3	81,2	355,7	40,6	177,8	20,3	88,92	10,2	31,44	3,6
2,2	1423	162,4	503	57,4	251,5	28,7	125,7	14,4	62,87	7,18	22,23	2,5
2,3	1006	114,8	355,7	40,6	177,8	20,3	88,91	10,2	44,46	5,08	15,72	1,8
2,4	711,3	81,2	251,5	28,7	125,7	14,4	62,87	7,18	31,44	3,59	11,11	1,3
2,5	503	57,42	177,8	20,3	88,91	10,2	44,46	5,08	22,23	2,54	7,86	0,9
2,6	355,6	40,6	125,7	14,4	62,87	7,18	31,44	3,59	15,72	1,79	5,56	0,6
2,7	251,5	28,71	88,91	10,2	44,46	5,08	22,23	2,54	11,11	1,27	3,93	0,5
2,8	177,8	20,3	62,87	7,18	31,44	3,59	15,72	1,79	7,86	0,9	2,78	0,3
2,9	125,7	14,35	44,46	5,08	22,23	2,54	11,11	1,27	5,56	0,63	1,96	0,2
3	88,9	10,15	31,44	3,59	15,72	1,79	7,86	0,9	3,93	0,45	1,39	0,2

Informații scurte despre VINATEch

Calitatea bateriilor (baterii, supercondensatoare, condensatoare) este determinată aproape în întregime de calitatea materialelor și aderarea la tehnologie. Din acest motiv, nou-veniții pe această piață sunt tratați cu prudență. Aceeași atitudine poate apărea față de VINATech, așa că este necesar să spunem câteva cuvinte despre acest producător.

Compania sud-coreeană VINATech abia acum intră piata ruseasca, deși la nivel global este unul dintre liderii industriei. De la înființarea sa în 1999, VINATech a rămas un producător inovator. Până în prezent, compania a reușit să înregistreze 183 de brevete legate de caracteristicile de proiectare ale supercondensatorilor, materialele utilizate și tehnologiile de producție.

În 2002, VINATEch a finalizat cu succes dezvoltarea propriei tehnologii de nanotuburi de carbon CNF (Carbon Nano Fiber), după care a lansat rapid producția de supercondensatoare, condensatoare hibride și module sub denumirea generală. Hy-Cap.

Din 2011, VINATEch a lansat producția de produse specializate: elemente de pile de combustie, filtre de carbon și altele.

Să aruncăm o privire mai atentă asupra tehnologiilor și caracteristicilor bateriilor oferite de companie.

Prezentare generală a tehnologiilor de supercondensatoare și condensatoare hibride de la VINATEch

VINATech produce o gamă largă de supercondensatori Hy-Cap EDLCși condensatoare hibride Hy-Cap P-EDLC.

Supercondensatoarele Hy-Cap EDLC (Electric Double Layer Capacitor) sunt construite conform unui circuit electric dublu strat (EDL) (Figura 3). Electrozii unui supercondensator sunt scufundați într-un electrolit lichid și separați printr-un separator. Pe suprafața lor se formează un strat de acoperire poroasă de carbon. Când se aplică o tensiune externă, ionii de electroliți liberi se deplasează către electrozii încărcați opus. Ionii nu pătrund în interior și nu interacționează cu suprafața electrozilor datorită proprietăților electrochimice ale stratului de carbon. Ca rezultat, se formează două straturi electronice, care sunt sursa de energie stocată.

Hy-Cap – Hybrid Capacitor, sau Hy-Cap P-EDLC – dispozitive combinate de stocare a energiei, în care unul dintre electrozi este realizat conform circuitului DEL, iar al doilea este un pseudo-condensator.

Supercondensatoarele folosesc doar interacțiunea electrostatică a electrozilor pasivi de carbon cu un electrolit pentru a stoca energie. Pseudocondensatorii folosesc electrozi activi care sunt capabili să intre în reacții redox cu un electrolit. Adică, acumularea de energie are loc atât datorită DES, cât și a reacțiilor chimice reversibile.

Ca urmare, capacitatea P-EDLC este semnificativ mai mare decât cea a EDLC, dar, din păcate, puterea lor de vârf este semnificativ mai mică (Tabelul 2). În ceea ce privește durata de viață, Hy-Cap EDLC este, de asemenea, cu mult înainte. Astfel, Hy-Cap EDLC va fi o alegere ideală pentru aplicațiile cu consum de impuls pronunțat și curenți de vârf semnificativi, în timp ce Hy-Cap P-EDLC va fi potrivit pentru aplicații cu o distribuție mai uniformă a consumului.

Tabelul 2. Comparația caracteristicilor Hy-Cap EDLC și Hy-Cap P-EDLC

Parametru	Hy-Cap EDLC	Hy-Cap P-EDLC
Mecanismul de acumulare		Acumulare de sarcină electrostatică + interacțiune chimică
Tensiune nominală, V	2,5/2,7/3,0	2,3
Capacitate specifică, Wh/kg	3…5	7…12
Putere specifica kW/kg	2…3	1…2
	90…95	90…95
Interval de temperatură de funcționare, ℃	-40…70	-25…60
Durată de viață, numărul de cicluri de încărcare-descărcare	peste 500.000	peste 100.000

Atunci când aleg un element de stocare adecvat, dezvoltatorii trebuie să decidă tipul de element, cantitatea de capacitate necesară, configurația pinului și alți parametri. O gamă largă de unități de la VINATech face acest lucru ușor de realizat.

Supercondensatoare și condensatoare hibride de la VINATech

VINATEch produce o gamă largă de supercondensatoare unice Hy-Cap EDLC, condensatoare hibride unice Hy-Cap P-EDLC și ansambluri ale acestora. Pe lângă mostrele în serie, VINATEch poate produce unități conform specificatii tehnice client (Figura 4).

Tabel 3. Caracteristici ale familiilor de acţionări de la VINATEch

Nume	Unom, V	Capacitate, F	ESR, mOhm		Imax, A	Scurgeri, mA	Dimensiuni, mm		Greutate, g
			A.C. (1 kHz)	DC			D	L
Celule unice EDLC
VEC3R0xxxQx (cavi drepte)	3	1…60	12,5…145	19…220	1…42	0,003…0,18	8…18	13…40	1,1…13,5
VEC3R0xxxQx (pini de fixare)	3	100…500	3…6	4,5…10	75…230	0,3…1,5	22…35	45…82	17,1…96,0
VEC2R7xxxQx (pini de fixare)	2,7	1…100	10…130	16…195	1…51	0,002…0,2	8…18	13…59	0,7…15,0
VEC2R7xxxQx (pini de fixare)	2,7	100…500	3…6	4,5…10	65…205	0,2…1,0	22…35	45…82	17,1…96,0
VEC2R7xxxHG-W (conducte axiale)	2,7	650…3000	0,21…0,5	0,28…0,7	603…2201	1,5…5,2	60,4	51,5…138	215…535
VEC2R7xxxHG-T (borne filetate axiale)	2,7	650…3000	0,21…0,5	0,28…0,7	603…2201	1,5…5,2	60,4	51,5…138	215…535
VEC2R5xxxQx (cavi drepte)	2,5	1…60	25…400	40…600	0,5…22	0,002…0,12	8…18	13…40	0,7…10,2
VEC2R5xxxQx (pini de fixare)	2,5	120…500	5…18	9…30	32…110	0,24…1,0	22…35	45…82	17,1…78,9
Celule unice P-EDLC
VHC2R3xxxQx (cavi drepte)	2,3	10…120	45…220	80…700	0,5…3	0,002…0,24	8…18	20…40	2,5…16,0
VHC2R3xxxQx (pini de fixare)	2,3	220…800	10…30	15…45	3,5…12,5	0,44…1,6	22…35	45…70	17,1…69,2
Module EDLC duble
VEC5R0xxxQx (cavi drepte)	5	0,5…7,5	145…805	205…1205	0,5…7,5	0,002…0,03	8,5…13	17…26	3,0…9,6
VEC5R4xxxQx (cavi drepte)	5,4	0,5…7,5	55…265	85…395	1…12,5	0,002…0,03	8,5…13	17…26	2,6…9,6
VEC6R0xxxQx (cavi drepte)	6	0,5…5,0	55…295	85…445	1…10	0,003…0,03	8,5…10,5	17…21	2,5…6,6
Module de înaltă tensiune
VEM16R0606QG	16	60	–	22	200	22	51,8×242,2	76,5	670
VEM16R0507QG	16	500	–	2,1	2000	5,2	68×418	177	5500
VEM48R0167QG	48	166	–	6,3	1900	5,2	191×418	177	13500

Supercondensatoare unice Hy-Cap EDLC din familia VEC sunt disponibile în patru desene(cablu drept, cablu snap, cablu axial, cablu axial filetat) și trei tensiuni nominale: 2,5/2,7/3,0 V.

Aceasta este cea mai „pestriță” familie, deoarece include atât VEC3R0xxxQx de putere relativ scăzută, cu o capacitate de 1 F și un curent de 1 A, cât și supercondensatori puternici cu conductori axiali, de exemplu, VEC2R7xxxHG, cu o capacitate de până la 3000. F și un curent de ieșire de până la 2201 A .

Condensatoare hibride unice Hy-Cap P-EDLC din familia VHC. Reprezentanții familiei au o tensiune nominală de 2,3 V. Principalul avantaj al acestor unități este capacitatea lor specifică mare, care pentru unii reprezentanți ajunge la 800 F cu dimensiuni destul de modeste de 35x70 mm. În comparație cu Hy-Cap EDLC, condensatoarele hibride au curenți mici de ieșire de până la 12,5 A.

Supercondensatori duali Hy-Cap EDLC din familia VEC sunt o pereche de supercondensatori EDLC conectați în serie, deci au tensiunea nominală dublă de 4,0/5,4/6,0V.

Ansambluri de supercondensatori Hy-Cap EDLC din familia VEM sunt module standard prefabricate cu tensiuni de iesire de 16/48 V, capacitate mare si curent de iesire mare de pana la 2000 A.

Din nou, merită remarcat faptul că VINATech este gata să producă module conform cerințelor tehnice ale clienților. În acest caz, utilizatorul primește un ansamblu de supercondensatori, a cărui echilibrare se realizează folosind tehnologia patentată VINATEch.

Rolul supercondensatorilor sau condensatorilor hibridi în sistemul de alimentare depinde de aplicație specifică. Gama bogată de unități de la VINATEch vă permite să găsiți cel mai potrivit element pentru fiecare dispozitiv specific.

Caracteristicile utilizării supercondensatorilor

Supercondensatorul poate fi utilizat în sistemul de alimentare:

• ca element principal al nutriției;
• ca baterie de rezervă;
• ca componentă tampon împreună cu un acumulator sau baterie.

Supercondensator ca sursă de alimentare principală. Recent, supercondensatoarele și condensatoarele hibride sunt considerate din ce în ce mai mult ca surse de alimentare esențiale într-o gamă largă de aplicații. Acest lucru este facilitat de:

• distribuția de recolte de energie, cum ar fi recoltatoarele cu vibrații, generatoarele termice, panouri solareși așa mai departe;
• dezvoltare sisteme wireless transmisie de energie, inclusiv RFID (radio balize);
• crearea de microcircuite de putere ultra-scăzută;
• dezvoltarea supercondensatorilor înșiși, în special - o creștere a capacității specifice.

Ca rezultat, elementul de bază modern face posibilă crearea de dispozitive cu consum redus, care se pot descurca fără baterie. Exemple de astfel de dispozitive sunt senzorii autonomi, inclusiv cei cu suport pentru Bluetooth Low Energy. Nu uitați că supercondensatorii, spre deosebire de elementele de curent chimic, pot funcționa la temperaturi sub zero, ceea ce este important și pentru senzorii autonomi.

Cu toate acestea, utilizarea pe scară largă a supercondensatorilor ca sursă principală de alimentare este împiedicată de auto-descărcare mare și de capacitate scăzută.

Supercondensator ca sursă de alimentare de rezervă. O serie de aplicații necesită o sursă de alimentare de rezervă sau de rezervă. Redundanța este necesară, de exemplu, în sistemele de iluminat de alarmă și de urgență, cutiile negre din mașini și așa mai departe. Ca sursă de așteptare, un supercondensator este adesea folosit în sistemele cu putere redusă, unde este folosit în timpul somnului, de exemplu, pentru a alimenta un temporizator de așteptare.

Supercondensator ca element tampon.ÎN acest mod Supercondensatorul funcționează în paralel cu bateria și acționează ca sursa tampon nutriție.

Avantajele acestui mod de funcționare provin dintr-o comparație a caracteristicilor bateriilor și supercondensatorilor (Tabelul 4). Bateriile au o capacitate uriașă, dar sunt sever limitate în curent de ieșire din cauza nivelului ridicat rezistență internă. Deși supercondensatorii nu se pot lăuda cu o capacitate mare, ei pot furniza un curent de sarcină uriaș. Astfel, supercondensatorul și bateria se completează perfect.

Tabelul 4. Comparație între supercondensatori și baterii

Parametru	Supercondensatoare	baterii
Mecanismul de acumulare	Acumulare de sarcină electrostatică	Interacțiune chimică
Capacitate specifică, Wh/kg	3…5	20…150
Putere specifica, kW/kg	2…3	0,05…0,3
Timp de incarcare	Rapid 1...30 s	0,3...3 ore
Durata de viață	peste 500.000 de cicluri de încărcare-descărcare, 10..50 de ani	500…2000 cicluri încărcare-descărcare, 10..50 ani
Eficiență încărcare-descărcare, %	90…95	70…85
Interval de temperatură de funcționare, °C	-40…70	-20…70

Este evident că utilizarea în comun a bateriilor și ionistorilor în toate aplicațiile fără discernământ va fi cel puțin nejustificată din punct de vedere economic și, de asemenea, va afecta negativ dimensiunile dispozitivului. Din acest motiv, acest mod este cel mai des folosit în patru cazuri principale.

• Când bateria nu este capabilă să furnizeze curenți de impuls, deși are o capacitate suficientă. Un exemplu este funcționarea unui bliț LED puternic pe o cameră. În modul normal, consumul camerei în sine se dovedește a fi destul de modest (sute de mA), totuși, în momentul în care se declanșează blițul, sursa de alimentare trebuie să asigure un flux semnificativ curent de impulsîn unități de A (Figura 5). Bateria nu poate face față întotdeauna acestei sarcini. Dar problema este rezolvată pur și simplu de un supercondensator, care se încarcă în perioadele de „liniște” și se descarcă atunci când blițul este activat, eliminând cea mai mare parte a sarcinii din baterie.

• Când bateria este capabilă să reziste la sarcini pulsate, dar căderea de tensiune observată este inacceptabilă. Un exemplu sunt dispozitivele mobile, în special transceiver-urile GPRS. Transceiverele GPRS din clasa 10 au un curent de repaus de aproximativ 100 mA, iar în timpul transmisiei consumul crește la 2 A (de 20 de ori). Astfel de impulsuri de curent duc la apariție diverse probleme. În special, se observă o cădere semnificativă de tensiune la bornele bateriei - sub valoarea admisă. Ca urmare, dispozitivul mobil se oprește în momentul slotului de transfer, în ciuda faptului că bateria poate fi descărcată doar pe jumătate.

Dacă în astfel de cazuri un supercondensator este plasat în paralel cu sarcina, acesta va netezi impulsurile de tensiune, furnizând cea mai mare parte a impulsului de curent. Ca rezultat, vor fi observate mici fluctuații pe partea de sarcină în apropierea nivelului real de tensiune a bateriei și dispozitivul se va opri când bateria este mai complet descărcată. Astfel, formal, în astfel de aplicații, un supercondensator poate fi considerat pentru a prelungi durata de viață a bateriei.

• Când este necesară recuperarea energiei. Supercondensatorii nu numai că pot elibera rapid energia acumulată, dar și o pot stoca rapid. Această proprietate este utilizată în sistemele de recuperare, în special în vehiculele electrice și hibride. În ciuda faptului că mașina are propria baterie, aceasta nu poate fi folosită eficient pentru a stoca enorma energie eliberată, de exemplu, în timpul frânării. Dar supercondensatorii sunt perfecti pentru asta. Ele stochează energie în timpul frânării sau alunecării pe un deal și o eliberează cu prima ocazie de succes.

Un exemplu izbitor al acestei utilizări a supercondensatorilor sunt mașinile de Formula 1. Acestea folosesc sisteme de recuperare a energiei KERS. Importanța și eficacitatea acestui sistem este evidențiată de faptul că, fără funcționarea fiabilă a KERS, mașinile intră automat în rangul străinilor.

• Pentru a extinde intervalul de temperatură. Capacitatea de încărcare a bateriilor scade brusc atunci când temperatura scade sub zero, iar căderile de tensiune din fluxul de curent cresc. Utilizarea supercondensatorilor permite dispozitivelor să pornească chiar și atunci când temperaturi scăzute. Astfel, supercondensatorii par să extindă funcționarea Interval de temperatură pentru baterii.

Este demn de remarcat faptul că, în majoritatea cazurilor luate în considerare, celulele supercapacitor unice nu pot fi conectate direct la baterie. Acest lucru se datorează nepotrivirii nivelurilor de tensiune și necesității de a limita curentul de încărcare. Din acest motiv, se folosesc limitatoare de curent și conexiunea serială sau paralelă a ionistorilor. Dacă se ia o decizie să conexiune secvenţială, atunci nu trebuie să uităm de importanța echilibrării celulelor în special, trebuie avut grijă la egalizarea tensiunilor. Dacă sunt necesare module cu mai multe celule, este mai bine să mergeți direct la VINATech.

Este important să ne amintim că Hy-Cap EDLC de la VINATech au fost primii supercondensatori cu o tensiune nominală de 3,0 V. Acest lucru le permite să fie conectate direct la baterii cu litiu-dioxid de mangan.

Exemple de utilizare a supercondensatorilor

Să ne uităm la câteva exemple de utilizare a supercondensatorilor.

Alimentare de urgență în dispozitive electronice. Majoritatea dispozitivelor electronice moderne folosesc moduri de consum redus. În modul de repaus profund, aproape toate digitale și microcircuite analogice sunt oprite și rămâne activ doar temporizatorul de serviciu, care trezește periodic sistemul. Consumul in acest caz este la nivel de unitati si zeci de microamperi. Dacă utilizați un supercondensator pentru a alimenta cronometrul, puteți reduce și mai mult consumul prin oprirea sistemului principal de alimentare.

Dispozitive de transmisie radio GPS/GPRS (navigatoare, trackere, Celulareși așa mai departe).În astfel de aplicații, prezența unui supercondensator tampon poate crește durata de viață a bateriei și poate extinde intervalul de temperatură de funcționare a dispozitivului.

Contoare de energie. Majoritatea contoarelor moderne sunt destul de complexe dispozitive electronice, adesea cu funcții inteligente încorporate și o interfață radio. Când este deconectat alimentare externă contorul trebuie să poată salva valorile măsurate pentru aceasta este necesar să se asigure sursă internă putere de rezervă de exemplu, supercondensator EDLC. Pe de o parte, este capabil să furnizeze sarcina necesară pentru o perioadă lungă de timp, iar pe de altă parte, nu necesită întreținere, iar utilizatorul nu trebuie să se gândească la schimbarea bateriei.

Surse de alimentare neîntreruptibile. UPS-urile sunt folosite pentru a furniza energie de rezervă dispozitivelor în timpul unei întreruperi de curent. Acest lucru activează dispozitivul de stocare a energiei încorporat, care poate fi o baterie de supercondensatori puternici.

Lumină de urgență.În timpul unei pene de curent în locuri publice, este necesar să se furnizeze energie pentru iluminatul de urgență. În același timp, consumul de energie nu este foarte mare datorită utilizării LED-urilor moderne. Supercondensatorii sunt potriviți pentru astfel de aplicații, deoarece au o capacitate suficientă și nu necesită întreținere.

Centrale solare de tip turn. Astfel de centrale electrice constau din două elemente principale: un turn cu un cazan de apă și un heliostat. Heliostat este un set de oglinzi mobile care reflectă razele soarelui într-un turn. Pentru a urmări mișcarea soarelui, oglinzile trebuie să se rotească. Este convenabil să folosiți supercondensatori pentru a alimenta unitățile electrice, deoarece acestea se caracterizează printr-un nivel ridicat Temperatura de Operareși nu necesită întreținere.

Hard disk-uri cu stare solidă.În acest caz, supercondensatorii pot fi utilizați ca sursa de rezervă nutriție.

Mașini electrice și mașini cu sisteme de propulsie hibride. După cum sa discutat mai sus, supercondensatorii sunt o soluție ideală pentru crearea unui sistem de recuperare a energiei, deoarece sunt capabili să elibereze și să stocheze rapid energie.

Cutii negre auto. Inițial, astfel de unități au fost concepute pentru a activa airbag-urile în cazul accidentelor. Cu toate acestea, acum aceste module colectează suplimentar diverse date: viteza, starea pedalei, ora, locația și așa mai departe. Evident, după un accident nu există nicio garanție că sistemul electric al vehiculului nu va fi deteriorat. Din acest motiv, „cutia neagră” trebuie să aibă o sursă de așteptare care să alimenteze modulul timp de cel puțin 10...15 s după accident. În acest caz, supercondensatorii vor fi mai mulți varianta preferata fata de baterii, din moment ce pt aplicatii auto Este important un interval larg de temperatură de funcționare. În plus, cutia neagră trebuie să fie o unitate care nu necesită întreținere, iar acest lucru este dificil atunci când se folosesc baterii.

Sisteme audio multimedia. Când motorul pornește, se observă o cădere bruscă de tensiune din cauza curentului mare de pornire. sistem de bord, iar la comutarea sarcinilor inductive, de exemplu, bobinele releului, pot apărea supratensiuni semnificative. Componentele electronice ale vehiculului trebuie să poată rezista acestor vibrații. În acest scop, pot fi utilizați supercondensatori EDLC cu puterea necesară.

Lifturi și ascensoare.În acest caz, supercondensatorii joacă un rol dublu. În primul rând, sunt folosite pentru recuperarea energiei. Când liftul coboară, energia este stocată în ionistor. Când liftul se mișcă în sus, ionistorul eliberează puterea acumulată. În al doilea rând, ascensoarele moderne sunt adesea echipate cu un sistem de deschidere a ușilor de urgență, care necesită o sursă de alimentare de rezervă în absența energiei electrice. De obicei, acest lucru este extrem de functie importanta din punct de vedere Siguranța privind incendiile, deoarece în caz de incendiu este necesară mai întâi deconectarea clădirii. Desigur, în acest caz, va fi necesar un invertor pentru a funcționa de la supercondensator.

Sisteme de pornire pentru motoare și generatoare diesel. La pornirea unui generator diesel, curentul de pornire este semnificativ, iar bateria nu îl poate furniza întotdeauna. Supercondensatorii puternici din familia VEM rezolvă această problemă.

Generatoare eoliene.În caz de urgență, lamele trebuie rotite, aceasta necesită o sursă de alimentare proprie care nu necesită întreținere. Evident, supercondensatorii vor fi soluția ideală pentru această problemă.

Transport feroviar si metrou.În absența tensiunii de contact, locomotiva electrică poate primi energie de la propria sursă de alimentare de rezervă, de exemplu, de la o baterie de supercondensatori (cu un invertor), a cărei putere este suficientă pentru întreruperi de scurtă durată de 1... 2 s.

Acestea sunt doar câteva exemple de utilizare a supercondensatorilor. Sunt multe altele, inclusiv - roboți industriali, jucării, sisteme de alimentare pentru supape solenoide, actuatoare și așa mai departe.

Unele rapoarte calculate

Când lucrați cu supercondensatori, apar adesea întrebări. Să ne uităm la cele mai comune dintre ele.

Cum se estimează capacitatea unui supercondensator în Wh?În documentație, capacitatea supercondensatorilor este de obicei dată în Farads, iar capacitatea bateriilor în Watt-oră. Acest fapt derutează uneori consumatorii. Pentru a estima capacitatea unui ultracondensator în unități mai familiare, ar trebui să utilizați două formule:

$$E(J)=\frac(1)(2)\time C(Ф)\time U^(2)(V)\qquad(\mathrm(())(1)(\mathrm())) $$

Apoi determinați capacitatea în wați oră:

$$E(W\cdot oră)=\frac(E(J))(3600(s))\qquad(\mathrm(())(2)(\mathrm()))$$

Cum se estimează căderea de tensiune a unui supercondensator în timpul descărcării? Pentru a estima cu precizie căderea de tensiune în timpul descărcării unui supercondensator, este necesar să se țină seama de descărcarea în sine, de căderea de tensiune pe rezistența internă a supercondenstorului, de contribuția sursei principale de alimentare la curentul total și de natura sarcină. În acest caz, formula de calcul va fi destul de complexă. Cu toate acestea, de foarte multe ori o formulă simplificată este suficientă pentru calcule brute:

$$\Delta V(I_(imp))=I_(imp)\times \frac(T_(imp))(C)+I_(imp)\times ESR\qquad(\mathrm(())(3)( \mathrm()))$$

Aici pulsul I este amplitudinea curentului pulsului (A), pulsul T este durata impulsului (s), C este capacitatea (F), ESR este rezistență în serie(Ohm). Această formulă presupune natura activă a sarcinii (descărcare liniară) și absența sursă externă(numai supercondensatorul alimentează sarcina).

Să luăm în considerare un exemplu de funcționare a supercondensatorului VEC3R0105QG cu o sarcină de impuls de 1 s/500 mA. Capacitatea lui VEC3R0105QG este de 1 F, tensiune nominală 3,0 V, ESR 220 mOhm, curent de vârf de până la 1 A. În acest caz, căderea aproximativă de tensiune va fi:

$$\Delta V(0.1\hspace(0.25em)А)=0.5\hspace(0.25em)А\times \frac(1\hspace(0.25em)с)(1\hspace(0.25em)Ф)+0.5 \hspace(0.25em)A\time 0.22\hspace(0.25em)Ohm=0.61\hspace(0.25em)(B)$$

Adică, dacă la începutul descărcării supercondensatorul a fost încărcat la o valoare nominală de 3,0 V, atunci la sfârșitul descărcării tensiunea pe el va fi de aproximativ 2,39 V.

Este de remarcat faptul că mai des trebuie să decidem problema inversași selectați un supercondensator pentru o anumită aplicație. În acest caz, datele inițiale pentru calcul vor fi parametrii pulsului (impuls I și impuls T) și domeniul admisibil al tensiunilor de sarcină de funcționare.

Să presupunem că trebuie să furnizați energie unui bliț al camerei cu o tensiune nominală de 3,0 V și o tensiune minimă admisă de 2,5 V. Parametrii pulsului sunt 4 A/0,16 ms. Dacă folosim formula (3) și neglijăm suplimentar autorezistența supercapacitorului, obținem:

$$C(Ф)=I_(imp)\times \frac(T_(imp))(\Delta V)=4\hspace(0.25em)A\times \frac(0.16\hspace(0.25em)s)( 0,5\hspace(0,25em)В)=1,28\hspace(0,25em)(Ф)$$

În secolul trecut, chimistul american Reitmeier a primit un brevet pentru un dispozitiv care conservă energie electrica cu un strat dublu electric. Astăzi un astfel de dispozitiv se numește ionistor. ÎN surse diferite pot avea diferite denumiri: supercondensatori, ultracondensatori. După mărime și aspect sunt similare cu condensatoarele electrolitice, diferența fiind o capacitate mai mare.

În țările străine, au o denumire scurtă - EDLC, care tradus din engleză înseamnă: un condensator cu un strat electric dublu. De fapt, ionistorul este un fel de hibrid între o baterie și un condensator.

Dispozitiv și principiu de funcționare

Dacă comparăm proiectarea unui ionistor cu proiectarea unui condensator, diferența constă în absența unui strat dielectric în ionistor. Plăcile sunt substanțe care au purtători de sarcină de semne opuse.

Capacitatea oricărui condensator, precum și a unui ionistor, depinde de dimensiunea plăcilor. Prin urmare, ionistorul are plăci din cărbune activ sau cărbune spumat. În acest fel, se obține o suprafață semnificativă de plăci modificate. Conductoarele ionistorului sunt separate printr-un separator plasat în electrolit. Sunt concepute pentru a preveni eventualele scurtcircuite. Compoziția electroliților: alcalii și acizi în formă solidă și cristalină.

Dacă utilizați un electrolit solid cristalin pe bază de iod, argint și rubidiu, puteți produce un ionistor cu o capacitate mare, cu autodescărcare scăzută și capabil să funcționeze la temperaturi scăzute. Este posibil să se producă ultracondensatori similari pe baza unui electrolit dintr-o soluție de acid sulfuric. Astfel de dispozitive au rezistență internă scăzută, dar și mici tensiune de operare 1 volt. În prezent, ionistorii care conțin electroliți din acizi și alcaline practic nu sunt fabricați, deoarece au proprietăți toxice crescute.

Ca urmare a reacțiilor electrochimice, un număr mic de electroni sunt îndepărtați din polii dispozitivului, oferindu-le o sarcină pozitivă. Ionii negativi din electrolit sunt atrași de polii care au o sarcină pozitivă. Ca rezultat, se creează un strat electric.

Sarcina dintr-un ultracondensator este stocată la interfața dintre polul de carbon și electrolit. Stratul electric format din cationi și anioni are o grosime foarte mică, egală cu 1 până la 5 nanometri, ceea ce poate crește semnificativ capacitatea ultracapacitorului.

Clasificare

• Ideal. Acestea sunt condensatoare ionice cu electrozi perfect polarizabili constând din carbon. Astfel de supercondensatori funcționează nu datorită reacțiilor electrochimice, ci datorită transferului de ioni între electrozi. Electroliții pot consta din alcalii de potasiu, acid sulfuric și substanțe organice.
• Hibrid. Acestea sunt supercondensatoare cu un electrod perfect polarizabil din carbon și un anod sau catod slab polarizabil. Munca lor se bazează în parte pe o reacție electrochimică.
• Pseudocondensatori. Acestea sunt dispozitive care acumulează sarcină prin utilizarea reacțiilor electrochimice reversibile pe suprafața electrozilor. Au capacitatea specifică crescută.

Parametrii de funcționare ai ionistorilor

• Capacitate.
• Cel mai mare curent de descărcare.
• Rezistență internă.
• Tensiune nominală.
• Timp de descărcare.

Instrucțiunile pentru un supercondensator indică de obicei valoarea rezistenței interne la o frecvență curentă de 1 kilohertz. Cu cât rezistența lor internă este mai mică, cu atât mai rapid are loc încărcarea.

Imagine pe diagrame

Pe scheme electrice ionistorii sunt reprezentați ca un condensator electrolitic și pot fi distinși numai prin valoarea parametrilor lor nominali.

Dacă, de exemplu, diagrama arată valoarea capacității de 1 Farad, atunci este imediat clar că este afișat un ionistor, deoarece nu există astfel de condensatoare electrolitice încăpătoare. Tensiunea unui ultracondensator poate indica, de asemenea, diferența sa față de un condensator electrolitic, deoarece este de obicei o valoare mică de câțiva volți (1 până la 5 V). Ionistorii nu pot funcționa la tensiuni înalte.

Avantaje

• Dacă comparăm ultracondensatoarele cu bateriile, primele sunt capabile să ofere în mod semnificativ număr mai mare cicluri de încărcare și descărcare.
• Ciclul de încărcare și descărcare are loc într-un timp foarte scurt, ceea ce face posibilă utilizarea lor în situațiile în care bateriile nu pot fi instalate din cauza timpului lor mare de încărcare.
• Dispozitivele de acest tip au o greutate și dimensiuni de gabarit mult mai reduse.
• Nu este necesară nicio taxă specială pentru a efectua încărcarea, ceea ce simplifică întreținerea.
• Durata de viață a ultracondensatorilor este semnificativ mai lungă în comparație cu bateriile și condensatoarele de putere.
• Interval larg Temperatura de Operare de la -40 la +70 de grade.

Defecte

• Tensiune nominală scăzută. Această problemă este rezolvată prin conectarea mai multor ultracondensatori circuit secvenţial, la fel ca conectarea mai multor pentru a crește tensiunea.
• Pret crescut pe astfel de dispozitive contribuie la creșterea prețului produselor în care sunt utilizate. Potrivit oamenilor de știință, această problemă va deveni în curând irelevantă, deoarece tehnologiile se dezvoltă constant, iar costul unor astfel de dispozitive este în scădere.
• Ionistorii nu sunt capabili să stocheze cantități mari de energie, deoarece au o densitate redusă de energie și nu pot avea o putere comparabilă cu bateriile. Acest lucru afectează negativ zona de utilizare a acestora. Această problemă poate fi parțial rezolvată prin conectarea mai multor ionistori împreună într-un circuit paralel.
• Necesitatea menținerii polarității la conectare.
• Nu este permis un scurtcircuitîntre electrozi, deoarece acest lucru va crește foarte mult temperatura ultracapacitorului și poate eșua.
• Ionistorii funcționează bine în pulsații și curent continuu. Dar cu curent pulsatoriu de înaltă frecvență ei devine foarte fierbinte datorită rezistenței lor interne ridicate, care duce adesea la eșec.

Aplicație

Ionistorii se găsesc adesea în dispozitiv echipamente digitale. Ele joacă rolul unei surse de alimentare de rezervă, microcircuit etc. Folosind o astfel de sursă, atunci când alimentarea principală este oprită, echipamentul este capabil să salveze setările și să furnizeze energie ceasului încorporat. De exemplu, unele playere audio folosesc un supercondensator miniatural.

Când înlocuiți bateriile sau acumulatorii, setările de frecvență ale postului de radio sau ale ceasului din player se pot pierde. Datorită ionistorului încorporat, acest lucru nu se întâmplă. Acesta alimentează circuitul electronic. Capacitatea sa este mult mai mică decât bateria, dar durează câteva zile pentru a menține ceasul și setările în funcțiune.

Ultracondensatorii sunt, de asemenea, folosiți pentru a acționa temporizatoarele TV, cuptor cu microunde, echipamente medicale complexe.

Au existat cazuri de utilizare experimentală a ionistorilor, de exemplu, pentru a proiecta un pistol electromagnetic, care se numește armă Gauss.

În viața de zi cu zi, ionistorii sunt utilizați în circuitele lanternelor LED cu putere redusă. Poate fi încărcat folosind celule solare.

Pornitor de mașină

Un exemplu popular de utilizare a unui ionistor puternic este un dispozitiv de pornire pentru un motor de mașină.

Acest circuit se realizează pe autoturisme de orice marcă cu o tensiune de rețea de 12 volți.

• 1 – contact pozitiv al bateriei.
• 2 – contact cu masa (pol negativ).
• 3 – borna contactului.
• B1 – baterie.
• Ks – comutator de aprindere.
• K1 și K1.1 – contactor cu cheie de comandă.
• C – ionistor.
• Rс – rezistență pentru limitarea curentului de încărcare al ultracapacitorului.

Circuitul folosește un ionistor cu următorii parametri:

• Tensiune maxima 15 volti.
• Rezistență internă 0,0015 Ohm.
• Capacitate 216 Farad.
• Curent de funcționare 2000 amperi.

Acest dispozitiv de pornire este suficient pentru a porni un motor cu o putere de până la 150 CP. Cu. ultracondensator este capabil să primească încărcare completăîn cinci secunde. Un astfel de dispozitiv poate fi găsit la vânzare, dar să-l faci singur este mult mai ieftin.

Introducere

Un ionistor (supercondensator, ultracapacitor, condensator electrochimic cu două straturi) este un dispozitiv electrochimic, un condensator cu un electrolit organic sau anorganic, ale cărui „plăci” sunt un strat electric dublu la interfața dintre electrod și electrolit.

Istoria creației

Primul condensator cu strat dublu pe electrozi de carbon poros a fost brevetat în 1957 de către General Electric.

Deoarece mecanismul exact nu era clar la acel moment, s-a presupus că energia era stocată în porii de pe electrozi, ceea ce a dus la formarea „exclusiv” capacitate mare acumulare de taxe.”

Puțin mai târziu, în 1966, Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), SUA a brevetat un element care stoca energia într-un strat dublu.

Confruntat cu volume reduse de vânzări, în 1971 SOHIO a licențiat produsul către NEC, care a comercializat cu succes produsul sub denumirea de „Supercapacitor”. În 1978, Panasonic a lansat „Gold Capacitor” („Gold Cap”), care funcționează pe același principiu.

Acești condensatori aveau o rezistență internă relativ mare, limitând puterea de ieșire, astfel încât acești condensatori au fost utilizați doar ca baterii de stocare pentru SRAM.

Primii ionistori cu rezistență internă scăzută pentru utilizare în circuite puternice au fost dezvoltate de PRI în 1982. Acești ionistori au apărut pe piață sub denumirea de „PRI Ultracapacitor”.

Tipuri de ionistori

1) Ionistori cu electrozi de carbon polarizabili ideal (ionistor „ideal”, condensator ionic). Ele nu folosesc reacții electrochimice, ele funcționează datorită transferului de ioni între electrozi. Câteva opțiuni de electroliți: soluție apoasă de KOH 30%; 38% soluţie apoasă de H2S04; electroliți organici.

2) Ionistori cu un electrod de carbon perfect polarizabil și un catod sau anod nepolarizabil sau slab polarizabil (ionistori „hibrizi”). La un electrod are loc o reacție electrochimică. Opțiuni: Ag(-) și electrolit solid RbAg 4 I 5; Soluție apoasă 30% de KOH și NiOOH(+)

3) Pseudocondensatori - ionistori care folosesc procese electrochimice reversibile pe suprafața electrozilor. Au o capacitate specifică mare. Schema electrochimică: (-) Ni(H) / soluție apoasă 30% de KOH / NiOOH (+); (-) C(H)/soluţie apoasă 38% de H2S04/PbS04 (Pb02) (+).

Dispozitiv cu supercondensator

Diferența dintre un ionistor și un condensator este că nu există un strat dielectric special între electrozii săi. În schimb, electrozii ionistorului sunt fabricați din substanțe care au tipuri opuse de purtători de sarcină.

După cum se știe, capacitate electrică Condensatorul depinde de aria plăcilor: cu cât este mai mare, cu atât este mai mare capacitatea. Prin urmare, electrozii ionistori sunt cel mai adesea fabricați din cărbune spumat sau cărbune activ. Datorită acestei tehnici, este posibil să obțineți o suprafață mare de „căptușeli” originale. Electrozii sunt separați printr-un separator și toate acestea se află în electrolit. Separatorul este necesar numai pentru a proteja electrozii de scurtcircuite. Electrolitul este realizat pe baza de soluții de acizi și alcaline și este cristalin și solid.

De exemplu, folosind un electrolit cristalin solid pe bază de rubidiu, argint și iod (RbAg 4 I 5), este posibil să se creeze ionistori cu auto-descărcare scăzută, capacitate mare si rezista la temperaturi scazute. De asemenea, este posibil să se producă ionistori pe bază de electroliți ai soluțiilor acide, cum ar fi H2SO4. Astfel de ionistori au o rezistență internă scăzută, dar și o tensiune de funcționare scăzută, de aproximativ 1 V. Recent, ionistorii pe bază de electroliți din soluții alcaline și acide nu se produc aproape niciodată, deoarece astfel de ionistori conțin substanțe toxice.

Ca rezultat al reacțiilor electrochimice, un număr mic de electroni sunt îndepărtați din electrozi. În acest caz, electrozii capătă o sarcină pozitivă. Ionii negativi care se află în electrolit sunt atrași de electrozi, care sunt încărcați pozitiv. Ca rezultat al întregului proces, se formează un strat electric.

Sarcina ionistorului este menținută la interfața dintre electrodul de carbon și electrolit. Grosimea stratului electric, care este format din anioni și cationi, este o valoare foarte mică, uneori egală cu 1...5 nanometri (nm). După cum se știe, pe măsură ce distanța dintre plăci scade, capacitatea crește.

La principal calități pozitive ionistorii pot fi clasificați astfel:

· Timpi scurti de încărcare și descărcare. Datorită acestui fapt, ionistorul poate fi încărcat și utilizat rapid, în timp ce încărcarea bateriilor durează considerabil;

· Număr de cicluri de încărcare/descărcare - mai mult de 100.000;

· Nu necesita intretinere;

· Greutate si dimensiuni usoare;

Nu necesită încărcare complicată încărcătoare;

· Funcționează într-un interval larg de temperatură (-40…+70 0 C). La temperaturi peste +70 0 C, ionistorul, de regulă, este distrus;

· Durată lungă de viață.

Dezavantajele ionistorilor:

Energia specifică este mai mică decât cea a izvoare tradiţionale(5-12 Wh/kg la 200 Wh/kg pentru bateriile litiu-ion).

· Tensiunea depinde de starea de încărcare.

Posibilitatea de epuizare a contactelor interne atunci când scurt circuit.

· Rezistență internă ridicată în comparație cu condensatoarele tradiționale (10...100 Ohm pentru un ionistor 1 fază de frecvență 5,5 V).

· Autodescărcare semnificativ mai mare în comparație cu bateriile: aproximativ 1 µA pentru un ionistor cu 2 faze de 2,5 V.

Pentru a crește tensiunea de funcționare a ionistorului, acestea sunt conectate în serie, la fel ca la conectarea bateriilor. Adevărat, pentru funcționarea fiabilă a unui astfel de ionistor compozit, fiecare ionistor individual trebuie să fie manevrat cu un rezistor. Acest lucru se face pentru a egaliza tensiunea pe fiecare ionistor individual. Acest lucru se datorează faptului că parametrii ionistorilor individuali diferă. Curentul care trece prin rezistorul de egalizare trebuie să fie de câteva ori mai mare decât curentul de scurgere (autodescărcare) al ionistorului. Valoarea curentului de auto-descărcare pentru ionistorii de putere mică este de zeci de microamperi.

De asemenea, merită să ne amintim că supercondensatorul este o componentă polară. Prin urmare, atunci când îl conectați la circuit, trebuie să respectați polaritatea.

În plus, ar trebui să evitați scurtcircuitarea bornelor ionistorului. Și deși ionistorii sunt destul de rezistenți la scurtcircuite, aceasta poate duce la o creștere excesivă a temperaturii peste maxim datorită efectului termic al curentului, iar acest lucru va duce la deteriorarea ionistorului.

Ionistorii funcționează bine în circuitele de curent continuu și pulsatoriu. Adevărat, dacă un curent pulsatoriu de înaltă frecvență trece prin ionistor, acesta se poate încălzi datorită rezistenței interne ridicate la frecvențe înalte. După cum sa menționat deja, creșterea temperaturii electrozilor ionistori peste limita maximă admisă duce la deteriorarea acestuia.

Documentația pentru ionistor, de regulă, indică valoarea rezistenței sale interne la o frecvență de 1 kHz. De exemplu, pentru un ionistor DB-5R5D105T cu o capacitate de 1 Farad, rezistența internă la o frecvență de 1 kHz este de 30Sh. Există și ionistori cu rezistență internă și mai mică. Sunt etichetate ca rezistență scăzută sau ESR scăzut. Astfel de ionistori se încarcă mai repede.

Pentru curent continuu, rezistența internă a ionistorului este mică și se ridică la unități de miliohmi - zeci de ohmi.

Desemnarea ionistorului în diagramă

energia electrodului condensatorului ionizator

În diagrame, ionistorul este desemnat în același mod ca un condensator electrolitic.

Puteți determina că diagrama arată un ionistor după valoarea parametrilor nominali. Dacă, de exemplu, lângă desemnare este indicat 1F * 5,5 V, atunci acesta este un ionistor. După cum știți, nu există condensatoare electrolitice cu o capacitate de 1 Farad, iar dacă există, dimensiunile lor sunt considerabile. De asemenea, imediat se observă tensiunea nominală de 5,5 V. După cum sa menționat deja, ionistorii, în principiu, nu sunt proiectați pentru o tensiune mare de funcționare.

Relativ recent, așa-numiții ionistori au devenit disponibile pe scară largă. Se mai numesc si supercondensatori. Au dimensiuni comparabile cu condensatoarele electrolitice convenționale, dar au o capacitate mult mai mare în comparație cu aceștia.

Un ionistor este un fel de hibrid între un condensator și o baterie. În literatura străină, ionistorul este numit pe scurt EDLC, care înseamnă E electric D dubla L ayer C apacitor, care în limba rusă înseamnă: un condensator cu un strat electric dublu. Funcționarea ionistorului se bazează pe procese electrochimice.

Dispozitivul ionistorului.

Diferența dintre un ionistor și un condensator este că nu există un strat dielectric special între electrozii săi. În schimb, electrozii ionistorului sunt fabricați din substanțe care au tipuri opuse de purtători de sarcină.

După cum se știe, capacitatea electrică a unui condensator depinde de aria plăcilor: cu cât este mai mare, cu atât este mai mare capacitatea. Prin urmare, electrozii ionistori sunt cel mai adesea fabricați din cărbune spumat sau cărbune activ. Datorită acestei tehnici, este posibil să obțineți o suprafață mare de „placări” originale. Electrozii sunt separați printr-un separator și toate acestea se află în electrolit. Separatorul este necesar numai pentru a proteja electrozii de scurtcircuite. Electrolitul este realizat pe baza de soluții de acizi și alcaline și este cristalin și solid.

De exemplu, folosind un electrolit solid cristalin pe bază de rubidiu, argint și iod ( RbAg 4 I 5) este posibil să se creeze ionistori cu autodescărcare scăzută, capacitate mare și rezistență la temperaturi scăzute. De asemenea, este posibil să se producă ionistori pe bază de electroliți ai soluțiilor acide, cum ar fi H2SO4. Astfel de ionistori au o rezistență internă scăzută, dar și o tensiune de funcționare scăzută, de aproximativ 1 V. Recent, ionistorii pe bază de electroliți din soluții alcaline și acide nu se produc aproape niciodată, deoarece astfel de ionistori conțin substanțe toxice.

Ca rezultat al reacțiilor electrochimice, un număr mic de electroni sunt îndepărtați din electrozi. În acest caz, electrozii capătă o sarcină pozitivă. Ionii negativi care se află în electrolit sunt atrași de electrozi, care sunt încărcați pozitiv. Ca rezultat al întregului proces, se formează un strat electric.

Sarcina ionistorului este menținută la interfața dintre electrodul de carbon și electrolit. Grosimea stratului electric, care este format din anioni și cationi, este o valoare foarte mică, uneori egală cu 1...5 nanometri (nm). După cum se știe, pe măsură ce distanța dintre plăci scade, capacitatea crește.

Principalele calități pozitive ale ionistorilor includ:

Timpi scurti de încărcare și descărcare. Datorită acestui fapt, ionistorul poate fi încărcat și utilizat rapid, în timp ce încărcarea bateriilor durează considerabil;

Număr de cicluri de încărcare/descărcare – peste 100.000;

Nu necesită întreținere;

Greutate și dimensiuni ușoare;

Nu sunt necesare încărcătoare complexe pentru încărcare;

Funcționează într-un interval larg de temperatură (-40…+70 0 C). La temperaturi peste +70 0 C, ionistorul, de regulă, este distrus;

Durată lungă de viață.

Proprietățile negative ale ionistorilor includ costul încă ridicat, precum și tensiunea destul de scăzută pe un element al ionistorului. Tensiunea nominală de funcționare a ionistorului depinde de tipul de electrolit utilizat în acesta.

Pentru a crește tensiunea de funcționare a ionistorului, acestea sunt conectate în serie, la fel ca la conectarea bateriilor. Adevărat, pentru funcționarea fiabilă a unui astfel de ionistor compozit, fiecare ionistor individual trebuie să fie manevrat cu un rezistor. Acest lucru se face pentru a egaliza tensiunea pe fiecare ionistor individual. Acest lucru se datorează faptului că parametrii ionistorilor individuali diferă. Curentul care trece prin rezistorul de egalizare trebuie să fie de câteva ori mai mare decât curentul de scurgere (autodescărcare) al ionistorului. Valoarea curentului de auto-descărcare pentru ionistorii de putere mică este de zeci de microamperi.

De asemenea, merită să ne amintim că supercondensatorul este o componentă polară. Prin urmare, atunci când îl conectați la circuit, trebuie să respectați polaritatea.

În plus, ar trebui să evitați scurtcircuitarea bornelor ionistorului. Și deși ionistorii sunt destul de rezistenți la scurtcircuite, aceasta poate duce la o creștere excesivă a temperaturii peste maxim datorită efectului termic al curentului, iar acest lucru va duce la deteriorarea ionistorului.

Ionistorii funcționează bine în circuitele de curent continuu și pulsatoriu. Adevărat, dacă un curent pulsatoriu de înaltă frecvență trece prin ionistor, acesta se poate încălzi datorită rezistenței interne ridicate la frecvențe înalte. După cum sa menționat deja, creșterea temperaturii electrozilor ionistori peste limita maximă admisă duce la deteriorarea acestuia.

Documentația pentru ionistor, de regulă, indică valoarea rezistenței sale interne la o frecvență de 1 kHz. De exemplu, pentru un ionistor DB-5R5D105T cu o capacitate de 1 Farad, rezistența internă la o frecvență de 1 kHz este de 30Ω. Există și ionistori cu rezistență internă și mai mică. Sunt marcate ca Rezistență scăzută sau ESR scăzut. Astfel de ionistori se încarcă mai repede.

Pentru curent continuu, rezistența internă a ionistorului este mică și variază de la miliohmi la zeci de ohmi.

Identificarea ionistorului în diagramă.

În diagrame, ionistorul este desemnat în același mod ca un condensator electrolitic. Atunci apare întrebarea: „Cum putem determina ce diagramă schematică Este ionistorul care este afișat?

Puteți determina că diagrama arată un ionistor după valoarea parametrilor nominali. Dacă lângă denumire este indicat, de exemplu, 1F*5,5V, atunci va deveni imediat clar că acesta este un ionistor. După cum știți, nu există condensatoare electrolitice cu o capacitate de 1 Farad, iar dacă există, dimensiunile lor sunt considerabile. De asemenea, imediat se observă tensiunea nominală de 5,5 V. După cum sa menționat deja, ionistorii, în principiu, nu sunt proiectați pentru o tensiune mare de funcționare.

Unde se folosesc ionistorii?

Foarte des, ionistorii pot fi găsiți în echipamentele digitale. Acolo acţionează ca o sursă de alimentare autonomă sau de rezervă pentru microcontrolere (IC), cipuri de memorie (RAM), cipuri CMOS (CMOS) sau ceasuri electronice (RTC). Datorită acestui fapt, chiar şi atunci când principalele alimentarea este oprită dispozitiv electronic salvează setările specificateși trecerea ceasului. De exemplu, playerul audio de casete Walkman folosește un supercondensator în miniatură.

La înlocuirea bateriilor sau bateriilor în player, acesta este complet dezactivat, ceea ce duce inevitabil la ștergerea setărilor (de exemplu, frecvențele posturilor de radio, setările egalizatorului, resetarea ceasului electronic). Dar acest lucru nu se întâmplă din cauza faptului că circuitul electronic în modul „standby” este alimentat de un ionistor încărcat. Și deși capacitatea sa este disproporționat mai mică decât capacitatea bateriei sau a bateriei, aceasta este suficientă pentru a salva setările și pentru a opera ceasul câteva zile!

Supercondensatorul este o componentă electronică destul de nouă. Supercondensatorul a fost dezvoltat pentru prima dată în Statele Unite în anii 1960. Și mai târziu, în 1978, ionistorii au apărut în URSS sub marca K58-1. Acesta a fost primul ionistor domestic. Apoi, industria a început să producă ionistori cu mărcile K58-15 și K58-16.

Cum poate fi folosit un ionistor în modelele de casă? Poate fi folosit ca sursă de alimentare de urgență, de exemplu, în proiecte de microcontrolere. Iată cea mai simplă diagramă a conectării unui ionistor la circuitul de alimentare al unui dispozitiv electronic.

Dioda VD1 servește pentru a preveni descărcarea ionistorului C1 când tensiunea de alimentare este 0 (Upit = 0). Ca diodă VD1, este mai bine să utilizați o diodă Schottky, de exemplu, 1N5817 și altele similare, deoarece au o cădere de tensiune scăzută pe pasaj deschis. Rezistorul R1 previne supraîncărcarea sursei de alimentare prin limitarea curentului de încărcare al ionistorului. Nu este necesar să fie instalat dacă sursa de alimentare poate rezista la un curent de sarcină de 100 - 250 mA. R n este rezistența de sarcină (dispozitiv alimentat, de exemplu, un microcontroler).

Spre sfârșitul acestei povești, aș dori să vă arăt un videoclip. Videoclipul nu este al meu, l-am gasit pe YouTube. Este arătat cum puteți alimenta un LED de la un ionistor încărcat cu o capacitate de 0,047 F. Ionistorul este de 5,5 V, așa că dacă decideți să repetați experimentul, încărcați-l cu 3 volți, altfel puteți arde accidental LED-ul .

Apropo, se dovedește că am exact același ionistor întins în camera mea de depozitare. Ai un ionistor?

Un ionistor este un condensator ale cărui plăci sunt un strat electric dublu între electrod și electrolit. Un alt nume pentru acest dispozitiv este supercondensator, ultracapacitor, condensator electrochimic cu două straturi sau ionix. Are o capacitate mare, ceea ce îi permite să fie folosit ca sursă de curent.

Dispozitiv cu supercondensator

Principiul de funcționare al unui ionistor este similar cu un condensator convențional, dar aceste dispozitive diferă în ceea ce privește materialele utilizate. Materialele poroase sunt folosite ca căptușeli în astfel de elemente - cărbune activ, care este un bun conductor, sau metale spumate. Acest lucru face posibilă creșterea zonei lor de mai multe ori și, deoarece capacitatea condensatorului este direct proporțională cu aria electrozilor, crește în aceeași măsură. În plus, un electrolit este folosit ca dielectric, ca în condensatoarele electrolitice, ceea ce reduce distanța dintre plăci și crește capacitatea. Cei mai comuni parametri sunt câțiva faradi la o tensiune de 5-10V.

Tipuri de ionistori

Există mai multe tipuri de astfel de dispozitive:

• Cu electrozi de carbon activ perfect polarizabili. Reacțiile electrochimice nu apar în astfel de elemente. Folosit ca electrolit solutii apoase sodă caustică (30% KOH), acid sulfuric (38% H2SO4) sau electroliți organici;
• Un electrod de cărbune activ perfect polarizabil este folosit ca o singură placă. Al doilea electrod este slab sau nepolarizabil (anod sau catod, în funcție de proiect);
• Pseudocondensatori. În aceste dispozitive, pe suprafața plăcilor au loc reacții electrochimice reversibile. Au o capacitate mare.

Avantajele și dezavantajele ionistorilor

Astfel de dispozitive sunt folosite în locul bateriilor sau acumulatorilor. În comparație cu acestea, astfel de elemente au avantaje și dezavantaje.

Dezavantajele supercondensatoarelor:

• curent de descărcare scăzut în elementele comune, iar modelele fără acest dezavantaj sunt foarte scumpe;
• tensiunea la ieșirea dispozitivului scade în timpul descărcării;
• în caz de scurtcircuit în elemente capacitate mare contactele cu rezistență internă scăzută se ard;
• tensiune și rata de descărcare admise reduse în comparație cu condensatoarele convenționale;
• curent de autodescărcare mai mare decât în ​​baterii.

Avantajele ultracondensatorilor:

• viteză, curent de încărcare și descărcare mai mare decât în ​​baterii;
• durabilitate - la testare după 100.000 de cicluri de încărcare/descărcare, nu s-a observat nicio deteriorare a parametrilor;
• rezistență internă ridicată în majoritatea modelelor, prevenind autodescărcarea și defecțiunea în timpul unui scurtcircuit;
• durată lungă de viață;
• mai puțin volum și greutate;
• bipolaritate - producătorul marchează „+” și „-“, dar aceasta este polaritatea sarcinii aplicate în timpul testelor de producție;
• gamă largă de temperaturi de funcționare și rezistență la suprasarcini mecanice.

Densitatea energiei

Capacitatea de a stoca energie în supercondensatoare este de 8 ori mai mică decât cea a bateriilor cu plumb și de 25 de ori mai mică decât a bateriilor cu litiu. Densitatea de energie depinde de rezistența internă: cu cât este mai mică, cu atât este mai mare capacitatea energetică specifică a dispozitivului. Evoluțiile recente ale oamenilor de știință fac posibilă crearea unor elemente a căror capacitate de a stoca energie este comparabilă cu bateriile cu plumb.

În 2008, în India a fost creat un ionistor, în care plăcile erau făcute din grafen. Intensitatea energetică a acestui element este de 32 (Wh)/kg. Pentru comparație, intensitatea energetică baterii auto– 30-40 (Wh)/kg. Încărcare rapidă dintre aceste dispozitive permite utilizarea lor în vehiculele electrice.

În 2011, designerii coreeni au creat un dispozitiv în care, pe lângă grafen, se folosea azot. Acest element a furnizat dublul intensității energetice specifice.

Referinţă. Grafenul este un strat de carbon, grosime de 1 atom.

Aplicarea ionistorilor

Proprietățile electrice ale supercondensatorilor sunt utilizate în diferite domenii ale tehnologiei.

Transport public

Autobuzele electrice, care folosesc ionistori în loc de baterii, sunt produse de Hyundai Motor, Trolza, Belkommunmash și alții.

Aceste autobuze sunt similare structural cu troleibuzele fără bare și nu necesită o rețea de contact. Se reincarca la opriri in timpul debarcarii si imbarcarii pasagerilor sau la punctele de capat ale traseului in 5-10 minute.

Troleibuzele echipate cu ionistori sunt capabile să ocolească stânci linie de contact, ambuteiaje și nu necesită fire în depozite și parcări la punctele de capăt ale traseului.

Mașini electrice

Principala problemă cu vehiculele electrice este perioadă lungă de timpîncărca. Ultracondensator, cu mare Curent de încărcare si timp scurt de incarcare, permite reincarcarea in timpul opririlor scurte.

În Rusia, a fost dezvoltat un Yo-mobile care folosește ca baterie un ionistor special creat.

În plus, instalarea unui supercondensator în paralel cu bateria vă permite să creșteți curentul consumat de motorul electric în timpul pornirii și accelerației. Acest sistem este folosit în KERS, în mașinile de Formula 1.

Electronice de consum

Aceste dispozitive sunt utilizate în blițuri foto și alte dispozitive în care capacitatea încărcare rapidăși descărcarea sunt mai importante decât dimensiunile și greutatea dispozitivului. De exemplu, detectorul de cancer se încarcă în 2,5 minute și funcționează timp de 1 minut. Acest lucru este suficient pentru a efectua cercetări și a preveni situațiile în care dispozitivul este inoperabil din cauza bateriilor descărcate.

In magazinele auto poti achizitiona ionistori cu o capacitate de 1 farad pentru utilizare in paralel cu radioul auto. Ele netezesc fluctuațiile de tensiune în timpul pornirii motorului.

Ionistor DIY

Dacă doriți, puteți face un supercondensator cu propriile mâini. Un astfel de dispozitiv va avea parametri mai răi și nu va dura mult timp (până când electrolitul se usucă), dar va da o idee despre funcționarea unor astfel de dispozitive în general.

Pentru a face un ionistor cu propriile mâini, aveți nevoie de:

• folie de cupru sau aluminiu;
• sare;
• cărbune activ de la o farmacie;
• lână de bumbac;
• fire flexibile pentru cabluri;
• cutie de plastic pentru carcasă.

Procedura de fabricație pentru un ultracondensator este următoarea:

• tăiați două bucăți de folie atât de mari încât să încapă pe fundul cutiei;
• lipiți firele de folie;
• umeziți cărbunele cu apă, măcinați în pulbere și uscați;
• preparați o soluție de sare 25%;
• amestecați pulbere de cărbune cu soluție salină până la o pastă;
• umeziți vata cu soluție de sare;
• aplica pasta intr-un strat subtire, uniform pe folie;
• faceți un „sandviș”: folie cu cărbune în sus, un strat subțire de vată, folie cu cărbune în jos;
• puneți structura în cutie.

Tensiunea permisă a unui astfel de dispozitiv este de 0,5 V. Când este depășită, începe procesul de electroliză, iar ionistorul se transformă într-o baterie cu gaz.

Interesant. Dacă asamblați mai multe astfel de structuri, tensiunea de funcționare va crește, dar capacitatea va scădea.

Ionistorii sunt dispozitive electrice promițătoare care, datorită ratelor lor ridicate de încărcare și descărcare, pot înlocui bateriile convenționale.

Video