Ионистор вместо аккумулятора: наглядная сборка накопителя энергии

Гибкие устройства на основе полимеров

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

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

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

Принцип работы и возможные конструкции

Существует два типа электролитов, которые чаще всего используются сейчас производителями ионисторов: водные (водорастворимые) и органические (водонерастворимые). Безводный электролит позволяет прикладывать напряжение до 3 В к ячейке ионистора, что в два раза выше по сравнению с водорастворимым электролитом, для которого это напряжение не превышает 1,5 В. В данном случае двойной электрический слой работает как изолирующий и при приложении постоянного внешнего напряжения не позволяет протекать сквозному току. При конкретном уровне напряжения определенной полярности за счет электрохимических процессов начнет протекать ток. Величина этого напряжения названа «напряжением разложения» или «напряжением электрохимического распада электролита». Дальнейшее увеличение напряжения заставит электролит разлагаться более интенсивно, приводя к появлению дополнительного тока, и ионистор выйдет из строя. Поэтому при зарядке приложенное к ионистору напряжение ограничено напряжением разложения, вследствие чего довольно часто ионисторы соединяют последовательно.

Как было сказано выше, положительные и отрицательные заряды формируются на поверхности электрода, образуя, таким образом, с зарядом электрода двойной электрический слой. Границей раздела в этом случае будет двойной электрический слой (рис. 2а). Эта область увеличивается при приложении более высокого напряжения (рис. 2б), и накапливаемый заряд увеличивается. Толщина двойного электрического слоя очень мала и сопоставима с размером молекулы, то есть около 5–10 нм. В качестве электродов, например, в ионисторах Panasonic используется активированный уголь (в виде мелкодисперсной фракции), изготовленный по специальной порошковой технологии, и органический электролит. Электролит проникает между частицами активированного угля, и электрод, таким образом, «пропитан» электролитом. Общую емкость ионистора можно представить, как большое количество малых конденсаторов, где каждая частица из активированного угля — своеобразный электрод для малого конденсатора с емкостью, обусловленной двойным электрическим слоем.

Рис. 2. Образование двойного электрического слоя (а) и увеличение заряда при приложении напряжения (б)

Общая емкость ионистора может быть представлена как:

где d — толщина двойного электрического слоя 5–10 нм, S — общая площадь поверхности электрода из активированного угля.

Поскольку электрод ионистора представляет собой совокупность огромного количества частиц активированного угля, он имеет очень большую «развитую» площадь поверхности, приблизительно до 2500–3000 см²/г. Это позволяет получить емкость до нескольких десятков фарад.

На рис. 3 представлена одна из возможных конструкций ионистора в поперечном разрезе на примере EN серии Panasonic. Между электродами для предотвращения проникновения ионов расположен «сепаратор» с хорошими изоляционными свойствами, что позволяет не допустить короткого замыкания между электродами.

Рис. 3. Одна из возможных конструкций ионистора в поперечном разрезе на примере EN серии Panasonic

Материалы на основе графена

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

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

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

Схемы питания на основе суперконденсаторов

В некоторых схемах ценным преимуществом является возможность поддерживать питание процессора и ключевых компонентов, например, после сбоя электросети, чтобы должным образом завершить работу операционной системы, сохранить наиболее важные данные в памяти или восстановить информацию из энергозависимой памяти после того, как питание вернется в норму.

В некоторых случаях можно эффективно использовать энергию запасенную в классических электролитических конденсаторах, фильтрующих источник питания. Но если для выполнения процедуры требуется большее количество энергии – стоит обратиться к суперконденсатору, работающему в режиме буферного питания.

Принцип работы системы резервного питания с использованием суперконденсаторов

Принцип работы системы резервного питания с использованием суперконденсаторов показан на рисунке выше. После отключения основного блока питания, последовательно включенные суперконденсаторы отправляют энергию на потребитель через преобразователь. Дополнительные резисторы – за счет снижения эффективности схемы из-за потерь энергии – уравновешивают напряжение, предотвращая поломку одного из конденсаторов.

Такая простая схема, хотя и хорошо известная из инженерной практики по применению свинцово-кислотных аккумуляторов, не будет работать в большинстве реальных проектных ситуаций – основная проблема будет заключаться в сильном импульсе тока, который появляется при зарядке суперконденсатора сразу после включение питания устройства. Поэтому должны быть предусмотрены соответствующие меры по исправлению положения.

Схема для устранения проблемы сильного импульса тока, возникающего при зарядке суперконденсатора

Одно из самых простых практических приложений для устранения этой проблемы показано на рисунке. Резистор R используется для ограничения зарядного тока.

Диод Шоттки защищает схему от обратных токов, благодаря чему зарядка конденсатора возможна только через резистор. Схема адаптирована для питания от источников постоянного напряжения с напряжением, превышающим как минимум на 0,3 В напряжение поддержки, необходимое для правильной работы процессора. Важным требованием является обеспечение высокого сопротивления источника после его выключения, иначе суперконденсатор будет разряжаться непосредственно на источник, что значительно сократит время поддержки.

Универсальное применение схемы резервного питания с использованием суперконденсаторов

Гораздо лучшим и более универсальным решением является схема питания, показанная на рисунке выше. Дополнительный диод Шоттки, подключенный последовательно с резистором R, предотвращает разряд ионистора от основного источника питания или других блоков устройства. Полевой транзистор позволяет программно выбрать источник напряжения – в состоянии проводимости он обеспечивает путь с низким сопротивлением, который соединяет выводы питания процессора с основным источником питания устройства, и отключение (после обнаружения падения напряжения) позволяет начать разрядку суперконденсатора после перевода микроконтроллера в режим пониженного энергопотребления (STOP).

Стоит обратить внимание на то, что большой ошибкой может быть попытка использовать суперконденсатор вместо никель-металлгидридной аккумуляторной батареи для поддержания часов RTC и памяти RAM. Это решение будет работать только в тех устройствах, которые во время нормальной работы постоянно или большую часть времени подключены к другому источнику питания (например часы с питанием от сети)

Следует помнить, что суперконденсаторы характеризуются относительно высокими токами саморазряда, а значит время поддержки ионистором RTC или RAM памяти будет во много раз меньше, чем в случае даже небольшой литиевой батареи или никель-металлогидридного АКБ.

Суперконденсатор своими руками

Можно изготовить суперконденсатор своими руками. Поскольку конструкция его состоит из электролита и электродов, нужно определиться с материалом для них. Для электродов вполне подойдет медь, нержавейка или латунь. Можно взять, к примеру, пятикопеечные старые монеты. Нужен будет еще угольный порошок (в аптеке можно купить активированный уголь и измельчить его). В качестве электролита «сгодится» обычная вода, в которой растворить нужно поваренную соль (100:25). Раствор смешивается с угольным порошком, чтобы получилась консистенция замазки. Теперь ее слоем в несколько миллиметров необходимо нанести на оба электрода.

Осталось подобрать прокладку, разделяющую электроды, сквозь поры которой свободно будет проходить электролит, но задерживаться будет угольный порошок. Подойдет для этих целей стеклоткань или поролон.

Электроды – 1,5; обмазка угольно-электролитная – 2,4; прокладка – 3.

В качестве кожуха использовать можно пластмассовую коробочку, просверлив в ней предварительно отверстия для проводов, припаянных к электродам. Подсоединив провода к батарейке, ожидаем, пока зарядится конструкция «ионикс», названная так потому, что на электродах образоваться должна разная концентрация ионов. Проверить заряд проще с помощью вольтметра.

Есть и другие способы. Например, используя оловянную бумагу (станиолевую фольгу – обертку от шоколадки), куски жести и парафинированную бумагу, изготовить которую можно самостоятельно, нарезав и погрузив на пару минут в расплавленный, но не кипящий, парафин полоски папиросной бумаги. Ширина полосок должна быть пятьдесят миллиметров, а длина от двухсот до трехсот миллиметров. Вынув полоски из парафина, необходимо соскоблить тупой стороной ножа парафин.

Пропитанную парафином бумагу складывают в виде гармошки (как на рисунке). С обеих стороны в промежутки вкладываются листы станиолевые, которые соответствуют размеру 45х30 миллиметров. Подготовив, таким образом, заготовку, ее складывают, затем, проглаживают теплым утюгом. Оставшиеся станиолевые концы снаружи соединяют между собой. Можно использовать для этого картонные пластинки и латунные с жестяными обоймами, к которым позже припаиваются проводники для того, чтобы при монтаже можно было припаять конденсатор.

Емкость конденсатора зависит от количества станиолевых листочков. Она равна, например, тысяче пикофарад при использовании десяти таких листков, и двум тысячам, если их количество увеличить вдвое. Такая технология пригодна для изготовления конденсаторов емкостью до пяти тысяч пикофарад.

Если же необходима большая емкость, то необходимо иметь старый микрофарадный бумажный конденсатор, представляет собой который, рулон из ленты, состоящей из полос парафинированной бумаги, между которыми проложена полоса фольги станиолевой.

Для определения длины полос, пользуются формулой:

l = 0,014 С/а , где емкость необходимого конденсатора в пФ — С; ширина полос в см – а: длина в см – 1.

Отмотав от старого конденсатора полоски нужной длины, обрезают со всех сторон на 10 мм фольгу, чтобы между собой не дать соединиться обкладкам конденсатора.

Вновь ленту нужно свернуть, но сначала припаяв многожильные провода к каждой полоске фольги. Сверху конструкцию обклеивают плотной бумагой, а на края бумаги, которые выступают, заделывают два монтажных провода (жестких), к которым припаиваются с внутренней стороны гильзы бумажной выводы от конденсатора (см. рисунок). Последний шаг – заливка конструкции парафином.

Принцип действия и характеристики

Типы существующих расходомеров: преимущества и недостатки

Ионисторы, как и аккумуляторы с конденсаторами, имеют несколько рабочих параметров. Все изготавливаемые ионисторы, характеристики которых не сильно отличаются, классифицируются по нескольким параметрам:

емкость (измеряется в Фарадах);
максимально допустимый ток заряда (измеряется в Амперах);
номинальное напряжение (измеряется в Вольтах);
внутреннее сопротивление (измеряется в Омах).

Во время протекания электрохимической реакции небольшое количество электронов отделяется от электродов, которые получают положительный заряд. Отрицательно заряженные ионы в электролите притягиваются электродами, которые образуют электрический слой. Заряд в элементе накапливается и хранится на границе контакта углеродного электрода и электролита.

Маркировка и область применения

Специальной маркировки ионисторовые конденсаторы на схеме или на корпусе не имеют. Определить, что конкретный элемент является ионистором, можно косвенным образом: большой заряд, небольшие размеры и малое рабочее напряжение являются отличительными признаками ионисторов. Если на корпусе или на схеме будет обозначен элемент с емкостью 1 Фарада и номинальным напряжением, например, 5 вольт, то нет сомнений, что это ионистор. Электролитических конденсаторов с такими параметрами не существует.

Первый советский образец этого элемента был разработан и запущен в производство в 1978 году с маркировкой К58−1. В дальнейшие годы его конструкция улучшалась и появились ионисторы с маркировкой К58−15 и К58−16.

Отраслей техники и науки, где применяют ионисторы, не так уж и много. Чаще всего их применяют в цифровой технике в роли автономного или резервного источника питания. Он запитывает микросхемы памяти, электронных часов, CMOS-чипы и микроконтроллеры различных устройств при отключении внешнего источника электропитания. Определенное время сохраняются все текущие настройки (дата, время, сохраненные частоты радиостанций и т. п. ) при выключении или замене батареек.

Есть данные, что планировалось применение ионистора и при создании так называемой гаусс-пушки, работа которой основана на нестандартном для вооружения физическом принципе — электромагнетизме. Насколько оказались удачными и были ли они реализованы, является неизвестным для широкой публики. Такая информация составляет или коммерческую, или государственную тайну.

Достоинства и недостатки

Положительных качеств у ионисторов достаточно, чтобы они приобрели определенную популярность. Но и негативных качеств немало, поэтому элементы и не приобрели широкого применения в быту, на производстве и транспорте. Из плюсов можно отметить:

меньший срок зарядки элемента по сравнению с аккумуляторами;
больше количество циклов зарядки и разрядки без значительной потери номинальных характеристик;
простое устройство зарядного устройства;
сравнительно малый вес и габариты;
диапазон рабочих температур от -40 градусов по Цельсию до +70 градусов по Цельсию.

Недостатков меньше, но они существенные:

относительно высокая цена;
малое номинальное напряжение (последовательное соединение нескольких элементов иногда помогает решить эту проблему);
энергетическая плотность меньше, чем у аккумуляторов (при параллельном соединении в некоторых случаях удается решить эту проблему);
выход из строя без возможности восстановления при превышении верхнего предела рабочей температуры.

Сравнения

С появлением ионисторов стало возможным использовать конденсаторы в электрических цепях не только как преобразующий элемент, но и как источник напряжения . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Широко применяются в качестве замены батареек для хранения информации о параметрах изделия при отсутствии внешнего питания. Такие элементы имеют как несколько преимуществ, так и недостатков над обычными химическими источниками тока — гальваническими элементами и аккумуляторами:

Недостатки

Удельная энергия симметричных ионисторов меньше, чем у аккумуляторов (5-12 Вт·ч/кг при 200 Вт·ч/кг для литий-ионных аккумуляторов).
Напряжение зависит от заряженности.
Возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании.
Низкое рабочее напряжение (несколько вольт).
Значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд: порядка 1 мкА у ионистора 2 Ф × 2,5 В .
Высокая стоимость изделия. До сих пор ионистор стоит существенно дороже обычных конденсаторов и аккумуляторов
Низкое напряжение изделия, на которое рассчитан ионистор. Особенность суперконденсатора такова, что они рассчитаны на довольно низкое напряжение, величина которого зависит от вида применяемого электролита. Для увеличения напряжения ионисторы соединяют последовательно. Но помимо такого соединения необходимо каждый суперконденсатор шунтировать резистором по причине выравнивания напряжение на отдельном ионисторе.
Если превысить рабочую температуру в 70 градусов по Цельсию, то высока вероятность, что изделие просто разрушится.
Суперконденсатор – полярный элемент, поэтому при подключении необходимо соблюдать полярность.

Преимущества

Высокие скорости зарядки и разрядки.
Простота зарядного устройства Во время зарядки нет необходимости использовать сложные зарядные устройства.
Большое количество циклов заряд-разряд (Малая деградация) даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда. Проводились исследования по определению максимального числа циклов заряд-разряд. После 100 000 циклов не наблюдалось ухудшения характеристик.
Ионистор обладает длительным сроком службы.
Малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной емкости.
Низкая токсичность материалов ( кроме органических электролитов).
Высокая эффективность
Неполярность (хотя на ионисторах и указаны «+» и «−», это делается для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе).
Нет необходимости обслуживать изделие.
Незначительный вес и небольшие размеры

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы — история создания и развития технологии

7 июня 1962 года, Роберт Райтмаер, химик американской компании Standard Oil Company (SOHIO), располагавшейся в городе Кливленд, штата Огайо, подал заявку на получение патента, где подробно описывался механизм сохранения электрической энергии в конденсаторе, обладающем «двойным электрическим слоем». Если в 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.

Gold Cap от Panasonic

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.

История изобретения ионистора

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

Суперконденсатор

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

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

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

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

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