Ионистор: что это такое и где его применяют

Преимущества и недостатки

Основные преимущества ультраконденсаторов:

1. В сравнении с аккумуляторами большее число циклов заряда/разряда.
2. Короткое время для заряда/разряда. Приборы устанавливаются там, где нет возможности использовать аккумулятор по причине длительного времени заряда.
3. Небольшая масса и габариты.
4. Для заряда не нужно применять специальное устройство, что упрощает эксплуатацию и обслуживание.
5. Период эксплуатации выше, чем батарей и конденсаторов.
6. Допустимый температурный режим при эксплуатации – от -40 до +70 градусов.

Основные недостатки ионистора:

1. Небольшая величина напряжения. Для увеличения номинального напряжения подсоединяют несколько приборов по последовательной схеме. Принцип соединения ультраконденсаторов идентичен с подключением гальванических элементов для повышения напряжения.
2. Высокая стоимость устройства. Данный недостаток скоро будет неактуальным, потому что техническое развитие не стоит на месте, разрабатываются новые материалы и технологии, что повлияет и на стоимость приборов.
3. Не накапливают энергии столько, сколько аккумуляторы, по причине небольшой энергетической плотности, что сказывается на ограниченности в применении.
4. Соблюдать полярность при подключении обязательно.
5. Не допускать короткого замыкания, которое выведет устройство из строя.
6. Применяются суперконденсаторы в цепи постоянного и пульсирующего тока, но при высокочастотном переменном токе устройство перегревается, что приводит к неисправности.

Ионисторы являются автономными источниками электропитания. Для микроэлектроники разрабатывают компактные устройства. В перспективе расширение сферы применения – автомобилестроение, мобильная техники, сфера связи.

Принцип работы

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

Преимущество конструкции:

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

Недостатки конструкции:

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

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

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

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».

Аккумуляторы – краткий обзор технологии

Сейчас на рынке электронных компонентов можно найти широкий ассортимент аккумуляторов, различающихся как технологией изготовления, так и размерами, способом монтажа, емкостью, напряжением, выходом по току или сопротивлению, условиям рабочей среды. Часто выбор источника питания для конкретного применения определяется не только основными техническими параметрами, но и соответствующими сертификатами безопасности, которые определяют использование батареи в данном устройстве – медицинские устройства будут здесь прекрасным примером

Далее сводка наиболее важной информации о типах аккумуляторов, которые в настоящее время используются в различных областях электроники

Аккумуляторы NiCd (никель-кадмиевые) – одно из старых поколений аккумуляторов, обычно встречающиеся в виде ячеек R6 (AA) или R03 (AAA). В настоящее время использование этих батарей прекращается из-за токсичности кадмия и проблем с утилизацией.

NiMH аккумуляторы (никель-металлогидридные) – более эффективны, чем NiCd, и по-прежнему пользуются особой популярностью в сегменте небольших аккумуляторов типоразмеров (R03, R6, R14, R20, а также 6F22). В связи с популяризацией никель-металлгидридных элементов и корпусов и падением цен это решение, оно заменило никель-кадмиевые батареи. Хорошим примером выступают эффективные АКБ Eneloop, часто используемые в профессиональных устройствах (например при питании фотовспышек, требующих высокой емкости и эффективности по току, а также устойчивости к большим колебаниям окружающей температуры). NiMH аккумуляторы также доступны в миниатюрных версиях, а также различных типов корпусов (часто предназначенные для монтажа непосредственно на печатной плате). Во многих коммерческих устройствах можно найти использование небольших перезаряжаемых батарей этого типа в качестве источника питания для поддержания энергозависимой памяти и / или работы часов реального времени (RTC). Это решение имеет преимущество перед использованием литиевыъх батарей (например CR2032), поскольку оно устраняет необходимость периодической замены батареи каждые несколько лет работы устройства.

Аккумуляторы Li-Ion (литий-ионные) – наиболее распространенный сегодня тип аккумуляторов, особенно в мобильных устройствах, ноутбуках, радиоуправляемых моделях, квадрокоптерах, медицинских устройствах, фонариках и многом другом. Батареи этого типа отличаются большой емкостью, высоким выходом по току и высокой плотностью энергии, а также позволяют достаточно быстро перезаряжаться. В отличие от щелочных батарей, литий-ионные источники электроэнергии требуют строго контролируемых рабочих параметров, в частности процесса зарядки – хорошо известны самовоспламенение и взрывы литий-ионных аккумуляторов в результате производственных дефектов или неисправности зарядных устройств.

Аккумуляторы Li-Po (литий-полимерные) – также часто используемые в бытовой электронике (например, в планшетах или фитнес браслетах) и в авиамоделировании. Они более безопасные (хотя и требуют использования как встроенных, так и внешних устройств защиты) и легче, чем литий-ионные батареи, обеспечивают возможность очень быстрой зарядки и бывают разных размеров.

Аккумуляторы LiFePO4 (литий-железо-фосфатные) – еще одна подгруппа аккумуляторов с химической структурой на основе лития, набирающая все большую популярность в требовательных схемах электропитания электромобилей, электроинструментов и накопителей энергии. LiFePO4 обладает довольно высокой плотностью энергии (следовательно емкостью), высокой устойчивостью к суровым условиям эксплуатации (включая глубокий разряд) и длительным сроком службы. При этом у них нет эффекта памяти.

Необслуживаемые батареи – в эту группу входят свинцово-кислотные батареи нового поколения, в которых жидкий электролит (ранее требовавший периодического, ручного пополнения и контроля уровня) был заменен электролитом в виде геля (гелевые батареи) или закрываются в специальных отсеках из стекломата (аккумуляторы AGM). Продукты из этой группы обладают высокой емкостью, но при этом удельная энергия довольно низкая. Даже самые маленькие необслуживаемые батареи во много раз тяжелее, чем литий-ионные или никель-металлгидридные АКБ, аналогичные по емкости и напряжению. Преимуществом AGM и гелевых аккумуляторов является их невысокая цена, возможность работы в любом положении (без риска утечки электролита за пределы аккумуляторного отсека) и простота взаимодействия со схемами бесперебойного питания.

2018: Выход на рынок

Ионистор

Холдинг GS Group 25 мая 2021 года объявила о выходе на рынок решений для электроэнергетики с портфелем продуктов под брендом GS Electric. Флагманский продукт представленного направления бизнеса — суперконденсатор на базе собственных инновационных разработок, произведенный из российских компонентов. По данным GS Group, компания уже инвестировала в разработку технологий, лежащих в основе устройства, более 200 млн рублей.

Суперконденсатор GS Electric

GS Group разрабатывает и производит суперконденсаторы под брендом GS Electric с двойным электрическим слоем в инновационном кластере «Технополис GS» (инвестиционный проект холдинга в г. Гусеве Калининградской области). Это устройство — результат многолетних научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ предприятия «Наноуглеродные материалы» (НУМ) в составе «Технополиса GS».

По сравнению с другими суперконденсаторами, представленными на отечественном рынке, скорость отдачи энергии устройств под брендом GS Electric — 0,3 секунды — в 3,5 раза выше. Это достигается благодаря ноу-хау предприятия НУМ: в основе суперконденсаторов — наноуглеродный материал в виде углеродной ткани, пояснили в GS Group. Разработка позволяет аккумулировать больший заряд электроэнергии по сравнению с аналогичными устройствами, в которых применяется углеродный порошок. Первые образцы суперконденсаторов GS Electric могут обеспечивать кратковременные токовые значения в диапазоне до 700 Ампер, утверждают в компании.

Все компоненты суперконденсаторов разрабатываются и производятся в России из отечественного сырья и имеют невысокую себестоимость. В конструкции суперконденсаторов GS Electric используются водные электролиты — экологичные, пожаро- и взрывобезопасные — в отличие от органических, которые применяются в большинстве представленных на мировом рынке устройств. Благодаря этому суперконденсаторы безопасны для здоровья людей и окружающей среды: их можно использовать в людных местах, в том числе в учреждениях здравоохранения, пассажирском и коммерческом транспорте, — утверждают в GS Group.

Среди потенциальных заказчиков суперконденсаторов GS Electric — производители электрического и гибридного транспорта, предприятия, использующие источники аварийного и бесперебойного питания (больницы, телекоммуникационные компании), домохозяйства и социальные объекты. Устройства востребованы у производителей систем электрогенерации на базе возобновляемых источников энергии, генерирующих компаний, а также электросетевых организаций для выравнивания графиков нагрузки потребителей электроэнергии. Большой потенциал — у сегмента электрического и гибридного транспорта, оценили в компании.

Мы рады представить на рынке наработанные за несколько лет компетенции в области электроэнергетики. Бренд GS Electric объединит инновационные разработки GS Group в сфере накопления и сохранения электрической энергии, а также системы внутреннего и уличного освещения, которые производит (в составе «Технополиса GS»), и другие смежные направления. В течение двух лет мы запустим в «Технополисе GS» опытное мелкосерийное производство линейки суперконденсаторов GS Electric различной емкости и назначения, а также сопутствующего оборудования (зарядных устройств в разных форм-факторах, адаптеров и прочего). Для коммерциализации направления бизнеса GS Group готов инвестировать в партнерские проекты с предприятиями, развивающими технологии и производящими оборудование на основе суперконденсаторов и другие смежные решения, — заявил Андрей Безруков, директор по стратегическим проектам и коммуникациям GS Group.

Возможно, вам также будет интересно

Компания EPCOS производит большое количество ферритовых изделий самого различного назначения. Прежде всего отметим, что все ферритовые изделия делятся по своей структуре на три больших класса: никель-цинковые (NiZn); марганец-цинковые (MnZn); ферритовые полимерные композиционные материалы (FPC), имеющие распределенный воздушный зазор. Никель-цинковые ферриты отличаются меньшей по сравнению с марганец-цинковыми ферритами индукцией насыщения и, как правило, могут работать при

Многокристальные модули (MCM), применяемые в изделиях силовой электроники, таких как усилители мощности, инверторы и преобразователи DC/DC — бурно развивающееся направление электроники. Технология DBC (Direct Bond Copper — прямая медная металлизация) — технология с применением толстой медной фольги (0,125–0,7 мм), которая плакируется на оксид или нитрид алюминия. Создание топологии аналогично технологии травления печатных плат. Толстые медные

Новый делитель частоты с отладочной платой компании Centellax

Применение

Сфера применения ионисторов довольно обширна, но наиболее часто они используются как аварийный или резервный блок питания для таймера или микросхем памяти в различных устройствах, начиная от телефонов и заканчивая музыкальными центрами, телевизорами, видеокамерами и т.д.

Видео: эффективность в применении ионистора

Делались и довольно экзотические эксперименты по применению суперконденсаторов, в частности, на их основе пытались создать гаусс оружие (электромагнитную пушку).

Типичная схема включения суперконденсаторов, как источников питания, показана на рисунке.

Схема подключения резервного питания

Обозначение на схеме:

U – подключение к основному источнику питания;

D1 – диод, не допускающий утечки заряда ионистора, когда отсутствует основное питание;

R1 – резистор, служит для двух целей:

• ограничение тока зарядки;
• исключает перегрузку основного источника питания во время включения напряжения;

C – резервный источник питания на базе ионистора;

Rn – сопротивление нагрузки.

Заметим, что без резистора (обозначение на схеме — R1) можно обойтись, если характеристики источника питания допускают кратковременное повышение тока нагрузки до 250 мА.

Помимо приведенного примера использования в быту, ионисторы могут применяться, чтобы подключить светодиод в маломощном фонарике, при этом зарядка может производиться от энергии солнечной батареи.

Приведем еще один распространенный пример использования данного устройства для запуска двигателя автомобиля. Схема подобной реализации показана на рисунке.

Схема: пусковое устройство для двигателя автомобиля

Данная схема может быть реализована на любом легковом автомобиле, где напряжение бортовой сети 12V, обозначения на рисунке:

• 1,2, 3 – клеммы подключения (1  к положительному контакту АКБ, 2 – к отрицательному, 3 соединяется с  замком зажигания);
• Кс – замок зажигания;
• B1 – АКБ автомобиля;
• K1, K1.1 – контактор и его управляющий ключ;
• С  — суперконденсатор;
• Rc – резистор, ограничивающий ток зарядки ионистора С.

В схеме используется суперконденсатор (маркировка: 12ПП-15/0,002), у которого следующие характеристики:

• максимальное номинальное напряжение – 15В;
• емкость – 216Ф;
• величина внутреннего сопротивления – 0,0015 Ом;
• номинальный ток – 2кА.

Перечисленных выше характеристик будет достаточно для запуска двигателя мощностью до 150 л.с. Время зарядки ионистора — не более 5 секунд, после включения стартера в течение первых нескольких секунд основная токовая нагрузка будет идти на суперконденсатор, поскольку внутренне сопротивление у АКБ больше.

Подобное пусковое устройство, в котором используется ионистор, можно купить готовое, но сделать своими руками обойдется значительно дешевле.

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.

Самостоятельное изготовление элемента

При необходимости иметь низковольтный источник питания большой емкости и нежелание платить довольно большую сумму за ионисторовый конденсатор, его можно изготовить своими руками практически из подручных средств. Для самодельного элемента потребуется:

• металлический тонкостенный цилиндр для корпуса (может подойти алюминиевая банка из-под газировки или пива);
• два медных диска малой толщины и диаметра, соизмеримого с корпусом:
• активированный уголь или угольный стержень;
• раствор из обычной поваренной соли (из расчета 25 грамм соли на 100 грамм воды).

Порядок работ по собственноручному изготовлению следующий: угольный порошок смешивают с солевым раствором до консистенции пасты, наносимой на оба медных диска в одинаковом количестве. Потом между дисками помещают немного ваты для разделения электродов и исключения короткого замыкания между ними, заливают электролит (солевой раствор) и запечатывают края банки. Для удобства к медным дискам-электродам припаивают контактные выводы. Самодельный ионисторовый конденсатор готов к применению. Его ориентировочная емкость может составлять от 0,3 до 0,5 Фарад.

Ионисторы — это автономные источники питания, которые не получили широкого применения из-за наличия нескольких серьезных недостатков. Несмотря на это, в некоторых случаях использование ионистора будет отличным решением. Чтобы понять суть его работы, можно сначала попробовать изготовить его самостоятельно, а уж потом решаться на покупку.

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

Как зарядить ионистор

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

Пример подключения для зарядки

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

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

Характеристики суперконденсатора

Суперконденсатор (иногда также называемый ультраконденсатором или ионистором) — это особый тип электролитического конденсатора, который отличается гораздо большей емкостью по сравнению с классическими. По характеристикам суперконденсаторы располагаются между классическими конденсаторами и Li-Ion батареями. В зависимости от метода изготовления есть несколько типов суперконденсаторов, но все они отличаются кроме высокой емкости, высокой плотностью энергии, способностью к быстрой зарядке и низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Недостатком суперконденсаторов является низкий диапазон рабочих напряжений, обычно не превышающий 3,3 В. В таблице ниже приведено сравнение основных параметров.

• Суперконденсатор: максимум ёмкости 12000 F, плотность энергии 5 мВт/гр
• Танталовый конденсатор: максимум ёмкости 25 F, плотность энергии 0,1 мВт/гр
• Литий-ионная батарея: максимум ёмкости 1200 F, плотность энергии 150 мВт/гр

Особенно важный параметр — плотность энергии, которая выражается в количестве энергии, которое может храниться в элементе определенной массы. Суперконденсатор может накапливать в 10 раз больше энергии, чем классический конденсатор тех же размеров, поэтому его можно более использовать в качестве резервного источника, способного обеспечивать схему в течение короткого периода времени. Ионисторы накапливают энергию намного менее эффективно, чем литий-ионные батареи (в несколько раз меньшая плотность энергии), зато они способны намного быстрее заменить ее — для них характерна гораздо более высокая удельная мощность. Благодаря этому процесс зарядки суперконденсатора может длиться несколько секунд, а во время работы можно добиться очень высоких значений тока.

Благодаря своим характеристикам суперконденсаторы находят применение во многих областях, в том числе в бытовой электронике, автомобилестроении и энергетике. Они являются основным элементом установленных на транспортных средствах систем рекуперации энергии торможения, а в ветровых и солнечных генераторах используются для стабилизации выходного напряжения. Их также можно найти в фотоаппаратах, где они служат источником питания для ламп-вспышек. Функционально суперконденсаторы могут быть электронным эквивалентом маховика (устройством, используемым в механике для кратковременного хранения энергии).

Отличия ионисторов от аккумуляторов

Суперконденсаторы иногда называют промежуточным звеном между конденсаторами и аккумуляторами. На самом деле это не совсем верно. Ионистор по своей сути – это все же конденсатор.

Внешний вид ионисторов.

Принцип работы любого аккумулятора основан на обратимых электрохимических реакциях. При зарядке они идут в одну сторону, при разрядке – в обратную. Так, в свинцово-кислотной автомобильной батарее под действием зарядного напряжения сульфат свинца и вода реагируют с образованием свинца, оксида свинца и серной кислоты. Под действием разрядного тока происходит обратная реакция. Количество циклов заряд-разряд ограничивается образованием сульфата свинца, постепенно покрывающего пластины, и коррозией металлических элементов.

Электрохимические реакции в свинцово-кислотной батарее.

Иное дело конденсатор. В общем случае в нем электрохимических реакций не происходит. Прибор состоит из двух пластин (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, причем форма обкладок может быть различной. Для компактности конденсаторы часто изготавливают в виде двух полосок фольги, разделенных диэлектриком и свернутых в плоский или круглый рулон.

Заряд накапливается на пластинах под действием приложенного электрического поля. При этом не происходит химических реакций, не происходит расхода и преобразования реагентов, пластины и диэлектрик не деградируют во время накопления и отдачи энергии.

Емкость конденсатора зависит от трех составляющих:

• свойств диэлектрика;
• площади обкладок (чем она больше, тем больше емкость);
• расстояния между пластинами (чем оно меньше, тем больше емкость).

Параметры, от которых зависит емкость конденсатора.

Отсюда пути для увеличения емкости:

• увеличение площади обкладок;
• уменьшение расстояния между ними.

Совершенствование диэлектрических свойств изолятора – путь не очень перспективный, прорывов здесь ожидать сложно. Создатели ионисторов достигли цели с помощью первых двух способов.

Расстояние между обкладками удалось радикально сократить путем применения двойного электрического слоя. В нем обкладками служат ионы – носители противоположного заряда, группирующиеся на границе раздела металл-электролит. Расстояние между ними крайне мало по сравнению с обычными конденсаторами и даже с оксидными. Вообще, принципы построения ионистора схожи с принципами оксидного конденсатора. Суперконденсатор получил от оксидников некоторые «наследственные болезни», например, небольшое (даже меньшее – в пределах 2..10 вольт) рабочее напряжение. Более высокий уровень тонкий слой межобкладочного «диэлектрика» не выдерживает.

Принципиально большую площадь обкладок удалось получить применением пористого материала. Обычно применяется активированный уголь или вспененный металл. В итоге емкость ионисторов может достигать несколько сотен фарад. Это очень большая величина – для сравнения, земной шар имеет электрическую емкость около 1 Ф. Причем заряжать такой суперкоденсатор можно большими токами. В результате процесс может занять секунды или минуты.

Распределение заряженных частиц в суперконденсаторе.

На практике анод и катод разделяют сепаратором. Это позволяет выполнить ионистор в виде рулона или в виде многослойной конструкции и избежать короткого замыкания между электродами. В процессах запасания и отдачи энергии сепаратор не участвует.

Конструкция многослойного ионистора.

Существует другой тип ионисторов – псевдоконденсаторы. Они по своему принципу работы ближе к аккумуляторам, потому что для накопления заряда также используют обратимые электрохимические процессы. Основное отличие электрохимических конденсаторов от АКБ в том, что реакции идут только на поверхностном слое, за счет этого скорость пополнения запаса энергии ближе к конденсаторам. От аккумуляторов же унаследована склонность к электрохимической деградации элементов конструкции. Это приводит к сокращению периода эксплуатации. Такой суперконденсатор выдерживает порядка десятков тысяч циклов заряд-разряд, в отличие от сотен тысяч для обычных ионисторов (они в теории имеют бесконечное время жизни). Зато у псевдоконденсаторов большая удельная емкость и они считаются более перспективными в плане развития технологии.

Видео-эксперимент с питанием шуруповерта от конденсаторов.