Ионистор

Супер-конденсаторы (ионисторы) серии MC2600 фирмы Maxwell Technologies, ёмкостью 2600 фарад.

Иони́стор (суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор, англ. EDLC, Electric double-layer capacitor) в электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.

Концепция

Сравнение конструктивных схем трёх конденсаторов. Слева: «обычный» конденсатор, в середине: электролитический, справа: ионистор

В связи с тем, что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) крайне мала, запасённая ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. К тому же, использование двойного электрического слоя вместо обычного диэлектрика позволяет намного увеличить площадь поверхности электрода. Типичная ёмкость ионистора в несколько фарад, при номинальном напряжении 2в10 вольт.

История создания

Первый конденсатор с двойным слоем на пористых угольных электродах был запатентован в 1957 году фирмой General Electric . Так как точный механизм к тому моменту времени был не ясен, было предположено, что энергия запасается в порах на электродах, что и приводит к образованию «исключительно высокой способности накопления заряда». Чуть позже, в 1966 фирма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA запатентовала элемент, который сохранял энергию в двойном слое..

Столкнувшись с фактом небольшого объёма продаж, в 1971 году SOHIO передала лицензию фирме NEC, которой удалось удачно продвинуть продукт на рынке под именем «Supercapacitor» (Суперконденсатор). В 1978 году фирма Panasonic выпустила на рынок «Gold capacitor» («Gold Cap») «Золотой конденсатор», работающий на том же принципе. Эти конденсаторы имели относительно высокое внутреннее сопротивление, ограничивающее отдачу энергии, так что эти конденсаторы применялись только как накопительные батареи для SRAM.

Первые ионисторы с малым внутренним сопротивлением для применения в мощных схемах были разработаны фирмой PRI в 1982 году. На рынке эти ионисторы появились под именем «PRI Ultracapacitor».

Типы ионисторов

Существующие типы ионисторов, несмотря на большое их разнообразие, подразделяют на три типа:

1) Ионисторы с идеально поляризуемыми углеродными электродами ("идеальный" ионистор, ионный конденсатор). Электрохимическая схема:

 С / 30% водный раствор КОН / С +;
 С / 38% водный раствор Н2SO4 / C +;
 C / Органический электролит / С +.

В этом типе ионисторов на электродах в рабочем интервале напряжений не протекают электрохимические реакции, накопление энергии происходит за счет ионного переноса между электродами.

2) Ионисторы с идеально поляризуемым углеродным электродом и неполяризуемыми или слабо поляризуемыми катодом или анодом («гибридные» ионисторы). Электрохимическая схема:

 Ag / Твердый электролит RbAg4I5 / C +;
 С / 30% водный раствор КОН / NiОOH +

В этом типе ионисторов на одном из электродов (катоде или аноде) протекает электрохимическая реакция (аналогично аккумуляторам), поэтому их иногда называют гибридными суперконденсаторами.

3) Псевдоконденсаторы в это ионисторы, на поверхности электродов которых при заряде и разряде протекают обратимые электрохимические процессы (хемосорбция или интеркаляция ионов, содержащихся в электролите). Отличаются сверхвысокой емкостью (единицы и десятки килофарад на грамм). Электрохимическая схема:

 Ni(H) / 30% водный раствор КОН / NiОOH +;
 С(Н) / 38% водный раствор Н2SO4 / PbSO4(РbO2) + .

По принципу накопления энергии псевдоконденсаторы можно отнести как к ионисторам (если энергия накапливается только в поверхностном слое электродов), так и к аккумуляторам (если энергия накапливается еще и в объеме электродов). Включение псевдоконденсаторов в электрическую цепь может существенно повысить удельную мощность химических источников тока.

Сравнения

С появлением ионисторов стало возможным использовать конденсаторы в электрических цепях не только как преобразующий элемент, но и как источник напряжения. 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 в гальваническими элементами и аккумуляторами:

Недостатки

• Удельная энергия меньше, чем у аккумуляторов (5-12 Вт·ч/кг при 200 Вт·ч/кг для литий-ионных аккумуляторов).
• Напряжение зависит от степени заряженности.
• Возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании.
• Значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд: порядка 1 мкА у ионистора 2 Ф × 2,5 В.

Преимущества

• Высокие скорости зарядки и разрядки.
• Простота зарядного устройства
• Малая деградация даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда.
• Малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной ёмкости
• Низкая токсичность материалов.
• Высокая эффективность (более 95 %).
• Неполярность (хотя на ионисторах и указаны «+» и «в», это делается для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе).

Материалы

Электроды выполняют, как правило, путём использования пористых материалов, таких, как активированный уголь или вспененные металлы, вместо обычных изоляционных материалов. Общая площадь поверхности, даже в тонком слое такого материала во много раз больше, чем в традиционных материалах, таких как алюминий, что позволило хранить заряд в любом объеме. Уголь не является хорошим изолятором, поэтому ионистор можно использовать только при низких потенциалах, порядка 2÷3 В.

Плотность энергии

Плотность энергии ионисторов пока еще в несколько раз меньше возможностей аккумуляторов. Например, плотность энергии ионистора BCAP3000 3000Ф x 2.7В массой 0.51 кг составляет 21.4 кДж/кг. Это в 7.6 раз меньше плотности энергии свинцовых электролитических аккумуляторов, в 25 раз меньше литий-полимерных аккумуляторов, но в десятки раз больше плотности энергии электролитического конденсатора.

Плотность мощности ионистора зависит от внутреннего сопротивления. В последних моделях ионисторов внутреннее сопротивление достаточно мало, что позволяет получать мощность, сравнимую с аккумуляторной.

В 1997 году исследователи из CSIRO разработали супер-конденсатор, который мог хранить большой паллетный заряд за счёт использования плёночных полимеров в качестве диэлектрика. Электроды были изготовлены из углеродных нанотрубок. У обычных конденсаторов удельная энергия составляет 0,5 Вт·ч/кг, а у конденсаторов PET она была в 4 раза больше.

В 2008 году индийские исследователи разработали опытный образец ионистора на основе графеновых электродов, обладающий удельной энергоёмкостью до 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30в40 Вт·ч/кг) .

В 2011 году корейские ученые под руководством профессора Чой Джунг Вук (Choi Jung-wook) разработали суперконденсатор, изготовленный с применением графена и азота, обеспечивающий удвоенную емкость по сравнению с традиционными источниками энергии того же класса. Улучшение электрических свойств элемента питания было достигнуто благодаря добавлению азота.

Использование

Транспортные средства

Автомобильный

Ё-мобиль - проект автомобиля, разрабатываемый в России, использует суперконденсатор как основное средство для накопления электрической энергии. Сами эти конденсаторы пока не выпускаются серийно и разрабатываются параллельно с автомобилем.

Существуют проекты, объединяющие суперконденсатор и химический аккумулятор в едином блоке, что взаимно компенсирует недостатки тех и других. В результате получается накопитель с большим сроком службы, меньшей стоимостью и большим запасом энергии, чем при использовании обычных аккумуляторов.

Автогонки

Система KERS, некоторое время применявшаяся в «Формуле-1», использовала именно ионисторы.

Бытовая электроника

Применяются для основного и резервного питания в фотовспышках, фонарях, карманных плеерах и автоматических коммунальных счётчиках в везде, где требуется быстро зарядить устройство. Лазерный детектор рака молочной железы на ионисторах заряжается за 2,5 минуты и работает 1 минуту.

В 2007 году выпустили шуруповёрт, в котором ионисторы общей ёмкостью 55 фарад заряжаются 1,5 минуты. Заряда хватает на 22 шурупа (по сравнению с 37 у шуруповёрта аккумуляторного).

Перспективы развития

Срок службы ионисторов велик. Проводились исследования по определению максимального числа циклов заряд-разряд. После 100 000 циклов не наблюдалось ухудшения характеристик. Согласно недавним заявлениям сотрудников MIT, ионисторы могут в скором времени заменить обычные аккумуляторы. Кроме того, в 2009 году были проведены испытания аккумулятора на основе ионистора, в котором в пористый материал были введены наночастицы железа. Полученный двойной электрический слой пропускал электроны в два раза быстрее за счет создания туннельного эффекта. Группа учёных из Техасского университета в Остине разработала новый материал, представляющий собой пористый трёхмерный углерод. Полученный таким образом углерод обладал свойствами суперконденсатора. Обработка вышеописанного материала гидроксидом калия привела к созданию в углероде большого паллетного количества крохотных пор, которые в сочетании с электролитом смогли хранить в себе колоссальный электрический заряд.

См. также

• Конденсатор
• Honda FCX Clarity
• Туннельный эффект
• Список новых перспективных технологий

Ссылки

• Параметры отечественных ионисторов
• Суперконденсаторы для электротранспорта в Дмитрий Спицын

В статье «Поедем на конденсаторе» (впервые опубликованной в журнале «Юный Техник» за декабрь 1990 года) приведен рецепт изготовления ионистора (там он назывался «ИОНИКС») своими руками для модели лодки с мотором.

• В Киеве делают самые ёмкие в мире суперконденсаторы
• В.Шурыгина. Суперконденсаторы. Помощники или возможные конкуренты батарейным источникам питания  (рус.). Журнал «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес», Выпуск в„– 3/2003. Проверено 20 июля 2010.