Суперконденсатор: большой конденсатор вместо батареи

Характерные отличия

Помимо уже перечисленных выше преимуществ, суперконденсатор характеризуется более высокой, чем батареи, удельной емкостью, что позволяет использовать его в качестве источника питания, например, в электромобилях. Благодаря уникальным энергетическим свойствам заметно сокращается время заряда этого электролизера (то же самое можно сказать и о периоде разряда).

Дополнительная информация. Эти свойства позволяют использовать конденсаторы большой емкости в современных источниках возобновляемой энергии (солнечные батареи, ветрогенераторы и др.).

В процессе эксплуатации можно добиться более экономичного режима работы за счет возможности аккумулирования избыточной энергии, получаемой от энергоисточников.

Внешне суперконденсатор выглядит как обычный элемент с двумя электродами, используемый вместо аккумулятора.

Внешний вид СК

Как и батарея, он также содержит электролит во внутренних полостях, которые при взаимодействии с пластинами вырабатывают электричество.

Электрофорус

Так Вольта занялся изучением модели природных процессов. Первый электрофорез появился в 1762 году, его разработал Йохан Карл Вильке. Устройство стало очень популярным после докладов Вольта перед Королевским научным обществом (середина 70-х годов XVIII века). Вольта дал устройству его нынешнее название.

Тип электрофореза

Электрофорус способен накапливать электростатический заряд, образующийся при трении резины с куском шерсти. Состоит из двух плоских параллельных пластин:

• Нижний — тонкая резинка. Толщина выбирается исходя из эффективности устройства. Если выбрать кусок потверже, значительная часть энергии будет аккумулироваться внутри диэлектрика для ориентации молекул. Что отмечается в современных плоских конденсаторах, где диэлектрик помещен для увеличения электрической емкости.
• Тонкая стальная верхняя пластина помещается сверху, когда заряд уже накоплен за счет трения. За счет удара по верхней поверхности образуется избыток отрицательного заряда, который отводится к заземлителю, так что при разъединении двух пластин взаимной компенсации не происходит.

Принцип работы плоского конденсатора уже ясен. Оператор натирает резину шерстью, оставляя на ней отрицательный заряд.

Сверху кладется кусок металла. Из-за значительной шероховатости поверхностей они не соприкасаются, а находятся на расстоянии друг от друга. В результате металл электризуется при ударе. Электроны отталкиваются от поверхностного заряда резины и уходят во внешнюю плоскость, где оператор легким мгновенным прикосновением удаляет их через заземлитель.

Нижняя часть металлического вкладыша остается положительно заряженной. Когда две поверхности разделены, этот эффект сохраняется, и в материале наблюдается дефицит электронов. И искра заметна, если дотронуться до металлической накладки.

Этот эксперимент разрешено проводить сотни раз на одном заряде резины, ее статическое сопротивление на поверхности чрезвычайно велико. Это не позволяет заряду распространяться. Демонстрацией описанного опыта Вольта привлек внимание ученого мира, но исследования не продвинулись вперед, если не считать открытия Шарля Кулона.

В 1800 году Алессандро дал толчок развитию исследований в области электричества, изобретя знаменитый источник гальванической энергии.

Плюсы и минусы

Выбирать суперконденсаторы стоит из-за следующих преимуществ:

1. Зарядка и разрядка происходят быстро. Их можно использовать, когда нет возможности питать аккумулятор из-за длительной зарядки.
2. Ионисторы имеют большое количество циклов заряда-разряда по сравнению с другими устройствами.
3. Для зарядки не требуются специальные устройства, что облегчает обслуживание.
4. Устройства легче аккумуляторов и меньше по размеру.
5. Широкий диапазон рабочих температур от -45 до 70 градусов.
6. Долгий срок службы по сравнению с перезаряжаемыми батареями.
7. Высокие значения емкостной плотности и эффективности разрядных циклов.
8. Экологичность, долговечность и надежность.
9. Отличные удельные мощностные параметры.
10. Допускается полная разрядка.

Некоторые недостатки вызывают трудности в эксплуатации:

1. Дорогие товары.
2. Низкая характеристика номинального напряжения. Чтобы справиться с проблемой, требуется последовательное соединение нескольких элементов.
3. При несоблюдении температурного режима устройство может быстро выйти из строя.

Устройство должно быть защищено от коротких замыканий, так как это может привести к повышению температуры. В результате элемент подлежит замене.

Краткие сведения о компании VINATech

Качество аккумуляторов (аккумуляторов, суперконденсаторов, конденсаторов) практически полностью определяется качеством материалов и соблюдением технологии. По этой причине к новичкам на этом рынке относятся с осторожностью. Такое же отношение может возникнуть и к VINATech, поэтому необходимо сказать несколько слов об этом производителе.

Южнокорейская компания VINATech только сейчас выходит на российский рынок, хотя в мире является одним из лидеров отрасли. С момента своего основания в 1999 году VINATech является инновационным производителем. На сегодняшний день компании удалось зарегистрировать 183 патента, касающихся конструктивных особенностей суперконденсаторов, используемых материалов и технологий изготовления.

В 2002 году компания VINATech успешно завершила разработку собственной технологии углеродных нанотрубок CNF (Carbon Nano Fiber), после чего быстро запустила производство суперконденсаторов, гибридных конденсаторов и модулей под общим названием Hy-Cap.

С 2011 года VINATech запустил производство специализированной продукции: элементы топливных элементов, угольные фильтры и другие.

Рассмотрим подробнее технологии и функции аккумуляторов, предлагаемых компанией.

Суперконденсатор своими руками

Можно сделать суперконденсатор своими руками. Поскольку конструкция состоит из электролита и электродов, нужно определиться с материалом для них. Для электродов вполне подходят медь, нержавеющая сталь или латунь. Например, можно взять пятикопеечную старинную монету. Также понадобится угольный порошок (можно купить в аптеке активированный уголь и размолоть его). В качестве электролита «сгодится» обычная вода, в которой нужно растворить поваренную соль (100:25). Раствор смешивают с угольным порошком до образования шпаклевочной консистенции. Теперь необходимо нанести слой в несколько миллиметров на оба электрода.

Осталось подобрать разделяющую электроды прокладку, через поры которой электролит будет проходить свободно, а вот угольный порошок будет висеть. Для этих целей подойдет стекловолокно или поролон.

Электроды — 1,5; углерод-электролитное покрытие — 2,4; упаковка — 3.

В качестве кожуха можно использовать пластиковую коробку, предварительно просверлив в ней отверстия для проводов, припаянных к электродам. Подсоединив провода к аккумулятору, ждем, пока зарядится конструкция «ионикс», названная так потому, что на электродах должна образоваться разная концентрация ионов. Проще проверить заряд вольтметром.

Есть и другие способы. Например, с помощью оловянной фольги (стальной фольги — обертки от шоколада), кусочков жести и вощеной бумаги, которую можно сделать самостоятельно, нарезав и окунув полоски папиросной бумаги в растопленный, но не кипящий керосин на пару минут. Ширина полос должна быть пятьдесят миллиметров, а длина от двухсот до трехсот миллиметров. После снятия полосок с парафина необходимо соскоблить парафин тупой стороной ножа.

Пропитанная парафином бумага складывается в виде гармошки (как на рисунке). С обеих сторон в прорези вставлены стальные пластины, соответствующие размеру 45×30 миллиметров. После подготовки заготовки ее складывают, а затем проглаживают горячим утюгом. Остальные концы рамы соединяются друг с другом снаружи. Для этого можно использовать картонные листы и латунные листы с жестяными зажимами, к которым потом припаиваются проводники, чтобы можно было припаять конденсатор при сборке.

Емкость конденсатора зависит от количества стальных пластин. Например, она равна одной тысяче пикофарад при использовании десяти таких листов и двум тысячам при удвоении количества. Эта технология пригодна для производства конденсаторов емкостью до пяти тысяч пикофарад.

Если требуется большая емкость, необходимо иметь старый бумажный микрофарадный конденсатор, представляющий собой рулон ленты, состоящий из полосок вощеной бумаги, между которыми помещена полоска стальной фольги.

Для определения длины полосок используйте формулу:

l = 0,014 Кл/а, где емкость требуемого конденсатора в пФ равна С; ширина полосы в см — а: длина в см — 1.

Размотав полоски нужной длины от старого конденсатора, отрезают 10 мм фольги со всех сторон, чтобы пластины конденсатора не соединились друг с другом.

Снова ленту нужно свернуть, но предварительно припаяв к каждой полоске фольгой многожильные провода. Сверху конструкция обклеивается плотной бумагой, а по торчащим краям бумаги замыкаются два монтажных провода (жестких), к которым с внутренней стороны гильзы припаиваются бумажные провода от конденсатора (см фигура). Завершающим этапом является заливка конструкции керосином.

Конструктивные особенности ионистра

По сути, это обычный конденсатор с большой емкостью. Но ионисторы имеют большое сопротивление, потому что в основе элемента лежит электролит. Это первый. Другое дело — маленькое зарядное напряжение. Дело в том, что в этом суперконденсаторе пластины расположены очень близко друг к другу. Именно в этом причина пониженного напряжения, но именно по этой причине увеличивается емкость конденсатора.

Заводские ионизаторы изготавливаются из разных материалов. Вкладыши обычно изготавливаются из фольги, которая закрывает сухой материал в процессе разделения. Например, активированный уголь (для больших пластин), оксиды металлов, полимерные вещества, обладающие высокой электропроводностью.

Особенности конструкции и производители

Плотность тока

Электроды этого изделия изготовлены из специального пористого материала, покрытого тонким слоем активированного угля. В качестве электролитического состава используют смеси неорганического или органического происхождения. Основные отличия от обычного конденсатора заключаются в следующем:

• Между пластинами в этом изделии не обычный диэлектрический слой, а вдвое толще, что позволяет получить очень тонкий зазор. Такая конструкция дает возможность накапливать электроэнергию в больших объемах (электрическая мощность при этом значительно возрастает);
• Кроме того, суперконденсатор, в отличие от других образцов, довольно быстро накапливает и расходует заряд;
• За счет использования двойного диэлектрического слоя увеличивается общая площадь электродов, при этом размеры остаются прежними. При этом заметно улучшились технические свойства продукта.

К особенностям этих конденсаторов, появившихся в 1962 г., следует отнести и энергетическую структуру их электродов, один из которых имеет электронную проводимость, а другой — так называемую «ионную». В результате в процессе заряда происходит разделение противоположных по знаку зарядов, что приводит к накоплению на обкладках положительного и отрицательного потенциалов (см рисунок).

Разделение зарядов в СК

В 1971 году известная японская компания NEC получила лицензию на производство этой уникальной продукции, освоив на тот момент практически все электротехнические направления. Именно ей удалось продвинуть и окончательно утвердить на рынке электронной продукции уникальную технологию производства суперконденсаторов. С 2000-х годов он успешно осваивается практически во всех экономически развитых странах мира.

Повышенная надёжность

Высыхание электролита, ошибка производителя или обрыв контакта при монтаже — и электролитический конденсатор уже не воин в поле. Если одному из десяти не повезет, потеря бойца отделение не заметит.

Упомяну еще об одном, вполне опытном, но все же факторе риска для больших электролитов: очень высок шанс отломать, или повредить и не заметив этого, крепления/разъемы — и провода толстые, и сам конденсатор большой и создает большее усилие при всевозможных ускорениях (вибрациях). При этом разводка маленьких конусов на печатную плату ни у кого не вызывает особых затруднений.

В 10 раз больше энергии на единицу объема!

Команда из Университетского колледжа Лондона и Китайской академии наук опубликовала исследование и доказательство концепции новой конструкции суперконденсатора, в которой используются пленки из графенового ламината и основное внимание уделяется межслоевому промежутку. Исследователи обнаружили, что они могут резко увеличить плотность энергии, точно сопоставив размеры пор в мембранах с размером ионов электролита.

Общий дизайн и процесс изготовления суперконденсатора на основе электрохимически адаптированной трехмерной решетки восстановленного оксида графена

Команда утверждает, что с помощью этой конструкции было достигнуто значительное увеличение объемной плотности энергии. В то время как аналогичные коммерческие технологии быстрой зарядки обычно предлагают около 5-8 ватт-часов на литр, новая разработка была протестирована на рекордных 88,1 Втч / л. Команда утверждает, что это «самая высокая плотность энергии, когда-либо зарегистрированная для углеродного суперконденсатора».

Графеновые суперконденсаторы очень гибкие. При тестировании суперконденсатор мог функционировать примерно одинаково, независимо от того, лежал он горизонтально или был согнут на 180 градусов.

Материалы

Основным материалом для СК является активированный уголь в измельченном состоянии. Из него формируют электроды ионисторов. Общая площадь поверхности гранул позволяет концентрировать большой электрический потенциал.

Техническая реализация

Суперконденсатор состоит из двух пластин из активированного угля, заполненных электролитом. Между ними размещена мембрана, которая пропускает электролит, но препятствует физическому перемещению частиц активированного угля между пластинами.

Следует отметить, что сами суперконденсаторы не имеют полярности. В этом они принципиально отличаются от электролитических конденсаторов, которым, как правило, присуща полярность, несоблюдение которой приводит к выходу из строя конденсатора. Однако полярность также применяется к суперконденсаторам. Это связано с тем, что с конвейера завода суперконденсаторы сходят уже заряженными, маркировка означает полярность этого заряда.

Низковольтные конденсаторы для силовой электроники

К низковольтным (относительно, конечно — «всего» 230…1000 В) применениям конденсаторов относится прежде всего компенсация падений напряжения и фильтрация гармоник в системах, использующих токи промышленной частоты (50…60 Гц). Предназначены для работы в диапазоне напряжений 230…1000 В с уровнями энергии порядка 2,5…56,2 кВАр для алюминиевых корпусов и до 500 кВАр в стальном корпусе. Выпускается сериями для внутреннего применения — ФМКД и для уличных условий — ФМКДг.

К преимуществам относятся низкий коэффициент потерь, компактные размеры, хороший отвод избыточного тепла, большая наработка на отказ (более 150 000 часов), соответствие стандартам EN 60831/1 и 2, EIC 60831/1 и 2.

Особенности применения суперконденсаторов

Суперконденсатор можно использовать в системе питания:

• как основной элемент питания;
• в качестве резервной батареи;
• в качестве буферного компонента в сочетании с аккумулятором или батареей.

Суперконденсатор в качестве основной батареи. В последнее время суперконденсаторы и гибридные конденсаторы все чаще рассматриваются в качестве основной батареи в различных приложениях. Этому способствуют:

• распространение комбайнов энергии, таких как вибрационные комбайны, тепловые генераторы, солнечные батареи и так далее;
• разработка беспроводных систем передачи электроэнергии, включая RFID (радиомаяки);
• создание микросхем сверхмалой мощности;
• разработка самих суперконденсаторов, особенно увеличение удельной емкости.

В результате современная элементная база позволяет создавать маломощные устройства, обходящиеся без аккумулятора. Примерами таких устройств являются автономные датчики, в том числе с поддержкой Bluetooth Low Energy. Не стоит забывать, что суперконденсаторы, в отличие от элементов химического тока, могут работать при отрицательных температурах, что также немаловажно для автономных датчиков.

Читайте также: Газонокосилка своими руками: варианты, чертежи, фото, инструкция по изготовлению

Однако широкому использованию суперконденсаторов в качестве основных аккумуляторов препятствуют высокий саморазряд и низкая емкость.

Суперконденсатор в качестве резервной батареи. Для ряда приложений требуется резервный или резервный источник питания. Резервирование необходимо, например, в системах сигнализации и аварийного освещения, черных ящиках в автомобилях и т.д. В качестве резервного источника суперконденсатор часто используется в слаботочных системах, где он используется во время сна, например, для питания таймера режима ожидания.

Суперконденсатор как буферный элемент. В этом режиме суперконденсатор работает параллельно с аккумулятором и выступает в роли буферного источника тока.

Преимущества этого режима работы вытекают из сравнения характеристик аккумуляторов и суперконденсаторов (табл. 4). Аккумуляторы имеют огромную емкость, но сильно ограничены по выходному току из-за высокого внутреннего сопротивления. Суперконденсаторы хоть и не могут похвастаться большой емкостью, но могут обеспечить огромный ток нагрузки. Таким образом, суперконденсатор и аккумулятор идеально дополняют друг друга.

Таблица 4. Сравнение суперконденсаторов и аккумуляторов

Параметр	Суперконденсаторы	Батареи
Механизм накопления	Хранение электростатического заряда	Химическое взаимодействие
Удельная мощность, Вт·ч/кг	3…5	20…150
Удельная мощность, кВт/кг	2…3	0,05…0,3
Время зарядки	Быстро 1…30 с	0,3…3 часа
Продолжительность жизни	более 500 000 циклов заряда-разряда, 10..50 лет	500…2000 циклов заряда-разряда, 10…50 лет
Эффективность заряда-разряда, %	90…95	70…85
Диапазон рабочих температур, °С	-40…70	-20…70

очевидно, что совместное использование аккумуляторов и суперконденсаторов во всех приложениях было бы как минимум финансово неоправданным, а также негативно сказалось бы на габаритах устройства. По этой причине этот режим чаще всего используется в четырех основных случаях.

• Когда батарея не в состоянии обеспечить ток импульсных токов, даже если она имеет достаточную емкость. Примером может служить использование мощной светодиодной вспышки на фотоаппарате. В штатном режиме потребление самой камеры оказывается достаточно скромным (сотни мА), но в момент срабатывания вспышки источник питания должен обеспечивать протекание значительного пульсирующего тока в единицы А .

  Аккумулятор не всегда может справиться с этой задачей. Но проблему просто решает суперконденсатор, который заряжается в периоды «затишья» и разряжается при срабатывании вспышки, снимая большую часть нагрузки с аккумулятора.

• Когда батарея способна выдерживать импульсные нагрузки, но наблюдаемое при этом падение напряжения недопустимо. Примером являются мобильные устройства, особенно приемопередатчики GPRS. Приемопередатчики GPRS класса 10 имеют ток покоя ок. 100 мА, а при передаче потребление увеличивается до 2 А (в 20 раз).

  Такие импульсы тока приводят к различным проблемам. В частности, наблюдается значительное падение напряжения на клеммах аккумулятора – ниже допустимого значения. В результате мобильное устройство отключается в момент слота передачи, несмотря на то, что батарея может быть разряжена лишь наполовину.

Если в таких случаях параллельно нагрузке поставить суперконденсатор, это позволит сгладить импульсы напряжения, обеспечив основную часть импульса тока. В результате на стороне нагрузки будут наблюдаться небольшие колебания, близкие к фактическому уровню напряжения батареи, и устройство отключится при более полной разрядке батареи. Таким образом, формально можно считать, что в рамках такого применения суперконденсатор продлевает срок службы аккумулятора.

• Когда необходима рекуперация энергии. Суперконденсаторы могут не только быстро высвобождать накопленную энергию, но и быстро ее запасать. Это свойство используется в системах рециркуляции, особенно в электромобилях и автомобилях с гибридными силовыми установками. Хотя в автомобиле есть собственная батарея, ее нельзя эффективно использовать для накопления огромной энергии, высвобождаемой, например, при торможении. Но суперконденсаторы идеально подходят для этого. Они запасают энергию во время торможения или скатывания с горки и отдают ее при первой же удачной возможности.

Ярким примером такого использования суперконденсаторов являются автомобили Формулы-1. Они используют системы рекуперации энергии KERS. Важность и эффективность этой системы доказывает тот факт, что без надежной работы KERS автомобили автоматически попадают в рейтинг аутсайдеров.

• Для расширения диапазона температур. Нагрузочная способность аккумуляторов резко снижается при понижении температуры ниже нуля, а падение напряжения от тока увеличивается. Использование суперконденсаторов позволяет запускать устройства даже при низких температурах. Таким образом, суперконденсаторы расширяют диапазон рабочих температур аккумуляторов, как это было раньше.

Следует отметить, что в большинстве рассмотренных случаев отдельные ячейки суперконденсаторов не могут быть подключены непосредственно к батарее. Это связано с несоответствием между уровнями напряжения и необходимостью ограничения зарядного тока.

По этой причине применяют ограничители тока и последовательное или параллельно-последовательное соединение ионисторов. Если принято решение о последовательном соединении, то не забывайте о важности балансировки ячеек, в частности нужно позаботиться о выравнивании напряжений. Если требуются многоячеечные модули, лучше брить сразу в VINATech.

Важно помнить, что EDLC Hy-Cap компании VINATech были первыми ионисторами с номинальным напряжением 3,0 В. Это позволяет подключать их напрямую к литий-диоксид-марганцевым батареям.

Виды суперэлектролитов

Все известные образцы электролитических изделий этого класса подразделяются на следующие виды:

• Двухслойные конденсаторные структуры (DSC);
• Гибридные электролитические ячейки;
• Псевдоконденсаторы.

Рассмотрим каждый из них немного подробнее.

Двухслойные конструкции имеют в своем составе два пористых электрода с токопроводящим углеродным покрытием, разделенных специальным составом (разделителем электролитов). Процесс накопления энергии в этих образованиях осуществляется за счет разделения противоположных по знаку зарядов, сопровождающегося образованием на электродах потенциалов значительной амплитуды.

На величину электрического заряда таких структур существенное влияние оказывает емкость двойного накопительного слоя, выполняющего функцию своеобразного поверхностного конденсатора. Между собой эти две системы хранения соединены в последовательную цепочку посредством объединяющего их электролита.

Дополнительная информация. В этом случае он играет роль проводника с ионным типом проводимости.

Гибридные электролиты можно отнести к переходным структурам, занимающим промежуточное положение между батареей и конденсатором. Выбор такого названия для этих изделий обусловлен тем, что электроды в них выполнены из материалов разного типа, вследствие чего характер накопления заряда несколько отличается.

Гибридный конденсатор

Обычно функцию катода в них выполняет материал с так называемой «псевдоемкостью», а процесс накопления заряда происходит за счет протекания окислительно-восстановительных реакций. Такая «архитектура» электролитов из этой группы позволяет увеличить общую емкость конденсатора, а также расширить диапазон допустимых напряжений.

В этих продуктах чаще всего используются сложные комбинации материалов электродов, которые представляют собой комбинацию проводящих полимеров особого типа (или смешанных оксидов). Продолжаются исследования других перспективных материалов (особенно композитов), получаемых осаждением оксидов металлов на углеродные основы или полимеры.

Псевдоконденсаторы по своим техническим характеристикам гораздо ближе к аккумуляторным батареям, имеющим два твердотельных электрода. Их действие основано на сочетании следующих двух механизмов:

• Процессы зарядки и разрядки (аналогичные реакциям, происходящим в обычных батареях);
• Взаимодействия электростатического характера присущи структурам с двойным электрическим слоем.

Приставка «псевдо» означает, что емкость этих элементов определяется не столько характером электростатических процессов, сколько зависимостью от реакций, связанных с переносом электролитических зарядов.

Принципы функционирования ионисторов

В ионисторах накопление энергии при заряде происходит за счет поляризации двойных электрических слоев (ДЭС) на границах анод-электролит и катод-электролит».

Гельмгольц впервые смоделировал двойной электрический слой в системах «электрод-электролит» в 1879 г и показал, что ДЭС по существу представляет собой конденсатор, одна из обкладок которого представляет собой заряженную поверхность электрода, а другая — слой ионов противоположного знака в электролите (ионный проводник).

Затем усилиями Гуи, Штерна и Фрумкина была создана классическая теория о строении и свойствах ДЭС в водных электролитах, положившая тем самым основу для создания различных электрохимических преобразователей энергии и информации (в том числе ионисторов). В частности, было обнаружено, что удельная емкость ДЭС очень велика (около 0,2 Ф/м2), а скачок потенциала в двойном электрическом слое может достигать величины 1 В и даже выше.

Другими словами, система «электронный проводник — ионный проводник» при определенных условиях ведет себя как конденсатор, то есть при прохождении тока через такую ​​систему происходит изменение межфазной разности потенциалов φ. Если эти изменения обратимы, то систему можно охарактеризовать емкостью, определяемой для идеального конденсатора по формуле:

С = Dφ/Dq,

где Dφ — изменение разности потенциалов на границе раздела, Dq — заряд, накопленный на границе раздела.

В концентрированных электролитах заряд формируется на границе избыточного электронного заряда (дырок) на поверхности металлического электрода и избыточного ионного заряда на стороне электролита.

Ионы электролита плотно прижаты к поверхности электрода как силами изображения, так и электростатическим притяжением поверхностного электронного заряда, так что расстояние между зарядами в двойном слое близко порядка радиуса иона. В электролитах ионы обычно сольватируются, незначительно увеличивая радиус.

Оценка диэлектрической проницаемости в области двойного слоя в системах «электронный проводник — ионный проводник» по формуле плоского конденсатора дает значение ε = 4,5, а для воды ε = 80:

Ε = справа. × δ/ε0 = = 0,2 × 2 × 10–10/8,85 × 10–12 = 4,5.

Низкое значение ε объясняется тем, что молекулы воды на границе раздела сильно поляризованы, а радиус гидратированных ионов принимается равным 2 Å.

Если в обычных конденсаторах заряды разделены диэлектриком, то в ДЭС разделение зарядов на границе раздела обусловлено термодинамической невозможностью или кинетической трудностью переноса заряда в рабочем диапазоне электродных потенциалов Δφ. Передаточное сопротивление R в этом случае может быть выражено как

R = Δφ/утечка.

В реальных системах ток утечки (Ileakage) отличен от нуля из-за наличия в электролите примесей или электродов с меньшим потенциалом разложения, а также из-за наличия электронной составляющей проводимости в ионных проводниках (электролитах).

Электрическую прочность ДЭС можно определить по формуле E = Δφ/δ. В разных типах ионисторов применяют ДЭС с диапазоном потенциалов от 0,5 до 1,5 В. Если принять Δφ = 1,0 В, а δ = 2×10–10 м, то электрическая прочность ДЭС составит:

E = 0,5 × 1010 В/м = 5000 МВ/м = 5 ГВ/м.

Значения диэлектрической прочности других типов конденсаторов

В качестве электродов в ионисторах чаще всего используют микропористые электронные проводники с высокой удельной поверхностью, например различные активированные углеродные материалы. Такие материалы содержат большое количество пор размером порядка 10–9 мкм и имеют удельную поверхность более 106 м2/кг. Расчеты показывают, что углеродные элементы, разделяющие поры, одного порядка. При таком развитии площади поверхности и удельной емкости ДЭС 0,2 Ф/м2 можно достичь удельной емкости Суд. = 0,2 Ф/м2 × 106 м2/кг = 200 кФ в 1 кг электрода.

Если рабочий диапазон электродных потенциалов составляет, например, 1,0 В, то в электроде массой (m) 1 кг возможно накопление Эсп. = Верно. × Δφ2/2 m = 200 × 12/2 × 1 = 100 кДж/кг энергии.

Благодаря сочетанию высокой электрической прочности ДЭС с высокой удельной емкостью электродов можно изготавливать ионисторы с удельной энергией в десятки кДж/кг.

В отличие от аккумуляторов, заряд и разряд которых ограничен протекающими электрохимическими реакциями на электродах, ионисторы могут заряжаться и разряжаться «недолго», так как ДЭС можно образно сравнить с пружиной, которая сжимается при зарядке и высвобождает накопленную энергию при разряде.

Во время заряда и разряда ионистор ведет себя как идеальный конденсатор, заряжаясь или разряжаясь через ограничительное сопротивление — внутреннее сопротивление. Используя электролиты с высоким напряжением пробоя (1–3 В) и низким удельным сопротивлением, можно изготовить ионисторы с удельной мощностью порядка 10 кВт/кг.

Внутренне устройство

Ионисторы отличаются от конденсаторов тем, что в их конструкции не используется диэлектрик между электродами; при производстве последних выбирают вещества с противоположным потенциалом заряда. Упрощенное расположение этих радиодеталей показано на рисунке.

Устройство классических ионисторов

Легенда:

• а, б — электроды;
• в — сепаратор;
• г — активированный уголь.

Емкость зависит от площади «пластины» конденсатора; для этого в качестве электродов в приборах, помещенных в электролит, применяют активированный уголь или вспененный уголь. Сепаратор предназначен для предотвращения короткого замыкания электродов.

Электролит может быть твердым или кристаллическим раствором щелочи или кислоты. Отметим, что данный тип электролита не используется в современных изделиях из-за его высокой токсичности.

Серия строительства

• а — электроды (в качестве материала выступает активированный уголь);
• б, д — верхняя и нижняя части туловища;
• в — сепаратор;
• г — уплотнительный изолятор.

Конденсаторы для высоковольтных источников питания

Источники питания высокого напряжения используются в медицинских системах визуализации, ЭЛТ-мониторах, электростатических покрытиях (автомобильная промышленность), электростатических фильтрах (промышленные среды).

Высоковольтные конденсаторы Vishay соответствуют стандартам EN 50176, EN 50177, EN 50223, EN 50348. Диапазон рабочих напряжений постоянного тока 1…100 кВ.

Конденсаторы представляют собой компактное, гибкое и надежное решение для высоковольтных источников питания в широком диапазоне приложений и отраслей. Доступны в качестве высоковольтных систем серии BG 1971-000-9000A, BG 1971-000-9700 и BG 1972-6100-010, BG 1972-6123-01.

BG 1971-000-9000A, BG 1971-000-9700 — это компактные приборы со встроенной панелью управления для систем жидкой или порошковой окраски. Напряжение питания 30 В при токе потребления 1,5…5 А, выходное напряжение до 100 кВ, ток 250…500 мкА.

БГ 1972-6100-010, БГ 1972-6123-01 — малогабаритные высоковольтные генераторы в цилиндрическом корпусе с напряжением питания 1…24 В и выходным напряжением до 100 кВ.

Области применения

Неполярный конденсатор

Чаще всего изделия этого класса используются в следующих образцах механизмов, узлов и оборудования:

• В системах с возобновляемыми источниками энергии, нуждающихся в накоплении накопленных потенциалов (солнечные батареи, ветрогенераторы и др.);
• В современных транспортных средствах (например, электромобилях), а также в устройствах для запуска двигателей автомобилей с водородным двигателем;
• Благодаря высокой плотности энергии и повышенной удельной мощности эти изделия нашли широкое применение в электронной технике (как источники кратковременных и мощных импульсов);
• Востребованы они и в системах бесперебойного питания, которые в полной мере используют свое основное преимущество – обеспечение мгновенной передачи мощности.

Примечание! Сюда же следует отнести развитие отраслей, предполагающих использование систем непрерывного энергоснабжения на экономичных видах топлива.

Кроме того, суперконденсаторы можно использовать в следующих устройствах:

• В системах демпфирования энергетических нагрузок, а также в устройствах пуска электродвигателей;
• В комплексах, функция которых связана с критическими нагрузками (оборудование для портов, больниц, мобильных вышек, банковских центров и др.);
• В источниках резервного питания оборудования ПК и систем сбора данных (микропроцессоров и памяти), а также в мобильных телефонах.

Достоинства и недостатки конденсаторных изделий

Что такое электрическое поле?

К числу преимуществ продукции этого класса можно отнести:

• Низкая удельная стоимость (на единицу мощности);
• Высокая емкостная плотность и эффективность циклов заряд-разряд (до 95% и выше);
• Надежность, долговечность и экологичность;
• Отличные показатели удельной мощности;
• Достаточно широкий температурный диапазон, в котором возможна их эксплуатация;
• Максимально возможная скорость зарядки и разрядки для продуктов этой категории;
• Допуск полной потери емкости (практически до нуля).

Еще одним важным преимуществом СЭ являются их относительно небольшие размеры и масса (по сравнению с другими видами электролитической продукции).

Размеры СК

Среди присущих им «минусов» хотелось бы отметить следующие недостатки:

• Относительно низкая плотность аккумулируемых энергий;
• Низкое напряжение на единицу емкости элемента;
• Высокий уровень неконтролируемого саморазряда.

Добавьте к этому не до конца отработанную технологию производства продукции.