Ионистор — устройство применение характеристики

Физико-химические основы работы ионистора

Известно, что обычные конденсаторы имеют многослойный или монолитный диэлектрик между двумя обкладками. В алюминиевом электролитическом конденсаторе, например, в качестве диэлектрического слоя используется пленка оксида алюминия, а в танталовом конденсаторе — пленка оксида тантала. Ионистор же не имеет диэлектрического слоя, в нем применяется физический механизм образования двойного электрического слоя, который работает аналогично заряженному диэлектрику.

Процесс зарядки/разрядки происходит в слое ионов, сформированном на поверхностях положительного и отрицательного электродов, к примеру, из активированного угля (рис. 1). Под действием приложенного напряжения анионы и катионы движутся к соответствующему электроду и накапливаются на поверхности электрода, образуя, таким образом, с зарядом электрода двойной электрический слой. Вследствие этого и появилось название «конденсатор с двойным электрическим слоем» (electric double layer capacitor — EDLC).

Рис. 1. Образование двойного электрического слоя на поверхностях положительного и отрицательного электродов, к примеру, из активированного угля

Концепция

Ионистор большой ёмкости – это конденсатор, объём которого может составлять несколько фарад напряжением от 2 до 10 вольт. Накопителем заряда является двойной электрический слой (ДЭС) на линии соприкосновения электрода и электролита. Если обычные ёмкости измеряются в микро,- и пикофарадах, то становится понятно, что эти ионисторы являются суперконденсаторами.

В связи с тем, что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) крайне мала за счёт использования электролитов, а площадь пористых материалов обкладок — колоссальна, запасённая ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера.

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)

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

Сегодня широко распространены высокомощные приборы, которые потребляют в короткий промежуток времени большой объем электроэнергии.

Для такой техники не всегда удобно использовать батареи или аккумуляторы, поэтому источником энергии для них могут выступать суперконденсаторы или ионисторы. Они также могут использоваться вместо либо в комплексе с аккумуляторными батареями.

В отличие от стандартных конденсаторов ионистор не имеет диэлектрика, разделяющего электроды.

Электроды в комплексе с сепаратором и рабочей жидкостью (электролитом) установлены в герметично запакованном корпусе, к которому припаиваются точки вывода с указанием полярности. Форма и корпус ионистора может иметь разный размер и соответствовать параметрам обычных батареек. Такой модуль очень быстро теряет заряд и также быстро заряжается.

Применяют такие устройства в цифровых электронных приборах, в качестве дополнительного источника питания, что позволяет сохранить настройки аппаратуры при замене батареек.

Нередко ультраконденсаторы встраивают в микросхемы светодиодных фонарей. Заряжаться модуль может от солнечной энергии, накопленной в солнечных батарейках.

Принцип действия ультраконденсатора схож с обычным конденсатором, но комплектация внутреннего блока отличается материалами, из которых он изготовлен.

Контур делают из пористого материала, обладающего высокой электропроводимостью. Диэлектриком выступает электролит.

В электрохимическом конденсаторе  электрозаряд накапливается при помощи формирования двойного слоя напряжения на электроде в момент адсорбции ионов из рабочей жидкости (электролита).

В основу функционирования ионистора заложен принцип разложения разной полярности потенциалов – на катоде создаются ионы с отрицательным зарядом, а на аноде – с положительным.

Когда электролит проходит сквозь сепаратор, который разделяет полярность ионов, предотвращается замыкание. Напряжение сохраняется в устройстве статистическим методом.

В течение небольшого временного отрезка суперконденсаторы способны накопить большой объем электроэнергии, что снижает время для их подзарядки.

Отдают устройства до 90% энергии, в отличие от аккумуляторов, которые способны отдать не больше 60%.

Электрический модуль изготавливают с охлаждением нескольких видов:

• естественное;
• водяное;
• воздушное.

Виды устройств

Ультраконденсаторы производят нескольких видов:

1. Псевдоконденсаторы. Комплектуются твердым типом электродов.
2. Гибридные блоки. Это переходной вариант между батареями и традиционными конденсаторами. Накопление и отдача заряда происходит в двойном электрическом слое. В приборе ставят электроды из различных материалов, от этого зависит и механизм накопления электрозаряда.

   Катоды выполнены из графена, который представляет двумерную модификацию молекулы углерода с распределением атомов в один ряд. Данный материал отличается стойкостью к химическим реакциям.

3. Двухслойные модули. Состоят из электродов с пористой текстурой, которые разделены сепаратором. Электрозаряд определен емкостью двойного слоя. В модуле используется электролит.

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.

На нашем Портале графики вы узнаете все о Photoshop и обо всем, что связано с дизайном. Все уроки имеют подробное описание и скриншоты, поэтому будут особенно полезны для начинающих дизайнеров. Вы познакомитесь и с другими программами графики и работой в них. Например, Gimp — отличный бесплатный редактор, в котором вы можете проводить полноценную обработку фото.

Наша коллекция дополнений сделает вашу работу более легкой и приятной. Вы можете стать нашим соавтором и заработать. Добавляйте новости на сайт через удобную форму обратной связи, размещать дополнения фотошоп со ссылкой на файлообменники.

Если вам понравились наш сайт, то не забудьте подписаться на рассылку или rss, поделиться с друзьями в социальных сетях или добавить в закладки!

История создания

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.

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».

Первый конденсатор с двойным слоем на пористых угольных электродах был запатентован в 1957 году фирмой General Electric[1]. Так как точный механизм к тому моменту времени не был 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[2].

Столкнувшись с фактом небольшого объёма продаж, в 1971 году SOHIO передала лицензию фирме NEC, которой удалось удачно продвинуть изделие на рынке под названием «Supercapacitor» (Суперконденсатор). В 1978 году фирма Panasonic выпустила на рынок «Золотой конденсатор» («Gold capacitor», «Gold Cap»), работающий на том же принципе.

Ионисторы в СССР были анонсированы в журнале «Радио» № 5 в 1978 году. Это были ионисторы КИ1-1 и они имели ёмкость от 0,1 до 50 Ф в зависимости от типоразмера.

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

Эквивалентная схема

Поскольку двойной электрический слой сформирован на поверхности активированного угля, который находится в контакте с электролитом, для ионисторов может быть применена эквивалентная схема с использованием условных конденсаторов (рис. 4). Каждый малый конденсатор на основе структуры частица активированного угля/электролит будет обладать емкостью двойного электрического слоя — Cn.

Значения сопротивлений заряда Rsn в процессе заряда и сопротивление нескомпенсированных ионов Rln могут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от расстояния между «токоведущими» электродами, скоростью передвижения ионов, контактного сопротивления между частицами активированного угля и других параметров.

Рис. 4. Схематическое изображение многослойной структуры активированный уголь/электролит

Эквивалентная схема ионистора на основе параллельного соединения сопротивлений и емкостей малых конденсаторов приведена на рис. 5а. R1, R2 и Rn — сопротивления изоляции (внутреннее сопротивление частиц активированного угля), C1, C2 и Cn — соответствующая емкость двойного электрического слоя для сопротивлений R1, R2 и Rn.

Рис. 5. Варианты эквивалентной схемы ионистора на основе малых конденсаторов двойного электрического слоя от каждой частицы активированного угля и сопротивления изоляции (сопротивления частиц активированного угля) (а) и с учетом сопротивлений электродов и сепаратора (б)

Необходимо отметить, что при уменьшении величины зарядного тока (i) время заряда увеличится. Зарядный ток, согласно уравнению (2), графически будет представлен как прямая линия. Однако фактически кривая зарядного тока носит экспоненциальный характер (рис. 6а, б). Ток (i) в пределах ионистора может быть представлен как сумма токов, протекающих через каждый из малых конденсаторов (рис. 6б, 7а).

Также необходимо отметить, что, если значение постоянной времени CxR мало, время зарядки тоже будет мало, и наоборот, если значение CxR большое, время зарядки будет большое. То есть если время зарядки ограничено несколькими минутами или источник заряда ограничен, ионистор не может достаточно зарядиться, чтобы запасти заданную энергию в течение необходимого времени.

Рис. 6. Зависимость зарядного тока от времени заряда: а) расчетная и реальная зависимости; б) как сумма токов через малые конденсаторы

Рис. 7. Эквивалентная схема со значениями напряжений сразу после процесса заряда и после разряда (а) и понижение напряжения в начале работы вследствие недостаточного заряда малых конденсаторов (б)

Суперконденсаторы на схемах обозначают в виде прямоугольников или треугольников, в поле которых присутствуют две латинские литеры IC.

Разновидности суперконденсаторов

Ионисторы делятся на три вида:

1. Идеальный ионистор. Название было присвоено ионному конденсатору, в котором электроды из углерода поляризовались на 100%. При полном отсутствии электрохимических процессов энергия накапливается благодаря ионному переносу электронов с одного на другой электрод. Электролитом в «идеальных» ионисторах служат растворы основания KOH и серной кислоты H2SO4.
2. Гибридные ионисторы – это конденсаторы со слабо поляризуемыми электродами. Скопление энергии в ДЭС происходит на поверхности одного из электродов.
3. Псевдоионисторы обладают высокой удельной ёмкостью. На поверхности электродов происходят возвратные электрохимические реакции.

Электрические, эксплуатационные и надежностные параметры ионисторов

Емкость

При аналогичных условиях эксплуатации и тестировании емкость ионистора подобна эффективной емкости батареи. Как было сказано ранее, ионистор можно представить в виде эквивалентной схемы из малых конденсаторов, имеющих различные значения сопротивления. Если начальное зарядное напряжение ниже напряжения полного заряда (V0), то в начале измерения емкости после снятия зарядного напряжения напряжение на ионисторе упадет вниз (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость напряжения для ионистора от времени

где С — электростатическая емкость (Ф), I — тестовый ток (А), V1–V2 — тестовый диапазон напряжений, (В) t — время (c). Емкость, конечно же, зависит от тока. Если ток разряда большой или конденсатор разряжался в течение длительного периода времени, результирующая емкость будет мала. И наоборот, если ток разряда мал или конденсатор разряжался в течение короткого периода времени, измеренная электростатическая емкость будет большая. Поэтому, чтобы иметь воспроизводимые измерения, используют стандартный ток разряда 1 мA/Ф.

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление ионистора, например, по сравнению с электролитическими конденсаторами, велико, поскольку эквивалентная схема ионистора состоит из соединений большого количества малых конденсаторов, имеющих различные значения внутреннего сопротивления. Обычно значения этих сопротивлений могут быть представлены для постоянного напряжения.

Но, чтобы получить их истинное значение, необходимо использовать комплексное сопротивление Z (к примеру на 1 кГц). Если измерять ток от 30 до 60 мин после приложения номинального напряжения, он будет довольно большой, до 10 мкА, вследствие того, что этот ток является суммой зарядных токов, протекающих через малые конденсаторы.

Характеристика заряда

На рис. 9а приведена зависимость напряжения на ионисторе Panasonic EECF5R5U104 от времени заряда при различном сопротивлении нагрузки. С увеличением сопротивления характеристика становится более пологая, а время зарядки увеличивается.

где: t — время, С — емкость, V0 — внутреннее напряжение, V1 — напряжение после t(с), I — ток нагрузки, R — сопротивление нагрузки.

На рис. 9б приведена зависимость напряжения ионистора Panasonic EECF5R5U104 от времени разряда при различном времени процесса зарядки. Видно, что, например, при изменении времени процесса заряда с одного часа до 100 часов, напряжение фактически меняется с 2,5, до 2,8 В, то есть процесс зарядки ионистора может быть очень быстрым.

Рис. 9. Зависимость напряжения ионистора от времени заряда при различном сопротивлении (а) и времени разряда при различном времени заряда (б)

Характеристика разряда и саморазряда

где RL — сопротивление изоляции (сумма сопротивлений частиц активированного угля электрода).

Предполагаемый срок эксплуатации, срок службы и tback-up

Срок службы ионистора, как правило, ограничен временем tback-up, которое задано по условиям эксплуатации. tback-up (Back-up time) — это время, когда ионистор работает как резервный источник питания между циклами заряда и разряда.

Например, оценим tback-up для F-типа ионистора Panasonic, EECF5R5H105 (5,5 В, 1,0 Ф), полный заряд при 5,0 В постоянного напряжения, разрядный ток 10 мкА. Температура при разряде –40 °C, напряжение, до которого разрядится ионистор, — 2 В.

где C — емкость ионистора (Ф), i — ток в течение tback-up (A), iL — ток утечки (A), R — внутреннее сопротивление ионистора (Ом на 1 кГц), V1 — напряжение, до которого разрядится ионистор (В), V0 — приложенное напряжение (В).

Тогда C = 0,8 Ф (1,0 Ф – 20%), R = 50 Ом, V0 = 5 В, V1 = 2 В, i =10 мкA. Следовательно: tback-up = 0,8×(5–0,0005–2)/(10 2×10–6) = 55 часов.

Этот расчет показывает, что время, которое ионистор будет работать при приведенных условиях как резервный источник питания, составляет около 55 часов.

Если мы возьмем, например, реальное изменение емкости в 30% при четырехкратном изменении внутреннего сопротивления, при 85 °C и 5,5 В, то после 1000 часов эксплуатации tback-up изменится и составит около 38 часов.

Для учета температурного фактора для ионисторов можно использовать уравнение Аррениуса, согласно которому срок службы устройства удваивается при уменьшении температуры окружающей среды на каждые десять градусов.

При изменении напряжения с 5,5 до 5 В фактор напряжения для изменения емкости составит 1,1. Таким образом, предполагаемый срок эксплуатации = срок службы × температурный фактор × фактор напряжения = 1000 (ч)×22,6×1,1 = 24 800 (ч) = 2,8 года.

Приведенные оценки носят рекомендательный характер. При выборе ионистора, конечно, надо учитывать все необходимые условия и факторы.

Диапазон емкостей ионистора занимает промежуточное положение между емкостями алюминиевого электролитического конденсатора и аккумуляторами и батареями (рис. 10). Ионистор главным образом используется как резервное или автономное питание, а также как замена батарей или аккумуляторов.

Рис. 10. Диапазон емкостей ионистора, алюминиевого электролитического конденсатора, аккумуляторов и батарей

Срок службы. Срок службы ионисторов очень большой. Фактически, когда ионистор находится в надлежащих условиях, он может работать столь же долго, как и само оборудование, в котором он используется.

Широкий рабочий температурный диапазон. Батареи обычно восприимчивы к перепадам температуры и имеют тенденцию терять энергию в процессе нагревания или при низких температурах, например, ниже 0 °C. Некоторые ионисторы могут работать вплоть до индустриального температурного диапазона.

Нет необходимости в контроле заряда. Ni-Cd батареи выделяют тепло в процессе заряда или разряда, которое сокращает срок их службы, поэтому возникает необходимость в схеме контроля заряда и нагрузки. Ионисторы не имеют никакого ограничения по процессу заряда и разряда и не нуждаются в контроле процесса заряда.

Скорость заряда, повторный заряд/циклы разряда. Для ионисторов возможны быстрый заряд и большое количество циклов заряд/рязряд (до нескольких десятков тысяч), поскольку в них не происходит никаких внутренних химических реакций, как, например, в батареях. Ионисторы идеально подходят для схем, в которых необходимы быстрые процессы заряда.

Экологическая чистота. В ионисторах Panasonic не используется никаких токсичных материалов типа свинца, кадмия или ртути. Ионисторы Panasonic удовлетворяют всем требованиям RoHS.

Сравнение положительных и отрицательных сторон

Недостатки

• Высокая цена ионисторов с большими разрядными токами, препятствующая их широкому применению.
• Напряжение напрямую зависит от степени заряженности.
• Возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании для ионисторов большой ёмкости и с низким внутренним сопротивлением.
• Низкое рабочее напряжение по сравнению с большинством конденсаторов других типов.
• Значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд: порядка 1 мкА у ионистора 2 Ф × 2,5 В^[4].
• Существенно меньшая скорость отдачи заряда по сравнению с обычными конденсаторами.

Преимущества

• Большие максимальные токи зарядки и разрядки.
• 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.
• Высокое внутреннее сопротивление у большинства ионисторов (препятствует быстрому саморазряду, а также перегреву и разрушению).
• Ионистор обладает длительным сроком службы (при 0.6 U_ном. около 40000 часов с незначительным снижением емкости).
• Малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной ёмкости.
• Низкая токсичность материалов (кроме органических электролитов).
• Неполярность (хотя на ионисторах и указаны « » и «−», это делается для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе).
• Малая зависимость от окружающей температуры: могут работать как на морозе, так и на жаре.
• Большая механическая прочность: выносят многократные перегрузки.

Ионисторы стали использовать не только, как преобразователи параметров электрической цепи, но и как поставщики электроэнергии. Они стали широко применяться вместо одноразовых аккумуляторных элементов питания в электронных системах хранения информации.

По сравнению с гальваническими элементами и аккумуляторами, ионисторы имеют свои недостатки и преимущества.

Недостатки

1. Массовое внедрение ионисторов тормозит их высокая стоимость.
2. Зависимость напряжения от уровня зарядки конденсатора.
3. В момент короткого замыкания возникает риск выгорания электродов в ионисторах большой ёмкости при крайне низком ВС.
4. Высокий показатель саморазряда суперконденсаторов ёмкостью в несколько фарад.
5. Небольшая скорость отдачи энергии, в отличие от обычных конденсаторов.

Достоинства

1. Возможность устанавливать максимально большой ток зарядки и получать разряд той же величины.
2. Высокая стойкость к деградации. Многочисленные исследования показали, что даже после 100 тыс. циклов заряда-разрядки у ионисторов не наблюдалось ухудшение характеристик.
3. Оптимальное внутреннее сопротивление не допускает быстрый саморазряд, не приводит к перегреву устройства и его разрушению.
4. В среднем ионистор может прослужить около 40 тыс. часов при минимальном снижении ёмкости.
5. Ионистор обладает небольшим весом, в отличие от электролитических конденсаторов аналогичной ёмкости.
6. Ионистор отлично функционирует и в мороз, и в жаркое время года.
7. Достаточная механическая прочность позволяет устройству переносить значительные нагрузки.

Типы и характеристики ионисторов Panasonic

Компания Panasonic предлагает широкий диапазон типов ионисторов в различных корпусах. Эти устройства могут отличаться по рабочему температурному диапазону, емкости, напряжению и току, а также по применению (рис. 11, табл. 1). В зависимости от тока, ионисторы можно условно разделить на слабо-, средне- и сильноточные (табл. 2, 3).

Рис. 11. Различные семейства ионисторов Panasonic

Таблица 1. Рекомендуемые серии для типичных применений

Таблица 2. Диапазон емкостей

Код емкости: 223 = 0,022 Ф, 104 = 0,1 Ф, 106 = 10 Ф *EN224 = 0,2 Ф = 2,1 В

Таблица 3. Диапазон токов

Как говорилось ранее, процесс заряда ионистора с учетом некоторых допущений может быть описан выражением (4). На рис. 12а приведена характеристика заряда для ионистора EECF5R5U105 фирмы Panasonic при двух различных сопротивлениях. Поскольку зависимость экспоненциальна, фактически различия наблюдаются на начальном этапе зарядки, в течение 6–7 минут. На рис.

12б для этого же ионистора приведена характеристика саморазряда. Видно, что процесс заряда оптимален при времени заряда больше 24 часов, однако на процесс саморазряда время заряда влияет не сильно, поскольку внутреннее сопротивление ионистора в этом случае изменяется лишь за счет сопротивления перераспределенных ионов.

Чем ниже температура работы ионистора, тем больше время саморазряда, и срок службы устройства будет существенно больше (рис. 13). Поскольку зависимость времени разряда от емкости и сопротивления нагрузки прямо пропорциональная, а от напряжения — логарифмическая (смотри зависимость 6), то при большей емкости ионистора и сопротивлении нагрузки, при прочих равных (температура, условия заряда и т. д.

), время процесса разряда будет больше (рис. 14а, б). Характеристика разряда, в отличие от саморазряда, зависит от температуры меньше (рис. 15). Изменение емкости, например, для EECF5R5U104 (5,5 В, 0,1 Ф) (условия измерения: 5,5 В, 70 °С) от тока разряда, приложенного напряжения и температуры фактически начинают проявляться при времени, превышающем 1000 часов (рис. 16).

Рис. 12. Характеристика заряда (а) и саморазряда (б) для EECF5R5U105 (5,5 В, 1,0 Ф) при 20 °С

Рис. 13. Характеристика саморазряда в зависимости от температуры для EECS0HD104V (5,5 В, 0,1 Ф)
Условия заряда: 5 В, 24 часа

Рис. 14. Характеристика разряда для ионисторов различной емкости при сопротивлении 1 МОм (а) и в зависимости от сопротивления для EECS0HD473V (5,5 В, 0,047 Ф) (б). Условия заряда: 5 В, 24 часа, 20 °С

Рис. 15. Характеристика разряда в зависимости от температуры при сопротивлении 250 кОм для EECF5R5U104 (5,5 В, 0,1 Ф). Условия заряда : 5 В, 24 часа, 20 °C

Рис. 16. Зависимость между током разряда (а), приложенным напряжением (б), температурой (в) и изменением емкости для EECF5R5U104 (5,5 В, 0,1 Ф). Условия измерения: 5,5 В, 70 °С

Ионистор или по-другому суперконденсатор — это своеобразный гибрид обычного конденсатора с аккумуляторной батареей. Давайте познакомимся с этим необычным элементом поближе и узнаем его принцип работы и область применения в современной электронике.

Материалы изготовления

Электроды традиционно изготавливают из активированного угля. В некоторых случаях используют вспененный металл. Именно эти материалы обладают повышенной пористостью, что необходимо для получения больших площадей поверхности. Это особенность позволяет хранить энергию в больших объёмах.

Электроды выполняют, как правило, путём использования пористых материалов, таких, как активированный уголь или вспененные металлы; и подбираются эти металлы в соответствии с типом электролита. Общая площадь поверхности такого пористого материала во много раз больше, чем у аналогичного, но с гладкой поверхностью, что позволило хранить заряд в соответствующем объёме.

Введение

Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы) имеют электрохимическую природу 1–3, вследствие чего их рабочее напряжение обычно не превышает 3 В. Для получения более высоких рабочих напряжений ионисторы соединяют последовательно, тщательно подбирая их по параметрам для обеспечения требуемой долговечности пакета.

В некоторых случаях данное явление устраняют путем параллельного соединения каждого ионистора с резистором (пассивное нивелирование разбаланса). Резисторы уменьшают разбаланс напряжений на ионисторах, а если пакет постоянно подключен к источнику напряжения, то со временем этот разбаланс может быть сведен к нулю.

Такой способ выравнивания напряжений на ионисторах имеет очевидные недостатки:

• часть энергии выделяется на резисторах в виде тепла; при зарядке— энергия источника, от которого осуществляется зарядка, а при разрядке— энергия, запасенная в ионисторах;
• увеличивается время зарядки и уменьшается время питания нагрузки, так как резко возрастает эквивалентный ток саморазрядки ионисторов.

Способ пассивного нивелирования вполне приемлем, и с этими недостатками можно мириться, если, например, ионисторы включаются между источником тока и потребителем, чтобы устранить провалы напряжения (при условии не очень жестких ограничений на мощность источника). Однако в каждом конкретном случае следует выбирать величину резисторов так, чтобы выравнивание рабочего напряжения на ионисторах происходило при минимальных потерях энергии.

Задача расчета величины сопротивления резисторов осложняется нелинейной зависимостью емкости ионисторов от напряжения и токов зарядки и разрядки.

В настоящей работе выведены аналитические выражения для расчета величины разбаланса напряжений на ионисторах в составе пакета в зависимости от величины сопротивления резисторов и приведены экспериментальные данные, подтверждающие расчеты.

Плотность энергии

Плотность энергии ионисторов пока ещё в несколько раз меньше возможностей аккумуляторов. Например, плотность энергии ионистора BCAP3000 (3000 Ф, 2,7 В) массой 0,51 кг составляет 21,4 кДж/кг (6 Вт·ч/кг). Это в 7,6 раза 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 2008 годуиндийские исследователи разработали опытный образец ионистора на основе графеновых электродов, обладающий удельной энергоёмкостью до 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30—40 Вт·ч/кг)
[5].

В 2011 году корейские ученые под руководством профессора Чой Джунг Вук (Choi Jung-wook) разработали суперконденсатор, изготовленный с применением графена и азота, обеспечивающий удвоенную ёмкость по сравнению с обычными источниками энергии того же класса. Улучшение электрических свойств элемента питания было достигнуто благодаря добавлению азота[6].

Ионисторы не отличаются повышенной плотностью энергии. У ионистора весом 500 граммов плотность энергии равна 20 кДж/кг. Это почти в 8 раз меньше показателя обычного кислотного аккумулятора. Однако этот параметр суперконденсаторов в несколько десятков раз превышает показатель простых конденсаторов.

Экспериментальная часть

Выбор граничных условий

Поскольку аналитические выражения, описывающие процессы в пакете из n штук последовательно соединенных ионисторов с произвольным сочетанием параметров, очень громоздки (особенно с учетом зависимости емкости ионисторов от напряжения), ограничимся частным случаем:

• емкость ионисторов в диапазоне от напряжения разрядки до напряжения зарядки не зависит от напряжения. Экспериментально установлено, что, например, для ионисторов К58-16 это действительно так. То есть емкость ионисторов К58-16 (2,3 В, 33 Ф) при зарядке током 0,2 А, в диапазоне напряжений от 1 до 2,14 В линейна и практически не зависит от напряжения;
• пакет состоит из n штук ионисторов, при этом n–1 штук имеют одинаковую емкость С, а один ионистор — меньшую емкость кС.

Это допущение тоже оправдано, так как при данных условиях перенапряжение на малоемком ионисторе кС максимально.

Аналитическое решение

Введем следующие обозначения:

• n — количество штук ионисторов в пакете;
• C — емкость ионисторов с номерами 2–n;
• δ_c— относительное отклонение емкости ионистора с номером 1 от величины С, выраженное в %;
• к — коэффициент, позволяющий выразить величину емкости ионистора с номером 1 как произведение кС; при этом к =1 δ_c/100;
• t₀ — время начала зарядки пакета;
• t₁ — время окончания зарядки пакета;
• t — текущее время;
• Δt — интервал времени, отсчитываемый от момента t₁;
• U₀ — напряжение на ионисторах в момент начала зарядки;
• U_зар — напряжение, до которого заряжается пакет;
• U_c — напряжение на ионисторах с номерами 2–n;
• U_к — напряжение на ионисторе с номером 1;
• ΔU_м — разность напряжений на ионисторе с номером 1 и ионисторе с номером 2–n в момент окончания зарядки;
• ΔU_м = U_к (t₁) – U_c (t₁);
• ΔU — разность напряжений ионистора с номером 1 и напряжения U_зар/n в момент окончания зарядки;
• ΔU = U_к (t₁) – U_зар/n;
• I — ток зарядки пакета;
• R — номинальное значение сопротивления выравнивающих резисторов.

Вариант 1. R = ∞

где ΔUс = Uc (t1) – U0.

За это же время ионистор емкостью кС, зарядится от U0 до Uк (t1)

где ΔUк = Uк (t1) – U0.

Вариант 2. R≠∞

Время, за которое ионистор с емкостью С зарядится от напряжения U0 до напряжения Uзар/n

За это же время ионистор емкостью кС зарядится от напряжения U0 до напряжения

Подставляя t из (9), получим

Разность напряжений на ионисторе емкостью кС и ионисторе емкостью С равна

Решая систему уравнений

найдем,

Подставляя в (12) ΔUм из (11), найдем

Превышение напряжения на ионисторе емкостью кС в момент окончания зарядки

Формула (13) не является абсолютно точной из-за принятого допущения, что ионистор емкостью С зарядился до напряжения Uзар/n, но позволяет производить вычисления с достаточной точностью.

Время выравнивания

Напряжение на ионисторе емкостью кС через Δt после окончания зарядки

При подключенном к источнику зарядки пакету через промежуток времени t {amp}gt;{amp}gt; RC после окончания зарядки напряжения на ионисторах будут отличаться друг от друга настолько, насколько отличаются величины сопротивлений выравнивающих резисторов, поэтому резисторы должны иметь достаточно близкие величины сопротивления.

Для проведения эксперимента использовался пакет из семи последовательно соединенных ионисторов К58-16 (2,3 В, 33 Ф). Емкость шести из них была искусственно увеличена на 10 Ф путем параллельного присоединения ионисторов фирмы Epcos номинала 2,3 В, 10 Ф.

Емкость составляющих пакет ионисторов предварительно измерялась на установке ИОН-2 при зарядке и разрядке постоянным током 0,2 А в интервале напряжений от 1 до 2,14 В; в этом режиме емкость постоянна. Результаты измерений приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты измерений

За номинальное значение емкости было принято среднее значение емкости составляющих пакет элементов № 2–7 (С = 52,7 Ф). Отклонение емкости ионистора № 1 от среднего значения составило –15,7%, то есть коэффициент к = 0,843. Выравнивающие резисторы имели отклонение от номинального значения δR ≤ ±0,1%.

Перед зарядкой пакет выдерживался под напряжением U = 7 В до тех пор, пока (благодаря резисторам) напряжение на каждом ионисторе не достигало значения U= 1,000±0,002 В.

При отсутствии резисторов (R = ∞) составляющие пакета предварительно были соединены параллельно и заряжены до U = 1 В, а затем соединены последовательно.

Зарядка пакета производилась током I = 0,2 А до напряжения U = 15 В.

Напряжение на ионисторе № 1 измерялось в момент времени t1, когда ток зарядки уменьшался до значения 0,01 А, а затем через определенные промежутки времени. При этом источник напряжения 15 В оставался подключенным к пакету.

Экспериментальные и расчетные значения величин Uк (t1) и ΔU при различных значениях R приведены в таблице 2.

Таблица 2. Экспериментальные и расчетные значения величин Uк (t1) и ΔU

Расчетные значения напряжений Uк (t1) вычислены по формуле (13). Значения величин ΔU вычислены по формуле (14). Расхождения между экспериментальными и расчетными значениями не превышает 22 мВ.

Таблица 3. Расчетные значения напряжений Uк(t)

В таблице 3 приведены значения напряжений Uк (t), измеренные через промежутки времени Δtфакт после окончания зарядки, а также временные интервалы Δtрасч, вычисленные по формуле (15).

Отклонения расчетных значений Δtрасч от экспериментальных Δtфакт не превышает 30%.

Перспективы развития

Специалисты предсказывают повсеместную замену традиционного общественного транспорта на гибридные модели. Троллейбусы смогут преодолевать трудные участки дороги без троллей с использованием питания бортовых ионисторов. Учёные во всём мире ведут поиски новых материалов для изготовления сверхмощных суперконденсаторов.

Согласно заявлениям сотрудников MIT 2006 года[10], 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 счёт создания туннельного эффекта.

Группа учёных из Техасского университета в Остине разработала новый материал, представляющий собой пористый объёмный углерод. Полученный таким образом углерод обладал свойствами суперконденсатора. Обработка вышеописанного материала гидроксидом калия привела к созданию в углероде большого количества крохотных пор, которые в сочетании с электролитом смогли хранить в себе колоссальный электрический заряд[11].

В настоящее время создана одна из необходимых частей конденсатора — твёрдый нанокомпозиционный электролит с проводимостью по ионам лития. Ведётся разработка электродов для конденсатора. Одна из задач — уменьшить размеры ионистора за счёт внутреннего строения[12].

Учёные из Центра нанотехнологий Университета центральной Флориды (UCF) в 2016 году разработали гибкий ионистор, состоящий из миллионов нанометровых проволок, покрытых оболочкой из двумерных дихалькогенидов. Такой суперконденсатор выдерживает более 30 тысяч циклов зарядки[13].

Российские учёные из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) (Сколково) в 2019 году разработали новый способ замещения атомов углерода на атомы азота в кристаллической решетке суперконденсаторов, который позволяет шестикратно увеличить их ёмкость, а также увеличить стабильность в циклах зарядки-разрядки.

Изобретённый способ плазменной обработки углеродных наностенок структурной решётки ионисторов замещает до 3% атомов углерода на атомы азота. Удельная ёмкость наностенки после такой обработки достигает 600 Ф/г[14]. Учёные также объяснили, смоделировали и описали механизм включения атомов азота в углеродную решётку. Данное исследование открывает путь к созданию гибких тонкопленочных суперконденсаторов на основе углеродных наностенок[15].

Выводы

1. Анализ данных, приведенных в таблице 2, позволяет сделать вывод, что выравнивающие резисторы заметно снижают перенапряжение только в случае, когда через них протекает около половины зарядного тока, однако при этом недопустимо ухудшается энергетика системы.
2. Если после зарядки пакет остается подключенным к источнику, то за время t ≈ τ = RC выравнивающие резисторы уменьшают величину перенапряжения приблизительно вдвое.
3. При измерении емкости ионисторов перед соединением их в пакет напряжение зарядки и разрядки, а также ток зарядки должны соответствовать режиму эксплуатации пакета.

Литература

1. B. E. Conway Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications. Kuwer-Plenum Publ. Co., New York, 1999.
2. Химические источники тока. Справочник. Под редакцией Н. В. Коровина и А. М. Скундина. М., изд-во МЭИ. 2003.
3. Кузнецов В. П. и др. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы). Новые разработки // Электрическое питание. 2005. № 2.
4. Атабеков Г. И. Основы теории цепей. М., Энергия. 1969.
5. Гольденберг Л. М. Импульсные устройства. М., Радио и связь. 1981.

1. Каталог ООО «Александер Электрик Дон» на диске–2006.
2. Конев Ю., Гончаров А., Колосов В. Отечественная энергетическая электроника: проблемы, тенденции, достижения // Электроника: НТБ. 1997. № 6.
3. Гончаров А. Сравнительный показатель унифицированной удельной мощности модулей ИВЭП. Устройства и системы энергетической электроники, разработка, производство, маркетинг. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. АН РФ. Москва. 1998.
4. Гончаров А. Об отечественной элементной базе ИВЭП // Радиопромышленность. 1996. № 1.
5. Киселев А. Давайте будем обгонять, а не догонять // Электроника: НТБ. 1997. № 6.

Корпорация International Rectifier анонсировала 100-вольтовый силовой МОП-транзистор, являющийся дополнением семейства транзисторов AutoTrench с логическим управлением. Новый транзистор отличается оптимизированными характеристиками затвора, обеспечивающими повышение сопротивления открытого канала всего на 14% при переходе от управления затвором уровнем 10 В к уровню 4,5 В.

Многие устройства автоэлектроники, такие как стеклоподъемники, АБС, устройства управления световыми приборами и т. д., могут быть существенно упрощены при использовании нового транзистора, так как он может управляться напрямую от микропроцессора с 5-вольтовой шиной, имеет компактный корпус D-Pak и достаточно высокий ток стока (до 42 А). Новый транзистор выпускается и в бессвинцовом варианте с маркировкой IRLR3110ZPbF.

Ионистор своими руками

Для изготовления суперконденсатора своими руками потребуются:

• фольга, можно взять вкладку из пачки сигарет, она будет диэлектриком;
• таблетка активированного угля, это будет электрод;
• клей ПВА в качестве электролита.

Изготавливают простейший ионистор своими руками следующим образом:

1. Мелко размолотый уголь перемешивают с клеем ПВА.
2. Кистью наносят смесь на один отрезок фольги.
3. После каждой просушки наносят следующий клеевой слой. Трех слоев вполне достаточно для изготовления ионистора.
4. На высушенную поверхность накладывают второй отрезок фольги после обработки клеем ПВА.
5. Приложив с двух сторон модели проводки от батарейки, заряжают самодельный ионистор.

Продемонстрировать возможности самоделки можно, услышав сигнал подсоединённого маломощного динамика, или, если применить его для свечения светодиода.

Частота, с которой создаются новые модели суперконденсаторов, настолько большая, что порой трудно запоминать новые названия. Специалисты ожидают скорого появления высоковольтных иониксов, которые совершат технологическую революцию во всех сферах деятельности человека.