Конденсатор ионистор: Ионистор. Что такое и зачем нужен?

Содержание

Ионистор. Что такое и зачем нужен?

Сравнительно недавно в широкой продаже появились так называемые ионисторы. По-иному их ещё называют суперконденсаторами. По размерам они сравни обычным электролитическим конденсаторам, но обладают по сравнению с ними, гораздо большей ёмкостью.

Ионистор – это некий гибрид конденсатора и аккумулятора. В зарубежной литературе ионистор называют сокращённо EDLC, что расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor, что по-русски означает: конденсатор с двойным электрическим слоем. Работа ионистора основана на электрохимических процессах.

Устройство ионистора.

Отличие ионистора от конденсатора заключается в том, что между его электродами нет специального слоя из диэлектрика. Взамен этого электроды у ионистора сделаны из веществ, обладающими противоположенными типами носителей заряда.

Как известно, электрическая ёмкость конденсатора зависит от площади обкладок: чем она больше, тем больше ёмкость. Поэтому электроды ионисторов чаще всего делают из вспененного углерода или активированного угля. Благодаря этому приёму удаётся получить большую площадь своеобразных «обкладок». Электроды разделяются сепаратором и всё это находятся в электролите. Сепаратор необходим исключительно для защиты электродов от короткого замыкания. Электролит же выполняется на основе растворов кислот и щелочей и является кристаллическим и твёрдым.

Например, с помощью твёрдого кристаллического электролита на основе рубидия, серебра и йода (RbAg₄I₅) возможно создание ионисторов с низким саморазрядом, большой ёмкостью и выдерживающие низкие температуры. Также возможно изготовление ионисторов на основе электролитов растворов кислот, таких как H₂SO₄. Такие ионисторы обладают низким внутренним сопротивлением, но и малым рабочим напряжением около 1 В. В последнее время ионисторы на основе электролитов из растворов щелочей и кислот почти не производят, так как такие ионисторы содержат токсичные вещества.

В результате электрохимических реакций небольшое количество электронов отрывается от электродов. При этом электроды приобретают положительный заряд. Отрицательные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются электродами, которые заряжены положительно. В итоге всего этого процесса и образуется электрический слой.

Заряд в ионисторе сохраняется на границе раздела электрода из углерода и электролита. Толщина электрического слоя, который образован анионами и катионами, составляет очень малую величину порой равную 1…5 нанометрам (нм). Как известно, с уменьшением расстояния между обкладками ёмкость возрастает.

К основным положительным качествам ионисторов можно отнести:

Малое время заряда и разряда. Благодаря этому ионистор можно быстро зарядить и использовать, тогда, как на заряд аккумуляторных батарей уходит значительное время;
Количество циклов заряд/разряд – более 100000;
Не требуют обслуживания;
Небольшой вес и габариты;
Для заряда не требуется сложных зарядных устройств;
Работает в широком диапазоне температур (-40…+70°C). При температуре больше +70°C ионистор, как правило, разрушается;
Длительный срок службы.

К отрицательным свойствам ионисторов можно отнести всё ещё высокую стоимость, а также довольно малое напряжение на одном элементе ионистора. Номинальное рабочее напряжение ионистора зависит от типа используемого в нём электролита.

Чтобы увеличить рабочее напряжение ионистора их соединяют последовательно, также как и при соединении батареек. Правда, для надёжной работы такого составного ионистора нужно каждый отдельный ионистор шунтировать резистором. Делается это для того, чтобы выровнять напряжение на каждом отдельном ионисторе. Это связано с тем, что параметры отдельных ионисторов отличаются. Ток, который течёт через выравнивающий резистор, должен быть в несколько раз больше тока утечки (саморазряда) ионистора. Значение тока саморазряда у маломощных ионисторов составляет десятки микроампер.

Также стоит помнить, что ионистор – это полярный компонент. Поэтому при подключении его в схему нужно соблюдая полярность.

Кроме этого стоит избегать короткого замыкания выводов ионистора. И хотя ионисторы достаточно устойчивы к короткому замыканию, оно может привести к чрезмерному повышению температуры сверх максимального вследствие теплового действия тока, а это приведёт к порче ионистора.

Ионисторы прекрасно работают в цепях постоянного и пульсирующего тока. Правда, в случае протекания через ионистор пульсирующего тока высокой частоты он может нагреваться из-за высокого внутреннего сопротивления на высоких частотах. Как уже говорилось, увеличение температуры электродов ионистора выше максимально допустимой приводит к его порче.

В документации на ионистор, как правило, указывается значение его внутреннего сопротивления на частоте 1 кГц. Например, для ионистора DB-5R5D105T ёмкостью 1 Фарада внутреннее сопротивление на частоте 1 кГц составлет 30Ω. Также существуют ионисторы с ещё меньшим внутренним сопротивлением. Они маркируются как Low resistance или Low ESR. Такие ионисторы заряжаются быстрее.

Для постоянного тока же внутреннее сопротивление ионистора мало и составляет единицы миллиом – десятки ом.

Обозначение ионистора на схеме.

На схемах ионистор обозначается также как и электролитический конденсатор. Тогда же встаёт вопрос: «А как же определить, что на принципиальной схеме изображён именно ионистор?»

Определить, что на схеме изображён ионистор можно по значению номинальных параметров. Если рядом с обозначением указано, например, 1F * 5,5 V, то тут сразу станет понятно, что это ионистор. Как известно, электролитических конденсаторов ёмкостью 1 Фарада не существует, а если и существует, то габариты у него немалые . Также сразу бросается в глаза номинальное напряжение в 5,5 V. Как уже говорилось, ионисторы в принципе не рассчитаны на большое рабочее напряжение.

Где применяются ионисторы?

Очень часто ионисторы можно встретить в цифровой аппаратуре. Там они выполняют роль автономного или резервного источника питания для микроконтроллеров (IC’s), микросхем памяти (RAM’s), КМОП-микросхем (CMOS’s) или электронных часов (RTC). Благодаря этому даже при отключенном основном питании электронный прибор сохраняет заданные настройки и ход часов. Так, например, в кассетном аудиоплеере Walkman используется миниатюрный ионистор.

При замене аккумуляторов или батареек в плеере он полностью обесточивается, что неизбежно приводит к стиранию настроек (например, частот радиостанций, установок эквалайзера, сброс хода электронных часов). Но этого не происходит благодаря тому, что электронную схему в «ждущем» режиме питает заряженный ионистор. И хотя ёмкость его несоизмеримо меньше, чем ёмкость аккумулятора или батареи этого хватает для сохранения настроек и работы часов в течение нескольких суток!

Ионистор является достаточно новым электронным компонентом. Впервые ионистор был разработан в Соединённых штатах в 1960-х годах. А позднее, в 1978 году, ионисторы появились и в СССР под маркой К58-1. Это был первый отечественный ионистор. Далее промышленность стала выпускать ионисторы марок К58-15 и К58-16.

Как можно применить ионистор в самодельных конструкциях? Его можно использовать в качестве аварийного источника питания, например, в конструкциях на микроконтроллерах. Вот простейшая схема включения ионистора в цепь питания электронного устройства.

Диод VD1 служит для предотвращения разряда ионистора С1, когда напряжение питания равно 0 (Uпит=0). В качестве диода VD1 лучше применить диод Шоттки, например, 1N5817 и аналогичные, так как у них малое падение напряжения на открытом переходе. Резистор R1 препятствует перегрузке источника питания, ограничивая зарядный ток ионистора. Его можно не устанавливать, если источник питания выдерживает ток нагрузки 100 – 250 мА. R_н – это сопротивление нагрузки (питаемое устройство, например, микроконтроллер).

Под занавес сего повествования хочется показать какое-нибудь видео. Видео не моё, нашёл в YouTube. Показано, как можно запитать светодиод от заряженного ионистора ёмкостью в 0,047 Ф. Ионистор на 5,5 V, поэтому если решите повторить эксперимент, то заряжайте его 3 вольтами, иначе можно нечаянно спалить светодиод.

Кстати, у меня оказывается, точно такой же ионистор в запаснике завалялся. А у Вас есть ионистор?

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

Как устроено электромагнитное реле?
Как проверить ИК-приёмник?

Ионистор: устройство, применение и характеристики

Содержание:

Ионистор впервые появился еще в 20 веке. Изобрел это устройство американец Райтмаер, химик по образованию. В различных источниках и научной литературе этот прибор называется по-разному – суперконденсатор или ультраконденсатор. По своему внешнему виду ионистор похож на электролитический конденсатор, единственное и существенное отличие – это его емкость, она намного превышает обычные значение для этих радиодеталей.

В странах ЕС и США они обозначаются аббревиатурой EDLC, что переводится как конденсатор с двойным слоем. В данной статье будет разобрано строение, структура, применение ионисторов, где они используются. В качестве дополнения статья содержит в себе скачиваемые материал с точными техническими характеристиками и два видеоролика.

Что такое ионистор

Ионистор (или суперконденсатор) – это энергонакопительный конденсатор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух сред – электрода и электролита. Энергия в ионисторе содержится в виде статического заряда. Накопление совершается, если к его обкладкам будет приложена разность потенциалов (постоянное напряжение).

Концепция создания ионисторов появилась недавно, и в настоящее время они заняли свою нишу применения. Ионисторы успешно могут заменять химические источники тока в качестве резервного (микросхемы памяти) или основного подзаряжаемого (часы, калькуляторы) источника питания.

Структура ионистора

Если обычный конденсатор представляет собой обкладки из фольги, разделенные сухим сепаратором, то ионистор – это комбинация конденсатора с электрохимической батареей. В нем применяются специальные обкладки и электролит.

В качестве обкладок используются материалы одного из трех типов: обкладки большой площади на основе активированного угля, оксиды металлов и проводящие полимеры. Использование высокопористых угольных материалов позволяет достичь плотности емкости порядка 10 Ф/см3 и больше.

Ионисторы на базе активированного угля наиболее экономичны в изготовлении. Их еще называют двухслойными или DLC-конденсаторами, потому что заряд сохраняется в двойном слое, образующемся на поверхности обкладки.

[stextbox id=’info’]Электролит ионисторов может быть водным либо органическим. Ионисторы на основе водного электролита обладают небольшим внутренним сопротивлением, но напряжение заряда для них ограничено 1 В. А ионисторы на основе органических электролитов обладают более высоким внутренним сопротивлением, но обеспечивают напряжение заряда 2…3 В.[/stextbox]

Для питания электронных схем нужны более высокие напряжения, чем обеспечивают ионисторы. Для получения нужного напряжения их включают последовательно. 3-4 ионистора обеспечивают напряжение достаточной величины.

Величина энергетической емкости конденсаторов измеряется в пикофарадах, нанофарадах и микрофарадах, в то время как емкость ионисторов (суперконденсаторов) на самом деле огромна и измеряется в фарадах (Ф). В ионисторах достижима энергетическая плотность от 1 до 10 Вт/кг. Она больше, чем у типичных конденсаторов, но меньше, чем у аккумуляторов. Относительно низкое внутреннее сопротивление ионисторов обеспечивает хорошую проводимость.

Ионистор

Параметры

Ионисторы отличаются следующими характеристиками:

Внутреннее сопротивление (измеряется в миллиОмах).
Максимальный ток. (А).
Номинальное напряжение (В).
Емкость (Ф).
Параметры саморазряда.

В качестве электродов в приборе применяется активированный уголь или углерод на вспененной основе. Эти компоненты помещаются в электролит. Сепаратор предназначен для защиты устройства от короткого замыкания электродов. В современных устройствах не используется электролит на основе кислоты или кристаллического раствора щелочи, так как данные компоненты обладают высоким уровнем токсичности.

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

Во внутренних полостях конструкции содержится электролит, запасающий электроэнергию при взаимодействии с пластинами. Первые электрохимические ионисторы (молекулярные накопители энергиибыли) разработаны более 50 лет назад. Они были изготовлены на основе пористых углеродных электродов. В настоящее время они используются в некоторых электрических приборах. По сравнению с литий – ионными аккумуляторами современные ионисторы характеризуются большим ресурсом и высокой скоростью разряда.

При использовании ионисторов можно добиться более экономичного режима работы за счет аккумулирования излишков энергии. Между обкладками конструкции располагается не стандартный слой диэлектрика, а более толстая прослойка, позволяющая получить тонкий зазор.

При этом прибор обеспечивает возможность получения электроэнергии в больших объемах. Суперконденсатор аккумулирует и расходует заряды быстрее, чем альтернативные варианты. Двойной слой диэлектрика увеличивает площадь электродов. Это позволяет улучшить электрические характеристики.

Связка из шести ионисторов

Отличия суперконденсаторов от аккумуляторов

Суперконденсаторы часто применяются вместо батарей. Стандартные конденсаторы способны хранить небольшое количество электроэнергии. Суперконденсаторы могут накапливать заряды в тысячи, миллионы и миллиарды раз больше.

Подобные приборы работают быстрее батарей. Это обусловлено тем, что суперконденсатор создает статистические заряды на твердых телах, а батареи зависят от медленно протекающих химических реакций.

Батареи характеризуются более высокой плотностью энергии, а ионисторы более высокой плотностью мощности. Суперконденсаторы способны функционировать при низких показателях напряжения, а для получения большего напряжения, их нужно последовательно соединить. Такой вариант необходим для более мощного оборудования.

Технология ионисторов может найти применение в энергетике и приборостроении. Одно из применений – использование в ветряных турбинах. Подобные приборы помогают сгладить прерывистое питание от ветра.

В портативных электронных приборах используются источники питания разнообразных типов. В таких устройствах, как планшеты, смартфоны и ноутбуки важное значение имеет удельная энергоемкость. Чем больше данный показатель, тем выше будет емкость устройства при тех же физических параметрах.

Преимущества

Если сравнивать ультраконденсаторы с аккумуляторами, то первые из них способны обеспечить значительно большее число циклов заряда и разряда.
Цикл заряда и разряда происходит за очень короткое время, что дает возможность применять их в таких ситуациях, когда нельзя установить аккумуляторы, ввиду их длительной зарядки.
Устройства такого вида имеют намного меньшую массу и габаритные размеры.
Для выполнения заряда не требуется специального зарядного устройства, что упрощает обслуживание.
Срок работы ультраконденсаторов значительно выше, по сравнению с батареями аккумуляторов и силовыми конденсаторами.
Широкий интервал эксплуатационной температуры от -40 до +70 градусов.

Недостатки

Малая величина номинального напряжения. Этот вопрос решают путем соединения нескольких ультраконденсаторов по последовательной схеме, так же, как соединяют несколько гальванических элементов для увеличения напряжения.
Повышенная цена на такие устройства способствует удорожанию изделий, в которых они используются. По заверению ученых, скоро эта проблема станет неактуальной, так как технологии постоянно развиваются, и стоимость подобных устройств снижается.
Ионисторы не способны накопить большое количество энергии, так как имеют незначительную энергетическую плотность, и не могут обладать мощностью, сравнимой с аккумуляторами. Это негативно влияет на область их использования. Эта проблема может частично решиться путем подключения нескольких ионисторов вместе, по параллельной схеме.
Необходимость соблюдения полярности при подключении.
Не допускается короткое замыкание между электродами, так как от этого сильно возрастет температура ультраконденсатора, и он может выйти из строя.
Ионисторы хорошо работают в цепях пульсирующего и постоянного тока. Но при высокочастотном пульсирующем токе они сильно нагреваются ввиду их большого внутреннего сопротивления, что часто приводит к выходу из строя.

Плоский ионистор

Применение

Ионисторы часто встречаются в устройстве цифрового оборудования. Они играют роль запасного источника питания микроконтроллера, микросхемы и т.д. С помощью такого источника при выключенном основном питании аппаратура способна сохранять настройки и обеспечивать питание встроенных часов. Например, в некоторых аудиоплеерах применяется миниатюрный ионистор.

[stextbox id=’warning’]В момент замены батареек или аккумуляторов в плеере могут сбиться настройки частоты радиостанции, часов. Благодаря встроенному ионистору этого не происходит. Он питает электронную схему. [/stextbox]

Его емкость значительно меньше аккумулятора, но его хватает на несколько суток, чтобы сохранить работу часов и настроек. Также ультраконденсаторы используются для работы таймеров телевизора, микроволновой печи, сложного медицинского оборудования.

Были случаи опытного использования ионисторов, например, для проектирования электромагнитной пушки, которую называют Гаусс оружием. В быту ионисторы используются в схемах маломощных светодиодных фонариков. Его зарядка может выполняться от солнечных элементов.

Перспективы использования

Ионисторы с каждым годом становятся все совершенней. Важным параметром, которому ученые уделяют особое внимание – является увеличение удельной емкости. Через какое – то время планируется подобными приборами заменить аккумуляторы. Такие элементы позволяют заменить батареи в различных технических сферах. Специалисты возлагают большие надежды на разработку графеновых устройств. Применение инновационного материала поможет уже в ближайшее время создать изделия с высокими показателями запасаемой удельной энергии.

Ионистор нового образца в несколько раз превосходит альтернативные варианты. Данные элементы имеют в своей основе пористую структуру. Применяется графен, на котором распределяются частицы рутения. Преимуществом графеновой пены является способность удержания частиц оксидов переходных металлов. Подобные суперконденсаторы работают на водном электролите, что позволяет обеспечить безопасность эксплуатации.

Интересно почитать: что такое электрический ток.

В перспективе новинки будут применяться в сфере изготовления персонального электрического транспорта. Приборы на основе графеновой пены могут перезаряжаться до 8000 раз без ухудшения качественных характеристик. В сфере автомобильного строения проводятся разработки альтернативных разновидностей топлива и устройств накопления энергии высокой эффективности. Подобные приборы могут применяться для грузового транспорта, электрических автомобилей и поездов.

Батарея из суперконденсаторов

В автомобилестроении суперконденсаторные батареи находят следующие применения:

Пусковое устройство подсоединяется параллельно стартерным батареям. Применяется для повышения эксплуатационного срока и улучшения пусковых характеристик двигателя.
Для стабильного питания акустических систем большой мощности в автомобиле.
Буферные батареи подходят для применения в гибридном транспорте. Они характеризуются небольшой емкостью и значительной выходной мощностью.
Тяговые батареи актуальны при использовании в качестве основного источника питания.

Суперконденсаторы обладают множеством преимуществ по сравнению с аккумуляторами в автомобильной промышленности. Они превосходно выдерживают перепады напряжения. Приборы характеризуются легкостью, поэтому можно устанавливать большое их количество. Для сферы микроэлектроники разрабатываются новые технологии по производству компактных суперконденсаторов.

При производстве электродов применяются специальные методы осаждения на тонкую подложку из диоксида кремния специальной углеродистой пленки. Использование суперконденсаторов позволяет внедрить в жизнь экологические технологии экономии энергии. В перспективе предусмотрено расширение сфер применения таких приспособлений для отраслей автотранспорта, мобильной техники и средств связи.

Заключение

Рейтинг автора

Написано статей

Более подробно о том, что такое ионистор, рассказано в статье Ионистор в автономной электрической цепи Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. А также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.electrosam.ru

www.na-dostupnom.ru

www.ultracapacitor.ru

www.electrik.info

www.powerinfo.ru

КонденсаторыФормула расчёта сопротивления конденсатора

КонденсаторыБумажный конденсатор — что это?

Что такое суперконденсаторы | Ионисторы, ультраконденсаторы, двухслойные электрохимические конденсаторы, электрический двухслойный конденсатор

Ионисторы, суперконденсаторы, ультраконденсаторы — история создания и развития техники

7 июня 1962 года Роберт Райтмайер, химик Американского Компания Standard Oil (SOHIO) в Кливленде, штат Огайо, подала заявку на патент, в которой подробно описывается механизм хранения электроэнергии в двухслойном конденсаторе.

Если в обычном конденсаторе Поскольку алюминиевые пластины традиционно изолировались диэлектрическим слоем, то в варианте, предложенном изобретателем, упор был сделан непосредственно на материал пластин. Электроды должны были иметь разную проводимость: один электрод должен был иметь ионную проводимость, а другой — электронную.

Таким образом, в процессе заряда конденсатора будет происходить разделение электронов и положительных центров в электронном проводнике и разделение катионов и анионов в ионном проводнике.

Электронный проводник предлагалось изготавливать из пористого углерода, тогда ионный проводник мог быть водным раствором серной кислоты. В этом случае заряд накапливался бы на границе раздела этих специальных проводников (того самого двойного слоя). Разность потенциалов этих первых ионисторов могла достигать значения в 1 вольт, а емкость — единиц фарад, ведь теперь расстояние между обкладками было меньше 5 нанометров.

В 1971 году лицензия была передана японской компании NEC, которая на тот момент занималась всеми сферами электронной связи. Японцы добились успеха в продвижении на рынок электроники технологии под названием «Суперконденсатор» .

Семь лет спустя, в 1978 году, Panasonic, в свою очередь, выпустила Gold Capacitor, также завоевавший успех на этом рынке. Успех был обеспечен удобством использования ионисторов для питания энергозависимой памяти SRAM. Однако эти ионисторы имели большое внутреннее сопротивление, что ограничивало возможность быстрого извлечения энергии, а потому сильно сужало область применения.

В 1982 году специалисты Американского научно-исследовательского института Pinnacle (PRI), расположенного в Лос-Гатосе, штат Калифорния, работая над улучшением материалов электродов и электролитов, разработали ионизаторы с чрезвычайно высокой плотностью энергии, появившиеся на рынке под названием «PRI Ultracapacitor».

Спустя 10 лет, в 1992 году, компания Maxwell Laboratories (позднее сменившая название на Maxwell Technologies, Сан-Диего, Калифорния, США) начала разработку технологии PRI под названием «Boost Caps». Теперь целью было создание конденсаторов большой емкости с низким сопротивлением, чтобы иметь возможность питать мощное электрооборудование.

Рис. 1. Суперконденсатор SAMWHA ELECTRIC DH5U308W60138TH. запущен. С этого момента началась активная разработка технологии во многих научно-исследовательских институтах мира.

На российском рынке тоже есть игроки, так компания «Ультраконденсаторы Феникс» (ООО «УКФ») — инжиниринговая компания, специализирующаяся на проектировании, разработке, производстве и практическом применении решений и систем на основе суперконденсаторов/ионизаторов. Компания работает в тесном сотрудничестве с лучшими мировыми производителями и активно перенимает их опыт.

Применение ионисторов

Единицы ионисторов на фарад получили заслуженное применение в качестве резервных источников питания во многих устройствах. Начиная с питания таймеров телевизоров и микроволновых печей, и заканчивая сложными медицинскими приборами. Как правило, ионисторы устанавливаются на карты памяти.

При замене батарейки в видео или фотоаппарате ионистор поддерживает питание цепей памяти, отвечающих за настройки, то же касается музыкальных центров, компьютеров и другой подобной техники. Телефоны, электронные счетчики электроэнергии, системы охранной сигнализации, электронные измерительные приборы и медицинские приборы – суперконденсаторы нашли применение повсеместно.

Рис. 2. Суперконденсаторы (ионисторы)

Малые ионисторы с органическим электролитом имеют максимальное напряжение около 2,5 вольт. Для получения более высоких допустимых напряжений ионисторы соединяют в батареи, обязательно используя шунтирующие резисторы.

К преимуществам ионисторов можно отнести: высокую скорость заряда-разряда, устойчивость к сотням тысяч циклов перезарядки по сравнению с аккумуляторами, малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами, низкую токсичность, устойчивость к разряду до нуля.

Рис. 3. Источник бесперебойного питания на суперконденсаторах

Рис. 4. Суперконденсаторные автомобильные модули

Перспективы

это приведет к полной замене аккумуляторов суперконденсаторами во многих областях техники.

Недавние исследования группы ученых Калифорнийского университета в Риверсайде показали, что новый тип ионистора основан на пористой структуре, где частицы оксида рутения нанесены на графен, превосходящий его лучшие аналоги почти в два раза.

Исследователи обнаружили, что поры «пенопласта графена» имеют наноразмеры, подходящие для удержания частиц оксидов переходных металлов. Суперконденсаторы на основе оксида рутения в настоящее время являются наиболее перспективным вариантом. Безопасно работая на водном электролите, они обеспечивают увеличение запасаемой энергии и увеличивают допустимую силу тока в два раза по сравнению с лучшими ионисторами, доступными на рынке.

Они запасают больше энергии на каждый кубический сантиметр своего объема, поэтому было бы целесообразно заменить ими батарейки. В первую очередь речь идет о носимой и имплантируемой электронике, но в будущем новинка может быть основана и на персональных электромобилях.

Графен нанесен на слои никеля, выступающего в качестве подложки для углеродных нанотрубок, которые вместе с графеном образуют пористую углеродную структуру. Частицы оксида рутения диаметром менее 5 нм проникают в полученные нанопоры последнего из водного раствора. Удельная емкость ионистора на основе полученной структуры составляет 503 фарад на грамм, что соответствует удельной мощности 128 кВт/кг.

Рис. 4. Зарядное устройство на графеновом суперконденсаторе

Возможность масштабирования этой конструкции уже заложила основу и заложила основу для создания идеального средства хранения энергии. Ионисторы на основе «пены графена» успешно прошли первые испытания, где показали способность перезаряжаться более восьми тысяч раз без износа.

Лампы нано, конденсаторы супер!

: 30 апреля 2009 г., Путь на Восток, том 22,
N1

В течение нескольких лет специалисты Института неорганической химии СО РАН (Новосибирск) разрабатывают методы синтеза массивов направленных углеродных нанотрубок и изучают их структуру и характеристики. В качестве электродного материала нанотрубки обладают большим потенциалом для создания новых видов суперконденсаторов и аккумуляторов.

Растущие потребности современной техники привели к появлению нового класса устройств — суперконденсаторы или ионисторы . Они обладают высокой емкостью и накапливают энергию в двойном электрическом слое на поверхности высокопористой проводящей структуры. В отличие от обычных конденсаторов вторым электродом в суперконденсаторах является электролит, который при напряжении 1 В позволяет сформировать слой ионов на поверхности электрода. Ионы находятся в сольватной оболочке, состоящей из молекул воды, расположенных с характерными интервалами около 1 нм.

Известно, что емкость элементарного конденсатора пропорциональна площади электродов и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Так как в ионисторах расстояние между заряженной поверхностью электродов и слоем ионов электролита очень мало и удельная поверхность пористого проводника (например, активированного угля) достигает 1000—1500 м2/г, емкость такого устройства может превышать 100 Фарад/г. Для сравнения, удельная емкость традиционных электролитических конденсаторов составляет одну тысячную емкости ионистов.

Суперконденсаторы отличаются высокой мощностью и малыми токами утечки, выдерживают десятки тысяч циклов заряда-разряда и могут заряжаться за короткое время. Являются эффективным средством для надежного пуска двигателя при низких температурах, а также в случае севшего аккумулятора.

Для обеспечения исключительно высокой емкости двухслойного конденсатора материал электрода должен обладать такими характеристиками, как хорошая электропроводность, высокая удельная поверхность, химическая и термическая стойкость. Все это весьма характерно для углеродных материалов. В последние годы круг углеродных наноматериалов, перспективных для изготовления электрохимически активных электродов, расширился за счет монослойных и многослойных нанотрубок. Углеродные нанотрубки по некоторым параметрам превосходят традиционные материалы. Особый интерес вызывает геометрия, при которой массив углеродных нанотрубок расположен преимущественно перпендикулярно поверхности проводящей подложки, что приводит как к значительному увеличению эффективной поверхности электродов, так и к улучшению условий протекания электрического тока. .

Сегодня учеными Института неорганической химии СО РАН разработаны методы синтеза массивов углеродных нанотрубок длиной до 3 мм. Самый толстый массив получен в результате непрерывного впрыска смеси углеводорода и катализатора при 800°С.Удельная емкость суперконденсаторов из массивов направленных углеродных нанотрубок в водных электролитах составляет 100—120 Фарад/г.

Емкость можно еще увеличить, нанеся на поверхность нанотрубки вещество, способное обратимо изменить свою структуру в результате химической реакции под действием тока. Этот электрохимический элемент является не настоящим суперконденсатором, а фактически аккумулятором. При его разрядке накопленная в нем химическая энергия преобразуется в ток.

Существует ряд полимеров, которые можно использовать в качестве структур с хорошими окислительно-восстановительными характеристиками. Ученые лаборатории физико-химии наноматериалов Института неорганической химии наносят тонкий слой полианилина для модификации поверхности нанотрубок, выращенных на кремниевых пластинах.