Superkondenzátory lze nazvat nejjasnějším vývojem v posledních letech. Oproti klasickým kondenzátorům se při stejných rozměrech liší kapacitou o tři řády. Za tímto účelem dostaly kondenzátory svou předponu - „super“. Mohou uvolnit obrovské množství energie v krátkém časovém úseku.

Jsou k dispozici v různých velikostech a tvarech: od velmi malých, které se montují na povrch zařízení, o velikosti ne větší než mince, až po velmi velké válcové a hranolové. Jejich hlavním účelem je duplikovat hlavní zdroj (baterii) v případě poklesu napětí.

Energeticky náročné moderní elektronické a elektrické systémy k napájení se prosazují vysoké požadavky. Rozvíjející se zařízení (od digitálních fotoaparátů po elektronická ruční zařízení a přenosy elektrických vozidel) potřebují skladovat a dodávat potřebnou energii.

Moderní vývojáři řeší tento problém dvěma způsoby:

• Použití baterie schopné dodat vysoký proudový impuls
• Paralelním připojením k baterii jako pojistka pro superkondenzátory, tzn. "hybridní" řešení.

V druhém případě funguje superkondenzátor jako zdroj energie při poklesu napětí baterie. To je způsobeno tím, že baterie mají vysoká hustota energie a nízkou hustotou výkonu, zatímco superkondenzátory se naopak vyznačují nízkou hustotou energie, ale vysokou hustotou výkonu, tzn. poskytují vybíjecí proud zátěži. Zapojením superkondenzátoru paralelně s baterií jej můžete využívat efektivněji a prodloužit tak jeho životnost.

Kde se používají superkondenzátory?

Video: Test superkondenzátoru 116,6F 15V (6* 700F 2,5V), místo startovací baterie v autě

V automobilu elektronické systémy slouží ke spouštění motorů, čímž se sníží zatížení baterie. Umožňují také redukovat váhu redukcí schémata zapojení. Hojně se používají u hybridních automobilů, kde je generátor řízen spalovacím motorem a auto pohání elektromotor (nebo motory), tzn. Superkondenzátor (energetická mezipaměť) se používá jako zdroj proudu při zrychlení a pohybu a při brzdění se „dobíjí“. Jejich použití je slibné nejen v osobních automobilech, ale také v městské dopravě, protože nový typ kondenzátorů umožňuje snížit spotřebu paliva o 50 % a snížit emise škodlivých plynů do životního prostředí o 90 %.

Baterii superkondenzátoru zatím úplně vyměnit nemůžu, ale je to jen otázka času. Použití superkondenzátoru místo baterie není vůbec fantastické. Pokud nanotechnologové z QUT University půjdou správnou cestou, pak se to v blízké budoucnosti stane realitou. Panely karoserie se superkondenzátory uvnitř mohou fungovat jako baterie. nejnovější generace. Zaměstnancům této univerzity se podařilo spojit výhody lithium-iontových baterií a superkondenzátorů v novém zařízení. Nový tenký, lehký a výkonný superkondenzátor se skládá z uhlíkových elektrod s elektrolytem umístěným mezi nimi. Nový produkt lze podle vědců nainstalovat kdekoli v těle.

Díky vysokému točivému momentu (rozběhovému momentu) dokážou zlepšit startovací vlastnosti při nízkých teplotách a nyní rozšířit možnosti energetického systému. Účelnost jejich použití v energetickém systému je vysvětlena skutečností, že jejich doba nabíjení/vybíjení je 5-60 sekund. Kromě toho je lze použít v rozvodném systému některých strojních zařízení: solenoidy, systémy seřízení dveřního zámku a polohy okenních skel.

DIY superkondenzátor

Superkondenzátor si můžete vyrobit vlastníma rukama. Vzhledem k tomu, že jeho konstrukce se skládá z elektrolytu a elektrod, musíte se rozhodnout o materiálu pro ně. Pro elektrody se docela hodí měď, nerez nebo mosaz. Můžete si vzít třeba staré pětikopky. Dále budete potřebovat uhlíkový prášek (aktivní uhlí si můžete koupit v lékárně a rozemlít). Jako elektrolyt poslouží obyčejná voda, ve které je potřeba rozpustit kuchyňskou sůl (100:25). Roztok se smíchá s práškem z dřevěného uhlí za vzniku tmelové konzistence. Nyní se musí nanést ve vrstvě několika milimetrů na obě elektrody.

Zbývá jen vybrat těsnění oddělující elektrody, jejichž póry bude volně procházet elektrolyt, ale uhlíkový prášek zůstane zachován. Pro tyto účely je vhodné sklolaminát nebo pěnová pryž.

Elektrody – 1,5; uhlík-elektrolytový povlak – 2,4; těsnění - 3.

Jako pouzdro můžete použít plastovou krabici, do které jste předtím vyvrtali otvory pro dráty připájené k elektrodám. Po připojení vodičů k baterii čekáme, až se nabije design „ionix“, pojmenován tak, protože na elektrodách by se měly tvořit různé koncentrace iontů. Jednodušší je kontrola nabití pomocí voltmetru.

Jsou i jiné způsoby. Například pomocí plechového papíru (alobal - obal od čokolády), kousků plechu a voskovaného papíru, které si vyrobíte sami nastříháním a ponořením proužků hedvábného papíru na pár minut do roztaveného, ​​ale ne vařícího parafínu. Šířka pásů by měla být padesát milimetrů a délka od dvou set do tří set milimetrů. Po vyjmutí proužků z parafínu je potřeba parafín seškrábnout tupou stranou nože.

Parafínem napuštěný papír je složen do tvaru harmoniky (jako na obrázku). Z obou stran jsou do mezer vsazeny staniolové plechy, které odpovídají velikosti 45x30 milimetrů. Takto připravený obrobek se složí a poté vyžehlí teplou žehličkou. Zbývající staniolové konce jsou navzájem spojeny zvenčí. K tomu lze použít kartonové destičky a mosazné destičky s cínovými sponami, na které se později připájejí vodiče, aby bylo možné při montáži připájet kondenzátor.

Kapacita kondenzátoru závisí na počtu staniolových listů. Rovná se například tisíci pikofaradům při použití deseti takových listů a dvěma tisícům, pokud se jejich počet zdvojnásobí. Tato technologie je vhodná pro výrobu kondenzátorů s kapacitou až pět tisíc pikofaradů.

Pokud je potřeba velká kapacita, pak je potřeba mít starý mikrofaradový papírový kondenzátor, což je role pásky skládající se z proužků voskovaného papíru, mezi které je položen pásek staniolové fólie.

Pro určení délky proužků použijte vzorec:

l = 0,014 C/a, kde kapacita požadovaného kondenzátoru v pF je C; šířka pruhů v cm – a: délka v cm – 1.

Po odvinutí pásků požadované délky ze starého kondenzátoru odstřihněte ze všech stran 10mm fólii, aby se desky kondenzátoru vzájemně nespojily.

Pásku je potřeba znovu svinout, ale nejprve připájením lankových drátků ke každému pruhu fólie. Konstrukce je nahoře pokryta silným papírem a na okrajích papíru, které vyčnívají, jsou zataveny dva montážní dráty (tvrdé), ke kterým jsou na vnitřní straně papírového pouzdra připájeny vývody z kondenzátoru (viz obrázek). Posledním krokem je naplnění struktury parafínem.

Výhody uhlíkových superkondenzátorů

Vzhledem k tomu, že dnešní pochod elektrických vozidel po celé planetě nelze ignorovat, vědci pracují na problému, který s ním souvisí nejrychlejší nabíjení. Vzniká mnoho nápadů, ale jen málo z nich je realizováno. Například v Číně byla zahájena neobvyklá městská dopravní trasa ve městě Ningbo. Autobus, který na něm jezdí, pohání elektromotor, ale nabíjení trvá jen deset sekund. Na něm urazí pět kilometrů a opět se při vystupování/sbírání cestujících stihne dobít.

To bylo možné díky použití nového typu kondenzátorů - uhlíkových.

Uhlíkové kondenzátory Vydrží zhruba milion nabíjecích cyklů a perfektně fungují v rozmezí teplot od minus čtyřiceti do plus pětašedesát stupňů. Rekuperací vrací až 80 % energie.

Zahájili novou éru v řízení spotřeby, zkrátili dobu vybíjení a nabíjení na nanosekundy a snížili hmotnost vozidla. K těmto výhodám můžeme přidat nízké náklady, protože se při výrobě nepoužívají kovy vzácných zemin a šetrnost k životnímu prostředí.

Lidé nejprve používali kondenzátory k ukládání elektřiny. Když pak elektrotechnika přesáhla laboratorní experimenty, byly vynalezeny baterie, které se staly hlavním prostředkem k ukládání elektrické energie. Ale na začátku 21. století se opět navrhuje používat k napájení elektrických zařízení kondenzátory. Jak je to možné a stanou se baterie konečně minulostí?

Důvodem, proč byly kondenzátory nahrazeny bateriemi, bylo podstatně větší množství elektřiny, které jsou schopny akumulovat. Dalším důvodem je, že během vybíjení se napětí na výstupu baterie mění velmi málo, takže stabilizátor napětí buď není potřeba, nebo může být velmi jednoduché konstrukce.

Hlavní rozdíl mezi kondenzátory a bateriemi je v tom, že kondenzátory přímo ukládají elektrický náboj, zatímco baterie přeměňují elektrickou energii na chemickou energii, ukládají ji a poté přeměňují chemickou energii zpět na elektrickou energii.

Při přeměnách energie se její část ztrácí. Proto i ty nejlepší baterie mají účinnost maximálně 90 %, zatímco u kondenzátorů může dosáhnout 99 %. Intenzita chemických reakcí závisí na teplotě, takže baterie fungují v chladném počasí znatelně hůře než při pokojové teplotě. Navíc chemické reakce v bateriích nejsou zcela vratné. Z toho plyne malý počet cyklů nabití-vybití (řádově tisíce, nejčastěji je životnost baterie cca 1000 cyklů nabití-vybití), a také „paměťový efekt“. Připomeňme, že „paměťový efekt“ spočívá v tom, že baterie musí být vždy vybita na určité množství akumulované energie, pak bude její kapacita maximální. Pokud v ní po vybití zůstane více energie, pak bude kapacita baterie postupně klesat. „Paměťový efekt“ je charakteristický pro téměř všechny komerčně vyráběné typy baterií, kromě kyselých (včetně jejich odrůd - gelové a AGM). Ačkoli se obecně uznává, že lithium-iontové a lithium-polymerové baterie není to typické, vlastně to mají taky, jen se to projevuje v menší míře než u jiných typů. Kyselé baterie vykazují efekt sulfatace desek, která způsobuje nevratné poškození zdroje energie. Jedním z důvodů je, že baterie zůstává po dlouhou dobu ve stavu nabití nižším než 50 %.

Co se týče alternativní energie, „paměťový efekt“ a sulfatace desek jsou vážnými problémy. Faktem je, že dodávka energie ze zdrojů jako je např solární panely a větrné turbíny je obtížné předvídat. V důsledku toho nabíjení a vybíjení baterií probíhá chaoticky, v neoptimálním režimu.

Pro moderní rytmus života se ukazuje jako absolutně nepřijatelné, aby se baterie musely nabíjet několik hodin. Jak si například představujete jízdu na dlouhou vzdálenost v elektrickém vozidle, když vás vybitá baterie drží u nabíjecího bodu několik hodin? Rychlost nabíjení baterie je omezena rychlostí chemických procesů, které v ní probíhají. Dobu nabíjení můžete zkrátit na 1 hodinu, ale ne na několik minut. Rychlost nabíjení kondenzátoru je přitom omezena pouze maximálním proudem poskytovaným nabíječkou.

Uvedené nevýhody baterií způsobily, že je naléhavé použít místo nich kondenzátory.

Použití elektrické dvouvrstvy

Po mnoho desetiletí měly elektrolytické kondenzátory nejvyšší kapacitu. V nich byla jedna z desek kovová fólie, druhá byla elektrolyt a izolace mezi deskami byl oxid kovu, který potahoval fólii. U elektrolytických kondenzátorů může kapacita dosahovat setin farad, což nestačí k plné výměně baterie.

Porovnání návrhů odlišné typy kondenzátory (Zdroj: Wikipedia)

Velké kapacity, měřené v tisících farad, lze dosáhnout kondenzátory na bázi tzv. elektrické dvojvrstvy. Princip jejich fungování je následující. Dvojnásobek elektrická vrstva se vyskytuje za určitých podmínek na rozhraní látek v pevné a kapalné fázi. Jsou vytvořeny dvě vrstvy iontů s náboji opačných znamének, ale stejné velikosti. Pokud situaci velmi zjednodušíme, vytvoří se kondenzátor, jehož „desky“ jsou naznačené vrstvy iontů, jejichž vzdálenost je rovna několika atomům.

Superkondenzátory různých kapacit vyráběné firmou Maxwell

Kondenzátory založené na tomto efektu se někdy nazývají ionistory. Ve skutečnosti se tímto pojmem neoznačují pouze kondenzátory, ve kterých je uložen elektrický náboj, ale i další zařízení pro akumulaci elektřiny - s částečnou přeměnou elektrické energie na energii chemickou spolu s ukládáním elektrického náboje (hybridní ionistor), jakož i pro baterie na bázi dvojité elektrické vrstvy (tzv. pseudokondenzátory). Proto je vhodnější termín „superkondenzátory“. Někdy se místo toho používá identický termín „ultrakondenzátor“.

Technická realizace

Superkondenzátor se skládá ze dvou desek z aktivního uhlí naplněných elektrolytem. Mezi nimi je membrána, která umožňuje průchod elektrolytu, ale brání fyzickému pohybu částic aktivního uhlí mezi deskami.

Je třeba poznamenat, že samotné superkondenzátory nemají žádnou polaritu. V tom se zásadně liší od elektrolytických kondenzátorů, které se zpravidla vyznačují polaritou, jejíž nedodržení vede k poruše kondenzátoru. Polarita je však také aplikována na superkondenzátory. To je způsobeno skutečností, že superkondenzátory opouštějí výrobní linku již nabité a označení označuje polaritu tohoto náboje.

Parametry superkondenzátoru

Maximální kapacita jednotlivého superkondenzátoru, dosažená v době psaní článku, je 12 000 F. U sériově vyráběných superkondenzátorů nepřesahuje 3 000 F. Maximální přípustné napětí mezi deskami nepřesahuje 10 V. U komerčně vyráběných superkondenzátorů tato hodnota se zpravidla pohybuje v rozmezí 2. 3 – 2,7 V. Nízké provozní napětí vyžaduje použití napěťového měniče s funkcí stabilizátoru. Faktem je, že během vybíjení se napětí na deskách kondenzátoru mění v širokém rozsahu. Konstrukce měniče napětí pro připojení zátěže a nabíječka jsou netriviálním úkolem. Řekněme, že potřebujete napájet 60W zátěž.

Pro zjednodušení úvahy o problematice zanedbáme ztráty v měniči napětí a stabilizátoru. V případě, že pracujete s běžná baterie s napětím 12 V, pak musí řídící elektronika odolat proudu 5 A. Taková elektronická zařízení jsou rozšířená a levná. Zcela jiná situace ale nastává při použití superkondenzátoru, jehož napětí je 2,5 V. Pak může proud protékající elektronickými součástkami měniče dosáhnout 24 A, což vyžaduje nové přístupy k obvodové technice a moderní základnu prvků. Právě obtížnost sestrojení konvertoru a stabilizátoru může vysvětlit skutečnost, že superkondenzátory, sériová výroba které byly zahájeny již v 70. letech 20. století, se teprve nyní začaly široce používat v různých oblastech.

Schematický diagram zdroj nepřerušitelný zdroj energie
napětí na superkondenzátorech jsou implementovány hlavní komponenty
na jednom mikroobvodu vyrobeném společností LinearTechnology

Superkondenzátory lze do baterií zapojit pomocí sériového nebo paralelního zapojení. V prvním případě se zvýší maximální přípustné napětí. V druhém případě - kapacita. Zvýšení maximálního povoleného napětí tímto způsobem je jedním ze způsobů, jak problém vyřešit, ale budete za to muset zaplatit snížením kapacity.

Rozměry superkondenzátorů přirozeně závisí na jejich kapacitě. Typický superkondenzátor s kapacitou 3000 F je válec o průměru asi 5 cm a délce 14 cm.S kapacitou 10 F má superkondenzátor rozměry srovnatelné s lidským nehtem.

Dobré superkondenzátory vydrží stovky tisíc cyklů nabití a vybití, přičemž v tomto parametru převyšují baterie asi 100krát. Ale stejně jako elektrolytické kondenzátory se superkondenzátory potýkají s problémem stárnutí v důsledku postupného úniku elektrolytu. Dosud nebyly nashromážděny kompletní statistiky o poruchovosti superkondenzátorů z tohoto důvodu, ale podle nepřímých údajů lze životnost superkondenzátorů odhadnout přibližně na 15 let.

Akumulovaná energie

Množství energie uložené v kondenzátoru, vyjádřené v joulech:

E = CU 2 /2,
kde C je kapacita vyjádřená ve faradech, U je napětí na deskách vyjádřené ve voltech.

Množství energie uložené v kondenzátoru, vyjádřené v kWh, je:

W = CU 2 /7200000

Kondenzátor s kapacitou 3000 F s napětím mezi deskami 2,5 V je tedy schopen uložit pouze 0,0026 kWh. Jak se to dá srovnat například s lithium-iontovou baterií? Pokud to přijmete výstupní napětí nezávisle na stupni vybití a rovných 3,6 V, pak se množství energie 0,0026 kWh uloží do lithium-iontové baterie o kapacitě 0,72 Ah. Bohužel, velmi skromný výsledek.

Aplikace superkondenzátorů

V systémech nouzového osvětlení je použití superkondenzátorů místo baterií skutečný rozdíl. Ve skutečnosti je to právě tato aplikace, která se vyznačuje nerovnoměrným vybíjením. Kromě toho je žádoucí, aby se nouzová svítilna rychle nabíjela a záložní zdroj v ní použitý měl větší spolehlivost. Záložní zdroj na bázi superkondenzátoru lze integrovat přímo do LED lampa T8. Takové lampy již vyrábí řada čínských společností.

Napájené LED pozemní světlo
ze solárních panelů, akumulace energie
ve kterém se provádí v superkondenzátoru

Jak již bylo uvedeno, vývoj superkondenzátorů je z velké části způsoben zájmem o alternativní zdroje energie. Ale praktické využití zatím omezeno na LED lampy, které přijímají energii ze slunce.

Aktivně se rozvíjí využití superkondenzátorů pro spouštění elektrických zařízení.

Superkondenzátory jsou schopny dodat velké množství energie v krátkém časovém období. Napájením elektrického zařízení při startu ze superkondenzátoru lze snížit špičkové zatížení elektrické sítě a v konečném důsledku lze snížit rozpětí zapínacího proudu, čímž lze dosáhnout obrovských úspor nákladů.

Spojením několika superkondenzátorů do baterie můžeme dosáhnout kapacity srovnatelné s bateriemi používanými v elektromobilech. Tato baterie však bude vážit několikrát více než baterie, což je pro vozidla nepřijatelné. Problém lze vyřešit použitím superkondenzátorů na bázi grafenu, ty však v současnosti existují pouze jako prototypy. Nadějná verze slavného Yo-mobilu, poháněná pouze elektřinou, však jako zdroj energie využije superkondenzátory nové generace, které vyvíjejí ruští vědci.

Superkapacitory prospějí i výměně baterií v běžných benzinových nebo naftových vozidlech – jejich použití v takových vozidlech je již realitou.

Za nejúspěšnější z realizovaných projektů zavedení superkondenzátorů lze zatím považovat nové trolejbusy ruské výroby, které se nedávno objevily v ulicích Moskvy. Při přerušení dodávky napětí do kontaktní sítě nebo při „odlétnutí sběračů proudu“ může trolejbus jet nízkou rychlostí (asi 15 km/h) několik set metrů do místa, kde nebude překážet provozu. na cestě. Zdrojem energie pro takové manévry je baterie superkondenzátorů.

Obecně platí, že zatím superkondenzátory mohou vytlačit baterie pouze v určitých „výklencích“. Technologie se však rychle vyvíjí, což nám umožňuje očekávat, že v blízké budoucnosti se rozsah použití superkondenzátorů výrazně rozšíří.

Lidé nejprve používali kondenzátory k ukládání elektřiny. Když pak elektrotechnika přesáhla laboratorní experimenty, byly vynalezeny baterie, které se staly hlavním prostředkem k ukládání elektrické energie. Ale na začátku 21. století se opět navrhuje používat k napájení elektrických zařízení kondenzátory. Jak je to možné a stanou se baterie konečně minulostí?

Důvodem, proč byly kondenzátory nahrazeny bateriemi, bylo podstatně větší množství elektřiny, které jsou schopny akumulovat. Dalším důvodem je, že během vybíjení se napětí na výstupu baterie mění velmi málo, takže stabilizátor napětí buď není potřeba, nebo může být velmi jednoduché konstrukce.

Hlavní rozdíl mezi kondenzátory a bateriemi je v tom, že kondenzátory přímo ukládají elektrický náboj, zatímco baterie přeměňují elektrickou energii na chemickou energii, ukládají ji a poté přeměňují chemickou energii zpět na elektrickou energii.

Při přeměnách energie se její část ztrácí. Proto i ty nejlepší baterie mají účinnost maximálně 90 %, zatímco u kondenzátorů může dosáhnout 99 %. Intenzita chemických reakcí závisí na teplotě, takže baterie fungují v chladném počasí znatelně hůře než při pokojové teplotě. Navíc chemické reakce v bateriích nejsou zcela vratné. Z toho plyne malý počet cyklů nabití-vybití (řádově tisíce, nejčastěji je životnost baterie cca 1000 cyklů nabití-vybití), a také „paměťový efekt“. Připomeňme, že „paměťový efekt“ spočívá v tom, že baterie musí být vždy vybita na určité množství akumulované energie, pak bude její kapacita maximální. Pokud v ní po vybití zůstane více energie, pak bude kapacita baterie postupně klesat. „Paměťový efekt“ je charakteristický pro téměř všechny komerčně vyráběné typy baterií, kromě kyselých (včetně jejich odrůd - gelové a AGM). I když se obecně uznává, že lithium-iontové a lithium-polymerové baterie jej nemají, ve skutečnosti ho také mají, jen se projevuje v menší míře než u jiných typů. Kyselé baterie vykazují efekt sulfatace desek, která způsobuje nevratné poškození zdroje energie. Jedním z důvodů je, že baterie zůstává po dlouhou dobu ve stavu nabití nižším než 50 %.

Co se týče alternativní energie, „paměťový efekt“ a sulfatace desek jsou vážnými problémy. Faktem je, že dodávky energie ze zdrojů, jako jsou solární panely a větrné turbíny, je obtížné předvídat. V důsledku toho nabíjení a vybíjení baterií probíhá chaoticky, v neoptimálním režimu.

Pro moderní rytmus života se ukazuje jako absolutně nepřijatelné, aby se baterie musely nabíjet několik hodin. Jak si například představujete jízdu na dlouhou vzdálenost v elektrickém vozidle, když vás vybitá baterie drží u nabíjecího bodu několik hodin? Rychlost nabíjení baterie je omezena rychlostí chemických procesů, které v ní probíhají. Dobu nabíjení můžete zkrátit na 1 hodinu, ale ne na několik minut. Rychlost nabíjení kondenzátoru je přitom omezena pouze maximálním proudem poskytovaným nabíječkou.

Uvedené nevýhody baterií způsobily, že je naléhavé použít místo nich kondenzátory.

Použití elektrické dvouvrstvy

Po mnoho desetiletí měly elektrolytické kondenzátory nejvyšší kapacitu. V nich byla jedna z desek kovová fólie, druhá byla elektrolyt a izolace mezi deskami byl oxid kovu, který potahoval fólii. U elektrolytických kondenzátorů může kapacita dosahovat setin farad, což nestačí k plné výměně baterie.

Velké kapacity, měřené v tisících farad, lze dosáhnout kondenzátory na bázi tzv. elektrické dvojvrstvy. Princip jejich fungování je následující. Na rozhraní látek v pevné a kapalné fázi se za určitých podmínek objevuje elektrická dvojvrstva. Jsou vytvořeny dvě vrstvy iontů s náboji opačných znamének, ale stejné velikosti. Pokud situaci velmi zjednodušíme, vytvoří se kondenzátor, jehož „desky“ jsou naznačené vrstvy iontů, jejichž vzdálenost je rovna několika atomům.

Kondenzátory založené na tomto efektu se někdy nazývají ionistory. Ve skutečnosti se tímto pojmem neoznačují pouze kondenzátory, ve kterých je uložen elektrický náboj, ale i další zařízení pro akumulaci elektřiny - s částečnou přeměnou elektrické energie na energii chemickou spolu s ukládáním elektrického náboje (hybridní ionistor), jakož i pro baterie na bázi dvojité elektrické vrstvy (tzv. pseudokondenzátory). Proto je vhodnější termín „superkondenzátory“. Někdy se místo toho používá identický termín „ultrakondenzátor“.

Technická realizace

Superkondenzátor se skládá ze dvou desek z aktivního uhlí naplněných elektrolytem. Mezi nimi je membrána, která umožňuje průchod elektrolytu, ale brání fyzickému pohybu částic aktivního uhlí mezi deskami.

Je třeba poznamenat, že samotné superkondenzátory nemají žádnou polaritu. V tom se zásadně liší od elektrolytických kondenzátorů, které se zpravidla vyznačují polaritou, jejíž nedodržení vede k poruše kondenzátoru. Polarita je však také aplikována na superkondenzátory. To je způsobeno skutečností, že superkondenzátory opouštějí výrobní linku již nabité a označení označuje polaritu tohoto náboje.

Parametry superkondenzátoru

Maximální kapacita jednotlivého superkondenzátoru, dosažená v době psaní článku, je 12 000 F. U sériově vyráběných superkondenzátorů nepřesahuje 3 000 F. Maximální přípustné napětí mezi deskami nepřesahuje 10 V. U komerčně vyráběných superkondenzátorů tato hodnota se zpravidla pohybuje v rozmezí 2. 3 – 2,7 V. Nízké provozní napětí vyžaduje použití napěťového měniče s funkcí stabilizátoru. Faktem je, že během vybíjení se napětí na deskách kondenzátoru mění v širokém rozsahu. Vytvoření měniče napětí pro připojení zátěže a nabíječky je netriviální úkol. Řekněme, že potřebujete napájet 60W zátěž.

Pro zjednodušení úvahy o problematice zanedbáme ztráty v měniči napětí a stabilizátoru. Pokud pracujete s běžnou 12 V baterií, pak musí řídící elektronika odolat proudu 5 A. Taková elektronická zařízení jsou rozšířená a levná. Zcela jiná situace ale nastává při použití superkondenzátoru, jehož napětí je 2,5 V. Pak může proud protékající elektronickými součástkami měniče dosáhnout 24 A, což vyžaduje nové přístupy k obvodové technice a moderní základnu prvků. Právě složitost stavby měniče a stabilizátoru může vysvětlit skutečnost, že superkondenzátory, jejichž sériová výroba začala v 70. letech 20. století, se teprve nyní začaly široce využívat v nejrůznějších oborech.

Superkondenzátory lze do baterií zapojit pomocí sériového nebo paralelního zapojení. V prvním případě se zvýší maximální přípustné napětí. V druhém případě - kapacita. Zvýšení maximálního povoleného napětí tímto způsobem je jedním ze způsobů, jak problém vyřešit, ale budete za to muset zaplatit snížením kapacity.

Rozměry superkondenzátorů přirozeně závisí na jejich kapacitě. Typický superkondenzátor s kapacitou 3000 F je válec o průměru asi 5 cm a délce 14 cm.S kapacitou 10 F má superkondenzátor rozměry srovnatelné s lidským nehtem.

Dobré superkondenzátory vydrží stovky tisíc cyklů nabití a vybití, přičemž v tomto parametru převyšují baterie asi 100krát. Ale stejně jako elektrolytické kondenzátory se superkondenzátory potýkají s problémem stárnutí v důsledku postupného úniku elektrolytu. Dosud nebyly nashromážděny kompletní statistiky o poruchovosti superkondenzátorů z tohoto důvodu, ale podle nepřímých údajů lze životnost superkondenzátorů odhadnout přibližně na 15 let.

Akumulovaná energie

Množství energie uložené v kondenzátoru, vyjádřené v joulech:

kde C je kapacita vyjádřená ve faradech, U je napětí na deskách vyjádřené ve voltech.

Množství energie uložené v kondenzátoru, vyjádřené v kWh, je:

Kondenzátor s kapacitou 3000 F s napětím mezi deskami 2,5 V je tedy schopen uložit pouze 0,0026 kWh. Jak se to dá srovnat například s lithium-iontovou baterií? Pokud vezmeme její výstupní napětí nezávislé na stupni vybití a rovné 3,6 V, pak se v lithium-iontové baterii o kapacitě 0,72 Ah uloží množství energie 0,0026 kWh. Bohužel, velmi skromný výsledek.

Aplikace superkondenzátorů

V systémech nouzového osvětlení je použití superkondenzátorů místo baterií skutečný rozdíl. Ve skutečnosti je to právě tato aplikace, která se vyznačuje nerovnoměrným vybíjením. Kromě toho je žádoucí, aby se nouzová svítilna rychle nabíjela a záložní zdroj v ní použitý měl větší spolehlivost. Přímo do LED lampy T8 lze integrovat záložní zdroj na bázi superkondenzátoru. Takové lampy již vyrábí řada čínských společností.

Jak již bylo uvedeno, vývoj superkondenzátorů je z velké části způsoben zájmem o alternativní zdroje energie. Ale praktická aplikace je stále omezena na LED lampy, které přijímají energii ze slunce.

Aktivně se rozvíjí využití superkondenzátorů pro spouštění elektrických zařízení.

Superkondenzátory jsou schopny dodat velké množství energie v krátkém časovém období. Napájením elektrického zařízení při startu ze superkondenzátoru lze snížit špičkové zatížení elektrické sítě a v konečném důsledku lze snížit rozpětí zapínacího proudu, čímž lze dosáhnout obrovských úspor nákladů.

Spojením několika superkondenzátorů do baterie můžeme dosáhnout kapacity srovnatelné s bateriemi používanými v elektromobilech. Tato baterie však bude vážit několikrát více než baterie, což je pro vozidla nepřijatelné. Problém lze vyřešit použitím superkondenzátorů na bázi grafenu, ty však v současnosti existují pouze jako prototypy. Nadějná verze slavného Yo-mobilu, poháněná pouze elektřinou, však jako zdroj energie využije superkondenzátory nové generace, které vyvíjejí ruští vědci.

Superkapacitory prospějí i výměně baterií v běžných benzinových nebo naftových vozidlech – jejich použití v takových vozidlech je již realitou.

Za nejúspěšnější z realizovaných projektů zavedení superkondenzátorů lze zatím považovat nové trolejbusy ruské výroby, které se nedávno objevily v ulicích Moskvy. Při přerušení dodávky napětí do kontaktní sítě nebo při „odlétnutí sběračů proudu“ může trolejbus jet nízkou rychlostí (asi 15 km/h) několik set metrů do místa, kde nebude překážet provozu. na cestě. Zdrojem energie pro takové manévry je baterie superkondenzátorů.

Obecně platí, že zatím superkondenzátory mohou vytlačit baterie pouze v určitých „výklencích“. Technologie se však rychle vyvíjí, což nám umožňuje očekávat, že v blízké budoucnosti se rozsah použití superkondenzátorů výrazně rozšíří.

Alexej Vasiljev

Ionistory jsou elektrochemická zařízení určená k ukládání elektrické energie. Vyznačují se velkou rychlostí nabití-vybití (až několik desítek tisíckrát), na rozdíl od jiných baterií mají velmi dlouhou životnost ( nabíjecí baterie a galvanické články), nízký svodový proud, a co je nejdůležitější, ionistory mohou mít velkou kapacitu a velmi malé rozměry. Ionistory našly široké uplatnění v osobní počítače, autorádia, mobilní zařízení a tak dále. Navrženo pro uložení paměti, když je vyjmuta hlavní baterie nebo je zařízení vypnuto. V poslední době se ionistory často používají v autonomních energetických systémech využívajících solární baterie.

Ionistory také velmi dlouho uchovávají náboj bez ohledu na povětrnostní podmínky, jsou odolné vůči mrazu a horku a to nijak neovlivní provoz zařízení. V některých elektronické obvody pro uložení paměti je potřeba mít napětí vyšší než napětí ionistoru, pro vyřešení tohoto problému jsou ionistory zapojeny do série a pro zvýšení kapacity ionistoru jsou zapojeny paralelně. Posledně jmenovaný typ zapojení se používá především ke zvýšení provozní doby ionistoru a také ke zvýšení proudu dodávaného do zátěže, pro vyrovnání proudu v paralelním zapojení je ke každému ionistoru připojen rezistor.

Ionistory se často používají s bateriemi a na rozdíl od nich se nebojí zkraty a náhlé změny okolní teploty. Již dnes se vyvíjejí speciální ionistory s velkou kapacitou a proudem až 1 A. Jak známo, proud ionistorů, které se dnes používají v technice pro ukládání paměti, nepřesahuje 100 miliampérů, to je jeden a nejvíce Významnou nevýhodou ionistorů, ale toto převýšení je kompenzováno výše uvedenými výhodami ionistorů. Na internetu lze najít mnoho konstrukcí založených na tzv. superkondenzátorech – jsou to také ionistory. Ionistory se objevily poměrně nedávno - před 20 lety.

Elektrická kapacita naší planety je podle vědců 700 mikrofaradů, srovnejte s jednoduchým kondenzátorem... Ionistory se vyrábějí převážně z dřevěného uhlí, které se po aktivaci a speciální úpravě stává porézní, dvě kovové desky jsou pevně přitlačeny k přihrádce s uhlí. Vyrobit si ionistor doma je velmi jednoduché, ale získat porézní uhlík je téměř nemožné; musíte zpracovat dřevěné uhlí doma, a to je poněkud problematické, takže je snazší koupit ionistor a provádět na něm zajímavé experimenty. Například parametry (výkon a napětí) jednoho ionistoru stačí k tomu, aby LED svítila jasně a dlouho nebo fungovala

Lžíce aktivního uhlí z lékárny, pár kapek osolené vody, pocínovaný talíř a plastová dóza s fotografickým filmem. To stačí udělat DIY ionistor, elektrický kondenzátor, jehož kapacita se přibližně rovná elektrické kapacitě ... zeměkoule. Leydenská sklenice.

Je možné, že právě o takovém zařízení jeden z amerických novin v roce 1777 napsal: „... Dr. Franklin vynalezl stroj o velikosti pouzdra na párátko, schopný proměnit londýnskou katedrálu svatého Pavla v hrst popela. “ Nejprve však věci.

Lidstvo používá elektřinu něco málo přes dvě století, ale elektrické jevy jsou lidem známy tisíce let a už dávno nemají praktický význam. Teprve na začátku 18. století, kdy se věda stala módní zábavou, vytvořil německý vědec Otto von Guericke „elektroforický“ stroj speciálně pro provádění veřejných experimentů, s jehož pomocí získával elektřinu v dříve neslýchaných množstvích.

Stroj se skládal ze skleněné koule, o kterou se při otáčení otíral kus kůže. Efekt její práce byl skvělý: jiskry praskaly, neviditelné elektrické síly strhávaly dámské šátky a vstávaly vlasy na hlavě. Veřejnost překvapila zejména schopnost těles akumulovat elektrické náboje.

V roce 1745 holandský fyzik z Leidenu Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) nalil vodu do skleněné nádoby, vložil do ní kus drátu jako květinu do vázy a opatrně jej sevřel dlaněmi a přinesl do elektroforový stroj. Láhev nasbírala tolik elektřiny, že z kusu drátu vylétla jasná jiskra s „ohlušujícím řevem“. Když se vědec příště dotkl drátu prstem, dostal ránu, při níž ztratil vědomí; Nebýt asistenta Kuneuse, který dorazil včas, mohla záležitost skončit smutně.

Vzniklo tak zařízení, které dokázalo akumulovat milionkrát více náboje než kterékoli v té době známé těleso. Říkalo se tomu „Leydenská nádoba“. Byl to druh kondenzátoru, jehož jednou z desek byly dlaně experimentátora, dielektrikem byly skleněné stěny a druhou deskou byla voda.

Zpráva o vynálezu se rozšířila po celé osvícené Evropě. Leydenská nádoba byla okamžitě použita ke vzdělání francouzského krále Ludvíka XV. Představení začala. V jednom z experimentů, které vešly do historie, elektřina Prošli řetězem stráží držících se za ruce. Když zasáhl elektrický výboj, všichni vyskočili jako jeden, jako by se chystali pochodovat vzduchem. V dalším experimentu procházel proud řetězcem 700 mnichů...

Experimenty s Leydenskou nádobou v Americe nabraly praktičtější směr. V roce 1747 je zahájil jeden ze zakladatelů Spojených států, již zmíněný Benjamin Franklin. Přišel s nápadem zabalit sklenici do alobalu a její kapacita se mnohonásobně zvýšila a práce se stala bezpečnější. Při experimentech s ním Franklin dokázal, že elektrický výboj může generovat teplo a zvednout rtuťový sloupec v teploměru. A nahrazením sklenice skleněnou deskou pokrytou cínovou fólií dostal Franklin plochý kondenzátor, mnohokrát lehčí než dokonce i Leydenská sklenice, kterou vylepšil.

Historie mlčí o zařízení schopném uchovat tolik energie, že by se dalo, jak napsal deník, použít k „proměně katedrály sv. Pavla v hromadu popela“, ale to neznamená, že by jej B. Franklin nedokázal vytvořit .

A tady je čas vrátit se k tomu, jak to udělat DIY ionistor. Pokud máte zásobu všeho, co potřebujete, po připájení kousku izolovaného drátu k ní spusťte pocínovanou desku na dno plechovky. Nahoře položte podložku z filtračního papíru, nasypte na ni vrstvu aktivního uhlí a po nalití osolené vody přikryjte svůj „sendvič“ další elektrodou.

Schéma činnosti ionistoru.

Máte elektrochemický kondenzátor - ionistor. Je zajímavé, že v pórech částic aktivního uhlí se objevuje tzv. dvojitá elektrická vrstva - dvě vrstvy umístěné blízko sebe elektrické náboje různých znaků, tedy jakýsi elektrochemický kondenzátor. Vzdálenost mezi vrstvami se počítá v angstromech (1 angstrom - 10-9 m). A kapacita kondenzátoru, jak je známo, čím větší, tím menší je vzdálenost mezi deskami.

Díky tomu je zásoba energie na jednotku objemu ve dvojité vrstvě větší než u nejsilnější trhaviny. Tento Leydenská sklenice!

Ionistor funguje následovně. Při absenci vnějšího napětí je jeho kapacita zanedbatelná. Ale pod vlivem napětí aplikovaného na póly kondenzátoru se sousední vrstvy uhlí nabijí. Ionty opačného znaménka v roztoku spěchají k částicím uhlí a vytvářejí na jejich povrchu dvojitou elektrickou vrstvu.

Průmyslový elektrochemický kondenzátor (ionistor). Kovové pouzdro velikosti knoflíku obsahuje dvě vrstvy aktivního uhlí, oddělené porézní distanční vložkou.

Schéma jak na to DIY ionistor.

Schéma domácího ionistoru vyrobeného z plastové nádoby a aktivního uhlí:

1 - horní elektroda;

2 - spojovací vodiče;

3,5 - vrstvy mokrého aktivního uhlí;

4 - porézní separační těsnění;

6 - spodní elektroda;

7 - tělo.

Pokud je k pólům kondenzátoru připojena zátěž, pak opačné náboje z vnitřního povrchu uhelných částic budou probíhat podél drátů směrem k sobě a ionty umístěné v jejich pórech budou vycházet.

To je vše. nyní chápete, jak to udělat DIY ionistor.

Moderní ionistory mají kapacitu desítek a stovek farad. Po vybití jsou schopny vyvinout velkou sílu a jsou velmi odolné. Z hlediska energetické rezervy na jednotku hmotnosti a jednotku objemu jsou ionistory stále horší než baterie. Pokud ale aktivní uhlí nahradíte nejtenčími uhlíkovými nanotrubičkami nebo jinou elektricky vodivou látkou, energetická náročnost ionistoru může být fantasticky velká.

Benjamin Franklin žil v době, kdy se o nanotechnologiích ani neuvažovalo, ale to neznamená, že se nepoužívaly. Jak uvedl držitel Nobelovy ceny za chemii Robert Curie, při výrobě čepelí z damaškové oceli starověcí řemeslníci, aniž by to věděli, používali nanotechnologické metody. Starověká damašková ocel zůstala vždy ostrá a odolná díky speciálnímu složení uhlíku v kovové struktuře.

Některé druhy nanomateriálů, jako jsou zuhelnatělé stonky rostlin obsahující nanotrubičky, by mohl Franklin použít k vytvoření superkondenzátoru. Kolik z vás chápe, co to je? Leydenská sklenice a kdo se o to pokusí?