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 byl elektrolyt a izolace mezi deskami byla z oxidu 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)

Velkou kapacitu, měřenou v tisících farad, lze získat 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.

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.

Superkondenzátor nebo ionistor je zařízení pro ukládání energetických hmot, na rozhraní elektrody a elektrolytu dochází k akumulaci náboje. Užitečný objem energie je uložen jako náboj statického typu. Kumulativní proces spočívá v interakci s konstantní napětí, když ionistor obdrží rozdíl potenciálů na svých deskách. Technologická implementace, stejně jako samotná myšlenka vytvoření takových zařízení, se objevily relativně nedávno, ale podařilo se jim získat experimentální využití k vyřešení určitého počtu problémů. Díl může nahradit proudové zdroje chemického původu, být zálohou nebo hlavním zdrojem napájení v hodinkách, kalkulačkách a různých mikroobvodech.

Základní konstrukci kondenzátoru tvoří deska, jejímž materiálem je fólie, ohraničená suchou separační látkou. Ionistor se skládá z řady kondenzátorů s elektrochemickým nabíječem. K jeho výrobě se používají speciální elektrolyty. Kryty mohou být několika druhů. Aktivní uhlí se používá pro výrobu velkorozměrových obložení. Mohou být také použity oxidy kovů a polymerní materiály s vysokou vodivostí. Pro dosažení požadované kapacitní hustoty se doporučuje používat vysoce porézní uhlíkové materiály. Navíc vám tento přístup umožňuje vyrobit ionistor za působivě nízkou cenu. Takové části patří do kategorie DLC kondenzátorů, které akumulují náboj ve dvojitém prostoru vytvořeném na desce.

Konstrukční řešení, kdy je ionistor kombinován s vodní elektrolytickou bází, se vyznačuje nízkým odporem vnitřních prvků, přičemž nabíjecí napětí je omezeno na 1 V. Použití organických vodičů zaručuje napěťové úrovně cca 2...3 V a zvýšenou odolností.

Elektronické obvody pracují s vyššími energetickými nároky. Řešením tohoto problému je zvýšení počtu použitých napájecích bodů. Ionistor je instalován nejen jeden, ale v množství 3-4 kusů, což dává požadované množství náboje.

Ve srovnání s nikl-metal hydridovou baterií je ionistor schopen pojmout desetinu energetické rezervy, přičemž jeho napětí lineárně klesá, s vyloučením zón planárního výboje. Tyto faktory ovlivňují schopnost plně udržet náboj v ionistoru. Úroveň nabití přímo závisí na technologickém účelu prvku.

Poměrně často se ionistor používá k napájení paměťových čipů a je součástí filtračních obvodů a vyhlazovacích filtrů. Lze je také kombinovat s bateriemi různých typů pro boj s následky náhlých proudových rázů: při dodávce malého proudu se ionistor dobíjí, jinak uvolňuje část energie, čímž se snižuje celková zátěž.

Hype kolem stavby Elona Muska „Gigafactory na baterie“ pro výrobu lithium-iontové baterie ještě neutichla, když se objevila zpráva o události, která by mohla výrazně upravit plány „miliardářského revolucionáře“.
Toto je nedávná tisková zpráva společnosti. Společnost Sunvault Energy Inc., který spolu s Edison Power Company podařilo vytvořit největší grafenový superkondenzátor na světě s kapacitou 10 tisíc (!) Faradů.
Tento údaj je tak fenomenální, že vzbuzuje u domácích odborníků pochybnosti – v elektrotechnice dokonce 20 mikrofaradů (tedy 0,02 milifaradů), to je hodně. Není však pochyb o tom, že ředitelem Sunvault Energy je Bill Richardson, bývalý guvernér Nového Mexika a bývalý ministr energetiky USA. Bill Richardson je známý a uznávaný muž: sloužil jako americký velvyslanec při OSN, několik let pracoval v think-tanku Kissinger a McLarty a byl dokonce nominován na Nobelovu cenu za své úspěchy při osvobozování Američanů zajatých militanty. v různých „horkých místech“ míru. V roce 2008 byl jedním z kandidátů Demokratické strany na prezidenta Spojených států, ale prohrál s Barackem Obamou.

Dnes Sunvault rychle roste, vytvořil společný podnik s Edison Power Company s názvem Supersunvault a v představenstvu nové společnosti jsou nejen vědci (jeden z ředitelů je biochemik, další podnikavý onkolog), ale také slavní lidé s dobrými obchodními schopnostmi. Podotýkám, že jen za poslední dva měsíce společnost navýšila kapacitu svých superkondenzátorů desetinásobně – z tisíce na 10 000 Faradů a slibuje, že ji ještě navýší, aby energie akumulovaná v kondenzátoru stačila na napájení celého domu, to znamená, že Sunvault je připraven jednat přímo jako konkurent Elona Muska, který plánuje výrobu superbaterií typu Powerwall s kapacitou asi 10 kWh.

Výhody grafenové technologie a konec Gigafactory.

Zde je třeba připomenout hlavní rozdíl mezi kondenzátory a bateriemi - pokud se první rychle nabíjejí a vybíjejí, ale akumulují málo energie, pak baterie - naopak. Poznámka hlavní výhody grafenových superkondenzátorůPROTI.

1. Rychlé nabíjení — kondenzátory se nabíjejí přibližně 100-1000krát rychleji než baterie.

2. Láce: pokud běžné lithium-iontové baterie stojí asi 500 dolarů za 1 kWh akumulované energie, pak superkondenzátor stojí jen 100 dolarů a do konce roku tvůrci slibují snížení nákladů na 40 dolarů. Svým složením jde o obyčejný uhlík – jeden z nejrozšířenějších chemických prvků na Zemi.

3. Kompaktnost a energetická hustota a. Nový grafenový superkondenzátor ohromuje nejen svou fantastickou kapacitou, která převyšuje známé vzorky zhruba tisíckrát, ale také svou kompaktností - má velikost malé knihy, tedy stokrát kompaktnější než kondenzátory 1 Farad. aktuálně používané.

4. Bezpečnost a šetrnost k životnímu prostředí. Jsou mnohem bezpečnější než baterie, které se zahřívají, obsahují nebezpečné chemikálie a někdy dokonce explodují.Grafen sám o sobě je biologicky odbouratelná látka, to znamená, že se na slunci jednoduše rozpadne a nekazí životní prostředí. Je chemicky neaktivní a nezatěžuje životní prostředí.

5. Jednoduchost nové technologie výroby grafenu. Obrovská území a kapitálové investice, masy pracovníků, toxické a nebezpečné látky používané v technologický postup lithium-iontové baterie jsou v ostrém kontrastu s úžasnou jednoduchostí nové technologie. Faktem je, že grafen (tedy nejtenčí, monoatomický uhlíkový film) se vyrábí v Sunvaultu... pomocí obyčejného CD disku, na který se nalije část grafitové suspenze. Disk se pak vloží do běžné DVD mechaniky a vypálí se laserem speciální program- a grafenová vrstva je připravena! Uvádí se, že tento objev učinil náhodou - student Maher El-Kadi, který pracoval v laboratoři chemika Richarda Kanera. Poté disk vypálil pomocí softwaru LightScribe, aby vytvořil vrstvu grafenu.
Navíc, jak řekl generální ředitel Sunvault Gary Monahan na konferenci na Wall Street, firma na tom pracuje grafenová zařízení pro ukládání energie by mohla být vyrobena konvenčním tiskem na 3D tiskárně- a tím bude jejich výroba nejen levná, ale i prakticky univerzální. A v kombinaci s levnými solárními panely (dnes jejich cena klesla na 1,3 dolaru za W) dají grafenové superkondenzátory milionům lidí šanci získat energetickou nezávislost úplným odpojením od elektrické sítě, a ještě více – stát se vlastní elektřinou. dodavatelů a zničením „přirozených“ monopolů.
Není tedy pochyb: grafen superkondenzátory jsou revoluční průlom v oblasti skladování energie a . A to je pro Elona Muska špatná zpráva – výstavba závodu v Nevadě ho bude stát zhruba 5 miliard dolarů, což by se i bez takových konkurentů jen těžko vrátilo. Zdá se, že zatímco výstavba továrny v Nevadě již probíhá a pravděpodobně bude dokončena, další tři, které Musk naplánoval, pravděpodobně nebudou dokončeny.

Přístup na trh? Ne tak brzy, jak bychom chtěli.

Revoluční povaha takové technologie je zřejmá. Další věc je nejasná – kdy se dostane na trh? Již dnes vypadá objemný a drahý lithiový projekt Gigafactory Elona Muska jako dinosaurus industrialismu. Jakkoli však revoluční, potřebné a šetrné k životnímu prostředí nová technologie, to neznamená, že k nám přijde za rok nebo dva. Svět kapitálu se nevyhne finančním šokům, ale těm technologickým se celkem úspěšně vyhýbá. V podobné případy Začínají fungovat zákulisní dohody mezi velkými investory a politickými hráči. Stojí za připomenutí, že Sunvault je společnost sídlící v Kanadě a v představenstvu jsou lidé, kteří, přestože mají rozsáhlé vazby na politickou elitu Spojených států, stále nejsou součástí jejího petrodolarového jádra, což je víceméně zřejmé. boj, proti kterému zřejmě již začal.
Co je pro nás nejdůležitější Příležitosti, které nabízejí nové energetické technologie: energetická nezávislost pro zemi a v budoucnu pro každého z jejích občanů. Grafenové superkondenzátory jsou samozřejmě spíše „hybridní“, přechodná technologie, která neumožňuje přímou výrobu energie, na rozdíl od magneto-gravitační technologie, které slibují naprostou změnu samotného vědeckého paradigmatu i vzhledu celého světa. Konečně existuje revoluční finanční technologie, které jsou globální petrodolarovou mafií vlastně tabu. Přesto se jedná o velmi působivý průlom, o to zajímavější, že se odehrává v „doupěti petrodolarové bestie“ – ve Spojených státech.
Ještě před šesti měsíci jsem psal o úspěších Italů v technologii studené fúze, ale během této doby jsme se dozvěděli o působivé technologii LENR americké společnosti SolarTrends a o průlomu německého Gaya-Rosch a nyní o skutečně revoluční technologie grafenových paměťových zařízení. I tento krátký výčet ukazuje, že problém není v tom, že by naše ani žádná jiná vláda neměla možnost snížit účty, které dostáváme za plyn a elektřinu, a to ani v netransparentním výpočtu tarifů.
Kořenem zla je nevědomost těch, kdo platí účty, a neochota těch, kdo je vystavují, cokoliv změnit . Jen pro obyčejné lidi je energie elektřina. Ve skutečnosti je energie vlastního já síla.

Vědecká publikace Science informovala o technologickém průlomu australských vědců v oblasti vytváření superkondenzátorů.

Zaměstnancům Monash University se sídlem v Melbourne se podařilo změnit technologii výroby superkondenzátorů vyrobených z grafenu tak, že výsledné produkty jsou komerčně atraktivnější než dříve existující analogy.

Odborníci již dlouho mluví o magických kvalitách superkondenzátorů na bázi grafenu a laboratorní testy nejednou přesvědčivě prokázaly fakt, že jsou lepší než konvenční. Takové kondenzátory s předponou „super“ očekávají tvůrci moderní elektroniky, automobilové společnosti a dokonce i stavitelé alternativních zdrojů elektřiny atd.

Extrémně dlouhý životní cyklus a také schopnost superkondenzátoru nabíjet se v co nejkratším čase umožňují konstruktérům s jejich pomocí řešit složité konstrukční problémy. různá zařízení. Ale do té doby byl triumfální pochod grafenových kondenzátorů blokován jejich nízkou měrnou energií a... V průměru měl ionistor nebo superkondenzátor měrný energetický indikátor v řádu 5–8 Wh/kg, což na pozadí rychlého vybíjení činilo grafenový produkt závislým na nutnosti velmi častého dobíjení.

Australským zaměstnancům Department of Materials Manufacturing Research z Melbourne pod vedením profesora Dana Lee se podařilo zvýšit měrnou hustotu energie grafenového kondenzátoru 12krát. Nyní je toto číslo pro nový kondenzátor 60 W*h/kg, a to je již důvod mluvit o technické revoluci v této oblasti. Vynálezcům se podařilo překonat problém rychlého vybíjení grafenového superkondenzátoru a zajistit, že se nyní vybíjí pomaleji než dokonce i standardní baterie.

K tak působivému výsledku pomohl vědcům technologický objev: vzali adaptivní grafen-gelový film a vytvořili z něj velmi malou elektrodu. Vynálezci vyplnili prostor mezi grafenovými listy kapalným elektrolytem tak, že mezi nimi vznikla subnanometrová vzdálenost. Tento elektrolyt je přítomen i v klasických kondenzátorech, kde působí jako vodič elektřiny. Zde se stal nejen vodičem, ale i překážkou vzájemného kontaktu grafenových plátů. Právě tento krok nám umožnil dosáhnout více vysoká hustota kondenzátor při zachování porézní struktury.

Samotná kompaktní elektroda byla vytvořena technologií, která je známá výrobcům papíru, který všichni známe. Tato metoda Je to docela levné a jednoduché, což nám umožňuje být optimističtí ohledně možnosti komerční výroby nových superkondenzátorů.

Novináři spěchali ujistit svět, že lidstvo dostalo pobídku k vývoji úplně nového elektronická zařízení. Samotní vynálezci ústy profesora Leeho slíbili, že grafenovému superkondenzátoru velmi rychle pomohou pokrýt cestu z laboratoře do továrny.

Ať se vám to líbí nebo ne, éra elektromobilů se neustále blíží. A v současné době pouze jedna technologie brzdí průlom a převzetí trhu elektromobily, technologií skladování elektrické energie atd. Navzdory všem úspěchům vědců v tomto směru má většina elektrických a hybridních automobilů ve své konstrukci lithium-iontové baterie, které mají své kladné i záporné stránky a dokážou ujet na jedno nabití vozidla pouze na krátkou vzdálenost, postačující pouze na cestování v hranicích města. Všechny přední světové automobilky tento problém chápou a hledají způsoby, jak zvýšit efektivitu elektromobilů, které zvýší dojezd na jedno nabití. baterie.

Jedním ze způsobů, jak zlepšit účinnost elektromobilů, je shromažďovat a znovu využívat energii, která se při brzdění vozu a při pohybu vozu po nerovném povrchu vozovky mění v teplo. Metody vracení takové energie již byly vyvinuty, ale účinnost jejího sběru a opětovného využití je extrémně nízká kvůli nízké provozní rychlosti baterií. Doba brzdění se obvykle měří v sekundách, což je příliš rychlé pro baterie, které se nabíjejí hodiny. Pro akumulaci „rychlé“ energie jsou proto nutné jiné přístupy a úložná zařízení, jejichž úlohou jsou s největší pravděpodobností kondenzátory velká kapacita, tzv. superkondenzátory.

Bohužel superkondenzátory ještě nejsou připraveny vydat se na velkou cestu, přestože se umí rychle nabíjet a vybíjet, jejich kapacita je stále relativně nízká. Spolehlivost superkondenzátorů navíc zůstává nedostatečná: materiály použité v elektrodách superkondenzátorů se neustále ničí v důsledku opakovaných cyklů nabíjení a vybíjení. A to je stěží přijatelné vzhledem k tomu, že za celou dobu životnosti elektromobilu by počet provozních cyklů superkondenzátorů měl být mnohomilionkrát.

Santhakumar Kannappan a skupina jeho kolegů z Institute of Science and Technology, Gwangju, Korea, mají řešení výše uvedeného problému, jehož základem je jeden z nejúžasnějších materiálů naší doby - grafen. Korejští vědci vyvinuli a vyrobili prototypy vysoce účinných superkondenzátorů na bázi grafenu, jejichž kapacitní parametry nejsou horší než u lithium-iontových baterií, ale které jsou schopny velmi rychle akumulovat a uvolňovat svůj elektrický náboj. Navíc i prototypy grafenových superkondenzátorů vydrží mnoho desítek tisíc provozních cyklů, aniž by ztratily své vlastnosti.
Trik, jak dosáhnout tak působivých výsledků, je získat speciální formu grafenu, která má obrovský efektivní povrch. Vědci vyrobili tuto formu grafenu smícháním částic oxidu grafenu s hydrazinem ve vodě a rozdrcením pomocí ultrazvuku. Výsledný grafenový prášek byl zabalen do kotoučových pelet a sušen při teplotě 140 stupňů Celsia a tlaku 300 kg/cm po dobu pěti hodin.

Výsledný materiál se ukázal jako velmi porézní, jeden gram takového grafenového materiálu má efektivní plochu rovnou ploše basketbalového hřiště. Porézní charakter tohoto materiálu navíc umožňuje iontové elektrolytické kapalině EBIMF 1 M zcela zaplnit celý objem materiálu, což vede ke zvýšení elektrické kapacity superkondenzátoru.

Měření charakteristik experimentálních superkondenzátorů ukázala, že jejich elektrická kapacita je asi 150 Faradů na gram, hustota akumulace energie je 64 wattů na kilogram a hustota elektrický proud rovná 5 ampérům na gram. Všechny tyto vlastnosti jsou srovnatelné s vlastnostmi lithium-iontových baterií, jejichž hustota akumulace energie se pohybuje od 100 do 200 wattů na kilogram. Tyto superkondenzátory však mají jednu obrovskou výhodu: dokážou plně nabít nebo uvolnit veškerý uložený náboj za pouhých 16 sekund. A tento čas je dosud nejrychlejším časem nabíjení a vybíjení.

Tato působivá sada vlastností plus jednoduchá výrobní technologie grafenových superkondenzátorů může ospravedlnit tvrzení výzkumníků, kteří napsali, že jejich „zařízení pro ukládání energie grafenových superkondenzátorů jsou nyní připravena na hromadnou výrobu a mohla by se objevit v nadcházejících generacích elektrických automobilů. “

Skupina vědců z Rice University upravila metodu, kterou vyvinuli, k výrobě grafenu pomocí laseru k výrobě superkondenzátorových elektrod.

Od svého objevu grafen, forma uhlíku, krystalová buňka který má mimo jiné monatomickou tloušťku, byl zvažován jako alternativa k elektrodám s aktivním uhlím používaným v superkondenzátorech, kondenzátorech s vysokou kapacitou a nízkými svodovými proudy. Čas a výzkum ale ukázaly, že grafenové elektrody nefungují o mnoho lépe než elektrody s mikroporézním aktivním uhlím, a to způsobilo pokles nadšení a omezení řady studií.

Nicméně, grafenové elektrody mají některé nepopiratelné výhody ve srovnání s porézními uhlíkovými elektrodami.

Grafenové superkondenzátory může pracovat na vyšších frekvencích a flexibilita grafenu umožňuje na jeho základě vytvářet extrémně tenká a flexibilní zařízení pro ukládání energie, která se ideálně hodí pro použití v nositelné a flexibilní elektronice.

Dvě výše uvedené výhody grafenových superkondenzátorů podnítily další výzkum skupiny vědců z Rice University. Upravili laserem podporovanou metodu výroby grafenu, kterou vyvinuli, k výrobě superkondenzátorových elektrod.

„To, čeho jsme byli schopni dosáhnout, je srovnatelné s mikrosuperkondenzátory, které jsou dostupné na trhu s elektronikou,“ říká James Tour, vědec, který vedl výzkumný tým.„S naší metodou můžeme vyrábět superkondenzátory, které mají jakýkoli prostorový tvar. Když potřebujeme zabalit grafenové elektrody na dostatečně malou plochu, jednoduše je složíme jako list papíru.“

K výrobě grafenových elektrod vědci použili laserová metoda (laserem indukovaný grafém, LIG), ve kterém je silný laserový paprsek namířen na cíl vyrobený z levného polymerního materiálu.

Parametry laserového světla jsou voleny tak, aby z polymeru vypálily všechny prvky kromě uhlíku, který vzniká ve formě porézního grafenového filmu. Ukázalo se, že tento porézní grafen má dostatečně velký efektivní povrch, což z něj činí ideální materiál pro elektrody superkondenzátorů.

To, co činí zjištění týmu Rice University tak přesvědčivými, je snadnost výroby porézního grafenu.

„Výroba grafenových elektrod je velmi jednoduchá. To nevyžaduje čistou místnost a proces využívá konvenční průmyslové lasery, které úspěšně fungují v továrních dílnách a dokonce i dál venku“ říká James Tur.

Kromě snadné výroby prokázaly grafenové superkondenzátory velmi působivé vlastnosti. Tato zařízení pro ukládání energie vydržela tisíce cyklů nabití a vybití bez ztráty elektrické kapacity. Navíc elektrická kapacita těchto superkondenzátorů zůstala prakticky nezměněna poté, co byl ohebný superkondenzátor deformován 8 tisíckrát za sebou.

„Ukázali jsme, že technologie, kterou jsme vyvinuli, může vyrábět tenké a flexibilní superkondenzátory, které se mohou stát součástmi flexibilní elektroniky nebo zdrojů energie pro nositelnou elektroniku, kterou lze zabudovat přímo do oblečení nebo předmětů každodenní potřeby,“ řekl James Tour.

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 byl elektrolyt a izolace mezi deskami byla z oxidu kovu, který potahoval fólii. U elektrolytických kondenzátorů může kapacita dosahovat setin farad, což nestačí k plné výměně baterie.

Velkou kapacitu, měřenou v tisících farad, lze získat 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 až 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

Elektrická kapacita zeměkoule, jak je známá z kurzů fyziky, je přibližně 700 μF. Obyčejný kondenzátor této kapacity lze hmotností a objemem přirovnat k cihle. Existují ale i kondenzátory s elektrickou kapacitou zeměkoule, velikostí rovnou zrnku písku – superkondenzátory.

Taková zařízení se objevila relativně nedávno, asi před dvaceti lety. Říká se jim jinak: ionistory, ionixy nebo jednoduše superkondenzátory.

Nemyslete si, že jsou dostupné pouze některým leteckým firmám s vysokým létáním. Dnes si můžete v obchodě koupit ionistor o velikosti mince a kapacitě jednoho farada, což je 1500krát větší kapacita zeměkoule a blíží se kapacitě největší planety sluneční soustavy – Jupiteru.

Jakýkoli kondenzátor uchovává energii. Abychom pochopili, jak velká nebo malá je energie uložená v superkondenzátoru, je důležité ji s něčím porovnat. Zde je poněkud neobvyklý, ale jasný způsob.

Energie obyčejného kondenzátoru stačí na to, aby skočil asi metr a půl. Maličký superkondenzátor typu 58-9V o hmotnosti 0,5 g, nabitý napětím 1 V, mohl vyskočit do výšky 293 m!

Někdy si myslí, že ionistory mohou nahradit jakoukoli baterii. Novináři zobrazili budoucí svět s tichými elektrickými vozidly poháněnými superkondenzátory. Ale to je ještě hodně daleko. Ionistor o hmotnosti jeden kg je schopen akumulovat 3000 J energie a nejhorší olověná baterie je 86 400 J - 28x více. Při dodání vysokého výkonu v krátké době se však baterie rychle opotřebovává a je vybitá jen z poloviny. Ionistor opakovaně a bez sebepoškození dodává jakýkoli výkon, pokud to propojovací vodiče vydrží. Superkondenzátor lze navíc nabít během několika sekund, přičemž baterie k tomu obvykle potřebuje hodiny.

To určuje rozsah použití ionistoru. Je dobrý jako zdroj energie pro zařízení, která krátkodobě, ale poměrně často spotřebují hodně energie: elektronická zařízení, baterky, startéry do aut, elektrické sbíječky. Ionistor může mít také vojenské využití jako zdroj energie pro elektromagnetické zbraně. A v kombinaci s malou elektrárnou umožňuje ionistor vytvářet automobily s elektrickým pohonem kol a spotřebou paliva 1-2 litry na 100 km.

Ionistory pro širokou škálu kapacit a provozních napětí jsou k dispozici na prodej, ale jsou poměrně drahé. Pokud tedy máte čas a zájem, můžete si zkusit vyrobit ionistor sami. Než ale poskytnu konkrétní radu, trocha teorie.

Z elektrochemie je známo: při ponoření kovu do vody se na jeho povrchu vytvoří tzv. dvojitá elektrická vrstva skládající se z protilehlých elektrické náboje- ionty a elektrony. Působí mezi nimi vzájemné přitažlivé síly, ale náboje se k sobě nemohou přiblížit. Tomu brání přitažlivé síly vody a molekul kovů. Elektrická dvojvrstva ve svém jádru není nic jiného než kondenzátor. Náboje soustředěné na jeho povrchu fungují jako desky. Vzdálenost mezi nimi je velmi malá. A jak víte, kapacita kondenzátoru se zvyšuje se zmenšující se vzdáleností mezi jeho deskami. Proto například kapacita běžného ocelového paprsku ponořeného do vody dosahuje několika mF.

Ionistor se v podstatě skládá ze dvou elektrod s velmi velkou plochou ponořených do elektrolytu, na jejichž povrchu se vlivem přiloženého napětí vytvoří dvojitá elektrická vrstva. Pravda, s použitím obyčejných plochých desek by bylo možné získat kapacitu jen několik desítek mF. Pro získání velkých kapacit charakteristických pro ionistory používají elektrody vyrobené z porézních materiálů, které mají velký povrch pórů s malými vnějšími rozměry.

Pro tuto roli byly kdysi zkoušeny houbovité kovy od titanu po platinu. Nesrovnatelně lepší však bylo... obyčejné aktivní uhlí. Jedná se o dřevěné uhlí, které se po speciální úpravě stává porézní. Povrch pórů 1 cm3 takového uhlí dosahuje tisíc metrů čtverečních a kapacita dvojité elektrické vrstvy na nich je deset farad!

Podomácku vyrobený ionistor Obrázek 1 ukazuje konstrukci ionistoru. Skládá se ze dvou kovových desek pevně přitlačených k „náplni“ aktivního uhlí. Uhlí je položeno ve dvou vrstvách, mezi nimiž je tenká separační vrstva látky, která nevede elektrony. To vše je napuštěno elektrolytem.

Při nabíjení ionistoru se v jedné polovině uhlíkových pórů vytvoří dvojitá elektrická vrstva s elektrony na povrchu a ve druhé polovině s kladnými ionty. Po nabití začnou ionty a elektrony proudit k sobě. Když se setkají, vytvoří se neutrální atomy kovu a nahromaděný náboj se sníží a časem může úplně zmizet.

Aby se tomu zabránilo, je mezi vrstvy aktivního uhlí vložena separační vrstva. Může se skládat z různých tenkých plastových fólií, papíru a dokonce i vaty.
V amatérských ionizátorech je elektrolytem 25% roztok kuchyňské soli nebo 27% roztok KOH. (Při nižších koncentracích se na kladné elektrodě nevytvoří vrstva záporných iontů.)

Jako elektrody se používají měděné desky s předpájenými dráty. Jejich pracovní plochy by měly být očištěny od oxidů. V tomto případě je vhodné použít hrubý brusný papír, který zanechává škrábance. Tyto škrábance zlepší přilnavost uhlí k mědi. Pro dobrou přilnavost je třeba desky odmastit. Odmašťování desek se provádí ve dvou fázích. Nejprve se umyjí mýdlem a poté se otírají zubním práškem a smyjí proudem vody. Poté byste se jich neměli dotýkat prsty.

Aktivní uhlí zakoupené v lékárně se rozemele v hmoždíři a smícháním s elektrolytem se získá hustá pasta, kterou rozetřeme na důkladně odmaštěné plechy.

Při prvním testu se desky s papírovým těsněním položí jedna na druhou, načež se pokusíme nabít. Ale je tu jemnost. Když je napětí větší než 1 V, začne se uvolňovat plyny H2 a O2. Ničí uhlíkové elektrody a neumožňují našemu zařízení pracovat v režimu kondenzátor-ionistor.

Proto jej musíme nabíjet ze zdroje s napětím ne vyšším než 1 V. (To je napětí pro každý pár desek, které je doporučeno pro provoz průmyslových ionistorů.)

Podrobnosti pro zvědavce

Při napětí větším než 1,2 V se ionistor změní na plynovou baterii. Jedná se o zajímavé zařízení, také sestávající z aktivního uhlí a dvou elektrod. Konstrukčně je ale řešen jinak (viz obr. 2). Obvykle vezměte dvě uhlíkové tyče ze starého galvanického článku a kolem nich uvažte gázové sáčky s aktivním uhlím. Roztok KOH se používá jako elektrolyt. (Neměl by se používat roztok kuchyňské soli, protože při jejím rozkladu se uvolňuje chlór.)

Energetická náročnost plynové baterie dosahuje 36 000 J/kg, neboli 10 Wh/kg. To je 10krát více než u ionistorů, ale 2,5krát méně než u konvenčních olověných baterií. Plynová baterie však není jen baterie, ale velmi unikátní palivový článek. Při jeho nabíjení se na elektrodách uvolňují plyny – kyslík a vodík. „Usazují se“ na povrchu aktivního uhlí. Když se objeví zatěžovací proud, jsou spojeny, aby vytvořily vodu a elektrický proud. Tento proces však probíhá velmi pomalu bez katalyzátoru. A jak se ukázalo, katalyzátorem může být pouze platina... Plynová baterie tedy na rozdíl od ionistoru nemůže produkovat vysoké proudy.

Nicméně moskevský vynálezce A.G. Presnyakov (http://chemfiles.narod.r u/hit/gas_akk.htm) úspěšně použil plynovou baterii ke spuštění motoru nákladního automobilu. Jeho značná váha – téměř třikrát větší než obvykle – se v tomto případě ukázala jako snesitelná. Nízká cena a nepřítomnost škodlivých materiálů, jako je kyselina a olovo, se však zdály mimořádně atraktivní.

Ukázalo se, že plynová baterie nejjednodušší konstrukce je náchylná k úplnému samovybití za 4-6 hodin. Tím byly experimenty ukončeny. Kdo potřebuje auto, které nelze nastartovat po zaparkování přes noc?

A přesto „velká technika“ nezapomněla na plynové baterie. Výkonné, lehké a spolehlivé, najdeme je na některých satelitech. Proces v nich probíhá pod tlakem asi 100 atm a jako absorbér plynu se používá houbový nikl, který za takových podmínek působí jako katalyzátor. Celé zařízení je uloženo v ultralehkém válci z uhlíkových vláken. Výsledné baterie mají energetickou kapacitu téměř 4x vyšší než u olověných baterií. Elektromobil na nich mohl ujet zhruba 600 km. Ale bohužel jsou stále velmi drahé.