Οι άνθρωποι χρησιμοποίησαν για πρώτη φορά πυκνωτές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια, όταν η ηλεκτρική μηχανική ξεπέρασε τα εργαστηριακά πειράματα, εφευρέθηκαν οι μπαταρίες, οι οποίες έγιναν το κύριο μέσο αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Αλλά στις αρχές του 21ου αιώνα, προτείνεται και πάλι η χρήση πυκνωτών για την τροφοδοσία ηλεκτρικού εξοπλισμού. Πόσο δυνατό είναι αυτό και θα γίνουν τελικά οι μπαταρίες παρελθόν;

Ο λόγος για τον οποίο οι πυκνωτές αντικαταστάθηκαν από μπαταρίες οφείλεται στις σημαντικά μεγαλύτερες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας που μπορούν να αποθηκεύσουν. Ένας άλλος λόγος είναι ότι κατά την εκφόρτιση η τάση στην έξοδο της μπαταρίας αλλάζει ελάχιστα, έτσι ώστε είτε δεν απαιτείται σταθεροποιητής τάσης είτε μπορεί να είναι πολύ απλής σχεδίασης.

Η κύρια διαφορά μεταξύ πυκνωτών και μπαταριών είναι ότι οι πυκνωτές αποθηκεύουν απευθείας ηλεκτρικό φορτίο, ενώ οι μπαταρίες μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια, την αποθηκεύουν και στη συνέχεια μετατρέπουν τη χημική ενέργεια πίσω σε ηλεκτρική ενέργεια.

Κατά τη διάρκεια των ενεργειακών μετασχηματισμών, μέρος της χάνεται. Επομένως, ακόμη και οι καλύτερες μπαταρίες δεν έχουν απόδοση που δεν ξεπερνά το 90%, ενώ για τους πυκνωτές μπορεί να φτάσει το 99%. Η ένταση των χημικών αντιδράσεων εξαρτάται από τη θερμοκρασία, επομένως οι μπαταρίες αποδίδουν αισθητά χειρότερα σε κρύο καιρό από ότι σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, οι χημικές αντιδράσεις στις μπαταρίες δεν είναι πλήρως αναστρέψιμες. Εξ ου και ο μικρός αριθμός κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης (της τάξης των χιλιάδων, συνήθως η διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι περίπου 1000 κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης), καθώς και το «φαινόμενο μνήμης». Ας θυμηθούμε ότι το "φαινόμενο μνήμης" είναι ότι η μπαταρία πρέπει πάντα να αποφορτίζεται σε μια ορισμένη ποσότητα συσσωρευμένης ενέργειας, τότε η χωρητικότητά της θα είναι μέγιστη. Εάν, μετά την εκφόρτιση, παραμείνει περισσότερη ενέργεια σε αυτό, τότε η χωρητικότητα της μπαταρίας θα μειωθεί σταδιακά. Το «φαινόμενο μνήμης» είναι χαρακτηριστικό σχεδόν όλων των τύπων μπαταριών που παράγονται στο εμπόριο, εκτός από τις όξινες (συμπεριλαμβανομένων των ποικιλιών τους - gel και AGM). Αν και είναι γενικά αποδεκτό ότι τα ιόντα λιθίου και μπαταρίες πολυμερούς λιθίουδεν είναι τυπικό, μάλιστα, το έχουν και αυτοί, απλώς εκδηλώνεται σε μικρότερο βαθμό από ότι σε άλλους τύπους. Όσον αφορά τις μπαταρίες οξέος, παρουσιάζουν την επίδραση της θείωσης της πλάκας, η οποία προκαλεί μη αναστρέψιμη βλάβη στην πηγή ενέργειας. Ένας από τους λόγους είναι ότι η μπαταρία παραμένει σε κατάσταση φόρτισης κάτω του 50% για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Όσον αφορά την εναλλακτική ενέργεια, το «φαινόμενο μνήμης» και η θείωση της πλάκας είναι σοβαρά προβλήματα. Γεγονός είναι ότι η παροχή ενέργειας από πηγές όπως π.χ ηλιακούς συλλέκτεςκαι οι ανεμογεννήτριες είναι δύσκολο να προβλεφθούν. Ως αποτέλεσμα, η φόρτιση και η εκφόρτιση των μπαταριών γίνεται χαοτικά, σε μια μη βέλτιστη λειτουργία.

Για τον σύγχρονο ρυθμό ζωής, αποδεικνύεται απολύτως απαράδεκτο το γεγονός ότι οι μπαταρίες πρέπει να φορτίζονται για αρκετές ώρες. Για παράδειγμα, πώς φαντάζεστε να οδηγείτε μια μεγάλη απόσταση με ένα ηλεκτρικό όχημα, εάν μια νεκρή μπαταρία σας κρατά κολλημένους στο σημείο φόρτισης για αρκετές ώρες; Η ταχύτητα φόρτισης μιας μπαταρίας περιορίζεται από την ταχύτητα των χημικών διεργασιών που συμβαίνουν σε αυτήν. Μπορείτε να μειώσετε το χρόνο φόρτισης σε 1 ώρα, αλλά όχι σε λίγα λεπτά. Ταυτόχρονα, ο ρυθμός φόρτισης του πυκνωτή περιορίζεται μόνο από το μέγιστο ρεύμα που παρέχει ο φορτιστής.

Τα αναφερόμενα μειονεκτήματα των μπαταριών έχουν καταστήσει επιτακτική τη χρήση πυκνωτών.

Χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα

Για πολλές δεκαετίες, οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές είχαν την υψηλότερη χωρητικότητα. Σε αυτά, η μία από τις πλάκες ήταν μεταλλικό φύλλο, η άλλη ήταν ηλεκτρολύτης και η μόνωση μεταξύ των πλακών ήταν οξείδιο μετάλλου, το οποίο επικάλυψε το φύλλο. Για τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, η χωρητικότητα μπορεί να φτάσει τα εκατοστά του φαράντ, κάτι που δεν είναι αρκετό για την πλήρη αντικατάσταση της μπαταρίας.

Σύγκριση σχεδίων ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙπυκνωτές (Πηγή: Wikipedia)

Η μεγάλη χωρητικότητα, μετρημένη σε χιλιάδες φαράντ, μπορεί να επιτευχθεί από πυκνωτές που βασίζονται στο λεγόμενο ηλεκτρικό διπλό στρώμα. Η αρχή της λειτουργίας τους είναι η εξής. Ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα εμφανίζεται υπό ορισμένες συνθήκες στη διεπιφάνεια των ουσιών στη στερεά και την υγρή φάση. Σχηματίζονται δύο στοιβάδες ιόντων με φορτία αντίθετων προσώπων, αλλά του ίδιου μεγέθους. Εάν απλοποιήσουμε πολύ την κατάσταση, τότε σχηματίζεται ένας πυκνωτής, οι "πλάκες" του οποίου είναι τα υποδεικνυόμενα στρώματα ιόντων, η απόσταση μεταξύ των οποίων είναι ίση με πολλά άτομα.

Υπερπυκνωτές διαφόρων χωρητικοτήτων που παράγονται από την Maxwell

Οι πυκνωτές που βασίζονται σε αυτό το φαινόμενο μερικές φορές ονομάζονται ιονιστές. Στην πραγματικότητα, αυτός ο όρος δεν αναφέρεται μόνο σε πυκνωτές στους οποίους αποθηκεύεται ηλεκτρικό φορτίο, αλλά και σε άλλες συσκευές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας - με μερική μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική ενέργεια μαζί με την αποθήκευση του ηλεκτρικού φορτίου (υβριδικός ιονιστής), καθώς και για μπαταρίες που βασίζονται σε διπλό ηλεκτρικό στρώμα (οι λεγόμενοι ψευδοπυκνωτές). Επομένως, ο όρος «υπερπυκνωτές» είναι πιο κατάλληλος. Μερικές φορές χρησιμοποιείται ο ίδιος όρος «υπερπυκνωτής».

Τεχνική υλοποίηση

Ο υπερπυκνωτής αποτελείται από δύο πλάκες ενεργού άνθρακα γεμάτες με ηλεκτρολύτη. Ανάμεσά τους υπάρχει μια μεμβράνη που επιτρέπει στον ηλεκτρολύτη να περάσει, αλλά εμποδίζει τη φυσική κίνηση των σωματιδίων ενεργού άνθρακα μεταξύ των πλακών.

Πρέπει να σημειωθεί ότι οι ίδιοι οι υπερπυκνωτές δεν έχουν πολικότητα. Σε αυτό διαφέρουν θεμελιωδώς από τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, οι οποίοι, κατά κανόνα, χαρακτηρίζονται από πολικότητα, μη συμμόρφωση με την οποία οδηγεί σε αστοχία του πυκνωτή. Ωστόσο, η πολικότητα εφαρμόζεται και στους υπερπυκνωτές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι υπερπυκνωτές εγκαταλείπουν την εργοστασιακή γραμμή συναρμολόγησης ήδη φορτισμένη και η σήμανση υποδεικνύει την πολικότητα αυτής της φόρτισης.

Παράμετροι υπερπυκνωτών

Η μέγιστη χωρητικότητα ενός μεμονωμένου υπερπυκνωτή, που επιτυγχάνεται τη στιγμή της γραφής, είναι 12.000 F. Για υπερπυκνωτές μαζικής παραγωγής, δεν υπερβαίνει τα 3.000 F. Η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση μεταξύ των πλακών δεν υπερβαίνει τα 10 V. Για υπερπυκνωτές που παράγονται στο εμπόριο, αυτός ο αριθμός, κατά κανόνα, βρίσκεται στα 2. 3 – 2,7 V. Η χαμηλή τάση λειτουργίας απαιτεί τη χρήση μετατροπέα τάσης με λειτουργία σταθεροποιητή. Το γεγονός είναι ότι κατά την εκφόρτιση, η τάση στις πλάκες πυκνωτών αλλάζει σε μεγάλο εύρος. Κατασκευή μετατροπέα τάσης για τη σύνδεση του φορτίου και Φορτιστήςείναι ένα μη τετριμμένο έργο. Ας υποθέσουμε ότι πρέπει να τροφοδοτήσετε ένα φορτίο 60W.

Για να απλοποιήσουμε την εξέταση του ζητήματος, θα παραμελήσουμε τις απώλειες στον μετατροπέα τάσης και τον σταθεροποιητή. Σε περίπτωση που συνεργάζεστε με κανονική μπαταρίαμε τάση 12 V, τότε τα ηλεκτρονικά ελέγχου πρέπει να αντέχουν ρεύμα 5 A. Τέτοιες ηλεκτρονικές συσκευές είναι ευρέως διαδεδομένες και φθηνές. Αλλά μια εντελώς διαφορετική κατάσταση προκύπτει όταν χρησιμοποιείτε έναν υπερπυκνωτή, η τάση του οποίου είναι 2,5 V. Στη συνέχεια, το ρεύμα που ρέει μέσω των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων του μετατροπέα μπορεί να φτάσει τα 24 A, κάτι που απαιτεί νέες προσεγγίσεις στην τεχνολογία κυκλώματος και μια σύγχρονη βάση στοιχείων. Είναι ακριβώς η δυσκολία στην κατασκευή ενός μετατροπέα και ενός σταθεροποιητή που μπορεί να εξηγήσει το γεγονός ότι οι υπερπυκνωτές, σειριακή παραγωγήπου ξεκίνησε τη δεκαετία του '70 του 20ου αιώνα, μόλις τώρα άρχισαν να χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορους τομείς.

Σχηματικό διάγραμμαπηγή αδιάκοπη παροχή ενέργειας
τάση σε υπερπυκνωτές, υλοποιούνται τα κύρια εξαρτήματα
σε ένα μικροκύκλωμα που παράγεται από τη LinearTechnology

Οι υπερπυκνωτές μπορούν να συνδεθούν σε μπαταρίες χρησιμοποιώντας σειρές ή παράλληλες συνδέσεις. Στην πρώτη περίπτωση, η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση αυξάνεται. Στη δεύτερη περίπτωση - χωρητικότητα. Η αύξηση της μέγιστης επιτρεπόμενης τάσης με αυτόν τον τρόπο είναι ένας τρόπος επίλυσης του προβλήματος, αλλά θα πρέπει να πληρώσετε για αυτό μειώνοντας την χωρητικότητα.

Οι διαστάσεις των υπερπυκνωτών εξαρτώνται φυσικά από την χωρητικότητά τους. Ένας τυπικός υπερπυκνωτής χωρητικότητας 3000 F είναι ένας κύλινδρος με διάμετρο περίπου 5 cm και μήκος 14 cm. Με χωρητικότητα 10 F, ένας υπερπυκνωτής έχει διαστάσεις συγκρίσιμες με ένα ανθρώπινο νύχι.

Οι καλοί υπερπυκνωτές μπορούν να αντέξουν εκατοντάδες χιλιάδες κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης, υπερβαίνοντας τις μπαταρίες κατά περίπου 100 φορές σε αυτήν την παράμετρο. Όμως, όπως οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές, οι υπερπυκνωτές αντιμετωπίζουν το πρόβλημα της γήρανσης λόγω της σταδιακής διαρροής ηλεκτρολύτη. Μέχρι στιγμής, δεν έχουν συσσωρευτεί πλήρη στατιστικά στοιχεία για την αστοχία υπερπυκνωτών για αυτόν τον λόγο, αλλά σύμφωνα με έμμεσα δεδομένα, η διάρκεια ζωής των υπερπυκνωτών μπορεί να εκτιμηθεί περίπου στα 15 χρόνια.

Συσσωρευμένη ενέργεια

Η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται σε έναν πυκνωτή, εκφρασμένη σε joule:

E = CU 2/2,
όπου C είναι η χωρητικότητα, εκφρασμένη σε farads, U είναι η τάση στις πλάκες, εκφρασμένη σε βολτ.

Η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται στον πυκνωτή, εκφρασμένη σε kWh, είναι:

W = CU 2 /7200000

Ως εκ τούτου, ένας πυκνωτής χωρητικότητας 3000 F με τάση μεταξύ των πλακών 2,5 V μπορεί να αποθηκεύσει μόνο 0,0026 kWh. Πώς συγκρίνεται αυτό, για παράδειγμα, με μια μπαταρία ιόντων λιθίου; Αν το αποδεχτείς τάση εξόδουανεξάρτητα από το βαθμό εκφόρτισης και ίση με 3,6 V, τότε η ποσότητα ενέργειας 0,0026 kWh θα αποθηκευτεί σε μπαταρία ιόντων λιθίου χωρητικότητας 0,72 Ah. Αλίμονο, ένα πολύ μέτριο αποτέλεσμα.

Εφαρμογή υπερπυκνωτών

Τα συστήματα φωτισμού έκτακτης ανάγκης είναι εκεί όπου η χρήση υπερπυκνωτών αντί για μπαταρίες κάνει πραγματική διαφορά. Στην πραγματικότητα, είναι ακριβώς αυτή η εφαρμογή που χαρακτηρίζεται από ανομοιόμορφη εκφόρτιση. Επιπλέον, είναι επιθυμητό η λάμπα έκτακτης ανάγκης να φορτίζεται γρήγορα και η εφεδρική πηγή ισχύος που χρησιμοποιείται σε αυτήν να έχει μεγαλύτερη αξιοπιστία. Μια εφεδρική πηγή ισχύος που βασίζεται σε υπερπυκνωτές μπορεί να ενσωματωθεί απευθείας σε Λάμπα LEDΤ8. Τέτοιοι λαμπτήρες παράγονται ήδη από μια σειρά κινεζικών εταιρειών.

Φως γείωσης LED με τροφοδοσία
από ηλιακούς συλλέκτες, αποθήκευση ενέργειας
στο οποίο πραγματοποιείται σε υπερπυκνωτή

Όπως έχει ήδη σημειωθεί, η ανάπτυξη υπερπυκνωτών οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο ενδιαφέρον για εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Αλλά πρακτική χρήσημέχρι στιγμής περιορίζεται σε λαμπτήρες LED που λαμβάνουν ενέργεια από τον ήλιο.

Η χρήση υπερπυκνωτών για την εκκίνηση ηλεκτρικού εξοπλισμού αναπτύσσεται ενεργά.

Οι υπερπυκνωτές είναι ικανοί να παρέχουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας σε σύντομο χρονικό διάστημα. Τροφοδοτώντας τον ηλεκτρικό εξοπλισμό κατά την εκκίνηση από έναν υπερπυκνωτή, τα φορτία αιχμής στο ηλεκτρικό δίκτυο μπορούν να μειωθούν και, τελικά, το περιθώριο ρεύματος εισόδου μπορεί να μειωθεί, επιτυγχάνοντας τεράστια εξοικονόμηση κόστους.

Συνδυάζοντας αρκετούς υπερπυκνωτές σε μια μπαταρία, μπορούμε να επιτύχουμε χωρητικότητα συγκρίσιμη με τις μπαταρίες που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά οχήματα. Αλλά αυτή η μπαταρία θα ζυγίζει πολλές φορές περισσότερο από την μπαταρία, κάτι που είναι απαράδεκτο για τα οχήματα. Το πρόβλημα μπορεί να λυθεί χρησιμοποιώντας υπερπυκνωτές με βάση το γραφένιο, αλλά προς το παρόν υπάρχουν μόνο ως πρωτότυπα. Ωστόσο, μια πολλά υποσχόμενη έκδοση του διάσημου Yo-mobile, που τροφοδοτείται μόνο με ηλεκτρική ενέργεια, θα χρησιμοποιεί ως πηγή ενέργειας υπερπυκνωτές νέας γενιάς, που αναπτύσσονται από Ρώσους επιστήμονες.

Οι υπερπυκνωτές θα ωφελήσουν επίσης την αντικατάσταση των μπαταριών σε συμβατικά οχήματα βενζίνης ή ντίζελ - η χρήση τους σε τέτοια οχήματα είναι ήδη πραγματικότητα.

Στο μεταξύ, τα πιο επιτυχημένα από τα υλοποιημένα έργα για την εισαγωγή υπερπυκνωτών μπορούν να θεωρηθούν τα νέα τρόλεϊ ρωσικής κατασκευής που εμφανίστηκαν πρόσφατα στους δρόμους της Μόσχας. Όταν διακόπτεται η παροχή τάσης στο δίκτυο επαφής ή όταν οι συλλέκτες ρεύματος «πετούν», το τρόλεϊ μπορεί να ταξιδέψει με χαμηλή ταχύτητα (περίπου 15 km/h) για αρκετές εκατοντάδες μέτρα σε σημείο όπου δεν θα παρεμποδίζει την κυκλοφορία στο δρόμο. Η πηγή ενέργειας για τέτοιους ελιγμούς είναι μια μπαταρία υπερπυκνωτών.

Γενικά, προς το παρόν, οι υπερπυκνωτές μπορούν να μετατοπίσουν τις μπαταρίες μόνο σε ορισμένες «κογχές». Αλλά η τεχνολογία αναπτύσσεται γρήγορα, γεγονός που μας επιτρέπει να αναμένουμε ότι στο εγγύς μέλλον το πεδίο εφαρμογής των υπερπυκνωτών θα επεκταθεί σημαντικά.

Ένας υπερπυκνωτής ή ιονιστής είναι μια συσκευή για την αποθήκευση μαζών ενέργειας· η συσσώρευση φορτίου συμβαίνει στο όριο μεταξύ του ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη. Ο όγκος της χρήσιμης ενέργειας αποθηκεύεται ως φορτίο στατικού τύπου. Η αθροιστική διαδικασία καταλήγει στην αλληλεπίδραση με σταθερή τάση, όταν ο ιονιστής λαμβάνει μια διαφορά δυναμικού στις πλάκες του. Η τεχνολογική εφαρμογή, καθώς και η ίδια η ιδέα της δημιουργίας τέτοιων συσκευών, εμφανίστηκαν σχετικά πρόσφατα, αλλά κατάφεραν να λάβουν πειραματική χρήση για να λύσουν έναν ορισμένο αριθμό προβλημάτων. Το εξάρτημα μπορεί να αντικαταστήσει τις τρέχουσες πηγές χημικής προέλευσης, αποτελώντας εφεδρικό ή το κύριο μέσο τροφοδοσίας σε ρολόγια, αριθμομηχανές και διάφορα μικροκυκλώματα.

Ο στοιχειώδης σχεδιασμός ενός πυκνωτή αποτελείται από μια πλάκα, το υλικό της οποίας είναι αλουμινόχαρτο, που οριοθετείται από μια ξηρή διαχωριστική ουσία. Ο ιονιστής αποτελείται από έναν αριθμό πυκνωτών με φορτιστή ηλεκτροχημικού τύπου. Για την παραγωγή του χρησιμοποιούνται ειδικοί ηλεκτρολύτες. Τα καλύμματα μπορούν να είναι διαφόρων ποικιλιών. Ο ενεργός άνθρακας χρησιμοποιείται για την κατασκευή επενδύσεων μεγάλης κλίμακας. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν οξείδια μετάλλων και πολυμερή υλικά με υψηλή αγωγιμότητα. Για την επίτευξη της απαιτούμενης χωρητικής πυκνότητας, συνιστάται η χρήση υλικών άνθρακα με υψηλή περιεκτικότητα σε πορώδη. Επιπλέον, αυτή η προσέγγιση σας επιτρέπει να φτιάξετε ένα ιονιστή με εντυπωσιακά χαμηλό κόστος. Τέτοια εξαρτήματα ανήκουν στην κατηγορία των πυκνωτών DLC, οι οποίοι συσσωρεύουν φορτίο σε ένα διπλό διαμέρισμα που σχηματίζεται στην πλάκα.

Η σχεδιαστική λύση, όταν ο ιονιστής συνδυάζεται με βάση ηλεκτρολύτη νερού, χαρακτηρίζεται από χαμηλή αντίσταση των εσωτερικών στοιχείων, ενώ η τάση φόρτισης περιορίζεται στο 1 V. Η χρήση οργανικών αγωγών εγγυάται επίπεδα τάσης περίπου 2...3 V και αυξημένη αντίσταση.

Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα λειτουργούν με υψηλότερες απαιτήσεις ενέργειας. Η λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι να αυξηθεί ο αριθμός των σημείων ισχύος που χρησιμοποιούνται. Ο ιονιστής τοποθετείται όχι μόνο σε ένα, αλλά σε ποσότητα 3-4 τεμαχίων, δίνοντας την απαιτούμενη ποσότητα φόρτισης.

Σε σύγκριση με μια μπαταρία νικελίου-υδριδίου μετάλλου, ο ιονιστής είναι ικανός να περιέχει το ένα δέκατο του αποθέματος ενέργειας, ενώ η τάση του πέφτει γραμμικά, εξαιρουμένων των ζωνών επίπεδης εκφόρτισης. Αυτοί οι παράγοντες επηρεάζουν την ικανότητα πλήρους διατήρησης του φορτίου στον ιονιστή. Το επίπεδο φόρτισης εξαρτάται άμεσα από τον τεχνολογικό σκοπό του στοιχείου.

Αρκετά συχνά, ένας ιονιστής χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία των τσιπ μνήμης και περιλαμβάνεται στα κυκλώματα φίλτρων και στα φίλτρα εξομάλυνσης. Μπορούν επίσης να συνδυαστούν με μπαταρίες διαφόρων τύπων για την καταπολέμηση των συνεπειών από απότομες υπερτάσεις του ρεύματος: όταν παρέχεται χαμηλό ρεύμα, ο ιονιστής επαναφορτίζεται, διαφορετικά απελευθερώνει μέρος της ενέργειας, μειώνοντας έτσι το συνολικό φορτίο.

Η διαφημιστική εκστρατεία γύρω από την κατασκευή ενός "Battery Gigafactory" από τον Elon Musk για παραγωγή μπαταρίες ιόντων λιθίουδεν είχε ακόμη υποχωρήσει όταν εμφανίστηκε ένα μήνυμα για ένα γεγονός που θα μπορούσε να προσαρμόσει σημαντικά τα σχέδια του «δισεκατομμυριούχου επαναστάτη».
Αυτό είναι ένα πρόσφατο δελτίο τύπου από την εταιρεία. Sunvault Energy Inc., που μαζί με Edison Power Companyκατάφερε να δημιουργήσει τον μεγαλύτερο υπερπυκνωτή γραφενίου στον κόσμο χωρητικότητας 10 χιλιάδων (!) Farads.
Αυτός ο αριθμός είναι τόσο εκπληκτικός που εγείρει αμφιβολίες μεταξύ των εγχώριων ειδικών - στην ηλεκτρική μηχανική ακόμη και 20 Microfarads (δηλαδή 0,02 Millifarads), αυτό είναι πολύ. Δεν υπάρχει αμφιβολία, ωστόσο, ότι διευθυντής της Sunvault Energy είναι ο Μπιλ Ρίτσαρντσον, ο πρώην κυβερνήτης του Νέου Μεξικού και πρώην υπουργός Ενέργειας των ΗΠΑ. Ο Μπιλ Ρίτσαρντσον είναι γνωστός και σεβαστός άνθρωπος: υπηρέτησε ως πρεσβευτής των Ηνωμένων Πολιτειών στον ΟΗΕ, εργάστηκε για αρκετά χρόνια στη δεξαμενή σκέψης Kissinger and McLarty και μάλιστα προτάθηκε για βραβείο Νόμπελ για τις επιτυχίες του στην απελευθέρωση Αμερικανών που αιχμαλωτίστηκαν από μαχητές. σε διάφορα «καυτά σημεία» ηρεμία. Το 2008, ήταν ένας από τους υποψηφίους του Δημοκρατικού Κόμματος για την προεδρία των Ηνωμένων Πολιτειών, αλλά έχασε από τον Μπαράκ Ομπάμα.

Σήμερα, η Sunvault αναπτύσσεται ραγδαία, έχοντας δημιουργήσει μια κοινοπραξία με την Edison Power Company που ονομάζεται Supersunvault, και το διοικητικό συμβούλιο της νέας εταιρείας περιλαμβάνει όχι μόνο επιστήμονες (ένας από τους διευθυντές είναι βιοχημικός, ένας άλλος είναι επιχειρηματίας ογκολόγος), αλλά επίσης διάσημοι άνθρωποι με καλή επιχειρηματική οξυδέρκεια. Σημειώνω ότι μόλις τους τελευταίους δύο μήνες η εταιρεία έχει δεκαπλασιάσει τη χωρητικότητα των υπερπυκνωτών της - από χίλια σε 10.000 Farads, και υπόσχεται να την αυξήσει ακόμη περισσότερο, ώστε η ενέργεια που συσσωρεύεται στον πυκνωτή να είναι αρκετή για να τροφοδοτήσει ένα ολόκληρο σπίτι. Δηλαδή, η Sunvault είναι έτοιμη να ενεργήσει απευθείας ως ανταγωνιστής του Elon Musk, ο οποίος σχεδιάζει να παράγει υπερμπαταρίες τύπου Powerwall με χωρητικότητα περίπου 10 kWh.

Τα οφέλη της τεχνολογίας γραφενίου και το τέλος του Gigafactory.

Εδώ πρέπει να υπενθυμίσουμε την κύρια διαφορά μεταξύ πυκνωτών και μπαταριών - εάν οι πρώτοι φορτίζουν και αποφορτίζονται γρήγορα, αλλά συσσωρεύουν λίγη ενέργεια, τότε οι μπαταρίες - αντίθετα. Σημείωση κύρια πλεονεκτήματα των υπερπυκνωτών γραφενίουV.

1. Γρήγορη φόρτιση — οι πυκνωτές φορτίζουν περίπου 100-1000 φορές πιο γρήγορα από τις μπαταρίες.

2. Φτήνια: αν οι συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου κοστίζουν περίπου 500 $ ανά 1 kWh συσσωρευμένης ενέργειας, τότε ένας υπερπυκνωτής κοστίζει μόνο 100 $ και μέχρι το τέλος του έτους οι δημιουργοί υπόσχονται να μειώσουν το κόστος στα 40 $. Όσον αφορά τη σύνθεσή του, είναι συνηθισμένος άνθρακας - ένα από τα πιο κοινά χημικά στοιχεία στη Γη.

3. Συμπυκνότητα και ενεργειακή πυκνότητα και. Ο νέος υπερπυκνωτής γραφενίου εκπλήσσει όχι μόνο με τη φανταστική του χωρητικότητα, η οποία ξεπερνά τα γνωστά δείγματα κατά περίπου χίλιες φορές, αλλά και με τη συμπαγή του - είναι το μέγεθος ενός μικρού βιβλίου, δηλαδή εκατό φορές πιο συμπαγής από τους πυκνωτές 1 Farad χρησιμοποιείται επί του παρόντος.

4. Ασφάλεια και φιλικότητα προς το περιβάλλον. Είναι πολύ πιο ασφαλείς από τις μπαταρίες, που θερμαίνονται, περιέχουν επικίνδυνες χημικές ουσίες και μερικές φορές ακόμη και εκρήγνυνται.Το ίδιο το γραφένιο είναι μια βιοδιασπώμενη ουσία, δηλαδή στον ήλιο απλά διασπάται και δεν καταστρέφει το περιβάλλον. Είναι χημικά ανενεργό και δεν βλάπτει το περιβάλλον.

5. Η απλότητα της νέας τεχνολογίας για την παραγωγή γραφενίου. Τεράστια εδάφη και επενδύσεις κεφαλαίων, μάζες εργαζομένων, τοξικές και επικίνδυνες ουσίες που χρησιμοποιούνται σε τεχνολογική διαδικασίαΟι μπαταρίες ιόντων λιθίου έρχονται σε πλήρη αντίθεση με την εκπληκτική απλότητα της νέας τεχνολογίας. Γεγονός είναι ότι το γραφένιο (δηλαδή το λεπτότερο, μονοατομικό φιλμ άνθρακα) παράγεται στο Sunvault... χρησιμοποιώντας έναν συνηθισμένο δίσκο CD πάνω στον οποίο χύνεται ένα τμήμα ενός εναιωρήματος γραφίτη. Στη συνέχεια, ο δίσκος εισάγεται σε μια κανονική μονάδα DVD και εγγράφεται με λέιζερ ειδικό πρόγραμμα- και το στρώμα γραφενίου είναι έτοιμο! Αναφέρεται ότι αυτή η ανακάλυψη έγινε τυχαία - από τον μαθητή Maher El-Kadi, ο οποίος εργαζόταν στο εργαστήριο του χημικού Richard Kaner. Στη συνέχεια έκαψε τον δίσκο χρησιμοποιώντας το λογισμικό LightScribe για να παράγει ένα στρώμα γραφενίου.
Επιπλέον, όπως είπε ο Διευθύνων Σύμβουλος της Sunvault, Gary Monahan σε συνέδριο της Wall Street, η εταιρεία εργάζεται για να Οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας γραφενίου θα μπορούσαν να παραχθούν με συμβατική εκτύπωση σε τρισδιάστατο εκτυπωτή- και αυτό θα κάνει την παραγωγή τους όχι μόνο φθηνή, αλλά και πρακτικά καθολική. Και σε συνδυασμό με φθηνά ηλιακά πάνελ (σήμερα το κόστος τους έχει πέσει στα 1,3 $ ανά W), οι υπερπυκνωτές γραφενίου θα δώσουν σε εκατομμύρια ανθρώπους την ευκαιρία να αποκτήσουν ενεργειακή ανεξαρτησία αποσυνδέοντας πλήρως από το δίκτυο τροφοδοσίας και ακόμη περισσότερο - να γίνουν προμηθευτές ηλεκτρικής ενέργειας και καταστρέφοντας τα «φυσικά» μονοπώλια.
Επομένως, δεν υπάρχει αμφιβολία: γραφένιο υπερπυκνωτές είναι επαναστατική σημαντική ανακάλυψη στον τομέα της αποθήκευσης ενέργειας και . Και αυτά είναι άσχημα νέα για τον Έλον Μασκ - η κατασκευή ενός εργοστασίου στη Νεβάδα θα του κοστίσει περίπου 5 δισεκατομμύρια δολάρια, τα οποία θα ήταν δύσκολο να ανακτηθούν ακόμη και χωρίς τέτοιους ανταγωνιστές. Φαίνεται ότι ενώ η κατασκευή του εργοστασίου της Νεβάδα βρίσκεται ήδη σε εξέλιξη και είναι πιθανό να ολοκληρωθεί, τότε τα άλλα τρία που έχει σχεδιάσει ο Μασκ είναι απίθανο να ολοκληρωθούν.

Πρόσβαση στην αγορά; Όχι από τη στιγμή που θα θέλαμε.

Η επαναστατική φύση μιας τέτοιας τεχνολογίας είναι προφανής. Ένα άλλο πράγμα είναι ασαφές - πότε θα βγει στην αγορά; Ήδη σήμερα, το ογκώδες και ακριβό έργο Gigafactory ιόντων λιθίου του Elon Musk μοιάζει με δεινόσαυρο του βιομηχανισμού. Ωστόσο, όσο επαναστατικό, απαραίτητο και φιλικό προς το περιβάλλον νέα τεχνολογία, αυτό δεν σημαίνει ότι θα έρθει σε εμάς σε ένα ή δύο χρόνια. Ο κόσμος του κεφαλαίου δεν μπορεί να αποφύγει τους οικονομικούς κραδασμούς, αλλά ήταν αρκετά επιτυχημένος στην αποφυγή των τεχνολογικών. ΣΕ παρόμοιες περιπτώσειςΟι παρασκηνιακές συμφωνίες μεταξύ μεγάλων επενδυτών και πολιτικών παραγόντων αρχίζουν να λειτουργούν. Αξίζει να υπενθυμίσουμε ότι η Sunvault είναι μια εταιρεία που εδρεύει στον Καναδά και το διοικητικό συμβούλιο περιλαμβάνει άτομα που, αν και έχουν εκτεταμένες διασυνδέσεις με την πολιτική ελίτ των Ηνωμένων Πολιτειών, εξακολουθούν να μην αποτελούν μέρος του πυρήνα του πετροδολαρίου, κάτι περισσότερο ή λιγότερο προφανές. αγώνα ενάντια στον οποίο, προφανώς έχει ήδη αρχίσει.
Αυτό που είναι πιο σημαντικό για εμάς είναι Ευκαιρίες που προσφέρουν οι αναδυόμενες ενεργειακές τεχνολογίες: ενεργειακή ανεξαρτησία για τη χώρα, και στο μέλλον - για κάθε πολίτη της. Φυσικά, οι υπερπυκνωτές γραφενίου είναι περισσότερο μια «υβριδική», μεταβατική τεχνολογία· δεν επιτρέπει την άμεση παραγωγή ενέργειας, σε αντίθεση με μαγνητοβαρυτικές τεχνολογίες, που υπόσχονται να αλλάξουν εντελώς το ίδιο το επιστημονικό παράδειγμα και την εμφάνιση όλου του κόσμου. Τελικά υπάρχει επαναστατικές χρηματοοικονομικές τεχνολογίες, τα οποία είναι στην πραγματικότητα ταμπού από την παγκόσμια μαφία των πετροδολαρίων. Ωστόσο, αυτή είναι μια πολύ εντυπωσιακή ανακάλυψη, ακόμη πιο ενδιαφέρουσα επειδή συμβαίνει στη «φωλιά του θηρίου του πετροδολαρίου» - στις Ηνωμένες Πολιτείες.
Μόλις πριν από έξι μήνες έγραψα για τις επιτυχίες των Ιταλών στην τεχνολογία ψυχρής σύντηξης, αλλά κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου μάθαμε για την εντυπωσιακή τεχνολογία LENR της αμερικανικής εταιρείας SolarTrends και για την ανακάλυψη της γερμανικής Gaya-Rosch και τώρα για την πραγματικά επαναστατική τεχνολογία συσκευών αποθήκευσης γραφενίου. Ακόμη και αυτή η σύντομη λίστα δείχνει ότι το πρόβλημα δεν είναι ότι η δική μας ή οποιαδήποτε άλλη κυβέρνηση δεν έχει τη δυνατότητα να μειώσει τους λογαριασμούς που λαμβάνουμε για φυσικό αέριο και ρεύμα, ούτε καν στον αδιαφανή υπολογισμό των τιμολογίων.
Η ρίζα του κακού είναι η άγνοια όσων πληρώνουν τους λογαριασμούς και η απροθυμία αυτών που τους εκδίδουν να αλλάξουν οτιδήποτε . Μόνο για τους απλούς ανθρώπους, η ενέργεια είναι ηλεκτρική ενέργεια. Στην πραγματικότητα, η ενέργεια του εαυτού είναι δύναμη.

Η επιστημονική δημοσίευση Science αναφέρθηκε σε μια τεχνολογική ανακάλυψη που έκαναν Αυστραλοί επιστήμονες στον τομέα της δημιουργίας υπερπυκνωτών.

Οι υπάλληλοι του Πανεπιστημίου Monash, που βρίσκεται στη Μελβούρνη, κατάφεραν να αλλάξουν την τεχνολογία παραγωγής υπερπυκνωτών από γραφένιο με τέτοιο τρόπο ώστε τα προκύπτοντα προϊόντα να είναι πιο ελκυστικά εμπορικά από τα προηγούμενα ανάλογα.

Οι ειδικοί μιλούν εδώ και καιρό για τις μαγικές ιδιότητες των υπερπυκνωτών με βάση το γραφένιο και οι εργαστηριακές δοκιμές έχουν αποδείξει πολλές φορές πειστικά το γεγονός ότι είναι καλύτεροι από τους συμβατικούς. Τέτοιοι πυκνωτές με το πρόθεμα "super" αναμένονται από τους δημιουργούς σύγχρονων ηλεκτρονικών, αυτοκινητοβιομηχανίες και ακόμη και κατασκευαστές εναλλακτικών πηγών ηλεκτρικής ενέργειας κ.λπ.

Ο εξαιρετικά μεγάλος κύκλος ζωής, καθώς και η ικανότητα ενός υπερπυκνωτή να φορτίζει στο συντομότερο δυνατό χρονικό διάστημα, επιτρέπουν στους σχεδιαστές να επιλύουν πολύπλοκα προβλήματα σχεδιασμού με τη βοήθειά τους. διαφορετικές συσκευές. Αλλά μέχρι εκείνη τη στιγμή, η θριαμβευτική πορεία των πυκνωτών γραφενίου εμποδιζόταν από τη χαμηλή ειδική τους ενέργεια και... Κατά μέσο όρο, ένας ιονιστής ή ένας υπερπυκνωτής είχε έναν ειδικό δείκτη ενέργειας της τάξης των 5-8 Wh/kg, ο οποίος, στο πλαίσιο της ταχείας εκφόρτισης, έκανε το προϊόν γραφενίου να εξαρτάται από την ανάγκη πολύ συχνά να παρέχει επαναφόρτιση.

Αυστραλοί υπάλληλοι του Τμήματος Έρευνας Κατασκευής Υλικών από τη Μελβούρνη, με επικεφαλής τον καθηγητή Dan Lee, κατάφεραν να αυξήσουν την ειδική ενεργειακή πυκνότητα ενός πυκνωτή γραφενίου κατά 12 φορές. Τώρα αυτός ο αριθμός για τον νέο πυκνωτή είναι 60 W*h/kg, και αυτός είναι ήδη ένας λόγος για να μιλήσουμε για τεχνική επανάσταση σε αυτόν τον τομέα. Οι εφευρέτες κατάφεραν να ξεπεράσουν το πρόβλημα της γρήγορης εκφόρτισης του υπερπυκνωτή γραφενίου, διασφαλίζοντας ότι τώρα αποφορτίζεται πιο αργά ακόμη και από μια τυπική μπαταρία.

Μια τεχνολογική ανακάλυψη βοήθησε τους επιστήμονες να επιτύχουν ένα τόσο εντυπωσιακό αποτέλεσμα: πήραν ένα προσαρμοστικό φιλμ γραφενίου-τζελ και δημιούργησαν ένα πολύ μικρό ηλεκτρόδιο από αυτό. Οι εφευρέτες γέμισαν το χώρο μεταξύ των φύλλων γραφενίου με υγρό ηλεκτρολύτη, έτσι ώστε να σχηματιστεί μια απόσταση υπονανομέτρων μεταξύ τους. Αυτός ο ηλεκτρολύτης υπάρχει επίσης σε συμβατικούς πυκνωτές, όπου λειτουργεί ως αγωγός του ηλεκτρισμού. Εδώ έγινε όχι μόνο αγωγός, αλλά και εμπόδιο στην επαφή των φύλλων γραφενίου μεταξύ τους. Ήταν αυτή η κίνηση που μας επέτρεψε να πετύχουμε περισσότερα υψηλής πυκνότηταςπυκνωτή διατηρώντας παράλληλα την πορώδη δομή.

Το ίδιο το συμπαγές ηλεκτρόδιο δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας τεχνολογία που είναι γνωστή στους κατασκευαστές χαρτιού που όλοι γνωρίζουμε. Αυτή η μέθοδοςΕίναι αρκετά φθηνό και απλό, γεγονός που μας επιτρέπει να είμαστε αισιόδοξοι για τη δυνατότητα εμπορικής παραγωγής νέων υπερπυκνωτών.

Οι δημοσιογράφοι έσπευσαν να διαβεβαιώσουν τον κόσμο ότι η ανθρωπότητα έχει λάβει ένα κίνητρο για να αναπτυχθεί εντελώς νέο ηλεκτρονικές συσκευές. Οι ίδιοι οι εφευρέτες, δια στόματος του καθηγητή Lee, υποσχέθηκαν να βοηθήσουν τον υπερπυκνωτή γραφενίου να καλύψει πολύ γρήγορα τη διαδρομή από το εργαστήριο στο εργοστάσιο.

Είτε μας αρέσει είτε όχι, η εποχή των ηλεκτρικών αυτοκινήτων πλησιάζει σταθερά. Και επί του παρόντος, μόνο μία τεχνολογία εμποδίζει την ανακάλυψη και την εξαγορά της αγοράς από ηλεκτρικά οχήματα, τεχνολογία αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας κ.λπ. Παρά όλα τα επιτεύγματα των επιστημόνων προς αυτή την κατεύθυνση, τα περισσότερα ηλεκτρικά και υβριδικά αυτοκίνητα έχουν μπαταρίες ιόντων λιθίου στη σχεδίασή τους, οι οποίες έχουν τις θετικές και αρνητικές πλευρές τους και μπορούν να παρέχουν στο αυτοκίνητο μία μόνο φόρτιση μόνο για μικρή απόσταση, επαρκή μόνο για ταξίδι στα όρια της πόλης. Όλες οι κορυφαίες αυτοκινητοβιομηχανίες στον κόσμο κατανοούν αυτό το πρόβλημα και αναζητούν τρόπους για να αυξήσουν την απόδοση των ηλεκτρικών οχημάτων, που θα αυξήσει την αυτονομία με μία μόνο φόρτιση. μπαταρίες.

Ένας από τους τρόπους βελτίωσης της απόδοσης των ηλεκτρικών αυτοκινήτων είναι η συλλογή και η επαναχρησιμοποίηση ενέργειας που μετατρέπεται σε θερμότητα όταν το αυτοκίνητο φρενάρει και όταν το αυτοκίνητο κινείται σε ανώμαλα οδόστρωμα. Μέθοδοι για την επιστροφή τέτοιας ενέργειας έχουν ήδη αναπτυχθεί, αλλά η απόδοση της συλλογής και επαναχρησιμοποίησής της είναι εξαιρετικά χαμηλή λόγω της χαμηλής ταχύτητας λειτουργίας των μπαταριών. Οι χρόνοι πέδησης συνήθως μετρώνται σε δευτερόλεπτα, κάτι που είναι πολύ γρήγορο για μπαταρίες που χρειάζονται ώρες για να φορτιστούν. Επομένως, για τη συσσώρευση «ταχείας» ενέργειας, απαιτούνται άλλες προσεγγίσεις και συσκευές αποθήκευσης, ο ρόλος των οποίων είναι πιθανότατα πυκνωτές μεγάλη χωρητικότητα, οι λεγόμενοι υπερπυκνωτές.

Δυστυχώς, οι υπερπυκνωτές δεν είναι ακόμη έτοιμοι να βγουν στον μεγάλο δρόμο· παρά το γεγονός ότι μπορούν να φορτιστούν και να εκφορτιστούν γρήγορα, η χωρητικότητά τους εξακολουθεί να είναι σχετικά χαμηλή. Επιπλέον, η αξιοπιστία των υπερπυκνωτών αφήνει επίσης πολλά να είναι επιθυμητά· τα υλικά που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρόδια των υπερπυκνωτών καταστρέφονται συνεχώς ως αποτέλεσμα επαναλαμβανόμενων κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης. Και αυτό δεν είναι σχεδόν αποδεκτό δεδομένου του γεγονότος ότι σε όλη τη διάρκεια ζωής ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου, ο αριθμός των κύκλων λειτουργίας των υπερπυκνωτών θα πρέπει να είναι πολλές εκατομμύρια φορές.

Ο Santhakumar Kannappan και μια ομάδα συναδέλφων του από το Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας, Gwangju, Κορέα, έχουν μια λύση στο παραπάνω πρόβλημα, η βάση της οποίας είναι ένα από τα πιο εκπληκτικά υλικά της εποχής μας - το γραφένιο. Κορεάτες ερευνητές ανέπτυξαν και κατασκεύασαν πρωτότυπα υπερπυκνωτών υψηλής απόδοσης με βάση το γραφένιο, των οποίων οι χωρητικές παράμετροι δεν είναι κατώτερες από εκείνες των μπαταριών ιόντων λιθίου, αλλά μπορούν να συσσωρεύουν και να απελευθερώνουν πολύ γρήγορα το ηλεκτρικό τους φορτίο. Επιπλέον, ακόμη και πρωτότυπα υπερπυκνωτών γραφενίου μπορούν να αντέξουν πολλές δεκάδες χιλιάδες κύκλους λειτουργίας χωρίς να χάσουν τα χαρακτηριστικά τους.
Το κόλπο για να επιτύχετε τόσο εντυπωσιακά αποτελέσματα είναι να αποκτήσετε μια ειδική μορφή γραφενίου, η οποία έχει τεράστια αποτελεσματική επιφάνεια. Οι ερευνητές έφτιαξαν αυτή τη μορφή γραφενίου αναμειγνύοντας σωματίδια οξειδίου του γραφενίου με υδραζίνη σε νερό και συνθλίβοντάς τα όλα χρησιμοποιώντας υπερήχους. Η προκύπτουσα σκόνη γραφενίου συσκευάστηκε σε σφαιρίδια σε σχήμα δίσκου και ξηράνθηκε σε θερμοκρασία 140 βαθμών Κελσίου και πίεση 300 kg/cm για πέντε ώρες.

Το υλικό που προέκυψε αποδείχθηκε πολύ πορώδες· ένα γραμμάριο τέτοιου υλικού γραφενίου έχει αποτελεσματική περιοχή ίση με την επιφάνεια ενός γηπέδου μπάσκετ. Επιπλέον, η πορώδης φύση αυτού του υλικού επιτρέπει στο ιοντικό ηλεκτρολυτικό υγρό EBIMF 1 M να γεμίσει πλήρως ολόκληρο τον όγκο του υλικού, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της ηλεκτρικής χωρητικότητας του υπερπυκνωτή.

Οι μετρήσεις των χαρακτηριστικών των πειραματικών υπερπυκνωτών έδειξαν ότι η ηλεκτρική τους χωρητικότητα είναι περίπου 150 Farads ανά γραμμάριο, η πυκνότητα αποθήκευσης ενέργειας είναι 64 watt ανά κιλό και η πυκνότητα ηλεκτρικό ρεύμαίσο με 5 αμπέρ ανά γραμμάριο. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά είναι συγκρίσιμα με εκείνα των μπαταριών ιόντων λιθίου, των οποίων η πυκνότητα αποθήκευσης ενέργειας κυμαίνεται από 100 έως 200 watt ανά κιλό. Αλλά αυτοί οι υπερπυκνωτές έχουν ένα τεράστιο πλεονέκτημα: μπορούν να φορτίσουν πλήρως ή να απελευθερώσουν όλο το αποθηκευμένο φορτίο τους σε μόλις 16 δευτερόλεπτα. Και αυτός ο χρόνος είναι ο ταχύτερος χρόνος φόρτισης-εκφόρτισης μέχρι σήμερα.

Αυτό το εντυπωσιακό σύνολο χαρακτηριστικών, καθώς και η απλή τεχνολογία κατασκευής υπερπυκνωτών γραφενίου, μπορεί να δικαιολογήσει τον ισχυρισμό των ερευνητών, οι οποίοι έγραψαν ότι «οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας υπερπυκνωτών γραφενίου είναι πλέον έτοιμες για μαζική παραγωγή και θα μπορούσαν να εμφανιστούν στις επόμενες γενιές ηλεκτρικών αυτοκινήτων. ”

Μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο Rice προσάρμοσε μια μέθοδο που ανέπτυξαν για την παραγωγή γραφενίου χρησιμοποιώντας λέιζερ για την κατασκευή ηλεκτροδίων υπερπυκνωτών.

Από την ανακάλυψή του, το γραφένιο, μια μορφή άνθρακα, κρυσταλλικό κύτταροπου έχει μονοατομικό πάχος, μεταξύ άλλων, θεωρήθηκε ως εναλλακτική λύση στα ηλεκτρόδια ενεργού άνθρακα που χρησιμοποιούνται σε υπερπυκνωτές, πυκνωτές υψηλής χωρητικότητας και χαμηλά ρεύματα διαρροής. Αλλά ο χρόνος και η έρευνα έχουν δείξει ότι τα ηλεκτρόδια γραφενίου δεν λειτουργούν πολύ καλύτερα από τα ηλεκτρόδια μικροπορώδους ενεργού άνθρακα, και αυτό προκάλεσε μείωση του ενθουσιασμού και τον περιορισμό μιας σειράς μελετών.

Παρ 'όλα αυτά, ηλεκτρόδια γραφενίουέχουν κάποια αναμφισβήτητα πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τα πορώδη ηλεκτρόδια άνθρακα.

Υπερπυκνωτές γραφενίουμπορεί να λειτουργεί σε υψηλότερες συχνότητες και η ευελιξία του γραφενίου καθιστά δυνατή τη δημιουργία εξαιρετικά λεπτών και ευέλικτων συσκευών αποθήκευσης ενέργειας που βασίζονται σε αυτό, οι οποίες είναι ιδανικές για χρήση σε φορητές και ευέλικτες ηλεκτρονικές συσκευές.

Τα δύο προαναφερθέντα πλεονεκτήματα των υπερπυκνωτών γραφενίου οδήγησαν σε περαιτέρω έρευνα από μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο Rice. Προσάρμοσαν τη μέθοδο παραγωγής γραφενίου με τη βοήθεια λέιζερ που ανέπτυξαν για την κατασκευή ηλεκτροδίων υπερπυκνωτών.

«Αυτό που πετύχαμε είναι συγκρίσιμο με την απόδοση των μικροϋπερπυκνωτών που είναι διαθέσιμοι στην αγορά ηλεκτρονικών», λέει ο James Tour, ο επιστήμονας που ηγήθηκε της ερευνητικής ομάδας. «Με τη μέθοδό μας, μπορούμε να παράγουμε υπερπυκνωτές που έχουν οποιαδήποτε χωρική μορφή. Όταν πρέπει να συσκευάσουμε ηλεκτρόδια γραφενίου σε μια αρκετά μικρή περιοχή, απλά τα διπλώνουμε σαν ένα φύλλο χαρτιού».

Για την παραγωγή ηλεκτροδίων γραφενίου, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μέθοδος λέιζερ (Γραφήμα επαγόμενο από λέιζερ, LIG), στο οποίο μια ισχυρή δέσμη λέιζερ στοχεύει σε έναν στόχο κατασκευασμένο από φθηνό πολυμερές υλικό.

Οι παράμετροι του φωτός λέιζερ επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε να καίει όλα τα στοιχεία από το πολυμερές εκτός από τον άνθρακα, ο οποίος σχηματίζεται με τη μορφή πορώδους φιλμ γραφενίου. Αυτό το πορώδες γραφένιο έχει αποδειχθεί ότι έχει αρκετά μεγάλη αποτελεσματική επιφάνεια, καθιστώντας το ιδανικό υλικό για ηλεκτρόδια υπερπυκνωτών.

Αυτό που κάνει τα ευρήματα της ομάδας του Πανεπιστημίου Rice τόσο συναρπαστικά είναι η ευκολία παραγωγής πορώδους γραφενίου.

«Τα ηλεκτρόδια γραφενίου είναι πολύ απλά στην κατασκευή. Αυτό δεν απαιτεί καθαρό δωμάτιο και η διαδικασία χρησιμοποιεί συμβατικά βιομηχανικά λέιζερ, τα οποία λειτουργούν με επιτυχία σε εργαστήρια εργοστασίων και ακόμη και σε σε εξωτερικό χώρο" λέει ο Τζέιμς Τουρ.

Εκτός από την ευκολία παραγωγής, οι υπερπυκνωτές γραφενίου έχουν δείξει πολύ εντυπωσιακά χαρακτηριστικά. Αυτές οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας έχουν αντέξει χιλιάδες κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης χωρίς απώλεια ηλεκτρικής χωρητικότητας. Επιπλέον, η ηλεκτρική χωρητικότητα τέτοιων υπερπυκνωτών παρέμεινε ουσιαστικά αμετάβλητη αφού ο εύκαμπτος υπερπυκνωτής παραμορφώθηκε 8 χιλιάδες φορές στη σειρά.

«Έχουμε αποδείξει ότι η τεχνολογία που έχουμε αναπτύξει μπορεί να παράγει λεπτούς και εύκαμπτους υπερπυκνωτές που μπορούν να γίνουν συστατικά ευέλικτων ηλεκτρονικών ειδών ή πηγές ενέργειας για φορητά ηλεκτρονικά που μπορούν να ενσωματωθούν απευθείας σε ρούχα ή καθημερινά αντικείμενα», δήλωσε ο James Tour.

Οι άνθρωποι χρησιμοποίησαν για πρώτη φορά πυκνωτές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια, όταν η ηλεκτρική μηχανική ξεπέρασε τα εργαστηριακά πειράματα, εφευρέθηκαν οι μπαταρίες, οι οποίες έγιναν το κύριο μέσο αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Αλλά στις αρχές του 21ου αιώνα, προτείνεται και πάλι η χρήση πυκνωτών για την τροφοδοσία ηλεκτρικού εξοπλισμού. Πόσο δυνατό είναι αυτό και θα γίνουν τελικά οι μπαταρίες παρελθόν;

Ο λόγος για τον οποίο οι πυκνωτές αντικαταστάθηκαν από μπαταρίες οφείλεται στις σημαντικά μεγαλύτερες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας που μπορούν να αποθηκεύσουν. Ένας άλλος λόγος είναι ότι κατά την εκφόρτιση η τάση στην έξοδο της μπαταρίας αλλάζει ελάχιστα, έτσι ώστε είτε δεν απαιτείται σταθεροποιητής τάσης είτε μπορεί να είναι πολύ απλής σχεδίασης.

Η κύρια διαφορά μεταξύ πυκνωτών και μπαταριών είναι ότι οι πυκνωτές αποθηκεύουν απευθείας ηλεκτρικό φορτίο, ενώ οι μπαταρίες μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια, την αποθηκεύουν και στη συνέχεια μετατρέπουν τη χημική ενέργεια πίσω σε ηλεκτρική ενέργεια.

Κατά τη διάρκεια των ενεργειακών μετασχηματισμών, μέρος της χάνεται. Επομένως, ακόμη και οι καλύτερες μπαταρίες δεν έχουν απόδοση που δεν ξεπερνά το 90%, ενώ για τους πυκνωτές μπορεί να φτάσει το 99%. Η ένταση των χημικών αντιδράσεων εξαρτάται από τη θερμοκρασία, επομένως οι μπαταρίες αποδίδουν αισθητά χειρότερα σε κρύο καιρό από ότι σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, οι χημικές αντιδράσεις στις μπαταρίες δεν είναι πλήρως αναστρέψιμες. Εξ ου και ο μικρός αριθμός κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης (της τάξης των χιλιάδων, συνήθως η διάρκεια ζωής της μπαταρίας είναι περίπου 1000 κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης), καθώς και το «φαινόμενο μνήμης». Ας θυμηθούμε ότι το "φαινόμενο μνήμης" είναι ότι η μπαταρία πρέπει πάντα να αποφορτίζεται σε μια ορισμένη ποσότητα συσσωρευμένης ενέργειας, τότε η χωρητικότητά της θα είναι μέγιστη. Εάν, μετά την εκφόρτιση, παραμείνει περισσότερη ενέργεια σε αυτό, τότε η χωρητικότητα της μπαταρίας θα μειωθεί σταδιακά. Το «φαινόμενο μνήμης» είναι χαρακτηριστικό σχεδόν όλων των τύπων μπαταριών που παράγονται στο εμπόριο, εκτός από τις όξινες (συμπεριλαμβανομένων των ποικιλιών τους - gel και AGM). Αν και είναι γενικά αποδεκτό ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου και πολυμερών λιθίου δεν το έχουν, στην πραγματικότητα το έχουν επίσης, απλώς εκδηλώνεται σε μικρότερο βαθμό από ότι σε άλλους τύπους. Όσον αφορά τις μπαταρίες οξέος, παρουσιάζουν την επίδραση της θείωσης της πλάκας, η οποία προκαλεί μη αναστρέψιμη βλάβη στην πηγή ενέργειας. Ένας από τους λόγους είναι ότι η μπαταρία παραμένει σε κατάσταση φόρτισης κάτω του 50% για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Όσον αφορά την εναλλακτική ενέργεια, το «φαινόμενο μνήμης» και η θείωση της πλάκας είναι σοβαρά προβλήματα. Γεγονός είναι ότι η παροχή ενέργειας από πηγές όπως οι ηλιακοί συλλέκτες και οι ανεμογεννήτριες είναι δύσκολο να προβλεφθεί. Ως αποτέλεσμα, η φόρτιση και η εκφόρτιση των μπαταριών γίνεται χαοτικά, σε μια μη βέλτιστη λειτουργία.

Για τον σύγχρονο ρυθμό ζωής, αποδεικνύεται απολύτως απαράδεκτο το γεγονός ότι οι μπαταρίες πρέπει να φορτίζονται για αρκετές ώρες. Για παράδειγμα, πώς φαντάζεστε να οδηγείτε μια μεγάλη απόσταση με ένα ηλεκτρικό όχημα, εάν μια νεκρή μπαταρία σας κρατά κολλημένους στο σημείο φόρτισης για αρκετές ώρες; Η ταχύτητα φόρτισης μιας μπαταρίας περιορίζεται από την ταχύτητα των χημικών διεργασιών που συμβαίνουν σε αυτήν. Μπορείτε να μειώσετε το χρόνο φόρτισης σε 1 ώρα, αλλά όχι σε λίγα λεπτά. Ταυτόχρονα, ο ρυθμός φόρτισης του πυκνωτή περιορίζεται μόνο από το μέγιστο ρεύμα που παρέχει ο φορτιστής.

Τα αναφερόμενα μειονεκτήματα των μπαταριών έχουν καταστήσει επιτακτική τη χρήση πυκνωτών.

Χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα

Για πολλές δεκαετίες, οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές είχαν την υψηλότερη χωρητικότητα. Σε αυτά, η μία από τις πλάκες ήταν μεταλλικό φύλλο, η άλλη ήταν ηλεκτρολύτης και η μόνωση μεταξύ των πλακών ήταν οξείδιο μετάλλου, το οποίο επικάλυψε το φύλλο. Για τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, η χωρητικότητα μπορεί να φτάσει τα εκατοστά του φαράντ, κάτι που δεν είναι αρκετό για την πλήρη αντικατάσταση της μπαταρίας.

Η μεγάλη χωρητικότητα, μετρημένη σε χιλιάδες φαράντ, μπορεί να επιτευχθεί από πυκνωτές που βασίζονται στο λεγόμενο ηλεκτρικό διπλό στρώμα. Η αρχή της λειτουργίας τους είναι η εξής. Ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα εμφανίζεται υπό ορισμένες συνθήκες στη διεπιφάνεια των ουσιών στη στερεά και την υγρή φάση. Σχηματίζονται δύο στοιβάδες ιόντων με φορτία αντίθετων προσώπων, αλλά του ίδιου μεγέθους. Εάν απλοποιήσουμε πολύ την κατάσταση, τότε σχηματίζεται ένας πυκνωτής, οι "πλάκες" του οποίου είναι τα υποδεικνυόμενα στρώματα ιόντων, η απόσταση μεταξύ των οποίων είναι ίση με πολλά άτομα.

Οι πυκνωτές που βασίζονται σε αυτό το φαινόμενο μερικές φορές ονομάζονται ιονιστές. Στην πραγματικότητα, αυτός ο όρος δεν αναφέρεται μόνο σε πυκνωτές στους οποίους αποθηκεύεται ηλεκτρικό φορτίο, αλλά και σε άλλες συσκευές για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας - με μερική μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε χημική ενέργεια μαζί με την αποθήκευση του ηλεκτρικού φορτίου (υβριδικός ιονιστής), καθώς και για μπαταρίες που βασίζονται σε διπλό ηλεκτρικό στρώμα (οι λεγόμενοι ψευδοπυκνωτές). Επομένως, ο όρος «υπερπυκνωτές» είναι πιο κατάλληλος. Μερικές φορές χρησιμοποιείται ο ίδιος όρος «υπερπυκνωτής».

Τεχνική υλοποίηση

Ο υπερπυκνωτής αποτελείται από δύο πλάκες ενεργού άνθρακα γεμάτες με ηλεκτρολύτη. Ανάμεσά τους υπάρχει μια μεμβράνη που επιτρέπει στον ηλεκτρολύτη να περάσει, αλλά εμποδίζει τη φυσική κίνηση των σωματιδίων ενεργού άνθρακα μεταξύ των πλακών.

Πρέπει να σημειωθεί ότι οι ίδιοι οι υπερπυκνωτές δεν έχουν πολικότητα. Σε αυτό διαφέρουν θεμελιωδώς από τους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, οι οποίοι, κατά κανόνα, χαρακτηρίζονται από πολικότητα, μη συμμόρφωση με την οποία οδηγεί σε αστοχία του πυκνωτή. Ωστόσο, η πολικότητα εφαρμόζεται και στους υπερπυκνωτές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι υπερπυκνωτές εγκαταλείπουν την εργοστασιακή γραμμή συναρμολόγησης ήδη φορτισμένη και η σήμανση υποδεικνύει την πολικότητα αυτής της φόρτισης.

Παράμετροι υπερπυκνωτών

Η μέγιστη χωρητικότητα ενός μεμονωμένου υπερπυκνωτή, που επιτυγχάνεται τη στιγμή της γραφής, είναι 12.000 F. Για υπερπυκνωτές μαζικής παραγωγής, δεν υπερβαίνει τα 3.000 F. Η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση μεταξύ των πλακών δεν υπερβαίνει τα 10 V. Για υπερπυκνωτές που παράγονται στο εμπόριο, αυτός ο αριθμός, κατά κανόνα, βρίσκεται στα 2. 3 – 2,7 V. Η χαμηλή τάση λειτουργίας απαιτεί τη χρήση μετατροπέα τάσης με λειτουργία σταθεροποιητή. Το γεγονός είναι ότι κατά την εκφόρτιση, η τάση στις πλάκες πυκνωτών αλλάζει σε μεγάλο εύρος. Η κατασκευή ενός μετατροπέα τάσης για τη σύνδεση του φορτίου και του φορτιστή είναι μια μη τετριμμένη εργασία. Ας υποθέσουμε ότι πρέπει να τροφοδοτήσετε ένα φορτίο 60W.

Για να απλοποιήσουμε την εξέταση του ζητήματος, θα παραμελήσουμε τις απώλειες στον μετατροπέα τάσης και τον σταθεροποιητή. Εάν εργάζεστε με μια κανονική μπαταρία 12 V, τότε τα ηλεκτρονικά στοιχεία ελέγχου πρέπει να μπορούν να αντέξουν ρεύμα 5 A. Τέτοιες ηλεκτρονικές συσκευές είναι ευρέως διαδεδομένες και φθηνές. Αλλά μια εντελώς διαφορετική κατάσταση προκύπτει όταν χρησιμοποιείτε έναν υπερπυκνωτή, η τάση του οποίου είναι 2,5 V. Στη συνέχεια, το ρεύμα που ρέει μέσω των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων του μετατροπέα μπορεί να φτάσει τα 24 A, κάτι που απαιτεί νέες προσεγγίσεις στην τεχνολογία κυκλώματος και μια σύγχρονη βάση στοιχείων. Είναι ακριβώς η πολυπλοκότητα της κατασκευής ενός μετατροπέα και ενός σταθεροποιητή που μπορεί να εξηγήσει το γεγονός ότι οι υπερπυκνωτές, η σειριακή παραγωγή των οποίων ξεκίνησε τη δεκαετία του '70 του 20ού αιώνα, μόλις τώρα άρχισαν να χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορους τομείς.

Οι υπερπυκνωτές μπορούν να συνδεθούν σε μπαταρίες χρησιμοποιώντας σειρές ή παράλληλες συνδέσεις. Στην πρώτη περίπτωση, η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση αυξάνεται. Στη δεύτερη περίπτωση - χωρητικότητα. Η αύξηση της μέγιστης επιτρεπόμενης τάσης με αυτόν τον τρόπο είναι ένας τρόπος επίλυσης του προβλήματος, αλλά θα πρέπει να πληρώσετε για αυτό μειώνοντας την χωρητικότητα.

Οι διαστάσεις των υπερπυκνωτών εξαρτώνται φυσικά από την χωρητικότητά τους. Ένας τυπικός υπερπυκνωτής χωρητικότητας 3000 F είναι ένας κύλινδρος με διάμετρο περίπου 5 cm και μήκος 14 cm. Με χωρητικότητα 10 F, ένας υπερπυκνωτής έχει διαστάσεις συγκρίσιμες με ένα ανθρώπινο νύχι.

Οι καλοί υπερπυκνωτές μπορούν να αντέξουν εκατοντάδες χιλιάδες κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης, υπερβαίνοντας τις μπαταρίες κατά περίπου 100 φορές σε αυτήν την παράμετρο. Όμως, όπως οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές, οι υπερπυκνωτές αντιμετωπίζουν το πρόβλημα της γήρανσης λόγω της σταδιακής διαρροής ηλεκτρολύτη. Μέχρι στιγμής, δεν έχουν συσσωρευτεί πλήρη στατιστικά στοιχεία για την αστοχία υπερπυκνωτών για αυτόν τον λόγο, αλλά σύμφωνα με έμμεσα δεδομένα, η διάρκεια ζωής των υπερπυκνωτών μπορεί να εκτιμηθεί περίπου στα 15 χρόνια.

Συσσωρευμένη ενέργεια

Η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται σε έναν πυκνωτή, εκφρασμένη σε joule:

όπου C είναι η χωρητικότητα, εκφρασμένη σε farads, U είναι η τάση στις πλάκες, εκφρασμένη σε βολτ.

Η ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται στον πυκνωτή, εκφρασμένη σε kWh, είναι:

Ως εκ τούτου, ένας πυκνωτής χωρητικότητας 3000 F με τάση μεταξύ των πλακών 2,5 V μπορεί να αποθηκεύσει μόνο 0,0026 kWh. Πώς συγκρίνεται αυτό, για παράδειγμα, με μια μπαταρία ιόντων λιθίου; Αν πάρουμε την τάση εξόδου του ως ανεξάρτητη από το βαθμό εκφόρτισης και ίση με 3,6 V, τότε μια ποσότητα ενέργειας 0,0026 kWh θα αποθηκευτεί σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου χωρητικότητας 0,72 Ah. Αλίμονο, ένα πολύ μέτριο αποτέλεσμα.

Εφαρμογή υπερπυκνωτών

Τα συστήματα φωτισμού έκτακτης ανάγκης είναι εκεί όπου η χρήση υπερπυκνωτών αντί για μπαταρίες κάνει πραγματική διαφορά. Στην πραγματικότητα, είναι ακριβώς αυτή η εφαρμογή που χαρακτηρίζεται από ανομοιόμορφη εκφόρτιση. Επιπλέον, είναι επιθυμητό η λάμπα έκτακτης ανάγκης να φορτίζεται γρήγορα και η εφεδρική πηγή ισχύος που χρησιμοποιείται σε αυτήν να έχει μεγαλύτερη αξιοπιστία. Ένα εφεδρικό τροφοδοτικό που βασίζεται σε υπερπυκνωτές μπορεί να ενσωματωθεί απευθείας στη λυχνία LED T8. Τέτοιοι λαμπτήρες παράγονται ήδη από μια σειρά κινεζικών εταιρειών.

Όπως έχει ήδη σημειωθεί, η ανάπτυξη υπερπυκνωτών οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο ενδιαφέρον για εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Όμως η πρακτική εφαρμογή εξακολουθεί να περιορίζεται σε λαμπτήρες LED που λαμβάνουν ενέργεια από τον ήλιο.

Η χρήση υπερπυκνωτών για την εκκίνηση ηλεκτρικού εξοπλισμού αναπτύσσεται ενεργά.

Οι υπερπυκνωτές είναι ικανοί να παρέχουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας σε σύντομο χρονικό διάστημα. Τροφοδοτώντας τον ηλεκτρικό εξοπλισμό κατά την εκκίνηση από έναν υπερπυκνωτή, τα φορτία αιχμής στο ηλεκτρικό δίκτυο μπορούν να μειωθούν και, τελικά, το περιθώριο ρεύματος εισόδου μπορεί να μειωθεί, επιτυγχάνοντας τεράστια εξοικονόμηση κόστους.

Συνδυάζοντας αρκετούς υπερπυκνωτές σε μια μπαταρία, μπορούμε να επιτύχουμε χωρητικότητα συγκρίσιμη με τις μπαταρίες που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά οχήματα. Αλλά αυτή η μπαταρία θα ζυγίζει πολλές φορές περισσότερο από την μπαταρία, κάτι που είναι απαράδεκτο για τα οχήματα. Το πρόβλημα μπορεί να λυθεί χρησιμοποιώντας υπερπυκνωτές με βάση το γραφένιο, αλλά προς το παρόν υπάρχουν μόνο ως πρωτότυπα. Ωστόσο, μια πολλά υποσχόμενη έκδοση του διάσημου Yo-mobile, που τροφοδοτείται μόνο με ηλεκτρική ενέργεια, θα χρησιμοποιεί ως πηγή ενέργειας υπερπυκνωτές νέας γενιάς, που αναπτύσσονται από Ρώσους επιστήμονες.

Οι υπερπυκνωτές θα ωφελήσουν επίσης την αντικατάσταση των μπαταριών σε συμβατικά οχήματα βενζίνης ή ντίζελ - η χρήση τους σε τέτοια οχήματα είναι ήδη πραγματικότητα.

Στο μεταξύ, τα πιο επιτυχημένα από τα υλοποιημένα έργα για την εισαγωγή υπερπυκνωτών μπορούν να θεωρηθούν τα νέα τρόλεϊ ρωσικής κατασκευής που εμφανίστηκαν πρόσφατα στους δρόμους της Μόσχας. Όταν διακόπτεται η παροχή τάσης στο δίκτυο επαφής ή όταν οι συλλέκτες ρεύματος «πετούν», το τρόλεϊ μπορεί να ταξιδέψει με χαμηλή ταχύτητα (περίπου 15 km/h) για αρκετές εκατοντάδες μέτρα σε σημείο όπου δεν θα παρεμποδίζει την κυκλοφορία στο δρόμο. Η πηγή ενέργειας για τέτοιους ελιγμούς είναι μια μπαταρία υπερπυκνωτών.

Γενικά, προς το παρόν, οι υπερπυκνωτές μπορούν να μετατοπίσουν τις μπαταρίες μόνο σε ορισμένες «κογχές». Αλλά η τεχνολογία αναπτύσσεται γρήγορα, γεγονός που μας επιτρέπει να αναμένουμε ότι στο εγγύς μέλλον το πεδίο εφαρμογής των υπερπυκνωτών θα επεκταθεί σημαντικά.

Αλεξέι Βασίλιεφ

Η ηλεκτρική χωρητικότητα της υδρογείου, όπως είναι γνωστό από τα μαθήματα φυσικής, είναι περίπου 700 μF. Ένας συνηθισμένος πυκνωτής αυτής της χωρητικότητας μπορεί να συγκριθεί σε βάρος και όγκο με ένα τούβλο. Υπάρχουν όμως και πυκνωτές με την ηλεκτρική χωρητικότητα του πλανήτη, ίσο σε μέγεθος με έναν κόκκο άμμου - υπερπυκνωτές.

Τέτοιες συσκευές εμφανίστηκαν σχετικά πρόσφατα, πριν από περίπου είκοσι χρόνια. Ονομάζονται διαφορετικά: ιονιστές, ιονιστές ή απλά υπερπυκνωτές.

Μην νομίζετε ότι είναι διαθέσιμα μόνο σε ορισμένες αεροδιαστημικές εταιρείες που πετούν ψηλά. Σήμερα μπορείτε να αγοράσετε σε ένα κατάστημα έναν ιονιστή μεγέθους νομίσματος και χωρητικότητας ενός φαράντ, που είναι 1500 φορές μεγαλύτερος από τη χωρητικότητα του πλανήτη και κοντά στη χωρητικότητα του μεγαλύτερου πλανήτη στο ηλιακό σύστημα - του Δία.

Οποιοσδήποτε πυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια. Για να καταλάβετε πόσο μεγάλη ή μικρή είναι η ενέργεια που αποθηκεύεται στον υπερπυκνωτή, είναι σημαντικό να τη συγκρίνετε με κάτι. Εδώ είναι ένας κάπως ασυνήθιστος, αλλά ξεκάθαρος τρόπος.

Η ενέργεια ενός συνηθισμένου πυκνωτή είναι αρκετή για να πηδήξει περίπου ενάμισι μέτρο. Ένας μικροσκοπικός υπερπυκνωτής τύπου 58-9V, με μάζα 0,5 g, φορτισμένος με τάση 1 V, μπορούσε να πηδήξει σε ύψος 293 m!

Μερικές φορές πιστεύουν ότι τα ιονιστικά μπορούν να αντικαταστήσουν οποιαδήποτε μπαταρία. Οι δημοσιογράφοι απεικόνισαν έναν μελλοντικό κόσμο με αθόρυβα ηλεκτρικά οχήματα που κινούνται από υπερπυκνωτές. Αλλά αυτό είναι ακόμα πολύ μακριά. Ένας ιονιστής βάρους ενός κιλού είναι ικανός να συσσωρεύει 3000 J ενέργειας και η χειρότερη μπαταρία μολύβδου-οξέος είναι 86.400 J - 28 φορές περισσότερο. Ωστόσο, όταν παρέχεται υψηλή ισχύς σε σύντομο χρονικό διάστημα, η μπαταρία φθείρεται γρήγορα και αποφορτίζεται μόνο στο μισό. Ο ιονιστής επανειλημμένα και χωρίς να βλάψει τον εαυτό του παρέχει οποιαδήποτε ισχύ, αρκεί τα καλώδια σύνδεσης να το αντέξουν. Επιπλέον, ο υπερπυκνωτής μπορεί να φορτιστεί σε λίγα δευτερόλεπτα, ενώ η μπαταρία χρειάζεται συνήθως ώρες για να το κάνει.

Αυτό καθορίζει το πεδίο εφαρμογής του ιονιστή. Είναι καλό ως πηγή τροφοδοσίας για συσκευές που καταναλώνουν πολλή ενέργεια για μικρό χρονικό διάστημα, αλλά αρκετά συχνά: ηλεκτρονικός εξοπλισμός, φακοί, μίζες αυτοκινήτων, ηλεκτρικοί γρύλοι. Ο ιονιστής μπορεί επίσης να έχει στρατιωτικές εφαρμογές ως πηγή ενέργειας για ηλεκτρομαγνητικά όπλα. Και σε συνδυασμό με έναν μικρό σταθμό παραγωγής ενέργειας, ένας ιονιστής καθιστά δυνατή τη δημιουργία αυτοκινήτων με ηλεκτρική κίνηση στους τροχούς και κατανάλωση καυσίμου 1-2 λίτρα ανά 100 km.

Διατίθενται προς πώληση ιονιστές για μεγάλο εύρος χωρητικότητας και τάσεων λειτουργίας, αλλά είναι αρκετά ακριβοί. Αν λοιπόν έχετε χρόνο και ενδιαφέρον, μπορείτε να δοκιμάσετε να φτιάξετε μόνοι σας ένα ιονιστή. Πριν όμως δώσεις συγκεκριμένες συμβουλές, μια μικρή θεωρία.

Είναι γνωστό από την ηλεκτροχημεία: όταν ένα μέταλλο βυθίζεται στο νερό, σχηματίζεται στην επιφάνειά του ένα λεγόμενο διπλό ηλεκτρικό στρώμα που αποτελείται από αντίθετα ηλεκτρικά φορτία- ιόντα και ηλεκτρόνια. Μεταξύ τους δρουν αμοιβαίες ελκτικές δυνάμεις, αλλά τα φορτία δεν μπορούν να πλησιάσουν το ένα το άλλο. Αυτό παρεμποδίζεται από τις ελκτικές δυνάμεις του νερού και των μορίων μετάλλου. Στον πυρήνα του, ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα δεν είναι τίποτα άλλο παρά ένας πυκνωτής. Τα φορτία που συγκεντρώνονται στην επιφάνειά του λειτουργούν ως πλάκες. Η απόσταση μεταξύ τους είναι πολύ μικρή. Και, όπως γνωρίζετε, η χωρητικότητα ενός πυκνωτή αυξάνεται καθώς μειώνεται η απόσταση μεταξύ των πλακών του. Επομένως, για παράδειγμα, η χωρητικότητα μιας συνηθισμένης ατσάλινης ακτίνας βυθισμένης στο νερό φτάνει αρκετά mF.

Ουσιαστικά, ένας ιονιστής αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια με πολύ μεγάλη επιφάνεια βυθισμένα σε έναν ηλεκτρολύτη, στην επιφάνεια του οποίου σχηματίζεται ένα διπλό ηλεκτρικό στρώμα υπό την επίδραση μιας εφαρμοζόμενης τάσης. Είναι αλήθεια ότι χρησιμοποιώντας συνηθισμένες επίπεδες πλάκες, θα ήταν δυνατό να ληφθεί χωρητικότητα μόνο μερικών δεκάδων mF. Για να αποκτήσουν τις μεγάλες χωρητικότητες που είναι χαρακτηριστικές των ιονιστών, χρησιμοποιούν ηλεκτρόδια από πορώδη υλικά που έχουν μεγάλη επιφάνεια πόρων με μικρές εξωτερικές διαστάσεις.

Σφουγγάρικα μέταλλα από τιτάνιο έως πλατίνα δοκιμάστηκαν κάποτε για αυτόν τον ρόλο. Ωστόσο, ο ασύγκριτα καλύτερος ήταν ο... συνηθισμένος ενεργός άνθρακας. Πρόκειται για κάρβουνο, το οποίο μετά από ειδική επεξεργασία γίνεται πορώδες. Η επιφάνεια των πόρων 1 cm3 τέτοιου άνθρακα φτάνει τα χίλια τετραγωνικά μέτρα και η χωρητικότητα του διπλού ηλεκτρικού στρώματος πάνω τους είναι δέκα φαράντ!

Σπιτικό ιονιστή Το σχήμα 1 δείχνει το σχέδιο ενός ιονιστή. Αποτελείται από δύο μεταλλικές πλάκες που πιέζονται σφιχτά πάνω σε ένα «γέμιση» ενεργού άνθρακα. Ο άνθρακας τοποθετείται σε δύο στρώματα, μεταξύ των οποίων υπάρχει ένα λεπτό διαχωριστικό στρώμα μιας ουσίας που δεν άγει τα ηλεκτρόνια. Όλα αυτά είναι εμποτισμένα με ηλεκτρολύτη.

Κατά τη φόρτιση του ιονιστή, σχηματίζεται ένα διπλό ηλεκτρικό στρώμα με ηλεκτρόνια στην επιφάνεια στο ένα μισό των πόρων άνθρακα και στο άλλο μισό με θετικά ιόντα. Μετά τη φόρτιση, τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να ρέουν το ένα προς το άλλο. Όταν συναντώνται, σχηματίζονται ουδέτερα άτομα μετάλλου και το συσσωρευμένο φορτίο μειώνεται και με την πάροδο του χρόνου μπορεί να εξαφανιστεί εντελώς.

Για να αποφευχθεί αυτό, εισάγεται ένα διαχωριστικό στρώμα μεταξύ των στρωμάτων ενεργού άνθρακα. Μπορεί να αποτελείται από διάφορες λεπτές πλαστικές μεμβράνες, χαρτί και ακόμη και βαμβάκι.
Στους ερασιτέχνες ιονιστές, ο ηλεκτρολύτης είναι διάλυμα επιτραπέζιου αλατιού 25% ή διάλυμα ΚΟΗ 27%. (Σε χαμηλότερες συγκεντρώσεις, ένα στρώμα αρνητικών ιόντων δεν θα σχηματιστεί στο θετικό ηλεκτρόδιο.)

Ως ηλεκτρόδια χρησιμοποιούνται χάλκινες πλάκες με καλώδια προ-κολλημένα σε αυτά. Οι επιφάνειες εργασίας τους πρέπει να καθαρίζονται από οξείδια. Σε αυτή την περίπτωση, καλό είναι να χρησιμοποιήσετε χοντρό γυαλόχαρτο που αφήνει γρατσουνιές. Αυτές οι γρατσουνιές θα βελτιώσουν την πρόσφυση του άνθρακα στον χαλκό. Για καλή πρόσφυση, οι πλάκες πρέπει να απολιπανθούν. Η απολίπανση των πλακών πραγματοποιείται σε δύο στάδια. Πρώτα, πλένονται με σαπούνι, και στη συνέχεια τρίβονται με σκόνη δοντιών και ξεπλένονται με ρεύμα νερού. Μετά από αυτό, δεν πρέπει να τα αγγίζετε με τα δάχτυλά σας.

Ο ενεργός άνθρακας, που αγοράζεται από ένα φαρμακείο, αλέθεται σε γουδί και αναμιγνύεται με ηλεκτρολύτη για να ληφθεί μια παχιά πάστα, η οποία απλώνεται σε καλά απολιπανμένα πιάτα.

Κατά την πρώτη δοκιμή, οι πλάκες με χάρτινο παρέμβυσμα τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο και μετά θα προσπαθήσουμε να το φορτίσουμε. Αλλά εδώ υπάρχει μια λεπτότητα. Όταν η τάση είναι μεγαλύτερη από 1 V, αρχίζει η απελευθέρωση των αερίων H2 και O2. Καταστρέφουν ηλεκτρόδια άνθρακα και δεν επιτρέπουν στη συσκευή μας να λειτουργεί σε λειτουργία πυκνωτή-ιονιστή.

Επομένως, πρέπει να το φορτίσουμε από πηγή με τάση όχι μεγαλύτερη από 1 V. (Αυτή είναι η τάση για κάθε ζεύγος πλακών που συνιστάται για τη λειτουργία βιομηχανικών ιονιστών.)

Λεπτομέρειες για τους περίεργους

Σε τάση μεγαλύτερη από 1,2 V, ο ιονιστής μετατρέπεται σε μπαταρία αερίου. Αυτή είναι μια ενδιαφέρουσα συσκευή, που αποτελείται επίσης από ενεργό άνθρακα και δύο ηλεκτρόδια. Αλλά δομικά έχει σχεδιαστεί διαφορετικά (βλ. Εικ. 2). Συνήθως, πάρτε δύο ράβδους άνθρακα από μια παλιά γαλβανική κυψέλη και δέστε σακούλες γάζας με ενεργό άνθρακα γύρω τους. Το διάλυμα ΚΟΗ χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης. (Δεν πρέπει να χρησιμοποιείται διάλυμα επιτραπέζιου αλατιού, καθώς η αποσύνθεσή του απελευθερώνει χλώριο.)

Η ενεργειακή ένταση μιας μπαταρίας αερίου φτάνει τα 36.000 J/kg ή 10 Wh/kg. Αυτό είναι 10 φορές περισσότερο από ένα ιονιστή, αλλά 2,5 φορές λιγότερο από μια συμβατική μπαταρία μολύβδου. Ωστόσο, μια μπαταρία αερίου δεν είναι απλώς μια μπαταρία, αλλά μια πολύ μοναδική κυψέλη καυσίμου. Κατά τη φόρτισή του, απελευθερώνονται αέρια στα ηλεκτρόδια - οξυγόνο και υδρογόνο. «Κατακάθονται» στην επιφάνεια του ενεργού άνθρακα. Όταν εμφανίζεται ρεύμα φορτίου, συνδέονται για να σχηματίσουν νερό και ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτή η διαδικασία, ωστόσο, πηγαίνει πολύ αργά χωρίς καταλύτη. Και, όπως αποδείχθηκε, μόνο η πλατίνα μπορεί να είναι καταλύτης... Επομένως, σε αντίθεση με έναν ιονιστή, μια μπαταρία αερίου δεν μπορεί να παράγει υψηλά ρεύματα.

Ωστόσο, ο εφευρέτης της Μόσχας A.G. Ο Presnyakov (http://chemfiles.narod.r u/hit/gas_akk.htm) χρησιμοποίησε επιτυχώς μια μπαταρία αερίου για να ξεκινήσει μια μηχανή φορτηγού. Το σημαντικό βάρος του -σχεδόν τρεις φορές μεγαλύτερο από το συνηθισμένο- σε αυτή την περίπτωση αποδείχθηκε ανεκτό. Όμως το χαμηλό κόστος και η απουσία επιβλαβών υλικών όπως το οξύ και ο μόλυβδος φαινόταν εξαιρετικά ελκυστικό.

Μια μπαταρία αερίου του απλούστερου σχεδιασμού αποδείχθηκε ότι ήταν επιρρεπής σε πλήρη αυτοεκφόρτιση σε 4-6 ώρες. Αυτό έβαλε τέλος στα πειράματα. Ποιος χρειάζεται ένα αυτοκίνητο που δεν μπορεί να ξεκινήσει αφού παρκάρει όλη τη νύχτα;

Και όμως, η «μεγάλη τεχνολογία» δεν έχει ξεχάσει τις μπαταρίες αερίου. Ισχυρά, ελαφριά και αξιόπιστα, βρίσκονται σε ορισμένους δορυφόρους. Η διαδικασία σε αυτά λαμβάνει χώρα υπό πίεση περίπου 100 atm, και το νικέλιο σπόγγου χρησιμοποιείται ως απορροφητής αερίου, το οποίο υπό τέτοιες συνθήκες λειτουργεί ως καταλύτης. Ολόκληρη η συσκευή στεγάζεται σε έναν εξαιρετικά ελαφρύ κύλινδρο από ανθρακονήματα. Οι μπαταρίες που προκύπτουν έχουν ενεργειακή χωρητικότητα σχεδόν 4 φορές μεγαλύτερη από αυτή των μπαταριών μολύβδου. Ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο μπορούσε να διανύσει περίπου 600 χιλιόμετρα πάνω τους. Αλλά, δυστυχώς, εξακολουθούν να είναι πολύ ακριβά.