사람들은 처음으로 전기를 저장하기 위해 커패시터를 사용했습니다. 그러다가 전기 공학이 실험실 실험을 넘어서면서 전기 에너지를 저장하는 주요 수단이 된 배터리가 발명되었습니다. 그러나 21세기 초에는 전기 장비에 전력을 공급하기 위해 커패시터를 사용하는 것이 다시 제안되었습니다. 이것이 어떻게 가능하며 배터리가 마침내 과거의 일이 될까요?

커패시터가 배터리로 교체된 이유는 저장할 수 있는 전기량이 훨씬 더 많기 때문입니다. 또 다른 이유는 방전 중에 배터리 출력의 전압이 거의 변하지 않아 전압 안정기가 필요하지 않거나 설계가 매우 간단할 수 있다는 것입니다.

커패시터와 배터리의 주요 차이점은 커패시터는 전하를 직접 저장하는 반면, 배터리는 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하고 저장한 다음 화학 에너지를 다시 전기 에너지로 변환한다는 것입니다.

에너지 변환 중에 일부가 손실됩니다. 따라서 최고의 배터리라도 효율은 90%를 넘지 않는 반면, 커패시터의 경우 99%에 도달할 수 있습니다. 화학 반응의 강도는 온도에 따라 달라지므로 배터리는 실내 온도보다 추운 날씨에 눈에 띄게 성능이 저하됩니다. 또한 배터리의 화학 반응은 완전히 가역적이지 않습니다. 따라서 "메모리 효과"뿐만 아니라 적은 수의 충전-방전 주기(수천 개 정도, 대부분의 경우 배터리 수명은 약 1000회 충전-방전 주기)입니다. "메모리 효과"는 배터리가 항상 일정량의 축적된 에너지까지 방전되어야만 배터리 용량이 최대가 된다는 점을 기억해 보겠습니다. 방전 후 더 많은 에너지가 남아 있으면 배터리 용량이 점차 감소합니다. "메모리 효과"는 산성 배터리(젤 및 AGM 등 다양한 종류 포함)를 제외한 거의 모든 상용 배터리 유형의 특징입니다. 일반적으로 리튬이온과 리튬 폴리머 배터리그것은 일반적이지 않으며 실제로 그들도 그것을 가지고 있으며 다른 유형보다 덜 나타납니다. 산성 배터리의 경우 판형 황산화 효과를 나타내어 전원에 돌이킬 수 없는 손상을 입힙니다. 그 이유 중 하나는 배터리가 오랫동안 50% 미만의 충전 상태를 유지하기 때문입니다.

대체에너지와 관련해서는 '기억효과'와 판황화 문제가 심각한 문제다. 사실은 다음과 같은 소스로부터 에너지를 공급한다는 것입니다. 태양 전지 패널풍력 터빈은 예측하기 어렵습니다. 결과적으로 배터리의 충전 및 방전은 최적이 아닌 모드에서 혼란스럽게 발생합니다.

현대 생활의 리듬을 고려하면 배터리를 몇 시간 동안 충전해야 한다는 것은 절대 용납될 수 없는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 배터리가 방전되어 몇 시간 동안 충전소에 갇히게 된다면 전기 자동차를 타고 장거리를 운전하는 것을 어떻게 상상하시겠습니까? 배터리의 충전 속도는 배터리에서 발생하는 화학 공정의 속도에 따라 제한됩니다. 충전 시간을 1시간으로 줄일 수 있지만 몇 분으로 줄일 수는 없습니다. 동시에 커패시터의 충전 속도는 충전기가 제공하는 최대 전류에 의해서만 제한됩니다.

나열된 배터리의 단점으로 인해 대신 커패시터를 사용하는 것이 시급합니다.

전기이중층을 이용한

수십 년 동안 전해 콘덴서는 가장 높은 용량을 가지고 있었습니다. 그 중 하나는 금속 호일이었고 다른 하나는 전해질이었으며, 판 사이의 절연체는 금속 산화물로 호일을 코팅했습니다. 전해 콘덴서의 경우 용량이 100분의 1패럿에 달할 수 있는데, 이는 배터리를 완전히 교체하기에는 충분하지 않습니다.

디자인 비교 다른 유형커패시터 (출처: Wikipedia)

수천 패럿 단위로 측정되는 큰 정전용량은 소위 전기 이중층을 기반으로 하는 커패시터를 통해 얻을 수 있습니다. 작동 원리는 다음과 같습니다. 전기 이중층은 특정 조건 하에서 고체상과 액체상 물질의 경계면에 나타납니다. 이온의 두 층은 부호가 반대이지만 크기는 같은 전하로 형성됩니다. 상황을 매우 단순화하면 커패시터가 형성되며 그 "플레이트"는 표시된 이온 층이며 그 사이의 거리는 여러 원자와 같습니다.

맥스웰이 생산하는 다양한 용량의 슈퍼커패시터

이 효과를 기반으로 하는 커패시터를 이온니스터라고도 합니다. 실제로 이 용어는 전하가 저장되는 커패시터뿐만 아니라 전하 저장과 함께 전기 에너지를 화학 에너지로 부분적으로 변환하는 기타 전기 저장 장치(하이브리드 이오니스터)를 의미합니다. 이중 전기층(소위 의사 커패시터) 기반 배터리. 따라서 '슈퍼커패시터'라는 용어가 더 적합합니다. 때때로 동일한 용어인 "울트라커패시터"가 대신 사용됩니다.

기술적 구현

슈퍼커패시터는 전해질로 채워진 두 개의 활성탄 판으로 구성됩니다. 그 사이에는 전해질이 통과하도록 허용하지만 플레이트 사이에서 활성탄 입자의 물리적 이동을 방지하는 멤브레인이 있습니다.

슈퍼커패시터 자체에는 극성이 없다는 점에 유의해야 합니다. 이 점에서 이들은 일반적으로 극성이 특징인 전해 커패시터와 근본적으로 다르며, 이를 준수하지 않으면 커패시터가 고장납니다. 그러나 극성은 슈퍼커패시터에도 적용됩니다. 이는 슈퍼커패시터가 공장 조립 라인에서 이미 충전된 상태로 출고되고 표시가 이 충전의 극성을 나타내기 때문입니다.

슈퍼커패시터 매개변수

이 글을 쓰는 시점에 달성된 개별 슈퍼커패시터의 최대 용량은 12,000F입니다. 대량 생산된 슈퍼커패시터의 경우 3,000F를 초과하지 않습니다. 플레이트 사이의 최대 허용 전압은 10V를 초과하지 않습니다. 상업적으로 생산된 슈퍼커패시터의 경우, 이 수치는 일반적으로 2.3 – 2.7V 내에 있습니다. 낮은 작동 전압에서는 안정기 기능이 있는 전압 변환기를 사용해야 합니다. 사실 방전 중에 커패시터 플레이트의 전압은 넓은 범위에 걸쳐 변합니다. 부하와 연결을 위한 전압 변환기의 구성 충전기사소한 일이 아닙니다. 60W 부하에 전력을 공급해야 한다고 가정해 보겠습니다.

문제를 단순화하기 위해 전압 변환기와 안정기의 손실을 무시하겠습니다. 당신과 함께 일하는 경우 일반 배터리 12V의 전압으로 제어 전자 장치는 5A의 전류를 견뎌야 합니다. 이러한 전자 장치는 널리 보급되어 있으며 저렴합니다. 그러나 전압이 2.5V인 슈퍼커패시터를 사용하면 완전히 다른 상황이 발생합니다. 그러면 변환기의 전자 부품을 통해 흐르는 전류가 24A에 도달할 수 있으므로 회로 기술과 현대적인 요소 기반에 대한 새로운 접근 방식이 필요합니다. 슈퍼커패시터가 연속 생산 20세기 70년대부터 시작된 이 기술은 이제서야 다양한 분야에서 널리 활용되기 시작했습니다.

개략도원천 무정전 전원 공급 장치
슈퍼 커패시터의 전압, 주요 구성 요소가 구현됩니다.
LinearTechnology가 생산한 하나의 마이크로회로

슈퍼커패시터는 직렬 또는 병렬 연결을 사용하여 배터리에 연결할 수 있습니다. 첫 번째 경우에는 최대 허용 전압이 증가합니다. 두 번째 경우 - 용량. 이렇게 최대 허용 전압을 높이는 것도 문제를 해결하는 방법 중 하나이지만, 정전 용량을 줄여서 비용을 지불해야 합니다.

슈퍼커패시터의 크기는 당연히 용량에 따라 달라집니다. 3000F 용량의 일반적인 슈퍼커패시터는 지름 약 5cm, 길이 14cm의 원통형으로, 용량 10F의 슈퍼커패시터는 사람의 손톱 크기와 비슷한 크기를 갖고 있다.

우수한 슈퍼커패시터는 수십만 번의 충전-방전 주기를 견딜 수 있으며, 이는 이 매개변수에서 배터리를 약 100배 초과합니다. 그러나 전해 커패시터와 마찬가지로 슈퍼커패시터도 점진적인 전해질 누출로 인해 노화 문제에 직면해 있습니다. 현재까지 이러한 이유로 슈퍼커패시터의 고장에 대한 완전한 통계는 축적되지 않았지만, 간접적인 데이터에 따르면 슈퍼커패시터의 수명은 대략 15년으로 추정할 수 있습니다.

축적된 에너지

커패시터에 저장된 에너지의 양(줄 단위):

E = CU 2 /2,
여기서 C는 패럿으로 표시되는 커패시턴스이고, U는 볼트로 표시되는 플레이트의 전압입니다.

kWh로 표시되는 커패시터에 저장된 에너지 양은 다음과 같습니다.

W = CU 2 /7200000

따라서 플레이트 사이의 전압이 2.5V이고 용량이 3000F인 커패시터는 0.0026kWh만 저장할 수 있습니다. 예를 들어 리튬 이온 배터리와 어떻게 비교됩니까? 당신이 그것을 받아들이면 출력 전압방전 정도와 관계없이 3.6V이면 0.0026kWh의 에너지량이 0.72Ah 용량의 리튬 이온 배터리에 저장됩니다. 아아, 매우 겸손한 결과입니다.

슈퍼커패시터의 응용

비상 조명 시스템에서는 배터리 대신 슈퍼커패시터를 사용하면 큰 차이가 납니다. 실제로 고르지 못한 방전이 특징인 것이 바로 이 애플리케이션입니다. 또한, 비상등은 신속하게 충전되고, 이에 사용되는 백업 전원의 신뢰성이 높은 것이 바람직하다. 슈퍼커패시터 기반 백업 전원을 직접 통합할 수 있습니다. 주도 램프 T8. 이러한 램프는 이미 여러 중국 회사에서 생산되고 있습니다.

전원 LED 지상 조명
태양 전지판, 에너지 저장 장치에서
슈퍼커패시터에서 수행됩니다.

이미 언급한 바와 같이, 슈퍼커패시터의 개발은 주로 대체 에너지원에 대한 관심에 기인합니다. 하지만 실제 사용지금까지는 태양으로부터 에너지를 받는 LED 램프로 제한되었습니다.

전기 장비를 시동하기 위해 슈퍼커패시터를 사용하는 것이 활발히 개발되고 있습니다.

슈퍼커패시터는 단시간에 많은 양의 에너지를 전달할 수 있다. 슈퍼커패시터로 시동 시 전기 장비에 전력을 공급함으로써 전력망의 피크 부하를 줄이고 궁극적으로 돌입 전류 마진을 줄여 막대한 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다.

여러 개의 슈퍼커패시터를 배터리로 결합하면 전기 자동차에 사용되는 배터리와 비슷한 용량을 얻을 수 있습니다. 하지만 이 배터리는 배터리보다 무게가 몇 배나 더 나가므로 차량에 사용할 수 없습니다. 그래핀 기반 슈퍼커패시터를 사용하면 문제를 해결할 수 있지만 현재는 프로토타입으로만 존재한다. 그러나 전기로만 구동되는 유명한 Yo-mobile의 유망한 버전은 러시아 과학자들이 개발 중인 차세대 슈퍼커패시터를 전원으로 사용할 것입니다.

슈퍼커패시터는 기존 가솔린이나 디젤 차량의 배터리 교체에도 도움이 될 것입니다. 이러한 차량에서의 사용은 이미 현실화되었습니다.

한편, 슈퍼커패시터 도입을 위해 구현된 프로젝트 중 가장 성공적인 것은 최근 모스크바 거리에 등장한 새로운 러시아산 무궤도 전차로 간주될 수 있습니다. 접촉 네트워크에 대한 전압 공급이 중단되거나 집전체가 "날아가는" 경우 무궤도 전차는 교통을 방해하지 않는 장소까지 수백 미터 동안 저속(약 15km/h)으로 이동할 수 있습니다. 길에서. 이러한 기동을 위한 에너지원은 슈퍼커패시터 배터리입니다.

일반적으로 현재 슈퍼커패시터는 특정 "틈새"에서만 배터리를 대체할 수 있습니다. 그러나 기술이 빠르게 발전하고 있기 때문에 가까운 장래에 슈퍼커패시터의 적용 범위가 크게 확대될 것으로 예상됩니다.

슈퍼커패시터 또는 이온니스터는 에너지 질량을 저장하는 장치이며, 전극과 전해질 사이의 경계에서 전하 축적이 발생합니다. 유용한 에너지량은 정적 유형 전하로 저장됩니다. 누적 프로세스는 다음과의 상호 작용으로 귀결됩니다. 정전압, 이온니스터가 플레이트 전체에 걸쳐 전위차를 수신할 때. 기술 구현과 이러한 장치를 만드는 아이디어는 비교적 최근에 등장했지만 특정 수의 문제를 해결하기 위해 실험적으로 사용되었습니다. 이 부품은 시계, 계산기 및 다양한 마이크로 회로의 백업 또는 주요 전원 공급 수단으로 화학적 기원의 전류원을 대체할 수 있습니다.

커패시터의 기본 설계는 건식 분리 물질로 구분된 호일 재질의 플레이트로 구성됩니다. 이온니스터는 전기화학적 유형의 충전기를 갖춘 여러 개의 커패시터로 구성됩니다. 생산에는 특수 전해질이 사용됩니다. 덮개는 여러 종류가 있을 수 있습니다. 활성탄은 대규모 라이닝 제조에 사용됩니다. 전도성이 높은 금속 산화물 및 고분자 재료도 사용할 수 있습니다. 필요한 용량 밀도를 달성하려면 다공성이 높은 탄소 재료를 사용하는 것이 좋습니다. 또한 이 접근 방식을 사용하면 매우 저렴한 비용으로 이온니스터를 만들 수 있습니다. 이러한 부품은 DLC 커패시터 범주에 속하며 플레이트에 형성된 이중 구획에 전하를 축적합니다.

이온니스터가 물 전해질 베이스와 결합된 경우 설계 솔루션은 내부 요소의 낮은 저항을 특징으로 하며 충전 전압은 1V로 제한됩니다. 유기 전도체를 사용하면 약 2...3의 전압 레벨이 보장됩니다. V 및 저항 증가.

전자 회로는 더 높은 에너지 수요로 작동합니다. 이 문제에 대한 해결책은 사용되는 전원 포인트 수를 늘리는 것입니다. 이오니스터는 한 개가 아닌 3~4개 정도 설치하여 필요한 만큼의 충전량을 제공합니다.

니켈-수소 배터리와 비교하여 이오니스터는 에너지 예비량의 10분의 1을 담을 수 있으며 전압은 평면 방전 영역을 제외하고 선형적으로 떨어집니다. 이러한 요소는 이온니스터의 전하를 완전히 유지하는 능력에 영향을 미칩니다. 충전 수준은 요소의 기술적 목적에 따라 직접적으로 달라집니다.

종종 이온니스터는 메모리 칩에 전원을 공급하는 데 사용되며 필터 회로 및 평활 필터에 포함됩니다. 또한 다양한 유형의 배터리와 결합하여 급격한 전류 급증으로 인한 결과를 방지할 수 있습니다. 낮은 전류가 공급되면 이오니스터가 재충전되고, 그렇지 않으면 에너지의 일부가 방출되어 전체 부하가 줄어듭니다.

Elon Musk의 생산용 "배터리 기가팩토리" 건설을 둘러싼 과대광고 리튬 이온 배터리"억만장자 혁명가"의 계획을 크게 조정할 수 있는 사건에 대한 메시지가 나타났을 때 아직 가라앉지 않았습니다.
최근 회사에서 발표한 보도자료입니다. Sunvault 에너지 Inc., 이는 함께 에디슨 전력 회사 10,000(!) 패럿 용량의 세계 최대 그래핀 슈퍼커패시터를 만들었습니다..
이 수치는 너무 경이로워 국내 전문가들 사이에서 의구심을 불러일으킵니다. 전기 공학에서는 20마이크로패럿(즉, 0.02밀리패럿)이라도 많은 양입니다. 그러나 선볼트 에너지의 이사가 전 뉴멕시코 주지사이자 전 미국 에너지부 장관이었던 빌 리처드슨이라는 점에는 의심의 여지가 없다. 빌 리처드슨(Bill Richardson)은 잘 알려져 있고 존경받는 사람입니다. 그는 유엔 주재 미국 대사를 역임했으며 수년 동안 키신저 및 맥라티 싱크탱크에서 근무했으며 무장세력에 붙잡힌 미국인을 구출하는 데 성공한 공로로 노벨상 후보에 오르기도 했습니다. 다양한 "핫스팟"에서 평화를 누리십시오. 2008년에 그는 미국 대통령 선거를 위한 민주당 후보 중 한 명이었지만 버락 오바마에게 패했습니다.

오늘날 Sunvault는 Edison Power Company와 Supersunvault라는 합작 투자 회사를 설립하여 빠르게 성장하고 있으며 새 회사의 이사회에는 과학자(이사 중 한 명은 생화학자, 다른 한 명은 진취적인 종양학자)뿐만 아니라 또한 좋은 사업 통찰력을 가진 유명한 사람들. 저는 지난 두 달 동안 회사가 슈퍼커패시터의 용량을 1000패럿에서 10,000패럿으로 10배 늘렸으며, 커패시터에 축적된 에너지가 집 전체에 전력을 공급하기에 충분하도록 용량을 더욱 늘릴 것이라고 약속했습니다. 즉, Sunvault는 약 10kWh 용량의 Powerwall 유형 슈퍼배터리를 생산할 계획을 갖고 있는 Elon Musk의 직접적인 경쟁자로 활동할 준비가 되어 있습니다.

그래핀 기술의 장점과 기가팩토리의 종말.

여기서 우리는 커패시터와 배터리의 주요 차이점을 기억해야합니다. 전자가 빠르게 충전 및 방전되지만 에너지가 거의 축적되지 않으면 배터리는 반대로 배터리입니다. 메모 그래핀 슈퍼커패시터의 주요 장점V.

1. 고속 충전 — 커패시터는 배터리보다 약 100~1000배 빠르게 충전됩니다.

2. 염가: 기존 리튬 이온 배터리의 가격이 축적된 에너지 1kWh당 약 $500인 경우 슈퍼커패시터의 가격은 단 $100이며, 제작자는 연말까지 비용을 $40로 낮추겠다고 약속합니다. 구성 측면에서 보면 지구상에서 가장 흔한 화학 원소 중 하나인 일반 탄소입니다.

3. 컴팩트함과 에너지 밀도 그리고. 새로운 그래핀 슈퍼커패시터는 알려진 샘플을 약 1,000배 초과하는 환상적인 용량뿐만 아니라 작은 책 크기, 즉 1패럿 커패시터보다 100배 더 컴팩트한 컴팩트함으로 놀라움을 선사합니다. 현재 사용 중입니다.

4. 안전과 환경친화성. 가열되고 위험한 화학 물질이 포함되어 있으며 때로는 폭발하기도 하는 배터리보다 훨씬 안전합니다.그래핀 자체는 생분해성 물질입니다. 화학적으로 비활성이며 환경에 해를 끼치 지 않습니다.

5. 그래핀 생산 신기술의 단순성. 거대한 영토와 자본 투자, 수많은 노동자, 독성 및 위험 물질이 사용됩니다. 기술적 과정리튬 이온 배터리는 신기술의 놀라운 단순성과 극명한 대조를 이룹니다. 사실 그래핀(즉, 가장 얇은 단원자 탄소 필름)은 흑연 현탁액의 일부가 부어지는 일반 CD 디스크를 사용하여 Sunvault에서 생산됩니다. 그런 다음 디스크를 일반 DVD 드라이브에 넣고 레이저로 굽습니다. 특별 프로그램-그래핀 층이 준비되었습니다! 이 발견은 화학자 Richard Kaner의 실험실에서 일했던 학생 Maher El-Kadi에 의해 우연히 이루어졌다고 보고되었습니다. 그런 다음 그는 LightScribe 소프트웨어를 사용하여 디스크를 태워 그래핀 층을 생성했습니다.
또한 Sunvault CEO Gary Monahan이 월스트리트 컨퍼런스에서 말했듯이 Sunvault는 다음을 위해 노력하고 있습니다. 그래핀 에너지 저장 장치는 3D 프린터의 기존 프린팅으로 생산될 수 있습니다.-그리고 이것은 그들의 생산을 저렴할 뿐만 아니라 실질적으로 보편적으로 만들 것입니다. 그리고 저렴한 태양광 패널(현재 비용은 W당 1.3달러로 떨어졌습니다)과 결합하여 그래핀 슈퍼커패시터는 수백만 명의 사람들에게 전력망에서 완전히 분리되어 에너지 독립을 얻을 수 있는 기회를 제공할 것이며, 더 나아가 스스로 전기를 생산할 수 있는 기회를 제공할 것입니다. 공급업체를 통해 "자연적" 독점을 파괴합니다.
따라서 의심의 여지가 없습니다. 그래핀 슈퍼커패시터는 에너지 저장 분야의 혁명적인 돌파구와 . 그리고 이것은 Elon Musk에게는 나쁜 소식입니다. 네바다에 공장을 건설하는 데 약 50억 달러의 비용이 소요되며 그러한 경쟁자 없이도 회수하기 어려울 것입니다. 네바다 공장 건설이 이미 진행 중이어서 완공될 가능성이 높지만 머스크가 계획한 나머지 3개 공장은 완공될 가능성이 낮은 것으로 보인다.

시장에 대한 접근? 우리가 원하는 만큼은 아닙니다.

그러한 기술의 혁명적 성격은 명백합니다. 또 다른 점은 불분명합니다. 언제 시장에 출시됩니까? 이미 오늘날 Elon Musk의 거대하고 값비싼 리튬 이온 Gigafactory 프로젝트는 산업주의의 공룡처럼 보입니다. 그러나 아무리 혁신적이고 필요하며 환경친화적이라 할지라도 새로운 기술, 그렇다고 그녀가 1~2년 안에 우리에게 올 것이라는 의미는 아닙니다. 자본의 세계는 금융 충격을 피할 수 없지만 기술적 충격을 피하는 데는 꽤 성공적이었습니다. 안에 유사한 사례대규모 투자자와 정치권력 사이의 막후 합의가 이뤄지기 시작한다. Sunvault는 캐나다에 위치한 회사이며 이사회에는 미국의 정치 엘리트와 광범위한 관계가 있지만 여전히 석유 달러 핵심의 일부가 아닌 사람들이 포함되어 있다는 점을 기억할 가치가 있습니다. 이에 대한 투쟁은 이미 시작된 것 같습니다.
우리에게 가장 중요한 것은 신흥 에너지 기술이 제공하는 기회: 에너지 독립 국가와 미래에 - 각 시민을 위해. 물론, 그래핀 슈퍼커패시터는 "하이브리드", 과도기적 기술에 가깝습니다. 자기중력 기술, 이는 과학적 패러다임 자체와 전 세계의 모습을 완전히 바꿀 것을 약속합니다. 마지막으로 혁신적인 금융 기술, 이는 실제로 글로벌 석유달러 마피아에 의해 금기시되는 사항입니다. 그럼에도 불구하고 이것은 매우 인상적인 돌파구이며, 미국의 "석유달러 짐승의 소굴"에서 일어나고 있기 때문에 더욱 흥미롭습니다.
불과 6개월 전에 나는 상온 핵융합 기술 분야에서 이탈리아인의 성공에 대해 글을 썼지만, 이 기간 동안 우리는 미국 회사 SolarTrends의 인상적인 LENR 기술과 독일 Gaya-Rosch의 획기적인 발전에 대해 배웠습니다. 그래핀 저장장치의 혁신적인 기술. 이 짧은 목록조차도 문제는 우리 정부나 다른 정부가 우리가 받는 가스 및 전기 요금을 줄일 수 있는 능력이 없다는 것이 아니며 심지어 불투명한 관세 계산에서도 마찬가지라는 것을 보여줍니다.
악의 뿌리는 청구서를 지불하는 사람의 무지와 청구서를 발행하는 사람이 무엇이든 바꾸려는 것을 꺼리는 것입니다. . 평범한 사람들에게만 에너지는 전기입니다. 실제로는 자아의 에너지가 힘입니다.

과학 출판물인 사이언스(Science)는 슈퍼커패시터 제작 분야에서 호주 과학자들이 이룩한 기술적 혁신에 대해 보도했습니다.

멜버른에 위치한 Monash University의 직원은 결과 제품이 기존 유사 제품보다 상업적으로 더 매력적이도록 그래핀으로 만든 슈퍼커패시터의 생산 기술을 변경했습니다.

전문가들은 그래핀 기반 슈퍼커패시터의 마법 같은 특성에 대해 오랫동안 이야기해 왔으며 실험실 테스트를 통해 기존 슈퍼커패시터보다 우수하다는 사실이 여러 번 확실하게 입증되었습니다. 접두사 "슈퍼"가 붙은 커패시터는 현대 전자 제품 제작자, 자동차 회사, 심지어 대체 전력 공급원 제작자 등이 기대합니다.

극도로 긴 수명 주기와 슈퍼커패시터의 최단 시간 충전 능력 덕분에 설계자는 도움을 받아 복잡한 설계 문제를 해결할 수 있습니다. 다른 장치. 그러나 그때까지 그래핀 커패시터의 승리의 행진은 낮은 비에너지와... 평균적으로 이오니스터 또는 슈퍼커패시터는 5~8Wh/kg 정도의 특정 에너지 표시기를 갖고 있으며, 이는 급속 방전을 배경으로 그래핀 제품을 매우 자주 재충전해야 하는 필요성에 의존하게 만들었습니다.

Dan Lee 교수가 이끄는 멜버른 소재 제조 연구부의 호주 직원들은 그래핀 커패시터의 비에너지 밀도를 12배 증가시키는 데 성공했습니다. 이제 새 커패시터의 수치는 60W*h/kg이며 이는 이미 이 분야의 기술 혁명에 대해 이야기할 이유가 됩니다. 발명가들은 그래핀 슈퍼커패시터의 빠른 방전 문제를 극복하여 이제 표준 배터리보다 더 느리게 방전되도록 했습니다.

기술적 발견은 과학자들이 이렇게 인상적인 결과를 얻는 데 도움이 되었습니다. 그들은 적응형 그래핀-겔 필름을 사용하여 아주 작은 전극을 만들었습니다. 본 발명자들은 그래핀 시트 사이의 공간을 액체 전해질로 채워서 그 사이에 나노미터 이하의 거리가 형성되도록 하였다. 이 전해질은 기존 커패시터에도 존재하며 전기 전도체 역할을 합니다. 여기서 그것은 전도체일 뿐만 아니라 그래핀 시트가 서로 접촉하는 것을 방해하는 장애물이 되었습니다. 우리가 더 많은 것을 성취할 수 있게 해 준 것은 바로 이 움직임이었습니다 고밀도다공성 구조를 유지하면서 커패시터.

소형 전극 자체는 우리 모두에게 친숙한 종이 제조업체에 친숙한 기술을 사용하여 만들어졌습니다. 이 방법이는 매우 저렴하고 간단하므로 새로운 슈퍼커패시터의 상업적 생산 가능성에 대해 낙관할 수 있습니다.

언론인들은 인류가 완전히 새로운 것을 개발할 인센티브를 받았다는 것을 세계에 확신시키기 위해 서둘렀습니다. 전자 기기. 발명가들은 이 교수의 입을 통해 그래핀 슈퍼커패시터가 실험실에서 공장까지의 경로를 매우 빠르게 덮을 수 있도록 돕겠다고 약속했습니다.

좋든 싫든 전기차 시대는 점점 다가오고 있다. 그리고 현재 전기자동차의 시장 돌파와 선점을 가로막고 있는 기술은 전기에너지 저장기술 등 단 하나이다. 이 방향에 대한 과학자들의 모든 업적에도 불구하고 대부분의 전기 및 하이브리드 자동차는 리튬 이온 배터리를 설계에 포함하고 있으며, 이는 양극과 음극이 있으며 짧은 거리에 대해 한 번의 충전으로만 차량 주행 거리를 제공할 수 있습니다. 도시 경계를 여행하십시오. 세계 유수의 자동차 제조사들은 모두 이 문제를 이해하고 있으며, 1회 충전으로 주행거리를 ​​늘릴 수 있는 전기자동차의 효율성을 높이는 방법을 모색하고 있습니다. 배터리.

전기차의 효율을 높이는 방법 중 하나는 브레이크를 밟을 때나 울퉁불퉁한 노면을 달릴 때 열로 바뀌는 에너지를 모아 재사용하는 것이다. 이러한 에너지를 회수하는 방법은 이미 개발되었지만 배터리의 낮은 작동 속도로 인해 수집 및 재사용 효율성이 매우 낮습니다. 제동 시간은 일반적으로 초 단위로 측정되는데, 이는 충전하는 데 몇 시간이 걸리는 배터리에 비해 너무 빠릅니다. 따라서 "빠른" 에너지를 축적하려면 다른 접근 방식과 저장 장치가 필요하며 그 역할은 커패시터일 가능성이 가장 높습니다. 대용량, 소위 슈퍼 커패시터.

불행하게도 슈퍼커패시터는 아직 큰 시장에 진출할 준비가 되어 있지 않으며, 빠르게 충전 및 방전할 수 있다는 사실에도 불구하고 용량이 여전히 상대적으로 낮습니다. 또한, 슈퍼커패시터의 전극에 사용되는 재료는 반복되는 충방전 주기의 결과로 끊임없이 파괴되기 때문에 슈퍼커패시터의 신뢰성도 많이 요구됩니다. 그리고 전기 자동차의 전체 수명 동안 슈퍼커패시터의 작동 주기 횟수가 수백만 번이 되어야 한다는 사실을 고려하면 이는 거의 받아들일 수 없습니다.

한국 광주 과학 기술 연구소의 Santhakumar Kannappan과 그의 동료 그룹은 위의 문제에 대한 해결책을 가지고 있으며 그 기반은 우리 시대의 가장 놀라운 재료 중 하나인 그래핀입니다. 한국 연구진은 용량 매개변수가 리튬 이온 배터리의 용량 매개변수보다 열등하지 않으면서 전하를 매우 빠르게 축적하고 방출할 수 있는 고효율 그래핀 기반 슈퍼커패시터의 프로토타입을 개발 및 제조했습니다. 또한 그래핀 슈퍼커패시터의 프로토타입도 특성을 잃지 않고 수만 번의 작동 주기를 견딜 수 있습니다.
이렇게 인상적인 결과를 얻는 비결은 유효 표면적이 큰 특별한 형태의 그래핀을 얻는 것입니다. 연구진은 산화 그래핀 입자와 히드라진을 물에 혼합하고 초음파를 사용해 모두 분쇄하여 이러한 형태의 그래핀을 만들었습니다. 생성된 그래핀 분말을 원반형 펠릿으로 포장하고, 섭씨 140도, 압력 300kg/cm에서 5시간 동안 건조시켰다.

생성된 물질은 매우 다공성인 것으로 밝혀졌으며, 이러한 그래핀 물질 1g은 농구장 면적과 동일한 유효 면적을 갖습니다. 또한, 이 물질의 다공성 특성으로 인해 이온성 전해액 EBIMF 1M이 물질의 전체 부피를 완전히 채울 수 있어 슈퍼커패시터의 전기적 용량이 증가하게 된다.

실험용 슈퍼커패시터의 특성을 측정한 결과, 전기적 용량은 그램당 약 150패럿, 에너지 저장 밀도는 킬로그램당 64와트, 밀도는 64와트인 것으로 나타났습니다. 전류그램당 5암페어와 같습니다. 이러한 모든 특성은 에너지 저장 밀도가 킬로그램당 100~200와트인 리튬 이온 배터리의 특성과 비슷합니다. 하지만 이러한 슈퍼커패시터에는 한 가지 큰 장점이 있습니다. 즉, 단 16초 만에 저장된 전하를 모두 충전하거나 해제할 수 있다는 것입니다. 그리고 이번은 지금까지 가장 빠른 충방전 시간이다.

이러한 인상적인 특성 세트와 그래핀 슈퍼커패시터의 간단한 제조 기술은 “그래핀 슈퍼커패시터 에너지 저장 장치는 이제 대량 생산 준비가 되어 있으며 다음 세대의 전기 자동차에 나타날 수 있다”고 쓴 연구원들의 주장을 정당화할 수 있습니다. ”

라이스 대학의 과학자 그룹은 슈퍼커패시터 전극을 만들기 위해 레이저를 사용하여 그래핀을 생산하기 위해 개발한 방법을 적용했습니다.

탄소의 한 형태인 그래핀이 발견된 이후, 크리스탈 셀무엇보다도 단원자 두께를 갖는 슈퍼커패시터, 높은 정전용량 및 낮은 누설 전류를 갖는 커패시터에 사용되는 활성탄 전극의 대안으로 간주되었습니다. 그러나 시간과 연구 결과에 따르면 그래핀 전극은 미세 다공성 활성탄 전극보다 성능이 훨씬 좋지 않았으며 이로 인해 열정이 감소하고 많은 연구가 중단되었습니다.

그럼에도 불구하고, 그래핀 전극다공성 탄소 전극에 비해 부인할 수 없는 장점이 있습니다.

그래핀 슈퍼커패시터더 높은 주파수에서 작동할 수 있으며, 그래핀의 유연성으로 인해 매우 얇고 유연한 에너지 저장 장치를 만들 수 있으며, 이는 착용 가능하고 유연한 전자 장치에 사용하기에 이상적으로 적합합니다.

위에서 언급한 그래핀 슈퍼커패시터의 두 가지 장점은 라이스 대학교 과학자 그룹의 추가 연구를 촉발했습니다. 그들은 슈퍼커패시터 전극을 만들기 위해 개발한 레이저 보조 그래핀 생산 방법을 채택했습니다.

연구팀을 이끈 과학자 제임스 투어(James Tour)는 “우리가 달성할 수 있었던 것은 전자 시장에서 사용할 수 있는 마이크로슈퍼커패시터와 비교할 수 있다”며 “우리의 방법을 사용하면 어떤 공간적 형태든 슈퍼커패시터를 생산할 수 있다. 그래핀 전극을 충분히 작은 면적에 포장해야 할 경우 종이처럼 간단히 접을 수 있습니다.”

그래핀 전극을 생산하기 위해 과학자들은 다음을 사용했습니다. 레이저 방식 (laser-induced grapheme, LIG)는 저렴한 고분자 소재로 만들어진 타겟에 강력한 레이저 빔을 쏘는 방식입니다.

레이저 광의 매개변수는 다공성 그래핀 필름 형태로 형성된 탄소를 제외한 폴리머의 모든 원소를 태워버리는 방식으로 선택됩니다. 이 다공성 그래핀은 충분히 큰 유효 표면적을 갖고 있어 슈퍼커패시터 전극에 이상적인 재료로 사용되는 것으로 나타났습니다.

라이스 대학 팀의 발견을 그토록 설득력 있게 만드는 것은 다공성 그래핀 생산의 용이성입니다.

“그래핀 전극은 만들기가 매우 간단합니다. 이를 위해서는 클린룸이 필요하지 않으며 이 공정에서는 공장 작업장은 물론 작업장에서도 성공적으로 작동하는 기존 산업용 레이저를 사용합니다. 옥외"라고 James Tur는 말합니다.

생산 용이성 외에도 그래핀 슈퍼커패시터는 매우 인상적인 특성을 보여주었습니다. 이러한 에너지 저장 장치는 전기 용량 손실 없이 수천 번의 충전-방전 주기를 견뎌냈습니다. 더욱이, 이러한 슈퍼커패시터의 전기 용량은 유연한 슈퍼커패시터가 8,000번 연속 변형된 후에도 거의 변하지 않았습니다.

제임스 투어(James Tour)는 “우리가 개발한 기술은 유연한 전자 장치의 구성 요소 또는 의류나 일상 용품에 직접 내장할 수 있는 웨어러블 전자 장치의 전원이 될 수 있는 얇고 유연한 슈퍼커패시터를 생산할 수 있음을 입증했습니다.”라고 말했습니다.

사람들은 처음으로 전기를 저장하기 위해 커패시터를 사용했습니다. 그러다가 전기 공학이 실험실 실험을 넘어서면서 전기 에너지를 저장하는 주요 수단이 된 배터리가 발명되었습니다. 그러나 21세기 초에는 전기 장비에 전력을 공급하기 위해 커패시터를 사용하는 것이 다시 제안되었습니다. 이것이 어떻게 가능하며 배터리가 마침내 과거의 일이 될까요?

커패시터가 배터리로 교체된 이유는 저장할 수 있는 전기량이 훨씬 더 많기 때문입니다. 또 다른 이유는 방전 중에 배터리 출력의 전압이 거의 변하지 않아 전압 안정기가 필요하지 않거나 설계가 매우 간단할 수 있다는 것입니다.

커패시터와 배터리의 주요 차이점은 커패시터는 전하를 직접 저장하는 반면, 배터리는 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하고 저장한 다음 화학 에너지를 다시 전기 에너지로 변환한다는 것입니다.

에너지 변환 중에 일부가 손실됩니다. 따라서 최고의 배터리라도 효율은 90%를 넘지 않는 반면, 커패시터의 경우 99%에 도달할 수 있습니다. 화학 반응의 강도는 온도에 따라 달라지므로 배터리는 실내 온도보다 추운 날씨에 눈에 띄게 성능이 저하됩니다. 또한 배터리의 화학 반응은 완전히 가역적이지 않습니다. 따라서 "메모리 효과"뿐만 아니라 적은 수의 충전-방전 주기(수천 개 정도, 대부분의 경우 배터리 수명은 약 1000회 충전-방전 주기)입니다. "메모리 효과"는 배터리가 항상 일정량의 축적된 에너지까지 방전되어야만 배터리 용량이 최대가 된다는 점을 기억해 보겠습니다. 방전 후 더 많은 에너지가 남아 있으면 배터리 용량이 점차 감소합니다. "메모리 효과"는 산성 배터리(젤 및 AGM 등 다양한 종류 포함)를 제외한 거의 모든 상용 배터리 유형의 특징입니다. 리튬 이온 및 리튬 폴리머 배터리에는 일반적으로 리튬 이온 배터리와 리튬 폴리머 배터리가 없다는 것이 인정되지만 실제로는 배터리도 있지만 다른 유형에 비해 그 정도가 덜 나타납니다. 산성 배터리의 경우 판형 황산화 효과를 나타내어 전원에 돌이킬 수 없는 손상을 입힙니다. 그 이유 중 하나는 배터리가 오랫동안 50% 미만의 충전 상태를 유지하기 때문입니다.

대체에너지와 관련해서는 '기억효과'와 판황화 문제가 심각한 문제다. 사실 태양광 패널이나 풍력 터빈과 같은 에너지원으로부터의 에너지 공급은 예측하기 어렵습니다. 결과적으로 배터리의 충전 및 방전은 최적이 아닌 모드에서 혼란스럽게 발생합니다.

현대 생활의 리듬을 고려하면 배터리를 몇 시간 동안 충전해야 한다는 것은 절대 용납될 수 없는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 배터리가 방전되어 몇 시간 동안 충전소에 갇히게 된다면 전기 자동차를 타고 장거리를 운전하는 것을 어떻게 상상하시겠습니까? 배터리의 충전 속도는 배터리에서 발생하는 화학 공정의 속도에 따라 제한됩니다. 충전 시간을 1시간으로 줄일 수 있지만 몇 분으로 줄일 수는 없습니다. 동시에 커패시터의 충전 속도는 충전기가 제공하는 최대 전류에 의해서만 제한됩니다.

나열된 배터리의 단점으로 인해 대신 커패시터를 사용하는 것이 시급합니다.

전기이중층을 이용한

수십 년 동안 전해 콘덴서는 가장 높은 용량을 가지고 있었습니다. 그 중 하나는 금속 호일이었고 다른 하나는 전해질이었으며, 판 사이의 절연체는 금속 산화물로 호일을 코팅했습니다. 전해 콘덴서의 경우 용량이 100분의 1패럿에 달할 수 있는데, 이는 배터리를 완전히 교체하기에는 충분하지 않습니다.

수천 패럿 단위로 측정되는 큰 정전용량은 소위 전기 이중층을 기반으로 하는 커패시터를 통해 얻을 수 있습니다. 작동 원리는 다음과 같습니다. 전기 이중층은 특정 조건 하에서 고체상과 액체상 물질의 경계면에 나타납니다. 이온의 두 층은 부호가 반대이지만 크기는 같은 전하로 형성됩니다. 상황을 매우 단순화하면 커패시터가 형성되며 그 "플레이트"는 표시된 이온 층이며 그 사이의 거리는 여러 원자와 같습니다.

이 효과를 기반으로 하는 커패시터를 이온니스터라고도 합니다. 실제로 이 용어는 전하가 저장되는 커패시터뿐만 아니라 전하 저장과 함께 전기 에너지를 화학 에너지로 부분적으로 변환하는 기타 전기 저장 장치(하이브리드 이오니스터)를 의미합니다. 이중 전기층(소위 의사 커패시터) 기반 배터리. 따라서 '슈퍼커패시터'라는 용어가 더 적합합니다. 때때로 동일한 용어인 "울트라커패시터"가 대신 사용됩니다.

기술적 구현

슈퍼커패시터는 전해질로 채워진 두 개의 활성탄 판으로 구성됩니다. 그 사이에는 전해질이 통과하도록 허용하지만 플레이트 사이에서 활성탄 입자의 물리적 이동을 방지하는 멤브레인이 있습니다.

슈퍼커패시터 자체에는 극성이 없다는 점에 유의해야 합니다. 이 점에서 이들은 일반적으로 극성이 특징인 전해 커패시터와 근본적으로 다르며, 이를 준수하지 않으면 커패시터가 고장납니다. 그러나 극성은 슈퍼커패시터에도 적용됩니다. 이는 슈퍼커패시터가 공장 조립 라인에서 이미 충전된 상태로 출고되고 표시가 이 충전의 극성을 나타내기 때문입니다.

슈퍼커패시터 매개변수

이 글을 쓰는 시점에 달성된 개별 슈퍼커패시터의 최대 용량은 12,000F입니다. 대량 생산된 슈퍼커패시터의 경우 3,000F를 초과하지 않습니다. 플레이트 사이의 최대 허용 전압은 10V를 초과하지 않습니다. 상업적으로 생산된 슈퍼커패시터의 경우, 이 수치는 일반적으로 2.3 – 2.7V 내에 있습니다. 낮은 작동 전압에서는 안정기 기능이 있는 전압 변환기를 사용해야 합니다. 사실 방전 중에 커패시터 플레이트의 전압은 넓은 범위에 걸쳐 변합니다. 부하와 충전기를 연결하기 위해 전압 변환기를 구축하는 것은 간단한 작업이 아닙니다. 60W 부하에 전력을 공급해야 한다고 가정해 보겠습니다.

문제를 단순화하기 위해 전압 변환기와 안정기의 손실을 무시하겠습니다. 일반 12V 배터리를 사용하는 경우 제어 전자 장치는 5A의 전류를 견딜 수 있어야 합니다. 이러한 전자 장치는 널리 보급되어 있으며 저렴합니다. 그러나 전압이 2.5V인 슈퍼커패시터를 사용하면 완전히 다른 상황이 발생합니다. 그러면 변환기의 전자 부품을 통해 흐르는 전류가 24A에 도달할 수 있으므로 회로 기술과 현대적인 요소 기반에 대한 새로운 접근 방식이 필요합니다. 20세기 70년대부터 대량생산이 시작된 슈퍼커패시터가 이제야 다양한 분야에서 널리 사용되기 시작했다는 사실을 설명할 수 있는 것은 바로 컨버터와 안정기 제작의 복잡성이다.

슈퍼커패시터는 직렬 또는 병렬 연결을 사용하여 배터리에 연결할 수 있습니다. 첫 번째 경우에는 최대 허용 전압이 증가합니다. 두 번째 경우 - 용량. 이렇게 최대 허용 전압을 높이는 것도 문제를 해결하는 방법 중 하나이지만, 정전 용량을 줄여서 비용을 지불해야 합니다.

슈퍼커패시터의 크기는 당연히 용량에 따라 달라집니다. 3000F 용량의 일반적인 슈퍼커패시터는 지름 약 5cm, 길이 14cm의 원통형으로, 용량 10F의 슈퍼커패시터는 사람의 손톱 크기와 비슷한 크기를 갖고 있다.

우수한 슈퍼커패시터는 수십만 번의 충전-방전 주기를 견딜 수 있으며, 이는 이 매개변수에서 배터리를 약 100배 초과합니다. 그러나 전해 커패시터와 마찬가지로 슈퍼커패시터도 점진적인 전해질 누출로 인해 노화 문제에 직면해 있습니다. 현재까지 이러한 이유로 슈퍼커패시터의 고장에 대한 완전한 통계는 축적되지 않았지만, 간접적인 데이터에 따르면 슈퍼커패시터의 수명은 대략 15년으로 추정할 수 있습니다.

축적된 에너지

커패시터에 저장된 에너지의 양(줄 단위):

여기서 C는 패럿으로 표시되는 커패시턴스이고, U는 볼트로 표시되는 플레이트의 전압입니다.

kWh로 표시되는 커패시터에 저장된 에너지 양은 다음과 같습니다.

따라서 플레이트 사이의 전압이 2.5V이고 용량이 3000F인 커패시터는 0.0026kWh만 저장할 수 있습니다. 예를 들어 리튬 이온 배터리와 어떻게 비교됩니까? 출력 전압을 방전 정도와 무관하고 3.6V로 간주하면 0.0026kWh의 에너지량이 0.72Ah 용량의 리튬 이온 배터리에 저장됩니다. 아아, 매우 겸손한 결과입니다.

슈퍼커패시터의 응용

비상 조명 시스템에서는 배터리 대신 슈퍼커패시터를 사용하면 큰 차이가 납니다. 실제로 고르지 못한 방전이 특징인 것이 바로 이 애플리케이션입니다. 또한, 비상등은 신속하게 충전되고, 이에 사용되는 백업 전원의 신뢰성이 높은 것이 바람직하다. 슈퍼커패시터 기반 백업 전원 공급 장치는 T8 LED 램프에 직접 통합될 수 있습니다. 이러한 램프는 이미 여러 중국 회사에서 생산되고 있습니다.

이미 언급한 바와 같이, 슈퍼커패시터의 개발은 주로 대체 에너지원에 대한 관심에 기인합니다. 그러나 실제 적용은 여전히 ​​태양으로부터 에너지를 받는 LED 램프로 제한됩니다.

전기 장비를 시동하기 위해 슈퍼커패시터를 사용하는 것이 활발히 개발되고 있습니다.

슈퍼커패시터는 단시간에 많은 양의 에너지를 전달할 수 있다. 슈퍼커패시터로 시동 시 전기 장비에 전력을 공급함으로써 전력망의 피크 부하를 줄이고 궁극적으로 돌입 전류 마진을 줄여 막대한 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다.

여러 개의 슈퍼커패시터를 배터리로 결합하면 전기 자동차에 사용되는 배터리와 비슷한 용량을 얻을 수 있습니다. 하지만 이 배터리는 배터리보다 무게가 몇 배나 더 나가므로 차량에 사용할 수 없습니다. 그래핀 기반 슈퍼커패시터를 사용하면 문제를 해결할 수 있지만 현재는 프로토타입으로만 존재한다. 그러나 전기로만 구동되는 유명한 Yo-mobile의 유망한 버전은 러시아 과학자들이 개발 중인 차세대 슈퍼커패시터를 전원으로 사용할 것입니다.

슈퍼커패시터는 기존 가솔린이나 디젤 차량의 배터리 교체에도 도움이 될 것입니다. 이러한 차량에서의 사용은 이미 현실화되었습니다.

한편, 슈퍼커패시터 도입을 위해 구현된 프로젝트 중 가장 성공적인 것은 최근 모스크바 거리에 등장한 새로운 러시아산 무궤도 전차로 간주될 수 있습니다. 접촉 네트워크에 대한 전압 공급이 중단되거나 집전체가 "날아가는" 경우 무궤도 전차는 교통을 방해하지 않는 장소까지 수백 미터 동안 저속(약 15km/h)으로 이동할 수 있습니다. 길에서. 이러한 기동을 위한 에너지원은 슈퍼커패시터 배터리입니다.

일반적으로 현재 슈퍼커패시터는 특정 "틈새"에서만 배터리를 대체할 수 있습니다. 그러나 기술이 빠르게 발전하고 있기 때문에 가까운 장래에 슈퍼커패시터의 적용 범위가 크게 확대될 것으로 예상됩니다.

알렉세이 바실리예프

물리학 과정에서 알려진 것처럼 지구의 전기 용량은 약 700μF입니다. 이 용량의 일반 커패시터는 무게와 부피가 벽돌과 비교할 수 있습니다. 그러나 모래알 크기와 동일한 지구의 전기 용량을 가진 커패시터, 즉 슈퍼커패시터도 있습니다.

이러한 장치는 비교적 최근인 약 20년 전에 등장했습니다. ionistor, ionix 또는 단순히 슈퍼커패시터 등 다르게 불립니다.

일부 고도로 비행하는 항공우주 회사에서만 사용할 수 있다고 생각하지 마십시오. 오늘날 상점에서 동전 크기와 1패럿 용량의 이오니스터를 구입할 수 있습니다. 이는 지구 용량의 1500배이며 태양계에서 가장 큰 행성인 목성의 용량에 가깝습니다.

모든 커패시터는 에너지를 저장합니다. 슈퍼커패시터에 저장된 에너지가 얼마나 크고 작은지 이해하려면 이를 무언가와 비교하는 것이 중요합니다. 다소 특이하지만 명확한 방법이 있습니다.

일반 커패시터의 에너지는 약 1.5m 정도 점프하기에 충분합니다. 질량이 0.5g이고 1V의 전압으로 충전된 58-9V 유형의 작은 슈퍼커패시터는 293m 높이까지 점프할 수 있습니다!

때때로 그들은 이온니스터가 어떤 배터리든 교체할 수 있다고 생각합니다. 언론인들은 슈퍼커패시터로 구동되는 조용한 전기 자동차로 미래 세계를 묘사했습니다. 하지만 아직 갈 길이 멀다. 1kg 무게의 이오니스터는 3000J의 에너지를 축적할 수 있으며, 최악의 납산 배터리는 86,400J(28배)입니다. 하지만 짧은 시간에 높은 전력을 공급할 경우 배터리 성능이 빠르게 저하되어 절반만 방전됩니다. 이오니스터는 연결 와이어가 견딜 수 있는 한 반복적으로 자체적으로 해를 끼치지 않고 전력을 공급합니다. 또한 슈퍼커패시터는 몇 초 만에 충전할 수 있지만 배터리는 일반적으로 이를 수행하는 데 몇 시간이 걸립니다.

이는 이온니스터의 적용 범위를 결정합니다. 전자 장비, 손전등, 자동차 시동기, 전기 착암기 등 짧은 시간 동안 많은 전력을 소비하지만 꽤 자주 사용하는 장치의 전원으로 좋습니다. 이온니스터는 전자기 무기의 전원으로 군사 용도로 사용될 수도 있습니다. 그리고 소형 발전소와 결합하여 이온니스터를 사용하면 전기 휠 구동 및 100km당 1-2리터의 연료 소비량을 갖춘 자동차를 만들 수 있습니다.

다양한 용량과 작동 전압을 지원하는 이오니스터가 시판되고 있지만 가격이 상당히 비쌉니다. 따라서 시간과 관심이 있다면 이온니스터를 직접 만들어 볼 수 있습니다. 그러나 구체적인 조언을 제공하기 전에 약간의 이론이 있습니다.

이는 전기화학에서 알려져 있습니다. 금속을 물에 담그면 소위 이중 전기층이 표면에 형성됩니다. 전기 요금- 이온과 전자. 그들 사이에는 상호 인력이 작용하지만 전하들은 서로 접근할 수 없습니다. 이는 물과 금속 분자의 인력으로 인해 방해를 받습니다. 핵심적으로 전기 이중층은 커패시터에 지나지 않습니다. 표면에 집중된 전하는 판처럼 작용합니다. 그들 사이의 거리는 매우 작습니다. 그리고 아시다시피 커패시터의 커패시턴스는 플레이트 사이의 거리가 감소함에 따라 증가합니다. 따라서 예를 들어 물에 담근 일반 강철 스포크의 용량은 수 mF에 이릅니다.

기본적으로 이오니스터는 전해질에 담긴 매우 넓은 면적을 가진 두 개의 전극으로 구성되며, 그 표면에는 인가 전압의 영향으로 이중 전기층이 형성됩니다. 사실, 일반 평판을 사용하면 수십 mF에 불과한 정전 용량을 얻을 수 있습니다. 이오니스터의 큰 정전 용량 특성을 얻기 위해 외부 치수가 작고 기공 표면이 큰 다공성 재료로 만들어진 전극을 사용합니다.

티타늄에서 백금까지의 스폰지 금속이 한때 이 역할을 위해 시도되었습니다. 그러나 비교할 수 없을 정도로 좋은 것은... 일반 활성탄이었습니다. 이것은 특수 처리 후에 다공성이 되는 숯입니다. 그러한 석탄 1cm3의 기공 표면적은 천 평방 미터에 이르며 이중 전기 층의 용량은 10 패럿입니다!

수제 이오니스터 그림 1은 이오니스터의 설계를 보여줍니다. 이는 활성탄의 "충진"에 대해 단단히 눌러진 두 개의 금속판으로 구성됩니다. 석탄은 두 개의 층으로 구성되어 있으며 그 사이에는 전자를 전도하지 않는 물질의 얇은 분리 층이 있습니다. 이 모든 것에는 전해질이 함침되어 있습니다.

이오니스터를 충전하면 탄소 기공의 절반에는 표면에 전자가, 나머지 절반에는 양이온이 있는 이중 전기층이 형성됩니다. 충전 후에는 이온과 전자가 서로를 향해 흐르기 시작합니다. 이들이 만나면 중성 금속 원자가 형성되고 축적된 전하가 감소하고 시간이 지남에 따라 완전히 사라질 수 있습니다.

이를 방지하기 위해 활성탄 층 사이에 분리층이 도입됩니다. 다양한 얇은 플라스틱 필름, 종이, 심지어 탈지면으로 구성될 수 있습니다.
아마추어 이온니스터에서 전해질은 25% 식염 용액 또는 27% KOH 용액입니다. (낮은 농도에서는 양극에 음이온 층이 형성되지 않습니다.)

전선이 미리 납땜된 구리판이 전극으로 사용됩니다. 작업 표면은 산화물로 청소되어야 합니다. 이 경우 흠집이 남는 거친 사포를 사용하는 것이 좋습니다. 이러한 스크래치는 석탄과 구리의 접착력을 향상시킵니다. 접착력을 좋게 하려면 플레이트의 그리스를 제거해야 합니다. 플레이트의 탈지는 두 단계로 수행됩니다. 먼저 비누로 씻은 후 치약으로 문지른 후 흐르는 물로 씻어냅니다. 그 후에는 손가락으로 만져서는 안됩니다.

약국에서 구입한 활성탄을 막자사발에 갈아서 전해질과 혼합하여 걸쭉한 페이스트를 얻은 다음 완전히 탈지된 접시에 펴 바릅니다.

첫 번째 테스트에서는 종이 개스킷이 있는 플레이트를 서로 겹쳐 놓은 후 충전을 시도합니다. 그러나 여기에는 미묘함이 있습니다. 전압이 1V를 초과하면 H2 및 O2 가스 방출이 시작됩니다. 이는 탄소 전극을 파괴하고 장치가 커패시터-이온저항기 모드에서 작동하는 것을 허용하지 않습니다.

따라서 1V 이하의 전압을 갖는 소스에서 충전해야 합니다. (이는 산업용 이오니스터 작동에 권장되는 각 플레이트 쌍의 전압입니다.)

궁금하신 분들을 위한 세부정보

1.2V 이상의 전압에서 이오니스터는 가스 배터리로 변합니다. 이것은 활성탄과 두 개의 전극으로 구성된 흥미로운 장치입니다. 그러나 구조적으로는 다르게 설계되었습니다(그림 2 참조). 일반적으로 오래된 갈바니 전지에서 두 개의 탄소 막대를 가져와 그 주위에 활성탄이 담긴 거즈 백을 묶습니다. KOH 용액은 전해질로 사용됩니다. (식염 용액은 분해 시 염소가 방출되므로 사용해서는 안 됩니다.)

가스 배터리의 에너지 강도는 36,000J/kg, 즉 10Wh/kg에 이릅니다. 이는 아이오니스터보다 10배 많지만, 기존 납전지보다는 2.5배 적은 수준이다. 하지만 가스배터리는 단순한 배터리가 아닌 매우 독특한 연료전지입니다. 충전하면 전극에서 산소와 수소와 같은 가스가 방출됩니다. 그들은 활성탄 표면에 "침착"합니다. 부하 전류가 나타나면 연결되어 물과 전류를 형성합니다. 그러나 이 과정은 촉매 없이는 매우 느리게 진행됩니다. 그리고 밝혀진 바와 같이 백금만이 촉매가 될 수 있습니다... 따라서 이오니스터와 달리 가스 배터리는 높은 전류를 생성할 수 없습니다.

그러나 모스크바 발명가 A.G. Presnyakov(http://chemfiles.narod.r u/hit/gas_akk.htm)는 가스 배터리를 사용하여 트럭 엔진을 시동하는 데 성공했습니다. 그의 상당한 체중 (평소보다 거의 3 배 더 많음) 이 경우에는 견딜 수 있는 것으로 나타났습니다. 하지만 가격이 저렴하고 산, 납 등 유해 물질이 없다는 점은 매우 매력적으로 보였습니다.

가장 단순한 디자인의 가스 배터리는 4~6시간 안에 완전 자가 방전되는 경향이 있는 것으로 나타났습니다. 이것으로 실험은 끝났습니다. 밤새 주차한 후 시동을 걸 수 없는 자동차가 필요한 사람은 누구입니까?

그럼에도 불구하고 "대형 기술"은 가스 배터리를 잊지 않았습니다. 강력하고 가벼우며 신뢰할 수 있는 이 장치는 일부 위성에서 볼 수 있습니다. 그 과정은 약 100 atm의 압력에서 이루어지며 스폰지 니켈은 이러한 조건에서 촉매 역할을하는 가스 흡수제로 사용됩니다. 전체 장치는 초경량 탄소 섬유 실린더에 들어 있습니다. 그 결과 배터리는 납 배터리보다 에너지 용량이 거의 4배 더 높습니다. 전기 자동차는 약 600km를 이동할 수 있습니다. 그러나 불행히도 여전히 매우 비쌉니다.