Cilvēki vispirms izmantoja kondensatorus, lai uzglabātu elektrību. Tad, kad elektrotehnika pārsniedza laboratorijas eksperimentus, tika izgudrotas baterijas, kas kļuva par galveno elektroenerģijas uzglabāšanas līdzekli. Bet 21. gadsimta sākumā atkal tiek ierosināts izmantot kondensatorus, lai darbinātu elektroiekārtas. Cik tas ir iespējams un vai baterijas beidzot kļūs par pagātni?

Iemesls, kāpēc kondensatori tika aizstāti ar baterijām, bija ievērojami lielāks elektroenerģijas daudzums, ko tie spēj uzglabāt. Vēl viens iemesls ir tas, ka izlādes laikā spriegums pie akumulatora izejas mainās ļoti maz, tāpēc sprieguma stabilizators vai nu nav nepieciešams, vai arī tas var būt ļoti vienkāršs.

Galvenā atšķirība starp kondensatoriem un baterijām ir tāda, ka kondensatori tieši uzglabā elektrisko lādiņu, bet akumulatori pārvērš elektrisko enerģiju ķīmiskajā enerģijā, uzglabā to un pēc tam pārvērš ķīmisko enerģiju atpakaļ elektroenerģijā.

Enerģijas transformāciju laikā daļa no tās tiek zaudēta. Tāpēc pat labāko akumulatoru efektivitāte ir ne vairāk kā 90%, savukārt kondensatoriem tā var sasniegt 99%. Ķīmisko reakciju intensitāte ir atkarīga no temperatūras, tāpēc akumulatori aukstā laikā darbojas ievērojami sliktāk nekā istabas temperatūrā. Turklāt ķīmiskās reakcijas akumulatoros nav pilnībā atgriezeniskas. Līdz ar to mazais uzlādes-izlādes ciklu skaits (tūkstošiem, visbiežāk akumulatora darbības laiks ir aptuveni 1000 uzlādes-izlādes ciklu), kā arī “atmiņas efekts”. Atgādināsim, ka “atmiņas efekts” ir tāds, ka akumulators vienmēr ir jāizlādē līdz noteiktam uzkrātās enerģijas daudzumam, tad tā jauda būs maksimāla. Ja pēc izlādes tajā paliek vairāk enerģijas, tad akumulatora jauda pakāpeniski samazināsies. "Atmiņas efekts" ir raksturīgs gandrīz visiem komerciāli ražotiem akumulatoru veidiem, izņemot skābos (ieskaitot to šķirnes - želeju un AGM). Lai gan ir vispārpieņemts, ka litija jonu un litija polimēru baterijas tas nav raksturīgi, īstenībā arī viņiem tā ir, tikai izpaužas mazākā mērā kā citos veidos. Kas attiecas uz skābes akumulatoriem, tiem piemīt plākšņu sulfācijas efekts, kas rada neatgriezeniskus strāvas avota bojājumus. Viens no iemesliem ir tas, ka akumulators ilgstoši saglabājas uzlādes stāvoklī, kas ir mazāks par 50%.

Attiecībā uz alternatīvo enerģiju “atmiņas efekts” un plākšņu sulfācija ir nopietnas problēmas. Fakts ir tāds, ka enerģijas piegāde no tādiem avotiem kā saules paneļi un vēja turbīnas ir grūti paredzēt. Rezultātā akumulatoru uzlāde un izlāde notiek haotiski, neoptimālā režīmā.

Mūsdienu dzīves ritmam absolūti nepieņemami izrādās, ka baterijas jālādē vairākas stundas. Piemēram, kā jūs iedomājaties braukt lielu attālumu ar elektrisko transportlīdzekli, ja izlādējies akumulators vairākas stundas liek jums iestrēgt uzlādes punktā? Akumulatora uzlādes ātrumu ierobežo tajā notiekošo ķīmisko procesu ātrums. Jūs varat samazināt uzlādes laiku līdz 1 stundai, bet ne līdz dažām minūtēm. Tajā pašā laikā kondensatora uzlādes ātrumu ierobežo tikai maksimālā strāva, ko nodrošina lādētājs.

Uzskaitītie akumulatoru trūkumi ir likuši to vietā steidzami izmantot kondensatorus.

Izmantojot elektrisko dubulto slāni

Daudzus gadu desmitus elektrolītiskajiem kondensatoriem bija vislielākā jauda. Tajās viena no plāksnēm bija metāla folija, otra bija elektrolīts, bet izolācija starp plāksnēm bija metāla oksīds, kas pārklāja foliju. Elektrolītiskajiem kondensatoriem jauda var sasniegt faradas simtdaļas, kas nav pietiekami, lai pilnībā nomainītu akumulatoru.

Dizainu salīdzinājums dažādi veidi kondensatori (avots: Wikipedia)

Lielu kapacitāti, ko mēra tūkstošos faradu, var sasniegt ar kondensatoriem, kuru pamatā ir tā sauktais elektriskais dubultais slānis. To darbības princips ir šāds. Elektriskais dubultslānis noteiktos apstākļos parādās vielu saskarsmē cietajā un šķidrajā fāzē. Veidojas divi jonu slāņi ar pretēju zīmju, bet vienāda lieluma lādiņiem. Ja situāciju ļoti vienkāršojam, tad veidojas kondensators, kura “plāksnes” ir norādītie jonu slāņi, kuru attālums ir vienāds ar vairākiem atomiem.

Maxwell ražoti dažādu jaudu superkondensatori

Kondensatorus, kuru pamatā ir šis efekts, dažreiz sauc par jonistoriem. Faktiski šis termins attiecas ne tikai uz kondensatoriem, kuros tiek glabāts elektriskais lādiņš, bet arī uz citām ierīcēm elektroenerģijas uzglabāšanai - ar daļēju elektriskās enerģijas pārvēršanu ķīmiskajā enerģijā kopā ar elektriskā lādiņa uzglabāšanu (hibrīdjonistors), kā arī baterijas, kuru pamatā ir dubults elektriskais slānis (tā sauktie pseidokapacitori). Tāpēc piemērotāks ir termins “superkondensatori”. Dažreiz tā vietā tiek izmantots identisks termins “ultrakondensators”.

Tehniskā realizācija

Superkondensators sastāv no divām aktīvās ogles plāksnēm, kas piepildītas ar elektrolītu. Starp tām ir membrāna, kas ļauj elektrolītam iziet cauri, bet neļauj aktīvās ogles daļiņām fiziski pārvietoties starp plāksnēm.

Jāatzīmē, ka pašiem superkondensatoriem nav polaritātes. Ar to tie būtiski atšķiras no elektrolītiskajiem kondensatoriem, kuriem, kā likums, ir raksturīga polaritāte, kuras neievērošana noved pie kondensatora atteices. Tomēr polaritāte tiek piemērota arī superkondensatoriem. Tas ir saistīts ar faktu, ka superkondensatori atstāj rūpnīcas montāžas līniju jau uzlādēti, un marķējums norāda uz šīs uzlādes polaritāti.

Superkondensatora parametri

Atsevišķa superkondensatora maksimālā jauda, ​​kas sasniegta rakstīšanas laikā, ir 12 000 F. Sērijveidā ražotiem superkondensatoriem tā nepārsniedz 3000 F. Maksimālais pieļaujamais spriegums starp plāksnēm nepārsniedz 10 V. Komerciāli ražotiem superkondensatoriem šis rādītājs parasti ir 2,3 – 2,7 V robežās. Zemam darba spriegumam nepieciešams izmantot sprieguma pārveidotāju ar stabilizatora funkciju. Fakts ir tāds, ka izlādes laikā spriegums uz kondensatora plāksnēm mainās plašā diapazonā. Sprieguma pārveidotāja uzbūve slodzes pieslēgšanai un lādētājs ir nenozīmīgs uzdevums. Pieņemsim, ka jums ir nepieciešams darbināt 60 W slodzi.

Lai vienkāršotu jautājuma izskatīšanu, mēs neņemsim vērā zudumus sprieguma pārveidotājā un stabilizatorā. Gadījumā, ja strādājat ar parastais akumulators ar spriegumu 12 V, tad vadības elektronikai jāiztur strāva 5 A. Šādas elektroniskās ierīces ir plaši izplatītas un lētas. Bet pavisam cita situācija rodas, izmantojot superkondensatoru, kura spriegums ir 2,5 V. Tad strāva, kas plūst caur pārveidotāja elektroniskajām sastāvdaļām, var sasniegt 24 A, kas prasa jaunas pieejas ķēžu tehnoloģijā un modernu elementu bāzi. Tieši pārveidotāja un stabilizatora izveidošanas grūtības var izskaidrot faktu, ka superkondensatori, sērijveida ražošana kas tika aizsākti tālajā 20. gadsimta 70. gados, tikai tagad ir sākuši plaši izmantot dažādās jomās.

Shematiska diagramma avots nepārtrauktās barošanas avots
spriegums uz superkondensatoriem, tiek realizētas galvenās sastāvdaļas
uz vienas mikroshēmas, ko ražo LinearTechnology

Superkondensatorus var pievienot akumulatoriem, izmantojot virknes vai paralēlus savienojumus. Pirmajā gadījumā palielinās maksimālais pieļaujamais spriegums. Otrajā gadījumā - jauda. Maksimālā pieļaujamā sprieguma palielināšana šādā veidā ir viens no problēmas risināšanas veidiem, taču par to būs jāmaksā, samazinot kapacitāti.

Superkondensatoru izmēri dabiski ir atkarīgi no to jaudas. Tipisks superkondensators ar jaudu 3000 F ir cilindrs, kura diametrs ir aptuveni 5 cm un garums 14 cm. Ar jaudu 10 F, superkondensatora izmēri ir salīdzināmi ar cilvēka nagu.

Labi superkondensatori var izturēt simtiem tūkstošu uzlādes-izlādes ciklu, šajā parametrā pārsniedzot baterijas aptuveni 100 reizes. Taču, tāpat kā elektrolītiskie kondensatori, arī superkondensatori saskaras ar novecošanas problēmu pakāpeniskas elektrolīta noplūdes dēļ. Līdz šim nav uzkrāta pilnīga statistika par superkondensatoru atteici šī iemesla dēļ, taču saskaņā ar netiešajiem datiem superkondensatoru kalpošanas laiks ir aptuveni 15 gadi.

Uzkrātā enerģija

Kondensatorā uzkrātās enerģijas daudzums, izteikts džoulos:

E = CU 2/2,
kur C ir kapacitāte, kas izteikta farados, U ir spriegums uz plāksnēm, izteikts voltos.

Kondensatorā uzkrātais enerģijas daudzums, kas izteikts kWh, ir:

W = CU 2/7200000

Tādējādi kondensators ar jaudu 3000 F ar spriegumu starp plāksnēm 2,5 V spēj uzglabāt tikai 0,0026 kWh. Kā to var salīdzināt, piemēram, ar litija jonu akumulatoru? Ja jūs to pieņemat izejas spriegums neatkarīgi no izlādes pakāpes un vienāda ar 3,6 V, tad enerģijas daudzums 0,0026 kWh tiks uzkrāts litija jonu akumulatorā ar ietilpību 0,72 Ah. Diemžēl ļoti pieticīgs rezultāts.

Superkondensatoru pielietojums

Avārijas apgaismojuma sistēmas ir tādas, kur superkondensatoru izmantošana bateriju vietā rada patiesas atšķirības. Faktiski tieši šim lietojumam ir raksturīga nevienmērīga izlāde. Turklāt ir vēlams, lai avārijas lampa tiktu ātri uzlādēta un tajā izmantotajam rezerves barošanas avotam būtu lielāka uzticamība. Uz superkondensatoru balstītu rezerves barošanas avotu var integrēt tieši LED lampa T8. Šādas lampas jau ražo vairāki Ķīnas uzņēmumi.

Darbināms LED zemējuma apgaismojums
no saules paneļiem, enerģijas uzkrāšanas
kurā to veic superkondensatorā

Kā jau minēts, superkondensatoru attīstība lielā mērā ir saistīta ar interesi par alternatīviem enerģijas avotiem. Bet praktiska izmantošana līdz šim tikai LED lampas, kas saņem enerģiju no saules.

Aktīvi attīstās superkondensatoru izmantošana elektroiekārtu iedarbināšanai.

Superkondensatori spēj piegādāt lielu enerģijas daudzumu īsā laika periodā. Iedarbinot elektroiekārtas no superkondensatora, var samazināt maksimālās slodzes elektrotīklā un galu galā samazināt ieslēgšanas strāvas rezervi, panākot milzīgu izmaksu ietaupījumu.

Apvienojot akumulatorā vairākus superkondensatorus, mēs varam sasniegt jaudu, kas ir salīdzināma ar elektriskajos transportlīdzekļos izmantotajiem akumulatoriem. Bet šis akumulators svērs vairākas reizes vairāk nekā akumulators, kas ir nepieņemami transportlīdzekļiem. Problēmu var atrisināt, izmantojot uz grafēna bāzes izgatavotus superkondensatorus, taču tie pašlaik pastāv tikai kā prototipi. Tomēr daudzsološā slavenā Yo-mobile versija, kas tiek darbināta tikai ar elektrību, kā enerģijas avotu izmantos jaunās paaudzes superkondensatorus, kurus izstrādā Krievijas zinātnieki.

Superkondensatori nāks par labu arī akumulatoru nomaiņai parastajos benzīna vai dīzeļa transportlīdzekļos – to izmantošana šādos transportlīdzekļos jau ir realitāte.

Tikmēr par veiksmīgākajiem no realizētajiem superkondensatoru ieviešanas projektiem var uzskatīt jaunos Krievijā ražotos trolejbusus, kas nesen parādījās Maskavas ielās. Pārtraucot sprieguma padevi kontakttīklam vai "aizlidojot" strāvas kolektoriem, trolejbuss ar mazu ātrumu (ap 15 km/h) var braukt vairākus simtus metru līdz vietai, kur tas netraucēs satiksmei. uz ceļa. Enerģijas avots šādiem manevriem ir superkondensatoru baterija.

Kopumā pagaidām superkondensatori var izspiest baterijas tikai noteiktās “nišās”. Taču tehnoloģija strauji attīstās, kas ļauj sagaidīt, ka tuvākajā nākotnē superkondensatoru pielietojuma joma ievērojami paplašināsies.

Superkondensators vai jonistors ir ierīce enerģijas masu uzglabāšanai; lādiņa uzkrāšanās notiek uz robežas starp elektrodu un elektrolītu. Noderīgās enerģijas apjoms tiek uzkrāts kā statiskā tipa lādiņš. Kumulatīvais process ir saistīts ar mijiedarbību ar pastāvīgs spriegums, kad jonistors saņem potenciālu starpību pāri savām plāksnēm. Tehnoloģiskā ieviešana, kā arī pati ideja par šādu ierīču izveidi parādījās salīdzinoši nesen, taču tās izdevās eksperimentāli izmantot, lai atrisinātu noteiktu problēmu skaitu. Detaļa var aizstāt ķīmiskas izcelsmes strāvas avotus, kas ir rezerves vai galvenais barošanas līdzeklis pulksteņos, kalkulatoros un dažādās mikroshēmās.

Kondensatora elementārā konstrukcija sastāv no plāksnes, kuras materiāls ir folija, ko norobežo sausa atdaloša viela. Jonistors sastāv no vairākiem kondensatoriem ar elektroķīmiska tipa lādētāju. Tās ražošanai tiek izmantoti speciāli elektrolīti. Pārsegumi var būt vairāku šķirņu. Aktivēto ogli izmanto liela mēroga oderējumu ražošanai. Var izmantot arī metāla oksīdus un polimēru materiālus ar augstu vadītspēju. Lai sasniegtu nepieciešamo kapacitatīvo blīvumu, ieteicams izmantot ļoti porainus oglekļa materiālus. Turklāt šī pieeja ļauj izgatavot jonistoru par iespaidīgi zemām izmaksām. Šādas detaļas pieder pie DLC kondensatoru kategorijas, kas uzkrāj lādiņu dubultā nodalījumā, kas izveidots uz plāksnes.

Dizaina risinājums, kad jonistors ir apvienots ar ūdens elektrolīta bāzi, raksturojas ar zemu iekšējo elementu pretestību, savukārt lādēšanas spriegums ir ierobežots līdz 1 V. Organisko vadītāju izmantošana garantē aptuveni 2...3 sprieguma līmeņus. V un palielināta pretestība.

Elektroniskās shēmas darbojas ar lielāku enerģijas patēriņu. Šīs problēmas risinājums ir palielināt izmantoto jaudas punktu skaitu. Jonistors ir uzstādīts ne tikai viens, bet 3-4 gabalu apjomā, nodrošinot nepieciešamo uzlādes daudzumu.

Salīdzinot ar niķeļa-metāla hidrīda akumulatoru, jonistors spēj saturēt desmito daļu no enerģijas rezerves, savukārt tā spriegums krītas lineāri, izslēdzot plakanās izlādes zonas. Šie faktori ietekmē spēju pilnībā saglabāt lādiņu jonistorā. Uzlādes līmenis ir tieši atkarīgs no elementa tehnoloģiskā mērķa.

Diezgan bieži jonistors tiek izmantots, lai darbinātu atmiņas mikroshēmas, un tas ir iekļauts filtru ķēdēs un izlīdzināšanas filtros. Tos var arī kombinēt ar dažāda veida akumulatoriem, lai cīnītos ar pēkšņu strāvas pārspriegumu sekām: pievadot vāju strāvu, jonistors tiek uzlādēts, pretējā gadījumā tas atbrīvo daļu enerģijas, tādējādi samazinot kopējo slodzi.

Ažiotāža, kas saistīta ar Elona Maska būvētavu "Battery Gigafactory" ražošanai litija jonu akumulatori vēl nebija norimis, kad parādījās ziņa par notikumu, kas varētu būtiski koriģēt “miljardāra revolucionāra” plānus.
Šis ir uzņēmuma nesenais paziņojums presei. Sunvault Energy Inc., kas kopā ar Edison Power Company izdevās izveidot pasaulē lielāko grafēna superkondensatoru ar 10 tūkstošu (!) Faradu jaudu.
Šis skaitlis ir tik fenomenāls, ka rada šaubas pašmāju ekspertos - elektrotehnikā pat 20 mikrofarādes (tas ir, 0,02 milifaradas), tas ir daudz. Tomēr nav šaubu, ka Sunvault Energy direktors ir Bils Ričardsons, bijušais Ņūmeksikas gubernators un bijušais ASV enerģētikas ministrs. Bils Ričardsons ir plaši pazīstams un cienīts cilvēks: viņš bija ASV vēstnieks ANO, vairākus gadus strādāja Kissinger un McLarty ideju laboratorijā un pat tika nominēts Nobela prēmijai par panākumiem kaujinieku sagūstīto amerikāņu atbrīvošanā. dažādos “karstajos punktos” mierā. 2008. gadā viņš bija viens no Demokrātu partijas kandidātiem uz ASV prezidenta amatu, taču zaudēja Barakam Obamam.

Šodien Sunvault strauji aug, izveidojot kopuzņēmumu ar Edison Power Company ar nosaukumu Supersunvault, un jaunā uzņēmuma direktoru padomē ir ne tikai zinātnieki (viens no direktoriem ir bioķīmiķis, otrs ir uzņēmīgs onkologs), bet arī slaveni cilvēki ar labu biznesa asumu. Es atzīmēju, ka tikai pēdējo divu mēnešu laikā uzņēmums ir palielinājis savu superkondensatoru jaudu desmitkārtīgi - no tūkstoš līdz 10 000 Faradiem, un sola to palielināt vēl vairāk, lai kondensatorā uzkrātā enerģija būtu pietiekama visas mājas barošanai. tas ir, Sunvault ir gatavs darboties tieši konkurentam Elonam Muskam, kurš plāno ražot Powerwall tipa superakumulatorus ar jaudu aptuveni 10 kWh.

Grafēna tehnoloģijas priekšrocības un Gigafactory beigas.

Šeit jāatgādina galvenā atšķirība starp kondensatoriem un akumulatoriem - ja pirmie ātri uzlādējas un izlādējas, bet uzkrāj maz enerģijas, tad akumulatori - gluži pretēji. Piezīme Grafēna superkondensatoru galvenās priekšrocībasV.

1. Ātra uzlāde — kondensatori uzlādējas aptuveni 100-1000 reižu ātrāk nekā akumulatori.

2. Lētums: ja parastās litija jonu baterijas maksā apmēram 500 USD par 1 kWh uzkrātās enerģijas, tad superkondensators maksā tikai 100 USD, un līdz gada beigām radītāji sola izmaksas samazināt līdz 40 USD. Sastāva ziņā tas ir parasts ogleklis – viens no visizplatītākajiem ķīmiskajiem elementiem uz Zemes.

3. Kompaktums un enerģijas blīvums un. Jaunais grafēna superkondensators pārsteidz ne tikai ar savu fantastisko ietilpību, kas aptuveni tūkstoš reižu pārsniedz zināmos paraugus, bet arī ar savu kompaktumu - tas ir mazas grāmatiņas izmērā, tas ir, simts reizes kompaktāks par 1 Farad kondensatoriem. pašlaik lietots.

4. Drošība un videi draudzīgums. Tie ir daudz drošāki par akumulatoriem, kas uzkarst, satur bīstamas ķīmiskas vielas un dažreiz pat uzsprāgst.Grafēns pats par sevi ir bioloģiski noārdāma viela, proti, saulē tas vienkārši sadalās un nesabojā vidi. Tas ir ķīmiski neaktīvs un nekaitē videi.

5. Jaunās grafēna ražošanas tehnoloģijas vienkāršība. Milzīgas teritorijas un kapitālieguldījumi, strādnieku masas, izmantotās toksiskās un bīstamās vielas tehnoloģiskais process litija jonu akumulatori ir pilnīgā pretstatā jaunās tehnoloģijas pārsteidzošajai vienkāršībai. Fakts ir tāds, ka grafēns (tas ir, plānākā, vienatomiskā oglekļa plēve) tiek ražots Sunvault... izmantojot parastu CD disku, uz kura tiek izlieta grafīta suspensijas daļa. Pēc tam disks tiek ievietots parastajā DVD diskdzinī un ierakstīts ar lāzeru īpaša programma- un grafēna slānis ir gatavs! Tiek ziņots, ka šo atklājumu izdarījis nejauši - students Mahers El-Kadi, kurš strādāja ķīmiķa Ričarda Kanera laboratorijā. Pēc tam viņš sadedzināja disku, izmantojot LightScribe programmatūru, lai izveidotu grafēna slāni.
Turklāt, kā Sunvault izpilddirektors Gerijs Monahans teica Volstrītas konferencē, uzņēmums strādā pie tā grafēna enerģijas uzglabāšanas ierīces varētu ražot, izmantojot parasto drukāšanu uz 3D printera- un tas padarīs to ražošanu ne tikai lētu, bet arī praktiski universālu. Un kombinācijā ar lētiem saules paneļiem (šodien to izmaksas ir samazinājušās līdz USD 1,3 par W) grafēna superkondensatori sniegs miljoniem cilvēku iespēju iegūt enerģētisko neatkarību, pilnībā atslēdzoties no elektroapgādes tīkla, un vēl jo vairāk - kļūt par elektroenerģijas piegādātājiem. paši un, iznīcinot “dabiskos” monopolus.
Tādējādi nav šaubu: grafēns superkondensatori ir revolucionārs izrāviens enerģijas uzglabāšanas jomā un . Un tā ir slikta ziņa Elonam Maskam – rūpnīcas celtniecība Nevadā viņam izmaksās aptuveni 5 miljardus dolāru, ko būtu grūti atgūt pat bez šādiem konkurentiem. Šķiet, ka, kamēr Nevadas rūpnīcas celtniecība jau notiek un, visticamāk, tiks pabeigta, tad pārējās trīs, ko Musks plānojis, diez vai tiks pabeigtas.

Piekļuve tirgum? Ne tik ātri, kā mēs vēlētos.

Šādas tehnoloģijas revolucionārais raksturs ir acīmredzams. Vēl viena lieta ir neskaidra - kad tas nonāks tirgū? Jau šobrīd Īlona Muska lielais un dārgais litija jonu Gigafactory projekts izskatās kā industriālisma dinozaurs. Tomēr, lai cik revolucionārs, vajadzīgs un videi draudzīgs jauna tehnoloģija, tas nenozīmē, ka viņa nāks pie mums pēc gada vai diviem. Kapitāla pasaule nevar izvairīties no finanšu satricinājumiem, taču tai ir izdevies diezgan veiksmīgi izvairīties no tehnoloģiskiem. IN līdzīgi gadījumi Sāk darboties aizkulišu līgumi starp lielajiem investoriem un politiskajiem spēlētājiem. Ir vērts atgādināt, ka Sunvault ir uzņēmums, kas atrodas Kanādā, un direktoru padomē ir cilvēki, kuri, lai gan viņiem ir plaši sakari ar ASV politisko eliti, joprojām nav daļa no tās naftas dolāru kodola, kas ir vairāk vai mazāk acīmredzams. cīņa pret kuru, acīmredzot, tā jau ir sākusies.
Tas, kas mums ir vissvarīgākais, ir Jauno enerģētikas tehnoloģiju piedāvātās iespējas: enerģētiskā neatkarība valstij, un nākotnē - katram tās pilsonim. Protams, grafēna superkondensatori ir vairāk "hibrīda", pārejas tehnoloģija; tas neļauj tieši ģenerēt enerģiju, atšķirībā no magnētiskās gravitācijas tehnoloģijas, kas sola pilnībā mainīt pašu zinātnisko paradigmu un visas pasaules izskatu. Beidzot ir revolucionāras finanšu tehnoloģijas, kas patiesībā ir globālās naftas dolāru mafijas tabu. Tomēr tas ir ļoti iespaidīgs izrāviens, vēl jo interesantāks tāpēc, ka tas notiek "naftas dolāru zvēra novietnē" - Amerikas Savienotajās Valstīs.
Tikai pirms sešiem mēnešiem es rakstīju par itāļu panākumiem aukstās kodolsintēzes tehnoloģijā, bet šajā laikā mēs uzzinājām par iespaidīgo amerikāņu kompānijas SolarTrends LENR tehnoloģiju un vācu Gaya-Rosch izrāvienu, un tagad par patiesi. revolucionāra grafēna uzglabāšanas ierīču tehnoloģija. Pat šis īsais uzskaitījums liecina, ka problēma nav tajā, ka mūsu vai kādai citai valdībai nav iespējas samazināt rēķinus, ko saņemam par gāzi un elektrību, un pat ne necaurskatāmajā tarifu aprēķināšanā.
Ļaunuma sakne ir to nezināšana, kuri maksā rēķinus, un to izsniedzēju nevēlēšanās kaut ko mainīt . Tikai parastajiem cilvēkiem šī enerģija ir elektrība. Patiesībā sevis enerģija ir spēks.

Zinātniskā publikācija Science ziņoja par Austrālijas zinātnieku tehnoloģisko sasniegumu superkondensatoru radīšanas jomā.

Monašas universitātes darbiniekiem, kas atrodas Melburnā, izdevās mainīt no grafēna izgatavoto superkondensatoru ražošanas tehnoloģiju tā, ka iegūtie produkti ir komerciāli pievilcīgāki nekā iepriekš esošie analogi.

Speciālisti jau sen runā par grafēna bāzes superkondensatoru maģiskajām īpašībām, un laboratorijas testi ne reizi vien pārliecinoši pierādījuši, ka tie ir labāki par parastajiem. Šādus kondensatorus ar prefiksu “super” gaida mūsdienu elektronikas radītāji, autobūves uzņēmumi un pat alternatīvu elektroenerģijas avotu celtnieki utt.

Īpaši garais dzīves cikls, kā arī superkondensatora spēja uzlādēties iespējami īsākā laika periodā, ļauj dizaineriem ar viņu palīdzību atrisināt sarežģītas dizaina problēmas. dažādas ierīces. Taču līdz tam laikam grafēna kondensatoru triumfa gājienu bloķēja to zemā īpatnējā enerģija un... Vidēji jonistoram vai superkondensatoram īpatnējais enerģijas rādītājs bija 5–8 Wh/kg, kas uz straujas izlādes fona padarīja grafēna izstrādājumu atkarīgu no nepieciešamības ļoti bieži nodrošināt uzlādi.

Austrālijas Materiālu ražošanas pētniecības departamenta darbiniekiem no Melburnas profesora Dena Lī vadībā izdevās 12 reizes palielināt grafēna kondensatora īpatnējo enerģijas blīvumu. Tagad šis rādītājs jaunajam kondensatoram ir 60 W*h/kg, un tas jau ir pamats runāt par tehnisku revolūciju šajā jomā. Izgudrotājiem izdevās pārvarēt grafēna superkondensatora ātras izlādes problēmu, nodrošinot, ka tagad tas izlādējas lēnāk nekā pat standarta akumulators.

Tehnoloģiskais atklājums palīdzēja zinātniekiem sasniegt tik iespaidīgu rezultātu: viņi paņēma adaptīvu grafēna-gēla plēvi un izveidoja no tās ļoti mazu elektrodu. Izgudrotāji aizpildīja atstarpi starp grafēna loksnēm ar šķidru elektrolītu tā, ka starp tām izveidojās subnanometra attālums. Šis elektrolīts atrodas arī parastajos kondensatoros, kur tas darbojas kā elektrības vadītājs. Šeit tas kļuva ne tikai par vadītāju, bet arī par šķērsli grafēna lokšņu savstarpējai saskarei. Tas bija tas, kas ļāva mums sasniegt vairāk liels blīvums kondensators, saglabājot poraino struktūru.

Pats kompaktais elektrods tika izveidots, izmantojot tehnoloģiju, kas ir pazīstama mums visiem pazīstamā papīra ražotājiem. Šī metode Tas ir diezgan lēts un vienkāršs, kas ļauj mums būt optimistiskiem par iespēju komerciāli ražot jaunus superkondensatorus.

Žurnālisti steidzās apliecināt pasaulei, ka cilvēce ir saņēmusi stimulu izstrādāt pilnīgi jaunu elektroniskās ierīces. Paši izgudrotāji ar profesora Lī muti solīja palīdzēt grafēna superkondensatoram ļoti ātri pārvarēt ceļu no laboratorijas uz rūpnīcu.

Gribot negribot, elektromobiļu laikmets tuvojas nepārtraukti. Un šobrīd tikai viena tehnoloģija aizkavē elektrisko transportlīdzekļu, elektroenerģijas uzglabāšanas tehnoloģiju utt. izrāvienu un tirgus pārņemšanu. Neskatoties uz visiem zinātnieku sasniegumiem šajā virzienā, lielākajai daļai elektrisko un hibrīdautomobiļu konstrukcijā ir litija jonu akumulatori, kuriem ir savas pozitīvās un negatīvās puses, un tie var nodrošināt automašīnu ar vienu uzlādi tikai nelielā attālumā, kas ir pietiekams tikai ceļot pilsētas robežās. Visi pasaules vadošie autoražotāji izprot šo problēmu un meklē veidus, kā palielināt elektrisko transportlīdzekļu efektivitāti, kas palielinātu braukšanas attālumu ar vienu uzlādi. baterijas.

Viens no veidiem, kā uzlabot elektromobiļu efektivitāti, ir savākt un atkārtoti izmantot enerģiju, kas, automašīnai bremzējot un automašīnai pārvietojoties pa nelīdzenu ceļa virsmu, pārvēršas siltumā. Metodes šādas enerģijas atgriešanai jau ir izstrādātas, taču tās savākšanas un atkārtotas izmantošanas efektivitāte ir ārkārtīgi zema bateriju zemā darbības ātruma dēļ. Bremzēšanas laikus parasti mēra sekundēs, kas ir pārāk ātrs akumulatoriem, kuru uzlāde prasa stundas. Tāpēc, lai uzkrātu "ātru" enerģiju, ir nepieciešamas citas pieejas un uzglabāšanas ierīces, kuru loma, visticamāk, ir kondensatori liela ietilpība, tā sauktie superkondensatori.

Diemžēl superkondensatori vēl nav gatavi doties uz lielo ceļu, neskatoties uz to, ka tie var ātri uzlādēt un izlādēties, to jauda joprojām ir salīdzinoši zema. Turklāt superkondensatoru uzticamība arī atstāj daudz vēlamo; superkondensatoru elektrodos izmantotie materiāli tiek pastāvīgi iznīcināti atkārtotu uzlādes-izlādes ciklu rezultātā. Un tas ir diez vai ir pieņemami, ņemot vērā faktu, ka visā elektromobiļa dzīves laikā superkondensatoru darbības ciklu skaitam vajadzētu būt miljoniem reižu.

Santhakumar Kannappan un viņa kolēģu grupa no Zinātnes un tehnoloģiju institūta Gvandžu, Korejā, ir atraduši risinājumu iepriekšminētajai problēmai, kuras pamatā ir viens no mūsu laika pārsteidzošākajiem materiāliem - grafēns. Korejiešu pētnieki ir izstrādājuši un izgatavojuši ļoti efektīvu grafēna bāzes superkondensatoru prototipus, kuru kapacitatīvie parametri nav zemāki par litija jonu akumulatoriem, bet kuri spēj ļoti ātri uzkrāt un atbrīvot savu elektrisko lādiņu. Turklāt pat grafēna superkondensatoru prototipi var izturēt desmitiem tūkstošu darbības ciklu, nezaudējot savas īpašības.
Tik iespaidīgu rezultātu sasniegšanas triks ir iegūt īpašu grafēna formu, kam ir milzīgs efektīvā virsmas laukums. Pētnieki izgatavoja šo grafēna formu, sajaucot grafēna oksīda daļiņas ar hidrazīnu ūdenī un to visu sasmalcinot, izmantojot ultraskaņu. Iegūtais grafēna pulveris tika iesaiņots diska formas granulās un piecas stundas žāvēts 140 grādu pēc Celsija temperatūrā un 300 kg/cm spiedienā.

Iegūtais materiāls izrādījās ļoti porains, vienam gramam šāda grafēna materiāla efektīvā platība ir vienāda ar basketbola laukuma laukumu. Turklāt šī materiāla porainība ļauj jonu elektrolītiskajam šķidrumam EBIMF 1 M pilnībā aizpildīt visu materiāla tilpumu, kas izraisa superkondensatora elektriskās jaudas palielināšanos.

Eksperimentālo superkondensatoru raksturlielumu mērījumi parādīja, ka to elektriskā jauda ir aptuveni 150 Farads uz gramu, enerģijas uzkrāšanas blīvums ir 64 vati uz kilogramu un blīvums. elektriskā strāva vienāds ar 5 ampēriem uz gramu. Visas šīs īpašības ir salīdzināmas ar litija jonu akumulatoriem, kuru enerģijas uzkrāšanas blīvums svārstās no 100 līdz 200 vatiem uz kilogramu. Taču šiem superkondensatoriem ir viena milzīga priekšrocība: tie var pilnībā uzlādēt vai atbrīvot visu saglabāto lādiņu tikai 16 sekundēs. Un šis laiks ir ātrākais uzlādes-izlādes laiks līdz šim.

Šis iespaidīgais raksturlielumu kopums, kā arī grafēna superkondensatoru vienkāršā ražošanas tehnoloģija var attaisnot pētnieku apgalvojumu, kuri rakstīja, ka viņu "grafēna superkondensatoru enerģijas uzglabāšanas ierīces tagad ir gatavas masveida ražošanai un varētu parādīties nākamajās elektrisko automašīnu paaudzēs. ”

Zinātnieku grupa no Raisa universitātes ir pielāgojusi metodi, ko viņi izstrādāja, lai ražotu grafēnu, izmantojot lāzeru, lai izgatavotu superkondensatoru elektrodus.

Kopš tā atklāšanas grafēns, oglekļa forma, kristāla šūna kam ir monatomisks biezums, cita starpā, tika uzskatīta par alternatīvu aktīvās ogles elektrodiem, ko izmanto superkondensatoros, kondensatoros ar lielu kapacitāti un zemu noplūdes strāvu. Taču laiks un pētījumi ir parādījuši, ka grafēna elektrodi nedarbojas daudz labāk nekā mikroporaini aktīvās ogles elektrodi, un tas izraisīja entuziasma samazināšanos un vairāku pētījumu ierobežošanu.

Tomēr, grafēna elektrodi ir dažas nenoliedzamas priekšrocības salīdzinājumā ar porainiem oglekļa elektrodiem.

Grafēna superkondensatori var darboties augstākās frekvencēs, un grafēna elastība ļauj uz tā bāzes izveidot īpaši plānas un elastīgas enerģijas uzkrāšanas ierīces, kas ir ideāli piemērotas lietošanai valkājamajā un elastīgajā elektronikā.

Abas iepriekš minētās grafēna superkondensatoru priekšrocības rosināja Rīsa universitātes zinātnieku grupu veikt turpmākus pētījumus. Viņi pielāgoja izstrādāto grafēna ražošanas metodi ar lāzera palīdzību, lai izgatavotu superkondensatoru elektrodus.

"Tas, ko mēs varējām sasniegt, ir salīdzināms ar elektronikas tirgū pieejamiem mikrosuperkondensatoriem," saka Džeimss Tūrs, zinātnieks, kurš vadīja pētnieku grupu. "Izmantojot mūsu metodi, mēs varam ražot superkondensatorus ar jebkādu telpisku formu. Kad mums ir jāiepako grafēna elektrodi pietiekami mazā laukumā, mēs tos vienkārši salokām kā papīra lapu.

Lai ražotu grafēna elektrodus, zinātnieki izmantoja lāzera metode (lāzera izraisīta grafēma, LIG), kurā spēcīgs lāzera stars ir vērsts uz mērķi, kas izgatavots no lēta polimērmateriāla.

Lāzera gaismas parametri ir izvēlēti tā, lai tas no polimēra izdegtu visus elementus, izņemot oglekli, kas veidojas porainas grafēna plēves veidā. Ir pierādīts, ka šim porainajam grafēnam ir pietiekami liels efektīvās virsmas laukums, kas padara to par ideālu materiālu superkondensatoru elektrodiem.

Raisa universitātes komandas atklājumus tik pārliecinošus padara poraina grafēna ražošanas vienkāršība.

“Grafēna elektrodus ir ļoti vienkārši izgatavot. Tam nav nepieciešama tīra telpa, un procesā tiek izmantoti tradicionālie rūpnieciskie lāzeri, kas veiksmīgi darbojas rūpnīcu darbnīcās un pat ārā"saka Džeimss Tūrs.

Papildus ražošanas vienkāršībai grafēna superkondensatori ir parādījuši ļoti iespaidīgas īpašības. Šīs enerģijas uzkrāšanas ierīces ir izturējušas tūkstošiem uzlādes-izlādes ciklu, nezaudējot elektrisko jaudu. Turklāt šādu superkondensatoru elektriskā kapacitāte praktiski nemainījās pēc tam, kad elastīgais superkondensators tika deformēts 8 tūkstošus reižu pēc kārtas.

"Mēs esam pierādījuši, ka mūsu izstrādātā tehnoloģija var ražot plānus un elastīgus superkondensatorus, kas var kļūt par elastīgas elektronikas sastāvdaļām vai barošanas avotiem valkājamai elektronikai, ko var tieši iebūvēt apģērbā vai ikdienas priekšmetos," sacīja Džeimss Tūrs.

Cilvēki vispirms izmantoja kondensatorus, lai uzglabātu elektrību. Tad, kad elektrotehnika pārsniedza laboratorijas eksperimentus, tika izgudrotas baterijas, kas kļuva par galveno elektroenerģijas uzglabāšanas līdzekli. Bet 21. gadsimta sākumā atkal tiek ierosināts izmantot kondensatorus, lai darbinātu elektroiekārtas. Cik tas ir iespējams un vai baterijas beidzot kļūs par pagātni?

Iemesls, kāpēc kondensatori tika aizstāti ar baterijām, bija ievērojami lielāks elektroenerģijas daudzums, ko tie spēj uzglabāt. Vēl viens iemesls ir tas, ka izlādes laikā spriegums pie akumulatora izejas mainās ļoti maz, tāpēc sprieguma stabilizators vai nu nav nepieciešams, vai arī tas var būt ļoti vienkāršs.

Galvenā atšķirība starp kondensatoriem un baterijām ir tāda, ka kondensatori tieši uzglabā elektrisko lādiņu, bet akumulatori pārvērš elektrisko enerģiju ķīmiskajā enerģijā, uzglabā to un pēc tam pārvērš ķīmisko enerģiju atpakaļ elektroenerģijā.

Enerģijas transformāciju laikā daļa no tās tiek zaudēta. Tāpēc pat labāko akumulatoru efektivitāte ir ne vairāk kā 90%, savukārt kondensatoriem tā var sasniegt 99%. Ķīmisko reakciju intensitāte ir atkarīga no temperatūras, tāpēc akumulatori aukstā laikā darbojas ievērojami sliktāk nekā istabas temperatūrā. Turklāt ķīmiskās reakcijas akumulatoros nav pilnībā atgriezeniskas. Līdz ar to mazais uzlādes-izlādes ciklu skaits (tūkstošiem, visbiežāk akumulatora darbības laiks ir aptuveni 1000 uzlādes-izlādes ciklu), kā arī “atmiņas efekts”. Atgādināsim, ka “atmiņas efekts” ir tāds, ka akumulators vienmēr ir jāizlādē līdz noteiktam uzkrātās enerģijas daudzumam, tad tā jauda būs maksimāla. Ja pēc izlādes tajā paliek vairāk enerģijas, tad akumulatora jauda pakāpeniski samazināsies. "Atmiņas efekts" ir raksturīgs gandrīz visiem komerciāli ražotiem akumulatoru veidiem, izņemot skābos (ieskaitot to šķirnes - želeju un AGM). Lai gan vispārpieņemts, ka litija jonu un litija polimēru akumulatoriem tā nav, patiesībā arī ir, tikai tas izpaužas mazākā mērā nekā citos veidos. Kas attiecas uz skābes akumulatoriem, tiem piemīt plākšņu sulfācijas efekts, kas rada neatgriezeniskus strāvas avota bojājumus. Viens no iemesliem ir tas, ka akumulators ilgstoši saglabājas uzlādes stāvoklī, kas ir mazāks par 50%.

Attiecībā uz alternatīvo enerģiju “atmiņas efekts” un plākšņu sulfācija ir nopietnas problēmas. Fakts ir tāds, ka ir grūti prognozēt enerģijas piegādi no tādiem avotiem kā saules paneļi un vēja turbīnas. Rezultātā akumulatoru uzlāde un izlāde notiek haotiski, neoptimālā režīmā.

Mūsdienu dzīves ritmam absolūti nepieņemami izrādās, ka baterijas jālādē vairākas stundas. Piemēram, kā jūs iedomājaties braukt lielu attālumu ar elektrisko transportlīdzekli, ja izlādējies akumulators vairākas stundas liek jums iestrēgt uzlādes punktā? Akumulatora uzlādes ātrumu ierobežo tajā notiekošo ķīmisko procesu ātrums. Jūs varat samazināt uzlādes laiku līdz 1 stundai, bet ne līdz dažām minūtēm. Tajā pašā laikā kondensatora uzlādes ātrumu ierobežo tikai maksimālā strāva, ko nodrošina lādētājs.

Uzskaitītie akumulatoru trūkumi ir likuši to vietā steidzami izmantot kondensatorus.

Izmantojot elektrisko dubulto slāni

Daudzus gadu desmitus elektrolītiskajiem kondensatoriem bija vislielākā jauda. Tajās viena no plāksnēm bija metāla folija, otra bija elektrolīts, bet izolācija starp plāksnēm bija metāla oksīds, kas pārklāja foliju. Elektrolītiskajiem kondensatoriem jauda var sasniegt faradas simtdaļas, kas nav pietiekami, lai pilnībā nomainītu akumulatoru.

Lielu kapacitāti, ko mēra tūkstošos faradu, var sasniegt ar kondensatoriem, kuru pamatā ir tā sauktais elektriskais dubultais slānis. To darbības princips ir šāds. Elektriskais dubultslānis noteiktos apstākļos parādās vielu saskarsmē cietajā un šķidrajā fāzē. Veidojas divi jonu slāņi ar pretēju zīmju, bet vienāda lieluma lādiņiem. Ja situāciju ļoti vienkāršojam, tad veidojas kondensators, kura “plāksnes” ir norādītie jonu slāņi, kuru attālums ir vienāds ar vairākiem atomiem.

Kondensatorus, kuru pamatā ir šis efekts, dažreiz sauc par jonistoriem. Faktiski šis termins attiecas ne tikai uz kondensatoriem, kuros tiek glabāts elektriskais lādiņš, bet arī uz citām ierīcēm elektroenerģijas uzglabāšanai - ar daļēju elektriskās enerģijas pārvēršanu ķīmiskajā enerģijā kopā ar elektriskā lādiņa uzglabāšanu (hibrīdjonistors), kā arī baterijas, kuru pamatā ir dubults elektriskais slānis (tā sauktie pseidokapacitori). Tāpēc piemērotāks ir termins “superkondensatori”. Dažreiz tā vietā tiek izmantots identisks termins “ultrakondensators”.

Tehniskā realizācija

Superkondensators sastāv no divām aktīvās ogles plāksnēm, kas piepildītas ar elektrolītu. Starp tām ir membrāna, kas ļauj elektrolītam iziet cauri, bet neļauj aktīvās ogles daļiņām fiziski pārvietoties starp plāksnēm.

Jāatzīmē, ka pašiem superkondensatoriem nav polaritātes. Ar to tie būtiski atšķiras no elektrolītiskajiem kondensatoriem, kuriem, kā likums, ir raksturīga polaritāte, kuras neievērošana noved pie kondensatora atteices. Tomēr polaritāte tiek piemērota arī superkondensatoriem. Tas ir saistīts ar faktu, ka superkondensatori atstāj rūpnīcas montāžas līniju jau uzlādēti, un marķējums norāda uz šīs uzlādes polaritāti.

Superkondensatora parametri

Atsevišķa superkondensatora maksimālā jauda, ​​kas sasniegta rakstīšanas laikā, ir 12 000 F. Sērijveidā ražotiem superkondensatoriem tā nepārsniedz 3000 F. Maksimālais pieļaujamais spriegums starp plāksnēm nepārsniedz 10 V. Komerciāli ražotiem superkondensatoriem šis rādītājs parasti ir 2,3 – 2,7 V robežās. Zemam darba spriegumam nepieciešams izmantot sprieguma pārveidotāju ar stabilizatora funkciju. Fakts ir tāds, ka izlādes laikā spriegums uz kondensatora plāksnēm mainās plašā diapazonā. Sprieguma pārveidotāja izveide, lai savienotu slodzi un lādētāju, nav triviāls uzdevums. Pieņemsim, ka jums ir nepieciešams darbināt 60 W slodzi.

Lai vienkāršotu jautājuma izskatīšanu, mēs neņemsim vērā zudumus sprieguma pārveidotājā un stabilizatorā. Ja strādājat ar parastu 12 V akumulatoru, tad vadības elektronikai jāspēj izturēt 5 A strāvu. Šādas elektroniskās ierīces ir plaši izplatītas un lētas. Bet pavisam cita situācija rodas, izmantojot superkondensatoru, kura spriegums ir 2,5 V. Tad strāva, kas plūst caur pārveidotāja elektroniskajām sastāvdaļām, var sasniegt 24 A, kas prasa jaunas pieejas ķēžu tehnoloģijā un modernu elementu bāzi. Tieši pārveidotāja un stabilizatora uzbūves sarežģītība var izskaidrot to, ka superkondensatori, kuru sērijveida ražošana sākās 20. gadsimta 70. gados, tikai tagad ir sākuši plaši izmantot dažādās jomās.

Superkondensatorus var pievienot akumulatoriem, izmantojot virknes vai paralēlus savienojumus. Pirmajā gadījumā palielinās maksimālais pieļaujamais spriegums. Otrajā gadījumā - jauda. Maksimālā pieļaujamā sprieguma palielināšana šādā veidā ir viens no problēmas risināšanas veidiem, taču par to būs jāmaksā, samazinot kapacitāti.

Superkondensatoru izmēri dabiski ir atkarīgi no to jaudas. Tipisks superkondensators ar jaudu 3000 F ir cilindrs, kura diametrs ir aptuveni 5 cm un garums 14 cm. Ar jaudu 10 F, superkondensatora izmēri ir salīdzināmi ar cilvēka nagu.

Labi superkondensatori var izturēt simtiem tūkstošu uzlādes-izlādes ciklu, šajā parametrā pārsniedzot baterijas aptuveni 100 reizes. Taču, tāpat kā elektrolītiskie kondensatori, arī superkondensatori saskaras ar novecošanas problēmu pakāpeniskas elektrolīta noplūdes dēļ. Līdz šim nav uzkrāta pilnīga statistika par superkondensatoru atteici šī iemesla dēļ, taču saskaņā ar netiešajiem datiem superkondensatoru kalpošanas laiks ir aptuveni 15 gadi.

Uzkrātā enerģija

Kondensatorā uzkrātās enerģijas daudzums, izteikts džoulos:

kur C ir kapacitāte, kas izteikta farados, U ir spriegums uz plāksnēm, izteikts voltos.

Kondensatorā uzkrātais enerģijas daudzums, kas izteikts kWh, ir:

Tādējādi kondensators ar jaudu 3000 F ar spriegumu starp plāksnēm 2,5 V spēj uzglabāt tikai 0,0026 kWh. Kā to var salīdzināt, piemēram, ar litija jonu akumulatoru? Ja pieņemsim, ka tā izejas spriegums ir neatkarīgs no izlādes pakāpes un vienāds ar 3,6 V, tad litija jonu akumulatorā ar ietilpību 0,72 Ah tiks uzkrāts enerģijas daudzums 0,0026 kWh. Diemžēl ļoti pieticīgs rezultāts.

Superkondensatoru pielietojums

Avārijas apgaismojuma sistēmas ir tādas, kur superkondensatoru izmantošana bateriju vietā rada patiesas atšķirības. Faktiski tieši šim lietojumam ir raksturīga nevienmērīga izlāde. Turklāt ir vēlams, lai avārijas lampa tiktu ātri uzlādēta un tajā izmantotajam rezerves barošanas avotam būtu lielāka uzticamība. Uz superkondensatoru balstītu rezerves barošanas avotu var integrēt tieši T8 LED lampā. Šādas lampas jau ražo vairāki Ķīnas uzņēmumi.

Kā jau minēts, superkondensatoru attīstība lielā mērā ir saistīta ar interesi par alternatīviem enerģijas avotiem. Bet praktiskais pielietojums joprojām ir ierobežots ar LED lampām, kas saņem enerģiju no saules.

Aktīvi attīstās superkondensatoru izmantošana elektroiekārtu iedarbināšanai.

Superkondensatori spēj piegādāt lielu enerģijas daudzumu īsā laika periodā. Iedarbinot elektroiekārtas no superkondensatora, var samazināt maksimālās slodzes elektrotīklā un galu galā samazināt ieslēgšanas strāvas rezervi, panākot milzīgu izmaksu ietaupījumu.

Apvienojot akumulatorā vairākus superkondensatorus, mēs varam sasniegt jaudu, kas ir salīdzināma ar elektriskajos transportlīdzekļos izmantotajiem akumulatoriem. Bet šis akumulators svērs vairākas reizes vairāk nekā akumulators, kas ir nepieņemami transportlīdzekļiem. Problēmu var atrisināt, izmantojot uz grafēna bāzes izgatavotus superkondensatorus, taču tie pašlaik pastāv tikai kā prototipi. Tomēr daudzsološā slavenā Yo-mobile versija, kas tiek darbināta tikai ar elektrību, kā enerģijas avotu izmantos jaunās paaudzes superkondensatorus, kurus izstrādā Krievijas zinātnieki.

Superkondensatori nāks par labu arī akumulatoru nomaiņai parastajos benzīna vai dīzeļa transportlīdzekļos – to izmantošana šādos transportlīdzekļos jau ir realitāte.

Tikmēr par veiksmīgākajiem no realizētajiem superkondensatoru ieviešanas projektiem var uzskatīt jaunos Krievijā ražotos trolejbusus, kas nesen parādījās Maskavas ielās. Pārtraucot sprieguma padevi kontakttīklam vai "aizlidojot" strāvas kolektoriem, trolejbuss ar mazu ātrumu (ap 15 km/h) var braukt vairākus simtus metru līdz vietai, kur tas netraucēs satiksmei. uz ceļa. Enerģijas avots šādiem manevriem ir superkondensatoru baterija.

Kopumā pagaidām superkondensatori var izspiest baterijas tikai noteiktās “nišās”. Taču tehnoloģija strauji attīstās, kas ļauj sagaidīt, ka tuvākajā nākotnē superkondensatoru pielietojuma joma ievērojami paplašināsies.

Aleksejs Vasiļjevs

Zemeslodes elektriskā jauda, ​​kā zināms no fizikas kursiem, ir aptuveni 700 μF. Parastu šādas jaudas kondensatoru pēc svara un tilpuma var salīdzināt ar ķieģeli. Bet ir arī kondensatori ar zemeslodes elektrisko kapacitāti, kas pēc izmēra ir vienāda ar smilšu graudiņu - superkondensatori.

Šādas ierīces parādījās salīdzinoši nesen, apmēram pirms divdesmit gadiem. Tos sauc dažādi: jonistori, joniksi vai vienkārši superkondensatori.

Nedomājiet, ka tie ir pieejami tikai dažiem augsti lidojošiem aviācijas un kosmosa uzņēmumiem. Šodien veikalā var iegādāties monētas izmēra jonistoru ar viena farāda ietilpību, kas ir 1500 reižu lielāka par zemeslodes ietilpību un tuvu Saules sistēmas lielākās planētas - Jupitera kapacitātei.

Jebkurš kondensators uzglabā enerģiju. Lai saprastu, cik liela vai maza ir superkondensatorā uzkrātā enerģija, ir svarīgi to ar kaut ko salīdzināt. Šeit ir nedaudz neparasts, bet skaidrs veids.

Parasta kondensatora enerģijas pietiek, lai tas varētu pārlēkt apmēram pusotru metru. Neliels 58-9V tipa superkondensators, kura masa ir 0,5 g, uzlādēts ar 1 V spriegumu, varētu uzlēkt līdz 293 m augstumam!

Dažreiz viņi domā, ka jonistori var aizstāt jebkuru akumulatoru. Žurnālisti nākotnes pasauli attēloja ar klusiem elektriskiem transportlīdzekļiem, kurus darbina superkondensatori. Bet tas vēl ir tālu. Vienu kilogramu smags jonistors spēj uzkrāt 3000 J enerģijas, bet sliktākais svina-skābes akumulators ir 86 400 J – 28 reizes vairāk. Tomēr, nodrošinot lielu jaudu īsā laikā, akumulators ātri nolietojas un tiek izlādēts tikai uz pusi. Jonistors atkārtoti un nekaitējot sev piegādā jebkādu jaudu, ja vien savienojošie vadi to iztur. Turklāt superkondensatoru var uzlādēt dažu sekunžu laikā, savukārt akumulatoram parasti ir vajadzīgas stundas, lai to paveiktu.

Tas nosaka jonistoru pielietojuma jomu. Tas ir labs kā barošanas avots ierīcēm, kas īslaicīgi, bet diezgan bieži patērē daudz enerģijas: elektroniskās iekārtas, lukturīši, automašīnu starteri, elektriskie domkrati. Jonistoram var būt arī militārs pielietojums kā elektromagnētisko ieroču barošanas avots. Un kombinācijā ar nelielu spēkstaciju jonistors ļauj izveidot automašīnas ar elektrisko riteņu piedziņu un degvielas patēriņu 1-2 litri uz 100 km.

Pārdošanā ir pieejami jonistori visdažādākajām jaudām un darba spriegumiem, taču tie ir diezgan dārgi. Tātad, ja jums ir laiks un interese, varat mēģināt pats izgatavot jonistoru. Bet pirms sniegt konkrētu padomu, nedaudz teorijas.

No elektroķīmijas zināms: metālu iegremdējot ūdenī, uz tā virsmas veidojas tā sauktais dubultais elektriskais slānis, kas sastāv no pretējām. elektriskie lādiņi- joni un elektroni. Starp tiem darbojas savstarpēji pievilcīgi spēki, bet lādiņi nevar tuvoties viens otram. To kavē ūdens un metāla molekulu pievilcīgie spēki. Elektriskais dubultslānis būtībā ir tikai kondensators. Uz tās virsmas koncentrētie lādiņi darbojas kā plāksnes. Attālums starp tiem ir ļoti mazs. Un, kā jūs zināt, kondensatora kapacitāte palielinās, samazinoties attālumam starp tā plāksnēm. Tāpēc, piemēram, parasta tērauda spieķa jauda, ​​kas iegremdēta ūdenī, sasniedz vairākus mF.

Būtībā jonistors sastāv no diviem elektrodiem ar ļoti lielu laukumu, kas iegremdēti elektrolītā, uz kuru virsmas pieliktā sprieguma ietekmē veidojas dubults elektriskais slānis. Tiesa, izmantojot parastās plakanas plāksnes, būtu iespējams iegūt tikai dažu desmitu mF kapacitāti. Lai iegūtu jonistoriem raksturīgās lielās kapacitātes, tiek izmantoti elektrodi, kas izgatavoti no porainiem materiāliem, kuriem ir liela poru virsma ar maziem ārējiem izmēriem.

Šai lomai savulaik tika izmēģināti sūkļa metāli no titāna līdz platīnam. Tomēr nesalīdzināmi labāka bija... parastā aktīvā ogle. Tā ir ogle, kas pēc īpašas apstrādes kļūst poraina. Šādu ogļu 1 cm3 poru virsmas laukums sasniedz tūkstoš kvadrātmetru, un dubultā elektriskā slāņa jauda uz tām ir desmit farādes!

Pašdarināts jonistors 1. attēlā parādīts jonistoru dizains. Tas sastāv no divām metāla plāksnēm, kas cieši piespiestas aktīvās ogles “pildījumam”. Ogles klāj divos slāņos, starp kuriem ir plāns vielas atdalošais slānis, kas nevada elektronus. Tas viss ir piesūcināts ar elektrolītu.

Uzlādējot jonistoru, vienā oglekļa poru pusē veidojas dubults elektriskais slānis ar elektroniem uz virsmas, bet otrā pusē ar pozitīvajiem joniem. Pēc uzlādes joni un elektroni sāk plūst viens pret otru. Tiem saskaroties, veidojas neitrālie metālu atomi, un uzkrātais lādiņš samazinās un laika gaitā var izzust pavisam.

Lai to novērstu, starp aktīvās ogles slāņiem tiek ieviests atdalošais slānis. Tas var sastāvēt no dažādām plānām plastmasas plēvēm, papīra un pat vates.
Amatieru jonistoros elektrolīts ir 25% galda sāls šķīdums vai 27% KOH šķīdums. (Pie mazākām koncentrācijām uz pozitīvā elektroda neveidosies negatīvo jonu slānis.)

Kā elektrodi tiek izmantotas vara plāksnes ar iepriekš pielodētiem vadiem. To darba virsmas jātīra no oksīdiem. Šajā gadījumā vēlams izmantot rupju smilšpapīru, kas atstāj skrāpējumus. Šīs skrambas uzlabos ogļu saķeri ar varu. Lai nodrošinātu labu saķeri, plāksnes ir jāattauko. Plākšņu attaukošana tiek veikta divos posmos. Vispirms tos mazgā ar ziepēm, pēc tam berzē ar zobu pulveri un nomazgā ar ūdens strūklu. Pēc tam jums nevajadzētu pieskarties tiem ar pirkstiem.

Aptiekā iegādāto aktivēto ogli samaļ javā un sajauc ar elektrolītu, lai iegūtu biezu pastu, ko uzklāj uz rūpīgi attaukotām plāksnēm.

Pirmajā testā plāksnes ar papīra blīvi tiek novietotas viena uz otras, pēc tam mēģināsim to uzlādēt. Bet šeit ir kāds smalkums. Kad spriegums ir lielāks par 1 V, sākas gāzu H2 un O2 izdalīšanās. Tie iznīcina oglekļa elektrodus un neļauj mūsu ierīcei darboties kondensatora-jonistora režīmā.

Tāpēc mums tas jāuzlādē no avota, kura spriegums nav lielāks par 1 V. (Tas ir spriegums katram plākšņu pārim, kas ir ieteicams rūpniecisko jonistoru darbībai.)

Sīkāka informācija ziņkārīgajiem

Ja spriegums ir lielāks par 1,2 V, jonistors pārvēršas par gāzes akumulatoru. Šī ir interesanta ierīce, kas sastāv arī no aktīvās ogles un diviem elektrodiem. Bet strukturāli tas ir veidots savādāk (skat. 2. att.). Parasti no vecā galvaniskā elementa paņemiet divus oglekļa stieņus un ap tiem piesieniet aktīvās ogles marles maisiņus. KOH šķīdumu izmanto kā elektrolītu. (Nedrīkst izmantot galda sāls šķīdumu, jo tā sadalīšanās rezultātā izdalās hlors.)

Gāzes akumulatora enerģijas intensitāte sasniedz 36 000 J/kg jeb 10 Wh/kg. Tas ir 10 reizes vairāk nekā jonistoram, bet 2,5 reizes mazāk nekā parastajam svina akumulatoram. Tomēr gāzes akumulators nav tikai akumulators, bet gan ļoti unikāla degvielas šūna. Uzlādējot to, uz elektrodiem izdalās gāzes - skābeklis un ūdeņradis. Tie “nogulsnējas” uz aktīvās ogles virsmas. Kad parādās slodzes strāva, tie ir savienoti, veidojot ūdeni un elektrisko strāvu. Tomēr šis process notiek ļoti lēni bez katalizatora. Un, kā izrādījās, katalizators var būt tikai platīns... Tāpēc, atšķirībā no jonistora, gāzes akumulators nevar radīt lielas strāvas.

Tomēr Maskavas izgudrotājs A.G. Presņakovs (http://chemfiles.narod.r u/hit/gas_akk.htm) veiksmīgi izmantoja gāzes akumulatoru, lai iedarbinātu kravas automašīnas dzinēju. Viņa ievērojamais svars - gandrīz trīs reizes lielāks nekā parasti - šajā gadījumā izrādījās izturams. Taču zemās izmaksas un kaitīgu materiālu, piemēram, skābes un svina, trūkums šķita ārkārtīgi pievilcīgi.

Vienkāršākā dizaina gāzes akumulators izrādījās pilnībā izlādējies 4-6 stundu laikā. Tas pielika punktu eksperimentiem. Kam vajadzīga automašīna, kuru nevar iedarbināt pēc stāvēšanas pa nakti?

Un tomēr “lielās tehnoloģijas” nav aizmirsušas par gāzes akumulatoriem. Jaudīgi, viegli un uzticami tie ir atrodami dažos satelītos. Process tajos notiek aptuveni 100 atm spiedienā, un kā gāzes absorbētājs tiek izmantots sūkļa niķelis, kas šādos apstākļos darbojas kā katalizators. Visa ierīce ir ievietota īpaši vieglā oglekļa šķiedras cilindrā. Iegūto akumulatoru enerģijas ietilpība ir gandrīz 4 reizes lielāka nekā svina akumulatoriem. Ar tiem elektroauto varētu nobraukt aptuveni 600 km. Bet, diemžēl, tie joprojām ir ļoti dārgi.