Ľudia najprv používali kondenzátory na skladovanie elektriny. Potom, keď elektrotechnika prekročila hranice laboratórnych experimentov, boli vynájdené batérie, ktoré sa stali hlavným prostriedkom na uchovávanie elektrickej energie. Ale na začiatku 21. storočia sa opäť navrhuje používať kondenzátory na napájanie elektrických zariadení. Ako je to možné a stanú sa batérie konečne minulosťou?

Dôvodom, prečo boli kondenzátory nahradené batériami, bolo podstatne väčšie množstvo elektriny, ktoré sú schopné akumulovať. Ďalším dôvodom je, že počas vybíjania sa napätie na výstupe batérie mení len veľmi málo, takže stabilizátor napätia buď nie je potrebný, alebo môže mať veľmi jednoduchú konštrukciu.

Hlavný rozdiel medzi kondenzátormi a batériami je v tom, že kondenzátory priamo ukladajú elektrický náboj, zatiaľ čo batérie premieňajú elektrickú energiu na chemickú energiu, ukladajú ju a potom premieňajú chemickú energiu späť na elektrickú energiu.

Pri energetických premenách sa časť z nej stráca. Preto aj tie najlepšie batérie majú účinnosť nie vyššiu ako 90%, zatiaľ čo pre kondenzátory môže dosiahnuť 99%. Intenzita chemických reakcií závisí od teploty, takže batérie fungujú v chladnom počasí výrazne horšie ako pri izbovej teplote. Navyše chemické reakcie v batériách nie sú úplne reverzibilné. Z toho vyplýva malý počet cyklov nabitia a vybitia (rádovo tisíce, najčastejšie je životnosť batérie okolo 1000 cyklov nabitia a vybitia), ako aj „pamäťový efekt“. Pripomeňme, že „pamäťový efekt“ spočíva v tom, že batéria musí byť vždy vybitá na určité množstvo naakumulovanej energie, potom bude jej kapacita maximálna. Ak v nej po vybití zostane viac energie, tak kapacita batérie bude postupne klesať. „Pamäťový efekt“ je charakteristický pre takmer všetky komerčne vyrábané typy batérií, okrem kyslých (vrátane ich odrôd - gél a AGM). Hoci sa všeobecne uznáva, že lítium-iónové a lítium-polymérové ​​batérie nie je to typické, v podstate to majú tiež, len sa to prejavuje v menšej miere ako u iných typov. Kyselinové batérie vykazujú efekt sulfatácie platní, čo spôsobuje nezvratné poškodenie zdroja energie. Jedným z dôvodov je, že batéria zostáva dlhodobo v stave nabitia pod 50 %.

Čo sa týka alternatívnej energie, „pamäťový efekt“ a sulfatácia platní sú vážnymi problémami. Faktom je, že dodávka energie zo zdrojov ako napr solárne panely a veterné turbíny je ťažké predpovedať. Výsledkom je, že nabíjanie a vybíjanie batérií prebieha chaoticky, v neoptimálnom režime.

Pre moderný rytmus života sa ukazuje ako absolútne neprijateľné, aby sa batérie museli nabíjať niekoľko hodín. Ako si napríklad predstavujete jazdu na dlhú vzdialenosť v elektromobile, ak vás vybitá batéria drží na mieste nabíjania niekoľko hodín? Rýchlosť nabíjania batérie je obmedzená rýchlosťou chemických procesov, ktoré v nej prebiehajú. Dobu nabíjania môžete skrátiť na 1 hodinu, ale nie na niekoľko minút. Zároveň je rýchlosť nabíjania kondenzátora obmedzená iba maximálnym prúdom poskytovaným nabíjačkou.

Uvedené nevýhody batérií spôsobili, že je nevyhnutné namiesto toho použiť kondenzátory.

Použitie elektrickej dvojitej vrstvy

Po mnoho desaťročí mali najvyššiu kapacitu elektrolytické kondenzátory. V nich bola jedna z dosiek kovová fólia, druhá bola elektrolyt a izolácia medzi doskami bola z oxidu kovu, ktorý pokryl fóliu. V prípade elektrolytických kondenzátorov môže kapacita dosiahnuť stotiny farada, čo nestačí na úplnú výmenu batérie.

Porovnanie dizajnov odlišné typy kondenzátory (Zdroj: Wikipedia)

Veľkú kapacitu, meranú v tisíckach farad, možno dosiahnuť kondenzátormi založenými na takzvanej elektrickej dvojvrstve. Princíp ich fungovania je nasledovný. Elektrická dvojvrstva vzniká za určitých podmienok na rozhraní látok v tuhej a kvapalnej fáze. Vytvárajú sa dve vrstvy iónov s nábojmi opačných znamienok, ale rovnakej veľkosti. Ak situáciu veľmi zjednodušíme, vytvorí sa kondenzátor, ktorého „dosky“ sú naznačené vrstvy iónov, pričom vzdialenosť medzi nimi sa rovná niekoľkým atómom.

Superkondenzátory rôznych kapacít vyrábané firmou Maxwell

Kondenzátory založené na tomto efekte sa niekedy nazývajú ionistory. V skutočnosti sa týmto pojmom neoznačujú len kondenzátory, v ktorých je uložený elektrický náboj, ale aj iné zariadenia na ukladanie elektriny - s čiastočnou premenou elektrickej energie na chemickú spolu s ukladaním elektrického náboja (hybridný ionistor), ako aj na batérie na báze dvojitej elektrickej vrstvy (tzv. pseudokondenzátory). Preto je vhodnejší termín „superkondenzátory“. Niekedy sa namiesto toho používa identický výraz „ultrakondenzátor“.

Technická realizácia

Superkondenzátor pozostáva z dvoch platní z aktívneho uhlia naplnených elektrolytom. Medzi nimi je membrána, ktorá umožňuje prechod elektrolytu, ale bráni fyzickému pohybu častíc aktívneho uhlia medzi doskami.

Treba poznamenať, že samotné superkondenzátory nemajú žiadnu polaritu. V tom sa zásadne líšia od elektrolytických kondenzátorov, ktoré sa spravidla vyznačujú polaritou, ktorej nedodržanie vedie k poruche kondenzátora. Polarita sa však aplikuje aj na superkondenzátory. Je to spôsobené tým, že superkondenzátory opúšťajú výrobnú montážnu linku už nabité a označenie označuje polaritu tohto náboja.

Parametre superkondenzátora

Maximálna kapacita jednotlivého superkondenzátora, dosiahnutá v čase písania článku, je 12 000 F. U sériovo vyrábaných superkondenzátorov nepresahuje 3 000 F. Maximálne prípustné napätie medzi doskami nepresahuje 10 V. Pre komerčne vyrábané superkondenzátory tento údaj sa spravidla pohybuje v rozmedzí 2. 3 – 2,7 V. Nízke prevádzkové napätie vyžaduje použitie meniča napätia s funkciou stabilizátora. Faktom je, že počas vybíjania sa napätie na doskách kondenzátora mení v širokom rozsahu. Konštrukcia meniča napätia na pripojenie záťaže a nabíjačka sú netriviálnou úlohou. Povedzme, že potrebujete napájať 60W záťaž.

Pre zjednodušenie úvahy o problematike zanedbáme straty v meniči napätia a stabilizátore. V prípade, že pracujete s bežná batéria s napätím 12 V, potom musí riadiaca elektronika vydržať prúd 5 A. Takéto elektronické zariadenia sú rozšírené a lacné. Úplne iná situácia ale nastáva pri použití superkondenzátora, ktorého napätie je 2,5 V. Vtedy môže prúd pretekajúci elektronickými súčiastkami meniča dosiahnuť 24 A, čo si vyžaduje nové prístupy k obvodovej technike a modernú základňu prvkov. Je to práve náročnosť zostrojenia konvertora a stabilizátora, ktorá môže vysvetliť skutočnosť, že superkondenzátory, sériová výroba ktoré sa začali v 70. rokoch 20. storočia, sa až teraz začali vo veľkej miere používať v rôznych oblastiach.

Schematický diagram zdroj neprerušiteľný zdroj napájania
napätia na superkondenzátoroch sú implementované hlavné komponenty
na jednom mikroobvode vyrobenom spoločnosťou LinearTechnology

Superkondenzátory môžu byť zapojené do batérií pomocou sériového alebo paralelného zapojenia. V prvom prípade sa zvyšuje maximálne prípustné napätie. V druhom prípade - kapacita. Zvýšenie maximálneho povoleného napätia týmto spôsobom je jedným zo spôsobov, ako vyriešiť problém, ale budete za to musieť zaplatiť znížením kapacity.

Rozmery superkondenzátorov prirodzene závisia od ich kapacity. Typický superkondenzátor s kapacitou 3000 F je valec s priemerom asi 5 cm a dĺžkou 14 cm S kapacitou 10 F má superkondenzátor rozmery porovnateľné s ľudským nechtom.

Dobré superkondenzátory dokážu vydržať státisíce cyklov nabíjania a vybíjania, pričom v tomto parametri prevyšujú batérie asi 100-krát. Ale podobne ako elektrolytické kondenzátory, aj superkondenzátory čelia problému starnutia v dôsledku postupného úniku elektrolytu. Doposiaľ neboli nazhromaždené kompletné štatistiky o poruchovosti superkondenzátorov z tohto dôvodu, ale podľa nepriamych údajov možno životnosť superkondenzátorov odhadnúť približne na 15 rokov.

Akumulovaná energia

Množstvo energie uloženej v kondenzátore vyjadrené v jouloch:

E = CU 2 /2,
kde C je kapacita vyjadrená vo faradoch, U je napätie na doskách vyjadrené vo voltoch.

Množstvo energie uloženej v kondenzátore, vyjadrené v kWh, je:

W = CU 2 /7200000

Kondenzátor s kapacitou 3000 F s napätím medzi doskami 2,5 V je teda schopný uložiť iba 0,0026 kWh. Ako sa to dá porovnať napríklad s lítium-iónovou batériou? Ak to prijmete výstupné napätie nezávisle od stupňa vybitia a rovných 3,6 V, potom sa množstvo energie 0,0026 kWh uloží do lítium-iónovej batérie s kapacitou 0,72 Ah. Bohužiaľ, veľmi skromný výsledok.

Aplikácia superkondenzátorov

V systémoch núdzového osvetlenia je použitie superkondenzátorov namiesto batérií skutočným rozdielom. V skutočnosti je to práve táto aplikácia, ktorá sa vyznačuje nerovnomerným vybíjaním. Okrem toho je žiaduce, aby sa núdzové svietidlo rýchlo nabilo a aby v ňom použitý záložný zdroj mal väčšiu spoľahlivosť. Záložný zdroj energie na báze superkondenzátora môže byť integrovaný priamo do LED lampa T8. Takéto svietidlá už vyrába množstvo čínskych spoločností.

Napájané LED pozemné svetlo
zo solárnych panelov, skladovanie energie
v ktorom sa uskutočňuje v superkondenzátore

Ako už bolo uvedené, vývoj superkondenzátorov je z veľkej časti spôsobený záujmom o alternatívne zdroje energie. ale praktické využitie zatiaľ obmedzené na LED lampy, ktoré prijímajú energiu zo slnka.

Použitie superkondenzátorov na spustenie elektrických zariadení sa aktívne rozvíja.

Superkondenzátory sú schopné dodať veľké množstvo energie v krátkom čase. Napájaním elektrického zariadenia pri štarte zo superkondenzátora možno znížiť špičkové zaťaženie elektrickej siete a v konečnom dôsledku možno znížiť rozpätie nábehového prúdu, čím sa dosiahnu obrovské úspory nákladov.

Spojením niekoľkých superkondenzátorov do batérie môžeme dosiahnuť kapacitu porovnateľnú s batériami používanými v elektromobiloch. Ale táto batéria bude vážiť niekoľkonásobne viac ako batéria, čo je pre vozidlá neprijateľné. Problém možno vyriešiť použitím superkondenzátorov na báze grafénu, tie však v súčasnosti existujú len ako prototypy. Sľubná verzia slávneho Yo-mobilu, poháňaná len elektrinou, však bude ako zdroj energie využívať superkondenzátory novej generácie, ktoré vyvíjajú ruskí vedci.

Superkondenzátorom prospeje aj výmena batérií v bežných benzínových či naftových vozidlách – ich použitie v takýchto vozidlách je už realitou.

Medzitým za najúspešnejší z realizovaných projektov na zavedenie superkondenzátorov možno považovať nové trolejbusy ruskej výroby, ktoré nedávno vyšli do ulíc Moskvy. Pri prerušení dodávky napätia do kontaktnej siete alebo pri „odletení zberačov prúdu“ môže trolejbus jazdiť nízkou rýchlosťou (asi 15 km/h) niekoľko stoviek metrov na miesto, kde nebude prekážať premávke. na ceste. Zdrojom energie pre takéto manévre je batéria superkondenzátorov.

Vo všeobecnosti môžu superkondenzátory v súčasnosti vytláčať batérie iba v určitých „výklenkoch“. Technológia sa však rýchlo rozvíja, čo nám umožňuje očakávať, že v blízkej budúcnosti sa rozsah použitia superkondenzátorov výrazne rozšíri.

Superkondenzátor alebo ionistor je zariadenie na ukladanie energetických hmôt, akumulácia náboja sa vyskytuje na hranici medzi elektródou a elektrolytom. Užitočný objem energie je uložený ako náboj statického typu. Kumulatívny proces spočíva v interakcii s konštantné napätie, keď ionistor dostane potenciálny rozdiel na svojich doskách. Technologická implementácia, ako aj samotná myšlienka vytvorenia takýchto zariadení sa objavili relatívne nedávno, ale podarilo sa im experimentálne použiť na vyriešenie určitého počtu problémov. Súčiastka môže nahradiť prúdové zdroje chemického pôvodu ako záloha alebo hlavný zdroj napájania v hodinkách, kalkulačkách a rôznych mikroobvodoch.

Základnú konštrukciu kondenzátora tvorí platňa, ktorej materiálom je fólia, ohraničená suchou separačnou látkou. Ionistor pozostáva z niekoľkých kondenzátorov s nabíjačkou elektrochemického typu. Na jeho výrobu sa používajú špeciálne elektrolyty. Kryty môžu mať niekoľko druhov. Aktívne uhlie sa používa na výrobu veľkorozmerných obkladov. Môžu sa použiť aj oxidy kovov a polymérne materiály s vysokou vodivosťou. Na dosiahnutie požadovanej kapacitnej hustoty sa odporúča použiť vysoko porézne uhlíkové materiály. Okrem toho vám tento prístup umožňuje vyrobiť ionistor za pôsobivo nízku cenu. Takéto časti patria do kategórie kondenzátorov DLC, ktoré akumulujú náboj v dvojitom oddelení vytvorenom na platni.

Konštrukčné riešenie, kedy je ionistor kombinovaný s vodnou elektrolytickou bázou, sa vyznačuje nízkym odporom vnútorných prvkov, pričom nabíjacie napätie je obmedzené na 1 V. Použitie organických vodičov zaručuje napäťové úrovne cca 2...3 V a zvýšený odpor.

Elektronické obvody pracujú s vyššími energetickými nárokmi. Riešením tohto problému je zvýšenie počtu použitých napájacích bodov. Ionistor je inštalovaný nielen jeden, ale v množstve 3-4 kusov, čo dáva požadované množstvo náboja.

V porovnaní s nikel-metal hydridovou batériou je ionistor schopný obsiahnuť desatinu energetickej rezervy, pričom jeho napätie klesá lineárne, bez zón plošného výboja. Tieto faktory ovplyvňujú schopnosť plne udržať náboj v ionistore. Úroveň nabitia priamo závisí od technologického účelu prvku.

Pomerne často sa ionistor používa na napájanie pamäťových čipov a je súčasťou filtračných obvodov a vyhladzovacích filtrov. Môžu byť tiež kombinované s batériami rôznych typov na boj proti následkom náhlych prúdových skokov: pri dodávaní nízkeho prúdu sa ionistor dobije, inak uvoľní časť energie, čím sa zníži celková záťaž.

Hype okolo stavby Elona Muska „Gigafactory na batérie“ na výrobu lítium-iónové batérie ešte neutíchlo, keď sa objavila správa o udalosti, ktorá by mohla výrazne upraviť plány „miliardárskeho revolucionára“.
Toto je nedávna tlačová správa spoločnosti. Spoločnosť Sunvault Energy Inc., ktorý spolu s Edison Power Company podarilo vytvoriť najväčší grafénový superkondenzátor na svete s kapacitou 10 tisíc (!) Faradov.
Toto číslo je také fenomenálne, že vyvoláva pochybnosti medzi domácimi odborníkmi - v elektrotechnike dokonca 20 mikrofaradov (teda 0,02 milifaradov), to je veľa. Niet pochýb o tom, že riaditeľom Sunvault Energy je Bill Richardson, bývalý guvernér Nového Mexika a bývalý minister energetiky USA. Bill Richardson je známy a uznávaný muž: pôsobil ako veľvyslanec USA pri OSN, niekoľko rokov pracoval v think-tanku Kissinger-McLarty a za úspechy pri oslobodzovaní Američanov zajatých militantmi bol dokonca nominovaný na Nobelovu cenu. v rôznych „horúcich miestach“ pokoj. V roku 2008 bol jedným z kandidátov Demokratickej strany na prezidenta USA, no prehral s Barackom Obamom.

Dnes Sunvault rýchlo rastie, vytvoril spoločný podnik s Edison Power Company s názvom Supersunvault a v predstavenstve novej spoločnosti sú nielen vedci (jeden z riaditeľov je biochemik, ďalší je podnikavý onkológ), ale aj slávni ľudia s dobrým obchodným duchom. Podotýkam, že len za posledné dva mesiace spoločnosť zvýšila kapacitu svojich superkondenzátorov desaťnásobne – z tisíc na 10 000 Faradov a sľubuje, že ju ešte zvýši, aby energia akumulovaná v kondenzátore stačila na napájanie celého domu, teda Sunvault je pripravený stať sa priamym konkurentom Elona Muska, ktorý plánuje vyrábať superbatérie typu Powerwall s kapacitou okolo 10 kWh.

Výhody grafénovej technológie a koniec Gigafactory.

Tu si musíme pripomenúť hlavný rozdiel medzi kondenzátormi a batériami - ak sa prvé rýchlo nabíjajú a vybíjajú, ale akumulujú málo energie, potom batérie - naopak. Poznámka hlavné výhody grafénových superkondenzátorovV.

1. Rýchle nabíjanie — kondenzátory sa nabíjajú približne 100-1000-krát rýchlejšie ako batérie.

2. Lacnosť: ak bežné lítium-iónové batérie stoja približne 500 dolárov za 1 kWh naakumulovanej energie, potom superkondenzátor stojí len 100 dolárov a do konca roka tvorcovia sľubujú zníženie nákladov na 40 dolárov. Z hľadiska zloženia ide o obyčajný uhlík – jeden z najbežnejších chemických prvkov na Zemi.

3. Kompaktnosť a hustota energie a. Nový grafénový superkondenzátor ohromuje nielen svojou fantastickou kapacitou, ktorá prevyšuje známe vzorky asi tisíckrát, ale aj kompaktnosťou - má veľkosť malej knihy, teda stokrát kompaktnejší ako kondenzátory 1 Farad. v súčasnosti používané.

4. Bezpečnosť a šetrnosť k životnému prostrediu. Sú oveľa bezpečnejšie ako batérie, ktoré sa zahrievajú, obsahujú nebezpečné chemikálie a niekedy dokonca vybuchnú aj samotný grafén je biologicky odbúrateľná látka, čiže na slnku sa jednoducho rozpadne a nekazí životné prostredie. Je chemicky neaktívny a nezaťažuje životné prostredie.

5. Jednoduchosť novej technológie výroby grafénu. Obrovské územia a kapitálové investície, masy robotníkov, toxické a nebezpečné látky používané v technologický postup lítium-iónové batérie sú v ostrom kontraste s úžasnou jednoduchosťou novej technológie. Faktom je, že grafén (teda ten najtenší, monoatomický uhlíkový film) sa v Sunvault vyrába... pomocou obyčajného CD disku, na ktorý sa naleje časť grafitovej suspenzie. Disk sa potom vloží do bežnej DVD mechaniky a napáli sa laserom špeciálny program- a grafénová vrstva je pripravená! Uvádza sa, že tento objav urobil náhodou - študent Maher El-Kadi, ktorý pracoval v laboratóriu chemika Richarda Kanera. Potom napálil disk pomocou softvéru LightScribe, aby vytvoril vrstvu grafénu.
Navyše, ako povedal generálny riaditeľ Sunvault Gary Monahan na konferencii na Wall Street, firma na tom pracuje grafénové zariadenia na ukladanie energie by sa mohli vyrábať konvenčnou tlačou na 3D tlačiarni- a tým bude ich výroba nielen lacná, ale aj prakticky univerzálna. A v kombinácii s lacnými solárnymi panelmi (dnes ich cena klesla na 1,3 dolára za W) dávajú grafénové superkondenzátory miliónom ľudí šancu získať energetickú nezávislosť úplným odpojením od elektrickej siete a ešte viac - stať sa vlastnou elektrinou. dodávateľov a zničením „prirodzených“ monopolov.
Niet teda pochýb: grafén sú superkondenzátory revolučný prelom v oblasti skladovania energie a . A to je pre Elona Muska zlá správa – výstavba závodu v Nevade ho bude stáť približne 5 miliárd dolárov, čo by sa len ťažko vrátilo aj bez takýchto konkurentov. Zdá sa, že zatiaľ čo výstavba závodu v Nevade už prebieha a pravdepodobne bude dokončená, ďalšie tri, ktoré Musk naplánoval, pravdepodobne nebudú dokončené.

Prístup na trh? Nie tak skoro, ako by sme chceli.

Revolučný charakter takejto technológie je zrejmý. Ďalšia vec je nejasná – kedy sa dostane na trh? Už dnes vyzerá objemný a drahý projekt lítium-iónovej Gigafactory Elona Muska ako dinosaurus industrializmu. Akokoľvek však revolučné, potrebné a šetrné k životnému prostrediu Nová technológia, to neznamená, že k nám príde o rok či dva. Svet kapitálu sa nevyhne finančným šokom, no celkom úspešne sa vyhýba tým technologickým. IN podobné prípady Začínajú fungovať zákulisné dohody medzi veľkými investormi a politickými hráčmi. Stojí za pripomenutie, že Sunvault je spoločnosť so sídlom v Kanade a v predstavenstve sú ľudia, ktorí, hoci majú rozsiahle kontakty na politickú elitu Spojených štátov, stále nie sú súčasťou jej petrodolárového jadra, čo je viac-menej zrejmé. boj proti ktorému sa už zrejme začal.
Čo je pre nás najdôležitejšie Príležitosti, ktoré ponúkajú nové energetické technológie: energetická nezávislosť pre krajinu av budúcnosti pre každého z jej občanov. Samozrejme, grafénové superkondenzátory sú skôr „hybridnou“, prechodnou technológiou, ktorá na rozdiel od nich neumožňuje priamu výrobu energie magneto-gravitačné technológie, ktoré sľubujú úplnú zmenu samotnej vedeckej paradigmy a vzhľadu celého sveta. Nakoniec existuje revolučné finančné technológie, ktoré sú vlastne tabuizované globálnou petrodolárovou mafiou. Napriek tomu je to veľmi pôsobivý prielom, o to zaujímavejší, že sa to deje v „brlohu petrodolárovej beštie“ - v Spojených štátoch.
Len pred šiestimi mesiacmi som písal o úspechoch Talianov v technológii studenej fúzie, ale počas tejto doby sme sa dozvedeli o pôsobivej technológii LENR americkej spoločnosti SolarTrends, o prelome nemeckého Gaya-Rosch a teraz o skutočnej revolučná technológia zariadení na ukladanie grafénu. Aj tento krátky zoznam ukazuje, že problém nie je v tom, že naša ani iná vláda nemá možnosť znížiť účty, ktoré dostávame za plyn a elektrinu, a to ani v netransparentnom výpočte taríf.
Koreňom zla je nevedomosť tých, ktorí platia účty, a neochota tých, ktorí ich vydávajú, niečo zmeniť . Len pre obyčajných ľudí je energia elektrina. V skutočnosti je energia vlastného ja sila.

Vedecká publikácia Science informovala o technologickom prelome, ktorý urobili austrálski vedci v oblasti vytvárania superkondenzátorov.

Zamestnancom Monash University so sídlom v Melbourne sa podarilo zmeniť technológiu výroby superkondenzátorov vyrobených z grafénu tak, že výsledné produkty sú komerčne atraktívnejšie ako doteraz existujúce analógy.

Odborníci už dlho hovoria o magických kvalitách superkondenzátorov na báze grafénu a laboratórne testy už neraz presvedčivo dokázali, že sú lepšie ako bežné. Takéto kondenzátory s predponou „super“ očakávajú tvorcovia modernej elektroniky, automobilové spoločnosti a dokonca aj stavitelia alternatívnych zdrojov elektriny atď.

Extrémne dlhý životný cyklus, ako aj schopnosť superkondenzátora nabiť sa v čo najkratšom čase, umožňujú konštruktérom s ich pomocou riešiť zložité konštrukčné problémy. rôzne zariadenia. Ale dovtedy bol triumfálny pochod grafénových kondenzátorov blokovaný ich nízkou špecifickou energiou a... Ionistor alebo superkondenzátor mal v priemere indikátor špecifickej energie rádovo 5–8 Wh/kg, čo na pozadí rýchleho vybíjania spôsobilo, že grafénový produkt bol závislý od potreby veľmi častého nabíjania.

Austrálskym zamestnancom Department of Materials Manufacturing Research z Melbourne pod vedením profesora Dana Leeho sa podarilo zvýšiť špecifickú hustotu energie grafénového kondenzátora 12-krát. Teraz je tento údaj pre nový kondenzátor 60 W*h/kg, a to je už dôvod hovoriť o technickej revolúcii v tejto oblasti. Vynálezcom sa podarilo prekonať problém rýchleho vybíjania grafénového superkondenzátora, čím sa zabezpečilo, že sa teraz vybíja pomalšie ako štandardná batéria.

Technologický objav pomohol vedcom dosiahnuť taký pôsobivý výsledok: vzali adaptívny grafén-gélový film a vytvorili z neho veľmi malú elektródu. Vynálezcovia vyplnili priestor medzi grafénovými plátmi tekutým elektrolytom tak, že medzi nimi vznikla subnanometrová vzdialenosť. Tento elektrolyt je prítomný aj v bežných kondenzátoroch, kde pôsobí ako vodič elektriny. Tu sa stal nielen vodičom, ale aj prekážkou vzájomného kontaktu grafénových plátov. Práve tento krok nám umožnil dosiahnuť viac vysoká hustota kondenzátor pri zachovaní poréznej štruktúry.

Samotná kompaktná elektróda bola vytvorená pomocou technológie, ktorá je známa výrobcom papiera, ktorý všetci poznáme. Táto metóda Je to celkom lacné a jednoduché, čo nám umožňuje byť optimistický ohľadom možnosti komerčnej výroby nových superkondenzátorov.

Novinári sa ponáhľali uistiť svet, že ľudstvo dostalo podnet na vývoj úplne nového elektronické zariadenia. Samotní vynálezcovia ústami profesora Leeho prisľúbili pomôcť grafénovému superkondenzátoru veľmi rýchlo pokryť cestu z laboratória do továrne.

Či sa nám to páči alebo nie, éra elektromobilov sa nezadržateľne blíži. A v súčasnosti len jedna technológia brzdí prelom a prevzatie trhu elektrickými vozidlami, technológiou skladovania elektrickej energie atď. Napriek všetkým úspechom vedcov v tomto smere má väčšina elektrických a hybridných áut vo svojej konštrukcii lítium-iónové batérie, ktoré majú svoje pozitívne aj negatívne stránky a dokážu autu poskytnúť jedno nabitie len na krátku vzdialenosť, postačujúcu len na cestovať v hraniciach mesta. Všetky popredné svetové automobilky chápu tento problém a hľadajú spôsoby, ako zvýšiť efektivitu elektromobilov, čím sa zvýši dojazd na jedno nabitie. batérie.

Jedným zo spôsobov, ako zlepšiť efektivitu elektromobilov, je zhromažďovať a opätovne využívať energiu, ktorá sa pri brzdení auta a pri pohybe auta po nerovnom povrchu vozovky mení na teplo. Metódy na vrátenie takejto energie už boli vyvinuté, ale účinnosť jej zberu a opätovného využitia je extrémne nízka kvôli nízkej prevádzkovej rýchlosti batérií. Časy brzdenia sa zvyčajne merajú v sekundách, čo je príliš rýchle na batérie, ktoré sa nabíjajú hodiny. Preto sú na akumuláciu „rýchlej“ energie potrebné iné prístupy a úložné zariadenia, ktorých úlohou sú s najväčšou pravdepodobnosťou kondenzátory veľká kapacita, takzvané superkondenzátory.

Bohužiaľ, superkondenzátory ešte nie sú pripravené vyraziť na cesty, napriek tomu, že sa dokážu rýchlo nabíjať a vybíjať, ich kapacita je stále relatívne nízka. Okrem toho spoľahlivosť superkondenzátorov tiež nie je veľmi žiaduca; materiály použité v elektródach superkondenzátorov sa neustále ničia v dôsledku opakovaných cyklov nabíjania a vybíjania. A to je ťažko prijateľné vzhľadom na skutočnosť, že počas celej životnosti elektromobilu by počet prevádzkových cyklov superkondenzátorov mal byť mnohomiliónkrát.

Santhakumar Kannappan a skupina jeho kolegov z Inštitútu vedy a techniky v Gwangju v Kórei majú riešenie vyššie uvedeného problému, ktorého základom je jeden z najúžasnejších materiálov našej doby – grafén. Kórejskí výskumníci vyvinuli a vyrobili prototypy vysoko účinných superkondenzátorov na báze grafénu, ktorých kapacitné parametre nie sú horšie ako pri lítium-iónových batériách, ale ktoré sú schopné veľmi rýchlo akumulovať a uvoľniť svoj elektrický náboj. Navyše aj prototypy grafénových superkondenzátorov vydržia mnoho desiatok tisíc prevádzkových cyklov bez straty svojich vlastností.
Trikom na dosiahnutie takýchto pôsobivých výsledkov je získanie špeciálnej formy grafénu, ktorá má obrovskú účinnú plochu. Výskumníci vyrobili túto formu grafénu zmiešaním častíc oxidu grafénu s hydrazínom vo vode a rozdrvením pomocou ultrazvuku. Výsledný grafénový prášok bol zabalený do peliet v tvare disku a sušený pri teplote 140 stupňov Celzia a tlaku 300 kg/cm počas piatich hodín.

Výsledný materiál sa ukázal byť veľmi pórovitý; ​​jeden gram takého grafénového materiálu má účinnú plochu rovnajúcu sa ploche basketbalového ihriska. Okrem toho pórovitý charakter tohto materiálu umožňuje iónovej elektrolytickej kvapaline EBIMF 1 M úplne vyplniť celý objem materiálu, čo vedie k zvýšeniu elektrickej kapacity superkondenzátora.

Merania charakteristík experimentálnych superkondenzátorov ukázali, že ich elektrická kapacita je približne 150 Faradov na gram, hustota akumulácie energie je 64 wattov na kilogram a hustota elektrický prúd rovná 5 ampérom na gram. Všetky tieto vlastnosti sú porovnateľné s vlastnosťami lítium-iónových batérií, ktorých hustota akumulácie energie sa pohybuje od 100 do 200 wattov na kilogram. Tieto superkondenzátory však majú jednu obrovskú výhodu: dokážu úplne nabiť alebo uvoľniť všetok svoj uložený náboj len za 16 sekúnd. A tento čas je doteraz najrýchlejším časom nabíjania a vybíjania.

Tento pôsobivý súbor charakteristík plus jednoduchá výrobná technológia grafénových superkondenzátorov môže odôvodniť tvrdenie výskumníkov, ktorí napísali, že ich „zariadenia na uchovávanie energie grafénových superkondenzátorov sú teraz pripravené na masovú výrobu a mohli by sa objaviť v budúcich generáciách elektrických áut. “

Skupina vedcov z Rice University prispôsobila metódu, ktorú vyvinuli, na výrobu grafénu pomocou lasera na výrobu superkondenzátorových elektród.

Od svojho objavu grafén, forma uhlíka, krištáľová bunka ktorý má okrem iného monatomickú hrúbku, bol považovaný za alternatívu k elektródam s aktívnym uhlím používaným v superkondenzátoroch, kondenzátoroch s vysokou kapacitou a nízkymi zvodovými prúdmi. Čas a výskum však ukázali, že grafénové elektródy nefungujú oveľa lepšie ako mikroporézne elektródy s aktívnym uhlím, čo spôsobilo pokles nadšenia a obmedzenie množstva štúdií.

napriek tomu grafénové elektródy majú niektoré nepopierateľné výhody v porovnaní s poréznymi uhlíkovými elektródami.

Grafénové superkondenzátory môže pracovať pri vyšších frekvenciách a flexibilita grafénu umožňuje vytvárať na jeho základe extrémne tenké a flexibilné zariadenia na ukladanie energie, ktoré sú ideálne vhodné na použitie v nositeľnej a flexibilnej elektronike.

Dve vyššie uvedené výhody grafénových superkondenzátorov podnietili ďalší výskum skupiny vedcov z Rice University. Prispôsobili laserom podporovanú metódu výroby grafénu, ktorú vyvinuli, na výrobu superkondenzátorových elektród.

„To, čo sme dosiahli, je porovnateľné s výkonom mikrosuperkondenzátorov, ktoré sú dostupné na trhu s elektronikou,“ hovorí James Tour, vedec, ktorý viedol výskumný tím. Keď potrebujeme zabaliť grafénové elektródy na dostatočne malú plochu, jednoducho ich zložíme ako list papiera.“

Na výrobu grafénových elektród vedci použili laserová metóda (laserom indukovaná graféma, LIG), v ktorej je silný laserový lúč zameraný na cieľ vyrobený z lacného polymérneho materiálu.

Parametre laserového svetla sú zvolené tak, aby z polyméru vypálili všetky prvky okrem uhlíka, ktorý vzniká vo forme porézneho grafénového filmu. Ukázalo sa, že tento porézny grafén má dostatočne veľkú účinnú povrchovú plochu, čo z neho robí ideálny materiál pre elektródy superkondenzátorov.

To, čo robí zistenia tímu Rice University takými presvedčivými, je jednoduchosť výroby porézneho grafénu.

„Výroba grafénových elektród je veľmi jednoduchá. To si nevyžaduje čistú miestnosť a proces využíva konvenčné priemyselné lasery, ktoré úspešne fungujú v továrenských dielňach a dokonca aj ďalej vonku“ hovorí James Tour.

Okrem jednoduchosti výroby preukázali grafénové superkondenzátory veľmi pôsobivé vlastnosti. Tieto zariadenia na ukladanie energie vydržali tisíce cyklov nabíjania a vybíjania bez straty elektrickej kapacity. Navyše elektrická kapacita takýchto superkondenzátorov zostala prakticky nezmenená po tom, čo sa flexibilný superkondenzátor zdeformoval 8 000 krát za sebou.

„Preukázali sme, že technológia, ktorú sme vyvinuli, môže produkovať tenké a flexibilné superkondenzátory, ktoré sa môžu stať komponentmi flexibilnej elektroniky alebo zdrojov energie pre nositeľnú elektroniku, ktorú možno zabudovať priamo do oblečenia alebo každodenných predmetov,“ povedal James Tour.

Ľudia najprv používali kondenzátory na skladovanie elektriny. Potom, keď elektrotechnika prekročila hranice laboratórnych experimentov, boli vynájdené batérie, ktoré sa stali hlavným prostriedkom na uchovávanie elektrickej energie. Ale na začiatku 21. storočia sa opäť navrhuje používať kondenzátory na napájanie elektrických zariadení. Ako je to možné a stanú sa batérie konečne minulosťou?

Dôvodom, prečo boli kondenzátory nahradené batériami, bolo podstatne väčšie množstvo elektriny, ktoré sú schopné akumulovať. Ďalším dôvodom je, že počas vybíjania sa napätie na výstupe batérie mení len veľmi málo, takže stabilizátor napätia buď nie je potrebný, alebo môže mať veľmi jednoduchú konštrukciu.

Hlavný rozdiel medzi kondenzátormi a batériami je v tom, že kondenzátory priamo ukladajú elektrický náboj, zatiaľ čo batérie premieňajú elektrickú energiu na chemickú energiu, ukladajú ju a potom premieňajú chemickú energiu späť na elektrickú energiu.

Pri energetických premenách sa časť z nej stráca. Preto aj tie najlepšie batérie majú účinnosť nie vyššiu ako 90%, zatiaľ čo pre kondenzátory môže dosiahnuť 99%. Intenzita chemických reakcií závisí od teploty, takže batérie fungujú v chladnom počasí výrazne horšie ako pri izbovej teplote. Navyše chemické reakcie v batériách nie sú úplne reverzibilné. Z toho vyplýva malý počet cyklov nabitia a vybitia (rádovo tisíce, najčastejšie je životnosť batérie okolo 1000 cyklov nabitia a vybitia), ako aj „pamäťový efekt“. Pripomeňme, že „pamäťový efekt“ spočíva v tom, že batéria musí byť vždy vybitá na určité množstvo naakumulovanej energie, potom bude jej kapacita maximálna. Ak v nej po vybití zostane viac energie, tak kapacita batérie bude postupne klesať. „Pamäťový efekt“ je charakteristický pre takmer všetky komerčne vyrábané typy batérií, okrem kyslých (vrátane ich odrôd - gél a AGM). Hoci sa všeobecne uznáva, že lítium-iónové a lítium-polymérové ​​batérie ho nemajú, v podstate ho tiež majú, len sa to prejavuje v menšej miere ako u iných typov. Kyselinové batérie vykazujú efekt sulfatácie platní, čo spôsobuje nezvratné poškodenie zdroja energie. Jedným z dôvodov je, že batéria zostáva dlhodobo v stave nabitia pod 50 %.

Čo sa týka alternatívnej energie, „pamäťový efekt“ a sulfatácia platní sú vážnymi problémami. Faktom je, že dodávky energie zo zdrojov, ako sú solárne panely a veterné turbíny, je ťažké predpovedať. Výsledkom je, že nabíjanie a vybíjanie batérií prebieha chaoticky, v neoptimálnom režime.

Pre moderný rytmus života sa ukazuje ako absolútne neprijateľné, aby sa batérie museli nabíjať niekoľko hodín. Ako si napríklad predstavujete jazdu na dlhú vzdialenosť v elektromobile, ak vás vybitá batéria drží na mieste nabíjania niekoľko hodín? Rýchlosť nabíjania batérie je obmedzená rýchlosťou chemických procesov, ktoré v nej prebiehajú. Dobu nabíjania môžete skrátiť na 1 hodinu, ale nie na niekoľko minút. Zároveň je rýchlosť nabíjania kondenzátora obmedzená iba maximálnym prúdom poskytovaným nabíjačkou.

Uvedené nevýhody batérií spôsobili, že je nevyhnutné namiesto toho použiť kondenzátory.

Použitie elektrickej dvojitej vrstvy

Po mnoho desaťročí mali najvyššiu kapacitu elektrolytické kondenzátory. V nich bola jedna z dosiek kovová fólia, druhá bola elektrolyt a izolácia medzi doskami bola z oxidu kovu, ktorý pokryl fóliu. V prípade elektrolytických kondenzátorov môže kapacita dosiahnuť stotiny farada, čo nestačí na úplnú výmenu batérie.

Veľkú kapacitu, meranú v tisíckach farad, možno dosiahnuť kondenzátormi založenými na takzvanej elektrickej dvojvrstve. Princíp ich fungovania je nasledovný. Elektrická dvojvrstva vzniká za určitých podmienok na rozhraní látok v tuhej a kvapalnej fáze. Vytvárajú sa dve vrstvy iónov s nábojmi opačných znamienok, ale rovnakej veľkosti. Ak situáciu veľmi zjednodušíme, vytvorí sa kondenzátor, ktorého „dosky“ sú naznačené vrstvy iónov, pričom vzdialenosť medzi nimi sa rovná niekoľkým atómom.

Kondenzátory založené na tomto efekte sa niekedy nazývajú ionistory. V skutočnosti sa týmto pojmom neoznačujú len kondenzátory, v ktorých je uložený elektrický náboj, ale aj iné zariadenia na ukladanie elektriny - s čiastočnou premenou elektrickej energie na chemickú spolu s ukladaním elektrického náboja (hybridný ionistor), ako aj na batérie na báze dvojitej elektrickej vrstvy (tzv. pseudokondenzátory). Preto je vhodnejší termín „superkondenzátory“. Niekedy sa namiesto toho používa identický výraz „ultrakondenzátor“.

Technická realizácia

Superkondenzátor pozostáva z dvoch platní z aktívneho uhlia naplnených elektrolytom. Medzi nimi je membrána, ktorá umožňuje prechod elektrolytu, ale bráni fyzickému pohybu častíc aktívneho uhlia medzi doskami.

Treba poznamenať, že samotné superkondenzátory nemajú žiadnu polaritu. V tom sa zásadne líšia od elektrolytických kondenzátorov, ktoré sa spravidla vyznačujú polaritou, ktorej nedodržanie vedie k poruche kondenzátora. Polarita sa však aplikuje aj na superkondenzátory. Je to spôsobené tým, že superkondenzátory opúšťajú výrobnú montážnu linku už nabité a označenie označuje polaritu tohto náboja.

Parametre superkondenzátora

Maximálna kapacita jednotlivého superkondenzátora, dosiahnutá v čase písania článku, je 12 000 F. U sériovo vyrábaných superkondenzátorov nepresahuje 3 000 F. Maximálne prípustné napätie medzi doskami nepresahuje 10 V. Pre komerčne vyrábané superkondenzátory tento údaj sa spravidla pohybuje v rozmedzí 2. 3 – 2,7 V. Nízke prevádzkové napätie vyžaduje použitie meniča napätia s funkciou stabilizátora. Faktom je, že počas vybíjania sa napätie na doskách kondenzátora mení v širokom rozsahu. Zostrojenie meniča napätia na pripojenie záťaže a nabíjačky je netriviálna úloha. Povedzme, že potrebujete napájať 60W záťaž.

Pre zjednodušenie úvahy o problematike zanedbáme straty v meniči napätia a stabilizátore. Ak pracujete s bežnou 12 V batériou, potom musí riadiaca elektronika vydržať prúd 5 A. Takéto elektronické zariadenia sú rozšírené a lacné. Úplne iná situácia ale nastáva pri použití superkondenzátora, ktorého napätie je 2,5 V. Vtedy môže prúd pretekajúci elektronickými súčiastkami meniča dosiahnuť 24 A, čo si vyžaduje nové prístupy k obvodovej technike a modernú základňu prvkov. Práve zložitosť stavby meniča a stabilizátora môže vysvetliť fakt, že superkondenzátory, ktorých sériová výroba sa začala v 70. rokoch 20. storočia, sa až teraz začali vo veľkom využívať v rôznych oblastiach.

Superkondenzátory môžu byť zapojené do batérií pomocou sériového alebo paralelného zapojenia. V prvom prípade sa zvyšuje maximálne prípustné napätie. V druhom prípade - kapacita. Zvýšenie maximálneho povoleného napätia týmto spôsobom je jedným zo spôsobov, ako vyriešiť problém, ale budete za to musieť zaplatiť znížením kapacity.

Rozmery superkondenzátorov prirodzene závisia od ich kapacity. Typický superkondenzátor s kapacitou 3000 F je valec s priemerom asi 5 cm a dĺžkou 14 cm S kapacitou 10 F má superkondenzátor rozmery porovnateľné s ľudským nechtom.

Dobré superkondenzátory dokážu vydržať státisíce cyklov nabíjania a vybíjania, pričom v tomto parametri prevyšujú batérie asi 100-krát. Ale podobne ako elektrolytické kondenzátory, aj superkondenzátory čelia problému starnutia v dôsledku postupného úniku elektrolytu. Doposiaľ neboli nazhromaždené kompletné štatistiky o poruchovosti superkondenzátorov z tohto dôvodu, ale podľa nepriamych údajov možno životnosť superkondenzátorov odhadnúť približne na 15 rokov.

Akumulovaná energia

Množstvo energie uloženej v kondenzátore vyjadrené v jouloch:

kde C je kapacita vyjadrená vo faradoch, U je napätie na doskách vyjadrené vo voltoch.

Množstvo energie uloženej v kondenzátore, vyjadrené v kWh, je:

Kondenzátor s kapacitou 3000 F s napätím medzi doskami 2,5 V je teda schopný uložiť iba 0,0026 kWh. Ako sa to dá porovnať napríklad s lítium-iónovou batériou? Ak vezmeme jej výstupné napätie nezávislé od stupňa vybitia a rovná sa 3,6 V, potom sa v lítium-iónovej batérii s kapacitou 0,72 Ah uloží množstvo energie 0,0026 kWh. Bohužiaľ, veľmi skromný výsledok.

Aplikácia superkondenzátorov

V systémoch núdzového osvetlenia je použitie superkondenzátorov namiesto batérií skutočným rozdielom. V skutočnosti je to práve táto aplikácia, ktorá sa vyznačuje nerovnomerným vybíjaním. Okrem toho je žiaduce, aby sa núdzové svietidlo rýchlo nabilo a aby v ňom použitý záložný zdroj mal väčšiu spoľahlivosť. Záložný zdroj na báze superkondenzátora môže byť integrovaný priamo do LED lampy T8. Takéto svietidlá už vyrába množstvo čínskych spoločností.

Ako už bolo uvedené, vývoj superkondenzátorov je z veľkej časti spôsobený záujmom o alternatívne zdroje energie. Ale praktická aplikácia je stále obmedzená na LED lampy, ktoré prijímajú energiu zo slnka.

Použitie superkondenzátorov na spustenie elektrických zariadení sa aktívne rozvíja.

Superkondenzátory sú schopné dodať veľké množstvo energie v krátkom čase. Napájaním elektrického zariadenia pri štarte zo superkondenzátora možno znížiť špičkové zaťaženie elektrickej siete a v konečnom dôsledku možno znížiť rozpätie nábehového prúdu, čím sa dosiahnu obrovské úspory nákladov.

Spojením niekoľkých superkondenzátorov do batérie môžeme dosiahnuť kapacitu porovnateľnú s batériami používanými v elektromobiloch. Ale táto batéria bude vážiť niekoľkonásobne viac ako batéria, čo je pre vozidlá neprijateľné. Problém možno vyriešiť použitím superkondenzátorov na báze grafénu, tie však v súčasnosti existujú len ako prototypy. Sľubná verzia slávneho Yo-mobilu, poháňaná len elektrinou, však bude ako zdroj energie využívať superkondenzátory novej generácie, ktoré vyvíjajú ruskí vedci.

Superkondenzátorom prospeje aj výmena batérií v bežných benzínových či naftových vozidlách – ich použitie v takýchto vozidlách je už realitou.

Medzitým za najúspešnejší z realizovaných projektov na zavedenie superkondenzátorov možno považovať nové trolejbusy ruskej výroby, ktoré nedávno vyšli do ulíc Moskvy. Pri prerušení dodávky napätia do kontaktnej siete alebo pri „odletení zberačov prúdu“ môže trolejbus jazdiť nízkou rýchlosťou (asi 15 km/h) niekoľko stoviek metrov na miesto, kde nebude prekážať premávke. na ceste. Zdrojom energie pre takéto manévre je batéria superkondenzátorov.

Vo všeobecnosti môžu superkondenzátory v súčasnosti vytláčať batérie iba v určitých „výklenkoch“. Technológia sa však rýchlo rozvíja, čo nám umožňuje očakávať, že v blízkej budúcnosti sa rozsah použitia superkondenzátorov výrazne rozšíri.

Alexej Vasiliev

Elektrická kapacita zemegule, ako je známa z kurzov fyziky, je približne 700 μF. Obyčajný kondenzátor tejto kapacity sa dá hmotnosťou a objemom porovnať s tehlou. Existujú však aj kondenzátory s elektrickou kapacitou zemegule, čo sa veľkosti rovná zrnku piesku – superkondenzátory.

Takéto zariadenia sa objavili relatívne nedávno, asi pred dvadsiatimi rokmi. Nazývajú sa rôzne: ionistory, ionixy alebo jednoducho superkondenzátory.

Nemyslite si, že sú dostupné len niektorým vysoko lietajúcim leteckým firmám. Dnes si môžete v obchode kúpiť ionistor o veľkosti mince a kapacite jedného farada, čo je 1500-krát viac ako kapacita zemegule a blíži sa kapacite najväčšej planéty slnečnej sústavy – Jupitera.

Akýkoľvek kondenzátor uchováva energiu. Aby sme pochopili, aká veľká alebo malá je energia uložená v superkondenzátore, je dôležité ju s niečím porovnať. Tu je trochu nezvyčajný, ale jasný spôsob.

Energia obyčajného kondenzátora stačí na to, aby skočil asi meter a pol. Malý superkondenzátor typu 58-9V s hmotnosťou 0,5 g, nabitý napätím 1 V, mohol vyskočiť do výšky 293 m!

Niekedy si myslia, že ionistory dokážu nahradiť akúkoľvek batériu. Novinári zobrazili budúci svet tichými elektrickými vozidlami poháňanými superkondenzátormi. To sa však ešte ani zďaleka nedeje. Ionistor s hmotnosťou jeden kg je schopný akumulovať 3000 J energie a najhoršia olovená batéria je 86 400 J - 28-krát viac. Pri dodávaní vysokého výkonu v krátkom čase sa však batéria rýchlo kazí a je vybitá len do polovice. Ionistor opakovane a bez ujmy na sebe vydáva akúkoľvek energiu, pokiaľ to spojovacie vodiče vydržia. Superkondenzátor je navyše možné nabiť v priebehu niekoľkých sekúnd, pričom batéria na to zvyčajne potrebuje hodiny.

To určuje rozsah použitia ionistora. Je dobrý ako zdroj energie pre zariadenia, ktoré krátkodobo, ale pomerne často spotrebúvajú veľa energie: elektronické zariadenia, baterky, štartéry do áut, elektrické zbíjačky. Ionistor môže mať tiež vojenské využitie ako zdroj energie pre elektromagnetické zbrane. A v kombinácii s malou elektrárňou umožňuje ionistor vytvárať autá s elektrickým pohonom kolies a spotrebou paliva 1-2 litre na 100 km.

Ionistory pre široký rozsah kapacít a prevádzkových napätí sú k dispozícii na predaj, ale sú dosť drahé. Ak teda máte čas a záujem, môžete si vyskúšať vyrobiť ionistor sami. Ale pred uvedením konkrétnej rady trochu teórie.

Z elektrochémie je známe: keď sa kov ponorí do vody, vytvorí sa na jeho povrchu takzvaná dvojitá elektrická vrstva pozostávajúca z protiľahlých elektrické náboje- ióny a elektróny. Pôsobia medzi nimi vzájomné príťažlivé sily, ale náboje sa k sebe nemôžu priblížiť. Tomu bránia príťažlivé sily molekúl vody a kovu. Elektrická dvojvrstva vo svojom jadre nie je nič iné ako kondenzátor. Náboje sústredené na jeho povrchu pôsobia ako platne. Vzdialenosť medzi nimi je veľmi malá. A ako viete, kapacita kondenzátora sa zvyšuje so znižovaním vzdialenosti medzi jeho doskami. Preto napríklad kapacita obyčajného oceľového lúča ponoreného do vody dosahuje niekoľko mF.

Ionistor sa v podstate skladá z dvoch elektród s veľmi veľkou plochou ponorených do elektrolytu, na povrchu ktorých sa vplyvom privedeného napätia vytvorí dvojitá elektrická vrstva. Pravda, pri použití obyčajných plochých platní by bolo možné získať kapacitu len niekoľko desiatok mF. Na získanie veľkých kapacít charakteristických pre ionistory používajú elektródy vyrobené z poréznych materiálov, ktoré majú veľký povrch pórov s malými vonkajšími rozmermi.

Pre túto úlohu boli kedysi skúšané kovy z huby od titánu po platinu. Neporovnateľne lepší bol však... obyčajný aktívny uhlík. Ide o drevené uhlie, ktoré sa po špeciálnej úprave stáva pórovitým. Plocha pórov 1 cm3 takéhoto uhlia dosahuje tisíc metrov štvorcových a kapacita dvojitej elektrickej vrstvy na nich je desať farád!

Podomácky vyrobený ionistor Obrázok 1 ukazuje dizajn ionistora. Pozostáva z dvoch kovových platní pritlačených k „náplni“ aktívneho uhlia. Uhlie je uložené v dvoch vrstvách, medzi ktorými je tenká separačná vrstva látky, ktorá nevedie elektróny. To všetko je napustené elektrolytom.

Pri nabíjaní ionistora sa v jednej polovici uhlíkových pórov vytvorí dvojitá elektrická vrstva s elektrónmi na povrchu a v druhej polovici s kladnými iónmi. Po nabití začnú ióny a elektróny prúdiť k sebe. Keď sa stretnú, vytvoria sa neutrálne atómy kovu a nahromadený náboj sa zníži a časom môže úplne zmiznúť.

Aby sa tomu zabránilo, medzi vrstvy aktívneho uhlia sa vkladá separačná vrstva. Môže pozostávať z rôznych tenkých plastových fólií, papiera a dokonca aj vaty.
V amatérskych ionizátoroch je elektrolytom 25% roztok kuchynskej soli alebo 27% roztok KOH. (Pri nižších koncentráciách sa na kladnej elektróde nevytvorí vrstva záporných iónov.)

Ako elektródy sa používajú medené platne s predspájkovanými drôtmi. Ich pracovné plochy by mali byť očistené od oxidov. V tomto prípade je vhodné použiť hrubý brúsny papier, ktorý zanecháva škrabance. Tieto škrabance zlepšia priľnavosť uhlia k medi. Pre dobrú priľnavosť je potrebné dosky odmastiť. Odmasťovanie platní prebieha v dvoch stupňoch. Najprv sa umyjú mydlom a potom sa rozotrie zubným práškom a umyjú sa prúdom vody. Potom by ste sa ich nemali dotýkať prstami.

Aktívne uhlie, zakúpené v lekárni, sa rozomelie v mažiari a zmieša sa s elektrolytom, čím vznikne hustá pasta, ktorá sa rozotrie na dôkladne odmastené platne.

Pri prvom teste sa dosky s papierovým tesnením položia na seba, potom sa pokúsime nabiť. Ale je tu jemnosť. Keď je napätie vyššie ako 1 V, začne sa uvoľňovať plyn H2 a O2. Ničia uhlíkové elektródy a nedovoľujú, aby naše zariadenie fungovalo v režime kondenzátor-ionistor.

Preto ho musíme nabíjať zo zdroja s napätím nie vyšším ako 1 V. (Toto je napätie pre každý pár platní, ktoré je odporúčané pre prevádzku priemyselných ionistorov.)

Podrobnosti pre zvedavcov

Pri napätí vyššom ako 1,2 V sa ionistor zmení na plynovú batériu. Ide o zaujímavé zariadenie, tiež pozostávajúce z aktívneho uhlia a dvoch elektród. Ale konštrukčne je riešený inak (viď obr. 2). Zvyčajne vezmite dve uhlíkové tyče zo starého galvanického článku a okolo nich priviažte gázové vrecká s aktívnym uhlím. Roztok KOH sa používa ako elektrolyt. (Nesmie sa používať roztok kuchynskej soli, pretože pri jej rozklade sa uvoľňuje chlór.)

Energetická náročnosť plynovej batérie dosahuje 36 000 J/kg, čiže 10 Wh/kg. To je 10-krát viac ako ionistor, ale 2,5-krát menej ako bežná olovená batéria. Plynová batéria však nie je len batéria, ale veľmi unikátny palivový článok. Pri jeho nabíjaní sa na elektródach uvoľňujú plyny – kyslík a vodík. „Usadzujú sa“ na povrchu aktívneho uhlia. Keď sa objaví zaťažovací prúd, sú spojené, aby vytvorili vodu a elektrický prúd. Tento proces však bez katalyzátora prebieha veľmi pomaly. A ako sa ukázalo, katalyzátorom môže byť len platina... Plynová batéria preto na rozdiel od ionistora nedokáže produkovať vysoké prúdy.

Moskovský vynálezca A.G. Presnyakov (http://chemfiles.narod.r u/hit/gas_akk.htm) úspešne použil plynovú batériu na naštartovanie motora nákladného auta. Jeho značná váha – takmer trikrát väčšia ako zvyčajne – sa v tomto prípade ukázala ako znesiteľná. Ale nízka cena a absencia škodlivých materiálov, ako sú kyselina a olovo, sa zdali mimoriadne atraktívne.

Plynová batéria najjednoduchšieho dizajnu sa ukázala byť náchylná na úplné samovybitie za 4-6 hodín. Tým sa experimenty skončili. Kto potrebuje auto, ktoré sa po zaparkovaní cez noc nedá naštartovať?

A napriek tomu „veľká technológia“ nezabudla na plynové batérie. Výkonné, ľahké a spoľahlivé, nachádzajú sa na niektorých satelitoch. Proces v nich prebieha pod tlakom asi 100 atm a ako pohlcovač plynu sa používa hubovitý nikel, ktorý za takýchto podmienok pôsobí ako katalyzátor. Celé zariadenie je uložené v ultraľahkom valci z uhlíkových vlákien. Výsledné batérie majú energetickú kapacitu takmer 4-krát vyššiu ako olovené batérie. Elektromobil by na nich mohol prejsť približne 600 km. Ale, bohužiaľ, sú stále veľmi drahé.