Ljudje so najprej uporabili kondenzatorje za shranjevanje električne energije. Potem, ko je elektrotehnika presegla laboratorijske poskuse, so bile izumljene baterije, ki so postale glavno sredstvo za shranjevanje električne energije. Toda na začetku 21. stoletja se ponovno predlaga uporaba kondenzatorjev za napajanje električne opreme. Kako mogoče je to in ali bodo baterije končno postale preteklost?

Razlog, da so kondenzatorje zamenjali z baterijami, je v bistveno večjih količinah električne energije, ki so jo sposobni shraniti. Drugi razlog je, da se med praznjenjem napetost na izhodu akumulatorja zelo malo spremeni, tako da stabilizator napetosti bodisi ni potreben ali pa je lahko zelo preprost.

Glavna razlika med kondenzatorji in baterijami je v tem, da kondenzatorji neposredno shranjujejo električni naboj, medtem ko baterije pretvorijo električno energijo v kemično energijo, jo shranijo in nato pretvorijo kemično energijo nazaj v električno.

Med transformacijami energije se del le-te izgubi. Zato imajo tudi najboljše baterije učinkovitost največ 90%, medtem ko lahko pri kondenzatorjih doseže 99%. Intenzivnost kemičnih reakcij je odvisna od temperature, zato se baterije v hladnem vremenu obnesejo opazno slabše kot pri sobni temperaturi. Poleg tega kemične reakcije v baterijah niso povsem reverzibilne. Od tod majhno število ciklov polnjenja in praznjenja (približno na tisoče, najpogosteje je življenjska doba baterije približno 1000 ciklov polnjenja in praznjenja), pa tudi "spominski učinek". Spomnimo se, da je "spominski učinek" ta, da mora biti baterija vedno izpraznjena do določene količine akumulirane energije, potem bo njena zmogljivost največja. Če po izpraznitvi v njem ostane več energije, se bo zmogljivost baterije postopoma zmanjšala. "Učinek spomina" je značilen za skoraj vse komercialno proizvedene vrste baterij, razen kislinskih (vključno z njihovimi sortami - gel in AGM). Čeprav je splošno sprejeto, da litij-ionski in litijeve polimerne baterije ni značilen, pravzaprav ga imajo tudi oni, le manifestira se v manjši meri kot pri drugih tipih. Kar zadeva kislinske baterije, imajo učinek ploščate sulfatizacije, ki povzroči nepopravljivo škodo na viru energije. Eden od razlogov je, da je baterija dolgo časa napolnjena pod 50 %.

V zvezi z alternativno energijo sta "spominski učinek" in sulfatizacija plošč resna problema. Dejstvo je, da je oskrba z energijo iz virov kot npr sončni kolektorji in vetrne turbine je težko predvideti. Posledično se polnjenje in praznjenje baterij odvija kaotično, v neoptimalnem načinu.

Za sodoben ritem življenja se izkaže za popolnoma nesprejemljivo, da je treba baterije polniti več ur. Kako si na primer predstavljate vožnjo na dolge razdalje z električnim vozilom, če ste zaradi prazne baterije več ur obtičali na polnilnem mestu? Hitrost polnjenja baterije je omejena s hitrostjo kemičnih procesov, ki potekajo v njej. Čas polnjenja lahko skrajšate na 1 uro, vendar ne na nekaj minut. Hkrati je hitrost polnjenja kondenzatorja omejena le z največjim tokom, ki ga zagotavlja polnilnik.

Naštete pomanjkljivosti baterij so povzročile nujnost uporabe kondenzatorjev namesto njih.

Uporaba dvojnega električnega sloja

Dolga desetletja so imeli največjo kapaciteto elektrolitski kondenzatorji. Pri njih je bila ena od plošč kovinska folija, druga elektrolit, izolacija med ploščama pa kovinski oksid, ki je prevlekel folijo. Pri elektrolitskih kondenzatorjih lahko zmogljivost doseže stotinke farada, kar ni dovolj za popolno zamenjavo baterije.

Primerjava modelov različni tipi kondenzatorji (Vir: Wikipedia)

Veliko kapacitivnost, merjeno v tisočih faradih, lahko dosežemo s kondenzatorji na osnovi tako imenovane dvojne električne plasti. Načelo njihovega delovanja je naslednje. Na meji snovi v trdni in tekoči fazi se pod določenimi pogoji pojavi dvojna električna plast. Nastaneta dve plasti ionov z naboji nasprotnih predznakov, vendar enakih velikosti. Če zelo poenostavimo situacijo, se oblikuje kondenzator, katerega "plošče" so označene plasti ionov, katerih razdalja je enaka več atomom.

Superkondenzatorji različnih kapacitet proizvaja Maxwell

Kondenzatorje, ki temeljijo na tem učinku, včasih imenujemo ionistorji. Pravzaprav se ta izraz ne nanaša samo na kondenzatorje, v katerih je shranjen električni naboj, temveč tudi na druge naprave za shranjevanje električne energije – z delno pretvorbo električne energije v kemično energijo ob shranjevanju električnega naboja (hibridni ionistor), kot tudi za baterije na osnovi dvojne električne plasti (tako imenovani psevdokondenzatorji). Zato je izraz "superkondenzatorji" bolj primeren. Včasih se namesto tega uporablja enak izraz "ultracapacitor".

Tehnična izvedba

Superkondenzator je sestavljen iz dveh plošč aktivnega oglja, napolnjenih z elektrolitom. Med njimi je membrana, ki prepušča elektrolit, vendar preprečuje fizično premikanje delcev aktivnega oglja med ploščama.

Treba je opozoriti, da sami superkondenzatorji nimajo polarnosti. V tem se bistveno razlikujejo od elektrolitskih kondenzatorjev, za katere je praviloma značilna polarnost, neupoštevanje katere vodi do okvare kondenzatorja. Vendar pa polarnost velja tudi za superkondenzatorje. To je posledica dejstva, da superkondenzatorji zapustijo tovarniško tekočo linijo že napolnjeni, oznaka pa označuje polarnost tega naboja.

Parametri superkondenzatorja

Največja zmogljivost posameznega superkondenzatorja, dosežena v času pisanja, je 12.000 F. Za serijsko proizvedene superkondenzatorje ne presega 3.000 F. Največja dovoljena napetost med ploščama ne presega 10 V. Za komercialno proizvedene superkondenzatorje ta številka je praviloma znotraj 2,3 - 2,7 V. Nizka delovna napetost zahteva uporabo napetostnega pretvornika s funkcijo stabilizatorja. Dejstvo je, da se med praznjenjem napetost na ploščah kondenzatorja spreminja v širokem razponu. Izdelava napetostnega pretvornika za povezavo bremena in polnilec so netrivialna naloga. Recimo, da morate napajati 60 W obremenitev.

Da bi poenostavili obravnavo vprašanja, bomo zanemarili izgube v napetostnem pretvorniku in stabilizatorju. V primeru, da delate z običajna baterija z napetostjo 12 V, potem mora krmilna elektronika prenesti tok 5 A. Takšne elektronske naprave so razširjene in poceni. Toda povsem drugačna situacija nastane pri uporabi superkondenzatorja, katerega napetost je 2,5 V. Potem lahko tok, ki teče skozi elektronske komponente pretvornika, doseže 24 A, kar zahteva nove pristope k tehnologiji vezja in sodobno elementno bazo. Prav težava pri izdelavi pretvornika in stabilizatorja lahko pojasni dejstvo, da superkondenzatorji, serijska proizvodnja ki so se začele že v 70. letih 20. stoletja, so se šele sedaj začele množično uporabljati na najrazličnejših področjih.

Shematski diagram vir brezprekinitveno napajanje
napetosti na superkondenzatorjih so izvedene glavne komponente
na enem mikrovezju, ki ga proizvaja LinearTechnology

Superkondenzatorje lahko povežemo v baterije s serijsko ali vzporedno povezavo. V prvem primeru se največja dovoljena napetost poveča. V drugem primeru - zmogljivost. Povečanje največje dovoljene napetosti na ta način je eden od načinov za rešitev problema, vendar ga boste morali plačati z zmanjšanjem kapacitivnosti.

Dimenzije superkondenzatorjev so seveda odvisne od njihove kapacitete. Tipičen superkondenzator s kapaciteto 3000 F je valj s premerom približno 5 cm in dolžino 14 cm, s kapaciteto 10 F ima superkondenzator dimenzije, primerljive s človeškim nohtom.

Dobri superkondenzatorji lahko prenesejo več sto tisoč ciklov polnjenja in praznjenja in v tem parametru presegajo baterije za približno 100-krat. Toda tako kot elektrolitski kondenzatorji se superkondenzatorji soočajo s problemom staranja zaradi postopnega uhajanja elektrolita. Do zdaj ni bilo zbranih popolnih statističnih podatkov o okvarah superkondenzatorjev iz tega razloga, vendar je po posrednih podatkih življenjska doba superkondenzatorjev približno ocenjena na 15 let.

Akumulirana energija

Količina energije, shranjene v kondenzatorju, izražena v joulih:

E = CU 2 /2,
kjer je C kapacitivnost, izražena v faradih, U je napetost na ploščah, izražena v voltih.

Količina energije, shranjene v kondenzatorju, izražena v kWh, je:

W = CU 2 /7200000

Zato lahko kondenzator s kapaciteto 3000 F z napetostjo med ploščama 2,5 V shrani le 0,0026 kWh. Kakšno je to v primerjavi z na primer litij-ionsko baterijo? Če ga sprejmeš izhodna napetost neodvisno od stopnje izpraznjenosti in enaka 3,6 V, potem bo količina energije 0,0026 kWh shranjena v litij-ionski bateriji s kapaciteto 0,72 Ah. Žal, zelo skromen rezultat.

Uporaba superkondenzatorjev

Sistemi zasilne razsvetljave so tisti, kjer uporaba superkondenzatorjev namesto baterij naredi resnično razliko. Pravzaprav je ravno za to aplikacijo značilno neenakomerno praznjenje. Poleg tega je zaželeno, da se zasilna svetilka hitro napolni in da ima rezervni vir energije, ki se uporablja v njej, večjo zanesljivost. Rezervni vir energije na osnovi superkondenzatorja je mogoče integrirati neposredno v LED svetilka T8. Takšne svetilke že proizvajajo številna kitajska podjetja.

Ozemljitvena LED lučka z napajanjem
iz sončnih kolektorjev, shranjevanje energije
pri katerem se izvaja v superkondenzatorju

Kot smo že omenili, je razvoj superkondenzatorjev v veliki meri posledica zanimanja za alternativne vire energije. Ampak praktično uporabo doslej omejeno na LED sijalke, ki energijo prejemajo od sonca.

Uporaba superkondenzatorjev za zagon električne opreme se aktivno razvija.

Superkondenzatorji so sposobni zagotoviti velike količine energije v kratkem času. Z napajanjem električne opreme ob zagonu iz superkondenzatorja je mogoče zmanjšati konične obremenitve električnega omrežja in navsezadnje zmanjšati rezervo zagonskega toka, s čimer dosežemo velike prihranke pri stroških.

Z združitvijo več superkondenzatorjev v baterijo lahko dosežemo kapaciteto, primerljivo z baterijami, ki se uporabljajo v električnih vozilih. Toda ta baterija bo tehtala nekajkrat več kot baterija, kar je nesprejemljivo za vozila. Težavo je mogoče rešiti z uporabo superkondenzatorjev na osnovi grafena, ki pa trenutno obstajajo le kot prototipi. Bo pa obetavna različica slovitega Yo-mobila, ki ga poganja le elektrika, kot vir energije uporabljala superkondenzatorje nove generacije, ki jih razvijajo ruski znanstveniki.

Superkondenzatorji bodo koristili tudi zamenjavi baterij v klasičnih bencinskih ali dizelskih vozilih – njihova uporaba v takih vozilih je že realnost.

Medtem se lahko najuspešnejši od izvedenih projektov za uvedbo superkondenzatorjev šteje za nove ruske trolejbuse, ki so se pred kratkim pojavili na ulicah Moskve. Ob prekinitvi dovoda napetosti v kontaktno omrežje ali ko »odletijo« tokovni odjemniki, lahko trolejbus z nizko hitrostjo (približno 15 km/h) potuje nekaj sto metrov do mesta, kjer ne bo oviral prometa. na poti. Vir energije za takšne manevre je baterija superkondenzatorjev.

Na splošno lahko za zdaj superkondenzatorji izpodrinejo baterije le v določenih "nišah". Toda tehnologija se hitro razvija, kar nam omogoča, da pričakujemo, da se bo v bližnji prihodnosti obseg uporabe superkondenzatorjev znatno razširil.

Superkondenzator ali ionistor je naprava za shranjevanje energijskih mas, kopičenje naboja se pojavi na meji med elektrodo in elektrolitom. Koristna količina energije je shranjena kot statični naboj. Kumulativni proces se zmanjša na interakcijo z konstantna napetost, ko ionistor prejme potencialno razliko na svojih ploščah. Tehnološka izvedba, pa tudi sama zamisel o ustvarjanju takšnih naprav, sta se pojavila relativno nedavno, vendar ju je uspelo eksperimentalno uporabiti za rešitev določenega števila težav. Del lahko nadomesti trenutne vire kemičnega izvora, saj je rezervno ali glavno sredstvo za napajanje v urah, kalkulatorjih in različnih mikrovezjih.

Osnovna zasnova kondenzatorja je sestavljena iz plošče, katere material je folija, omejena s suho ločilno snovjo. Ionistor je sestavljen iz številnih kondenzatorjev s polnilnikom elektrokemičnega tipa. Za njegovo proizvodnjo se uporabljajo posebni elektroliti. Obloge so lahko več vrst. Aktivno oglje se uporablja za izdelavo velikih oblog. Uporabijo se lahko tudi kovinski oksidi in polimerni materiali z visoko prevodnostjo. Za doseganje zahtevane kapacitivne gostote je priporočljiva uporaba visoko poroznih ogljikovih materialov. Poleg tega vam ta pristop omogoča izdelavo ionistorja po izjemno nizki ceni. Takšni deli spadajo v kategorijo DLC kondenzatorjev, ki kopičijo naboj v dvojnem predelu, oblikovanem na plošči.

Za konstrukcijsko rešitev, ko je ionistor kombiniran z bazo vodnega elektrolita, je značilna nizka upornost notranjih elementov, medtem ko je polnilna napetost omejena na 1 V. Uporaba organskih vodnikov zagotavlja napetostne nivoje približno 2...3 V in povečana odpornost.

Elektronska vezja delujejo z višjo porabo energije. Rešitev tega problema je povečanje števila uporabljenih točk moči. Ionistor ni nameščen samo en, ampak v količini 3-4 kosov, kar daje zahtevano količino naboja.

V primerjavi z nikelj-metal-hidridno baterijo lahko ionistor zadrži desetino zaloge energije, medtem ko njegova napetost pada linearno, brez območij planarne razelektritve. Ti dejavniki vplivajo na sposobnost popolnega zadrževanja naboja v ionistorju. Raven napolnjenosti je neposredno odvisna od tehnološkega namena elementa.

Precej pogosto se ionistor uporablja za napajanje pomnilniških čipov in je vključen v filtrirna vezja in gladilne filtre. Lahko jih kombiniramo tudi z baterijami različnih tipov za boj proti posledicam nenadnih skokov toka: pri nizkem toku se ionistor ponovno napolni, sicer sprosti del energije in s tem zmanjša celotno obremenitev.

Pomp okoli gradnje Elona Muska o "Battery Gigafactory" za proizvodnjo litij-ionske bateriješe ni potihnilo, ko se je pojavilo sporočilo o dogodku, ki bi lahko bistveno popravil načrte »milijarderskega revolucionarja«.
To je nedavno sporočilo za javnost podjetja. Sunvault Energy Inc., ki skupaj z Edison Power Company uspelo ustvariti največji grafenski superkondenzator na svetu z zmogljivostjo 10 tisoč (!) Faradov.
Ta številka je tako fenomenalna, da vzbuja dvome med domačimi strokovnjaki - v elektrotehniki je celo 20 mikrofaradov (to je 0,02 milifarada) to veliko. Nobenega dvoma pa ni, da je direktor Sunvault Energy Bill Richardson, nekdanji guverner Nove Mehike in nekdanji ameriški minister za energijo. Bill Richardson je znan in cenjen človek: bil je veleposlanik ZDA pri ZN, več let je delal v think tanku Kissinger in McLarty ter bil celo nominiran za Nobelovo nagrado za svoje uspehe pri osvoboditvi Američanov, ki so jih zajeli skrajneži. v raznih “vročih točkah” miru. Leta 2008 je bil eden od kandidatov Demokratske stranke za predsednika ZDA, a je izgubil proti Baracku Obami.

Danes Sunvault hitro raste, saj je ustvaril skupno podjetje z Edison Power Company, imenovano Supersunvault, v upravnem odboru novega podjetja pa niso le znanstveniki (eden od direktorjev je biokemik, drugi je podjetni onkolog), ampak tudi znani ljudje z dobro poslovno žilico. Opažam, da je podjetje samo v zadnjih dveh mesecih povečalo kapaciteto svojih superkondenzatorjev za desetkrat - s tisoč na 10.000 Faradov, in obljublja, da jo bo povečalo še toliko bolj, da bo energija, akumulirana v kondenzatorju, zadostovala za napajanje celotne hiše, to pomeni, da je Sunvault pripravljen delovati neposredno kot konkurent Elona Muska, ki namerava izdelati superbaterije tipa Powerwall z zmogljivostjo približno 10 kWh.

Prednosti tehnologije grafena in konec Gigatovarne.

Tukaj se moramo spomniti glavne razlike med kondenzatorji in baterijami - če se prvi hitro polnijo in praznijo, vendar kopičijo malo energije, potem baterije - nasprotno. Opomba Glavne prednosti grafenskih superkondenzatorjevV.

1. Hitro polnjenje — kondenzatorji se polnijo približno 100-1000-krat hitreje kot baterije.

2. Pocenitev: če običajne litij-ionske baterije stanejo približno 500 dolarjev za 1 kWh akumulirane energije, potem superkondenzator stane le 100 dolarjev, do konca leta pa ustvarjalci obljubljajo znižanje stroškov na 40 dolarjev. Po svoji sestavi je navaden ogljik - eden najpogostejših kemičnih elementov na Zemlji.

3. Kompaktnost in energijska gostota ter. Novi grafenski superkondenzator preseneča ne samo s svojo fantastično zmogljivostjo, ki za približno tisočkrat presega znane vzorce, temveč tudi s svojo kompaktnostjo - velik je kot majhna knjiga, torej stokrat bolj kompakten od kondenzatorjev 1 Farad. trenutno v uporabi.

4. Varnost in prijaznost do okolja. So veliko varnejši od baterij, ki se segrevajo, vsebujejo nevarne kemikalije in včasih celo eksplodirajo.Grafen je sam po sebi biorazgradljiva snov, torej na soncu preprosto razpade in ne kvari okolja. Je kemično neaktiven in ne škoduje okolju.

5. Enostavnost nove tehnologije za proizvodnjo grafena. Ogromna ozemlja in kapitalske naložbe, množice delavcev, strupene in nevarne snovi, ki se uporabljajo v tehnološki proces litij-ionske baterije so v popolnem nasprotju z neverjetno preprostostjo nove tehnologije. Dejstvo je, da grafen (to je najtanjši, monoatomski karbonski film) proizvajajo v Sunvaultu... z navadnim CD diskom, na katerega se vlije delček grafitne suspenzije. Ploščo nato vstavimo v navaden pogon DVD in zapišemo z laserjem poseben program- in grafenska plast je pripravljena! Poročajo, da je to odkritje prišlo po naključju - študent Maher El-Kadi, ki je delal v laboratoriju kemika Richarda Kanerja. Nato je disk zažgal s programsko opremo LightScribe, da je ustvaril plast grafena.
Poleg tega, kot je na konferenci na Wall Streetu povedal izvršni direktor Sunvaulta Gary Monahan, si podjetje prizadeva grafenske naprave za shranjevanje energije bi lahko proizvedli s konvencionalnim tiskanjem na 3D tiskalniku- in zaradi tega bo njihova proizvodnja ne le poceni, ampak tudi praktično univerzalna. In v kombinaciji s poceni sončnimi kolektorji (danes so njihovi stroški padli na 1,3 USD na W) bodo grafenski superkondenzatorji dali milijonom ljudi možnost, da pridobijo energetsko neodvisnost s popolnim odklopom od električnega omrežja in še več - da postanejo lastna elektrika dobaviteljev in z uničenjem "naravnih" monopolov.
Torej ni dvoma: grafen superkondenzatorji so revolucionarni preboj na področju shranjevanja energije in . In to je slaba novica za Elona Muska – gradnja tovarne v Nevadi ga bo stala okoli 5 milijard dolarjev, kar bi si tudi brez tovrstnih konkurentov težko povrnil. Zdi se, da čeprav gradnja tovarne v Nevadi že poteka in bo verjetno dokončana, druge tri, ki jih je načrtoval Musk, verjetno ne bodo dokončane.

Dostop do trga? Ne tako hitro, kot bi si želeli.

Revolucionarnost takšne tehnologije je očitna. Nejasno je še nekaj - kdaj bo prišel na trg? Že danes je zajeten in drag projekt litij-ionske Gigafactory Elona Muska videti kot dinozaver industrializma. Pa naj bo še tako revolucionaren, nujen in okolju prijazen nova tehnologija, to ne pomeni, da bo čez leto ali dve prišla k nam. Svet kapitala se finančnim pretresom ne more izogniti, tehnološkim pa se je precej uspešno izognil. IN podobnih primerih Delovati začnejo zakulisni dogovori med velikimi vlagatelji in političnimi akterji. Velja spomniti, da je Sunvault podjetje s sedežem v Kanadi, v upravnem odboru pa so ljudje, ki, čeprav imajo široke povezave v politični eliti ZDA, še vedno niso del njegovega petrodolarskega jedra, kar je bolj ali manj očitno. boj proti kateremu se je očitno že začel.
Kar je za nas najbolj pomembno, je Priložnosti, ki jih ponujajo nastajajoče energetske tehnologije: energetska neodvisnost za državo in v prihodnosti - za vsakega njenega državljana. Grafenski superkondenzatorji so seveda bolj »hibridna«, prehodna tehnologija, ne omogoča neposrednega pridobivanja energije, za razliko od magnetno-gravitacijske tehnologije, ki obljubljajo popolno spremembo same znanstvene paradigme in videza celotnega sveta. Končno obstaja revolucionarne finančne tehnologije, ki so pravzaprav tabu svetovne petrodolarske mafije. Vseeno je to zelo impresiven preboj, še toliko bolj zanimiv, ker se dogaja v »brlogu petrodolarjeve zveri« – v ZDA.
Še pred šestimi meseci sem pisal o uspehih Italijanov v tehnologiji hladne fuzije, v tem času pa smo izvedeli za impresivno tehnologijo LENR ameriškega podjetja SolarTrends, za preboj nemškega Gaya-Rosch, zdaj pa za resnično revolucionarna tehnologija grafenskih shranjevalnih naprav. Tudi ta ožji seznam kaže, da težava ni v tem, da naša ali katera koli druga vlada nima možnosti zmanjšati računov, ki jih prejmemo za plin in elektriko, in niti ne v netransparentnem obračunu tarif.
Korenina zla je ignoranca tistih, ki plačujejo račune, in nepripravljenost tistih, ki jih izstavljajo, da bi karkoli spremenili. . Samo za običajne ljudi je energija elektrika. V resnici je energija jaza moč.

Znanstvena publikacija Science je poročala o tehnološkem preboju avstralskih znanstvenikov na področju ustvarjanja superkondenzatorjev.

Zaposleni na univerzi Monash, ki se nahaja v Melbournu, so uspeli spremeniti proizvodno tehnologijo superkondenzatorjev iz grafena tako, da so nastali izdelki komercialno privlačnejši od prejšnjih analogov.

Strokovnjaki že dolgo govorijo o čarobnih lastnostih superkondenzatorjev na osnovi grafena, laboratorijski testi pa so že večkrat prepričljivo dokazali, da so boljši od običajnih. Takšne kondenzatorje s predpono "super" pričakujejo ustvarjalci sodobne elektronike, avtomobilska podjetja in celo graditelji alternativnih virov električne energije itd.

Izredno dolg življenjski cikel, kot tudi sposobnost superkondenzatorja, da se napolni v najkrajšem možnem času, omogočata oblikovalcem, da z njihovo pomočjo rešujejo kompleksne konstrukcijske probleme. različne naprave. Toda do takrat je zmagoslavni pohod grafenskih kondenzatorjev onemogočala njihova nizka specifična energija in ... Ionistor ali superkondenzator je imel v povprečju indikator specifične energije reda 5–8 Wh/kg, zaradi česar je bil izdelek iz grafena v ozadju hitrega praznjenja odvisen od potrebe po zelo pogostem polnjenju.

Avstralskim zaposlenim na Oddelku za raziskave proizvodnje materialov iz Melbourna, ki jih vodi profesor Dan Lee, je uspelo povečati specifično energijsko gostoto grafenskega kondenzatorja za 12-krat. Zdaj je ta številka pri novem kondenzatorju 60 W*h/kg in to je že razlog, da govorimo o tehnični revoluciji na tem področju. Izumitelji so uspeli premagati težavo hitrega praznjenja grafenskega superkondenzatorja in tako zagotoviti, da se zdaj prazni počasneje kot celo standardna baterija.

Tehnološko odkritje je znanstvenikom pomagalo doseči tako impresiven rezultat: vzeli so adaptivni grafen-gel film in iz njega ustvarili zelo majhno elektrodo. Izumitelji so prostor med grafenskimi ploščami napolnili s tekočim elektrolitom, tako da je med njima nastala subnanometrska razdalja. Ta elektrolit je prisoten tudi v običajnih kondenzatorjih, kjer deluje kot prevodnik električne energije. Tu ni postal le prevodnik, ampak tudi ovira za stik grafenskih plošč med seboj. Prav ta poteza nam je omogočila, da smo dosegli več visoka gostota kondenzator ob ohranjanju porozne strukture.

Sama kompaktna elektroda je bila ustvarjena s tehnologijo, ki je znana proizvajalcem papirja, ki ga vsi poznamo. Ta metoda Je precej poceni in preprost, kar nam omogoča, da smo optimistični glede možnosti komercialne proizvodnje novih superkondenzatorjev.

Novinarji so svetu pohiteli zagotoviti, da je človeštvo dobilo spodbudo za razvoj popolnoma novega elektronske naprave. Izumitelji sami so z usti profesorja Leeja obljubili, da bodo grafenskemu superkondenzatorju pomagali zelo hitro premagati pot od laboratorija do tovarne.

Hočeš nočeš, doba električnih avtomobilov se vztrajno bliža. In trenutno samo ena tehnologija zavira preboj in prevzem trga s strani električnih vozil, tehnologija shranjevanja električne energije itd. Kljub vsem dosežkom znanstvenikov v tej smeri ima večina električnih in hibridnih avtomobilov v svoji zasnovi litij-ionske baterije, ki imajo svoje pozitivne in negativne strani in lahko z enim polnjenjem zagotovijo le prevoženo vozilo na kratki razdalji, ki zadostuje le za potovanje v mestnih mejah. Vsi vodilni svetovni proizvajalci avtomobilov razumejo to težavo in iščejo načine za povečanje učinkovitosti električnih vozil, ki bodo povečala doseg vožnje z enim polnjenjem. baterije.

Eden od načinov za izboljšanje učinkovitosti električnih avtomobilov je zbiranje in ponovna uporaba energije, ki se spremeni v toploto, ko avtomobil zavira in ko se avtomobil premika po neravnih cestnih površinah. Metode vračanja takšne energije so že razvite, vendar je učinkovitost njenega zbiranja in ponovne uporabe zaradi nizke hitrosti delovanja baterij izjemno nizka. Časi zaviranja se običajno merijo v sekundah, kar je prehitro za baterije, ki se polnijo več ur. Zato so za kopičenje "hitre" energije potrebni drugi pristopi in naprave za shranjevanje, katerih vloga bodo najverjetneje kondenzatorji velika zmogljivost, tako imenovani superkondenzatorji.

Na žalost superkondenzatorji še niso pripravljeni na široko pot, kljub temu, da se lahko hitro polnijo in praznijo, je njihova zmogljivost še vedno relativno nizka. Poleg tega tudi zanesljivost superkondenzatorjev pušča veliko želenega; materiali, uporabljeni v elektrodah superkondenzatorjev, se nenehno uničujejo zaradi ponavljajočih se ciklov polnjenja in praznjenja. In to je težko sprejemljivo glede na dejstvo, da bi moralo biti v celotni življenjski dobi električnega avtomobila število obratovalnih ciklov superkondenzatorjev več milijonov krat.

Santhakumar Kannappan in skupina njegovih kolegov iz Inštituta za znanost in tehnologijo, Gwangju, Koreja, imajo rešitev za zgornji problem, katerega osnova je eden najbolj neverjetnih materialov našega časa - grafen. Korejski raziskovalci so razvili in izdelali prototipe visoko učinkovitih superkondenzatorjev na osnovi grafena, katerih kapacitivni parametri niso slabši od parametrov litij-ionskih baterij, vendar so sposobni zelo hitro kopičiti in sproščati svoj električni naboj. Poleg tega lahko celo prototipi grafenskih superkondenzatorjev prenesejo več deset tisoč delovnih ciklov, ne da bi pri tem izgubili svoje lastnosti.
Trik za doseganje tako impresivnih rezultatov je pridobitev posebne oblike grafena, ki ima ogromno efektivno površino. Raziskovalci so naredili to obliko grafena tako, da so delce grafenovega oksida zmešali s hidrazinom v vodi in vse zdrobili z ultrazvokom. Nastali prašek grafena smo zapakirali v pelete v obliki diska in pet ur sušili pri temperaturi 140 stopinj Celzija in tlaku 300 kg/cm.

Izkazalo se je, da je dobljeni material zelo porozen; en gram takega grafenskega materiala ima učinkovito površino, ki je enaka površini košarkarskega igrišča. Poleg tega porozna narava tega materiala omogoča, da ionska elektrolitska tekočina EBIMF 1 M popolnoma zapolni celotno prostornino materiala, kar vodi do povečanja električne kapacitete superkondenzatorja.

Meritve karakteristik eksperimentalnih superkondenzatorjev so pokazale, da je njihova električna kapaciteta približno 150 Faradov na gram, gostota shranjevanja energije 64 vatov na kilogram, gostota električni tok enako 5 amperov na gram. Vse te lastnosti so primerljive z lastnostmi litij-ionskih baterij, katerih gostota shranjevanja energije sega od 100 do 200 vatov na kilogram. Toda ti superkondenzatorji imajo eno veliko prednost: lahko popolnoma napolnijo ali sprostijo ves svoj shranjeni naboj v samo 16 sekundah. In ta čas je najhitrejši čas polnjenja in praznjenja do sedaj.

Ta impresiven nabor značilnosti in preprosta tehnologija izdelave grafenskih superkondenzatorjev lahko upraviči trditev raziskovalcev, ki so zapisali, da so njihove »naprave za shranjevanje energije grafenskih superkondenzatorjev zdaj pripravljene za množično proizvodnjo in bi se lahko pojavile v prihodnjih generacijah električnih avtomobilov. ”

Skupina znanstvenikov z univerze Rice je prilagodila metodo, ki so jo razvili za proizvodnjo grafena z uporabo laserja za izdelavo elektrod superkondenzatorja.

Od odkritja je grafen, oblika ogljika, kristalna celica ki ima monoatomsko debelino, so med drugim obravnavali kot alternativo elektrodam z aktivnim ogljem, ki se uporabljajo v superkondenzatorjih, kondenzatorjih z visoko kapacitivnostjo in nizkimi uhajalnimi tokovi. Toda čas in raziskave so pokazale, da grafenske elektrode ne delujejo veliko bolje kot mikroporozne elektrode z aktivnim ogljem, kar je povzročilo zmanjšanje navdušenja in omejevanje številnih študij.

Kljub temu, grafenske elektrode imajo nekaj nespornih prednosti v primerjavi s poroznimi ogljikovimi elektrodami.

Grafenski superkondenzatorji lahko deluje pri višjih frekvencah, fleksibilnost grafena pa omogoča ustvarjanje izjemno tankih in prilagodljivih hranilnikov energije na njegovi osnovi, ki so idealni za uporabo v nosljivi in ​​prilagodljivi elektroniki.

Dve zgoraj omenjeni prednosti grafenskih superkondenzatorjev sta spodbudili nadaljnje raziskave skupine znanstvenikov z univerze Rice. Lasersko podprto proizvodno metodo grafena, ki so jo razvili, so prilagodili za izdelavo superkondenzatorskih elektrod.

"Kar smo dosegli, je primerljivo z zmogljivostjo mikrosuperkondenzatorjev, ki so na voljo na trgu elektronike," pravi James Tour, znanstvenik, ki je vodil raziskovalno skupino. "Z našo metodo lahko proizvedemo superkondenzatorje, ki imajo poljubno prostorsko obliko. Ko moramo grafenske elektrode zapakirati na dovolj majhno površino, jih preprosto zložimo kot list papirja.«

Za proizvodnjo grafenskih elektrod so znanstveniki uporabili laserska metoda (lasersko induciran grafem, LIG), pri katerem je močan laserski žarek usmerjen v tarčo iz poceni polimernega materiala.

Parametri laserske svetlobe so izbrani tako, da izžge vse elemente iz polimera razen ogljika, ki je oblikovan v obliki poroznega grafenskega filma. Pokazalo se je, da ima ta porozni grafen dovolj veliko učinkovito površino, zaradi česar je idealen material za elektrode superkondenzatorja.

Zaradi česar so ugotovitve ekipe univerze Rice tako prepričljive, je enostavnost proizvodnje poroznega grafena.

»Grafenske elektrode je zelo enostavno narediti. To ne zahteva čiste sobe, proces pa uporablja običajne industrijske laserje, ki uspešno delujejo v tovarniških delavnicah in celo na na prostem« pravi James Tur.

Poleg enostavne proizvodnje so grafenski superkondenzatorji pokazali zelo impresivne lastnosti. Te naprave za shranjevanje energije so prestale na tisoče ciklov polnjenja in praznjenja brez izgube električne zmogljivosti. Poleg tega je električna kapacitivnost takih superkondenzatorjev ostala skoraj nespremenjena, potem ko je bil prožni superkondenzator deformiran 8 tisoč krat zapored.

"Dokazali smo, da lahko tehnologija, ki smo jo razvili, proizvede tanke in prilagodljive superkondenzatorje, ki lahko postanejo komponente prilagodljive elektronike ali viri energije za nosljivo elektroniko, ki jo je mogoče vgraditi neposredno v oblačila ali vsakodnevne predmete," je dejal James Tour.

Ljudje so najprej uporabili kondenzatorje za shranjevanje električne energije. Potem, ko je elektrotehnika presegla laboratorijske poskuse, so bile izumljene baterije, ki so postale glavno sredstvo za shranjevanje električne energije. Toda na začetku 21. stoletja se ponovno predlaga uporaba kondenzatorjev za napajanje električne opreme. Kako mogoče je to in ali bodo baterije končno postale preteklost?

Razlog, da so kondenzatorje zamenjali z baterijami, je v bistveno večjih količinah električne energije, ki so jo sposobni shraniti. Drugi razlog je, da se med praznjenjem napetost na izhodu akumulatorja zelo malo spremeni, tako da stabilizator napetosti bodisi ni potreben ali pa je lahko zelo preprost.

Glavna razlika med kondenzatorji in baterijami je v tem, da kondenzatorji neposredno shranjujejo električni naboj, medtem ko baterije pretvorijo električno energijo v kemično energijo, jo shranijo in nato pretvorijo kemično energijo nazaj v električno.

Med transformacijami energije se del le-te izgubi. Zato imajo tudi najboljše baterije učinkovitost največ 90%, medtem ko lahko pri kondenzatorjih doseže 99%. Intenzivnost kemičnih reakcij je odvisna od temperature, zato se baterije v hladnem vremenu obnesejo opazno slabše kot pri sobni temperaturi. Poleg tega kemične reakcije v baterijah niso povsem reverzibilne. Od tod majhno število ciklov polnjenja in praznjenja (približno na tisoče, najpogosteje je življenjska doba baterije približno 1000 ciklov polnjenja in praznjenja), pa tudi "spominski učinek". Spomnimo se, da je "spominski učinek" ta, da mora biti baterija vedno izpraznjena do določene količine akumulirane energije, potem bo njena zmogljivost največja. Če po izpraznitvi v njem ostane več energije, se bo zmogljivost baterije postopoma zmanjšala. "Učinek spomina" je značilen za skoraj vse komercialno proizvedene vrste baterij, razen kislinskih (vključno z njihovimi sortami - gel in AGM). Čeprav je splošno sprejeto, da ga litij-ionske in litij-polimerne baterije nimajo, ga pravzaprav tudi imajo, le da se kaže v manjši meri kot pri drugih vrstah. Kar zadeva kislinske baterije, imajo učinek ploščate sulfatizacije, ki povzroči nepopravljivo škodo na viru energije. Eden od razlogov je, da je baterija dolgo časa napolnjena pod 50 %.

V zvezi z alternativno energijo sta "spominski učinek" in sulfatizacija plošč resna problema. Dejstvo je, da je dobavo energije iz virov, kot so sončni kolektorji in vetrne turbine, težko predvideti. Posledično se polnjenje in praznjenje baterij odvija kaotično, v neoptimalnem načinu.

Za sodoben ritem življenja se izkaže za popolnoma nesprejemljivo, da je treba baterije polniti več ur. Kako si na primer predstavljate vožnjo na dolge razdalje z električnim vozilom, če ste zaradi prazne baterije več ur obtičali na polnilnem mestu? Hitrost polnjenja baterije je omejena s hitrostjo kemičnih procesov, ki potekajo v njej. Čas polnjenja lahko skrajšate na 1 uro, vendar ne na nekaj minut. Hkrati je hitrost polnjenja kondenzatorja omejena le z največjim tokom, ki ga zagotavlja polnilnik.

Naštete pomanjkljivosti baterij so povzročile nujnost uporabe kondenzatorjev namesto njih.

Uporaba dvojnega električnega sloja

Dolga desetletja so imeli največjo kapaciteto elektrolitski kondenzatorji. Pri njih je bila ena od plošč kovinska folija, druga elektrolit, izolacija med ploščama pa kovinski oksid, ki je prevlekel folijo. Pri elektrolitskih kondenzatorjih lahko zmogljivost doseže stotinke farada, kar ni dovolj za popolno zamenjavo baterije.

Veliko kapacitivnost, merjeno v tisočih faradih, lahko dosežemo s kondenzatorji na osnovi tako imenovane dvojne električne plasti. Načelo njihovega delovanja je naslednje. Na meji snovi v trdni in tekoči fazi se pod določenimi pogoji pojavi dvojna električna plast. Nastaneta dve plasti ionov z naboji nasprotnih predznakov, vendar enakih velikosti. Če zelo poenostavimo situacijo, se oblikuje kondenzator, katerega "plošče" so označene plasti ionov, katerih razdalja je enaka več atomom.

Kondenzatorje, ki temeljijo na tem učinku, včasih imenujemo ionistorji. Pravzaprav se ta izraz ne nanaša samo na kondenzatorje, v katerih je shranjen električni naboj, temveč tudi na druge naprave za shranjevanje električne energije – z delno pretvorbo električne energije v kemično energijo ob shranjevanju električnega naboja (hibridni ionistor), kot tudi za baterije na osnovi dvojne električne plasti (tako imenovani psevdokondenzatorji). Zato je izraz "superkondenzatorji" bolj primeren. Včasih se namesto tega uporablja enak izraz "ultracapacitor".

Tehnična izvedba

Superkondenzator je sestavljen iz dveh plošč aktivnega oglja, napolnjenih z elektrolitom. Med njimi je membrana, ki prepušča elektrolit, vendar preprečuje fizično premikanje delcev aktivnega oglja med ploščama.

Treba je opozoriti, da sami superkondenzatorji nimajo polarnosti. V tem se bistveno razlikujejo od elektrolitskih kondenzatorjev, za katere je praviloma značilna polarnost, neupoštevanje katere vodi do okvare kondenzatorja. Vendar pa polarnost velja tudi za superkondenzatorje. To je posledica dejstva, da superkondenzatorji zapustijo tovarniško tekočo linijo že napolnjeni, oznaka pa označuje polarnost tega naboja.

Parametri superkondenzatorja

Največja zmogljivost posameznega superkondenzatorja, dosežena v času pisanja, je 12.000 F. Za serijsko proizvedene superkondenzatorje ne presega 3.000 F. Največja dovoljena napetost med ploščama ne presega 10 V. Za komercialno proizvedene superkondenzatorje ta številka je praviloma znotraj 2,3 - 2,7 V. Nizka delovna napetost zahteva uporabo napetostnega pretvornika s funkcijo stabilizatorja. Dejstvo je, da se med praznjenjem napetost na ploščah kondenzatorja spreminja v širokem razponu. Izdelava napetostnega pretvornika za povezavo tovora in polnilnika je netrivialna naloga. Recimo, da morate napajati 60 W obremenitev.

Da bi poenostavili obravnavo vprašanja, bomo zanemarili izgube v napetostnem pretvorniku in stabilizatorju. Če delate z navadno 12 V baterijo, mora biti krmilna elektronika sposobna prenesti tok 5 A. Takšne elektronske naprave so razširjene in poceni. Toda povsem drugačna situacija nastane pri uporabi superkondenzatorja, katerega napetost je 2,5 V. Potem lahko tok, ki teče skozi elektronske komponente pretvornika, doseže 24 A, kar zahteva nove pristope k tehnologiji vezja in sodobno elementno bazo. Prav z zahtevnostjo izdelave pretvornika in stabilizatorja je mogoče razložiti dejstvo, da so superkondenzatorji, katerih serijska proizvodnja se je začela v 70. letih 20. stoletja, šele zdaj začeli široko uporabljati na najrazličnejših področjih.

Superkondenzatorje lahko povežemo v baterije s serijsko ali vzporedno povezavo. V prvem primeru se največja dovoljena napetost poveča. V drugem primeru - zmogljivost. Povečanje največje dovoljene napetosti na ta način je eden od načinov za rešitev problema, vendar ga boste morali plačati z zmanjšanjem kapacitivnosti.

Dimenzije superkondenzatorjev so seveda odvisne od njihove kapacitete. Tipičen superkondenzator s kapaciteto 3000 F je valj s premerom približno 5 cm in dolžino 14 cm, s kapaciteto 10 F ima superkondenzator dimenzije, primerljive s človeškim nohtom.

Dobri superkondenzatorji lahko prenesejo več sto tisoč ciklov polnjenja in praznjenja in v tem parametru presegajo baterije za približno 100-krat. Toda tako kot elektrolitski kondenzatorji se superkondenzatorji soočajo s problemom staranja zaradi postopnega uhajanja elektrolita. Do zdaj ni bilo zbranih popolnih statističnih podatkov o okvarah superkondenzatorjev iz tega razloga, vendar je po posrednih podatkih življenjska doba superkondenzatorjev približno ocenjena na 15 let.

Akumulirana energija

Količina energije, shranjene v kondenzatorju, izražena v joulih:

kjer je C kapacitivnost, izražena v faradih, U je napetost na ploščah, izražena v voltih.

Količina energije, shranjene v kondenzatorju, izražena v kWh, je:

Zato lahko kondenzator s kapaciteto 3000 F z napetostjo med ploščama 2,5 V shrani le 0,0026 kWh. Kakšno je to v primerjavi z na primer litij-ionsko baterijo? Če vzamemo, da je njena izhodna napetost neodvisna od stopnje izpraznjenosti in enaka 3,6 V, bo v litij-ionski bateriji s kapaciteto 0,72 Ah shranjena količina energije 0,0026 kWh. Žal, zelo skromen rezultat.

Uporaba superkondenzatorjev

Sistemi zasilne razsvetljave so tisti, kjer uporaba superkondenzatorjev namesto baterij naredi resnično razliko. Pravzaprav je ravno za to aplikacijo značilno neenakomerno praznjenje. Poleg tega je zaželeno, da se zasilna svetilka hitro napolni in da ima rezervni vir energije, ki se uporablja v njej, večjo zanesljivost. Rezervno napajanje na osnovi superkondenzatorja je mogoče integrirati neposredno v svetilko T8 LED. Takšne svetilke že proizvajajo številna kitajska podjetja.

Kot smo že omenili, je razvoj superkondenzatorjev v veliki meri posledica zanimanja za alternativne vire energije. Toda praktična uporaba je še vedno omejena na LED sijalke, ki prejemajo energijo od sonca.

Uporaba superkondenzatorjev za zagon električne opreme se aktivno razvija.

Superkondenzatorji so sposobni zagotoviti velike količine energije v kratkem času. Z napajanjem električne opreme ob zagonu iz superkondenzatorja je mogoče zmanjšati konične obremenitve električnega omrežja in navsezadnje zmanjšati rezervo zagonskega toka, s čimer dosežemo velike prihranke pri stroških.

Z združitvijo več superkondenzatorjev v baterijo lahko dosežemo kapaciteto, primerljivo z baterijami, ki se uporabljajo v električnih vozilih. Toda ta baterija bo tehtala nekajkrat več kot baterija, kar je nesprejemljivo za vozila. Težavo je mogoče rešiti z uporabo superkondenzatorjev na osnovi grafena, ki pa trenutno obstajajo le kot prototipi. Bo pa obetavna različica slovitega Yo-mobila, ki ga poganja le elektrika, kot vir energije uporabljala superkondenzatorje nove generacije, ki jih razvijajo ruski znanstveniki.

Superkondenzatorji bodo koristili tudi zamenjavi baterij v klasičnih bencinskih ali dizelskih vozilih – njihova uporaba v takih vozilih je že realnost.

Medtem se lahko najuspešnejši od izvedenih projektov za uvedbo superkondenzatorjev šteje za nove ruske trolejbuse, ki so se pred kratkim pojavili na ulicah Moskve. Ob prekinitvi dovoda napetosti v kontaktno omrežje ali ko »odletijo« tokovni odjemniki, lahko trolejbus z nizko hitrostjo (približno 15 km/h) potuje nekaj sto metrov do mesta, kjer ne bo oviral prometa. na poti. Vir energije za takšne manevre je baterija superkondenzatorjev.

Na splošno lahko za zdaj superkondenzatorji izpodrinejo baterije le v določenih "nišah". Toda tehnologija se hitro razvija, kar nam omogoča, da pričakujemo, da se bo v bližnji prihodnosti obseg uporabe superkondenzatorjev znatno razširil.

Aleksej Vasiljev

Električna zmogljivost globusa, kot je znano iz tečajev fizike, je približno 700 μF. Navaden kondenzator te zmogljivosti lahko primerjamo po teži in prostornini z opeko. Obstajajo pa tudi kondenzatorji z električno zmogljivostjo zemeljske krogle, ki je po velikosti enaka zrnu peska - superkondenzatorji.

Takšne naprave so se pojavile relativno nedavno, pred približno dvajsetimi leti. Imenujejo se različno: ionistorji, ioniksi ali preprosto superkondenzatorji.

Ne mislite, da so na voljo samo nekaterim visoko letečim vesoljskim podjetjem. Danes lahko v trgovini kupite ionistor velikosti kovanca in zmogljivosti enega farada, kar je 1500-krat več od zmogljivosti zemeljske oble in blizu zmogljivosti največjega planeta v sončnem sistemu - Jupitra.

Vsak kondenzator hrani energijo. Da bi razumeli, kako velika ali majhna je energija, shranjena v superkondenzatorju, je pomembno, da jo z nečim primerjamo. Tukaj je nekoliko nenavaden, a jasen način.

Energija navadnega kondenzatorja je dovolj, da preskoči približno meter in pol. Majhen superkondenzator tipa 58-9V z maso 0,5 g, napolnjen z napetostjo 1 V, je lahko skočil na višino 293 m!

Včasih mislijo, da lahko ionistorji nadomestijo vsako baterijo. Novinarji so slikali svet prihodnosti s tihimi električnimi vozili, ki jih poganjajo superkondenzatorji. A to je še daleč. Ionistor, ki tehta en kg, je sposoben akumulirati 3000 J energije, najslabša svinčeno-kislinska baterija pa 86.400 J - 28-krat več. Vendar pa se pri zagotavljanju visoke moči v kratkem času baterija hitro pokvari in se izprazni le do polovice. Ionistor vedno znova in brez vsakršne škode zase oddaja kakršno koli moč, dokler jo povezovalne žice zdržijo. Poleg tega je mogoče superkondenzator napolniti v nekaj sekundah, medtem ko baterija za to običajno potrebuje ure.

To določa obseg uporabe ionistorja. Dober je kot vir energije za naprave, ki porabijo veliko energije za kratek čas, vendar precej pogosto: elektronska oprema, svetilke, avtomobilski zaganjalniki, električna udarna kladiva. Ionistor ima lahko tudi vojaško uporabo kot vir energije za elektromagnetno orožje. In v kombinaciji z majhno elektrarno ionistor omogoča ustvarjanje avtomobilov z električnim pogonom na kolesa in porabo goriva 1-2 litra na 100 km.

Ionistorji za širok razpon zmogljivosti in delovnih napetosti so na voljo v prodaji, vendar so precej dragi. Torej, če imate čas in zanimanje, lahko poskusite sami narediti ionistor. Toda preden daste konkretne nasvete, malo teorije.

Iz elektrokemije je znano, da ko kovino potopimo v vodo, na njeni površini nastane tako imenovana dvojna električna plast, sestavljena iz nasprotnih električni naboji- ioni in elektroni. Med njima delujejo medsebojne privlačne sile, vendar se naboja ne moreta približati. To ovirajo privlačne sile vode in kovinskih molekul. V svojem jedru dvojna električna plast ni nič drugega kot kondenzator. Naboji, koncentrirani na njegovi površini, delujejo kot plošče. Razdalja med njima je zelo majhna. In kot veste, se kapacitivnost kondenzatorja povečuje, ko se razdalja med njegovimi ploščami zmanjšuje. Zato na primer zmogljivost navadne jeklene napere, potopljene v vodo, doseže več mF.

V bistvu je ionistor sestavljen iz dveh elektrod z zelo veliko površino, potopljenih v elektrolit, na površini katerih se pod vplivom uporabljene napetosti oblikuje dvojna električna plast. Res je, z navadnimi ravnimi ploščami bi bilo mogoče dobiti kapacitivnost le nekaj deset mF. Za pridobitev velikih kapacitivnosti, značilnih za ionistorje, uporabljajo elektrode iz poroznih materialov, ki imajo veliko površino por z majhnimi zunanjimi dimenzijami.

Za to vlogo so nekoč preizkušali spužvaste kovine od titana do platine. Neprimerno boljši pa je bil ... navadno aktivno oglje. To je oglje, ki po posebni obdelavi postane porozno. Površina por 1 cm3 takega premoga doseže tisoč kvadratnih metrov, zmogljivost dvojne električne plasti na njih pa deset farad!

Doma narejen ionistor Slika 1 prikazuje zasnovo ionistorja. Sestavljen je iz dveh kovinskih plošč, tesno stisnjenih ob "polnilo" iz aktivnega oglja. Premog je položen v dveh plasteh, med katerima je tanka ločevalna plast snovi, ki ne prevaja elektronov. Vse to je impregnirano z elektrolitom.

Pri polnjenju ionistorja se v eni polovici ogljikovih por tvori dvojna električna plast z elektroni na površini, v drugi polovici pa s pozitivnimi ioni. Po polnjenju začnejo ioni in elektroni teči drug proti drugemu. Ko se srečata, nastanejo nevtralni kovinski atomi, nakopičeni naboj pa se zmanjša in sčasoma lahko popolnoma izgine.

Da bi to preprečili, je med plasti aktivnega oglja uveden ločilni sloj. Lahko je sestavljen iz različnih tankih plastičnih folij, papirja in celo vate.
Pri amaterskih ionistorjih je elektrolit 25% raztopina kuhinjske soli ali 27% raztopina KOH. (Pri nižjih koncentracijah se na pozitivni elektrodi ne bo oblikovala plast negativnih ionov.)

Kot elektrode se uporabljajo bakrene plošče, na katere so predhodno spajkane žice. Njihove delovne površine je treba očistiti oksidov. V tem primeru je priporočljivo uporabiti grob brusni papir, ki pušča praske. Te praske bodo izboljšale oprijem premoga na baker. Za dober oprijem je treba plošče razmastiti. Razmaščevanje plošč poteka v dveh stopnjah. Najprej jih umijemo z milom, nato pa zdrgnemo z zobnim prahom in speremo s curkom vode. Po tem se jih ne dotikajte s prsti.

Aktivno oglje, kupljeno v lekarni, zdrobimo v možnarju in zmešamo z elektrolitom, da dobimo gosto pasto, ki jo namažemo na temeljito razmaščene plošče.

Pri prvem preizkusu plošče s papirnatim tesnilom postavimo eno na drugo, nato pa jo poskusimo napolniti. Toda tukaj je subtilnost. Ko je napetost večja od 1 V, se začne sproščanje plinov H2 in O2. Uničijo ogljikove elektrode in naši napravi ne dovolijo delovanja v načinu kondenzator-ionistor.

Zato ga moramo polniti iz vira z napetostjo največ 1 V. (To je napetost za vsak par plošč, ki je priporočljiva za delovanje industrijskih ionistorjev.)

Podrobnosti za radovedneže

Pri napetosti nad 1,2 V se ionistor spremeni v plinsko baterijo. To je zanimiva naprava, prav tako sestavljena iz aktivnega oglja in dveh elektrod. Toda strukturno je zasnovan drugače (glej sliko 2). Običajno vzamemo dve ogljikovi palici iz starega galvanskega člena in okoli njih zavežemo gazne vrečke z aktivnim ogljem. Kot elektrolit se uporablja raztopina KOH. (Raztopine kuhinjske soli ne smemo uporabiti, saj se pri njeni razgradnji sprošča klor.)

Energijska intenzivnost plinske baterije doseže 36.000 J/kg ali 10 Wh/kg. To je 10-krat več kot pri ionistorju, vendar 2,5-krat manj kot pri običajni svinčeni bateriji. Vendar plinska baterija ni le baterija, ampak zelo edinstvena gorivna celica. Pri polnjenju se na elektrodah sproščajo plini - kisik in vodik. "Naselijo" se na površini aktivnega oglja. Ko se pojavi obremenitveni tok, se povežejo, da tvorijo vodo in električni tok. Ta proces pa poteka zelo počasi brez katalizatorja. In kot se je izkazalo, je samo platina lahko katalizator ... Zato za razliko od ionistorja plinska baterija ne more proizvajati visokih tokov.

Vendar pa je moskovski izumitelj A.G. Presnyakov (http://chemfiles.narod.r u/hit/gas_akk.htm) je uspešno uporabil plinsko baterijo za zagon motorja tovornjaka. Njegova precejšnja teža - skoraj trikrat večja od običajne - se je v tem primeru izkazala za sprejemljivo. Toda nizki stroški in odsotnost škodljivih materialov, kot sta kislina in svinec, so se zdeli izjemno privlačni.

Izkazalo se je, da je plinska baterija najpreprostejše zasnove nagnjena k popolnemu samopraznjenju v 4-6 urah. S tem so se poskusi končali. Kdo potrebuje avto, ki ga ni mogoče zagnati, potem ko je bil parkiran čez noč?

Pa vendar »velika tehnologija« ni pozabila na plinske baterije. Zmogljivi, lahki in zanesljivi so na nekaterih satelitih. Proces v njih poteka pod tlakom okoli 100 atm, gobasti nikelj pa se uporablja kot absorber plina, ki v takih pogojih deluje kot katalizator. Celotna naprava je nameščena v ultra lahkem valju iz ogljikovih vlaken. Nastale baterije imajo skoraj 4-krat večjo energijsko zmogljivost od svinčenih baterij. Električni avtomobil bi z njimi lahko prevozil približno 600 km. Toda na žalost so še vedno zelo dragi.