Superkondensatorer kan kallas den ljusaste utvecklingen senare år. Jämfört med konventionella kondensatorer, med samma dimensioner, skiljer de sig i kapacitet med tre storleksordningar. För detta fick kondensatorer sitt prefix - "super". De kan frigöra enorma mängder energi på kort tid.

De finns i olika storlekar och former: från mycket små, som är monterade på ytan av enheter, inte större än ett mynt i storlek, till mycket stora cylindriska och prismatiska. Deras huvudsakliga syfte är att duplicera huvudkällan (batteriet) i händelse av ett spänningsfall.

Energikrävande moderna elektroniska och elektriska system till strömförsörjning pressar sig framåt höga krav. Ny utrustning (från digitalkameror till elektroniska handhållna enheter och överföringar av elfordon) behöver lagra och leverera den nödvändiga energin.

Moderna utvecklare löser detta problem på två sätt:

• Använder ett batteri som kan leverera en hög strömpuls
• Genom att parallellkoppla batteriet som försäkring för superkondensatorer, d.v.s. "hybrid" lösning.

I det senare fallet fungerar superkondensatorn som en strömkälla när batterispänningen sjunker. Detta beror på det faktum att batterier har hög densitet energi och låg effekttäthet, medan superkondensatorer tvärtom kännetecknas av låg energitäthet, men hög effekttäthet, d.v.s. de ger urladdningsström till lasten. Genom att ansluta en superkondensator parallellt med batteriet kan du använda det mer effektivt och därmed förlänga dess livslängd.

Var används superkondensatorer?

Video: Test av en superkondensator 116.6F 15V (6* 700F 2.5V), istället för ett startbatteri i en bil

I bil elektroniska system de används för att starta motorer, vilket minskar belastningen på batteriet. De låter dig också minska i vikt genom att minska kopplingsscheman. De används flitigt i hybridbilar, där generatorn styrs av förbränningsmotorn, och en elmotor (eller motorer) driver bilen, d.v.s. Superkondensatorn (energicache) används som en strömkälla under acceleration och rörelse, och "laddas om" under inbromsning. Deras användning är lovande inte bara i personbilar utan också i stadstransporter, eftersom den nya typen av kondensatorer gör det möjligt att minska bränsleförbrukningen med 50 % och minska utsläppen av skadliga gaser till miljön med 90 %.

Jag kan inte byta ut superkondensatorbatteriet helt än, men det är bara en tidsfråga. Att använda en superkondensator istället för ett batteri är inte alls fantastiskt. Om nanoteknologer från QUT-universitetet följer den rätta vägen kommer detta att bli verklighet inom en snar framtid. Kroppspaneler med superkondensatorer inuti kan fungera som batterier. senaste generationen. Anställda vid detta universitet lyckades kombinera fördelarna med litiumjonbatterier och superkondensatorer i en ny enhet. Den nya tunna, lätta och kraftfulla superkondensatorn består av kolelektroder med en elektrolyt placerad mellan dem. Den nya produkten, enligt forskare, kan installeras var som helst i kroppen.

Tack vare det höga vridmomentet (startmomentet) kan de förbättra startegenskaperna vid låga temperaturer och utöka kraftsystemets kapacitet nu. Lämpligheten av deras användning i kraftsystemet förklaras av det faktum att deras laddnings-/urladdningstid är 5-60 sekunder. Dessutom kan de användas i distributionssystemet för vissa maskinenheter: solenoider, dörrlåsjusteringssystem och fönsterglaspositioner.

DIY superkondensator

Du kan göra en superkondensator med dina egna händer. Eftersom dess design består av en elektrolyt och elektroder, måste du bestämma materialet för dem. Koppar, rostfritt stål eller mässing är ganska lämpliga för elektroder. Du kan till exempel ta gamla femkopekmynt. Du behöver också kolpulver (du kan köpa aktivt kol på apoteket och mala). Vanligt vatten fungerar som en elektrolyt, där du måste lösa upp bordssalt (100:25). Lösningen blandas med kolpulver för att bilda en kittkonsistens. Nu ska den appliceras i ett lager på flera millimeter på båda elektroderna.

Allt som återstår är att välja en packning som separerar elektroderna, genom vars porer elektrolyten kommer att passera fritt, men kolpulvret kommer att behållas. Glasfiber eller skumgummi är lämplig för dessa ändamål.

Elektroder – 1,5; kol-elektrolytbeläggning – 2,4; packning - 3.

Du kan använda en plastlåda som ett hölje, med tidigare borrade hål i den för trådarna som är lödda till elektroderna. Efter att ha anslutit kablarna till batteriet väntar vi på att "ionix"-designen ska laddas, så kallad eftersom olika koncentrationer av joner bör bildas på elektroderna. Det är lättare att kontrollera laddningen med en voltmeter.

Det finns andra sätt. Använd till exempel plåtpapper (tinnfolie - chokladomslag), plåtbitar och vaxat papper, som du kan göra själv genom att skära och doppa remsor av silkespapper i smält, men inte kokande, paraffin i ett par minuter. Bredden på remsorna ska vara femtio millimeter och längden från tvåhundra till trehundra millimeter. Efter att ha tagit bort remsorna från paraffinet måste du skrapa bort paraffinet med den trubbiga sidan av en kniv.

Paraffindränkt papper viks till en dragspelsform (som på bilden). På båda sidorna sätts staniolskivor in i springorna, vilket motsvarar en storlek på 45x30 millimeter. Efter att ha förberett arbetsstycket så viks det och stryks sedan med ett varmt strykjärn. De återstående stanioländarna är förbundna med varandra från utsidan. Till detta kan man använda pappplåtar och mässingsplåtar med plåtklämmor, till vilka ledare senare löds fast så att kondensatorn kan lödas vid installationen.

Kapacitansen hos kondensatorn beror på antalet staniolblad. Det är till exempel lika med tusen picofarads när man använder tio sådana ark, och två tusen om deras antal fördubblas. Denna teknik är lämplig för tillverkning av kondensatorer med en kapacitet på upp till fem tusen picofarads.

Om det behövs en stor kapacitet så behöver du ha en gammal mikrofarad papperskondensator, som är en tejprulle bestående av remsor av vaxat papper, mellan vilka en remsa av staniolfolie läggs.

För att bestämma längden på remsorna, använd formeln:

l = 0,014 C/a, där kapacitansen för den erforderliga kondensatorn i pF är C; rändernas bredd i cm – a: längd i cm – 1.

Efter att ha lindat av remsor av erforderlig längd från den gamla kondensatorn, skär av 10 mm folie på alla sidor för att förhindra att kondensatorplattorna ansluter till varandra.

Tejpen måste rullas ihop igen, men först genom att löda strängade trådar på varje folieremsa. Strukturen är täckt med tjockt papper ovanpå, och två monteringstrådar (hårda) tätas på kanterna av papperet som sticker ut, till vilka ledningarna från kondensatorn är fastlödda på insidan av pappershylsan (se figur). Det sista steget är att fylla strukturen med paraffin.

Fördelar med kolsuperkondensatorer

Eftersom elfordons marsch över planeten idag inte kan ignoreras, arbetar forskare med frågan relaterade till dess snabbaste laddningen. Många idéer uppstår, men bara ett fåtal omsätts i praktiken. I Kina, till exempel, har en ovanlig stadstransportväg lanserats i staden Ningbo. Bussen som kör på den drivs av en elmotor, men den tar bara tio sekunder att ladda. På den tillryggalägger han fem kilometer och lyckas återigen, under avstigning/upphämtning av passagerare, ladda om.

Detta blev möjligt tack vare användningen av en ny typ av kondensatorer - kol.

Kolkondensatorer De tål ungefär en miljon laddningscykler och fungerar perfekt i temperaturintervallet från minus fyrtio till plus sextiofem grader. De återför upp till 80 % av energin genom återvinning.

De inledde en ny era inom energihantering, minskade urladdnings- och laddningstider till nanosekunder och minskade fordonsvikten. Till dessa fördelar kan vi lägga till låg kostnad, eftersom sällsynta jordartsmetaller och miljövänlighet inte används i produktionen.

Människor använde först kondensatorer för att lagra elektricitet. Sedan, när elektroteknik gick utöver laboratorieexperiment, uppfanns batterier, som blev det huvudsakliga sättet att lagra elektrisk energi. Men i början av 2000-talet föreslås det återigen att använda kondensatorer för att driva elektrisk utrustning. Hur möjligt är detta och kommer batterier äntligen att bli ett minne blott?

Anledningen till att kondensatorer byttes ut mot batterier berodde på de betydligt större mängder elektricitet som de klarar av att lagra. En annan anledning är att under urladdning ändras spänningen vid batteriutgången väldigt lite, så att en spänningsstabilisator antingen inte behövs eller kan vara av en mycket enkel konstruktion.

Den största skillnaden mellan kondensatorer och batterier är att kondensatorer direkt lagrar elektrisk laddning, medan batterier omvandlar elektrisk energi till kemisk energi, lagrar den och sedan omvandlar den kemiska energin tillbaka till elektrisk energi.

Under energiomvandlingar går en del av den förlorad. Därför har även de bästa batterierna en verkningsgrad på högst 90%, medan den för kondensatorer kan nå 99%. Intensiteten av kemiska reaktioner beror på temperaturen, så batterier presterar märkbart sämre i kallt väder än vid rumstemperatur. Dessutom är kemiska reaktioner i batterier inte helt reversibla. Därav det lilla antalet laddnings-urladdningscykler (i storleksordningen tusentals, oftast är batteritiden cirka 1000 laddnings-urladdningscykler), såväl som "minneseffekten". Låt oss komma ihåg att "minneseffekten" är att batteriet alltid måste laddas ur till en viss mängd ackumulerad energi, då kommer dess kapacitet att vara maximal. Om det efter urladdning finns mer energi kvar i den, kommer batterikapaciteten gradvis att minska. "Minneseffekten" är karakteristisk för nästan alla kommersiellt producerade typer av batterier, utom sura (inklusive deras varianter - gel och AGM). Även om det är allmänt accepterat att litiumjon och litiumpolymerbatterier det är inte typiskt, faktiskt har de det också, det visar sig bara i mindre utsträckning än hos andra typer. När det gäller syrabatterier uppvisar de effekten av plattsulfatering, vilket orsakar irreversibel skada på strömkällan. En av anledningarna är att batteriet förblir i ett laddningstillstånd på mindre än 50 % under lång tid.

När det gäller alternativ energi är "minneseffekten" och plattsulfatering allvarliga problem. Faktum är att tillförseln av energi från källor som t.ex solpaneler och vindkraftverk är svåra att förutse. Som ett resultat sker laddning och urladdning av batterier kaotiskt, i ett icke-optimalt läge.

För den moderna livsrytmen visar det sig vara absolut oacceptabelt att batterier måste laddas i flera timmar. Hur föreställer du dig till exempel att köra långa sträckor i ett elfordon om ett urladdat batteri håller dig fast vid laddningsplatsen i flera timmar? Laddningshastigheten för ett batteri begränsas av hastigheten på de kemiska processer som sker i det. Du kan minska laddningstiden till 1 timme, men inte till några minuter. Samtidigt begränsas kondensatorns laddningshastighet endast av den maximala strömmen som tillhandahålls av laddaren.

De uppräknade nackdelarna med batterier har gjort det angeläget att istället använda kondensatorer.

Använda ett elektriskt dubbelskikt

Under många decennier hade elektrolytkondensatorer den högsta kapaciteten. I dem var en av plattorna metallfolie, den andra var en elektrolyt, och isoleringen mellan plattorna var metalloxid, som täckte folien. För elektrolytkondensatorer kan kapaciteten nå hundradelar av en farad, vilket inte räcker för att helt byta ut batteriet.

Jämförelse av design olika typer kondensatorer (Källa: Wikipedia)

Stor kapacitans, mätt i tusentals farad, kan erhållas av kondensatorer baserade på det så kallade elektriska dubbelskiktet. Principen för deras funktion är som följer. Dubbel elektriskt lager förekommer under vissa förhållanden vid gränsytan mellan ämnen i den fasta och flytande fasen. Två lager joner bildas med laddningar av motsatta tecken, men av samma storlek. Om vi ​​förenklar situationen väldigt mycket, bildas en kondensator, vars "plattor" är de angivna lagren av joner, vars avstånd är lika med flera atomer.

Superkondensatorer med olika kapacitet tillverkade av Maxwell

Kondensatorer baserade på denna effekt kallas ibland jonistorer. Faktum är att denna term inte bara hänvisar till kondensatorer i vilka elektrisk laddning lagras, utan också till andra enheter för lagring av elektricitet - med partiell omvandling av elektrisk energi till kemisk energi tillsammans med lagring av den elektriska laddningen (hybridjonistor), såväl som för batterier baserade på dubbla elektriska lager (så kallade pseudokondensatorer). Därför är termen "superkondensatorer" mer lämplig. Ibland används den identiska termen "ultracapacitor" istället.

Tekniskt genomförande

Superkondensatorn består av två plattor av aktivt kol fyllda med elektrolyt. Mellan dem finns ett membran som tillåter elektrolyten att passera igenom, men som förhindrar fysisk rörelse av aktivt kolpartiklar mellan plattorna.

Det bör noteras att superkondensatorer själva inte har någon polaritet. I detta skiljer de sig fundamentalt från elektrolytiska kondensatorer, som i regel kännetecknas av polaritet, bristande överensstämmelse med vilket leder till fel på kondensatorn. Emellertid tillämpas polaritet även på superkondensatorer. Detta beror på det faktum att superkondensatorer lämnar fabrikens monteringslinje redan laddade, och markeringen indikerar polariteten för denna laddning.

Superkondensatorparametrar

Den maximala kapaciteten för en enskild superkondensator, uppnådd i skrivande stund, är 12 000 F. För masstillverkade superkondensatorer överstiger den inte 3 000 F. Den maximalt tillåtna spänningen mellan plattorna överstiger inte 10 V. För kommersiellt tillverkade superkondensatorer, denna siffra ligger som regel inom 2. 3 – 2,7 V. Låg driftspänning kräver användning av en spänningsomvandlare med stabilisatorfunktion. Faktum är att under urladdning ändras spänningen på kondensatorplattorna över ett brett område. Konstruktion av en spänningsomvandlare för att ansluta lasten och laddareär en icke-trivial uppgift. Låt oss säga att du behöver driva en 60W belastning.

För att förenkla övervägandet av problemet kommer vi att försumma förluster i spänningsomvandlaren och stabilisatorn. I fall du arbetar med vanligt batteri med en spänning på 12 V, då måste styrelektroniken tåla en ström på 5 A. Sådana elektroniska enheter är utbredda och billiga. Men en helt annan situation uppstår när man använder en superkondensator, vars spänning är 2,5 V. Då kan strömmen som flyter genom omvandlarens elektroniska komponenter nå 24 A, vilket kräver nya tillvägagångssätt för kretsteknik och en modern elementbas. Det är just svårigheten att bygga en omvandlare och stabilisator som kan förklara det faktum att superkondensatorer, serieproduktion som startade redan på 70-talet av 1900-talet, har först nu börjat användas i stor utsträckning inom en mängd olika områden.

Schematiskt diagram källa avbrottsfri strömförsörjning
spänning på superkondensatorer, är huvudkomponenterna implementerade
på en mikrokrets producerad av LinearTechnology

Superkondensatorer kan kopplas till batterier med serie- eller parallellkoppling. I det första fallet ökar den maximalt tillåtna spänningen. I det andra fallet - kapacitet. Att öka den maximalt tillåtna spänningen på detta sätt är ett sätt att lösa problemet, men du måste betala för det genom att minska kapacitansen.

Storleken på superkondensatorer beror naturligtvis på deras kapacitet. En typisk superkondensator med en kapacitet på 3000 F är en cylinder med en diameter på cirka 5 cm och en längd på 14 cm. Med en kapacitet på 10 F har en superkondensator dimensioner som är jämförbara med en mänsklig fingernagel.

Bra superkondensatorer klarar hundratusentals laddnings-urladdningscykler och överskrider batterierna med cirka 100 gånger i denna parameter. Men precis som elektrolytkondensatorer står superkondensatorer inför problemet med åldrande på grund av det gradvisa läckaget av elektrolyt. Hittills har ingen fullständig statistik om fel på superkondensatorer av denna anledning samlats, men enligt indirekta data kan livslängden för superkondensatorer uppskattas till ungefär 15 år.

Ackumulerad energi

Mängden energi som lagras i en kondensator, uttryckt i joule:

E = CU 2/2,
där C är kapacitansen, uttryckt i farad, U är spänningen på plattorna, uttryckt i volt.

Mängden energi som lagras i kondensatorn, uttryckt i kWh, är:

W = CU 2/7200000

Därför kan en kondensator med en kapacitet på 3000 F med en spänning mellan plattorna på 2,5 V lagra endast 0,0026 kWh. Hur jämför detta med till exempel ett litiumjonbatteri? Om du accepterar det utspänning oberoende av graden av urladdning och lika med 3,6 V, då kommer energimängden 0,0026 kWh att lagras i ett litiumjonbatteri med en kapacitet på 0,72 Ah. Ack, ett mycket blygsamt resultat.

Applicering av superkondensatorer

Nödbelysningssystem är där användning av superkondensatorer istället för batterier gör en verklig skillnad. Faktum är att det är just denna applikation som kännetecknas av ojämn urladdning. Dessutom är det önskvärt att nödlampan laddas snabbt och att reservkraftkällan som används i den har större tillförlitlighet. En superkondensatorbaserad reservkraftkälla kan integreras direkt i LED lampa T8. Sådana lampor tillverkas redan av ett antal kinesiska företag.

Powered LED-jordljus
från solpaneler, energilagring
där den utförs i en superkondensator

Som redan nämnts beror utvecklingen av superkondensatorer till stor del på intresset för alternativa energikällor. Men praktisk användningän så länge begränsat till LED-lampor som får energi från solen.

Användningen av superkondensatorer för att starta elektrisk utrustning utvecklas aktivt.

Superkondensatorer kan leverera stora mängder energi på kort tid. Genom att driva elektrisk utrustning vid start från en superkondensator kan toppbelastningar på elnätet minskas och i slutändan kan inkopplingsströmmarginalen minskas, vilket ger enorma kostnadsbesparingar.

Genom att kombinera flera superkondensatorer till ett batteri kan vi uppnå en kapacitet som är jämförbar med de batterier som används i elbilar. Men detta batteri kommer att väga flera gånger mer än batteriet, vilket är oacceptabelt för fordon. Problemet kan lösas genom att använda grafenbaserade superkondensatorer, men de finns för närvarande bara som prototyper. En lovande version av den berömda Yo-mobilen, endast driven av el, kommer dock att använda den nya generationens superkondensatorer, som utvecklas av ryska forskare, som en kraftkälla.

Superkondensatorer kommer också att gynna utbytet av batterier i konventionella bensin- eller dieselfordon - deras användning i sådana fordon är redan en realitet.

Under tiden kan det mest framgångsrika av de genomförda projekten för införande av superkondensatorer betraktas som de nya rysktillverkade trolleybussarna som nyligen dök upp på Moskvas gator. När spänningsförsörjningen till kontaktnätet avbryts eller när strömavtagarna "flyger av" kan trolleybussen färdas med låg hastighet (ca 15 km/h) i flera hundra meter till en plats där den inte stör trafiken på vägen. Energikällan för sådana manövrar är ett batteri av superkondensatorer.

I allmänhet kan superkondensatorer för närvarande bara ersätta batterier i vissa "nischer". Men tekniken utvecklas snabbt, vilket gör att vi kan förvänta oss att tillämpningsområdet för superkondensatorer inom en snar framtid kommer att utökas avsevärt.

Människor använde först kondensatorer för att lagra elektricitet. Sedan, när elektroteknik gick utöver laboratorieexperiment, uppfanns batterier, som blev det huvudsakliga sättet att lagra elektrisk energi. Men i början av 2000-talet föreslås det återigen att använda kondensatorer för att driva elektrisk utrustning. Hur möjligt är detta och kommer batterier äntligen att bli ett minne blott?

Anledningen till att kondensatorer byttes ut mot batterier berodde på de betydligt större mängder elektricitet som de klarar av att lagra. En annan anledning är att under urladdning ändras spänningen vid batteriutgången väldigt lite, så att en spänningsstabilisator antingen inte behövs eller kan vara av en mycket enkel konstruktion.

Den största skillnaden mellan kondensatorer och batterier är att kondensatorer direkt lagrar elektrisk laddning, medan batterier omvandlar elektrisk energi till kemisk energi, lagrar den och sedan omvandlar den kemiska energin tillbaka till elektrisk energi.

Under energiomvandlingar går en del av den förlorad. Därför har även de bästa batterierna en verkningsgrad på högst 90%, medan den för kondensatorer kan nå 99%. Intensiteten av kemiska reaktioner beror på temperaturen, så batterier presterar märkbart sämre i kallt väder än vid rumstemperatur. Dessutom är kemiska reaktioner i batterier inte helt reversibla. Därav det lilla antalet laddnings-urladdningscykler (i storleksordningen tusentals, oftast är batteritiden cirka 1000 laddnings-urladdningscykler), såväl som "minneseffekten". Låt oss komma ihåg att "minneseffekten" är att batteriet alltid måste laddas ur till en viss mängd ackumulerad energi, då kommer dess kapacitet att vara maximal. Om det efter urladdning finns mer energi kvar i den, kommer batterikapaciteten gradvis att minska. "Minneseffekten" är karakteristisk för nästan alla kommersiellt producerade typer av batterier, utom sura (inklusive deras varianter - gel och AGM). Även om det är allmänt accepterat att litiumjon- och litiumpolymerbatterier inte har det, så har de det faktiskt också, det visar sig bara i mindre utsträckning än i andra typer. När det gäller syrabatterier uppvisar de effekten av plattsulfatering, vilket orsakar irreversibel skada på strömkällan. En av anledningarna är att batteriet förblir i ett laddningstillstånd på mindre än 50 % under lång tid.

När det gäller alternativ energi är "minneseffekten" och plattsulfatering allvarliga problem. Faktum är att tillgången på energi från källor som solpaneler och vindkraftverk är svår att förutse. Som ett resultat sker laddning och urladdning av batterier kaotiskt, i ett icke-optimalt läge.

För den moderna livsrytmen visar det sig vara absolut oacceptabelt att batterier måste laddas i flera timmar. Hur föreställer du dig till exempel att köra långa sträckor i ett elfordon om ett urladdat batteri håller dig fast vid laddningsplatsen i flera timmar? Laddningshastigheten för ett batteri begränsas av hastigheten på de kemiska processer som sker i det. Du kan minska laddningstiden till 1 timme, men inte till några minuter. Samtidigt begränsas kondensatorns laddningshastighet endast av den maximala strömmen som tillhandahålls av laddaren.

De uppräknade nackdelarna med batterier har gjort det angeläget att istället använda kondensatorer.

Använda ett elektriskt dubbelskikt

Under många decennier hade elektrolytkondensatorer den högsta kapaciteten. I dem var en av plattorna metallfolie, den andra var en elektrolyt, och isoleringen mellan plattorna var metalloxid, som täckte folien. För elektrolytkondensatorer kan kapaciteten nå hundradelar av en farad, vilket inte räcker för att helt byta ut batteriet.

Stor kapacitans, mätt i tusentals farad, kan erhållas av kondensatorer baserade på det så kallade elektriska dubbelskiktet. Principen för deras funktion är som följer. Ett elektriskt dubbelskikt uppträder under vissa förhållanden vid gränsytan mellan ämnen i den fasta och flytande fasen. Två lager joner bildas med laddningar av motsatta tecken, men av samma storlek. Om vi ​​förenklar situationen väldigt mycket, bildas en kondensator, vars "plattor" är de angivna lagren av joner, vars avstånd är lika med flera atomer.

Kondensatorer baserade på denna effekt kallas ibland jonistorer. Faktum är att denna term inte bara hänvisar till kondensatorer i vilka elektrisk laddning lagras, utan också till andra enheter för lagring av elektricitet - med partiell omvandling av elektrisk energi till kemisk energi tillsammans med lagring av den elektriska laddningen (hybridjonistor), såväl som för batterier baserade på dubbla elektriska lager (så kallade pseudokondensatorer). Därför är termen "superkondensatorer" mer lämplig. Ibland används den identiska termen "ultracapacitor" istället.

Tekniskt genomförande

Superkondensatorn består av två plattor av aktivt kol fyllda med elektrolyt. Mellan dem finns ett membran som tillåter elektrolyten att passera igenom, men som förhindrar fysisk rörelse av aktivt kolpartiklar mellan plattorna.

Det bör noteras att superkondensatorer själva inte har någon polaritet. I detta skiljer de sig fundamentalt från elektrolytiska kondensatorer, som i regel kännetecknas av polaritet, bristande överensstämmelse med vilket leder till fel på kondensatorn. Emellertid tillämpas polaritet även på superkondensatorer. Detta beror på det faktum att superkondensatorer lämnar fabrikens monteringslinje redan laddade, och markeringen indikerar polariteten för denna laddning.

Superkondensatorparametrar

Den maximala kapaciteten för en enskild superkondensator, uppnådd i skrivande stund, är 12 000 F. För masstillverkade superkondensatorer överstiger den inte 3 000 F. Den maximalt tillåtna spänningen mellan plattorna överstiger inte 10 V. För kommersiellt tillverkade superkondensatorer, denna siffra ligger som regel inom 2. 3 – 2,7 V. Låg driftspänning kräver användning av en spänningsomvandlare med stabilisatorfunktion. Faktum är att under urladdning ändras spänningen på kondensatorplattorna över ett brett område. Att bygga en spänningsomvandlare för att koppla ihop lasten och laddaren är en icke-trivial uppgift. Låt oss säga att du behöver driva en 60W belastning.

För att förenkla övervägandet av problemet kommer vi att försumma förluster i spänningsomvandlaren och stabilisatorn. Om du arbetar med ett vanligt 12 V-batteri måste styrelektroniken klara en ström på 5 A. Sådana elektroniska enheter är utbredda och billiga. Men en helt annan situation uppstår när man använder en superkondensator, vars spänning är 2,5 V. Då kan strömmen som flyter genom omvandlarens elektroniska komponenter nå 24 A, vilket kräver nya tillvägagångssätt för kretsteknik och en modern elementbas. Det är just komplexiteten i att bygga en omvandlare och stabilisator som kan förklara det faktum att superkondensatorer, vars serieproduktion började på 70-talet av 1900-talet, först nu har börjat användas i stor utsträckning inom en mängd olika områden.

Superkondensatorer kan kopplas till batterier med serie- eller parallellkoppling. I det första fallet ökar den maximalt tillåtna spänningen. I det andra fallet - kapacitet. Att öka den maximalt tillåtna spänningen på detta sätt är ett sätt att lösa problemet, men du måste betala för det genom att minska kapacitansen.

Storleken på superkondensatorer beror naturligtvis på deras kapacitet. En typisk superkondensator med en kapacitet på 3000 F är en cylinder med en diameter på cirka 5 cm och en längd på 14 cm. Med en kapacitet på 10 F har en superkondensator dimensioner som är jämförbara med en mänsklig fingernagel.

Bra superkondensatorer klarar hundratusentals laddnings-urladdningscykler och överskrider batterierna med cirka 100 gånger i denna parameter. Men precis som elektrolytkondensatorer står superkondensatorer inför problemet med åldrande på grund av det gradvisa läckaget av elektrolyt. Hittills har ingen fullständig statistik om fel på superkondensatorer av denna anledning samlats, men enligt indirekta data kan livslängden för superkondensatorer uppskattas till ungefär 15 år.

Ackumulerad energi

Mängden energi som lagras i en kondensator, uttryckt i joule:

där C är kapacitansen, uttryckt i farad, U är spänningen på plattorna, uttryckt i volt.

Mängden energi som lagras i kondensatorn, uttryckt i kWh, är:

Därför kan en kondensator med en kapacitet på 3000 F med en spänning mellan plattorna på 2,5 V lagra endast 0,0026 kWh. Hur jämför detta med till exempel ett litiumjonbatteri? Om vi ​​tar dess utspänning att vara oberoende av graden av urladdning och lika med 3,6 V, kommer en mängd energi på 0,0026 kWh att lagras i ett litiumjonbatteri med en kapacitet på 0,72 Ah. Ack, ett mycket blygsamt resultat.

Applicering av superkondensatorer

Nödbelysningssystem är där användning av superkondensatorer istället för batterier gör en verklig skillnad. Faktum är att det är just denna applikation som kännetecknas av ojämn urladdning. Dessutom är det önskvärt att nödlampan laddas snabbt och att reservkraftkällan som används i den har större tillförlitlighet. En superkondensatorbaserad reservströmförsörjning kan integreras direkt i T8 LED-lampan. Sådana lampor tillverkas redan av ett antal kinesiska företag.

Som redan nämnts beror utvecklingen av superkondensatorer till stor del på intresset för alternativa energikällor. Men praktisk tillämpning är fortfarande begränsad till LED-lampor som får energi från solen.

Användningen av superkondensatorer för att starta elektrisk utrustning utvecklas aktivt.

Superkondensatorer kan leverera stora mängder energi på kort tid. Genom att driva elektrisk utrustning vid start från en superkondensator kan toppbelastningar på elnätet minskas och i slutändan kan inkopplingsströmmarginalen minskas, vilket ger enorma kostnadsbesparingar.

Genom att kombinera flera superkondensatorer till ett batteri kan vi uppnå en kapacitet som är jämförbar med de batterier som används i elbilar. Men detta batteri kommer att väga flera gånger mer än batteriet, vilket är oacceptabelt för fordon. Problemet kan lösas genom att använda grafenbaserade superkondensatorer, men de finns för närvarande bara som prototyper. En lovande version av den berömda Yo-mobilen, endast driven av el, kommer dock att använda den nya generationens superkondensatorer, som utvecklas av ryska forskare, som en kraftkälla.

Superkondensatorer kommer också att gynna utbytet av batterier i konventionella bensin- eller dieselfordon - deras användning i sådana fordon är redan en realitet.

Under tiden kan det mest framgångsrika av de genomförda projekten för införande av superkondensatorer betraktas som de nya rysktillverkade trolleybussarna som nyligen dök upp på Moskvas gator. När spänningsförsörjningen till kontaktnätet avbryts eller när strömavtagarna "flyger av" kan trolleybussen färdas med låg hastighet (ca 15 km/h) i flera hundra meter till en plats där den inte stör trafiken på vägen. Energikällan för sådana manövrar är ett batteri av superkondensatorer.

I allmänhet kan superkondensatorer för närvarande bara ersätta batterier i vissa "nischer". Men tekniken utvecklas snabbt, vilket gör att vi kan förvänta oss att tillämpningsområdet för superkondensatorer inom en snar framtid kommer att utökas avsevärt.

Alexey Vasiliev

Jonistorer är elektrokemiska enheter som är utformade för att lagra elektrisk energi. De kännetecknas av en hög laddnings-urladdningshastighet (upp till flera tiotusentals gånger), de har en mycket lång livslängd, till skillnad från andra batterier ( uppladdningsbara batterier och galvaniska celler), låg läckström, och viktigast av allt, jonistorer kan ha stor kapacitet och mycket små dimensioner. Jonistorer har funnit bred tillämpning i personliga datorer, bilradioapparater, Mobil enheter och så vidare. Designad för att lagra minne när huvudbatteriet tas bort eller enheten stängs av. På senare tid har jonistorer ofta använts i autonoma kraftsystem som använder solbatterier.

Jonistorer lagrar också en laddning under mycket lång tid, oavsett väderförhållanden, de är resistenta mot frost och värme, och detta kommer inte att påverka enhetens funktion på något sätt. I några elektroniska kretsar för att lagra minne behöver du ha en spänning som är högre än jonistorns spänning; för att lösa detta problem är jonistorer seriekopplade och för att öka jonistorns kapacitet är de parallellkopplade. Den senare typen av anslutning används huvudsakligen för att öka jonisorns drifttid, samt för att öka strömmen som tillförs lasten, för att balansera strömmen i en parallell anslutning kopplas ett motstånd till varje jonistor.

Jonistorer används ofta med batterier och är, till skillnad från dem, inte rädda kortslutningar och plötsliga förändringar i omgivningstemperaturerna. Redan idag utvecklas speciella jonistorer med stor kapacitet och en ström på upp till 1 ampere. Som bekant överstiger inte strömmen av jonistorer som idag används inom teknik för lagring av minne 100 milliampere, detta är en och den mest en viktig nackdel med jonistorer, men detta rälsförhållande kompenseras av de ovan angivna fördelarna med jonistorer. På Internet kan du hitta många konstruktioner baserade på så kallade superkondensatorer – de är också jonistorer. Jonistorer dök upp ganska nyligen - för 20 år sedan.

Enligt forskare är vår planets elektriska kapacitet 700 mikrofarad, jämför med en enkel kondensator... Jonistorer är huvudsakligen gjorda av träkol, som efter aktivering och specialbehandling blir poröst, två metallplattor pressas tätt mot facket med kolet. Att göra en jonistor hemma är väldigt enkelt, men att få poröst kol är nästan omöjligt; du måste bearbeta träkol hemma, och detta är något problematiskt, så det är lättare att köpa en jonistor och göra intressanta experiment på den. Till exempel räcker parametrarna (effekt och spänning) för en jonistor för att lysdioden ska lysa starkt och under lång tid eller för att fungera

En matsked aktivt kol från ett apotek, några droppar saltat vatten, en plåt och en plastburk med fotografisk film. Det räcker att göra DIY jonist, en elektrisk kondensator vars kapacitans är ungefär lika med den elektriska kapacitansen ... för jordklotet. Leyden burk.

Det är möjligt att en av de amerikanska tidningarna skrev om just en sådan anordning 1777: "... Dr. Franklin har uppfunnit en maskin i storleken av ett tandpetarfodral, kapabel att förvandla Londons St. Paul's Cathedral till en handfull aska. ” Men först till kvarn.

Mänskligheten har använt elektricitet i lite över två århundraden, men elektriska fenomen har varit kända för människor i tusentals år och har inte haft praktisk betydelse på länge. Först i början av 1700-talet, när vetenskapen blev en fashionabel underhållning, skapade den tyske vetenskapsmannen Otto von Guericke en "elektroforisk" maskin specifikt för att genomföra offentliga experiment, med hjälp av vilken han fick elektricitet i tidigare oanade mängder.

Maskinen bestod av en glaskula, mot vilken en bit läder gnuggade sig när den roterade. Effekten av hennes arbete var stor: gnistor sprakade, osynliga elektriska krafter slet av damsjalar och fick håret att resa sig. Allmänheten var särskilt förvånad över organens förmåga att samla elektriska laddningar.

År 1745 hällde den nederländska fysikern från Leiden Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) vatten i en glasburk, satte en bit tråd inuti, som en blomma i en vas, och tog försiktigt om den med handflatorna och förde den till elektroformaskin. Flaskan samlade så mycket elektricitet att en ljus gnista flög ut ur trådbiten med ett "öronbedövande vrål". Nästa gång vetenskapsmannen rörde tråden med fingret fick han ett slag som han förlorade medvetandet från; Om det inte vore för assistent Kuneus, som kom i tid, hade ärendet kunnat sluta tråkigt.

Således skapades en enhet som kunde ackumulera miljontals gånger mer laddning än någon kropp som var känd vid den tiden. Den kallades "Leydenburken". Det var en slags kondensator, vars ena plattor var försöksledarens handflator, dielektrikumet var glasväggar och den andra plattan var vatten.

Nyheten om uppfinningen spreds över hela det upplysta Europa. Leydenburken användes omedelbart för att utbilda den franske kungen Ludvig XV. Föreställningarna började. I ett av experimenten som gick till historien, elektricitet De passerade genom kedjan av vakter och höll varandra i hand. När den elektriska urladdningen träffade hoppade alla upp som en, som om de skulle marschera i luften. I ett annat experiment leddes ström genom en kedja av 700 munkar...

Experiment med Leyden-burken i Amerika tog en mer praktisk riktning. 1747 startades de av en av USA:s grundare, den redan nämnda Benjamin Franklin. Han kom på idén att slå in burken i stanniol, och dess kapacitet ökade många gånger, och arbetet blev säkrare. I experiment med det visade Franklin att en elektrisk urladdning kan generera värme och höja kvicksilverkolonnen i en termometer. Och genom att ersätta burken med en glasskiva täckt med stanniol fick Franklin en platt kondensator, många gånger lättare än till och med Leyden-burken han förbättrade.

Historien är tyst om en anordning som kan lagra så mycket energi att den, som tidningen skrev, skulle kunna användas för att "förvandla St. Paul's Cathedral till en askhög", men det betyder inte att B. Franklin inte kunde skapa den .

Och här är det dags att återvända till hur man gör DIY jonist. Om du har fyllt på med allt du behöver, sänk ner plåten till botten av filmburken, efter att ha lödt fast en bit isolerad tråd på den. Lägg en filterpappersdyna ovanpå, häll ett lager aktivt kol på den och, efter att ha hällt saltat vatten, täck din "smörgås" med en annan elektrod.

Diagram över jonistoperationen.

Du har en elektrokemisk kondensator - jonist. Det är intressant eftersom det i porerna av aktiva kolpartiklar uppstår ett så kallat dubbelt elektriskt lager - två lager som ligger nära varandra elektriska laddningar av olika tecken, det vill säga en sorts elektrokemisk kondensator. Avståndet mellan skikten beräknas i ångström (1 ångström - 10-9 m). Och kapacitansen hos en kondensator, som bekant, ju större desto mindre är avståndet mellan plattorna.

På grund av detta är energireserven per volymenhet i dubbelskiktet större än för det kraftigaste sprängämnet. Detta Leyden burk!

Jonistorn fungerar enligt följande. I frånvaro av extern spänning är dess kapacitet försumbar. Men under påverkan av spänning som appliceras på kondensatorns poler laddas de intilliggande lagren av kol. Joner med motsatt tecken i lösningen rusar till kolpartiklarna och bildar ett dubbelt elektriskt lager på deras yta.

Industriell elektrokemisk kondensator (jonistor). Metallhöljet i knappstorlek rymmer två lager av aktivt kol, åtskilda av en porös distans.

Schema hur man gör DIY jonist.

Diagram över en hemmagjord jonistor gjord av en plastburk och aktivt kol:

1 - övre elektrod;

2 - anslutningstrådar;

3,5 - lager av vått aktivt kol;

4 - porös separerande packning;

6 - bottenelektrod;

7 - kropp.

Om en last är ansluten till kondensatorns poler, kommer motsatta laddningar från kolpartiklarnas inre yta att löpa längs ledningarna mot varandra, och jonerna som finns i deras porer kommer att komma ut.

Det är allt. nu förstår du hur man gör DIY jonist.

Moderna jonistorer har en kapacitet på tiotals och hundratals farad. När de laddas ur kan de utveckla stor kraft och är mycket hållbara. När det gäller energireserv per massenhet och volymenhet är jonistorer fortfarande sämre än batterier. Men om man byter ut aktivt kol mot de tunnaste kolnanorören eller annat elektriskt ledande ämne kan jonistorens energiintensitet bli fantastiskt stor.

Benjamin Franklin levde i en tid då nanoteknik inte ens tänktes på, men det betyder inte att den inte användes. Som nobelpristagaren i kemi Robert Curie rapporterade, använde forntida hantverkare, utan att veta om det, nanoteknologiska metoder när de tillverkade blad av Damaskus-stål. Forntida damaststål förblev alltid skarpt och hållbart tack vare den speciella sammansättningen av kol i metallstrukturen.

Något slags nanomaterial, som förkolnade växtstammar som innehåller nanorör, skulle kunna användas av Franklin för att skapa en superkondensator. Hur många av er förstår vad det är? Leyden burk, och vem kommer att försöka göra det?