CC BY
225
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1
УДК 338.246
ИОНИСТОРЫ
В. И. Гриц, Т. В. Дубовой Научный руководитель - И. Я. Шестаков
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассмотрено понятие ионистора, их виды, преимущества и недостатки, их применение, а также предполагаемый способ разработки собственного ионистора.
Ключевые слова: ионистор, конденсатор, двойной электрический слой, применение ионисторов.
ULTRACAPASITORS
V. I. Grits, T. V. Dubovoy Scientific Supervisor - I. Ya. Shestakov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
This article examines the concept of electric double layer capacitors , their types , advantages and disadvantages of their use , as well as the intended way to develop its own electric double layer capacitors.
Keywords: ionistor, capacitor, electric double layer, supercapacitors use.
Ионистор (суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор, англ. EDLC, Electric double-layer capacitor) - электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока [1].
В связи с тем, что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между «обкладками» конденсатора) крайне мала, запасённая ионистором энергия выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. К тому же, использование двойного электрического слоя вместо обычного диэлектрика позволяет намного увеличить площадь поверхности электрода. Типичная ёмкость ионистора - несколько фарад, при номинальном напряжении 2-10 вольт:
1) ионисторы с идеально поляризуемыми углеродными электродами («идеальный» ионистор, ионный конденсатор). Не используют электрохимических реакций, работают за счет ионного переноса между электродами;
2) ионисторы с идеально поляризуемым углеродным электродом и неполяризуемыми или слабо поляризуемыми катодом или анодом («гибридные» ионисторы). На одном электроде происходит электрохимическая реакция;
3) псевдоконденсаторы - ионисторы, использующие обратимые электрохимические процессы на поверхности электродов. Имеют высокую удельную емкость.
Можно выделить следующие преимущества ионисторов:
• удельная энергия симметричных ионисторов меньше, чем у аккумуляторов (5-12 Втч/кг при 200 Втч/кг для литий-ионных аккумуляторов);
• напряжение зависит от степени заряженности;
• возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании;
• низкое рабочее напряжение по сравнению с другими типами конденсаторов (несколько вольт);
• значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд: порядка 1 мкА у ионистора 2 Ф х 2,5 В;
Секция «Электронная техника и технологии»
• большие максимальные токи зарядки и разрядки;
• простота зарядного устройства;
• малая деградация даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда. Проводились исследования по определению максимального числа циклов заряд-разряд. После 100 000 циклов не наблюдалось ухудшения характеристик;
• ионистор обладает длительным сроком службы;
• малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной ёмкости;
• низкая токсичность материалов (кроме органических электролитов);
• высокая эффективность (более 95 %) [источник не указан 958 дней];
• неполярность (хотя на ионисторах и указаны «+» и «-», это делается для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе).
Ионисторы нашли широкое применение в современной жизни. Например, автобусы на ионисторах от HyundaiMotor представляют собой обыкновенные автобусы с электроприводом, питаемым от бортовых ионисторов. По задумке конструкторов из Hyundai Motor такой автобус будет заряжаться на каждой второй или каждой третьей остановке, причём длительности остановки достаточно для подзарядки автобусных ионисторов. Hyundai Motor позиционирует свой автобус на ионисторах как экономичную альтернативу троллейбусу (нет необходимости прокладывать контактную сеть) или дизельному (и даже водородному) автобусу (электроэнергия пока дешевле дизельного или водородного топлива).
Но особенно перспективны ионисторы в качестве средства реализации системы автономного хода для обычных троллейбусов. Троллейбус, оборудованный ионисторами, по маневренности приближается к автобусу. В частности такой троллейбус может следующее:
• проходить отдельные короткие участки маршрута, не оборудованные контактной сетью (в том числе при необходимости двигаться в объезд, когда на каком-то участке маршрута движение по штатной трассе маршрута невозможно);
• проходить места обрыва линии контактной сети;
• возможность объезжать препятствия даже тогда, когда длина токоприёмных штанг не позволяет это сделать (водитель оборудованного ионисторами троллейбуса в этом случае просто опустит токоприёмные штанги и объедет препятствие, после чего вновь поднимет токоприёмные штанги и продолжит движение в штатном режиме);
• отпадает надобность в развитии контактной сети в депо и на разворотных кольцах на конечных остановках - в депо и на разворотных кольцах оборудованные ионисторами троллейбусы маневрируют с опущенными токоприёмными штангами.
Таким образом троллейбусная система, эксплуатируя оборудованные ионисторами троллейбусы, по гибкости приближается к обычной автобусной.
Согласно заявлениям сотрудников MIT 2006 года, ионисторы могут в скором времени заменить обычные аккумуляторы. Кроме того, в 2009 году были проведены испытания аккумулятора на основе ионистора, в котором в пористый материал были введены наночастицы железа. Полученный двойной электрический слой пропускал электроны в два раза быстрее за счет создания туннельного эффекта. Группа учёных из Техасского университета в Остине разработала новый материал, представляющий собой пористый объемный углерод [2]. Полученный таким образом углерод обладал свойствами суперконденсатора. Обработка вышеописанного материала гидроксидом калия привела к созданию в углероде большого количества крохотных пор, которые в сочетании с электролитом смогли хранить в себе колоссальный электрический заряд.
Для создания собственного ионистора предполагается использовать ветеринарный шприц обьемом 20 см3 с латунной арматурой. Сперва отверстие под иголку наглухо закрывается пластилином либо другим подобным материалом. Затем на дно кладется слой фольги и насыпается слой порошка толщиной в 1 сантиметр. Поверх этого слоя кладется полоска фильтровальной бумаги и насыпается еще один такой же слой порошка. Затем все это насыщается раствором поваренной соли в концентрации 100 грамм на литр воды. Потом придавливается поршнем, и все устройство подключается к источнику постоянного тока для зарядки.
Библиографические ссылки
1. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ионистор (дата обращения: 07.04.2015).
2. URL: http://go-radio.ru/ionistor.html (дата обращения: 07.04.2015).
© Гриц В. И., Дубовой Т. В., 2015
