CC BY
17УДК 621.311. 6.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИОНИСТОРА ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ И РОДА ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТА
Циперко Л.Н.1, Бекиров Э.А.2
ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет им. Вернадского», Физико-технический институт, г. Симферополь, РФ, E-mail: 1 [email protected]; [email protected]
Аннотация. В статье представлена сравнительная характеристика водных растворов электролита применяемых для изготовления ионистора. Актуальность данной работы заключается в использовании дешевых нетоксичных растворов электролита, предназначенных для использования в ионисторах с целью повышения бесперебойного электроснабжения объекта сельско - хозяйственного назначения.
Предмет исследования. Ионисторы и их свойства, в зависимости от рода применяемого электролита. Материалы и методы. В работе использовались эмпирические методы исследований и теоретические сведения для их обоснования.
Ключевые слова. ионистор; электролит; водный раствор; соль; кислота; основание; ион.
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня на практике наиболее широко применяются следующие типы накопителей энергии:
1) Аккумуляторы;
2) Конденсаторы;
3) Ионисторы;
В основном в качестве накопителя энергии для объектов возобновляемой энергетики применяются аккумуляторы. Это связано с большой емкостью и невысокой удельной стоимостью, но при этом они имеют ограниченный срок службы, в зависимости от условий работы он составляет 3 - 5 лет. Этот недостаток значительно увеличивает стоимость эксплуатации таких устройств. Конденсаторы и ионисторы имеют значительно меньшую емкость и значительно большую стоимость, но при этом срок их службы значительно больше, до 30 лет. Таким образом их применение, как альтернатива аккумулятору, целесообразна с точки зрения эксплуатации. Но при этом стоимость ампер часа электроэнергии накопленной в ионисторе будет значительно выше аналогичной емкости аккумулятора. Это связано, прежде всего, с дороговизной производства и высокой себестоимостью ионистора. В данной работе при разработке ионистора приоритет был отдан себестоимости накопителя.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
На данном этапе развития техники суперконденсаторы чаще всего применяются как резервный источник питания для электроники [2], но в последние годы их стали применять и как аналог аккумуляторов в установках [13], где необходим пиковый источник энергии [9], а также где необходим резервный источник питания логических [4] или интегральных схем [5]. В некоторых случаях целесообразно применение
ионистора в системах электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания [8]. В новых ионисторах качестве электролита применяется соли, температура плавления которой ниже температуры окружающей среды - ионные жидкости [3], [11]. Также применяются ионисторы с твердым электролитом RbAg4I5 , они имеют широкий интервал рабочих температур, сверхвысокую стойкость к воздействиям механических и специальных факторов и не имеют альтернативы в случае использования в жестких условиях эксплуатации[12],[6]. Также одним из методов увеличения емкости ионистора является подбор состава и оптимизации структуры электродов [1]. В качестве сорбента применяются пористые вещества с высокой удельной площадью, такие как: активированный уголь, вспененные металлы или графен [3]. Также есть и экспериментальные модели ионисторов в которых в качестве сорбента используется коксовая пыль [10]. С точки зрения физики ионистор представляет собой конденсатор с большой площадью поверхности и малым расстоянием между обкладками. Такой эффект получается за счет использования материалов с высокой удельной площадью, таких как активированный уголь или вспененные металлы. В последние годы в качестве сорбента стали применять углеродные нанотрубки, что в свою очередь значительно увеличило этот показатель. Ионистор представляет собой накопитель электрической энергии, принцип действия которого основан на накоплении заряда в двойном электрическом слое.
Принцип работы ионистора заключается в накоплении ионов в порах сорбента [14]. При приложении напряжения к выводам ионистора отрицательные ионы собираются у анода, а положительные у катода.
Так как расстояние между ионами электролита и электронами в сорбенте составляет несколько нанометров, такой накопитель энергии имеет емкость значительно больше, чем емкость
конденсатора. Для определения параметра безотказности ионистора применяется «стресс-тест» [7].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Используются экспериментальный и аналитический методы для определения оптимальных параметров электролита ионистора. В качестве электролитов были использованы широко доступные вещества имеющие низкую себестоимость. Для всех типов электролита эксперимент проводился в одинаковых условиях. В качестве обкладок ионистора применялась медная фольга толщиной 0.2 мм, в качестве сепаратора
Таблица 1. Справочные данные Table 1. Reference data on the
была использована папиросная бумага, а в качестве сорбента использовался мелкодисперсный активированный уголь. После нанесения активированного угля на обкладку он пропитывался одинаковым для всех экспериментов объемом электролита. Далее ионистор закрывался с обеих сторон стеклянной пластинкой, что предотвращало испарение электролита.
Порядок проведения эксперимента:
1. Находим характеристику разряда ионистора от концентрации электролита для трех значений - 20%, 40%, 60%;
2. Находим зависимость сопротивления ионистора от рода электролита;
3. Концентрация рассчитывается исходя из условий насыщения электролита как показано в таблице 1.
по растворимости веществ в воде
Наименование Предельная масса растворенного вещества на 100 г воды
KI - Иодид калия 144,5
Na2CÜ3 - Карбонат натрия 29,4
KBr - Бромид калия 65,2
N2SO4 - Сульфат Натрия 26,1
K2SO4 - Сульфат калия 12
H2SO4 - Серная кислота -
KCl - Хлорид калия 34
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
В результате эксперимента были получены данные зависимостей сопротивления от времени и характеристики разряда для разного рода электролита. Результаты сведены в таблицы 2 и 3. На основании полученных результатов электролит на основе двадцати процентного раствора бромида калия имеет характеристики значительно выше остальных представленных электролитов. Такой
результат можно объяснить природой процесса электролиза протекающего при заряде ионистора.
Сопоставив графики разряда ионисторов (рис 2) и количество электронов освободившихся в процессе заряда (формулы 1-18) можно заметить, что во всех веществах, за исключением бромида калия при электролизе освобождается от двух до четырех электронов, а в случае с бромидом калия количество электронов равно шести. Это объясняет большее напряжение заряда по сравнению с другими электролитами.
Таблица 2. Зависимость сопротивления от времени разряда Table 2. Dependence of resistance on discharge time
t- время разряда (с) R - сопротивление (Ом) для ио-дида калия R - сопротивление (Ом) для карбоната натрия R - сопротивление (Ом) для бромида калия R - сопротивление (Ом) для сульфата натрия R - сопротивление (Ом) для сульфата калия R - сопротивление (Ом) для Серной кислоты R - сопротивление (Ом) для хлорида калия
5 0,1 51 0,1 20,6 0,2 7,7 0,125
10 0,15 92,3 3,6 65 3,6 14 6,62
15 2,6 117,7 6,5 84,1 12,2 14,2 10,1
20 3,3 124,2 10,2 98,1 17,4 16,2 13,37
25 3,7 130,7 12,7 114,6 21 17,8 16,8
30 4 136 15 122,5 24 19,2 20,37
35 4,3 140,7 17,3 127,5 27,2 20,3 24,5
40 4,5 142 20,1 131,3 30,6 21 27,5
45 4,8 144,6 22,1 134,6 34,6 21,4 31,3
50 5 146 25,3 136,6 39 22 34,5
55 5,2 147,3 28 136,6 43,8 22,3 36,8
60 5,4 148,7 30,3 140,5 48,2 22,6 39,3
t- время разряда (с) R - сопротивление (Ом) для ио-дида калия R - сопротивление (Ом) для карбоната натрия R - сопротивление (Ом) для бромида калия R - сопротивление (Ом) для сульфата натрия R - сопротивление (Ом) для сульфата калия R - сопротивление (Ом) для Серной кислоты R - сопротивление (Ом) для хлорида калия
65 5,6 149,6 32,5 141,8 52,2 22,8 41
70 5,7 151 34,3 142,8 57,2 23,1 42,6
75 5,9 152 36,2 143,5 61,4 23,3 44,1
80 6,2 153 38 144,1 65,2 23,5 45,5
85 6,4 153,8 39,4 144,6 68,8 23,8 47
90 6,5 154,5 41,5 145 72 24 48,75
95 6,7 155 43,4 145,5 75 24,3 51
100 6,9 155,1 44,5 145,6 77,8 24,4 52,25
Рис 1. График зависимости сопротивления от времени для разного рода электролитов Fig. 1. A graph of the dependence of resistance on time for a different kind of electrolyte
Рис 2. Характеристика разряда для разного рода электролитов Fig.2. Discharge characteristics for different kinds of electrolytes
Таблица 3. Зависимость напряжения от времени разряда Table. 3. Voltage dependence on discharge time_
t- время разряда (с) Иодид калия U (60%) -напряжение (В) Карбонат натрия U (40%) -напряжение (В) Бромид калия U (20%) -напряжение (В) Сульфат натрия U (40%) -напряжение (В) Сульфат калия U (60%) -напряжение (В) Серная кис-лотаи (20%) -напряжение (В) Хлорид калия U (60%) -напряжение (В)
5 1,4 1,7 2 2 1,8 1,4 1,7
10 0,7 1,4 1,57 1,5 1,53 1,1 1,48
15 0,53 0,7 1,52 1,03 1,25 0,89 1,14
20 0,4 0,64 1,45 0,62 1,03 0,42 0,8
25 0,28 0,59 1,37 0,41 0,7 0,27 0,5
30 0,18 0,54 1,22 0,31 0,47 0,21 0,37
35 0,14 0,51 1,12 0,24 0,38 0,2 0,28
40 0,12 0,48 0,9 0,2 0,32 0,19 0,23
45 0,1 0,45 0,78 0,17 0,27 0,19 0,2
50 0,09 0,42 0,66 0,14 0,24 0,18 0,18
55 0,08 0,4 0,56 0,12 0,21 0,18 0,16
60 0,08 0,38 0,48 0,11 0,19 0,18 0,15
65 0,07 0,36 0,42 0,1 0,19 0,18 0,14
70 0,06 0,34 0,36 0,08 0,15 0,17 0,12
75 0,06 0,29 0,36 0,08 0,14 0,17 0,11
80 0,05 0,26 0,3 0,07 0,12 0,16 0,1
85 0,05 0,25 0,27 0,07 0,11 0,16 0,1
90 0,05 0,23 0,24 0,06 0,1 0,16 0,09
95 0,04 0,22 0,21 0,06 0,09 0,16 0,08
100 0,04 0,2 0,19 0,06 0,08 0,15 0,08
Потенциальную энергию заряженного ионистора найдем по формуле 1.
W = U- q = U- I-t,
(1)
Рис 3. Диаграмма потенциальной энергии заряженного ионистора для разного рода электролитов Fig.3. Diagram of the potential energy of a charged ionistor for various kinds f electrolytes
Рассмотрим, как протекает процесс электролиза в исследуемых веществах. 1) Электролиз водного раствора иодида калия (формулы 2; 3; 4).
2К1 + 2Н20 ^ 12+ 2Н2 + 2КОН,
Процесс на аноде:
Процесс на катоде:
А(+):21 — 2е~ ^ 12 , К(-): 2Н20 + 2е- ^Н2 + 20Н-,
2) Электролиз водного раствора карбоната натрия (формулы 5; 6; 7).
2Иа2СО3 + 2Н20 ±2е^Н2 + Иа2С206 + 2ИаОН,
Процесс на аноде: Процесс на катоде:
2Н20 + 2е- ^Н2 + 20Н- ,
2С032- - 2е- ^ С20\-
3) Электролиз водного раствора бромида калия (формулы 8; 9; 10).
КВг +3Н20 ±6е- ^ 3Н2 + КВг03,
Процесс на аноде:
Вг~ + 3Н20- 6е- ^ ВгО- + 6Н+ ,
Процесс на катоде:
6Н+ + 6е~ ^ 3Н2,
4) Электролиз водного раствора сульфат натрия (формулы 11; 12; 13).
Иа2504 + 4Н20 ^ 2ИаОН + 2Н2 + 02 + Н2Б04,
Процесс на аноде:
2Н20 — 4е~ ^ 02 + 4Н+,
Процесс на катоде:
2Н20 + 2е~ ^Н2 + 20Н~,
5) Электролиз водного раствора серной кислоты (формулы 14; 15; 16).
Н2Б04 ^ 2Н+ +
Процесс на аноде:
2Н20 — 4е~ ^ 02 + 4Н+,
Процесс на катоде:
2Н+ + 2е~ ^ Н2 1,
6) Электролиз водного раствора хлорида калия (формулы 17; 18; 19).
2КС1 + 2Н20± 2е~ ^Н2 + С12 + 2КОН,
Процесс на аноде:
2С1- — 2е~ ^ С12,
Процесс на катоде:
2Н20 + 2е~ ^Н2 +20Н~,
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8) (9)
(10) (11) (12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18) (19)
ВЫВОДЫ
Проведен эксперимент по определению характеристик ионисторов с водными растворами электролита. На основании полученных данных были сопоставлены характеристики ионисторов на основании которых было выявлено, что наиболее целесообразно применение электролита на основе бромида калия с концентрацией в 20%. Такой результат обусловлен природой протекания процесса электролиза в водном растворе бромида калия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Перспективные накопители энергии типа суперконденсаторов: принципы работы и применение в авиации и космической технике Бибиков С.Б., Мальцев А.А., Кошелев Б.В., Зудов К.А., Кудров М.А. Вестник Московского авиационного института. 2016. Т. 23. № 2. С. 185-194.
2. Особенности и применение ионисторов в электротехнике Бибиков С.Б., Мальцев А.А., Кошелев Б.В., Гелиев А.В. Практическая силовая электроника. 2016. № 3 (63). С. 44-55.
3. Графеновый суперконденсатор Стюхин В.В., Лапшин Э.В. Труды международного симпозиума "Надежность и качество". 2011. Т. 2. С. 209-211.
4. Источник бесперебойного электропитания бортовой аппаратуры Наумов Г.С., Безгрешнов К.А., Булатников Д.В., Чаплыгин А.Н. Патент на изобретение RU 2666523 С1, 10.09.2018. Заявка № 2017137856 от 30.10.2017.
5. ИОНИСТОР Деспотули А.Л., Личкова Н.В. Патент на изобретение RU 2012105 С1, 30.04.1994. Заявка № 4942624/21 от 04.06.1991.
6. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработка и производство Кузнецов В., Панькина О., Мачковская Н. Компоненты и технологии. 2005. № 6 (50). С. 12-16.
7. ИОНИСТОРЫ Горбачев В., Кочемасов В., Хорев С. Компоненты и технологии. 2020. № 7 (228). С. 10-15.
8. Конденсатор с двойным электрическим слоем - новый шаг в электронике Захаров Д.С. Форум молодых ученых. 2017. № 12 (16). С. 710-712.
9. Состояние и перспективы применения суперконденсаторов Порошин Э.В., Дойников Р.Г., Фомин Г.А., Глушков В.А. В сборнике: Приборостроение в XXI веке - 2015. Интеграция науки, образования и производства. Сборник материалов XI Международной научно-технической конференции. 2016. С. 140-146.
10. Новые типы ионисторов и их исследования Логинова А.В., Марцияш Д.А. В сборнике: актуальные вопросы современных исследований. Метери-алы Международной (заочной) научно-практической конференции. Научно-издательский центр «Мир науки». 2018. С. 22-24.
11. Асланов Л.А., Захаров М.А., Абрамычева Н.Л. «Ионные жидкости в ряду растворителей». М.: Изд-во Моск. Ун-та, 2005.
12. Г.В. Булидорова, Ю.Г. Галяметдинов, Х.М. Ярошевская, В.П. Барабанов. «Физическая химия» Книга 1 «Основы химической термодинамики, фазовое равновесие» Издательство «КДУ», 2016.
13. А.А. Кочуров, В.Ю. Гумелев, Н.П. Шевченко. «Теоретические основы решения проблемы увеличения срока службы аккумуляторных батарей» Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище, 2012. — 252 с.
14. А.В. Нечаев «Основы электрохимии» урфу, Екатеринбург 2014. — 236 с.
15. Ю.Н. Ушакова, Л.А.Калинина, Е.Г. Фоминых, Т.В. Михайличенко. «Практикум по физической химии» ЭКБСОН, г Киров, 2009 г, 94 стр.
INVESTIGATION OF THE DEPENDENCE OF THE ELECTRICAL PARAMETERS OF THE IONIS-TOR ON THE CONCENTRATION AND TYPE OF AQUEOUS SOLUTIONS OF ELECTROLYTES
Sperko L.N.,1 Bekirov E.A.2
V.I. Vernadsky Crimean Federal University, Academy of construction and architecture, 181, Kievskaya str., Simferopol, 295050, Russian Federation Email: 1 [email protected] ; [email protected]
Abstract. The article presents a comparative characteristic of aqueous electrolyte solutions used for the manufacture of an ionistor. The relevance of this work lies in the use of cheap non-toxic electrolyte solutions intended for use in ionistors in order to increase the uninterrupted power supply of an agricultural facility.
Subject of study. Ionistors and their properties, depending on the type of electrolyte used.
Materials and methods. The work used empirical research methods and theoretical information to substantiate them. Key words: supercapacitor; electrolyte; water solution; salt; acid; base; ions.
