CC BY
36912
www.finestreet.ru
компоненты
пассивные элементы
Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы):
разработка и производство
Виктор КУЗНЕЦОВ Ольга ПАНЬКИНА Наталья МАЧКОВСКАЯ Евгений ШУВАЛОВ Иван ВОСТРИКОВ 291@giriсоnd.spb.ru
В статье изложены принципы функционирования и дана общая характеристика конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов); приведены параметры серийных и разрабатываемых в ОАО «НИИ Гириконд» ионисторов.
Введение
Современная электронная техника широко использует в качестве перезаряжаемых источников тока энергонакопительные электрические конденсаторы (оксидно-электролитические, керамические, с органическими диэлектриками и т. д.) и электрохимические источники тока (аккумуляторы) [1, 2].
При использовании в качестве источников тока энергонакопительные электрические конденсаторы имеют ряд преимуществ перед аккумуляторами:
• они могут эксплуатироваться в широком интервале температур (от -60 до +125 °С и выше) без обслуживания и замены в течение всего срока службы (до 20 лет и более);
• имеют большое количество циклов в режиме «зарядка-разрядка» (> 106 циклов) без заметного ухудшения параметров;
• имеют высокую удельную мощность (десятки кВт/кг) и, благодаря небольшой постоянной времени ИС, заряжаются и разряжаются очень быстро (практически мгновенно).
Однако накапливаемая конденсаторами в процессе зарядки удельная энергия невелика (около 1 кДж/кг), поэтому область их использования ограничивается применением в качестве мощных импульсных источников тока. Увеличение удельной энергии энергонакопительных конденсаторов — одна из актуальных проблем электронной техники.
Аккумуляторы (никель-кадмиевые, ни-кель-гидридные, литий-ионные и т. д.), в отличие от конденсаторов, накапливают на два-три порядка большее количество энергии (102-103 кДж/кг) и широко используются в качестве автономных, периодически перезаряжаемых источников тока, однако их удельная мощность невелика (порядка 0,01-0,1 кВт/кг),
равно как и количество циклов «зарядка-разрядка» (порядка 102-103 циклов).
По величине удельной энергии и удельной мощности между традиционными типами аккумуляторов и конденсаторов существует «пробел», можно даже сказать «пропасть», как минимум, в 2 порядка. Этот «пробел» постепенно заполняется как разработчиками новых аккумуляторов с повышенной удельной мощностью (> 0,1 кВт/кг), так иразработчи-ками новых конденсаторов с повышенной удельной энергией (> 1 кДж/кг).
Однако для удовлетворения потребностей развивающейся техники этого явно недостаточно. Сегодня необходимы как конденсаторы с удельной энергией порядка десятков кДж/кг, так и аккумуляторы с удельной мощностью порядка 1-10 кВт/кг. Из-за отсутствия серийного производства таких накопителей энергии сдерживается развитие многих отраслей науки и техники, в том числе разработка и производство электромобилей с гибридными силовыми установками.
Существенный вклад в дело заполнения этого «пробела» сделан в последнее десятилетие благодаря созданию и развитию производства нового типа энергонакопительных электрических конденсаторов — конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов) — известных под названиями «суперконденсаторы», «гиперконденсаторы» (Япония), «ультраконденсаторы» (Германия, США), «электрохимические конденсаторы» (Франция, Канада) и т. п. [3, 4].
Некоторые типы таких конденсаторов способны накапливать удельную энергию более 10 кДж/кг и разряжаться на нагрузку с удельной мощностью порядка 1-10 кВт/кг [4].
В ОАО «НИИ Гириконд» конденсаторы с двойным электрическим слоем названы ио-нисторами [5] и поставляются под торговой маркой «ионистор®» [6].
Принципы функционирования ионисторов
В ионисторах энергия накапливается в процессе зарядки за счет поляризации двойных электрических слоев (ДЭС) на границах раздела «анод-электролит» и «катод-электролит».
Впервые модель двойного электрического слоя в системах «электрод-электролит» создал в 1879 году Гельмгольц и показал, что ДЭС по существу является конденсатором, одна из обкладок которого — заряженная поверхность электрода, а другая — слой ионов противоположного знака в электролите (ионного проводника). Впоследствии усилиями Гуи, Штерна и Фрумкина создана классическая теория строения и свойств ДЭС в водных электролитах, и, таким образом, был заложен фундамент для создания различных электрохимических преобразователей энергии и информации (в том числе и ионисторов). В частности, было установлено, что удельная емкость ДЭС весьма высока (около 0,2 Ф/м2), а скачок потенциала в двойном электрическом слое может достигать величины 1 В и даже выше.
Другими словами, система «электронный проводник — ионный проводник» в определенных условиях ведет себя как конденсатор, то есть при прохождении через такую систему тока изменяется межфазная разность потенциалов ф. Если эти изменения обратимы, то система может характеризоваться емкостью, определяемой для идеального конденсатора по формуле:
С = Оф/О^,
где Оф — изменение межфазной разности потенциалов, Dq — накопленный на межфаз-ной границе заряд.
В концентрированных электролитах заряд на межфазной границе образован избыточным электронным (дырочным) зарядом поверх-
пассивные элементы компоненты
13
ности металлического электрода и избыточным ионным зарядом со стороны электролита. Ионы электролита плотно прижаты к поверхности электрода как силами изображения, так и электростатическим притяжением электронного заряда поверхности, так что расстояние между зарядами в двойном слое по порядку величины близко к радиусу иона. В электролитах ионы, как правило, сольватированы, что несколько увеличивает их радиус.
Оценка диэлектрической проницаемости в области двойного слоя в системах «электронный проводник — ионный проводник» по формуле плоского конденсатора дает величину є = 4,5, тогда как для воды є = 80:
Є = Суд х 5/Єо =
= 0,2 х 2 х 10-10/8,85 х 10-12 = 4,5.
Низкую величину є объясняют тем, что молекулы воды на межфазной границе сильно поляризованы, при этом радиус гидратированных ионов принят равным 2 А.
Если в обычных конденсаторах заряды разделены диэлектриком, то в ДЭС разделение зарядов на межфазной границе обусловлено термодинамической невозможностью или кинетической затрудненностью переноса зарядов в рабочем интервале электродных потенциалов Дф. Сопротивление переносу И можно в этом случае выразить как
К = Дф/1утечки.
В реальных системах ток утечки (1утечки) отличается от нуля из-за наличия примесей в электролите или электродах с более низким потенциалом разложения, а также из-за наличия электронной составляющей проводимости в ионных проводниках (электролитах).
Электрическую прочность ДЭС можно определить по формуле Е = Дф/8. В различных типах ионисторов используются ДЭС с интервалом потенциалов от 0,5 до 1,5 В. Если принять Дф = 1,0 В, а 8 = 2х10-10 м, то электрическая прочность ДЭС составит:
Е = 0,5 х 1010 В/м = 5000 МВ/м = 5 ГВ/м.
Величины электрической прочности диэлектриков других типов конденсаторов приведены в таблице 1.
В качестве электродов в ионисторах чаще всего используют микропористые электронные проводники с высокой удельной поверхностью, например, различные активированные углеродные материалы [7-11]. Такие материалы содержат большое количество пор с размера-
ми порядка 10-9 м и имеют удельную поверхность более 106 м2/кг. Расчеты показывают, что углеродные элементы, разделяющие поры, имеют размеры такого же порядка. При таком развитии площади поверхности и удельной емкости ДЭС 0,2 Ф/м2 возможно получение удельной емкости Суд^ = 0,2 Ф/м2 х 106 м2/кг = 200 кФ в 1 кг электрода.
Если рабочий интервал потенциалов электрода составляет, например, 1,0 В, то в электроде массой (т) в 1 кг возможно накопить Ед = Сд х Дф2/2 т = 200 х 12/ 2 х 1 = 100 кДж/кг энергии.
Благодаря сочетанию высокой электрической прочности ДЭС с высокой удельной емкостью электродов возможно создание иони-сторов с удельной энергией в десятки кДж/кг.
В отличие от аккумуляторов, заряд и разряд которых ограничен протекающими электрохимическими реакциями на электродах, ионисторы можно заряжать и разряжать «накоротко», так как ДЭС образно можно сравнить с пружиной, которая сжимается в процессе зарядки и отдает накопленную энергию в процессе разрядки. При заряде и разряде ионистор ведет себя как идеальный конденсатор, заряжаемый или разряжаемый через ограничительный резистор — внутреннее сопротивление. В случае использования электролитов с высоким напряжением разложения (1-3 В) и низким удельным сопротивлением возможно создание ионисторов с удельной мощностью порядка 10 кВт/кг.
Сравнительные характеристики аккумуляторов, ионисторов и энергонакопительных конденсаторов
Сравнительные характеристики накопителей электрической энергии в наглядном виде принято рассматривать в координатах
«удельная энергия Е (кДж/кг или Вт-час/кг; при этом 3,6 кДж/кг = 1 Вт-час/кг) — удельная мощность Р (кВт/кг)». На рисунке изображены такие характеристики и области перспективного развития некоторых типов аккумуляторов, ионисторов и конденсаторов с оксидными диэлектриками в логарифмическом масштабе.
Аккумуляторы на этом рисунке занимают верхний левый угол и охватывают область 1 по величине удельной энергии порядка 101-102 Вт-час/кг и по величине удельной мощности порядка 10-2-10-1 кВт/кг; оксидно-электролитические конденсаторы занимают нижний правый угол и охватывают область 2 по величине удельной энергии порядка 10-2-10-1 Вт-час/кг и по величине удельной мощности порядка 101-102 кВт/кг, а характеристики ионисторов (область 3) расположены между ними.
По количеству циклов «зарядка-разрядка» (порядка 104-106), а также по величине диапазона рабочих температур (от -50 до +85 °С) ионисторы также занимают промежуточное положение между аккумуляторами и оксидно-электролитическими конденсаторами.
Существенный недостаток ионисторов и аккумуляторов — низкое рабочее напряжение. Для увеличения рабочих напряжений или емкости ионисторы, так же, как и аккумуляторы, соединяются последовательно или параллельно в пакеты (батареи, модули).
Типы ионисторов
Существующие типы ионисторов, несмотря на большое их разнообразие, подразделяют на три типа [12-15]:
1. Ионисторы с идеально поляризуемыми углеродными электродами («идеальные» ионисторы). Как электрохимические системы их можно записать, например, следующим образом:
Таблица 1
Тип диэлектрика Электрическая прочность, МВ/м
Титанат бария 4-8
Воздух 10-70
Керамика (а-А^Оз корунд) 30-45
Слюда, кварц 500-700
ДЭС более 1000 (до 7500)
Удельная мощность, кВт/кг
Рис. 1. Сравнительные характеристики электрохимических накопителей электрической энергии:
1 — область перспективного развития перезаряжаемых химических источников тока (аккумуляторов);
2 — область перспективного развития энергонакопительных конденсаторов с диэлектриками;
3 — область перспективного развития конденсаторов с двойным электрическим слоем
14
компоненты
пассивные элементы
- С130% водный раствор КОН I С +;
- С138% водный раствор Н2SO41 C +;
- C I Органический электролит I С +.
В этом типе ионисторов на электродах в рабочем интервале напряжений не протекают электрохимические реакции, накладывающие известные ограничения на скорость зарядки и разрядки, поэтому по величине энергии и мощности, температурному диапазону и количеству циклов они ближе остальных типов к области 2 оксидно-электролитических конденсаторов. Емкость ионисторов типа l представляет собой емкость двух последовательно включенных через эквивалентное последовательное сопротивление №экв) ионисторов СК и С А,
2. Ионисторы с идеально поляризуемым углеродным электродом и неполяризуемы-ми или слабо поляризуемыми катодом или анодом («гибридные» ионисторы),
Как электрохимические системы их можно записать, например, следующим образом:
- AgI Твердый электролит RbAg4I51 C +;
- С130% водный раствор КОН I NtOOH +
В этом типе ионисторов на одном из электродов (катоде или аноде) протекает электрохимическая реакция (как в аккумуляторах), поэтому их называют гибридными суперконденсаторами (гибрид конденсатора и аккумулятора). В конденсаторе с твердым электролитом RbAg4I3 реакция протекает на катоде: Ag+ + Є о Ag0, а в конденсаторе с 30% водным раствором КОН реакция протекает на аноде: Ni+2- Є о Ni+3.
Ёмкость ионисторов типа 2 в два раза выше, чем ионисторов типа l, так как емкость неполяризуемого электрода замкнута сопротивлением протекающей электрохимической реакции. Эта реакция накладывает диффузионные и кинетические ограничения на скорость зарядки и разрядки ионис-торов типа 2, поэтому по величине удельной энергии и мощности, температурному диапазону и количеству циклов ионисторы типа 2 ближе ионисторов типа l к области аккумуляторов,
3. Псевдоконденсаторы — это ионисторы, на поверхности электродов которых при заряде и разряде протекают обратимые электрохимические процессы (хемосорбция или интеркаляция ионов, содержащихся в электролите). Как электрохимические системы их можно записать, например, следующим образом:
- Nt(H) I 30% водный раствор КОН I
NtOOH +;
- С(Н) I 38% водный раствор Н2SO41
PbSO4(PbO2) + .
По принципу накопления энергии псевдоконденсаторы можно отнести как к ионисто-
рам (если энергия накапливается только в поверхностном слое электродов), так и к аккумуляторам (если энергия накапливается не только в поверхностном слое, но и в объеме электродов).
Удельная энергия псевдоконденсаторов благодаря протеканию электрохимических реакций на обоих электродах сравнима с энергией, накапливаемой в аккумуляторах, однако величина удельной мощности и количество циклов в режиме «зарядка-разрядка» могут быть на порядок выше того, что достигнуто в области аккумуляторов, так как диффузионные и кинетические ограничения удается минимизировать за счет увеличения площади поверхности электродов. По величине удельной энергии и мощности, температурному диапазону эксплуатации и количеству циклов псевдоконденсаторы ближе всех остальных типов конденсаторов к аккумуляторам.
Деление ионисторов на три типа позволяет ориентироваться в большом многообразии этих изделий как по типу используемых электрохимических систем, так и по эксплуатационным характеристикам.
Разработка и практическое использование ионисторов
Потребность в ионисторах возникла во второй половине ХХ века благодаря развитию низковольтной полупроводниковой электроники и росту потребности в перезаряжаемых источниках тока с большим количеством циклов и с требуемым соотношением удельной энергии и удельной мощности.
До создания конденсаторов с двойным электрическим слоем разработчики аппаратуры были вынуждены использовать в качестве источников тока с требуемой энергией и мощностью батареи аккумуляторов с избыточной энергией или батареи конденсаторов с избыточной мощностью, а также мириться с неизбежным увеличением габаритов и массы разрабатываемой аппаратуры.
Исследованиями, разработками, производством и проблемами использования конденсаторов с двойным электрическим слоем в настоящее время заняты десятки фирм и университетов [16-28]. Серийные и опытные образцы конденсаторов с двойным электрическим слоем различных фирм (Maxwell, EPCOS, Elna, NEC и т. д.) способны практически полностью перекрыть диапазон по удельной энергии и удельной мощности между аккумуляторами и электролитическими конденсаторами, а в некоторых случаях даже конкурировать с ними в приграничных областях.
Конкурентоспособность конденсаторов с двойным электрическим слоем в таких случаях определяется следующими факторами:
• большое количество циклов в режиме
«зарядка-разрядка»;
• надежность и долговечность;
• широкий интервал рабочих температур;
• экологическая безопасность производства и использования.
Активное противодействие «экспансии» конденсаторов с двойным электрическим слоем в последнее время оказывают литий-ионные аккумуляторы. Исследования и разработки микропористых электродов для литий-ионных аккумуляторов позволяют увеличивать удельную мощность этих изделий до уровня удельной мощности конденсаторов с двойным электрическим слоем и, благодаря их высокой удельной энергоемкости, успешно конкурировать с последними, когда не требуется слишком большое количество циклов в режиме «зарядка-разрядка»,
Конкуренция между конденсаторами с двойным электрическим слоем и оксидноэлектролитическими конденсаторами возможна в перспективе [29], при условии снижения рабочих напряжений в электронной технике до 1—1,З В. Использование оксидноэлектролитических конденсаторов при напряжениях до 1,5 В проблематично, так как оксидные диэлектрики формуются при напряжениях выше 1,5 В, а при низких напряжениях расформовываются при эксплуатации, Уникальное сочетание удельной энергии, удельной мощности и большого количества циклов в режиме «зарядка-разрядка» в конденсаторах с двойным электрическим слоем весьма эффективно используется в новых разработках электромобилей [30-35]. Основной источник электроэнергии в этих изделиях, обеспечивающий требуемую величину пробега, — батарея топливных элементов или аккумуляторов — защищен от перегрузок модулем из последовательно соединенных конденсаторов с двойным электрическим слоем. Благодаря этому модулю удается решить сразу несколько проблем:
• проблему старта и ускорения в течение нескольких секунд до необходимой скорости движения;
• проблему рекуперации электроэнергии при торможении;
• проблему увеличения срока службы основного источника электроэнергии.
В зарубежной литературе рассмотрены варианты применения конденсаторов с двойным электрическим слоем в военной и аэрокосмической промышленности и требования к ним [3б-41], а также проблемы рынка конденсаторов с двойным электрическим слоем [42-44],
Разработки и производство ионисторов в ОАО «НИИ Гириконд»
В ОАО «НИИ Гириконд» разрабатываются и выпускаются ионисторы двух типов:
• ионисторы с твердым электролитом RbAg4I5 («гибридные» ионисторы с электрохимической реакцией на катоде Ag+ + Є о Ag0);
пассивные элементы
Таблица 2. Параметры и характеристики ионисторов К58-1, К58-2 (разработка 1985 года)
Параметры и характеристики ионисторов Ионистор К58-1 Категория качества ВП Ионистор К58-2 Приемка ОТК
Технические условия ОЖО.464.246 ТУ АДПК.673623.005 ТУ
Условное обозначение при заказе Ионистор К58-1 - 6,3 В - 1,0 Ф ОЖО.464.246 ТУ Ионистор К58-2 - 0,5 В - 1,5 Ф АДПК.673623.005 ТУ
Особенности конструкции, климатическое исполнение Защищенные, полярные, в цилиндрическом корпусе, исполнение В Уплотненные, полярные, «пуговичного» типа, УХЛ 2.1 ГОСТ 15150
Номинальные значения напряжения и емкости а) 6,3 В - 0,1 Ф + 80/- 20% б) 6,3 В - 1,0 Ф + 80/- 20% а) 0,5 В - 1,5 Ф + 80/- 20% б) 0,5 В - 15 Ф + 80/- 20%
Допускаемый ток зарядки и разряд а) не более 10 мА б) не более 30 мА а) не более 10 мА б) не более 30 мА
Допускаемое напряжение зарядки и разрядки изар не более ином иразр не менее 2 В изар не более ином иразр не менее 0,0 В
Габаритные размеры а) Р = 20 мм; Н = 48 мм б) Р = 28 мм; Н = 71 мм а) Р = 14 мм; Н = 2,1 мм б) Р = 23 мм; Н = 3,4 мм
Интервал рабочих температур от -60 до +85 °С от -60 до +85 °С
Наработка на отказ 10 000 час; 5000 циклов в пределах срока службы 12 лет 10 000 час; 5000 циклов в пределах срока службы 12 лет
Срок сохранности 12 лет 6 лет
Таблица 3. Параметры и характеристики ионисторов К58-13
• ионисторы с органическими электролитами («идеальные» ионисторы с высоким рабочим напряжением и большим количеством циклов в режиме «зарядка-разрядка»).
Ионисторы с твердым электролитом КЬА%415
Ионисторы с твердым электролитом RbAg4І5 имеют ограниченное количество циклов в режиме «зарядка-разрядка» и низкое рабочее напряжение (0,4—0,6 В), так как количество циклов ограничивается особенностями протекания электрохимического процесса на катоде, а рабочее напряжение — потенциалом выделения йода (2Г - 2е о 12) на аноде (<0,67 В).
Количество циклов в режиме «зарядка-разрядка» (от 102 до 105) определяется, главным образом, величинами токов зарядки и разрядки, а рабочее напряжение рассчитывают в зависимости от максимальной рабочей температуры и требуемой величины наработки.
Для получения более высоких рабочих напряжений ионисторы подбирают по параметрам и соединяют последовательно в пакеты; пакеты помещают в общий корпус и изолируют от внешней среды.
Конкурентоспособность ионисторов с твердым электролитом RbAg4I5, несмотря на низкое рабочее напряжение и высокую цену, определяется совокупностью следующих параметров:
• широкий интервал рабочих температур — от -60 до +125 °С (интервал может быть расширен до +200 °С);
• высокая стойкость к воздействиям механических факторов — сборка ионисторов осуществляется при усилиях прессования порядка 1000 кг/см2, поэтому эти изделия могут выдерживать удары с ускорением до 105 g;
• высокая стойкость к воздействиям специальных факторов (этот тип ионисто-ров сохраняет заряд в процессе и после воздействия специальных факторов);
• сверхнизкие токи саморазряда — порядка 10-11 А при 20 °С; за 10 лет хранения ионисторы теряют 25-30% накопленного заряда.
Ионисторы с твердым электролитом используются преимущественно в качестве резервных источников тока, не требующих обслуживания или замены в течение всего срока службы изделия или устройства.
Параметры и характеристики ионисторов К58-1, К58-2 и К58-13, предназначенных для этой цели, приведены в таблицах 2 и 3.
В случаях, когда не требуется большое количество циклов в режиме «зарядка-разрядка», ионисторы на основе твердого электролита можно также использовать в исполнительных устройствах целевого назначения, заряжая и разряжая их относительно большими токами (например, ионистор К58-12 -7,5 В - 0,1 Ф + 50% АЖЯР. 673623.001ТУ).
Ионисторы с органическими электролитами
Ионисторы с органическими электролитами «идеального» типа характеризуются отсутствием электрохимических реакций на электродах при напряжениях до 2,7 В, вследствие чего они могут заряжаться и разряжаться большими токами и выдерживать в таком режиме большое количество циклов. Изделия этого типа не требуют обслуживания и замены в течение всего срока службы аппаратуры, чем весьма выгодно отличаются от перезаряжаемых источников тока всех
Параметры и характеристики ионисторов Ионистор К58-13 Категория качества ОТК
Технические условия (Разработка, поставка образцов)
Условное обозначение при заказе Ионистор К58-13 - 5,5 В - 0,033 Ф Опытный образец
Особенности конструкции, климатическое исполнение Защищенные, полярные, в цилиндрическом корпусе, УХЛ 2.1 ГОСТ 15150
Номинальные значения напряжения и емкости а) 1,2 В - 0,1 Ф; б) 2,4 В - 0,068 Ф; в) 5,5 В - 0,033 Ф; г) 6,3 В - 0,022 Ф; д) 8 В - 0,01 Ф
Допускаемый ток Не более 1 мА (при больших токах количество циклов в режиме «зарядка-разрядка» снижается)
зарядки и разряд
Допускаемое напряжение зарядки и разрядки изар не более ином иразр не менее 0,2ином
Габаритные размеры а) Р = 9,5 мм; Н = 5 мм; б) Р = 9,5 мм; Н = 10 мм; в) Р = 9,5 мм; Н = 18 мм; г) Р = 9,5 мм; Н = 22 мм; д) Р = 9,5 мм; Н = 28 мм
Интервал рабочих температур от -60 до + 125 °С
Наработка на отказ 10 000 час; 5000 циклов в пределах срока службы 12 лет
Срок сохранности 12 лет
других типов, в том числе и от «гибридных» и «псевдоконденсаторов».
По величине удельной энергии, удельной мощности и наработке на отказ (до 100 000 часов и до 500 000 циклов в пределах срока службы 12-20 лет) ионисторы этого типа занимают доминирующее положение на рынке конденсаторов с двойным электрическим слоем.
В ОАО «НИИ Гириконд» разрабатываются и выпускаются три типа ионисторов с органическими электролитами:
• маломощные ионисторы К58-4, 5, 6, 6А уплотненные, полярные, «пуговичного» типа (табл. 4);
• ионисторы средней мощности типа К58-15, 16, 17, 18 герметичные, полярные (табл. 5, 6);
• высокоемкие ионисторы (100-5000 Ф) с высокой удельной энергией и мощностью (разработка, поставка образцов). В рамках научно-исследовательского этапа разрабатываются и поставляются макетные образцы ионисторов следующих номиналов: 2,3 В - 100 Ф;
2.3 В - 220 Ф; 2,3 В - 470 Ф; 2,3 В - 1000 Ф;
2.3 В - 1500 Ф; 2,3 В - 3300 Ф; 2,3 В - 5000 Ф.
Таблица 4. Параметры и характеристики ионисторов К58-4, К58-5, К58-6, К58-6А
Параметры и характеристики ионисторов Ионисторы К58-4 (а, б), К58—5 (в, г); приемка ОТК Ионисторы К58—6 (а, б), К58-6А (в, г); приемка ОТК
Технические условия | АДПК.673623.004 ТУ
Пример условного обозначения при заказе: Ионистор К58-4 - 2,5 В - 2,2 Ф АДПК.673623.004 ТУ Ионистор К58-6 - 6,3 В - 1,0 Ф АДПК.673623.004 ТУ
Особенности конструкции, климатическое исполнение Уплотненные, полярные, «пуговичного» типа, УХЛ 2.1, ГОСТ 15150 Уплотненные, полярные, цилиндрического типа, УХЛ 2.1, ГОСТ 15150
Номинальные значения напряжения и емкости а) 2,5 В-1,5 Ф; 2,5 В-2,2 Ф б) 2,5 В-3,3 Ф; 2,5 В-4,7 Ф в) 2,5 В-1,5 Ф; 2,5 В-2,2 Ф г) 2,5 В-3,3 Ф; 2,5 В-4,7 Ф а) 6,3 В-0,47 Ф; 6,3 В-0,68 Ф б) 6,3 В-1,0 Ф; 6,3 В-1,5Ф в) 5,5 В-0,68 Ф; 5,5 В-1,0 Ф г) 5,5 В-1,5 Ф; 5,5 В-2,2 Ф
Допускаемый ток зарядки и разрядки а, в) не более 100 мА б, г) не более 500 мА а, в) не более 100 мА б, г) не более 500 мА
Допускаемое напряжение зарядки и разрядки изар не более ином иразр не менее 0,0 В изар не более ином иразр не менее 1,0 В
Габаритные размеры а, в) Р = 18,5 мм; Н = 2,5 мм; б, г) Р = 24,5 мм; Н = 2,5 мм а) Р = 21; Н = 11 мм; б) Р = 27,5; Н = 11 мм; в) Р = 21; Н = 9 мм; г) Р = 27,5; Н = 9 мм
Интервал рабочих температур от -25 до +70 °С от -25 до +70 °С
Наработка на отказ 40 000 час; 500 000 циклов в пределах срока службы 6 лет 40 000 час; 500 000 циклов в пределах срока службы 6 лет
Срок сохраняемости 6 лет 6 лет
Таблица 5. Параметры и характеристики Таблица 6. Параметры и характеристики ионисторов К58-17 и К58-18
ионисторов К58-15 и К58-16 (разработка, поставка образцов)
Параметры и характеристики ионисторов Ионистор K5S-15 Категория качества ВП Ионистор K5S-16 Приемка ОТК
Технические условия АЖЯР. 673623.002ТУ АДПК.673623.006 ТУ
Пример условного обозначения при заказе Ионистор К58-15 - 5,5 В - 10 Ф АЖЯР.673623.002ТУ Ионистор К58-16 - 2,3 В - 33 Ф АДПК.673623.006 ТУ
Особенности конструкции, климатическое исполнение Прямоугольный, полярный, УХЛ 2.1, ГОСТ 15150 Прямоугольный, полярный, исполнение В, ГОСТ 15150-69
Номинальные значения напряжения и емкости 5,5 В - 10 Ф а) 2,3 В - 33 Ф б) 2,3 В - 47 Ф
Внутреннее сопротивление <0,2 Ом а) 0,07 Ом б) 0,05 Ом
Допускаемый ток зарядки и разрядки не более 1,2 А а) не более 7 А б) не более 8 А
Допускаемое напряжение зарядки и разрядки изар не более ином иразр не менее 0,8 В изар не более ином иразр не менее 0,0 ином
Габаритные размеры 45x20x40 мм 14x18x40 мм
Интервал рабочих температур от -50 до +50 °С от -50 до +70 °С
Наработка на отказ 15 000 циклов в типовом режиме эксплуатации 100 000 час; 500 000 циклов в пределах срока службы 12 лет
Срок сохранности 12 лет 20 лет
Параметры и характеристики ионисторов Ионистор K5S-17 Приемка ОТК Ионистор K5S-1S Категория качества ВП
Технические условия (Разработка, поставка образцов)
Пример условного обозначения при заказе: Ионистор К58-17 - 5,5 В - 15 Ф макетный образец Ионистор К58-18 - 4,0 В - 47 Ф макетный образец
Особенности конструкции, климатическое исполнение Прямоугольный, полярный; исполнение В, ГОСТ 15150-69 Прямоугольный, полярный; УХЛ 2.1, ГОСТ 15150
Номинальные значения напряжения и емкости а) 4,0 В - 22 Ф; б) 5,5 В - 10 Ф; в) 5,5 В - 15 Ф; г) 6,3 В - 10 Ф; д) 6,3 В - 15 Ф; е) 10 В - 10 Ф; ж) 12 В - 6,8 Ф 4,0 В-47 Ф
Внутреннее сопротивление 0,1-0,3 Ом Не более 0,1 Ом
Допускаемый ток зарядки и разрядки не более 8 А не более 3 А
Допускаемое напряжение зарядки и разрядки изар не более ином иразр не менее 0,1 ином изар не более ином иразр не менее 0,1 ином
Габаритные размеры, мм а) 20x30x40; б, в, г, д) 45x20x40; е) 20x72x40; ж) 20x85x40 20x60x40
Интервал рабочих температур от -50 до +70 °С от -50 до +50 °С
Наработка на отказ 100 000 час; 500 000 циклов в пределах срока службы 20 лет 15 000 час; 30 000 циклов в пределах срока службы 12 лет
Срок сохраняемости 20 лет 12 лет
Заключение
1. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы) и новые типы псевдоконденсаторов и литий-ионных аккумуляторов способны перекрыть практически весь диапазон по величине удельной энергии и удельной мощности, ранее разделявший традиционные типы энергонакопительных конденсаторов и аккумуляторов. Использование таких источников тока позволяет оптимизировать габариты и массу радиоэлектронной аппаратуры, а также решать проблемы в области создания электромобилей нового поколения.
2. Ионисторы с твердым электролитом RbAg^ имеют широкий интервал рабочих температур, сверхвысокую стойкость к воздействиям механических и специальных факторов и не имеют альтернативы в случае использования в жестких условиях эксплуатации.
3. Конденсаторы с двойным электрическим слоем на основе органических электролитов в герметичном исполнении могут заряжаться и разряжаться большими токами и выдерживать в таком режиме большое количество циклов. Изделия этого типа не требуют обслуживания и замены в течение всего срока службы аппаратуры и находят все более широкое применение в различных областях науки и техники. ■
Литература
1. Ренне В. Т. Электрические конденсаторы. М.: Госэнергоиздат. 1959.
2. Химические источники тока. Справочник. Под редакцией Н. В. Коровина и А. М. Скунди-на. М.: Издательство МЭИ. 2003.
3. B. E. Conway. Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications. Kuwer-Plenum Publ. Co. N-Y.: 1999.
4. A. Burke. Ultracapacitor Technology: Present and Future. ACWS 2003.
5. ОСТ 11074.008. Конденсаторы постоянной емкости. Классификация и система условных обозначений.
6. Свидетельство № 103073 на товарный знак «Ионистор®» от 05.03.91.
7. M. Reimerink. Carbons Making Large DLCs Economically Feasible. ACWS 2003.
8. C. Segal & Kiyoto Otsuka. Activated Carbons: Performance in Electric Double Layer Capacitors. ACWS 2003.
9. Steven Dietz. Development and Production of Inexpensive Carbons for Double Layer Capacitors. 14th ISDLC.
10. E. G. Lundquist, G. R. Parker. Engineered Carbons for Ultracapacitors Applications 14th ISDLC.
11. Joel Shindall et all. Nanotubes Enhanced Ultracapacitors. 14th ISDLC.
12. А. Burke. Key Issues for the Implementation and Marketing of Ultracapacitors in Vehicle Applications. 14th ISDLC.
13. I. Varakin. High Temperature ECs. ACWS 2003.
14. B. E. Conway. Pseudocapacitanse; its Nature and Relation to Double Layer Capacitance of Electrochemical Capacitors. 14th ISDLC.
15. Inho Kim. Ultracaps: Between EDLS and Pseudocapacitors. ACWS 2003.
16. Bobby Maher. Ultracapacitors — The Revolutionary Component for Power-Intensive Electronic Products. ACWS 2003.
17. Y. Saiki. New EDLC Developments for Portable Consumer Applications After 25 Years in the Business. ACWS 2004.
18. S. Joshi. Advanced UltraCap Modules for Power Electronics. ACWS 2004.
19. B. Rawal. BestCap — A New Generation of Pulse Double Layer Capacitors. ACWS 2004.
20. A. Beliakov. Starting of Locomotive Diesel Engines Using ECs. ACWS 2003.
21. Michio Okamura. Production Status of Nanogate Capacitors and Integrated Electronics, Part 1, 2. 14th ISDLC.
22. Mark Juzkow. Ultracapacitor Development at EaglePicher. 14th ISDLC.
23. John R. Miller. Reliability Improvement of Large Electrochemical Capacitor Systems. 14th ISDLC.
24. N. Marincic. High Temperature Electrochemical Capacitors with Reduced Leakage Rate. 14th ISDLC.
25. V. Koch. Electrochemical Double Layer Capacitors for High Temperature Applications. 14th ISDLC.
26. Andrew Kular. The ECOSOL Power Module (ERM): A novel energy storage platform for portable electronic devices. 14th ISDLC.
27. S. Menocal. An Asymmetric Hybrid Supercapacitor for High Specific Energy Applications. ACWS 2003.
28. T. Geist. A 2000 V Ultracapacitor for Transmission Stability. ACWS 2004.
29. Кузнецов В. П. и др. Пути и перспективы развития и применения конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов) // Электронная техника, серия 5. Радиодетали и компоненты. 1991. Вып. 4 (85).
30. M. Verbrugge. Supercapacitors and Automotive Applications. ACWS 2003.
31. A. Schwake, C. J. Weber. EC-Project «Supercar»: Ultracapacitors for Mild Hybrid Application. 14th ISDLC.
32. J. M. Miller and M. Everett. Ultracapacitor Augmentation of the 14V Vehicle Electrical System to Support Auxiliary 42V Sabsystem. 14th ISDLC.
33. M. Zolot. EDLS Modeling and Integration for Hybrid Electric Vehicles. 14th ISDLC.
34. R. Smith. Fuel Cells and Ultracapacitors. ACWS 2004.
35. T. Key. Ultracapacitors for Dynamic Correction of Power Quality Problems. ACWS 2003.
36. F. Krestik. US Army Vehicle Applications for Electrochemical Capacitors. ACWS 2003.
37. C. Perazzola. Air Forces Use of Ultracapacitors for the Future Hydrogen Economy. ACWS 2003.
38. A. Nickens. Pulse Power Requirements for Future Navy Warships. ACWS 2003.
39. P. Smith. High Pulse Power Initiative within the US Navy. 14th ISDLC.
40. N. Clark. Supercapacitors for Electric Storage. ACWS 2003.
41. H. Barde. Supercapacitors: Applications and Requirements. Proceedings of the European Space Components Conference 2000 (ESA SP-439, June 2000).
42. J. Dittmer. The World Market and Opportunities for Electrochemical Capacitors. ACWS 2003.
43. M. Hendrie. EC Capacitors: Market Dynamiks and Challenges for Growth. ACWS 2003.
44. D. Zogbi. Global Market Intelligence on EDLC Capacitors-2004. ACWS 2004.
