CC BY
281
УДК 621.3-1/-9
Шамаханова Ирина Михайловна Irina Shamakhanova
ft
СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
SUPERCAPACITORS IN ELECTRIC CIRCUIT
Представлено применение в электротехнике и радиоэлектронике нового класса приборов, функционально близких к конденсаторам очень большой емкости; по существу — занимающих положение между конденсаторами и источниками питания. Показаны типы и устройство ионисторов: какие применяются электролиты, типы обкладок. Приведена схема включения ионистора в качестве резервного источника питания. Проанализированы достоинства и недостатки ионисторов. Особо выделено достоинство ионисторов и их отличие от обычных конденсаторов. Представлено применение ионисторов в разных областях науки и техники
Ключевые слова: ионистор, суперконденсатор, источник питания, схема включения, режим заряда, электроника
It's presented an application of a new class of devices in electrical engineering and radio electronics, which are functionally so close to very high capacity capacitors; they essentially take up the position between the capacitors and power supplies. The types and structure of ionistors are showed: what electrolytes and types of plates are used. An inclusion scheme of ionistor as a reserved power source is given. The advantages and disadvantages of ionistors were also analysed. Notably it is highlighted the advantage of ionistors and their difference from general capacitors. The application of ionistors in various fields of science and technology is presented
Key words: ionistor, supercapacitor, power source, inclusion scheme, charge mode, electronics
Элементная база, используемая в электротехнике и радиоэлектронике, постоянно совершенствуется. Вместе с традиционными неорганическими материалами стали использовать материалы, которые легко растворимы в органических растворителях.
Растворимость позволяет делать жидкие «чернила» из органических полупроводников и наносить их методом печати на гибкие полимерные подложки. Метод печати позволяет структурировать органические полупроводники с микронным разрешением и создавать аналоговые и цифровые схемы. Достоинство органических элементов и приборов — их низкая стоимость.
В XXI в. появился новый электрорадиоэлемент — ионистор. [2] Ионистор, он
же суперконденсатор, или ультраконденсатор — конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита.
Международное обозначение EDLC -Е1ес1г1сёоиЫе-1ауегсарасИог.
Ионисторы (суперконденсаторы, ультраконденсаторы) — это электрические устройства, в которых накапливается заряд между двумя обкладками на границе раздела двух сред — электролитом и электродами. Вся энергия в данных устройствах имеется в виде статического электрозаряда. Накопление электроэнергии происходит за счёт приложения постоянного напряжения на его внешние выводы. Проще говоря —
это простые конденсаторы, которые, в отличие от обычных, имеют большую емкость (исчисляемую в фарадах).
Обычные конденсаторы имеют внутри обкладки из фольги, что разделены диэлектриком. Ионисторы — это своеобразное объединение работы емкости с электрохимической батареей [1]. В ионисторе используется специальный электролит и обкладки. В основном увеличение общей ёмкости ионистора происходит за счёт использования материалов, имеющих очень большую собственную поверхностную площадь.
У ионистора обкладки бывают следующих типов: на основе активированного угля, проводящих полимеров и оксидов металлов. Применение сверхпористых угольных материалов даёт возможность получить общую плотность емкости больше 10 Фарад/см3. Ионисторы на основе активированного угля получаются более экономичными при своём изготовлении. Их также называют ещё DLC-конденсаторами либо двухслойными, так как электрический заряд накапливается в двойном слое, что образуется на поверхности самой обкладки ионистора.
Что касается электролита ионисторов, он может быть водным или органическим [6]. Ионисторы, содержащие водный электролит, обладают довольно малым внутренним сопротивлением, но, есть также и значительный минус водного электролита, напряжение заряда для них ограничено до 1 В. Ионисторы на органическом электролите обладает наиболее большим сопротивлением, однако они способны к работе с напряжением заряда 2...3 В.
Поскольку для питания электронных схем используются обычно более высокие напряжения, чем у ионистора, то для получения нужного значения их соединяют последовательно. Величина обычных емкостей конденсаторов измеряется в пределах от пикофарад до микрофарад. Емкость ионис-торов измеряется уже в фарадах ( в одном фараде 1 млн микрофарад). В ионисторах возможно достичь плотности мощности на массу рабочего вещества 1.10 Вт/кг. Это
больше, чем у обычных конденсаторов, и меньше, чем у аккумуляторов.
Обычная схема включения ионистора в качестве резервного источника питания приведена на рисунке. Диод VD1 предотвращает разряд ионистора С1 при ипит=0. Резистор Ш ограничивает зарядный ток ионистора, защищая источник питания от перегрузки при включении. Он не потребуется, если источник питания выдерживает кратковременную нагрузку током 100...250 мА.
Схема включения ионистора в качестве резервного источника питания
Достоинства ионисторов [7]:
— малое внутреннее сопротивление;
— большой срок службы;
— нет ограничений по количеству циклов заряд/разряд;
— относительно малая стоимость;
— довольно широкий диапазон рабочих температур: -25...+70 °С;
— быстрый процесс заряда и разряда;
— работа при любом напряжении, что не превышает номинального;
— использование простых способов заряда;
— отсутствие контроля за режимом заряда;
Перечень недостатков ионисторов:
— довольно малая энергетическая плотность;
— не может обеспечить достаточного накопления электроэнергии;
— весьма низкое напряжение на одной единице элемента;
— высокая степень саморазряда;
— появление лавинных токов утечки при напряжениях, превышающих рабочее, что приводит не только к саморазряду, но и может стать источником опасности при эксплуатации.
Ионистор бывает размером с монету и емкостью в одну фараду, что в 1500 раз
больше емкости земного шара и близко к емкости самой большой планеты Солнечной системы — Юпитера.
Электрическая емкость земного шара, как известно из курса физики[4], составляет примерно 700 мкФ. Обычный конденсатор такой емкости можно сравнить по массе и объему с кирпичом. Но есть и конденсаторы с электроемкостью земного шара, равные по своим размерам песчинке.
Любой конденсатор запасает энергию. Чтобы понять, сколь велика или мала энергия, запасаемая в ионисторе, важно ее с чем-то сравнить. Вот несколько необычный, зато наглядный способ.
Энергии обычного конденсатора достаточно, чтобы он мог подпрыгнуть примерно на метр-полтора. Крохотный ионистор типа 58-9В, имеющий массу 0,5 г, заряженный напряжением 1 В, мог бы подпрыгнуть на высоту 293 м!
Иногда думают, что ионисторы способны заменить любой аккумулятор [5]. Журналисты живописали мир будущего с бесшумными электромобилями на суперконденсаторах. Пока до этого далеко. Ио-нистор массой в 1 кг способен накопить 3000 Дж энергии, а самый плохой свинцовый аккумулятор — 86 400 Дж — в 28 раз больше. Однако при отдаче большой мощности за короткое время аккумулятор быстро портится, да и разряжается только наполовину. Ионистор же многократно и без всякого вреда для себя отдает любые мощности, лишь бы их могли выдержать соединительные провода. Кроме того, ио-нистор можно зарядить за считаные секун-
Литература_
1. Абакумова Ю.П. Химические источники тока. СПб: СПбГУПС, 2004. 26 с.
2. Кашкаров А. Ионистор в автономной электрической цепи // Современная электроника. 2014. № 1.
3. Колтун М.М. Солнечные элементы. М.: Наука, 1987. 192 с.
4. Трофимова Т.И. Курс физики. 12-е изд. М.: Академия. 2006. 360 с.
5. Хрусталев Д. А. Аккумуляторы. М.: Иэум-руд, 2003. 224 с.
ды, а аккумулятору на это обычно требуются часы [5].
Это и определяет область применения ионистора. Он хорош в качестве источника питания устройств кратковременно, но достаточно часто потребляющих большую мощность: электронной аппаратуры, карманных фонарей, автомобильных стартеров, электрических отбойных молотков. Ионистор может иметь и военное применение как источник питания электромагнитных орудий. А в сочетании с небольшой электростанцией ионистор позволяет создавать автомобили с электроприводом колес и расходом топлива 1...2 л на 100 км.
Во многих случаях ионистор с успехом заменяет встраиваемые в прибор резервные источники питания. Весьма перспективен ионистор в качестве накопителя энергии при работе совместно с солнечными батареями [3]. Здесь особенно ценна его некритичность к режиму заряда, практически неограниченное число циклов заряд-разряд.
Ионисторы с большими токами разряда применяются в экспериментальных автобусах с электроприводом (заряд на каждой второй остановке) и электромобилях, а также для сглаживания пиковых нагрузок в автономных электрогенераторах возобновляемых источников энергии.
При объединении ионисторов и аккумуляторов в одном блоке питания их недостатки взаимно компенсируются. В результате получается автономный источник питания с увеличенным сроком службы, меньшей стоимостью и большим запасом энергии, чем у обычных аккумуляторов.
_References
1. Abakumova Yu.P. Khimicheskie istochniki toka. (Chemical power sources). SPb: SPbGUPS, 2004.26 р.
2. Kashkarov A. Sovremennaya elektronika. (Modern electronics). no 1. 2014
3. Koltun M.M. Solnechnye elementy. (Sun elements). Moscow: Science, 1987. 192 p.
4. Trofimova T.I. Kurs fiziki (Course of physics). 12 izd. Moscow: Akademiya. 2006. 360 p.
5. Khrustalev D.A. Akkumulyator (Accumulator). Moscow: Izumrud, 2003. 224 p.
6. Шпак И.Г. Химические источники тока. Саратов: СГТУ, 2003. 95 с.
7. Ионистор [Электронный ресурс] — Режим доступа: URL:http: //www.powerinfo.ru/superca-pacitor.php (дата обращения 13.03.2014)
8. Ионистор [Электронный ресурс] — Режим доступа: URL:http: / /www.lib.convdoks.org/doks/ indeks (дата обращения 13.03.2014)
9. Ионистор [Электронный ресурс] — Режим доступа: URL:http: //dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki (дата обращения 13.03.2014)
10. Компоненты и технологии [Электронный ресурс ] — Режим доступа: URL:http: //www.kit-e. ru/articles/condenser (дата обращения 13.03.2014)
Коротко об авторе _
Шамаханова И.М. ст. преподаватель, каф. «Электроника и электротехника», Забайкальский государственный университет, г. Чита, Россия shamira.chita@mai1.ru
Научные интересы: технические науки, электроника, электротехника, электрические машины
6. Shpak I.G. Khimicheskie istochniki toka. (Chemical power sources). Saratov: SGTU, 2003. 95 p.
7. Ionistor (Ionizer). Available at: URL:http:// www.powerinfo.ru/supercapacitor.php (date of access 13.03.2014)
8. Ionistor (Ionizer). Available at: URL:http:// www.lib.convdoks.org/doks/indeks (date of access 13.03.2014)
9. Ionistor (Ionizer). Available at: URL:http:// dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki (date of access 13.03.2014)
10. Komponenty i tekhnologii (Components and technologies). Available at: URL:http://www.kit-e. ru/articles/condenser (date of access 13.03.2014)
_ Briefly about the author
I. Shamakhanova, senior teacher, Electronics and Electrical engineering department, Transbaikal State University, Chita, Russia
Scientific interests: engineering science, electronics, electrical engineering, electric machine
