Ионистровые конденсаторы: Ионисторы. Энциклопедия электроники L7805CV

Содержание

Суперконденсатор — Начало. Основы. — Справочник

Суперконденсатор

   Как известно, электрическая емкость Земли составляет порядка 700 мкф. Обыкновенный конденсатор такой же емкости будет размером и по весу с кирпич. Но существуют конденсаторы сопоставимой с емкостью Земли размером с песчинку. Такие приборы получили название ионисторы или иониксы. Также их нередко называют суперконденсаторами.
   Сейчас такие конденсаторы можно купить в магазине. Например, ионистр величиной с монету «весит» одну фараду. Это в 1500 раз больше емкости нашей планеты и почти сравнимо с емкостью Юпитера – самой большой планеты Солнечной системы.
   Чтобы понять, насколько велика или мала, энергия, имеющаяся в ионисторе, сравним на одном простом примере.
Если конденсаторы умели прыгать, то энергии, отдаваемой от обычного конденсатора хватило для того, чтобы он подпрыгнул на высоту до полутора метров. Маленький же ионикс типа 58-9В, весящий 0,5 г, при заряде 1 В, подпрыгнул бы до высоты 293 м!
   Некоторые люди думают, что ионисторами можно заменить автомобильный аккумулятор. Но пока это невозможно. Ионистр весом в 1 кг может накопить 3000 Дж энергии, а самый захудалый аккумулятор  — 86400 Дж, т. е. в 28 раз больше. Но аккумулятор быстро портится, если надо отдать большую мощность за короткое время, да и разряжается только до половины. Ионистр может многократно и без всякого ущерба для себя отдавать любую мощность. Также, для зарядки ионистора достаточно несколько секунд, чего не скажешь о аккумуляторах.
   Иониксы хороши как источники питания таких устройств, кратковременно, но довольно часто потребляющих высокую мощность: электронная аппаратура, карманные фонари, автомобильные стартеры, электрические отбойные молоки. Также ионистр может применяться и в военных целях в качестве источника питания электромагнитных орудий. А если к ионистору добавить небольшую электростанцию, можно создать автомобиль с электроприводом колес, в котором расход топлива будет 1-2 л на 100 км.
   Ионисторы хоть и есть в продаже, но стоят они не дешево. Так, что если Вам интересно и есть время, можно попробовать изготовить его самостоятельно. Но для начала немного теории.
   Из электрохимии нам известно, что если погрузить металл в воду, то на поверхности его образуется двойной электрический слой. Этот слой состоит из разноименных электрических зарядов: ионов и электронов, между которыми существуют силы взаимного притяжения. Но сблизиться заряды не могут, так как мешают силы притяжения молекул металла и воды. По своей сути двойной электрический слой это и есть конденсатор. Расположенные на его поверхности заряды служат в качестве обкладок. Из курса физики мы знаем, что чем меньше расстояние между обкладками конденсатора, тем выше емкость. А так как в двойном электрическом слое расстояние между зарядами очень мало, то к примеру, погруженная в воду обыкновенная стальная спица будет иметь емкость несколько мкФ.
   По своей сути ионистр представляет собой две погруженные в электролит электродов с большой площадью. А на поверхности этих электродов под действием напряжения получается двойной электрический слой. Для изготовления больших емкостей применяются электроды из пористых материалов, дабы иметь большую поверхность соприкосновения при внешних незначительных размерах.
    Были испробованы разные металлы , но на эту роль лучше всего подошел активированный уголь. Площадь поверхности его пор объемом всего 1см³ может достигать тысячи квадратных метров, а емкость двойного слоя – десяти фарад!
   На рисунке 1 показано устройство ионистора, состоящего из двух металлических пластин, плотно прижатых к прослойке из активированного угля. Уголь уложен двумя слоями, между которыми помещен тонкий разделительный слой диэлектрика. Все это пропитано электролитом.
   В процессе зарядки ионикса в одной половинке на порах угля получается двойной электрический слой , имеющий на поверхности электроны, а в другой будут положительные ионы. При прекращении зарядки электроны и ионы перетекают друг к другу, в результате чего образуются нейтральные атомы металла и накопленный заряд уменьшается и с течением времени доходит до нуля.
   Для предотвращения саморазряда между слоями активированного угля вводят разделительный слой. В качестве разделительного слоя могут служить тонкие пластиковые пленки, бумага и даже вата.
В любительских ионисторах на роль электролита применяют 25%-ый раствор поваренной соли или 27%-ый раствор КОН.

   Электродами служат медные пластины с припаянными к ним проводами. Сначала пластины зачищают от окисей. Лучше воспользоваться наждачной шкуркой крупной зернистости. Царапины, получающиеся при этом нужны для лучшего сцепления меди с углем. Далее пластины обезжиривают в два этапа. Сперва их промывают с мылом, а после натирают зубным порошком и смывают водой. После обезжиривания прикасаться руками к пластинам не рекомендуется.
   Активированный уголь, который Вы купите в аптеке, разотрите в ступке и смешайте с электролитом, чтобы получилась густая паста. Этой пастой тщательно намазывают пластины.
   Для первого испытания пластины с бумажной прокладкой кладем одна на другую. Далее пробуем зарядить. Зарядка должна производиться напряжением не более 1 В. В противном случае начнется выделение газов водорода и кислорода, которые разрушают угольные электроды и наше устройство как конденсатор работать не будет.
   Подробности для любознательных.

   При зарядке пластин напряжением более 1,2 В ионистр становится газовым аккумулятором. Этот прибор, также состоит из активированного угля и двух электродов, однако конструктивно он выглядит иначе (см. рис. 2). Бурут два угольных стержня от старого гальванического элемента и вокруг них обвязывают с активированным углем марлевые мешочки. Электролитом служит раствор КОН (если применять раствор поваренной соли, то при ее разложении  будет вылеляться хлор).

   Энергоемкость газового аккумулятора может достигать 36000 ДЖ/кг, или 10 Вт-ч/кг. Это в 10 раз больше, чем у ионистора, однако в 2,5 раза меньше свинцового аккумулятора. Но еще газовый аккумулятор выполняет роль не только аккумулятора, это еще и своеобразный топливный элемент. При зарядке выделяющиеся газы – водород и кислород «оседают» на поверхности активированного угля. А при разрядке эти газы соединяются, образуя воду и электрический ток. Однако, такой процесс без катализатора происходит очень медленно.
А в качестве катализатора, как выясняется, может служить только платина… Так что газовый аккумулятор в отличие от ионистора не может давать большие токи.
   А вот изобретатель А. Г. Пресняков из Москвы применил газовый аккумулятор для запуска автомобиля. Конечно, его ахиллесовой пятой был большой вес – чуть ли не втрое больше обычного. Но низкая стоимость, отсутствие вредных материалов (кислота, свинец) все это было очень заманчивым.
   Однако газовый аккумулятор простой конструкции быстро разряжается (4-6 ч). Но по дальнейшим опытам Преснякова, можно судить, что такой недостаток устранить возможно.
   И хотя в настоящее время газовые аккумуляторы не получили широкого применения, они применяются в некоторых спутниках. Мощные, надежные, легкие, где процесс происходит под давлением под 100 атм., где в роли поглотителя газов является губчатый никель, работающий катализатором. Устройство помещено в сверхлегкий баллон из углепластика. Получились аккумуляторы до четырех раз мощнее свинцовых.
Электромобиль смог бы на них пройти до 600 км. Но… Но пока они дороги.

По материалам журналов «Юный техник»


подробная инструкция. Собираем ионистр своими руками

Электрическая емкость земного шара, как известно из курса физики, составляет примерно 700 мкФ. Обычный конденсатор такой емкости можно сравнить по весу и объему с кирпичом. Но есть и конденсаторы с электроемкостью земного шара, равные по своим размерам песчинке — суперконденсаторты.

Появились такие приборы сравнительно недавно, лет двадцать назад. Их называют по-разному: ионисторами, иониксами или просто суперконденсаторами.

Не думайте, что они доступны лишь каким-то аэрокосмическим фирмам высокого полета. Сегодня можно купить в магазине ионистор 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.

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. Журналисты живописали мир будущего с бесшумными электромобилями на суперконденсаторах. Но пока до этого далеко. Ионистор массой в один 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, ионистор можно зарядить за считаные секунды, а аккумулятору на это обычно нужны часы.

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.

Ионисторы на самую разную емкость и рабочее напряжение есть в продаже, но стоят они дороговато. Так что если есть время и интерес, можно попробовать сделать ионистор самостоятельно. Но прежде чем дать конкретные советы, немного теории.

Из электрохимии известно: при погружении металла в воду на его поверхности образуется так называемый двойной электрический слой, состоящий из разноименных электрических зарядов — ионов и электронов. Между ними действуют силы взаимного притяжения, но заряды не могут сблизиться. Этому мешают силы притяжения молекул воды и металла. По сути своей двойной электрический слой не что иное, как конденсатор. Сосредоточенные на его поверхности заряды выполняют роль обкладок. Расстояние между ними очень мало. А, как известно, емкость конденсатора при уменьшении расстояния между его обкладками возрастает. Поэтому, например, емкость обычной стальной спицы, погруженной в воду, достигает нескольких мФ.

По сути своей ионистор состоит из двух погруженных в электролит электродов с очень большой площадью, на поверхности которых под действием приложенного напряжения образуется двойной электрический слой. Правда, применяя обычные плоские пластины, можно было бы получить емкость всего лишь в несколько десятков мФ. Для получения же свойственных ионисторам больших емкостей в них применяют электроды из пористых материалов, имеющих большую поверхность пор при малых внешних размерах.

На эту роль были перепробованы в свое время губчатые металлы от титана до платины. Однако несравненно лучше всех оказался… обычный активированный уголь. Это древесный уголь, который после специальной обработки становится пористым. Площадь поверхности пор 1 см3 такого угля достигает тысячи квадратных метров, а емкость двойного электрического слоя на них — десяти фарад!

Самодельный ионистор На рисунке 1 изображена конструкция ионистора. Он состоит из двух металлических пластин, плотно прижатых к «начинке» из активированного угля. Уголь уложен двумя слоями, между которыми проложен тонкий разделительный слой вещества, не проводящего электроны. Все это пропитано электролитом.

При зарядке ионистора в одной его половине на порах угля образуется двойной электрический слой с электронами на поверхности, в другой — с положительными ионами. После зарядки ионы и электроны начинают перетекать навстречу друг другу. При их встрече образуются нейтральные атомы металла, а накопленный заряд уменьшается и со временем вообще может сойти на нет.

Чтобы этому помешать, между слоями активированного угля и вводится разделительный слой. Он может состоять из различных тонких пластиковых пленок, бумаги и даже ваты.
В любительских ионисторах электролитом служит 25%-ный раствор поваренной соли либо 27%-ный раствор КОН. (При меньших концентрациях не сформируется слой отрицательных ионов на положительном электроде.)

В качестве электродов применяют медные пластины с заранее припаянными к ним проводами. Их рабочие поверхности следует очистить от окислов. При этом желательно воспользоваться крупнозернистой шкуркой, оставляющей царапины. Эти царапины улучшат сцепление угля с медью. Для хорошего сцепления пластины должны быть обезжирены. Обезжиривание пластин производится в два этапа. Вначале их промывают мылом, а затем натирают зубным порошком и смывают его струей воды. После этого прикасаться к ним пальцами не стоит.

Активированный уголь, купленный в аптеке, растирают в ступке и смешивают с электролитом до получения густой пасты, которой намазывают тщательно обезжиренные пластины.

При первом испытании пластины с прокладкой из бумаги кладут одна на другую, после этого попробуем его зарядить. Но здесь есть тонкость. При напряжении более 1 В начинается выделение газов Н2, О2. Они разрушают угольные электроды и не позволяют работать нашему устройству в режиме конденсатора-ионистора.

Поэтому мы должны заряжать его от источника с напряжением не выше 1 В. (Именно такое напряжение на каждую пару пластин рекомендовано для работы промышленных ионисторов.)

Подробности для любознательных

При напряжении более 1,2 В ионистор превращается в газовый аккумулятор. Это интересный прибор, тоже состоящий из активированного угля и двух электродов. Но конструктивно он выполнен иначе (см. рис. 2). Обычно берут два угольных стержня от старого гальванического элемента и обвязывают вокруг них марлевые мешочки с активированным углем. В качестве электролита употребляется раствор КОН. (Раствор поваренной соли применять не следует, поскольку при ее разложении выделяется хлор.)

Энергоемкость газового аккумулятора достигает 36 000 Дж/кг, или 10 Вт-ч/кг. Это в 10 раз больше, чем у ионистора, но в 2,5 раза меньше, чем у обычного свинцового аккумулятора. Однако газовый аккумулятор — это не просто аккумулятор, а очень своеобразный топливный элемент. При его зарядке на электродах выделяются газы — кислород и водород. Они «оседают» на поверхности активированного угля. При появлении же тока нагрузки происходит их соединение с образованием воды и электрического тока. Процесс этот, правда, без катализатора идет очень медленно. А катализатором, как выяснилось, может быть только платина… Поэтому, в отличие от ионистора, газовый аккумулятор большие токи давать не может.

Тем не менее, московский изобретатель А.Г. Пресняков (http://chemfiles.narod .r u/hit/gas_akk.htm) успешно применил для запуска мотора грузовика газовый аккумулятор. Его солидный вес — почти втрое больше обычного — в этом случае оказался терпим. Зато низкая стоимость и отсутствие таких вредных материалов, как кислота и свинец, казалось крайне привлекательным.

Газовый аккумулятор простейшей конструкции оказался склонен к полному саморазряду за 4-6 часов. Это и положило конец опытам. Кому же нужен автомобиль, который после ночной стоянки нельзя завести?

И все же «большая техника» про газовые аккумуляторы не забыла. Мощные, легкие и надежные, они стоят на некоторых спутниках. Процесс в них идет под давлением около 100 атм, а в качестве поглотителя газов применяется губчатый никель, который при таких условиях работает как катализатор. Все устройство размещено в сверхлегком баллоне из углепластика. Получились аккумуляторы с энергоемкостью почти в 4 раза выше, чем у аккумуляторов свинцовых. Электромобиль мог бы на них пройти около 600 км. Но, к сожалению, пока они очень дороги.

Любители разных высоковольтных опытов часто сталкиваются с проблемой, когда бывает необходимо использовать высоковольтные конденсаторы. Как правило, такие конденсаторы очень сложно найти, а если и удастся, то придется заплатить за них немало денег, что по силам отнюдь не каждому. Помимо этого политика нашего сайта просто не позволит вам тратить средства на покупку того, что можно самому изготовить, не выходя из дому.

Как вы уже догадались, данный материал мы решили посвятить сборке высоковольтного конденсатора, чему также посвящен авторский видеоролик, который мы предлагаем вам посмотреть перед началом работы.

Что же нам понадобится:
— нож;
— то, что мы будем использовать в качестве диелектрика;
— пищевая фольга;
— прибор для измерения емкости.


Сразу отметим, что в качестве диелектрика автор самодельного конденсатора использует самые обычные самоклеющиеся обои. Что касается прибора для измерения емкости, то его использование не обязательно, поскольку предназначен этот прибор только для того, чтобы в конце можно было узнать, что получилось в итоге. С материалами все ясно, можно приступать к сборке самодельного конденсатора.

Первым делом отрезаем два куска от самоклеющихся обоев. Нужно примерно полметра, однако желательно, чтобы одна полоска получилась чуть длиннее другой.



Получившийся лист фольги режим ровно на две части по длине.


Следующим делом кладем на ровную поверхность один кусок обоев, на который аккуратно кладем один кусок пищевой фольги. Фольге нужно класть так, чтобы по трем краям получился зазор примерно в сантиметр. С четвертой стороны фольга будет выпирать, что вполне нормально на этом этапе.


Сверху кладем второй лист обоев.


На нем кладем второй лист фольги. Только на этот раз делаем так, чтобы выступала фольга с противоположной предыдущему шагу стороне. То есть, если у автора первый кусок выступал снизу, то на этот раз он должен выступать сверху. Отдельно следует отметить, что листы фольги не должны касаться друг друга.



Теперь с одного края снимаем подложку и проклеиваем наш конденсатор.

самодельный конденсатор постоянной емкости

Самодельный конденсатор постоянной емкости.

Конденсаторы можно изготовить своими силами. Наиболее просто изготовить конденсатор постоянной емкости. Для самодельных конденсаторов емкостью до нескольких сотен пикофарад потребляются алюминиевая или оловянная фольга, тонкая писчая или папиросная бумага, парафин или воск (стеарин не годится). Фольгу можно взять из испорченных бумажных конденсаторов большой емкости или можно использовать алюминиевую фольгу, в которую завертывают шоколад и некоторые сорта конфет. От поврежденных конденсаторов можно также использовать бумагу. Расправьте фольгу и вырежь из нее две полоски — обкладки будущего конденсатора. Длина и ширина фольговых полосок определяются емкостью конденсатора, который надо сделать (расчет приводим ниже). Вырежьте еще две бумажные полоски в 2 раза шире фольговых. Одна из них должна быть в 1,5—2 раза длиннее другой. Растопите в баночке парафин, но не доводите его до кипения. При помощи кисточки смажьте горячим парафином бумажные полоски и точно посредине наложите на них фольговые полоски. Сложите обе пары полосок. Накройте их бумагой и прогладьте теплым утюгом, чтобы полоски лучше и плотнее склеились. Если не окажется парафина или воска, полоски можно пропитать медицинским вазелином. Возьмите кусочки медной проволоки толщиной 1—1,5 и длиной по 50—60 мм. Загните их, а в образовавшиеся петли вложите концы фольговых полосок, предварительно счистив с них парафин, чтобы между ними был надежный электрический контакт. Склеенные полоски закатайте в плотный рулончик — конденсатор готов. Для прочности его можно заклеить в полоску картона, а затем пропитать расплавленным парафином или промазать снаружи клеем БФ-2. Теперь сообщим расчетные данные таких конденсаторов. Две взаимно перекрывающиеся фольговые полоски-обкладки площадью по 1 см2, разделенные тонкой писчей бумагой, образуют конденсатор емкостью около 20 пф. Если взять, например, фольговые полоски шириной 1 и длиной по 10 см, то конденсатор будет иметь емкость 200 пф. При полосках той же ширины, но длиной по 50 ом получится конденсатор емкостью около 1000 пф. Конденсатор та кой же емкости можно сделать из фольговых полосок шириной 2 и длиной по 25 см или шириной 2,5 и длиной по 20 см. Таким образом, чтобы знать емкость будущего конденсатора в пикофарадах, надо площадь взаимно перекрывающихся обкладок, выраженную в сантиметрах, умножить на 20. При расчете не учитывайте концы фольговых полосок, к которым присоединяются проволочные выводы, так как они не перекрываются другими концами полосы. Сделав конденсатор, проверьте, не замкнуты ли между собой его обкладки.

Данный элемент по праву считается сверх универсальным, так как он одновременно может использоваться в изготовлении и ремонте самых разнообразных приборов. И даже, если приобрести его в уже готовом виде не составит особого труда, многие мастера-любители с удовольствием экспериментируют, пытаясь или даже успешно выполняя конденсатор своими руками. Все, что нужно для создания самодельного конденсатора подробно описано выше и, в принципе, ни с одним из необходимых элементов не должно возникнуть каких-либо трудностей, так как они могут иметься в хозяйстве или, на худой конец, в свободной продаже. Исключением, пожалуй, может стать только парафиновая бумага, которую обычно изготавливают самостоятельно, используя такие материалы, как парафин, папирус и одноразовая зажигалка (как вариант, можно задействовать любой другой безопасный источник открытого пламени).

Так, для того чтобы обработать бумагу должным образом, следует тщательно разогреть с помощью огня парафин и его размягченной частью пройтись по всей поверхности папируса с обеих его сторон. После того, как работы будут окончены, а материал как следует схватится, полученную парафиновую бумагу необходимо сложить гармошкой (имеется ввиду поперечное продвижение). Техника обычная, но предполагает выдерживание определенного шага (через каждые три сантиметра) и для того, чтобы выполнить линию сгиба предельно точной, желательно еще до парафирования наметить простым карандашом первую полосу. Можно продолжить в том же духе, расчерчивая полностью весь лист или же действовать, ориентируясь исключительно по первому отрезку (кому как удобно). Что касается количества необходимых слоев, то этот показатель определяется исключительно емкостью будущего изделия.

На этом этапе сформированную гармошку следует на время отложить в сторону, дабы приступить к заготовке прямоугольных кусочков фольги, размеры которых должны соответствовать в данном случае данным 3 на 4,5 сантиметра. Эти заготовки необходимы для выполнения металлической прослойки конденсатора, поэтому по окончанию вышеуказанных работ фольгу вкладывают во все слои гармошки, следя за тем, чтобы она равномерно укладывалась, после чего приступают к проглаживанию заготовки в сложенном виде с помощью обычного утюга. Парафин и фольга должны сделать свое дело, обеспечив прочное склеивание между собой (другие методы для спаивания конденсатора в домашних условиях не практикуются), после чего конденсатор можно считать абсолютно готовым. Что касается выпирающих за пределы бывшей гармошки элементов фольги, то она не должна давать повод для беспокойства, так как они играют роль соединительных контактов.

Именно с помощью этих небольших по размеру фрагментов, изготовленный собственными руками конденсатор можно полноценно использовать, подключая его к электрической цепи. Естественно, речь идет о примитивном устройстве и для того, чтобы хоть как-то повысить его рабочие показатели, необходимо использовать более качественную фольгу, обладающую высокой плотностью, хотя и тут крайне важно не перестараться, так как существуют определенные лимиты используемого напряжения на поделки для взрослых подобного рода. Так, например, лучше не экспериментировать, пытаясь собственноручно выполнить конденсатор, способный принять слишком высокое напряжение (более 50 Вольт), хотя некоторые «самоделкины» умудряются обойти эту сторону вопроса, используя пакеты для ламинирования вместо стандартных диэлектриков, а также ламинатор для безопасной пайки.

Существует еще несколько методов того, как можно изготовить самодельный конденсатор, причем один из них предполагает работу с более высоким напряжением. К нему можно отнести знаменитую технику «Стакан», название которой пошло от используемого подручного средства — граненного стакана. Данный элемент необходим для обтяжки фольгой с внутренней и внешней стороны, причем делать это следует таким образом, чтобы используемые фрагменты материала не касались друг друга. Сама конструкция в уже «собранном» виде обязательно предусматривает наличие подводов, после чего ее можно считать полностью готовой для использования по прямому назначению. При этом, во время включения ее в цепь необходимо тщательно соблюдать все необходимые меры по безопасности, дабы избежать возможных негативных последствий.

Как вариант, можно попробовать изготовить собственными руками и более усовершенствованную конструкцию, используя такие подручные средства, как одинаковые по размерам стеклянные пластинки, все та же старая добрая фольга повышенной плотности и эпоксидные смолы, предназначенные для надежного соединения перечисленных материалов между собой. Безусловным достоинством такого самодельного конденсатора является то, что он способен осуществлять более качественную работу, как говорится, «без пробоя». Однако, как известно, в бочке меда обычно не обходится без ложки дегтя и в данном случае это напрямую касается одного существенного недостатка данного изобретения, который заключается в его более, чем внушительных габаритах, что делает содержание эдакой «махины» в домашних условиях не очень удобным и рациональным.

Что такое конденсатор и как он работает. Для чего нужен конденсатор в электрической цепи: особенности работы

Конденсатор (с латинского «condensare» — «уплотнять», «сгущать», в простонародье «кондер») — один из самых распространенных элементов в радиоэлектронике, после резистора. Состоит из двух обкладок разделенных диэлектриком малой толщины, по сравнению с толщиной этих обкладок. Но на практике эти обкладки свернуты в многослойный рогалик, ой рулон в форме цилиндра или параллелепипеда разделенных все тем же диэлектриком.

Принцип работы конденсатора

Заряд. При подключении к источнику питания на обкладках скапливаются заряды. При зарядке на одной пластине скапливаются положительно заряженные частицы (ионы) , а на другой отрицательно заряженные частицы (электроны) . Диэлектрик служит препятствием, чтобы частицы не перескакивали на другую обкладку. При зарядке вместе с емкостью растет и напряжение на выводах и достигает максимума, равного напряжению источника питания.

Разряд. Если после зарядки конденсатора отключить питание и подключить нагрузку, конденсатор уже будет играть роль источника тока. Электроны начнут двигаться в через нагрузку, которая при подключении образовывает замкнутую цепь, к ионам (по закону притяжения между разноименными разрядами).

Основными параметрами конденсатора являются:
  1. Номинальная емкость — это его основная характеристика, подразумевает объем электрических зарядов. Измеряется емкость в Фарадах (сокращенно Ф) , на практике часто встречаются мкФ (1мкФ = 0,000001 Ф ), нФ (1нФ = 0,000000001 Ф ), пФ (1пФ = 0,000000000001 Ф) , так как емкость в 1Ф очень велика. Но есть такой компонент который может иметь емкость даже больше 1 Фарады его называют ионистр (о нем и о других я расскажу позже) .
  2. Номинальное напряжение — это максимальное напряжение, при котором конденсатор может надежно и долго работать, измеряется конечно же в вольтах (сокращенно В) . При превышении напряжения конденсатор выйдет из строя. В случаях когда необходимо поменять конденсатор, а с нужной емкостью имеется, но он рассчитан на большее напряжение по сравнению с вышедшем из строя его можно спокойно ставить (например «сгорел» конденсатор 450мкФ 10В, его можно заменить на 450мкФ 25В ). Главное чтобы он по габаритам поместился в вашу плату.
  3. Допуск отклонения — допустимое отклонение величины его реальной ёмкости от указанной на корпусе. Обозначается в процентах. Допуск у конденсаторов может достигать 20 – 30%. В устройствах, где требуется особая точность, применяются конденсаторы с малым допуском (1% и менее) .
  4. Температурный коэффициент емкости — встречается на электролитических конденсаторах. Емкость алюминиевого электролитического конденсатора зависит от температуры. С понижением температуры (особенно ниже 0°C) повышается вязкость электролита и его ESR (удельное электрическое сопротивление) , что ведет к уменьшению емкости конденсатора.
Для чего же нужны конденсаторы и с чем их «едят».
  • В цепи переменного тока конденсатор нужен в роли емкостного сопротивления. Если в цепи с постоянным током конденсатор подключить последовательно лампочке, она светится не будет, а в цепи с переменном током она загорится. И будет святится даже ярче и чем выше емкость конденсатора тем ярче будет свет. За счет этого свойства конденсаторы часто используются в качестве фильтрации пульсирующего тока (его основная задача во многих схемах) , он хорошо подавляет ВЧ и НЧ помехи, скачки переменного тока и пульсации напряжения.
  • За счет своей главной особенности накапливать электрический заряд и затем быстро его отдавать создавая импульс, делает их незаменимыми при изготовлении фотовспышек, магнитных ускорителей, стартеров и т.п.
  • Конденсаторы также используются для запуска трехфазных двигателей на однофазном питании, подключая к третьему выводу он сдвигает фазу на 90 градусов.
  • Благодаря способности накапливать и отдавать заряд, конденсаторы используют в схемах в которых нужно сохранить информацию на длительное время. Но к сожалению, он значительно уступает в способности накапливать энергию аккумуляторным батареям питания, из-за саморазряда и не способности накопить электроэнергию большей величины.

Данный элемент применяется практически в любых электронных приборах, поэтому, чтобы понять, в чем назначение конденсаторов, необходимо разобраться в их устройстве и принципах функционирования. Конденсатором называется одна из составных частей электрической цепи, у которой имеются две проводящие обкладки (одна обладает положительным зарядом, а другая – отрицательным). Чтобы исключить саморазрядку устройства, между обкладками помещают специальное вещество – диэлектрик, который препятствует перетоку заряда.

Классификация устройств

Прежде, чем ответить на вопрос, для чего нужен конденсатор, следует разобраться, какие они бывают. Конденсаторы разделяются по следующим признакам:

  • Предназначение и выполняемые функции;
  • Рабочие условия;
  • Тип вещества, разделяющего обкладки.

Конденсаторы активно используются в цепях, где необходима их способность копить и хранить электрический заряд (требуется наличие емкостного устройства). Для этого внутри него установлены две обкладки с разными знаками заряда. Между ними расположено вещество, препятствующее их соприкосновению и разрядке. В большинстве случаев в качестве диэлектрика используется тантал или алюминий, но могут применяться и керамические материалы, слюда или полистирол.

Основным достоинством алюминиевых устройств является их более низкая, по сравнению с танталовыми, стоимость, а также более широкая сфера применения. Вместе с тем, танталовые аналоги более эффективны в использовании и обладают более высокими техническими характеристиками, поэтому при выборе следует учитывать не только фактор цены.

Дополнительная информация. Конденсаторы из тантала отличаются повышенной надежностью, у них широкий рабочий диапазон температур, что позволяет эксплуатировать их практически в любых условиях. Наиболее широкое применение они нашли в электронике и сопутствующих отраслях промышленности, поскольку обладают большой емкостью и компактными габаритами. К недостаткам устройств данного типа специалисты относят их более высокую цену и чувствительность к колебаниям тока и напряжения.

Силовые элементы применяются чаще всего в цепях с высоким напряжением. Специальная конструкция позволяет обеспечивать большую емкость, а значит, они могут использоваться для стабилизации обеспечения электричеством по линиям электропередач (компенсируют потери энергии). Кроме того, они активно используются для повышения мощности промышленных электроустановок. Диэлектрик в таком устройстве – это пропитанная изоляционным маслом металлизированная пропиленовая пленка.

Самыми широко используемыми являются керамические. Их емкость может варьироваться в значительных пределах – от 1 пикофарада до 0,1 микрофарада. Для предотвращения саморазряда применяется керамика, а в качестве преимущества специалисты отмечают доступную цену, широкие функциональные возможности, высокий уровень надежности и низкий –потерь.

Несмотря на свою дороговизну, на практике применяются серебряно-слюдяные конденсаторы. Они работают крайне стабильно, поддерживают высокую емкость, их корпус полностью герметичен. Но широкому распространению мешает высокая цена.

Применяются и бумажные или металлобумажные элементы. Их обкладка изготовлена из алюминиевой фольги, а в качестве диэлектрика используется бумага, пропитанная специальным составом.

Принцип функционирования

Основная причина, по которой описываемый элемент включается в электрическую схему, состоит в том, чтобы копить заряд в периоды повышенного напряжения и обеспечивать питание цепи в периоды низкого.

Принцип работы конденсатора заключается в следующем. Когда электрический прибор подключен к сети питания, конденсатор заряжается. На одной его пластине накапливаются электроны (частицы с отрицательным зарядом), а на другой – ионы, которые заряжены положительно. Соприкосновению их мешает диэлектрик. Такое устройство конденсатора позволяет накопить заряд. Ведь, как только прибор подключается к источнику тока, напряжение в цепи равно нулю. Затем, по мере наполнения зарядами, напряжение становится равным тому, которое подается от источника.

После того, как прибор отключается от розетки или батареи, происходит разряд конденсатора. Нагрузка в электрической цепи сохраняется, для этого прибору нужны напряжение и ток, который передает устройство. Необходимость питания прибора заставляет электроны в конденсаторе двигаться к ионам, образуется ток, который передается к другим элементам.

Возможное применение устройств

Конденсаторы служат решению самых разнообразных задач. В частности, они активно используются при хранении аналоговых и цифровых данных, часто устанавливаются в телемеханических устройствах для регулирования сигналов в соответствующем оборудовании, что сохраняет его от различных повреждений и проблем.

Широко распространено применение конденсаторов в источниках бесперебойного питания, что позволяет сглаживать напряжение при подключении к приборам различного оборудования (компьютеры, оргтехника и так далее).

Обратите внимание! По такому же принципу устроен источник бесперебойного питания. Во время подключения к электрической цепи он накапливает заряд, который потом можно использовать в течение короткого времени, что делает возможным выключение техники без каких-либо сбоев, а это особенно актуально в современных условиях, когда информация имеет крайне большое значение.

Описываемые элементы нашли свое применение в различных преобразователях напряжения. В частности, их можно использовать для увеличения напряжения в сети, величина которого будет превышать входное значение.

Важно! Эксплуатация конденсатора в качестве временного источника питания имеет некоторые ограничения. Это объясняется наличием у диэлектрика хоть небольшой, но проводимости. Поэтому устройство со временем постепенно разряжается, следовательно, при необходимости иметь стабильный источник тока лучше воспользоваться аккумуляторной батареей.

Электрический конденсатор — это устройство, которое может накапливать заряд и энергию электрического поля. В основном он состоит из пары проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика. Толщина диэлектрика всегда намного меньше, чем размер обкладок. На электрических схемах замещения конденсатор обозначается 2-мя вертикальными параллельными отрезками (II).

Основные величины и единицы измерения

Существует несколько основных величин, определяющих конденсатор. Одна из них — это его емкость (латинская буква С), а вторая — рабочее напряжение (латинская U). Электроемкость (или же просто емкость) в системе СИ измеряется в фарадах (Ф). Причем как единица емкости 1 фарад — это очень много — на практике почти не применяется. Например, электрический заряд планеты Земля составляет всего 710 микрофарад. Поэтому в большинстве случаев из-меряется в производных от фарада величинах: в пикофарадах (пФ) при очень маленьком значении емкости (1 пФ=1/10 6 мкФ), в микрофарадах (мкФ) при достаточно большом ее значении (1 мкФ = 1/10 6 Ф). Для того чтобы рассчитать электроемкость, необходимо разделить величину заряда, накопленного между обкладками, на модуль разницы потенциалов между ними (напряжение на конденсаторе). Заряд конденсатора в данном случае — это заряд, накапливающийся на одной из обкладок рассматриваемого устройства. На 2-х проводниках устройства они одинаковы по модулю, но отличаются по знаку, поэтому сумма их всегда равняется нулю. Заряд конденсатора измеряется в кулонах (Кл), а обозначается буквой Q.

Напряжение на электроприборе

Одним из самых важных параметров рассматриваемого нами устройства является пробивное напряжение — разность значений потенциалов двух проводников конденсатора, приводящая к электрическому пробою слоя диэлектрика. Максимальное напряжение, при котором не происходит пробоя устройства, определяется формой проводников, свойствами диэлектрика и его толщиной. Условия работы, при которых напряжение на обкладках электроприбора близко к пробивному, недопустимы. Нормальное рабочее напряжение на конденсаторе меньше пробивного в несколько раз (в два-три раза). Поэтому при выборе следует обратить внимание на номинальное напряжение и емкость. В большинстве случаев значение этих величин указывается на самом устройстве или в паспорте. Включение конденсатора в сеть на напряжение, превышающее номинальное, грозит его пробоем, а отклонение значения емкости от номинального может привести к выбросу в сеть высших гармоник и перегреву устройства.

Внешний вид конденсаторов

Конструкция конденсато-ров может быть самой разнообразной. Она зависит от значения электроемкости устройства и его назначения. На параметры рассматриваемого устройства не должны влиять внешние факторы, поэтому обкладки имеют такую форму, при которой электрическое поле, созданное электрическими зарядами, сосредотачивается в небольшом зазоре между проводниками конденсатора. Поэтому они могут состоять из двух концентрических сфер, двух плоских пластин или двух коаксиальных цилиндров. Следовательно, конденсаторы могут быть цилиндрическими, сферическими и плоскими в зависимости от формы проводников.

Постоянные конденсаторы

По характеру изменения электроёмкости конденсаторы делят на устройства с постоянной, переменной ёмкостью или подстроечные. Разберем подробнее каждый из упомянутых типов. Приборы, чья ёмкость не меняется в процессе работы, то есть она является постоянной (значение емкости все-таки может колебаться в допустимых пределах в зависимости от температуры),- это постоянные конденсаторы. Существуют также электроприборы, меняющие свою электроемкость в процессе работы, они называются переменными.

От чего зависит С в конденсаторе

Электроемкость зависит от площади поверхности его проводников и расстояния между ними. Есть несколько способов изменения этих параметров. Рассмотрим конденсатор, который состоит из двух видов пластин: подвижных и неподвижных. Подвижные пластины перемещаются относительно неподвижных, в результате чего изменяется электроемкость конденсатора. Переменные аналоги используются для настроек аналоговых устройств. Причем емкость можно изменять в процессе работы. Подстроечные конденсаторы в большинстве случаев используют для настройки заводской аппаратуры, например для подбора емкости эмпирическим путем при невозможности расчета.

Конденсатор в цепи

Рассматриваемый прибор в цепи постоянного тока проводит ток только в момент включения его в сеть (при этом происходит заряд или перезаряд устройства до напряжения источника). Как только конденсатор полностью заряжается, ток через него не идет. При включении устройства в цепь с переменным током процессы разрядки и зарядки его чередуются друг с другом. Период их чередования равен приложенного синусоидального напряжения.

Характеристики конденсаторов

Конденсатор в зависимости от состояния электролита и материала, из которого он состоит, может быть сухим, жидкостным, оксидно-полупроводниковым, оксидно-металлическим. Жидкостные конденсаторы хорошо охлаждаются, эти устройства могут работать при значительных нагрузках и обладают таким важным свойством, как самовосстановление диэлектрика при пробое. У рассматриваемых электрических устройств сухого типа достаточно простая конструкция, немного меньше потери напряжения и ток утечки. На данный момент именно сухие приборы пользуются наибольшей популярностью. Основным достоинством электролитных конденсаторов являются дешевизна, компактные габариты и большая электроемкость. Оксидные аналоги — полярные (неверное подключение приводит к пробою).

Как подключается

Подключение конденсатора в цепь с постоянным током происходит следующим образом: плюс (анод) источника тока соединяется с электродом, который покрыт окисной пленкой. В случае несоблюдения этого требования может произойти Именно по этой причине жидкостные конденсаторы нужно подключать в цепь с переменным источником тока, соединяя встречно последовательно две одинаковые секции. Или нанести оксидный слой на оба электрода. Таким образом, получается неполярный электроприбор, работающий в сетях как с постоянным, так и с Но и в том и в другом случаях результирующая емкость становится в два раза меньше. Униполярные электрические конденсаторы обладают значительными размерами, зато могут включаться в цепи с переменным током.

Основное применение конденсаторов

Слово «конденсатор» можно услышать от работников различных промышленных предприятий и проектных институтов. Разобравшись с принципом работы, характеристиками и физическими процессами, выясним, зачем нужны конденсаторы, например, в системах энергоснабжения? В этих системах батареи широко применяют при строительстве и реконструкции на промышленных предприятиях для компенсации реактивной мощности КРМ (разгрузки сети от нежелательных ее перетоков), что позволяет уменьшить расходы на электроэнергию, сэкономить на кабельной продукции и доставить потребителю электроэнергию лучшего качества. Оптимальный выбор мощности, способа и места подключения источников (Q) в сетях электроэнергетических систем (ЭЭС) оказывает существенное влияние на экономические и технические показатели эффективности работы ЭЭС. Существуют два типа КРМ: поперечная и продольная. При поперечной компенсации батареи конденсаторов подключаются на шины подстанции параллельно нагрузке и называются шунтовыми (ШБК). При продольной компенсации батареи включают в рассечку ЛЭП и называют УПК (устройства продольной компенсации). Батареи состоят из отдельных приборов, которые могут соединяться различными способами: конденсаторы последовательного подключения или параллельного. При увеличении количества последовательно включенных устройств увеличивается напряжение. УПК также используются для выравнивания нагрузок по фазам, повышения производительности и эффективности дуговых и рудотермических печей (при включении УПК через специальные трансформаторы).

В бардачке каждого автолюбителя можно найти пару-тройку этих электроприборов. Зачем нужны конденсаторы в автомобиле? Там они используются в усиливающей аппаратуре акустических систем для качественного воспроизведения звука.

Конденсатор представляет собой устройство, способное накапливать электрические заряды. Простейшим конденсатором являются две металлические пластины (электроды), разделенные каким-либо диэлектриком. Конденсатор 2 можно зарядить, если соединить его электроды с источником 1 электрической энергии постоянного тока (рис. 181, а).

При заряде конденсатора свободные электроны, имеющиеся на одном из его электродов, устремляются к положительному полюсу источника, вследствие чего этот электрод становится положительно заряженным. Электроны с отрицательного полюса источника устремляются ко второму электроду и создают на нем избыток электронов, поэтому он становится отрицательно заряженным. В результате протекания зарядного тока i3 на обоих электродах конденсатора образуются равные, но противоположные по знаку заряды и между ними возникает электрическое поле, создающее между электродами конденсатора определенную разность потенциалов. Когда эта разность потенциалов станет равной напряжению источника тока, движение электронов в цепи конденсатора, т. е. прохождение по ней тока i3 прекращается. Этот момент соответствует окончанию процесса заряда конденсатора.

При отключении от источника (рис. 181,б) конденсатор способен длительное время сохранять накопленные электрические заряды. Заряженный конденсатор является источником электрической энергии, имеющим некоторую э. д. с. ес. Если соединить электроды заряженного конденсатора каким-либо проводником (рис. 181, в), то конденсатор начнет разряжаться. При этом по цепи пойдет ток iр разряда конденсатора. Начнет уменьшаться и разность потенциалов между электродами, т. е. конденсатор будет отдавать накопленную электрическую энергию во внешнюю цепь. В тот момент, когда количество свободных электронов на каждом электроде конденсатора станет одинаковым, электрическое поле между электродами исчезнет и ток станет равным нулю. Это означает, что произошел полный разряд конденсатора, т. е. он отдал накопленную им электрическую энергию.

Емкость конденсатора. Свойство конденсатора накапливать и удерживать электрические заряды характеризуется его емкостью. Чем больше емкость конденсатора, тем больше накопленный им заряд, так же как с увеличением вместимости сосуда или газового баллона увеличивается объем жидкости или газа в нем.

Емкость С конденсатора определяется как отношение заряда q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов между его электродами (приложенному напряжению)U:

C = q / U (69)

Емкость конденсатора измеряется в фарадах (Ф). Емкостью в 1 Ф обладает конденсатор, у которого при сообщении заряда

в 1 Кл разность потенциалов возрастает на 1 В. В практике преимущественно пользуются более мелкими единицами: микрофарадой (1 мкФ=10 -6 Ф), пикофарадой (1 пФ = 10 -12 мкФ).

Емкость конденсатора зависит от формы и размеров его электродов, их взаимного расположения и свойств диэлектрика, разделяющего электроды. Различают плоские конденсаторы, электродами которых служат плоские параллельные пластины (рис. 182, а), и цилиндрические (рис. 182,б).

Свойствами конденсатора обладают не только специально изготовленные на заводе устройства, но и любые два проводника, разделенные диэлектриком. Емкость их оказывает существенное влияние на работу электротехнических установок при переменном токе. Например, конденсаторами с определенной емкостью являются два электрических провода, провод и земля (рис. 183, а), жилы электрического кабеля, жилы и металлическая оболочка кабеля (рис. 183,6).

Устройство конденсаторов и их применение в технике. В зависимости от применяемого диэлектрика конденсаторы бывают бумажными, слюдяными, воздушными (рис. 184). Используя в качестве диэлектрика вместо воздуха слюду, бумагу, керамику и другие материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, удается при тех же размерах конденсатора увеличить в несколько раз его емкость. Для того чтобы увеличить площади электродов конденсатора, его делают обычно многослойным.

В электротехнических установках переменного тока обычно применяют силовые конденсаторы. В них электродами служат длинные полосы из алюминиевой, свинцовой или медной фольги, разделенные несколькими слоями специальной (конденсаторной) бумаги, пропитанной нефтяными маслами или синтетическими пропитывающими жидкостями. Ленты фольги 2 и бумаги 1 сматывают в рулоны (рис. 185), сушат, пропитывают парафином и помещают в виде одной или нескольких секций в металлический или картонный корпус. Необходимое рабочее напряжение конденсатора обеспечивается последовательным, параллельным или последовательно-параллельным соединениями отдельных секций.

Всякий конденсатор характеризуется не только значением емкости, но и значением напряжения, которое выдерживает его диэлектрик. При слишком больших напряжениях электроны диэлектрика отрываются от атомов, диэлектрик начинает проводить ток и металлические электроды конденсатора замыкаются накоротко (конденсатор пробивается). Напряжение, при котором это происходит, называют пробивным. Напряжение, при котором конденсатор может надежно работать неограниченно долгое время, называют рабочим. Оно в несколько раз меньше пробивного.

Конденсаторы широко применяют в системах энергоснабжения промышленных предприятий и электрифицированных железных дорог для улучшения использования электрической энергии при переменном токе. На э. п. с. и тепловозах конденсаторы используют для сглаживания пульсирующего тока, получаемого от выпрямителей и импульсных прерывателей, борьбы с искрением контактов электрических аппаратов и с радиопомехами, в системах управления полупроводниковыми преобразователями, а также для созда-

ния симметричного трехфазного напряжения, требуемого для питания электродвигателей вспомогательных машин. В радиотехнике конденсаторы служат для создания высокочастотных электромагнитных колебаний, разделения электрических цепей постоянного и переменного тока и др.

В цепях постоянного тока часто устанавливают электролитические конденсаторы. Их изготовляют из двух скатанных в рулон тонких алюминиевых лент 3 и 5 (рис. 185,б), между которыми проложена бумага 4, пропитанная специальным электролитом (раствор борной кислоты с аммиаком в глицерине). Алюминиевую ленту 3 покрывают тонкой пленкой окиси алюминия; эта пленка образует диэлектрик, обладающий высокой диэлектрической проницаемостью. Электродами конденсатора служат лента 3, покрытая окисной пленкой, и электролит; вторая лента 5 предназначена лишь для создания электрического контакта с электролитом. Конденсатор помещают в цилиндрический алюминиевый корпус.

При включении электролитического конденсатора в цепь постоянного тока необходимо строго соблюдать полярность его полюсов; электрод, покрытый окисной пленкой, должен быть соединен с положительным полюсом источника тока. При неправильном включении диэлектрик пробивается. По этой причине электролитические конденсаторы нельзя включать в цепи переменного тока. Их нельзя также использовать в устройствах, работающих при высоких напряжениях, так как окисная пленка имеет сравнительно небольшую электрическую прочность.

В радиотехнических устройствах применяют также конденсаторы переменной емкости (рис. 186). Такой конденсатор состоит из двух групп пластин: неподвижных 2 и подвижных 3, разделенных воздушными промежутками. Подвижные пластины могут перемещаться относительно неподвижных; при повороте оси 1 конденсатора изменяется площадь взаимного перекрытия пластин, а следовательно, и емкость конденсатора.

Способы соединения конденсаторов . Конденсаторы можно соединять последовательно и параллельно. При последовательном

соединении нескольких (например, трех), конденсаторов (рис. 187, а) эквивалентная емкость

1 /C эк = 1 /C 1 + 1 /C 2 + 1 /C 3

эквивалентное емкостное сопротивление

X C эк = X C 1 + X C 2 + X C 3

результирующее емкостное сопротивление

C эк = C 1 + C 2 + C 3

При параллельном соединении конденсаторов (рис. 187,б) их результирующая емкость

1 /X C эк = 1 /X C 1 + 1 /X C 2 + 1 /X C 3

Включение и отключение цепей постоянного тока с конденсатором. При подключении цепи R-C к источнику постоянного тока и при разряде конденсатора на резистор также возникает переходный процесс с апериодическим изменением тока i и напряжения u c При подключении к источнику постоянного тока цепи R-C выключателем В1 (рис. 188,а) происходит заряд конденсатора. В начальный момент зарядный ток I нач =U /R. Но по мере накопления зарядов на электродах конденсатора напряжение его и с будет возрастать, а ток уменьшаться (рис. 188,б). Если сопротивление R мало, то в начальный момент подключения конденсатора возникает большой екачок тока, значительно превышающий номинальный ток данной цепи. При разряде конденсатора на резистор R (размыкается выключатель В1 на рис. 189, а) напряжение на конденсаторе u с и ток i постепенно уменьшаются до нуля (рис. 189,б).

Скорость изменения тока i и напряжения ис при переходном процессе отделяется постоянной времени

Чем больше R и С, тем медленнее происходит заряд конденсатора.

Процессы заряда и разряда конденсатора широко используют в электронике и автоматике. С помощью их получают периодаческие несинусоидальные колебания, называемые релаксационными , и, в частности, пилообразное напряжение, необходимое для работы систем управления тиристорами, осциллографов и других устройств. Для получения пилообразного напряжения (рис. 190) периодически подключают конденсатор к источнику питания, а затем к разрядному резистору. Периоды Т 1 и T 2 , соответствующие заряду и разряду конденсатора, определяются постоянными времени цепей заряда Т 3 и разряда Т р, т. е. сопротивлениями резисторов, включенных в эти цепи.

Если вы регулярно занимаетесь созданием электрических схем, вы наверняка использовали конденсаторы. Это стандартный компонент схем, такой же, как сопротивление, который вы просто берёте с полки без раздумий. Мы используем конденсаторы для сглаживания пульсаций напряжения/тока, для согласования нагрузок, в качестве источника энергии для маломощных устройств, и других применений.

Но конденсатор – это не просто пузырёк с двумя проводочками и парой параметров – рабочее напряжение и ёмкость. Существует огромный массив технологий и материалов с разными свойствами, применяемых для создания конденсаторов. И хотя в большинстве случаев для любой задачи сгодится практически любой конденсатор подходящей ёмкости, хорошее понимание работы этих устройств может помочь вам выбрать не просто нечто подходящее, а подходящее наилучшим образом. Если у вас когда-нибудь была проблема с температурной стабильностью или задача поиска источника дополнительных шумов – вы оцените информацию из этой статьи.

Начнём с простого
Лучше начать с простого и описать основные принципы работы конденсаторов, прежде чем переходить к настоящим устройствам. Идеальный конденсатор состоит из двух проводящих пластинок, разделённых диэлектриком. Заряд собирается на пластинах, но не может перетекать между ними – диэлектрик обладает изолирующими свойствами. Так конденсатор накапливает заряд.

Ёмкость измеряется в фарадах: конденсатор в один фарад выдаёт напряжение в один вольт, если в нём находится заряд в один кулон. Как и у многих других единиц системы СИ, у неё непрактичный размер, поэтому, если не брать в расчёт суперконденсаторы, о которых мы здесь говорить не будем, вы скорее всего встретитесь с микро-, нано- и пикофарадами. Ёмкость любого конденсатора можно вывести из его размеров и свойств диэлектрика – если интересно, формулу для этого можно посмотреть в Википедии. Запоминать её не нужно, если только вы не готовитесь к экзамену – но в ней содержится один полезный факт. Ёмкость пропорциональна диэлектрической проницаемости ε r использованного диэлектрика, что в результате привело к появлению в продаже различных конденсаторов, использующих разные диэлектрические материалы для достижения больших ёмкостей или улучшения характеристик напряжения.

Алюминиевые электролитические

Алюминиевые электролитические конденсаторы используют анодно-оксидированный слой на алюминиевом листе в качестве одной пластины-диэлектрика, и электролит из электрохимической ячейки в качестве другой пластины. Наличие электрохимической ячейки делает их полярными, то есть напряжение постоянного тока должно прикладываться в одном направлении, и анодированная пластина должна быть анодом, или плюсом.

На практике их пластины выполнены в виде сэндвича из алюминиевой фольги, завёрнутой в цилиндр и расположенной в алюминиевой банке. Рабочее напряжение зависит от глубины анодированного слоя.

У электролитических конденсаторов наибольшая среди распространённых ёмкость, от 0,1 до тысяч мкФ. Из-за плотной упаковки электрохимической ячейки у них наблюдается большая эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, ESI, или эффективная индуктивность), из-за чего их нельзя использовать на высоких частотах. Обычно они используются для сглаживания питания и развязывания, а также связывания на аудиочастотах.

Танталовые электролитические


Танталовый конденсатор поверхностного размещения

Танталовые электролитические конденсаторы изготавливаются в виде спечённого танталового анода с большой площадью поверхности, на которой выращивается толстый слой оксида, а затем в качестве катода размещается электролит из диоксида марганца. Комбинация большой площади поверхности и диэлектрических свойств оксида тантала приводит к высокой ёмкости в пересчёте на объём. В результате такие конденсаторы выходят гораздо меньше алюминиевых конденсаторов сравнимой ёмкости. Как и у последних, у танталовых конденсаторов есть полярность, поэтому постоянный ток должен идти в строго одном направлении.

Их доступная ёмкостью варьируется от 0,1 до нескольких сотен мкФ. У них гораздо меньше сопротивление утечки и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), в связи с чем они используются в тестировании, измерительных приборах и высококачественных аудиоустройствах – там, где эти свойства полезны.

В случае танталовых конденсаторов необходимо особенно следить за состоянием отказа, бывает, что они загораются. Аморфный оксид тантала – хороший диэлектрик, а в кристаллической форме он становится хорошим проводником. Неправильное использование танталового конденсатора – например, подача слишком большого пускового тока может привести к переходу диэлектрика в другую форму, что увеличит проходящий через него ток. Правда, репутация, связанная с возгораниями, появилась у более ранних поколений танталовых конденсаторов, и улучшенные методы производства привели к созданию более надёжной продукции.

Полимерные плёнки
Целое семейство конденсаторов использует полимерные плёнки в качестве диэлектриков, а плёнка либо находится между витыми или перемежающимися слоями металлической фольги, либо имеет металлизированный слой на поверхности. Их рабочее напряжение может доходить до 1000 В, но высокими ёмкостями они не обладают – это обычно от 100 пФ до единиц мкФ. У каждого вида плёнки есть свои плюсы и минусы, но в целом всё семейство отличается более низкими ёмкостью и индуктивностью, чем у электролитических. Посему они используются в высокочастотных устройствах и для развязывания в электрически шумных системах, а также в системах общего назначения.

Полипропиленовые конденсаторы используются в схемах, требующих хорошей тепловой и частотной стабильности. Также они используются в системах питания, для подавления ЭМП, в системах, использующих переменные токи высокого напряжения.

Полиэстеровые конденсаторы, хотя и не обладают такими температурными и частотными характеристиками, получаются дешёвыми и выдерживают большие температуры при пайке для поверхностного монтажа. В связи с этим они используются в схемах, предназначенных для использования в некритичных приложениях.

Полиэтилен-нафталатовые конденсаторы. Не обладают стабильными температурными и частотными характеристиками, но могут выдерживать гораздо большие температуры и напряжения по сравнению с полиэстеровыми.

Полиэтилен-сульфидовые конденсаторы обладают температурными и частотными характеристиками полипропиленовых, и в дополнение выдерживают высокие температуры.

В старом оборудовании можно наткнуться на поликарбонатные и полистиреновые конденсаторы, но сейчас они уже не используются.

Керамика

История керамических конденсаторов довольно длинная – они использовались с первых десятилетий прошлого века и по сей день. Ранние конденсаторы представляли собою один слой керамики, металлизированной с обеих сторон. Более поздние бывают и многослойными, где пластины с металлизацией и керамика перемежаются. В зависимости от диэлектрика их ёмкости варьируются от 1 пФ до десятков мкФ, а напряжения достигают киловольт. Во всех отраслях электроники, где требуется малая ёмкость, можно встретить как однослойные керамические диски, так и многослойные пакетные конденсаторы поверхностного монтажа.

Проще всего классифицировать керамические конденсаторы по диэлектрикам, поскольку именно они придают конденсатором все свойства. Диэлектрики классифицируют по трёхбуквенным кодам, где зашифрована их рабочая температура и стабильность.

C0G лучшая стабильность в ёмкости по отношению к температуре, частоте и напряжению. Используются в высокочастотных схемах и других контурах высокого быстродействия.

X7R не обладают такими хорошими характеристиками по температуре и напряжению, посему используются в менее критичных случаях. Обычно это развязывание и различные универсальные приложения.

Y5V обладают гораздо большей ёмкостью, но характеристики температуры и напряжения у них ещё ниже. Также используются для развязывания и в различных универсальных приложениях.

Поскольку керамика часто обладает и пьезоэлектрическими свойствами, некоторые керамические конденсаторы демонстрируют и микрофонный эффект. Если вы работали с высокими напряжениями и частотами в аудиодиапазоне, например, в случае ламповых усилителей или электростатики, вы могли услышать, как «поют» конденсаторы. Если вы использовали пьезоэлектрический конденсатор для обеспечения частотной стабилизации, вы могли обнаружить, что его звук модулируется вибрацией его окружения.

Как мы уже упоминали, статья не ставит целью охватить все технологии конденсаторов. Взглянув в каталог электроники вы обнаружите, что некоторые технологии, имеющиеся в наличии, здесь не освещены. Некоторые предложения из каталогов уже устарели, или же имеют такую узкую нишу, что с ними чаще всего и не встретишься. Мы надеялись лишь развеять некоторые тайны по поводу популярных моделей конденсаторов, и помочь вам в выборе подходящих компонентов при разработке собственных устройств. Если мы разогрели ваш аппетит, вы можете изучить нашу статью по катушкам индуктивности.

Об обнаруженных вами неточностях и ошибках прошу писать через

Определение емкости баночного Ионистра (сборка)

[Determining supercap capacity]

В данном материале определим какой эквивалентной емкости аккумулятора соответствует емкость Ионистра (суперконденсатора).
Исследуемый образец:
Ионистр из двух банок 2.7В 4Ф CDA CHP Series, соединенных последовательно, т.е. суммарная емкость 2Ф и предельное напряжение 5.4 В. Масса ионистра 7.68 грамм. Для исследования будем заряжать такой ионистр до напряжения 4.2 В. Разряжать будем до напряжения 2.8 В. Нагрузка — 100 Ом. Подключим нагрузку к ионистру и сохраним данные изменения напряжения на его обкладках.
U-напряжение на ионистре, В;
t-время разряда, с;
Usr-среднее напряжение на интервале 10 с, В;
Psr-средняя мощность на интервале 10 с, Вт;
Asr-средняя работа за интервал 10 с, Дж;
График разряда ионистра:
Отметим, что зависимость линейная.
Используя численные методы вычисления, найдем выполненную работу, проссумировав столбец Asr
Aob = 1.66+1.51+1.39+1.29+1.2+1.11+1.03+0.95+0.89+0.82+0.76 = 12.61 Дж
Средняя мощность составит
Pob = Aob/110 = 0.115 Вт
Теперь повторим вычисления, используя линейность функции U(t) всего по двум точкам. (нам повезло, что вычисления можно таким образом упростить, но график мог быть и не линейным изначально).
Usr1=(4.18+2.7)/2=3.44
Psr=Usr1*Usr1/100 = 0.118 Вт
Разница совсем незначительная, в третьем знаке после запятой.
Теперь возьмем литиевый аккумултяор с Uнач = 4.2 В и подключим к нему резистор сопротивлением 100 Ом.
Ток через резистор I=Uнач/R=0.042 A, мощность P=Uнач*Uнач/R=0.176 Вт
Теперь найдем время, за которую аккумулятор выполнит ту же работу, что и ионистр.
tраб=Aob/P=12.61/0.176=71.485 секунд.
При этом потратится емкости аккумулятора tраб*I = 71.5*0.042 = 3 А*с или 0.834 мА*Ч.
Повторим расчет для начального напряжения ионистра Uнач = 3. 52 В.
Aob2 = 1.2+1.11+1.03+0.95+0.89+0.82+0.76 = 6.76 Дж.
Pob2 = Aob2 / 70 = 0.097, здесь 70 секунд работы.
Параметры эквивалентного аккумулятора не изменились
Uakk=4.2 В, I=0.042 A, P = 0.176 Вт
tраб2=Aob2/P = 38.32 секунды
Потраченная емкость аккумулятора = tраб*I = 1.61 А*с или 0.447 мА*Ч.
Обобщим зависимости следующим образом.
Эквивалентная аккумуляторная емкость в мА*ч для ионистра заряженного до 3.5 В может быть найдена по формуле:
MAH_35(CC)=0.223*CC
и для заряда 4.2 В:
MAH_42(CC)=0.417*CC
В графическом виде:

По оси абсцисс — ёмкость ионистра в фарадах,
по оси ординат эквивалентная аккумуляторная емкость в мА*ч.
Синий пунктирный — для начального напряжения ионистра
4.2 В и конечного 2.7 В, Красный — для начального напряжения ионистра
3.5 В и конечного 2.7 В.

Как видим, емкость ионистров или суперконденсаторов совсем небольшая в сравнении с ёмкостью обычных
аккумуляторов.

Лавриненков Игорь / R2AJA
Для связи mail:  lis-soft /*at*/rambler   точка   ру

Как работают суперконденсаторы? — Объясни, что это за штука

Фото: Стек суперконденсаторов Maxwell, используемых для хранения энергии в электромобилях. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Как можно хранить электрический заряд?

Фото: В типичной угольно-цинковой батарее на заводе хранится электричество, и ее можно разрядить только один раз, прежде чем ее придется выбросить. Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды выбрасываются во всем мире каждый год.

Батареи и конденсаторы выполняют аналогичную работу — хранят электричество, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество называется электролитом. Когда вы включаете питание, химические реакции происходят с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции преобразуют химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти. Как только химические вещества будут исчерпаны, реакции прекращаются, и аккумулятор разряжен. В перезаряжаемой батарее, например в литий-ионном блоке питания. в портативном компьютере или MP3-плеере реакция может с радостью бегите в любом направлении — так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз перед заменой батареи.

Фотография: Типичный конденсатор в электронной схеме. В нем хранится меньше энергии, чем в аккумуляторе, но его можно заряжать и разряжать мгновенно, почти любое количество раз. В отличие от батареи, положительный и отрицательный заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы заставить его приклеиться.На пластинах накапливаются положительные и отрицательные электрические заряды, и разделение между ними, предотвращающее их соприкосновение, — это то, что сохраняет энергию. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, поэтому можно сказать, что это делает конденсатор более эффективным в качестве устройства для хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не имеют содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать и разряжался бесчисленное количество раз без износа.Но они есть и большой недостаток: килограмм на килограмм, их базовая конструкция не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества электрическая энергия в виде батарей.

Что мы можем с этим поделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо за счет использования лучшего материала для диэлектрика или с помощью металлических пластин большего размера. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно колоссальные тарелки. Грозовые облака, например, это по сути сверхгигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! Какие об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между тарелками? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.

Artwork: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными способами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик.Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, есть разница: они обычно построены из разных материалов и имеют несколько разную структуру, поэтому они хранят разное количество энергии. В целях этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных обкладок. Пластины сделаны из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда.Представьте на мгновение, что электричество — это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вытереть только крошечные пятна, пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсатора — это электрические губки!

А как насчет разделителя между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как шкала настройки внутри радио).Когда конденсатор заряжен, на одной пластине формируются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в линию, противоположную полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это проиллюстрировано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Изображение: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком (серый).Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору сохранять больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых материалов, обычно на основе углерода, пропитанных электролитом.Пластины имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность накапливать гораздо больше заряда.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, по обе стороны от сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый двойной электрический слой толщиной, возможно, всего одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму рисунка, вы увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают свою гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, сделанных из таких вещей, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Фотографии: Суперконденсаторы иногда можно использовать как прямую замену батареям.Вот аккумуляторная дрель на базе суперконденсаторов для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавтам-космическим астронавтам не всегда удается дождаться ночи, когда они начнут учения! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Основная единица электрической емкости называется фарад (F), в честь новаторского британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электричества (они обычно измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).В отличие от этого типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (измеренный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это все еще составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор. Но большим преимуществом суперконденсатора является то, что он может хранить и высвобождать энергия почти мгновенно — намного быстрее, чем батарея.Это потому, что суперконденсатор работает за счет накопления статического электричества. заряжается на твердых телах, в то время как батарея полагается на заряды, медленно производимые в результате химических реакций, часто с жидкостями.

Вы часто видите батареи и суперконденсаторы, сравниваемые с точки зрения их энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова используются как синонимы; в науке мощность — это количество энергии, использованное или произведенное за определенный период времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут быстрее выделять энергию).Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и выделения большого количества энергии, но батареи по-прежнему являются королем для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольта), их можно подключать последовательно (как батареи) для получения более высоких напряжений для использования в более мощном оборудовании.

Так как суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и разряжены любое количество раз (спецификации для коммерческих суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).У них небольшое внутреннее сопротивление или оно отсутствует, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. без особых затрат энергии — и работать на очень близких к 100 процентный КПД (обычно 97–98 процентов).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам нужно сохранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы храните в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно тем, что вам нужно.Суперконденсаторы были широко используется в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергия резервуары », сглаживающие подачу питания на электрические и электронное оборудование. Суперконденсаторы также можно подключать к батареи, чтобы регулировать подачу питания.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для хранения энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко используемых в электромобилях. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать прерывистую мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, Это означает, что сотни последовательно соединенных суперконденсаторов необходим для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А Отчет Allied за 2020 год Маркетинговые исследования оценили мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказывали, что это будет достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

Как работают суперконденсаторы? — Объясни, что это за штука

Если вы думаете, что электричество играет сегодня большую роль в нашей жизни, вы «еще ничего не видели»! В ближайшие несколько десятилетий наши автомобили и системы отопления, работающие на ископаемом топливе, должны будут перейти на электроэнергию. также, если у нас есть надежда предотвратить катастрофический климат изменение.Электричество — чрезвычайно универсальный вид энергии, но он имеет один большой недостаток: в спешке складировать относительно сложно. Батареи могут удерживать большое количество энергии, но на то, чтобы заряжать. Конденсаторы, с другой стороны, заряжаются почти мгновенно, но хранят лишь крошечные количества энергии. В нашем электрическом будущем когда нам нужно хранить и выделять большое количество электроэнергии очень быстро, вполне вероятно, мы обратимся к суперконденсаторам (также известные как ультраконденсаторы), которые объединить лучшее из обоих миров.Какие они и как работают? Давайте посмотрим поближе!

Фото: Стек суперконденсаторов Maxwell, используемых для хранения энергии в электромобилях. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Как можно хранить электрический заряд?

Фото: В типичной угольно-цинковой батарее на заводе хранится электричество, и ее можно разрядить только один раз, прежде чем ее придется выбросить.Такие батареи дороги в использовании и вредны для окружающей среды — миллиарды выбрасываются во всем мире каждый год.

Батареи и конденсаторы выполняют аналогичную работу — хранят электричество, но совершенно по-разному.

Батареи имеют две электрические клеммы (электроды), разделенные химическим веществом. вещество называется электролитом. Когда вы включаете питание, химические реакции происходят с участием как электродов, так и электролит. Эти реакции преобразуют химические вещества внутри батареи в другие вещества, высвобождая электрическую энергию, когда они идти.Как только химические вещества будут исчерпаны, реакции прекращаются, и аккумулятор разряжен. В перезаряжаемой батарее, например в литий-ионном блоке питания. в портативном компьютере или MP3-плеере реакция может с радостью бегите в любом направлении — так что обычно вы можете заряжать и разряжать сотни раз перед заменой батареи.

Фотография: Типичный конденсатор в электронной схеме. В нем хранится меньше энергии, чем в аккумуляторе, но его можно заряжать и разряжать мгновенно, почти любое количество раз.В отличие от батареи, положительный и отрицательный заряды в конденсаторе полностью создаются статическим электричеством; никаких химических реакций не происходит.

В конденсаторах для хранения энергии используется статическое электричество (электростатика), а не химия. Внутри конденсатора есть две проводящие металлические пластины с изолирующим материалом, называемым диэлектриком, между ними — это диэлектрик. бутерброд, если хотите! Зарядка конденсатора немного похожа на натирание воздушного шара о джемпер. чтобы заставить его приклеиться.На пластинах накапливаются положительные и отрицательные электрические заряды, и разделение между ними, предотвращающее их соприкосновение, — это то, что сохраняет энергию. Диэлектрик позволяет конденсатору определенного размера сохранять больше заряда при том же напряжении, поэтому можно сказать, что это делает конденсатор более эффективным в качестве устройства для хранения заряда.

Конденсаторы имеют много преимуществ перед батареями: они меньше весят, как правило, не имеют содержат вредные химические вещества или токсичные металлы, и их можно заряжать и разряжался бесчисленное количество раз без износа.Но они есть и большой недостаток: килограмм на килограмм, их базовая конструкция не позволяет им хранить что-либо вроде того же количества электрическая энергия в виде батарей.

Что мы можем с этим поделать? Вообще говоря, вы можете увеличить энергию конденсатор будет хранить либо за счет использования лучшего материала для диэлектрика или с помощью металлических пластин большего размера. Для хранения значительного количества энергии, вам нужно будет использовать абсолютно колоссальные тарелки. Грозовые облака, например, это по сути сверхгигантские конденсаторы, которые накапливают огромное количество энергии — и все мы знаем, насколько они велики! Какие об усилении конденсаторов за счет улучшения диэлектрического материала между тарелками? Изучение этого варианта привело ученых к разработке суперконденсаторы в середине 20 века.

Artwork: Батареи отлично подходят для хранения большого количества энергии в относительно небольшом пространстве, но они тяжелые, дорогие, медленно заряжаются, имеют ограниченный срок службы и часто сделаны из токсичных материалов. Обычные конденсаторы лучше почти во всех отношениях, но не так хороши для хранения большого количества энергии.

Что такое суперконденсатор?

Суперконденсатор (или ультраконденсатор) отличается от обычного конденсатора двумя важными способами: его пластины фактически имеют гораздо большую площадь, а расстояние между ними намного меньше, потому что разделитель между ними работает иначе, чем обычный диэлектрик.Хотя слова «суперконденсатор» и «ультраконденсатор» часто используются как синонимы, есть разница: они обычно построены из разных материалов и имеют несколько разную структуру, поэтому они хранят разное количество энергии. В целях этого простого введения мы предположим, что это одно и то же.

Как и обычный конденсатор, суперконденсатор состоит из двух разделенных обкладок. Пластины сделаны из металла, покрытого пористым веществом, таким как порошкообразный активированный уголь, что фактически дает им большую площадь для хранения гораздо большего заряда.Представьте на мгновение, что электричество — это вода: там, где обычный конденсатор похож на ткань, которая может вытереть только крошечные пятна, пористые пластины суперконденсатора делают его больше похожим на толстую губку, которая может впитать во много раз больше. Пористые пластины суперконденсатора — это электрические губки!

А как насчет разделителя между пластинами? В обычном конденсаторе пластины разделены относительно толстым диэлектриком, сделанным из чего-то вроде слюды (керамики), тонкой пластиковой пленки или даже просто воздуха (в чем-то вроде конденсатора, который действует как шкала настройки внутри радио).Когда конденсатор заряжен, на одной пластине формируются положительные заряды, а на другой — отрицательные, создавая между ними электрическое поле. Поле поляризует диэлектрик, поэтому его молекулы выстраиваются в линию, противоположную полю, и уменьшают его напряженность. Это означает, что пластины могут хранить больше заряда при заданном напряжении. Это проиллюстрировано на верхней диаграмме, которую вы видите здесь.

Изображение: Вверху: Обычные конденсаторы накапливают статическое электричество, накапливая противоположные заряды на двух металлических пластинах (синей и красной), разделенных изоляционным материалом, называемым диэлектриком (серый).Электрическое поле между пластинами поляризует молекулы (или атомы) диэлектрика, заставляя их ориентироваться в направлении, противоположном полю. Это снижает напряженность поля и позволяет конденсатору сохранять больше заряда при заданном напряжении. Подробнее читайте в нашей статье о конденсаторах.

Внизу: суперконденсаторы накапливают больше энергии, чем обычные конденсаторы, создавая очень тонкий «двойной слой» заряда между двумя пластинами, которые сделаны из пористых материалов, обычно на основе углерода, пропитанных электролитом.Пластины имеют большую площадь поверхности и меньшее разделение, что дает суперконденсатору способность накапливать гораздо больше заряда.

В суперконденсаторе нет диэлектрика как такового. Вместо этого обе пластины пропитаны электролитом и разделены очень тонким изолятором (который может быть сделан из углерода, бумаги или пластика). Когда пластины заряжаются, по обе стороны от сепаратора образуется противоположный заряд, создавая так называемый двойной электрический слой толщиной, возможно, всего одну молекулу (по сравнению с диэлектриком, толщина которого может варьироваться от нескольких микрон до миллиметра или больше в обычном конденсаторе).Вот почему суперконденсаторы часто называют двухслойными конденсаторами, также называемыми электрическими двухслойными конденсаторами или EDLC). Если вы посмотрите на нижнюю диаграмму рисунка, вы увидите, как суперконденсатор похож на два обычных конденсатора, расположенных рядом.

Емкость конденсатора увеличивается с увеличением площади пластин и уменьшением расстояния между пластинами. Короче говоря, суперконденсаторы получают свою гораздо большую емкость за счет комбинации пластин с большей эффективной площадью поверхности (из-за их конструкции из активированного угля) и меньшим расстоянием между ними (из-за очень эффективного двойного слоя).

Первые суперконденсаторы были изготовлены в конце 1950-х годов с использованием активированного угля в качестве пластин. С тех пор достижения в области материаловедения привели к разработке гораздо более эффективных пластин, сделанных из таких вещей, как углеродные нанотрубки (крошечные углеродные стержни, построенные с использованием нанотехнологии), графен, аэрогель и титанат бария.

Чем суперконденсаторы сравниваются с батареями и обычными конденсаторами?

Фотографии: Суперконденсаторы иногда можно использовать как прямую замену батареям.Вот аккумуляторная дрель на базе суперконденсаторов для использования в космосе, разработанная НАСА. Большим преимуществом перед обычной дрелью является то, что ее можно заряжать за секунды, а не за часы. Астронавтам-космическим астронавтам не всегда удается дождаться ночи, когда они начнут учения! Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Основная единица электрической емкости называется фарад (F), в честь новаторского британского химика и физика Майкла Фарадея (1791–1867). Типичные конденсаторы, используемые в электронных схемах, хранят лишь незначительное количество электричества (они обычно измеряются в единицах, называемых микрофарадами (миллионными долями фарада), нанофарадами (миллиардными долями фарада), или пикофарады (триллионные доли фарада).В отличие от этого типичный суперконденсатор может хранить заряд в тысячи, миллионы или даже миллиарды раз больше (измеренный в фарадах). Самые большие коммерческие суперконденсаторы, производимые такими компаниями, как Maxwell Technologies®, имеют емкость до нескольких тысяч фарад. Это все еще составляет лишь часть (возможно, 10–20 процентов) электроэнергии, которую вы можете упаковать в аккумулятор. Но большим преимуществом суперконденсатора является то, что он может хранить и высвобождать энергия почти мгновенно — намного быстрее, чем батарея.Это потому, что суперконденсатор работает за счет накопления статического электричества. заряжается на твердых телах, в то время как батарея полагается на заряды, медленно производимые в результате химических реакций, часто с жидкостями.

Вы часто видите батареи и суперконденсаторы, сравниваемые с точки зрения их энергии и мощности. В повседневной речи эти два слова используются как синонимы; в науке мощность — это количество энергии, использованное или произведенное за определенный период времени. Батареи имеют более высокую плотность энергии (они хранят больше энергии на единицу массы), но суперконденсаторы имеют более высокую плотность мощности (они могут быстрее выделять энергию).Это делает суперконденсаторы особенно подходящими для относительно быстрого хранения и выделения большого количества энергии, но батареи по-прежнему являются королем для хранения большого количества энергии в течение длительных периодов времени.

Хотя суперконденсаторы работают при относительно низких напряжениях (возможно, 2–3 вольта), их можно подключать последовательно (как батареи) для получения более высоких напряжений для использования в более мощном оборудовании.

Так как суперконденсаторы работают электростатически, а не через обратимые химические реакции, теоретически они могут заряжаться и разряжены любое количество раз (спецификации для коммерческих суперконденсаторы предполагают, что вы можете включить их, возможно, миллион раз).У них небольшое внутреннее сопротивление или оно отсутствует, что означает, что они накапливают и выделяют энергию. без особых затрат энергии — и работать на очень близких к 100 процентный КПД (обычно 97–98 процентов).

Для чего используются суперконденсаторы?

Если вам нужно сохранить разумное количество энергии в течение относительно короткого периода времени (от нескольких секунд до нескольких минут), у вас слишком много энергии, чтобы храните в конденсаторе, и у вас нет времени зарядить аккумулятор, суперконденсатор может быть именно тем, что вам нужно.Суперконденсаторы были широко используется в качестве электрических эквивалентов маховиков в машинах — «энергия резервуары », сглаживающие подачу питания на электрические и электронное оборудование. Суперконденсаторы также можно подключать к батареи, чтобы регулировать подачу питания.

Фотографии: большой суперконденсатор, используемый для хранения энергии в гибридном автобусе. Суперконденсаторы используются в рекуперативных тормозах, широко используемых в электромобилях. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Одно из распространенных применений — ветряные турбины, где очень большие суперконденсаторы помогают сглаживать прерывистую мощность, поставляемую ветром. В электрическом и гибридном транспортных средств, суперконденсаторы все чаще используются как временные запасы энергии для рекуперативного торможения (где энергия, которую транспортное средство обычно тратит при остановке, ненадолго сохраняется и затем повторно используется, когда он снова начинает двигаться). Двигатели, которые приводят в движение электромобили работают от источников питания, рассчитанных на сотни вольт, Это означает, что сотни последовательно соединенных суперконденсаторов необходим для хранения нужного количества энергии в типичном регенеративном тормоз.

Благодаря таким приложениям будущее суперконденсаторов выглядит очень радужным. А Отчет Allied за 2020 год Маркетинговые исследования оценили мировой рынок суперконденсаторов в скромные 3,27 миллиарда долларов в 2019 году, но предсказывали, что это будет достигнет 16,95 миллиарда долларов в 2027 году — пятикратный рост всего за несколько лет!

Суперконденсаторы в качестве альтернативы батареям

Представьте, что вы заряжаете свой мобильный телефон всего за несколько секунд. Или подумайте, как изменился бы транспорт, если бы заправка электромобиля занимала всего несколько минут.

Технология быстрого включения питания существует уже несколько десятилетий — в суперконденсаторах. Суперконденсаторы не только заряжаются быстрее, чем батареи, но и служат дольше, потому что не страдают от физических потерь при зарядке и разрядке, которые изнашивают батареи. У них также есть ряд преимуществ в плане безопасности. Однако суперразмер суперконденсаторов — они должны быть намного больше, чтобы удерживать ту же энергию, что и батареи, — и их сверхвысокая стоимость сдерживают их.

Но ряд ученых считает, что недавние открытия сделали быстрый, надежный и потенциально более безопасный накопитель энергии в суперконденсаторах, иногда называемых ультраконденсаторами, в пределах досягаемости, позволяя лучше конкурировать с батареями.

«Ультраконденсаторы похожи на молнию в бутылке, если хотите, — сказал Майкл Сунд, вице-президент Maxwell Technologies, ведущего производителя новой технологии, который продает тысячи единиц для зарядки автобусов в Китае.

Проблемы с безопасностью аккумуляторов

Любой, у кого закончился заряд во время важного телефонного разговора или кто пытался успокоить ребенка, чей игрушечный грузовик внезапно остановился, знает пределы заряда аккумуляторов. Аккумуляторы заряжаются долго, они относительно тяжелые — большая проблема для рынка электромобилей — и их безопасность часто возникает как проблема.

Этим летом крупному розничному торговцу пришлось отозвать тысячи запасных батарей для ноутбуков, произведенных Apple, только одним из многих производителей ноутбуков и сотовых телефонов, у которых были отозваны собственные батареи из соображений безопасности. (См. Соответствующий тест: «Что вы не знаете о батареях».)

Пожары с батареями в начале этого года также помогли временно заземлить новый Dreamliner компании Boeing. В одной из самых страшных трагедий, связанных с отказом аккумуляторной батареи, два члена экипажа погибли в 2010 году в результате крушения самолета UPS в Дубае, которое следователи связали с пламенем, поднимающимся из груза батарей.(См. Статью по теме: «Преобразование полета для повышения топливной эффективности: пять технологий на взлетно-посадочной полосе».)

Опасные подводные камни, связанные с использованием батарей, являются частью того, что способствует возобновлению интереса к суперконденсаторам.

Безопасность — это гораздо большая проблема, чем это было в прошлом, сказал Питер Харроп, председатель IDTechEx, исследовательской фирмы, базирующейся в Кембридже, Великобритания. Он и другие поклонники новых технологий утверждают, что суперконденсаторы будут процветать по мере того, как компании будут искать новые. и более надежные источники питания, которые к тому же более безопасны, чем современные батареи.

Вместо химических веществ, затрудняющих управление батареями, суперконденсаторы используют своего рода статическое электричество для хранения энергии. Это означает, что их характеристики более предсказуемы, их материалы более надежны и менее уязвимы к перепадам температуры, и они могут быть полностью разряжены для более безопасной транспортировки, сказал Харроп. (См. Связанные фотографии: «Семь ингредиентов для улучшения аккумуляторов электромобилей».)

Открытие для суперконденсаторов?

Ученым давно известно, что энергия может храниться в виде электрического заряда, а не в химических реактивах, как в батареях.Знаменитый эксперимент Бенджамина Франклина с рядами лейденских сосудов, которые он назвал «батареей» после военного термина, обозначающего совместное функционирование оружия, на самом деле был ранней версией конденсатора.

Но недавний прорыв в материалах суперконденсаторов может сделать их конкурентами батареям в большем количестве приложений. «Суперконденсаторы улучшаются намного быстрее, чем батареи», — сказал Харроп.

С другой стороны, суперконденсаторы уже много лет находятся на грани коммерческого успеха. Заголовок 1995 года, например, предполагал, что ультраконденсаторы «рвутся вперед».«Но они остались небольшим бизнесом по сравнению с аккумуляторными батареями — в первую очередь потому, что они хранят относительно мало энергии по сравнению с обычными элементами.

В аккумуляторах накопление электрического заряда называется« плотностью энергии », в отличие от« плотности мощности »или как быстро доставляется энергия.

Плотность энергии суперконденсаторов бледнеет по сравнению с литий-ионными батареями — технологией, обычно используемой сегодня в телефонах и ноутбуках. Литий-ионные батареи хранят, возможно, в 20 раз больше энергии, чем суперконденсаторы для данного веса и размера.Это означает, что iPhone 5, возможно, должен быть на два или три дюйма толще, чтобы удерживать суперконденсатор, что делает устройство едва ли стройным.

Суперконденсаторы, с другой стороны, превосходны, когда дело доходит до удельной мощности. Они обладают огромной мощностью — их можно быстро заряжать и высвобождать эту мощность быстрыми всплесками тока. Подумайте о тех резких электрических ударах, которые могут возникнуть, если неправильно натереть ворсистое ковровое покрытие. Или, может быть, лучше подумайте о разрядах электричества, которые зажигают летнюю бурю.

Производитель суперконденсаторов Maxwell Technologies сообщил, что наибольшие продажи идут производителям автобусов. Операторы используют суперконденсаторы, чтобы улавливать энергию, генерируемую при торможении автобуса на одной из своих многочисленных остановок, а затем разряжать электроэнергию, чтобы автобус начал движение с полной остановки. С этой целью суперконденсаторы могут полностью заменить батареи в гибридных автобусах, в то время как полностью электрические автобусы требуют меньше батарей.

Это, вероятно, лучший способ продолжить продажу суперконденсаторов в качестве дополнения к батареям или двигателям, работающим на топливе, сказал Сунд.«Суперконденсаторы часто дополняют батареи», — сказал он. «Поэтому мы стараемся держаться подальше от того, что мы называем« вышибанием батарей »».

Тем не менее, есть и другие места, где суперконденсаторы полностью заменяют батареи. Один из примеров — ветряные турбины, особенно расположенные на море и труднодоступные. Суперконденсаторы могут обеспечивать, например, всплески мощности, необходимые для регулировки лопастей турбины при изменении ветровых условий.

Аккумуляторы традиционно удовлетворяли эту потребность.Но батареи изнашиваются, потому что их химические вещества со временем теряют свою эффективность. Поскольку они не используют химические вещества для хранения электроэнергии, конденсаторы служат намного дольше, что является важным фактором для турбин, чья высота и удаленное расположение делают их обслуживание дорогостоящим.

Некоторые европейские автомобили также используют суперконденсаторы аналогично автобусам. Европейские «микрогибридные» автомобили выключаются, когда обычно работают на холостом ходу. Эта технология «старт-стоп» обычно работает только от батарей, но французский автопроизводитель PSA использует суперконденсаторы Maxwell в некоторых своих автомобилях Citroen и Peugeot.

Аккумуляторы, тем не менее, продолжают занимать большую часть рынка микрогибрид, потому что суперконденсаторы и сопутствующая электроника могут добавить пару сотен долларов к стоимости автомобиля. Сторонники технологии утверждают, что в долгосрочной перспективе суперкапсы стоят меньше, потому что они служат дольше, чем батареи, и экономят больше топлива, поскольку работают более надежно.

Тем не менее, когда дело доходит до микрогибридных автомобилей, начальная цена покупки пока превосходит эффективность и долгосрочную стоимость владения, сказал Сунд.

Преодолеть препятствия

Новые материалы могут помочь суперконденсаторам лучше конкурировать по плотности энергии. Многие ученые сосредотачиваются на графене, углероде толщиной всего в один атом, который вызвал большое волнение с тех пор, как он был усовершенствован около десяти лет назад. Производство графена оказалось дорогим. Но недавно лаборатория показала, что дешевое обычное бытовое устройство может производить графен в недорогих высококачественных листах. Аспирант использовал записывающее устройство DVD, чтобы сделать графен в химической лаборатории, которой руководит Рик Канер, профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

DVD-привод имеет функцию под названием LightScribe, которая наносит изображения на поверхность DVD-дисков. Оказывается, лазер также преобразует обычный материал, оксид графита, в листы графена. Открытие было описано в прошлом году в журнале Science.

Лазер производит графен с характеристикой, которая делает его особенно перспективным для суперконденсаторов: он выходит с отверстиями или порами. Этот высокопористый графен можно уложить в несколько слоев, при этом обе стороны каждого слоя остаются доступными.В экспериментах это удвоило или утроило плотность энергии суперконденсаторов, сделанных из графена.

Диск размером с DVD из лаборатории Рика Канера содержит микроконденсаторы.

Фотография любезно предоставлена ​​Аргоннской национальной лабораторией

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Один слой атомов углерода не хранит много энергии, сказал Канер. «Это когда вы можете складывать сотни или даже тысячи слоев — и это то, что мы делаем.«

Он не предсказывает, когда новый материал может появиться в коммерческих суперконденсаторах, кроме как надеется, что это произойдет не через десять или даже пять лет. Даже в этом случае суперконденсаторы, вероятно, будут работать в тандеме с батареями». «пока они не заменят батареи», — сказал Канер. сказал.«Кроме того, в отличие от батарей, они не перезаряжаются и не перегреваются».

По словам Харропа из IDTechEX, преимущества суперконденсаторов в области безопасности будут расти по мере роста спроса на портативную энергию. Сами по себе конденсаторы представляют собой проблему безопасности, потому что любая технология, которая хранит энергию, потенциально опасна. Но производители постепенно отказываются от токсичных и легковоспламеняющихся химикатов, которые использовались в суперконденсаторах, и даже эти суперконденсаторы имеют лучшие показатели безопасности, чем литий-ионные батареи, сказал он.

Между тем безопасность аккумуляторов станет более серьезной проблемой по мере увеличения размеров элементов, таких как те, которые сейчас используются в электромобилях. Харроп добавил, что чем больше батарея, тем больше вероятность того, что что-то пойдет не так. «Легче сделать аккумулятор безопасным для чего-то вроде телефона, чем для автомобиля».

Эта история — часть специальной серии, посвященной вопросам энергетики. Для получения дополнительной информации посетите The Great Energy Challenge.

Суперконденсатор

Суперконденсаторы обычно используются как энергия устройства хранения данных.Суперконденсаторы хранят большое количество электрический заряд по сравнению с электролитическим конденсаторы и все другие типы обычных конденсаторы.

суперконденсатор состоит электродов с большой площадью поверхности и очень тонкого диэлектрика что позволяет добиться очень большой емкости (большой зарядный накопитель). Суперконденсаторы обычно хранят от 10 до В 100 раз больше заряда на единицу объема, чем у электролитического конденсаторы.

Суперконденсатор определение

Суперконденсатор является электронное устройство, хранящее большое количество электрических плата. Эти конденсаторы также известны как ультраконденсаторы или электрические двойные слоистые конденсаторы.

Как чем суперконденсаторы отличаются от обычных конденсаторов?

Материал, используемый для Конструкция суперконденсаторов отличается от обычных конденсаторы.Обычный конденсатор состоит из двух токопроводящие электроды разделены изоляционным материалом. В проводящие пластины конденсатора являются хорошими проводниками электричество, поэтому они легко пропускают электрический ток через их. С другой стороны, диэлектрический материал (изолирующий материал) плохо проводит электричество, поэтому не пропустить через него электрический ток.

Когда напряжение подается на конденсатор таким образом, чтобы положительный полюс аккумуляторной батареи подключен к левой стороне электрод или пластина, а отрицательный полюс батареи подключенный к правой боковой пластине, положительные заряды накапливаются на левый боковой электрод и отрицательные заряды накапливаются на правый боковой электрод.

В простыми словами, когда напряжение подается на обычный конденсатор, противоположные заряды накапливаются на поверхности электроды.

В общепринятый конденсаторы, емкость (накопитель заряда) напрямую пропорционально площади поверхности каждого электрода или пластины и обратно пропорционально расстоянию между электроды.Проще говоря, конденсатор с большой площадью площадь электродов и очень тонкий диэлектрик обеспечивает большую емкость (хранит большое количество электрического заряда), тогда как конденсаторы с электродами малой площади и очень толстый диэлектрик обеспечивает меньшую емкость (сохраняет небольшие количество электрического заряда). Вот как обычный конденсаторы хранят электрический заряд.

конденсаторы и аккумуляторы различаются по двум параметрам: количество накопленного заряда и как быстро доставляется энергия (заряд). Батареи может хранить больше заряда, чем обычный конденсаторы, но главный недостаток аккумуляторов в том, что они не могут доставить энергию (заряд) очень быстро.

Вкл. с другой стороны, конденсаторы передают энергию (заряжают) очень быстро (разряжается очень быстро) но главный недостаток конденсаторы, потому что они не могут хранить большое количество заряда, так как магазин аккумуляторов.

Эти два недостатка (большой накопитель заряда и доставка заряда быстро) можно преодолеть с помощью суперконденсаторов.

суперконденсаторы также работают как обычные конденсаторы. Однако суперконденсаторы отличаются от обычные конденсаторы двумя способами: суперконденсаторы имеют электроды с большой площадью поверхности и очень тонкий диэлектрик (расстояние между электродами очень мало) по сравнению с обычными конденсаторами.Это делает это можно достичь большей емкости (больший накопитель заряда) чем обычные конденсаторы.

суперконденсаторы хранит большое количество заряда, поскольку аккумуляторы хранят и доставляют энергии или заряжаются очень быстро, как обычные конденсаторы доставлять.

Типы суперконденсаторы

Суперконденсаторы находятся в основном подразделяется на три типа:

  • Двухместный слоистые конденсаторы
  • Псевдо -конденсаторы
  • Гибрид конденсаторы

Двухслойный конденсаторы

А двухслойный конденсатор состоит из двух электродов, разделителя, и электролит.Электролит представляет собой смесь положительных ионы и отрицательные ионы, растворенные в воде. Два электрода разделены разделителем.

поверхность левого электрода контактирует с жидкостью с левой стороны электролит аналогично; правильная поверхность электрода делает контакт с правой стороной жидкого электролита. Дело в которой соответствует жидкий электролит и поверхность электрода, образуют общую границу для жидкого электролита и нерастворимого поверхность твердого электрода.

Два напротив заряды накапливаются в области, где поверхность электрода и раствор электролита встречается. Эти противоположные обвинения представлен в виде двух слоев электрического заряда или двойного электрического заряда зарядовые слои. Каждый электрод суперконденсатора генерирует два слоя электрического заряда.

Один зарядовый слой формируется на поверхности электрода с одна полярность (положительная или отрицательная) и другой слой заряда образуется в растворе электролита возле электрода поверхность с противоположной полярностью (отрицательной или положительной).Эти два зарядовых слоя разделены монослоем (слой с одним толщиной молекулы) растворителя или молекул воды.

молекулы растворителя плотно прилегают к электроду поверхности и разделяют противоположно заряженные ионы. Растворитель молекулы, которые разделяют противоположные заряды, действуют как диэлектрик (молекула диэлектрика).

молекулы растворителя не пропускают через себя электрические заряды. Следовательно, между электродом и электродом не протекают электрические заряды. электролит.

Когда напряжение подается на конденсатор таким образом, чтобы положительный полюс аккумуляторной батареи подключен к левой стороне электрод и отрицательный полюс батареи подключен к правому боковому электроду, двойной слой конденсатор начинает заряжаться.

Потому что этого напряжения питания большое количество положительных зарядов построить на левой боковой поверхности электрода и большое количество отрицательные заряды накапливаются на правом боковом электроде поверхность. Эти заряды действуют как заряды первого слоя.

отрицательные ионы в электролите испытывают сильное сила притяжения от положительно заряженного электрода.Как в результате отрицательные ионы движутся к положительно заряженным электрод. Аналогичным образом положительные ионы в электролит испытывает сильную притягивающую силу со стороны отрицательно заряженный электрод. В результате положительные ионы перемещаются к отрицательно заряженному электроду.

Когда эти отрицательные ионы или положительные ионы подошли ближе к электрод, они испытывают сильное сопротивление со стороны растворителя молекулы.Следовательно, заряд не передается от электролита к электрод или электрод к электролиту. Однако эти противоположные заряды оказывают друг на друга электростатическую силу. Таким образом, большой количество заряда накапливается на общей границе электрода и электролит.

наиболее часто используемые электродные материалы для двойного слоя конденсаторы или суперконденсаторы — активированный уголь, уголь аэрогель, углеродное волокно и углеродные нанотрубки.

Псевдоконденсаторы

псевдоконденсаторы хранить электрическую энергию за счет передачи электронного заряда между электрод и электролит (электроны от электролита к катод или от катода к электролиту). Это можно сделать Редокс (окислительно-восстановительная реакция).

Сокращение: Снижение происходит, когда атом приобретает электрон и становится более отрицательным.

Окисление: Окисление происходит, когда атом теряет электрон и становится более положительным.

Восстановление-окисление: Восстановление-окисление происходит, когда один атом получает (или теряет) электрон, а другой атом теряет (или получает) электрон. В псевдоконденсаторах окислительно-восстановительная реакция происходит между электродом и раствор электролита.

В псевдоконденсаторы, накопление заряда (емкость) является результатом заряда перенос между электролитом и электродом.

Когда на псевдоконденсатор подается напряжение, заряженные атомы или ионы в электролите движутся к противоположно заряженным электрод. Между поверхностью электрода и соседний электролит, два электрических слоя или двойной электрический слои формируются. Эти два электрических слоя разделены молекулы электролита.

заряженные атомы электролита в двойном слое действуют как доноры электронов и переносит электроны на атомы электрод.В результате атомы в электроде заряжаются. Таким образом, заряд сохраняется в двойных электрических слоях.

псевдоконденсаторы в качестве электродов используйте проводящие полимеры или оксиды металлов. В количество электрического заряда, хранящегося в псевдоконденсаторе, составляет прямо пропорционально приложенному напряжению. В псевдоемкость измеряется в фарадах.

Гибрид конденсаторы

гибридные конденсаторы разработаны с использованием методов конденсаторы с двойным слоем и псевдоконденсаторы.В гибриде конденсаторы, как емкостные, так и псевдослойные. емкость достигается.

Преимущества суперконденсаторы

  • Магазины большой заряд по сравнению с обычным конденсаторы (высокая емкость).
  • Доставляет энергия или очень быстрая зарядка (высокая удельная мощность)
  • Длинный срок службы
  • Низкая стоимость
  • Суперконденсаторы делать не взорваться, как аккумуляторы, даже если они перезаряжены.

Приложения суперконденсаторов

  • Вспышка легкие приложения
  • Солнечная силовые приложения
  • Суперконденсаторы находятся используется в электронных устройствах, таких как портативные компьютеры, портативные медиаплееры, портативные устройства и фотоэлектрические системы стабилизации электроснабжения.
  • Суперконденсаторы находятся используется в качестве временного накопителя энергии для энергии системы уборки урожая.
  • Суперконденсаторы находятся используется в дефибрилляторах (инструменте, который контролирует нерегулярное сердцебиение из-за подачи электрического тока на грудная клетка).

Суперконденсатор — Институт чистой энергии

Что такое суперконденсатор и как он работает?

Суперконденсатор (также называемый ультраконденсатором или электрохимическим конденсатором ) представляет собой тип электрохимического накопителя энергии.Внешне он похож на обычный конденсатор тем, что состоит из пары электродов с параллельными пластинами, но отличается тем, что два электрода разделены раствором электролита, а не твердым диэлектриком. Обычно, но не всегда, два электрода идентичны, и между ними размещается ионопроницаемый сепаратор, чтобы они не касались друг друга и не создавали короткое замыкание. Когда на устройство подается напряжение, положительный заряд накапливается на одном электроде, а отрицательный — на другом.Для обычных конденсаторов это конец истории. Однако в суперконденсаторе каждый заряженный электрод будет притягивать противоположно заряженные частицы из раствора электролита, которые уравновешивают заряд электрода. Частицы, которые адсорбируются непосредственно на поверхности электрода, образуют так называемую «внутреннюю плоскость Гельмгольца» и представляют собой преимущественно поляризованные молекулы растворителя с некоторыми ионами, утратившими свою сольватную оболочку. За ним находится слой, называемый «внешней плоскостью Гельмгольца», который состоит из сольватированных ионов с зарядом, противоположным электроду.Такое разделение зарядов на границе раздела электрод-электролит известно как «эффект двойного электрического слоя» и является средством накопления электрической энергии. Поскольку падение потенциала в основном ограничивается этой областью, которая колеблется от 0,1 до 10 нм, соответствующая напряженность электрического поля составляет тысячи кВ на мм, что позволяет суперконденсаторам накапливать в 10000 раз больше заряда на единицу массы, чем электролитические конденсаторы. 1]

Упрощенный принцип накопления заряда EDLC в двойных слоях Гельмгольца Источник: https: // commons.wikimedia.org/wiki/File:EDLC-simplified-principle.png

Рис. 1: Иллюстрация образования двойного слоя и распределения электрического потенциала в одном электроде заряженного суперконденсатора. (Изображение находится в открытом доступе)

Двухслойный механизм подразумевает, что количество заряда, накопленного на единицу напряжения (т. Е. Емкость), пропорционально площади поверхности раздела электродов. Таким образом, электроды суперконденсатора, как правило, изготавливаются из чрезвычайно пористых материалов, площадь поверхности которых может превышать 1000 м 2 (примерно одна пятая размера футбольного поля) на грамм материала.

В отличие от литий-ионных батарей, которые накапливают энергию посредством реакций переноса заряда между ионами Li + в электролите и каждым электродом, накопление энергии в суперконденсаторах носит преимущественно электростатический характер. * Без ограничивающих факторов кинетики реакции и переноса ионов через объемный электродный материал суперконденсаторы могут заряжаться и разряжаться на два порядка быстрее, чем литий-ионные батареи. Кроме того, повторяющаяся интеркаляция / деинтеркаляция лития в электродах батареи может приводить к вредным побочным продуктам и циклическим напряжениям, ограничивающим срок их службы.Суперконденсаторы не сталкиваются с этими проблемами и могут выдерживать сотни тысяч циклов заряда-разряда без значительной потери емкости. С другой стороны, суперконденсаторы обычно обладают меньшей способностью к хранению заряда, чем батареи; плотность энергии суперконденсаторов составляет менее 10 Втч / кг по сравнению со средним значением 150 Втч / кг для литий-ионных батарей. [2,3]

* Некоторые специально разработанные суперконденсаторы, называемые псевдоконденсаторами, также могут накапливать заряд за счет быстрых окислительно-восстановительных реакций, которые не приводят к какому-либо фазовому переходу материала электрода.(См. Страницу о псевдоемкости.) Псевдоконденсаторы предлагают плотность энергии около 30 Втч / кг, лучше, чем суперконденсаторы, основанные только на емкости двух слоев, но все же намного меньше, чем литий-ионные батареи. [3]

Рис. 2: График гравиметрической (основанной на массе) плотности мощности в зависимости от плотности энергии для различных конденсаторных и аккумуляторных технологий. Источник: Wikimedia Commons, пользователь Shaddim (CC by-SA 3.0)

Приложения

Благодаря своей прочности и быстрому механизму накопления и высвобождения заряда суперконденсаторы идеально подходят для приложений, требующих высокой мощности (большой ток, подаваемый за короткое время) в течение многих циклов.В качестве одного из примеров они могут рекуперировать энергию от повторяющихся торможений автомобилей или поездов, которая обычно теряется в виде тепла. [4,5] Другими примерами являются холодный запуск больших дизельных двигателей, импульсы радаров и накопление энергии для солнечных батарей. Светодиодные уличные фонари. [6–8]

Суперконденсаторы

также могут действовать как буфер мощности, смягчая эффекты высоких пиков и кратковременных прерываний тока. Они использовались в качестве резервных источников питания для компьютерных модулей памяти и системы управления шагом в приводах ветряных турбин.[9,10] Кроме того, они были предложены в качестве буферов для высокой импульсной мощности, потребляемой некоторыми электромобилями во время зарядки, что в противном случае снизило бы эффективность сети. [11]

Список литературы

[1] Дж. Берд, Теория и технология электрических цепей, Routledge, 2014.

[2] А.К. Сингх, Д. Саркар, Г.Г. Хан, К. Мандал, Уникальные гидрогенизированные наногетероструктуры ядра / оболочки Ni / NiO 1D с превосходными электрохимическими характеристиками в качестве суперконденсаторов, Journal of Materials Chemistry A.1 (2013) 12759. DOI: 10.1039 / c3ta12736b.

[3] H.D. Абруна, Ю. Кия, Дж. К. Хендерсон, Батареи и электрохимические конденсаторы, Physics Today. 61 (2008) 43–47. DOI: 10,1063 / 1,3047681.

[4] П. Вайслер, Mazda представляет рекуперативное торможение суперконденсаторного типа — SAE International, (2013). http://articles.sae.org/11845/ (по состоянию на 15 июня 2016 г.).

[5] Д. Левитан, Транзитные системы начали экономить много энергии, Scientific American. (2014).http://www.scientificamerican.com/article/braking-trains-coupling-with-energy-storage-for-big-electricity-savings/ (по состоянию на 15 июня 2016 г.).

[6] Х. Лю, З. Ван, С. Цяо, Ю. Лю, Улучшение возможностей холодного пуска двигателя с использованием гибридного суперконденсатора и свинцово-кислотной батареи, в: Двадцать третья ежегодная конференция и выставка IEEE Applied Power Electronics, 2008. APEC 2008, 2008: с. 668–675. DOI: 10.1109 / APEC.2008.4522793.

[7] Д. Терронес, Tecate Group — Рынки и приложения.- Военная / авиакосмическая промышленность — Радар, (без даты). (по состоянию на 15 июня 2016 г.).

[8] Nippon Chemi-Con Corporation, Nippon Chemi-Con, Stanley Electric и Tamura объявляют о разработке «Super CaLeCS», экологически чистого светодиодного уличного фонаря с питанием от EDLC (2010 г.). http://www.chemi-con.co.jp/e/company/pdf/20100330-1.pdf (по состоянию на 15 июня 2016 г.).

[9] Купер Буссманн, Суперконденсаторы 5,5 В для приложений удержания и резервного копирования памяти, (2007). http://www1.cooperbussmann.com/pdf/76833af0-e7e1-47d7-8e43-819f008e35a1.pdf (последний просмотр 15 июня 2016 г.).

[10] Максвелл Технологии | Решения по управлению углом наклона ветра, Maxwell Technologies. (нет данных). http://www.maxwell.com/solutions/power-grid/wind-pitch-control (по состоянию на 15 июня 2016 г.).

[11] М. Фархади, О.А. Мохаммед, Работа в реальном времени и гармонический анализ изолированной и неизолированной гибридной микросети постоянного тока, транзакции IEEE в отраслевых приложениях. 50 (2014) 2900–2909. DOI: 10.1109 / TIA.2014.2298556.

Псевдоемкость

В определенных системах электрод / электролит при определенных приложенных потенциалах некоторые ионы могут фактически участвовать в обратимых окислительно-восстановительных реакциях на поверхности электрода или вблизи нее.В отличие от интеркаляции лития в литий-ионных батареях, эти окислительно-восстановительные процессы по своей природе быстры и не приводят к фазовому превращению материала электрода. Это представляет собой второй механизм емкостного накопления энергии, известный как псевдоемкость . Во многих случаях псевдоемкость обеспечивает гораздо более высокую плотность энергии по сравнению с емкостью двойного слоя. В технологии суперконденсаторов используются два основных типа псевдоемкости:

Рисунок 1: Иллюстрация окислительно-восстановительной псевдоемкости. Источник: [1]

  • Псевдоемкость окислительно-восстановительного потенциала: Это происходит, когда ионы адсорбируются на поверхности электрода или вблизи нее с сопутствующим переносом электронов. Одним из примеров системы, которая демонстрирует такое поведение, является водный диоксид рутения (RuO 2 * n H 2 O) в кислом растворе. В этом примере механизм накопления заряда объясняется одновременным внедрением электронов и протонов в структуру, в результате чего степень окисления рутения изменяется между Ru 4+ , Ru 3+ и Ru 2+ .[2]

Экспериментально электроды, изготовленные из водного оксида рутения, смешанного с аморфным углеродом и покрытые графитом, достигли удельной емкости 1340 Ф / г при скорости развертки напряжения 25 мВ / с, что очень близко к теоретическому значению емкости. 3]

Рисунок 2: Иллюстрация интеркаляционной псевдоемкости. Источник: [1]

  • Псевдоемкость интеркаляции: Это происходит, когда ионы проникают в пустоты в окислительно-восстановительно-активном материале электрода с сопутствующим переносом заряда.В принципе, это похоже на литий-ионный аккумулятор с той разницей, что в материале-хозяине не происходит фазового превращения. В этом случае понятие «емкость», измеряемая в миллиампер-часах и обычно применяемая к литий-ионным батареям, имеет большее значение, чем «емкость», измеряемая в фарадах.

Один из примеров проиллюстрирован орторомбическими полиморфами Nb 2 O 5 ( T- ​​ Nb 2 O 5 ) и V 2 O 5 , оба из которых образуют слоистые листовые структуры. .[4–6] Когда используется электролит на основе лития, ионы Li + могут быстро диффундировать через межслойные пустоты и обратимо связываться с оксидом, теряя или приобретая электрон в процессе.

В случае T- ​​ Nb 2 O 5 максимальное количество лития, которое может быть размещено, равно x = 2. Это соответствует теоретической емкости ~ 200 мАч / г; 130 мАч / г (65% от теоретического) было достигнуто экспериментально при скорости 10 ° C (что означает, что ток разрядит или зарядит всю теоретическую емкость за одну десятую часа или 6 минут).[4] Для сравнения, большинство коммерческих литий-ионных аккумуляторов нельзя заряжать со скоростью более 3 ° C (разрядка / зарядка теоретической емкости за одну треть часа) без значительного снижения емкости и срока службы.

Список литературы

[1] В. Августин, П. Саймон, Б. Данн, Псевдемкостные оксидные материалы для высокоскоростного электрохимического накопления энергии, Энергетика и экология. 7 (2014) 1597. DOI: 10.1039 / c3ee44164d.

[2] W.Дмовски, Т. Эгами, К. Swider-Lyons, C.T. С любовью, Д. Ролисон, Локальная атомная структура и механизм проводимости нанокристаллического водного RuO2 по рассеянию рентгеновских лучей, J. Phys. Chem. B. 106 (2002) 12677–12683. DOI: 10.1021 / jp026228l.

[3] C.-C. Ху, W.-C. Чен, К.-Х. Чанг, Как добиться максимального использования водного оксида рутения для суперконденсаторов, J. Electrochem. Soc. 151 (2004) A281 – A290. DOI: 10,1149 / 1,1639020.

[4] В. Августин, Дж. Коме, М. А. Лоу, Дж.W. Kim, P.-L. Таберна, С. Толберт, Х. Абрунья, П. Саймон, Б. Данн, Высокоскоростное электрохимическое накопление энергии за счет интеркаляционной псевдоемкости Li +, Nat Mater. 12 (2013) 518–522. DOI: 10,1038 / nmat3601.

[5] М. Лю, Ч. Янь, Ю. Чжан, Изготовление нанолистов Nb2O5 для высокоскоростных приложений хранения ионов лития, Научные отчеты. 5 (2015) 8326. DOI: 10.1038 / srep08326.

[6] З. Тонг, Х. Сю, Дж. Лю, Дж. Чжао, Ю. Ли, Псевдемкостный эффект и коэффициент диффузии Li + в трехмерно упорядоченном макропористом оксиде ванадия для хранения энергии, Электрохимические коммуникации.69 (2016) 46–49. DOI: 10.1016 / j.elecom.2016.05.017.

Материалы и конструкция суперконденсатора

В большинстве серийно выпускаемых коммерческих суперконденсаторов сегодня в качестве основного компонента используется активированный уголь. Активированный уголь может быть получен из множества различных источников с высоким содержанием углерода, включая древесный уголь, скорлупу кокосовых орехов и древесину. Чаще всего его получают путем термообработки исходного материала в инертном газе при 600-900 ° C для преобразования его в углерод, а затем подвергания его воздействию перегретого пара в аналогичном температурном диапазоне.Этот второй процесс протравливает углеродную поверхность, чтобы создать множество небольших пор с небольшим объемом (обычно менее 10 нм в диаметре). Эта пористость придает материалу огромную удельную поверхность, которая может превышать 1000 м 2 на грамм. Кроме того, активированный уголь обладает большой электропроводностью из-за делокализованных π-электронов из sp 2 связанных атомов. Эти свойства делают его хорошо подходящим для применений с двойной емкостью. Типичный серийный суперконденсатор на основе активированного угля и органического жидкого электролита имеет удельную емкость (т.е.е., емкость на единицу массы электрохимически активного материала) 25-30 Ф / г [1]

Рис. 1. Оптическая микрофотография порошка активированного угля. Частицы имеют фрактальную форму, которая отражает их большую площадь поверхности. Масштабная линейка = 100 мкм. Источник: Wikimedia Commons, пользователь Zephyris (CC by-SA 3.0)

Другими материалами, которые были исследованы на предмет емкости двойного слоя, являются вертикально ориентированные углеродные нанотрубки, [2] пористые трехмерные сборки графеновых листов и углеродные аэрогели, полученные из органических полимеров.Подобно активированному углю, эти формы углерода имеют очень высокую удельную поверхность и электрическую проводимость, что позволяет максимально увеличить накопление заряда и возможность увеличения скорости. В частности, предполагается, что вертикальное выравнивание углеродных нанотрубок создает лучшие пути проводимости для электронов и пути диффузии для ионов в электролите.

Суперконденсаторы, основанные на псевдоемкости в качестве основного механизма накопления заряда, как правило, основаны на оксидах переходных металлов, таких как RuO 2 , MnO 2 , Nb 2 O 5 , V 2 O 5 , и Fe 3 O 4. Они могут быть синтезированы различными методами, включая золь-гель, соосаждение и гидротермальные методы, и могут быть переработаны в композиты с формами углерода, описанными выше, для улучшения свойств переноса электронов, а также для увеличения емкости двойного слоя. .

В дополнение к активному материалу, который отвечает за емкость двойного слоя и псевдоемкость, в электродах также могут присутствовать небольшие количества неактивных добавок. Обычно они состоят из: инертного полимерного связующего, которое помогает частицам активного материала прилипать друг к другу, улучшая механическую целостность электрода; и «технический углерод», который представляет собой порошкообразную форму углерода, полученную в результате неполного сгорания нефтепродуктов и улучшающую электрическую проводимость в объеме электрода.Технический углерод особенно важен для псевдоемкостных материалов, которые сами по себе обладают незначительной проводимостью.

В промышленных масштабах суперконденсаторы часто изготавливаются в форм-факторе плоских элементов, подобных литий-ионным батареям. Подготовка электрода включает измельчение активного материала до мелких частиц с последующим тщательным измельчением активного материала, связующего и углеродной сажи в пасту или суспензию, в зависимости от того, находится ли связующее в форме твердого вещества или эмульсии.Затем смесь непосредственно помещают или покрывают лезвием металлическую фольгу, которая служит токоприемником, то есть каналом для электронов между электродом и внешней цепью. Вводится электролит, между двумя электродами помещается ионопроницаемый разделительный лист, и ячейка герметично закрывается обжимным устройством. Материалы сепаратора включают целлюлозу, полипропилен, стекловолокно и стекловату. [3]

Рисунок 2: Принципиальная схема сборки монетного элемента. (Собственная работа)

Электролит может представлять собой водный раствор, такой как серная кислота или гидроксид калия, органический раствор, такой как тетрафторборат тетраэтиламмония в ацетонитриле, или ионная жидкость, такая как имидазолий. Выбор электролита так же важен, как и выбор активного материала при определении емкости, сопротивления, рабочего напряжения и температурного диапазона суперконденсатора. Водные электролиты обладают наивысшей проводимостью и, следовательно, максимальной мощностью, но могут работать только до 1.2 В, выше которого вода разрушается. Это сильно ограничивает количество энергии, которое может быть сохранено. С другой стороны, электролиты в органических растворителях могут работать до ~ 2,7 В, но проводимость может быть на порядок ниже, что приводит к потере мощности. Кроме того, органические электролиты имеют тенденцию быть дорогими, токсичными и легковоспламеняющимися. Ионные жидкости, которые в основном представляют собой расплавленные соли при комнатной температуре, имеют самый высокий предел рабочей температуры (~ 300 ° C) и напряжения (~ 4,5 В), негорючие, но также очень дороги.[4]

Список литературы

[1] В.В.Н. Обрежа, А. Динеску, А.С. Обрежа, Электроды на основе активированного угля в коммерческих суперконденсаторах и их характеристики, Международный обзор электротехники. 5 (2010) 272–282.

[2] М. Сагхафи, Ф. Махбуби, С. Мохаджерзаде, Р. Хольце, Получение вертикально ориентированных углеродных нанотрубок и их электрохимические характеристики в суперконденсаторах, Синтетические металлы. 195 (2014) 252–259. DOI: 10.1016 / j.synthmet.2014.06.012.

[3] З.А. Норден, С. Сугавара, С. Мацумото, Некоррозионные разделительные материалы для конденсатора с двойным электрическим слоем, IEEJ Trans Elec Electron Eng. 9 (2014) 235–240. DOI: 10.1002 / tee.21961.

[4] К. Гао, Оптимизация углеродно-углеродных суперконденсаторов в водных и органических электролитах, докторская диссертация, Орлеанский университет, 2013. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00872080/document (по состоянию на 11 июня) , 2016).

Тестирование суперконденсаторов

Циклическая вольтамперометрия

Циклическая вольтамперометрия (CV) — это фундаментальный метод анализа, при котором ток, протекающий через электрохимическую ячейку, измеряется при изменении напряжения в заданном диапазоне, обычно с фиксированной скоростью.Результирующий график зависимости тока от напряжения называется вольтамперограммой и имеет примерно прямоугольную форму для суперконденсатора (рис. 1A). Это следует из простого соотношения для конденсатора:

Где I = ток, Q = заряд, V = напряжение, C = емкость и t = время. Это означает, что если напряжение изменяется линейно во времени, то соответствующий ток будет иметь постоянную величину, положительную при повышении напряжения и отрицательную при понижении напряжения.В действительности отклонения от прямоугольности будут происходить из-за последовательного сопротивления в системе, которое может быть связано с переносом электронов в материале электрода, контактами между электродом и выводами устройства и / или диффузией ионов в электролите. Такие сопротивления означают, что ток не может мгновенно реагировать на изменения направления развертки напряжения, что приводит к округлению двух углов вольтамперограммы (рис. 1B), причем округление становится более выраженным при увеличении скорости развертки.При достаточно высоких скоростях развертки межфазный двойной слой вообще не успевает сформироваться, что приводит к незначительной емкости.

Примеры идеальных (A) и неидеальных (B, C) кривых CV. Источник: [1]

Другая неидеальность, обычно наблюдаемая в суперконденсаторах, — это деградация электролита, которая может происходить на экстремумах развертки напряжения. Например, если используется водный электролит, приложение напряжения выше ~ 1,2 В будет окислять воду с образованием газообразного кислорода и H + :

Такая окислительно-восстановительная реакция вызывает увеличение тока, превышающего тот, который необходим для зарядки межфазного двойного слоя, но они не влияют на емкость.На вольтамперограмме это проявляется как «заострение» двух углов (рис. 1C).

Удельная емкость может быть получена путем интегрирования вольтамперограммы в указанном диапазоне напряжений:

Где μ, — скорость сканирования, м, — масса активного материала, а ΔV, — потенциальное окно.

Гальваностатический цикл

Гальваностатическое циклирование — экспериментальная «противоположность» циклической вольтамперометрии: суперконденсатор заряжается и разряжается между двумя заданными точками напряжения при постоянном приложенном токе.Этот тип операции более точно отражает реальную производительность. В идеале результирующий график зависимости напряжения от времени является линейным, как предсказывается уравнением 1, с чередованием положительного и отрицательного наклона (рис. 2А). Отклонения от линейности могут возникать по тем же причинам, которые обсуждались выше, с последовательным сопротивлением, вызывающим быстрое падение напряжения элемента («ИК-падение», рис. 2B) при переключении с зарядки на разряд. Кроме того, разложение электролита или другие окислительно-восстановительные реакции (например, из-за псевдоемкости) приведут к плато или точкам перегиба на графике напряжения (рис. 2C).

Кроме того, все настоящие суперконденсаторы демонстрируют саморазряд, когда небольшой ток проходит, когда устройство находится в заряженном состоянии, но не подключено к какой-либо внешней нагрузке. Если элемент закорочен, например, из-за непреднамеренного прямого контакта электродов, паразитный ток может быть значительным. Это приводит к тому, что во время разряда напряжение элемента падает быстрее, чем ожидалось, и это более заметно при низких плотностях приложенного тока из-за более высокой относительной величины паразитного тока.

Рисунок 2: Примеры идеальных (A) и неидеальных (B, C) кривых гальваностатического заряда-разряда. Источник: [1]

Удельную емкость можно рассчитать по:

, где C s — удельная емкость, I — постоянный ток разряда, m — масса активного материала, ΔV — окно потенциала, а Δt — время, прошедшее в диапазон ΔV .

Аналогично циклической вольтамперометрии, гальваностатическое циклирование может проводиться в диапазоне плотностей тока в зависимости от допустимой скорости измерения.

Спектроскопия электрохимического импеданса

Рисунок 3: Пример графика Найквиста для двухслойного конденсатора на основе аэрогеля с активированным углем. График покрывает частотный диапазон 10 6 –10 ‑3 Гц. Источник: [2]

Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS), пожалуй, наиболее полный метод электрохимического анализа. Это включает в себя приложение переменного напряжения к устройству в широком диапазоне частот и измерение амплитуды и фазового сдвига результирующего тока.На основе этих измерений на каждой частоте рассчитывается импеданс, который представляется в виде графика Найквиста (который отображает мнимую составляющую импеданса относительно реальной составляющей) или графика Боде (который показывает величину импеданса и фазового сдвига в зависимости от частота). Интерпретация этих данных выходит за рамки этого веб-сайта, но их можно использовать для различных эквивалентных схем суперконденсаторов (которых много). Из наилучшего соответствия могут быть извлечены конкретные параметры, такие как емкость двойного слоя, последовательное сопротивление, сопротивление переносу заряда (сопротивление, связанное с окислительно-восстановительными реакциями на границе электрод-электролит, если псевдоемкость значительна) и сопротивление, связанное с диффузией.Кроме того, использование множества различных частот в подаваемом напряжении позволяет изучить скоростную способность устройства, то есть, насколько быстро оно может переключаться без значительных потерь емкости.

Список литературы

[1] Б. Сиа, Синтез материалов и определение характеристик для приложений микро-суперконденсаторов, докторская диссертация, Калифорнийский университет, Беркли, 2013. http://digitalassets.lib.berkeley.edu/etd/ucb/text/Hsia_berkeley_0028E_13892.pdf (по состоянию на 15 июня 2016 г.).

[2] Ю.-З. Вэй, Б. Фанг, С. Иваса, М. Кумагаи, Новый электродный материал для электрических двухслойных конденсаторов, Журнал источников энергии. 141 (2005) 386–391. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2004.10.001.

Текущие исследования суперконденсаторов в UW / CEI

  • Guozhong Cao (MSE) изучает модифицированный пористый углерод для электродов суперконденсатора. Эти материалы получают сублимационной сушкой органических полимерных гелей с последующим высокотемпературным пиролизом в инертной атмосфере.В одной недавней статье рассказывается о совместном легировании таких углеродных материалов серой и азотом путем смешивания пентасульфида фосфора с предшественниками геля. [24] Гипотеза состоит в том, что посторонние элементы могут приводить к более высокой плотности поверхностного заряда, вызывая псевдоемкостные реакции в дополнение к емкости двойного слоя. Удельная емкость 103,5 Ф / г была достигнута для легированного аэрогеля, что на 43,5% выше, чем у чистого пористого углерода. Также было обнаружено, что легирующие примеси серы и азота улучшают электрокаталитическую активность углерода-хозяина для реакции восстановления кислорода (ORR), ключевой реакции для топливных элементов.
  • Peter Pauzauskie (MSE) также исследует пористые угли, полученные из органических гелей, но с помощью процесса сверхкритической сушки, а не сублимационной сушки. В частности, гели изготавливаются из полимеризации резорцина и формальдегида с использованием новой технологии, катализируемой кислотой, в ацетонитриле, которая ускоряет гелеобразование более чем в 10 раз. Оксид графена (GO), окисленное и расслоенное производное графита, может быть введен в предшественники геля для создания (после пиролиза) ковалентно-сшитой сборки графена, двумерной структуры атомов углерода, связанных в гексагональной решетке.Это многообещающий материал суперконденсатора, учитывая исключительные свойства графена для переноса электронов, которые могут минимизировать импеданс устройства и повысить его быстродействие. Эти гипотезы были подтверждены испытаниями на постоянном токе разряда и импедансной спектроскопией [25].
  • Christine Luscombe (MSE / Chemistry) изучает проводящие сверхразветвленные полимеры для материалов отрицательных электродов для асимметричных суперконденсаторов (то есть, где два электрода сделаны из разных материалов).Проводящие полимеры обладают окислительно-восстановительной активностью, обладают псевдоемкостью и могут быть синтезированы с меньшими затратами, чем псевдоемкостные оксиды металлов, такие как RuO 2 , из-за относительного обилия исходных материалов. В недавнем исследовании электроды суперконденсатора на основе полимеров с трифениламиновыми сердечниками и клеммами из диимида нафталина были ограничены умеренной емкостью (<22 Ф / г), но показали менее 10% -ное уменьшение емкости за 500 циклов - наравне с существующими технологиями аккумуляторов.[26]

Список литературы

[1] Ю. Чжоу, Р. Ма, С.Л. Канделария, Дж. Ван, К. Лю, Э. Учакер, П. Ли, Ю. Чен, Г. Цао, Пористый углерод, легированный фосфором / серой, с повышенной удельной емкостью для суперконденсатора и улучшенной каталитической активностью для реакции восстановления кислорода, Журнал источников энергии. 314 (2016) 39–48. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2016.03.009.

[2] М.Б. Лим, М. Ху, С. Манандар, А. Сакшауг, А. Стронг, Л. Райли, П. Дж. Паузауски, Сверхбыстрый золь-гель синтез графеновых аэрогелевых материалов, Carbon.95 (2015) 616–624. DOI: 10.1016 / j.carbon.2015.08.037.

[3] Д.Ф. Зейглер, С. Канделария, К. Маццио, Т. Мартин, Э. Учакер, С.-Л. Сурару, Л.Дж. Канг, Г. Цао, К.К. Ласкомб, Гиперразветвленные полимеры N-типа для катодов суперконденсаторов с переменной пористостью и превосходной электрохимической стабильностью, макромолекулы. 48 (2015) 5196–5203. DOI: 10.1021 / acs.macromol.5b01070.

Суперконденсатор

— Barotrauma Wiki

Суперконденсатор
Статистика
Категория Электроустановки
Мощность 20 кВт⋅мин
Максимальная выходная мощность 2000000 кВт
Максимальная скорость перезарядки 20 кВт


Суперконденсаторы — это стационарные установки, способные накапливать и выделять электроэнергию намного быстрее, чем обычные батареи, но с ограниченной способностью накапливать энергию.

Функция []

Суперконденсаторы

используются для обеспечения коротких всплесков высокой энергии на соответствующих установках, таких как Railgun и Coilgun.

Значения урона []

Арт.
Урон от атаки
Длительность оглушения
Кинематическая сила
Радиус взрыва
Перегрузка суперконденсатора
30
20
5.0
100
Товар Перегрузка суперконденсатора
Урон от атаки 30
Длительность оглушения 20
Кинематическая сила 5,0
Радиус взрыва 100
Восстановление {{{cooldown}}}

Интерфейс ввода / вывода []

Панель подключения для суперконденсатора
power_in

Сохраняет потребляемую мощность в суперконденсаторе.

power_out
charge_out
заряд_%
charge_rate_out

Выводит накопленную мощность суперконденсатора на все, что подключено.

Выводит текущее количество накопленной мощности.

Выводит процент от текущей сохраненной мощности.

Выводит текущую скорость заряда.

углеродистых суперконденсаторов — материалы сегодня

Углеродные элементы суперконденсаторов

были предметом обширных исследований за последние пару десятилетий.Углеродно-углеродные суперконденсаторы предлагают более высокую мощность, лучший срок службы и более высокую надежность, чем батареи, но имеют гораздо более низкую плотность энергии и более высокий саморазряд. В то время как доступная в настоящее время плотность энергии приемлема для таких приложений, как аварийные двери, резервное копирование памяти и рекуперация энергии, ограниченная плотность энергии обычно воспринимается как главное препятствие на пути роста рынка суперконденсаторов. Многие исследования и разработки были сосредоточены на увеличении плотности энергии углерода суперконденсаторов по более высокой цене.Однако рынок углеродных суперконденсаторов гораздо более чувствителен к цене, чем к характеристикам, из-за чего углеродные суперконденсаторы премиум-класса теряют свою актуальность.

Сегодня практически все производители суперконденсаторов используют активированный уголь из скорлупы кокосовых орехов в качестве активного материала. Активированный уголь получают путем обугливания прекурсора, а затем окисления обугленного тела с помощью такого агента, как пар или углекислый газ, для создания наноскопических пор. Суперконденсаторный уголь — это активированный уголь премиум-класса, который очищен для уменьшения содержания золы ниже 1% и содержания примесей галогена и железа ниже 100 ppm для обеспечения расширенного цикла.Kuraray поставляет большую часть этого продукта. Со временем цена этого продукта упала со 150–200 долларов за килограмм до 15 долларов за килограмм. Поскольку активированный уголь составляет примерно половину общей стоимости материала суперконденсатора, эта низкая цена является серьезным барьером для входа на рынок других видов углерода.

Многие другие пористые угли были разработаны для суперконденсаторов. Углеродные аэрогели, которые состоят из наноразмерных частиц, полученных путем пиролиза полимерных аэрогелей, и углерода, полученного из смолы, который представляет собой активированный уголь, полученный из полимеров, ранее использовались в суперконденсаторах.Они по-прежнему привлекают некоторое внимание, но в значительной степени были вытеснены углеродом из скорлупы кокосового ореха, поскольку его стоимость снизилась. Углеродные нанотрубки широко изучались как материалы суперконденсаторов, но однослойные нанотрубки остаются непомерно дорогими, в то время как многостенные нанотрубки предлагают сопоставимые характеристики с активированным углем при более высокой стоимости (более 50 долларов за килограмм). Углерод на основе карбидов, который получают травлением карбидов металлов газообразным хлором, показал удвоенную плотность энергии активированного угля.Однако его обработка дорогостоящая и трудная из-за коррозионной активности задействованных реагентов. Несмотря на разнообразие разработанных углеродных суперконденсаторов с высокой плотностью энергии, активированный уголь из скорлупы кокосовых орехов остается доминирующим.

В большинстве приложений суперконденсаторы малы по сравнению с тем, что они питают, что не дает большого стимула уменьшать размер и вес суперконденсатора при одновременном повышении стоимости. Как описано в журнале « Charged Electrical Vehicle Magazine », Максвелл уделяет основное внимание снижению затрат, и другие производители преследуют аналогичную цель.Кроме того, компания WL Gore and Associates прекратила выпуск своих электродов для суперконденсаторов. Это может быть связано с уменьшением прибылей в отрасли, что побудит производителей суперконденсаторов готовить электроды собственными силами, а не платить третьей стороне за их изготовление из пористого углерода. В приложениях, где надежность менее важна, а потребляемая энергия выше, чем могут обеспечить современные суперконденсаторы, конечные пользователи привыкли к вопросам срока службы батарей и чувствительны к затратам; Ватт-час за ватт-час, батареи намного дешевле суперконденсаторов.Суперконденсаторы также имеют гораздо более высокий саморазряд, чем батареи, что снижает их способность вытеснять батареи из многих приложений.

Цикличность — еще одна проблема, влияющая на углеродные соединения новых суперконденсаторов. Большинство исследований углерода суперконденсаторов описывает несколько сотен или несколько тысяч циклов испытаний из-за ограничений по времени и трудностей с получением хорошо герметичных ячеек в лабораторных условиях. Однако коммерческие суперконденсаторы рассчитаны на 100 000 циклов и более. Деградация часто становится очевидной только после продолжительной езды на велосипеде.Кроме того, в лабораторных испытаниях часто используются «лабораторные тесты», когда электроды суперконденсатора погружаются в стакан с электролитом во время тестирования. Это позволяет примесям в угле диффундировать в большой объем электролита во время испытаний, уменьшая их влияние на срок службы. Напротив, в практических устройствах электролит содержится внутри электродов и тонкого сепаратора, поэтому у примесей мало места для диффузии, и они могут повлиять на срок службы.

Сегодня большое внимание уделяется графену как перспективному материалу электродов суперконденсаторов.Он состоит из монослоев графита с теоретической площадью поверхности 2630 м² / г (по сравнению с примерно 2000 м² / г для углерода суперконденсатора из скорлупы кокосового ореха) и продемонстрировал впечатляющую гравиметрическую плотность энергии. Ряд стартапов работают над расширением производства графена; долгосрочные прогнозы затрат варьируются от примерно 5 долларов за килограмм до 40 долларов за килограмм. Процессы производства графена все еще разрабатываются, поэтому долгосрочные цифры неясны, но нижний предел ценового диапазона конкурентоспособен с активированным углем.Однако одна проблема, с которой, в частности, сталкивается графен, — это низкая объемная плотность энергии, которая также влияет на другие материалы, такие как некоторые высокоактивированные угли. Поскольку электроды легче взвесить, чем измерить их объем, гравиметрические числа энергии привлекают больше внимания ученых, чем объемные числа. Графен состоит из длинных тонких чешуек, что приводит к низкой плотности, когда частицы графена имеют форму электрода. Когда графеновый электрод низкой плотности заполняется электролитом, электролит действует как «мертвый» объем и вес.Таким образом, относительная «рыхлость» графена и других материалов с низкой плотностью ограничивает плотность энергии устройства на практике как на гравиметрической, так и на объемной основе, а суперконденсаторы на основе графена не могут быть конкурентоспособными, если не будет найден способ плотно упаковать графен.

На данный момент на рынке углеродных суперконденсаторов существуют две потенциальные возможности. Если будет обнаружен электрод с плотностью энергии вдвое большей, чем у обычного активированного угля, он может найти свою рыночную нишу.Существует также возможность получить суперконденсаторные активированные угли с характеристиками, сопоставимыми с используемыми в настоящее время углями из скорлупы кокосовых орехов, по более низкой цене. Существует значительный разрыв между стоимостью товарного активированного угля в 4 доллара за килограмм и стоимостью в 15 долларов за килограмм углерода суперконденсаторного качества. Хотя требования к управлению процессом и очистке могут увеличить стоимость производства углеродного суперконденсатора, чтобы конкурировать с скорлупой кокосового ореха, такая возможность все еще существует; кроме того, как углеводороды, полученные из сахара, так и углеводороды, полученные из угля высокой чистоты, также могут быть жизнеспособными.Однако попытки разработать углеродный суперконденсатор премиум-класса в уже продемонстрированном диапазоне рабочих характеристик потерпят неудачу в будущем, как и в прошлом.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *