Ионистор принцип работы: Устройство суперконденсаторов (ионисторов), применение

Ионисторы Panasonic: физика, принцип работы, параметры

При реализации автономного питания довольно часто также необходимо реализовать начальные большие кратковременные токи (например, ручной электроинструмент с аккумуляторным питанием), и обойтись только аккумулятором не представляется возможным. Тогда используют комбинацию аккумулятор (или батарея)/электролитический конденсатор. Аккумулятор или батарея реализуют долговременное энергонезависимое питание, а электролитический конденсатор — кратковременный большой ток в нагрузку. Относительно недавно появился новый класс приборов — ионисторы. В отличие от батарей, аккумуляторов или электролитических конденсаторов, где используются необратимые, обратимые химические реакции или классический заряд конденсатора соответственно, в ионисторах применяется механизм образования «двойного электрического слоя». Ионисторы обладают рядом преимуществ по сравнению с вышеприведенными устройствами: это широкий температурный диапазон, большая емкость, высокое сопротивление изоляции (низкие токи утечки), длительный срок службы, отсутствие необходимости контроля процесса зарядки, до нескольких десятков тысяч циклов заряд/разряд.

Сегодня ионисторы выпускаются многими производителями, как отечественными, так и зарубежными. В данной статье использованы материалы компании Panasonic, и на примере ионисторов данной компании, получивших фирменное название Gold Capacitors (Gold Cap), мы рассмотрим их физику и принцип работы, возможные варианты конструкции и эквивалентной схемы, характеристики и параметры, а также рекомендации по возможному применению.

 

Физико-химические основы работы ионистора

Известно, что обычные конденсаторы имеют многослойный или монолитный диэлектрик между двумя обкладками. В алюминиевом электролитическом конденсаторе, например, в качестве диэлектрического слоя используется пленка оксида алюминия, а в танталовом конденсаторе — пленка оксида тантала. Ионистор же не имеет диэлектрического слоя, в нем применяется физический механизм образования двойного электрического слоя, который работает аналогично заряженному диэлектрику. Процесс зарядки/разрядки происходит в слое ионов, сформированном на поверхностях положительного и отрицательного электродов, к примеру, из активированного угля (рис. 1). Под действием приложенного напряжения анионы и катионы движутся к соответствующему электроду и накапливаются на поверхности электрода, образуя, таким образом, с зарядом электрода двойной электрический слой. Вследствие этого и появилось название «конденсатор с двойным электрическим слоем» (electric double layer capacitor — EDLC).

Рис. 1. Образование двойного электрического слоя на поверхностях положительного и отрицательного электродов, к примеру, из активированного угля

 

Принцип работы и возможные конструкции

Существует два типа электролитов, которые чаще всего используются сейчас производителями ионисторов: водные (водорастворимые) и органические (водонерастворимые). Безводный электролит позволяет прикладывать напряжение до 3 В к ячейке ионистора, что в два раза выше по сравнению с водорастворимым электролитом, для которого это напряжение не превышает 1,5 В. В данном случае двойной электрический слой работает как изолирующий и при приложении постоянного внешнего напряжения не позволяет протекать сквозному току. При конкретном уровне напряжения определенной полярности за счет электрохимических процессов начнет протекать ток. Величина этого напряжения названа «напряжением разложения» или «напряжением электрохимического распада электролита». Дальнейшее увеличение напряжения заставит электролит разлагаться более интенсивно, приводя к появлению дополнительного тока, и ионистор выйдет из строя. Поэтому при зарядке приложенное к ионистору напряжение ограничено напряжением разложения, вследствие чего довольно часто ионисторы соединяют последовательно.

Как было сказано выше, положительные и отрицательные заряды формируются на поверхности электрода, образуя, таким образом, с зарядом электрода двойной электрический слой. Границей раздела в этом случае будет двойной электрический слой (рис. 2а). Эта область увеличивается при приложении более высокого напряжения (рис. 2б), и накапливаемый заряд увеличивается. Толщина двойного электрического слоя очень мала и сопоставима с размером молекулы, то есть около 5–10 нм. В качестве электродов, например, в ионисторах Panasonic используется активированный уголь (в виде мелкодисперсной фракции), изготовленный по специальной порошковой технологии, и органический электролит. Электролит проникает между частицами активированного угля, и электрод, таким образом, «пропитан» электролитом. Общую емкость ионистора можно представить, как большое количество малых конденсаторов, где каждая частица из активированного угля — своеобразный электрод для малого конденсатора с емкостью, обусловленной двойным электрическим слоем.

Рис. 2. Образование двойного электрического слоя (а) и увеличение заряда при приложении напряжения (б)

Общая емкость ионистора может быть представлена как:

где d — толщина двойного электрического слоя 5–10 нм, S — общая площадь поверхности электрода из активированного угля.

Поскольку электрод ионистора представляет собой совокупность огромного количества частиц активированного угля, он имеет очень большую «развитую» площадь поверхности, приблизительно до 2500–3000 см²/г. Это позволяет получить емкость до нескольких десятков фарад.

На рис. 3 представлена одна из возможных конструкций ионистора в поперечном разрезе на примере EN серии Panasonic. Между электродами для предотвращения проникновения ионов расположен «сепаратор» с хорошими изоляционными свойствами, что позволяет не допустить короткого замыкания между электродами.

Рис. 3. Одна из возможных конструкций ионистора в поперечном разрезе на примере EN серии Panasonic

Эквивалентная схема

Поскольку двойной электрический слой сформирован на поверхности активированного угля, который находится в контакте с электролитом, для ионисторов может быть применена эквивалентная схема с использованием условных конденсаторов (рис. 4). Каждый малый конденсатор на основе структуры частица активированного угля/электролит будет обладать емкостью двойного электрического слоя — Cn. Значения сопротивлений заряда R_sn в процессе заряда и сопротивление нескомпенсированных ионов R_ln могут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от расстояния между «токоведущими» электродами, скоростью передвижения ионов, контактного сопротивления между частицами активированного угля и других параметров.

Рис. 4. Схематическое изображение многослойной структуры активированный уголь/электролит

Эквивалентная схема ионистора на основе параллельного соединения сопротивлений и емкостей малых конденсаторов приведена на рис. 5а. R₁, R₂ и R_n — сопротивления изоляции (внутреннее сопротивление частиц активированного угля), C₁, C₂ и C_n — соответствующая емкость двойного электрического слоя для сопротивлений R₁, R₂ и R_n.

Рис. 5. Варианты эквивалентной схемы ионистора на основе малых конденсаторов двойного электрического слоя от каждой частицы активированного угля и сопротивления изоляции (сопротивления частиц активированного угля) (а) и с учетом сопротивлений электродов и сепаратора (б)

Если приложить напряжение (V) к эквивалентной схеме, приведенной на рис. 5б, которая учитывает сопротивление электродов и сепаратора, то зарядный ток (i) можно описать согласно:

Необходимо отметить, что при уменьшении величины зарядного тока (i) время заряда увеличится. Зарядный ток, согласно уравнению (2), графически будет представлен как прямая линия. Однако фактически кривая зарядного тока носит экспоненциальный характер (рис. 6а, б). Ток (i) в пределах ионистора может быть представлен как сумма токов, протекающих через каждый из малых конденсаторов (рис. 6б, 7а). Также необходимо отметить, что, если значение постоянной времени CxR мало, время зарядки тоже будет мало, и наоборот, если значение CxR большое, время зарядки будет большое. То есть если время зарядки ограничено несколькими минутами или источник заряда ограничен, ионистор не может достаточно зарядиться, чтобы запасти заданную энергию в течение необходимого времени.

Рис. 6. Зависимость зарядного тока от времени заряда: а) расчетная и реальная зависимости; б) как сумма токов через малые конденсаторы

Рис. 7. Эквивалентная схема со значениями напряжений сразу после процесса заряда и после разряда (а) и понижение напряжения в начале работы вследствие недостаточного заряда малых конденсаторов (б)

Электрические, эксплуатационные и надежностные параметры ионисторов

Емкость

При аналогичных условиях эксплуатации и тестировании емкость ионистора подобна эффективной емкости батареи. Как было сказано ранее, ионистор можно представить в виде эквивалентной схемы из малых конденсаторов, имеющих различные значения сопротивления. Если начальное зарядное напряжение ниже напряжения полного заряда (V₀), то в начале измерения емкости после снятия зарядного напряжения напряжение на ионисторе упадет вниз (рис. 8). Это связано с наличием не полностью заряженных малых конденсаторов с большим внутренним сопротивлением. Однако, увеличивая время зарядки, эти малые конденсаторы с большим внутренним сопротивлением зарядятся, что приведет к увеличению измеренной емкости.

Рис. 8. Зависимость напряжения для ионистора от времени

Емкость ионистора может быть оценена следующим образом:

где С — электростатическая емкость (Ф), I — тестовый ток (А), V₁–V₂ — тестовый диапазон напряжений, (В) t — время (c). Емкость, конечно же, зависит от тока. Если ток разряда большой или конденсатор разряжался в течение длительного периода времени, результирующая емкость будет мала. И наоборот, если ток разряда мал или конденсатор разряжался в течение короткого периода времени, измеренная электростатическая емкость будет большая. Поэтому, чтобы иметь воспроизводимые измерения, используют стандартный ток разряда 1 мA/Ф.

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление ионистора, например, по сравнению с электролитическими конденсаторами, велико, поскольку эквивалентная схема ионистора состоит из соединений большого количества малых конденсаторов, имеющих различные значения внутреннего сопротивления. Обычно значения этих сопротивлений могут быть представлены для постоянного напряжения. Но, чтобы получить их истинное значение, необходимо использовать комплексное сопротивление Z (к примеру на 1 кГц). Если измерять ток от 30 до 60 мин после приложения номинального напряжения, он будет довольно большой, до 10 мкА, вследствие того, что этот ток является суммой зарядных токов, протекающих через малые конденсаторы. Так как чрезвычайно трудно определить токи утечки в ионисторах, их чаще всего не указывают в документации. Требуется минимум 10 часов, чтобы полностьюзарядить ионистор так, чтобы появилась возможность оценить ток утечки.

Характеристика заряда

Характеристика зарядки ионистора при условии некоторых допущений может быть представлена выражением (4):

На рис. 9а приведена зависимость напряжения на ионисторе Panasonic EECF5R5U104 от времени заряда при различном сопротивлении нагрузки. С увеличением сопротивления характеристика становится более пологая, а время зарядки увеличивается.

Время разряда для постоянного тока и постоянного сопротивления нагрузки при разряде приведены в выражениях (5) и (6) соответственно:

где: t — время, С — емкость, V₀ — внутреннее напряжение, V₁ — напряжение после t(с), I — ток нагрузки, R — сопротивление нагрузки.

На рис. 9б приведена зависимость напряжения ионистора Panasonic EECF5R5U104 от времени разряда при различном времени процесса зарядки. Видно, что, например, при изменении времени процесса заряда с одного часа до 100 часов, напряжение фактически меняется с 2,5, до 2,8 В, то есть процесс зарядки ионистора может быть очень быстрым.

Рис. 9. Зависимость напряжения ионистора от времени заряда при различном сопротивлении (а) и времени разряда при различном времени заряда (б)

Характеристика разряда и саморазряда

Характеристика разряда ионистора с учетом (3) может быть представлена следующим образом:

Характеристика саморазряда ионистора может быть представлена следующим образом:

где R_L — сопротивление изоляции (сумма сопротивлений частиц активированного угля электрода).

Предполагаемый срок эксплуатации, срок службы и t_back-up

Предполагаемый срок эксплуатации может быть оценен следующим образом:

Срок службы ионистора, как правило, ограничен временем t_back-up, которое задано по условиям эксплуатации. t_back-up (Back-up time) — это время, когда ионистор работает как резервный источник питания между циклами заряда и разряда.

Например, оценим t_back-up для F-типа ионистора Panasonic, EECF5R5h205 (5,5 В, 1,0 Ф), полный заряд при 5,0 В постоянного напряжения, разрядный ток 10 мкА. Температура при разряде –40 °C, напряжение, до которого разрядится ионистор, — 2 В.

Параметр t_back-up может быть рассчитан следующим образом:

где C — емкость ионистора (Ф), i — ток в течение t_back-up (A), i_L — ток утечки (A), R — внутреннее сопротивление ионистора (Ом на 1 кГц), V₁ — напряжение, до которого разрядится ионистор (В), V₀ — приложенное напряжение (В).

Тогда C = 0,8 Ф (1,0 Ф – 20%), R = 50 Ом, V₀ = 5 В, V₁ = 2 В, i =10 мкA. Следовательно: t_back-up = 0,8×(5–0,0005–2)/(10+2×10^–6) = 55 часов.

Этот расчет показывает, что время, которое ионистор будет работать при приведенных условиях как резервный источник питания, составляет около 55 часов.

Если мы возьмем, например, реальное изменение емкости в 30% при четырехкратном изменении внутреннего сопротивления, при 85 °C и 5,5 В, то после 1000 часов эксплуатации t_back-up изменится и составит около 38 часов.

Для учета температурного фактора для ионисторов можно использовать уравнение Аррениуса, согласно которому срок службы устройства удваивается при уменьшении температуры окружающей среды на каждые десять градусов.

При изменении напряжения с 5,5 до 5 В фактор напряжения для изменения емкости составит 1,1. Таким образом, предполагаемый срок эксплуатации = срок службы × температурный фактор × фактор напряжения = 1000 (ч)×22,6×1,1 = 24 800 (ч) = 2,8 года.

Приведенные оценки носят рекомендательный характер. При выборе ионистора, конечно, надо учитывать все необходимые условия и факторы.

Диапазон емкостей ионистора занимает промежуточное положение между емкостями алюминиевого электролитического конденсатора и аккумуляторами и батареями (рис. 10). Ионистор главным образом используется как резервное или автономное питание, а также как замена батарей или аккумуляторов.

Рис. 10. Диапазон емкостей ионистора, алюминиевого электролитического конденсатора, аккумуляторов и батарей

Срок службы. Срок службы ионисторов очень большой. Фактически, когда ионистор находится в надлежащих условиях, он может работать столь же долго, как и само оборудование, в котором он используется.

Широкий рабочий температурный диапазон. Батареи обычно восприимчивы к перепадам температуры и имеют тенденцию терять энергию в процессе нагревания или при низких температурах, например, ниже 0 °C. Некоторые ионисторы могут работать вплоть до индустриального температурного диапазона.

Нет необходимости в контроле заряда. Ni-Cd батареи выделяют тепло в процессе заряда или разряда, которое сокращает срок их службы, поэтому возникает необходимость в схеме контроля заряда и нагрузки. Ионисторы не имеют никакого ограничения по процессу заряда и разряда и не нуждаются в контроле процесса заряда.

Скорость заряда, повторный заряд/циклы разряда. Для ионисторов возможны быстрый заряд и большое количество циклов заряд/рязряд (до нескольких десятков тысяч), поскольку в них не происходит никаких внутренних химических реакций, как, например, в батареях. Ионисторы идеально подходят для схем, в которых необходимы быстрые процессы заряда.

Экологическая чистота. В ионисторах Panasonic не используется никаких токсичных материалов типа свинца, кадмия или ртути. Ионисторы Panasonic удовлетворяют всем требованиям RoHS.

Типы и характеристики ионисторов Panasonic

Компания Panasonic предлагает широкий диапазон типов ионисторов в различных корпусах. Эти устройства могут отличаться по рабочему температурному диапазону, емкости, напряжению и току, а также по применению (рис. 11, табл. 1). В зависимости от тока, ионисторы можно условно разделить на слабо-, средне- и сильноточные (табл. 2, 3). Ионисторы с небольшими токами, как правило, используются в схемах резервного питания, питания схем памяти, цифровых устройствах и т. д. Ионисторы с большими токами (например, HW-серия) используются в схемах управления электродвигателями, в автомобильной электронике и т. д.

Рис. 11. Различные семейства ионисторов Panasonic

Таблица 1. Рекомендуемые серии для типичных применений

Таблица 2. Диапазон емкостей

Код емкости: 223 = 0,022 Ф, 104 = 0,1 Ф, 106 = 10 Ф *EN224 = 0,2 Ф = 2,1 В

Таблица 3. Диапазон токов

Как говорилось ранее, процесс заряда ионистора с учетом некоторых допущений может быть описан выражением (4). На рис. 12а приведена характеристика заряда для ионистора EECF5R5U105 фирмы Panasonic при двух различных сопротивлениях. Поскольку зависимость экспоненциальна, фактически различия наблюдаются на начальном этапе зарядки, в течение 6–7 минут. На рис. 12б для этого же ионистора приведена характеристика саморазряда. Видно, что процесс заряда оптимален при времени заряда больше 24 часов, однако на процесс саморазряда время заряда влияет не сильно, поскольку внутреннее сопротивление ионистора в этом случае изменяется лишь за счет сопротивления перераспределенных ионов. Чем ниже температура работы ионистора, тем больше время саморазряда, и срок службы устройства будет существенно больше (рис. 13). Поскольку зависимость времени разряда от емкости и сопротивления нагрузки прямо пропорциональная, а от напряжения — логарифмическая (смотри зависимость 6), то при большей емкости ионистора и сопротивлении нагрузки, при прочих равных (температура, условия заряда и т. д.), время процесса разряда будет больше (рис. 14а, б). Характеристика разряда, в отличие от саморазряда, зависит от температуры меньше (рис. 15). Изменение емкости, например, для EECF5R5U104 (5,5 В, 0,1 Ф) (условия измерения: 5,5 В, +70 °С) от тока разряда, приложенного напряжения и температуры фактически начинают проявляться при времени, превышающем 1000 часов (рис. 16).

Рис. 12. Характеристика заряда (а) и саморазряда (б) для EECF5R5U105 (5,5 В, 1,0 Ф) при +20 °С

Рис. 13. Характеристика саморазряда в зависимости от температуры для EECS0HD104V (5,5 В, 0,1 Ф)
Условия заряда: 5 В, 24 часа

Рис. 14. Характеристика разряда для ионисторов различной емкости при сопротивлении 1 МОм (а) и в зависимости от сопротивления для EECS0HD473V (5,5 В, 0,047 Ф) (б). Условия заряда: 5 В, 24 часа, +20 °С

Рис. 15. Характеристика разряда в зависимости от температуры при сопротивлении 250 кОм для EECF5R5U104 (5,5 В, 0,1 Ф). Условия заряда : 5 В, 24 часа, +20 °C

Рис. 16. Зависимость между током разряда (а), приложенным напряжением (б), температурой (в) и изменением емкости для EECF5R5U104 (5,5 В, 0,1 Ф). Условия измерения: 5,5 В, +70 °С

Ионистор. Что такое и зачем нужен?

Сравнительно недавно в широкой продаже появились так называемые ионисторы. По-иному их ещё называют суперконденсаторами. По размерам они сравни обычным электролитическим конденсаторам, но обладают по сравнению с ними, гораздо большей ёмкостью.

Ионистор – это некий гибрид конденсатора и аккумулятора. В зарубежной литературе ионистор называют сокращённо EDLC, что расшифровывается как Electric Double Layer Capacitor, что по-русски означает: конденсатор с двойным электрическим слоем. Работа ионистора основана на электрохимических процессах.

Устройство ионистора.

Отличие ионистора от конденсатора заключается в том, что между его электродами нет специального слоя из диэлектрика. Взамен этого электроды у ионистора сделаны из веществ, обладающими противоположенными типами носителей заряда.

Как известно, электрическая ёмкость конденсатора зависит от площади обкладок: чем она больше, тем больше ёмкость. Поэтому электроды ионисторов чаще всего делают из вспененного углерода или активированного угля. Благодаря этому приёму удаётся получить большую площадь своеобразных «обкладок». Электроды разделяются сепаратором и всё это находятся в электролите. Сепаратор необходим исключительно для защиты электродов от короткого замыкания. Электролит же выполняется на основе растворов кислот и щелочей и является кристаллическим и твёрдым.

Например, с помощью твёрдого кристаллического электролита на основе рубидия, серебра и йода (RbAg₄I₅) возможно создание ионисторов с низким саморазрядом, большой ёмкостью и выдерживающие низкие температуры.

Также возможно изготовление ионисторов на основе электролитов растворов кислот, таких как H₂SO₄. Такие ионисторы обладают низким внутренним сопротивлением, но и малым рабочим напряжением около 1 В. В последнее время ионисторы на основе электролитов из растворов щелочей и кислот почти не производят, так как такие ионисторы содержат токсичные вещества.

В результате электрохимических реакций небольшое количество электронов отрывается от электродов. При этом электроды приобретают положительный заряд. Отрицательные ионы, которые находятся в электролите, притягиваются электродами, которые заряжены положительно. В итоге всего этого процесса и образуется электрический слой.

Заряд в ионисторе сохраняется на границе раздела электрода из углерода и электролита. Толщина электрического слоя, который образован анионами и катионами, составляет очень малую величину порой равную 1…5 нанометрам (нм). Как известно, с уменьшением расстояния между обкладками ёмкость возрастает.

К основным положительным качествам ионисторов можно отнести:

• Малое время заряда и разряда. Благодаря этому ионистор можно быстро зарядить и использовать, тогда, как на заряд аккумуляторных батарей уходит значительное время;

• Количество циклов заряд/разряд – более 100000;

• Не требуют обслуживания;

• Небольшой вес и габариты;

• Для заряда не требуется сложных зарядных устройств;

• Работает в широком диапазоне температур (-40…+70°C). При температуре больше +70°C ионистор, как правило, разрушается;

• Длительный срок службы.

К отрицательным свойствам ионисторов можно отнести всё ещё высокую стоимость, а также довольно малое напряжение на одном элементе ионистора. Номинальное рабочее напряжение ионистора зависит от типа используемого в нём электролита.

Чтобы увеличить рабочее напряжение ионистора их соединяют последовательно, также как и при соединении батареек. Правда, для надёжной работы такого составного ионистора нужно каждый отдельный ионистор шунтировать резистором. Делается это для того, чтобы выровнять напряжение на каждом отдельном ионисторе. Это связано с тем, что параметры отдельных ионисторов отличаются. Ток, который течёт через выравнивающий резистор, должен быть в несколько раз больше тока утечки (саморазряда) ионистора. Значение тока саморазряда у маломощных ионисторов составляет десятки микроампер.

Также стоит помнить, что ионистор – это полярный компонент. Поэтому при подключении его в схему нужно соблюдая полярность.

Кроме этого стоит избегать короткого замыкания выводов ионистора. И хотя ионисторы достаточно устойчивы к короткому замыканию, оно может привести к чрезмерному повышению температуры сверх максимального вследствие теплового действия тока, а это приведёт к порче ионистора.

Ионисторы прекрасно работают в цепях постоянного и пульсирующего тока. Правда, в случае протекания через ионистор пульсирующего тока высокой частоты он может нагреваться из-за высокого внутреннего сопротивления на высоких частотах. Как уже говорилось, увеличение температуры электродов ионистора выше максимально допустимой приводит к его порче.

В документации на ионистор, как правило, указывается значение его внутреннего сопротивления на частоте 1 кГц. Например, для ионистора DB-5R5D105T ёмкостью 1 Фарада внутреннее сопротивление на частоте 1 кГц составлет 30Ω. Также существуют ионисторы с ещё меньшим внутренним сопротивлением. Они маркируются как

Low resistance или Low ESR. Такие ионисторы заряжаются быстрее.

Для постоянного тока же внутреннее сопротивление ионистора мало и составляет единицы миллиом – десятки ом.

Обозначение ионистора на схеме.

На схемах ионистор обозначается также как и электролитический конденсатор. Тогда же встаёт вопрос: «А как же определить, что на принципиальной схеме изображён именно ионистор?»

Определить, что на схеме изображён ионистор можно по значению номинальных параметров. Если рядом с обозначением указано, например, 1F * 5,5 V, то тут сразу станет понятно, что это ионистор. Как известно, электролитических конденсаторов ёмкостью 1 Фарада не существует, а если и существует, то габариты у него немалые . Также сразу бросается в глаза номинальное напряжение в 5,5 V. Как уже говорилось, ионисторы в принципе не рассчитаны на большое рабочее напряжение.

Где применяются ионисторы?

Очень часто ионисторы можно встретить в цифровой аппаратуре. Там они выполняют роль автономного или резервного источника питания для микроконтроллеров (IC’s), микросхем памяти (RAM’s), КМОП-микросхем (CMOS’s) или электронных часов (RTC). Благодаря этому даже при отключенном основном питании электронный прибор сохраняет заданные настройки и ход часов. Так, например, в кассетном аудиоплеере Walkman используется миниатюрный ионистор.

При замене аккумуляторов или батареек в плеере он полностью обесточивается, что неизбежно приводит к стиранию настроек (например, частот радиостанций, установок эквалайзера, сброс хода электронных часов). Но этого не происходит благодаря тому, что электронную схему в «ждущем» режиме питает заряженный ионистор.

И хотя ёмкость его несоизмеримо меньше, чем ёмкость аккумулятора или батареи этого хватает для сохранения настроек и работы часов в течение нескольких суток!

Ионистор является достаточно новым электронным компонентом. Впервые ионистор был разработан в Соединённых штатах в 1960-х годах. А позднее, в 1978 году, ионисторы появились и в СССР под маркой К58-1. Это был первый отечественный ионистор. Далее промышленность стала выпускать ионисторы марок К58-15 и К58-16.

Как можно применить ионистор в самодельных конструкциях? Его можно использовать в качестве аварийного источника питания, например, в конструкциях на микроконтроллерах. Вот простейшая схема включения ионистора в цепь питания электронного устройства.

Диод VD1 служит для предотвращения разряда ионистора С1, когда напряжение питания равно 0 (Uпит=0). В качестве диода VD1 лучше применить диод Шоттки, например, 1N5817 и аналогичные, так как у них малое падение напряжения на открытом переходе. Резистор R1 препятствует перегрузке источника питания, ограничивая зарядный ток ионистора.

Его можно не устанавливать, если источник питания выдерживает ток нагрузки 100 – 250 мА. R_н – это сопротивление нагрузки (питаемое устройство, например, микроконтроллер).

Под занавес сего повествования хочется показать какое-нибудь видео. Видео не моё, нашёл в YouTube. Показано, как можно запитать светодиод от заряженного ионистора ёмкостью в 0,047 Ф. Ионистор на 5,5 V, поэтому если решите повторить эксперимент, то заряжайте его 3 вольтами, иначе можно нечаянно спалить светодиод.

Кстати, у меня оказывается, точно такой же ионистор в запаснике завалялся. А у Вас есть ионистор?

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Как устроено электромагнитное реле?

• Как проверить ИК-приёмник?

 

Суперконденсаторы: их основные принципы, классификация и электрические характеристики

В наши дни системы накопления энергии играют все более важную роль в различных областях, и относительно типичными областями являются электромобили, энергетические системы и некоторые другие области. . В этом контексте суперконденсаторы, как технология накопления энергии, обладают превосходными характеристиками, такими как высокая плотность мощности, отсутствие обслуживания и длительный срок службы, и они стали центром внимания научных кругов и промышленности.

Основные принципы и классификация суперконденсаторов

Этот раздел в основном знакомит с электрохимическим механизмом суперконденсаторов. Аккумулирование энергии в суперконденсаторах происходит в основном на границе раздела электродов и электролитов. Этот метод накопления энергии тесно связан с используемыми электродными материалами. Когда два электрода суперконденсатора изготовлены из материалов разных типов, в этом случае всесторонний анализ механизма накопления энергии продукта не позволит полностью понять принцип работы суперконденсатора. Исходя из этого, в этом разделе сначала будет кратко представлен принцип работы суперконденсатора; затем разработать механизм накопления энергии различных интерфейсов электрод-электролит, классифицировать суперконденсаторы в соответствии с различными электродами и электролитами и ввести некоторые электрические характеристики суперконденсаторов.

Ⅰ. Принцип работы суперконденсатора

Как показано на рисунке 1, суперконденсатор в основном состоит из множества частей, таких как токосъемники, электроды, электролиты и сепараторы. Роль сепаратора такая же, как у сепаратора в батарее. Он изолирует два электрода, чтобы предотвратить короткое замыкание между электродами и позволяет проходить ионам. Основной принцип накопления энергии суперконденсатором заключается в накоплении электрической энергии за счет емкости двойного электрического слоя, образованной разделением зарядов на границе между электролитом и раствором ванны.

Рисунок 1: Схематическая диаграмма структуры и принципа работы суперконденсатора

Ⅱ. Механизм накопления энергии

Существует много материалов, используемых при изготовлении и производстве электродов суперконденсаторов и электролитов. Чтобы глубоко понять механизм накопления энергии суперконденсаторами и оптимизировать характеристики суперконденсаторов, обычно необходимо использовать два эксперимента, кривую циклической вольтамперометрии и разряд постоянного тока, чтобы охарактеризовать характеристики электродов различных суперконденсаторов. На рис. 2 показаны два эксперимента, кривая циклической вольтамперометрии и разрядка суперконденсатора постоянным током при различных механизмах накопления энергии, где a и c представляют собой кривую циклической вольтамперометрии и кривую разряда постоянного тока электрода суперконденсатора при механизме накопления емкости электрического двойного слоя и псевдоемкости соответственно; b и d , соответственно, представляют кривую циклической вольтамперометрии и кривую разряда постоянным током электрода суперконденсатора при накопительном механизме конденсатора Фарадея.

Рис. 2. Кривые циклической вольтамперометрии и кривые разряда постоянным током двухслойных электрических конденсаторов при различных механизмах накопления

1. Механизм накопления конденсатора с двойным электрическим слоем

Эффект двойного электрического слоя состоит в том, что положительные и отрицательные заряды должны быть разделены, которые генерируются накоплением на границе раздела электрод-электролит. Это основной механизм накопления энергии суперконденсаторов, таких как активированный уголь, углеродное волокно, углеродный войлок и другие углеродные материалы. Формирование эффекта двойного электрического слоя в основном обусловлено увеличением или уменьшением высокоэнергетических электронов зоны проводимости на поверхности электрода, что вызывает движение положительных и отрицательных зарядов в растворе электролита на стороне интерфейса, что используется для уравновесить дисбаланс заряда, вызванный изменением высокоэнергетических электронов зоны проводимости на поверхности электрода.

Учитывая, что плотность заряда на поверхности электрода зависит от приложенного напряжения, емкость двойного электрического слоя зависит от напряжения. Электрохимическая реакция в конденсаторе с двойным электрическим слоем в основном происходит на поверхности электрода, и обычно это адсорбция и десорбция анионов и катионов. Циклическая вольтамперометрическая кривая конденсатора с двойным электрическим слоем имеет прямоугольную форму, как показано на рис. 2 (а), а кривая разряда постоянного тока этого типа материала имеет линейную зависимость, как показано на рис. 2 (с).

Эффект двойного электрического слоя возникает на границе между электронным проводником и ионным проводником, который присутствует практически во всех электрохимических системах накопления энергии. Однако в электролизёрах, топливных элементах и ​​батареях его обычно считают побочной реакцией, и он не будет рассматриваться как основной механизм накопления энергии. Напротив, принцип работы суперконденсаторов основан на этом эффекте, что требует, чтобы суперконденсаторы максимизировали этот эффект в процессе проектирования и разработки.

2. Механизм накопления псевдоемкости

Псевдоемкость, также известная как псевдоемкость Фарадея, представляет собой емкость, связанную с зарядным потенциалом электрода, когда он представляет собой двумерное или квазидвумерное пространство на поверхности электрода или объемной фазе, а также когда электроактивные вещества подвергаются низкопотенциальному осаждению, и происходят высокообратимые химические реакции адсорбции, десорбции или окисления и восстановления. Это основной механизм накопления энергии оксидов металлов, карбидов металлов и суперконденсаторов из проводящего полимера. Хотя эти реакции очень похожи на реакции в батареях, поскольку оба их заряда проходят через двухслойный электрический конденсатор, разница в том, что образование псевдоемкости больше похоже на особое термодинамическое поведение. Кривая циклической вольтамперометрии и кривая разряда при постоянном токе псевдоемкости аналогичны конденсатору с двойным электрическим слоем. В отличие от конденсатора с двойным электрическим слоем, псевдоконденсатор имеет более высокую плотность энергии, но ограничен кинетикой электрохимической реакции и необратимостью реакции. В результате мощность заряда и разряда и срок службы псевдоконденсатора меньше, чем у электрического двухслойного конденсатора. Следует отметить, что из-за наличия активных функциональных групп большинство электродов суперконденсаторов имеют псевдоемкость. Например, электрохимический отклик конденсаторов с двойным электрическим слоем, состоящих из наноматериалов, таких как графен, в основном формируется окислительно-восстановительной реакцией, вызванной дефектами углеродных материалов.

3. Механизм накопления реакции Фарадея

Этот механизм накопления в основном основан на окислительно-восстановительной реакции катионов металлов в электроде, обычно сопровождаемой окислительно-восстановительной реакцией катионов металлов. Извлечение и введение катионов металлов в фазу экстракции материала электрода вызовет приобретение и потерю электронов в материале, а затем сохранит энергию. Он в основном включает два способа фазового превращения материала или реакции сплавления. Когда эти электроды заряжаются и разряжаются, появляется плато напряжения, которое соответствует пиковому напряжению окислительно-восстановительного потенциала на циклической вольтамперограмме, как показано на рисунке 2 (b) и 2 (d). По сравнению с двумя другими типами конденсаторов емкость Фарадея имеет более высокую запасенную энергию, которая обычно в 10-100 раз больше, чем у конденсаторов с двойным электрическим слоем.

Некоторые электродные материалы, демонстрирующие эффект Фарадея, такие как Ni(OH) 2 или аналогичные материалы электродов батареи, во многих источниках считаются псевдоемкостными материалами, что сбивает с толку читателей. Хотя этот тип материала имеет более высокую плотность энергии накопления энергии и ограничен диффузией ионов материала в твердой фазе, характеристики мощного заряда-разряда намного хуже, чем у псевдоемкостного материала.

Ⅲ. Классификация суперконденсаторов

Существует множество стандартов классификации суперконденсаторов. В этой статье в основном будут представлены два метода классификации. Первый будет классифицироваться в соответствии с различными механизмами накопления энергии электродных материалов, а второй будет классифицирован в соответствии с различными электролитами.

1. Классификация по различным механизмам накопления энергии

По различным механизмам накопления энергии суперконденсаторы можно разделить на симметричные суперконденсаторы, асимметричные суперконденсаторы и гибридные суперконденсаторы.

2. Классификация по разным электролитам

По типу электролита условно можно разделить на водные электролиты и органические электролиты. Среди них водные электролиты включают: 1. Кислые электролиты, в основном использующие в качестве электролитов 36% водный раствор h3SO4. 2. щелочные электролиты, обычно с использованием сильных оснований, таких как KOH и NaOH, в качестве электролита и воды в качестве растворителя. 3. нейтральный электролит, обычно использующий KCl, NaCl и другие соли в качестве электролита и воду в качестве растворителя, в основном используемый для электролита электродного материала из оксида марганца; в органическом электролите обычно используется литиевая соль, представленная LiClO4, TEABF4, в качестве типичных репрезентативных солей четвертичного амина, в органических растворителях обычно используются PC, ACN, GBL, THL и т. д., а растворимость электролита в растворителе близка к насыщению. Он также включает твердые электролиты. С непрерывным прорывом твердотельных электролитов в литий-ионных батареях такие электролиты стали горячей точкой исследований в области электролитов для суперконденсаторов.

Электрохимические характеристики суперконденсаторов

В этом разделе кратко обсуждаются электрические характеристики суперконденсаторов. Есть надежда, что анализ выявит причины некоторых особых явлений суперконденсаторов и проанализирует влияние этих явлений на рабочие характеристики конденсаторов. Далее также будет обсуждаться, как выбрать суперконденсатор, который правильно подходит для различных ситуаций, исходя из требований различных областей применения суперконденсаторов.

Ⅰ. Взаимосвязь между напряжением и емкостью

Переменная емкость является одной из характеристик суперконденсаторов, хотя эта особенность не является наиболее критической характеристикой суперконденсаторов. Но когда СК является частью энергосистемы, это необходимо учитывать. Это связано с тем, что изменение емкости суперконденсатора во всем диапазоне напряжений составляет от 15% до 20% от номинальной емкости, что нельзя не учитывать в большинстве конструкций энергетических систем. Емкость суперконденсатора можно измерить по формуле (1). Формула связывает заряд и напряжение, накопленное между двойными электрическими слоями, что указывает на то, что количество заряда, накопленного между двойными электрическими слоями, пропорционально напряжению. С увеличением напряжения плотность распределения заряда вблизи двойного электрического слоя будет увеличиваться.

U — напряжение, а Q — заряд

Помимо влияния напряжения на емкость суперконденсатора, на емкость суперконденсатора также влияет температура окружающей среды. Хотя суперконденсаторы имеют широкий диапазон рабочих температур, большие изменения температуры будут оказывать определенное влияние на емкость суперконденсаторов. В рамках средств накопления энергии при проектировании системы следует полностью учитывать влияние температуры окружающей среды на емкость суперконденсаторов. Температура в основном влияет на емкость суперконденсаторов, влияя на броуновское движение анионов и катионов по обе стороны двойного электрического слоя. Вообще говоря, температура по-разному влияет на различные броуновские движения ионов, а это означает, что при повышении температуры скорости различных броуновских движений анионов и катионов увеличиваются. Больший зазор уменьшит емкость конденсатора. В некоторых исследованиях сообщается, что при изменении температуры на 1°C емкость суперконденсатора изменится на 0,1%, что указывает на то, что при изменении рабочей температуры суперконденсатора на 80°C произойдет изменение емкости на 8%. Хотя изменение температуры мало влияет на емкость суперконденсатора, ему следует уделить достаточно внимания при проектировании системы.

Ⅱ. Закон распределения заряда на поверхности электрода

Обычно в процессе проектирования суперконденсатора учитывается соответствие между размером пор электрода и размером электролита. Следует отметить, что растворитель электролита суперконденсатора обычно состоит из полярных молекул, таких как молекулы воды, ацетонитрила и т. д. Эти полярные молекулы сольватируют ионы и объединяются в более крупные и более стабильные единицы. Когда диаметр поры электрода меньше диаметра свободного иона, сольватированные ионы и свободные ионы не будут проходить через отверстие и не будут влиять на емкость двойного электрического слоя; когда пора больше, чем сольватированный ион, сольватированный ион пройдет через отверстие; Когда поры находятся между диаметром ионов и сольватированных ионов, свободные ионы будут проходить через поры, а сольватированные ионы будут десольватироваться с образованием свободных ионов в порах.

Этот процесс требует энергии. Существование последних двух отверстий будет влиять на распределение заряда двойного электрического слоя. Распределение заряда имеет определенную связь с быстрой скоростью зарядки и разрядки и сроком службы конденсатора.

Исследование показало, что именно из-за существования этого явления сольватации суперконденсатор не может достичь полной разрядки при высокой мощности. Сообщается, что деполяризованные ионы и растворенные поляризованные ионы составляют около 20% площади поверхности электрода в обычно используемых конденсаторах.

Исследование показало, что именно существование этого явления сольватации позволяет суперконденсатору достичь полной разрядки при высокой мощности. Сообщается, что деполяризованные ионы и растворенные поляризованные ионы составляют около 20% площади поверхности электрода в обычно используемых конденсаторах.

Ⅲ. Омическая поляризация

Во время зарядки и разрядки ионы и электроны в суперконденсаторе будут двигаться. С одной стороны, за счет джоулева тепла, выделяемого при движении электронов, он будет преобразовывать кинетическую энергию электронов в тепловую энергию, которая будет рассеиваться по проводнику. С другой стороны, ионы будут тереться о другие ионы во время движения электролита с выделением тепла. Напряжение, которое компенсирует эти два потребления энергии, пропорционально транспортному иону или току, и это явление называется явлением омической поляризации суперконденсаторов.

Обычно влияние изменения температуры на электроны и ионы противоположное. Для твердотельных электродов при повышении температуры колебания атомов в твердых молекулах будут более интенсивными, что приведет к большему джоулеву теплу. Для ионов повышение температуры ускоряет движение молекул, снижает вязкость, что способствует уменьшению потерь энергии, вызванных движением ионов. Исследования показали, что на движение ионов больше влияет температура, что указывает на то, что при повышении температуры полезно уменьшить потери энергии суперконденсатора.

По сравнению с другими электрохимическими технологиями накопления энергии омическая поляризация оказывает меньшее влияние на суперконденсаторы. Поскольку типичным сценарием применения суперконденсаторов является высокая мощность, в этом сценарии применения необходимо обратить внимание на два аспекта. С одной стороны, омическая поляризация суперконденсаторов вызовет значительные изменения напряжения, что повлияет на КПД. Поскольку наиболее важной характеристикой суперконденсаторов является более высокая эффективность, омическая поляризация может использоваться в качестве важного показателя для оценки производительности продукта; с другой стороны, в процессе использования необходимо избегать опасности, вызванной чрезмерной температурой, и в конструкции продукта требуется хорошее управление температурой.

Ⅳ. Саморазряд

Высокий саморазряд является одним из основных недостатков суперконденсаторов, что сильно ограничивает применение суперконденсаторов. На практике время сохранения энергии продукта относительно короткое, и некоторые исследователи обнаружили, что скорость потери емкости составляет до 36% после 2 часов хранения. Потеря емкости суперконденсатора в основном вызвана потоком точки утечки, образованным ионами в суперконденсаторе через мембрану электролита. Скорость саморазряда суперконденсатора линейно связана со временем хранения. Исследователи уменьшили характеристики саморазряда суперконденсатора за счет покрытия электродов, но пожертвовали плотностью энергии суперконденсатора.

Если вас интересует более подробная информация о соответствующих продуктах, свяжитесь с нами по электронной почте [email protected] или позвоните по телефону +86-18640666860.

Технология

Суперконденсаторы

Суперконденсатор (ионистор) является перспективным решением для хранения энергии. В по своим техническим характеристикам он находится между аккумуляторными батареи и обычные конденсаторы. В суперконденсаторе запасается энергия в пористой структуре двойного электрического слоя на поверхности электродом, в результате поглощения ионов из электролитов.

Принцип действия следующий: когда разность потенциалов приложенные к выходным проводам, отрицательные ионы из электролита собираются на катоде, а положительные ионы собираются на аноде. Диэлектрический пористый сепаратор пропускает ионы из электролита и предотвращает короткое замыкание между электродами.

Принцип накопления энергии: электроэнергия накапливается статически поляризация заряженных частиц электролита и отсутствие химического реакция происходит во время циклов заряд-разряд.

Суперконденсаторы способны накапливать большое количество энергии в течение короткого периода времени. время, сводя к минимуму время перезарядки. Кроме того, они очень эффективны. В настоящее время литий-ионные батареи способны высвобождать только 60% энергии. используется для их зарядки, в то время как суперконденсаторы способны высвобождать более 90%.

Еще одним преимуществом является их огромный ресурс. Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы заметно изнашиваются (снижение емкости по сравнению с начальный) после сотен циклов зарядки/разрядки, в то время как суперконденсаторы способны выдерживать до миллиона циклов без каких-либо заметное ухудшение.