Іоністор, гальванічний елемент, акумулятор в чому різниця?

Іоністор (супер-конденсатор, ультра-конденсатор) — конденсатор з обмеженим або необмеженим електролітом, «обкладками» в якому служить подвійний електричний шар на межі розділу електрода і електроліту.

Конденсатор — система з двох чи більше електродів (обкладок), які розділені діелектриком, товщина якого менша у порівнянні з розміром обкладок. Така система має взаємну електричну ємність і здатна зберігати електричний заряд.

Електрична ємність - здатність матеріала накопичувати електричний заряд.

Електричний заряд - фізична величина, яка характеризує здатність тіл створювати електромагнітні поля, та брати участь в електромагнітній взаємодії.

Електромагнітна взаємодія відповідає за притягання електронів до ядер атомів, а тому відповідає за формування атомів та молекул і за їхні властивості. Проявом електромагнітної взаємодії є також світло — потік фотонів.

У зв'язку з тим, що товщина подвійного електричного шару (тобто відстань між «обкладками» конденсатора) дуже мала, накопичена іоністором енергія вища в порівнянні зі звичайними конденсаторами того ж розміру.

До того ж, використання подвійного електричного шару замість звичайного діелектрика дозволяє набагато збільшити площу поверхні електрода (наприклад, шляхом використання пористих матеріалів, таких, як активоване вугілля або спінені метали). Питома ємність іоністора сягає десятка фарад/куб. см, при номінальній напрузі 2-4 вольта.

ІСТОРІЯ СТВОРЕННЯ

Перший конденсатор з подвійним шаром на пористих вугільних електродах був запатентований в 1957 році фірмою General Electric. Так як точний механізм до того моменту часу був не зрозумілий, було припущено, що енергія запасається в порах на електродах, що вказує на «надзвичайно високу ємність». Трохи пізніше, в 1966 фірма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA запатентувала елемент, який зберігав енергію в подвійному шарі.

У результаті невеликих продажів, в 1971 році SOHIO передала ліцензію фірмі NEC, якій вдалося вдало просунути продукт на ринку під ім'ям «Supercapacitor» (Суперконденсатор). У 1978 році фірма Panasonic випустила на ринок «Gold capacitor» («Gold Cap») «Золотий конденсатор», що працює на тому ж принципі. Ці конденсатори мали відносно високий внутрішній опір, що обмежує віддачу енергії, тому що ці конденсатори застосовувалися тільки як накопичувальні батареї для SRAM.

Перші іоністори з малим внутрішнім опором для застосування в потужних схемах були розроблені фірмою PRI в 1982 році. На ринку ці іоністори з'явилися під ім'ям «PRI Ultracapacitor».

ПЕРЕВАГИ

З появою іоністорів стало можливим використовувати конденсатори в електричних колах не тільки як перетворюючий елемент, але і як джерело струму.

Такі елементи мають декілька переваг над звичайними хімічними джерелами струму — гальванічним елементами та акумуляторами:

• Високі швидкості заряду й розряду.
• Простота зарядного пристрою
• Мала деградація навіть після сотень тисяч циклів заряду / розряду.
• Мала вага в порівнянні з електролітичними конденсаторами подібної ємності
• Низька токсичність матеріалів.
• Висока ефективність (ккд більше 95%).
• Неполярні (хоча на іоністорах і зазначені «+» і «-», це робиться для позначення полярності залишкової напруги після його заряду на заводі-виробнику).

Гальванічний елемент — хімічне джерело живлення, в якому використовується різниця електродних потенціалів двох металів, занурених у електроліт. Гальванічний елемент є непідзарядним хімічним джерелом електроенергії.

Акумулятор — хімічне джерело електричного струму багаторазової дії, основна специфіка якого полягає в зворотності внутрішніх хімічних процесів, що забезпечує його багаторазове циклічне використання (через заряд-розряд) для накопичення електричної енергії та автономного електроживлення різноманітних електротехнічних пристроїв та систем. Електричний акумулятор належить до категорії вторинних хімічних джерел струму.

НЕДОЛІКИ

• Питома енергія менша, ніж у традиційних джерел (1-3 Вт·год/кг при 30-40 Вт·год/кг для батарейок).
• Напруга залежить від ступеня зарядженості.
• Можливість вигоряння внутрішніх контактів при короткому замиканні.
• Малий термін служби (сотні годин) на граничних напругах заряду.
• Великий внутрішній опір в порівнянні з традиційними конденсаторами (50-100 Ом у іоністора 1Ф x 5,5 В)
• Значно більший, у порівнянні з акумуляторами саморозряд: близько 1 мкА у іоністора 2Ф x 2.5В.

ГУСТИНА ЕНЕРГІЇ

Густина енергії іоністорів залежить від конструкції. Наприклад, густина енергії іоністора ELNA 1 Ф x 5.5 В масою 4.1 г становить 3600 Дж/кг, або 1Вт·год/кг. Це в 200 разів менше, ніж густина енергії літій-іонних акумуляторів, і в 5,6 разів більше від густини енергії електролітичного конденсатора

Густина потужності іоністора залежить від внутрішнього опору. У того ж іоністора ELNA 1Ф x 5.5В внутрішній опір становить 30 мОм. Максимальна потужність, яку можна отримати від джерела енергії досягається при опорі навантаження рівному внутрішнього опору.

Таким чином, максимальна потужність, яку можна отримати від даного іоністора становить 61 кВт / кг. Для порівняння, такий параметр у пускового свинцевого акумулятора становить 300Вт/кг

В 1997 дослідники з CSIRO розробили супер-конденсатор, який міг зберігати великий заряд за рахунок використання плівкових полімерів як діелектрика. Електроди були виготовлені з вуглецевих нанотрубок. У звичайних конденсаторів питома енергія становить 0,5 Вт·год/кг, а у конденсаторів PET вона була в 4 рази більшою.

Полімери — природні та штучні високомолекулярні сполуки, молекули яких складаються з великої кількості повторюваних однакових або різних атомних угруповань (мономерів), з'єднаних хімічними або координаційними зв'язками у довгі лінійні або розгалужені ланцюги.

В 2008 році індійські дослідники розробили дослідний зразок іоністора на основі графенових електродів, що має питому енергоємність до 32 Вт·год/кг, порівнянну з такою для свинцево-кислотних акумуляторів (30-40 Вт·год/кг) [4].

Термін служби іоністорів великий. Проводилися дослідження з визначення максимального числа циклів заряд-розряд. Після 100000 циклів не спостерігалося погіршення характеристик. Згідно з недавніми заявами співробітників MIT, іоністори можуть незабаром замінити звичайні акумулятори.

Крім того, в 2009 році були проведені випробування акумулятора на основі іоністора, в якому в пористий матеріал були введені наночастинки заліза. Отриманий подвійний електричний шар пропускав електрони вдвічі швидше за рахунок створення «тунельного ефекту».

НЕДАВНІ ВІДКРИТТЯ У СФЕРІ МІКРО-СУПЕРКОНДЕНСАТОРІВ

Використання мініатюрних суперконденсаторів (конденсаторів великої місткості) як заміна акумуляторних батарей може значно підвищити термін служби майбутніх мобільних телефонів, портативних комп'ютерів і іншої електронної техніки.

Це, ймовірно, стане можливим завдяки дослідженням, проведеним групою учених з Університету Дрекселя (Drexel University) у Філадельфії, які розробили нову технологію виробництва мініатюрних суперконденсаторів, використовуючи методику мікрообробки матеріалів, подібну якою використовують для виробництва мікрокристалів напівпровідникових електронних приладів.

Акумуляторні батареї накопичують енергію, використовуючи хімічні реакції між реактивами, що входять до складу їх електроліту. Завдяки цьому вони зазвичай мають більшу енергетичну місткість, аніж конденсатори. Але конденсатори накопичують енергію просто у вигляді електричного заряду, не піддаючи змінам свою внутрішню структуру. Саме тому вони можуть без втрати ємності винести мільйони циклів зарядки і розряду, тоді як акумуляторні батареї витримують від тисячі до декількох тисяч таких циклів.

Технологія виробництва мініатюрних суперконденсаторів, спільно розроблена Юрієм Гогоці (Yury Gogotsi) з Університету Дрекселя і Джоном Чміола (John Chmiola), хіміком з Національної лабораторії Лоуренса в Берклі, полягає в тому, що відбувається травлення електродів з вуглецевої плівки, нанесеної на підкладку з карбіду титану.

Отримана таким чином поверхня електродів (обкладань) конденсаторів має велику площу, завдяки чому нові суперконденсатори мають місткість вдвічі вищу, ніж виготовлені за іншою технологією конденсатори великої місткості. Удвічі вища місткість конденсатора пояснюється тим, що конденсатор зможе накопичити вдвічі більше енергії.

Вбудувавши такі мікроконденсатори великої місткості прямо в схеми електронних пристроїв можна значно зменшити габарити і вагу цих пристроїв. Крім цього, завдяки унікальним електричним властивостям суперконденсаторів, ці електронні пристрої функціонуватимуть довше не викликаючи потреби заміни старої акумуляторної батареї на нову.

Такі конденсатори великої місткості, що працюють паралельно із звичайними акумуляторними батареями, зможуть знайти застосування в системах зберігання енергії, отриманої від поновлюваних джерел енергії, значно підвищуючи ресурс акумуляторних батарей.

У подальших планах учених, які продовжують роботу по вдосконаленню розробленої технології, на першому плані стоїть досягнення ємності суперконденсаторів, порівняної з емністю акумуляторних батарей схожих габаритних розмірів.

Вони сподіваються, що як тільки це їм вдасться, зважаючи на практично невичерпний ресурс конденсаторів, ринок електронних пристроїв, електричних автомобілів і безпілотних літальних апаратів чекає «акумуляторна» революція.

ПРИНЦИП ДІЇ ГАЛЬВАНІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

Як правило, такий елемент складається з двох різних металів, з'єднаних за допомогою соляного містка, а окремі половини комірки відокремлені одна від одної пористою мембраною. Наприклад, це може бути цинковий і мідний електроди, занурені в розчин сірчаної кислоти. Кожен із електродів зокрема разом із електролітом, в який він занурений, утворює напівелемент.

На поверхні кожного з металів, занурених в електроліт, утворюється подвійний електричний шар внаслідок переходу частини атомів металу в розчин у вигляді йонів. Як наслідок, кожен із металів отримує електричний заряд.

Якщо з'єднати електроди провідником, то заряд стікатиме від електрода з більшим потенціалом, до електрода з меншим потенціалом, утворюючи електричний струм. При цьому потенціали електродів вирівнюватимуться, що призведе до порушення рівноваги між електродом і електролітом.

Це, в свою чергу, спричиняє перехід нових атомів з електроду в електроліт. У результаті в замкненому колі підтримується електричний струм, який супроводжується зміною електродів: в зображеному на малюнку приладі відбувається розчинення цинкового електроду і відкладення міді на мідному .

На малюнку праворуч показана схема дещо складнішого, але досконалішого елемента, в якому кожен з металів перебуває в окремому електроліті. Електроліти з'єднані між собою соляним мостом.

Активна маса електроду — це суміш, яка складається з речовини, хімічна енергія яких під дією заряду перетворюється на електричну енергію (активна речовина), і речовин, які покращують її провідність і певні фізико-хімічні властивості.

Гальванічний елемент характеризує електроємність, виражена в ампер-годинах, яка дорівнює добутку тривалості розряду на струм розряду. Електроємність залежить від температури навколишнього середовища: при зменшенні температури електроємність падає.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЛЬВАНІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

• Електрорушійна сила (ЕРС) гальванічного елемента залежить від матеріалу електродів і складу електроліту.
• Ємність елемента — це кількість електрики, яке джерело струму віддає при розряді. Ємність залежить від маси запасених в джерелі реагентів і ступеня їх перетворення, знижується зі зниженням температури або збільшенням розрядного струму.
• Енергія гальванічного елемента чисельно дорівнює добутку його ємності на напругу. Із збільшенням кількості речовини реагентів в елементі до певної межі, із збільшенням температури, енергія зростає. Енергію зменшує збільшення розрядного струму.
• Термін зберігання елемента, протягом якого його характеристики залишаються в заданих межах; зменшується з ростом температури зберігання.

Принцип дії гальванічного елемента використовується в електрохімічних батареях і акумуляторах.

ПРИНЦИП ДІЇ ЕЛЕКТРИЧНИХ АКУМУЛЯТОРІВ

Принцип дії акумулятора заснований на зворотності хімічної реакції. Найпоширеніші електричні (кислотні та лужні) акумулятори накопичують хімічну енергію (внаслідок зворотних хімічних реакцій між речовиною електродів та електролітом), і віддають електричну енергію, будучи гальванічними елементами. працездатність акумулятора може бути відновлена ​​шляхом заряду, тобто пропусканням електричного струму в напрямку, зворотному напрямку струму при розряді: на від'ємному електроді (катоді) реакція окиснення замінюється реакцією відновлення, а на позитивному електроді (аноді) реакція відновлення змінюється на реакцію окиснення.

ЗАСТОСУВАННЯ АКУМУЛЯТОРІВ

Акумулятори широко застосовують в техніці: на автомобільному, морському, повітряному і залізничному транспорті, в радіотехніці, на телефонних і електричних станціях, електромобілях, для освітлення і сигналізації на штучних супутниках Землі, космічних апаратах тощо.

У 2016 році міжнародна енергетична компанія AES ввела в експлуатацію сховище електроенергії з батарей літій-іонних акумуляторів ємністю 20 МВт•год, під'єднане до єдиної енергосистеми Нідерландів, призначене для зберігання надлишку електроенергії від віднолюваних джерел енергії.