ПЕРСПЕКТИВЫ ЗАМЕНЫ АККУМУЛЯТОРОВ СУПЕРКОНДЕНСАТОРАМИ

Конденсаторы используются во многих энергетических устройствах: в различных машинах, генераторах, двигателях, и т.д. Как мы знаем, они предназначены для накопления заряда и энергии электрического поля. Однако, бывают моменты, когда объема удерживаемого ими заряда бывает недостаточно, и требуются элементы несколько помощнее. Потенциальной альтернативой обыкновенным аккумуляторам могут стать, так называемые, ионисторы.
Ионисторы, или же суперконденсаторы, простыми словами – это конденсаторы, обладающие очень высокой ёмкостью. Используются они не только для накопления заряда, но и для стабилизации напряжения. Также они могли бы из-за своей большой ёмкости заменить аккумуляторы, однако на данный момент они обладают куда более низкой плотностью энергии и не могут держать её достаточно долго.

   
Рис. 1. Типы суперконденсаторов

Концепция ионисторов такова: т.к. расстояние между обкладками очень мало, благодаря использованию электролита, а также площадь материала, тех же обкладок крайне велико из-за двойного электрического слоя – запасаемая устройством энергия в разы больше чем у стандартного АЭК (Алюминиевого Электролитического Конденсатора).
Конструкция аналогична с обыкновенным устройством, но для обкладок используется, как правило, пористый материал, у которого площадь будет больше чем у обкладки того же материала с гладкой поверхностью.
Другие преимущества использования ионисторов заключаются в следующем:

• Способны выдерживать многочисленные перегрузки;
• Способны работать как в жару, так и на морозе;
• Весят меньше, чем АЭК с той же емкостью;
• Большое внутреннее сопротивление;
• Долгий срок службы.
• Компактнее, чем аккумуляторы.

Рис. 2. Схема ионистора со штабелированными электродами.
1 – Положительный электрод, 2 – отрицательный электрод, 3 – сепаратор.

 В данный момент главными проблемами малого распространения ионисторов в энергетике и в бытовой жизни являются ранее упомянутая низкая плотность энергии, не столь большой срок службы и более высокая цена, чем у АКБ. Для решения этих вопросов необходимы время и дальнейшие исследования в области материалов, используемых в устройствах. Но уже есть некоторые наработки.
Как основной материал для электродов, в современных суперконденсаторах, используется графен. Он обладает высокой электрической проводимостью, высокой прочностью и стабильностью. Дабы улучшить эти показатели, есть вариант использования таких веществ как азот.
Благодаря замене атомов углерода в графене на атомы азота, можно добиться значительного увеличения ёмкости ионистора, а также повысить стабильность, обеспечивающую длительный срок службы. Такой опыт применим для любого углеродного материала, и поэтому перспектива в использовании множества других компонентов велика. Так, в будущем, мы сможем прийти к появлению новых элементов, которые будут применяться в конструкции суперконденсатора.
Относительно недавно были разработаны, так называмые, ассиметричные электроды для ионисторов. Положительный электрод состоит из металлоксида, отрицательный же из активированного угля. Их преимуществом стала высокая, по сравнению, с прошлыми версиями суперконденсаторов, плотность энергии. Она составляла 10-20 Вт*кг/ч, что почти приблизило их по объему к свинцово-кислотному аккумулятору (30-50 Вт*кг/ч)

Рис. 3. Поведение емкости, обусловленной пористой структурой электродов.

Кроме использования новых материалов в качестве электродов, также необходимо нахождение оптимального электролита. Требованием к электролиту является отсутствие оказывания химического воздействия на электроды, дабы в течении длительного времени обеспечивалось стабильное поведение электрических параметров. Есть три конкретных типа, которые могут применяться: органические кислоты, например, пропионовая или серная кислота, ацетонитрил, деэтилкарбонат и т.д; щелочи, например, гидроксид калия; и соли, такие, как перхлорат лития. Единого идеального варианта на данный момент не существует, поэтому следует искать компромисс между производительностью, стабильностью, и безопасностью.
На срок службы ионистора влияет скорость испарения электролита, зависящая от нагрузки, напряжения, и температуры. Испарение приводит к тому, что у конденсатора уменьшается ёмкость, а также увеличивается и внутреннее сопротивление. Оценка срока службы проверяется с помощью уравнения Аррениуса:  , где L₀ - расчетный срок службы,   – максимальная и фактическая температуры конденсатора, а 10 – снижение температуры на 10 ° C, благодаря которой расчетный срок службы удваивается. Из неё следует, что для более длительной жизни электролита требуются жидкости с большим уровнем термостойкости. В случае с напряжением, сейчас чтобы замедлить старение, можно только понижать напряжение, что в большинстве случаев нецелесообразно. Нагрузка же может определяться только ограничениями производителя.

Рис. 4. Зависимость срока службы ионистора от температуры

и подаваемого напряжения    

Т.к. исследования в области синтеза новых материалов по прежнему идут, следует ожидать более совершенные компоненты для производства суперконденсаторов и то, что мы избавимся в будущем от громоздких аккумуляторов, получив компактные и не уступающие в производительности устройства накопления заряда.  
Благодарность в помощи написании этой статьи выражаю авторам зарубежных ресурсов за открытый доступ их работ в исследовании темы ионисторов.
 

1.  Никифоров, И. К. Радиоэлектронная и силовая электронная аппаратура. Резисторы, предохранители, термоэлектрические устройства и конденсаторы : учебное пособие / И. К. Никифоров ; под редакцией Г. П. Свинцова. — Чебоксары : ЧГУ им. И.Н. Ульянова, 2019. — ISBN 978-5-7677-2861-9. — URL: https://e.lanbook.com/book/209525 (дата обращения: 17.10.2023).
2. Ученые нашли способ повышения емкости источников энергии для портативной электроники – 2019.URL: https://nauka.tass.ru/nauka/6463004 (дата обращения: 19.10.2023)
3. Supercapacitor – 2023.URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor (дата обращения 18.10.2023)