Ионисторы - это электрохимические приборы предназначенные для хранения электрической энергии. Они характеризуются большим числом заряда - разряда (до нескольких десятков тысяч раз), у них очень длительный срок службы в отличии от других элементов питания (аккумуляторные батареи и гальванические элементы), малый ток утечки, и самое главное - ионисторы могут иметь большую емкость и очень маленькие размеры. Ионисторы нашли широкое применение в персональных компьютерах, автомагнитолах, мобильных устройствах и так далее. Предназначены для хранения памяти когда оснавную батарейку вынимают или устройство отключено. В последнее время ионисторы очень часто стали применить в автономных системах питания на солнечных батарейках.
Ионисторы также очень долго хранят заряд, независимо от погодных условий, они выносливы к морозам и к жаре, и на работу устройства это никак не повлияет. В некоторых электронных схемах для хранения памяти нужно иметь напряжение которое выше, чем напряжение ионистора, для решения этого вопроса ионисторы подключают последовательно, а для увеличения емкости ионистора их подключают параллельно. Последний вид подключения в основном используют для повышения времени работы ионистора, а также для увеличения тока отдаваемого в нагрузку, для балансировки тока в параллельном соединении каждому ионистору подключают резистор.
Ионисторы часто используются с аккумуляторами питания и в отличии от них не боятся коротких замыканий и резкого перепада температур окружающей среды. уже сегодня разрабатываются специальные ионисторы с большой емкостью и силой ток которых доходит до 1 ампера, как известно ток ионисторов которые сегодня используют в технике для хранении памяти не превышает 100 миллиампер, это один и самый главный недостаток ионисторов но этот косяк компенсируется выше перечисленными достоинствами ионисторов. В интернете можно встретить немало конструкций на так называемых суперконденсаторах - они-же ионисторы. Ионисторы появились совсем недавно - 20 лет тому назад.
По словам ученых, электрическая емкость нашей планеты составляет 700 мкф, сравните с простым конденсатором... Ионисторы в основном делают из древесного угля, который в последствии активировки и специальной обработки становится пористым, две металлические пластинки плотно прижимаются к отсеку с углем. Сделать ионистор в домашних условиях очень просто, но достать пористый уголь почти не реально, нужна домашняя обработка древесного угля, а это несколько проблематично, так что проще купить ионистор и ставить интересные эксперименты на нем. Например параметры (мощность и напряжения) одного ионистора достаточно, чтобы ярко и длительно засветился светодиод или же работала
Ионистор – это конденсатор, обкладками которого является двойной электрический слой между электродом и электролитом. Другое название этого прибора – суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор или ионикс. Обладает большой ёмкостью, что позволяет использовать его в качестве источника тока.
Принцип действия ионистора аналогичен обычному конденсатору, но эти устройства отличаются используемыми материалами. В качестве обкладок в таких элементах применяют пористый материал – активированный уголь, являющийся хорошим проводником, или вспененные металлы. Это позволяет во много раз увеличить их площадь и, так как ёмкость конденсатора прямо пропорциональна площади электродов, она возрастает в той же степени. Кроме того, в качестве диэлектрика используется электролит, как в электролитических конденсаторах, что уменьшает расстояние между обкладками и увеличивает ёмкость. Самые распространённые параметры – несколько фарад при напряжении 5-10В.
Есть несколько типов таких устройств:
Применяются такие устройства вместо аккумуляторов или батареек. По сравнению с ними, у таких элементов есть преимущества и недостатки.
Недостатки суперконденсаторов:
Преимущества ультраконденсаторов:
Возможность запасать энергию у суперконденсаторов в 8 раз меньше, чем у свинцовых аккумуляторов, и в 25 раз меньше, чем у литиевых. Плотность энергии зависит от внутреннего сопротивления: чем она ниже, тем выше удельная энергоёмкость устройства. Последние разработки учёных позволяют создать элементы, способность запасать энергию которых сравнима со свинцовыми аккумуляторами.
В 2008 году в Индии был создан ионистор, в котором обкладки были изготовлены из графена. Энергоёмкость этого элемента составляет 32 (Вт*ч)/кг. Для сравнения, энергоёмкость автомобильных аккумуляторов – 30-40 (Вт*ч)/кг. Ускоренная зарядка этих аппаратов позволяет использовать их в электромобилях.
В 2011 году корейские конструкторы создали аппарат, в котором, кроме графена, был применён азот. Этот элемент обеспечил удвоенную удельную энергоёмкость.
Справка. Графен – это слой углерода, толщиной 1 атом.
Электрические свойства суперконденсаторов находят применение в разных областях техники.
Электробусы, в которых вместо аккумуляторов применяются ионисторы, производятся компаниями Hyundai Motor, «Тролза», Белкоммунмаш и некоторыми другими.
Эти автобусы конструктивно похожи на троллейбусы без штанг и не нуждающиеся в контактной сети. Они подзаряжаются на остановках за время высадки и посадки пассажиров или в конечных точках маршрута за 5-10 минут.
Троллейбусы, оборудованные ионисторами, способны объезжать обрывы контактной линии, пробки и не нуждаются в проводах в депо и стоянках в конечных точках маршрута.
Основная проблема электромобилей – длительное время заряда. Ультраконденсатор, с большим зарядным током и малым временем зарядки, позволяет вести подзарядку при кратковременных остановках.
В России разработан Ё-мобиль, использующий специально созданный ионистор в качестве аккумулятора.
Кроме того, установка суперконденсатора параллельно аккумулятору позволяет увеличить ток, потребляемый электродвигателем при пуске и разгоне. Такая система применяется в KERS, в болидах Формулы-1.
Эти приборы используются в фотовспышках и других устройствах, в которых возможность быстрой зарядки и разрядки важнее габаритов и веса аппарата. Например, детектор рака заряжается за 2,5 минуты и работает 1 минуту. Этого достаточно, чтобы произвести исследование и предотвратить ситуации, в которых прибор неработоспособен из-за разряженных батарей.
В автомагазинах можно приобрести ионисторы ёмкостью 1 фарад, для использования параллельно автомагнитоле. Они сглаживают колебания напряжения в период пуска двигателя.
При желании можно сделать суперконденсатор своими руками. Такое устройство будет обладать худшими параметрами и прослужит недолго (пока не высохнет электролит), но даст представление о работе таких устройств в целом.
Для того чтобы изготовить ионистор своими руками, необходимы:
Порядок изготовления ультраконденсатора следующий:
Допустимое напряжение такого прибора – 0,5 В. При его превышении начинается процесс электролиза, и ионистор превращается в газовый аккумулятор.
Интересно. Если собрать несколько таких конструкций, то рабочее напряжение вырастет, но ёмкость упадёт.
Ионисторы – это перспективные электроприборы, способные, благодаря большой скорости заряда и разряда, заменить обычные аккумуляторы.
Столовая ложка активированного угля из аптеки, несколько капель подсоленной воды, жестяная пластинка и пластиковая баночка от фотопленки. Этого достаточно, чтобы сделать ионистор своими руками , электрический конденсатор, емкость которого примерно равна электрической емкости… земного шара. Лейденская банка .
Не исключено, что как раз о подобном устройстве писала одна из американских газет в 1777 году: «…доктор Франклин изобрел машину размером с футляр от зубочистки, способную превратить лондонский собор Святого Павла в горстку пепла». Впрочем, обо всем по порядку.
Человечество пользуется электричеством немногим более двух веков, но электрические явления известны людям тысячи лет и долго не имели практического значения. Лишь в начале XVIII века, когда наука стала модным развлечением, специально для проведения публичных опытов немецкий ученый Отто фон Герике создал «электрофорную» машину, с помощью которой получал электричество в неслыханных ранее количествах.
Машина состояла из стеклянного шара, о который при его вращении терся кусок кожи. Эффект от ее работы был велик: трещали искры, невидимые электрические силы срывали дамские шали, заставляли волосы вставать дыбом. Особенно удивляла публику способность тел накапливать электрические заряды.
В 1745 году голландский физик из Лейдена Питер ван Мушенбрук (1692 - 1761) налил в стеклянную банку воду, положил внутрь, словно цветок в вазу, отрезок проволоки и, бережно обхватив ладонями, поднес к электрофорной машине. Бутылка набрала столько электричества, что из куска проволоки с «оглушительным грохотом» вылетела яркая искра. Когда же в следующий раз ученый коснулся проволоки пальцем, то получил удар, от которого потерял сознание; если бы не подоспевший вовремя помощник Кюнеус, дело могло окончиться печально.
Так было создано устройство, способное накопить в миллионы раз больший заряд, чем любое из известных в то время тел. Его назвали «лейденской банкой». Это был своеобразный конденсатор, одной из обкладок которого являлись ладони экспериментатора, диэлектриком - стеклянные стенки, а второй обкладкой - вода.
Весть об изобретении облетела всю просвещенную Европу. Лейденскую банку немедленно использовали для просвещения французского короля Людовика XV. Начались представления. В одном из экспериментов, вошедших в историю, электрический ток пропускали сквозь цепь гвардейцев, взявшихся за руки. При электрическом разряде все как один подпрыгнули, словно собираясь маршировать в воздухе. В другом эксперименте ток пропустили сквозь цепь из 700 монахов…
Более практичное направление получили опыты с лейденской банкой в Америке. В 1747 году их начал один из основателей США, упомянутый уже Бенджамин Франклин. Он додумался обертывать банку оловянной фольгой, и емкость ее возросла во много раз, а работа стала безопаснее. В опытах с ней Франклин доказал, что электрический разряд способен вырабатывать тепло и поднимать столбик ртути в термометре. А заменив банку стеклянной пластинкой, оклеенной оловянной фольгой, Франклин получил плоский конденсатор, во много раз более легкий, чем даже усовершенствованная им лейденская банка.
Об устройстве, способном запасти столько энергии, что с ее помощью можно, как писала газета, «превратить собор Святого Павла в горстку пепла», история умалчивает, но это не означает, что Б. Франклин не мог его создать.
И здесь самое время вернуться к тому, как сделать ионистор своими руками . Если вы запаслись всем необходимым, опустите жестяную пластинку на дно баночки от фотопленки, предварительно припаяв к ней отрезок изолированного провода. Сверху положите прокладку из фильтровальной бумаги, а на нее насыпьте слой активированного угля и, налив подсоленной воды, накройте ваш «бутерброд» еще одним электродом.
Схема работы ионистора.
У вас получился электрохимический конденсатор - ионистор . Интересен он тем, что в порах частиц активированного угля возникает так называемый двойной электрический слой - два расположенных близко друг к другу слоя электрических зарядов разного знака, то есть своего рода электрохимический конденсатор. Расстояние между слоями исчисляется ангстремами (1 ангстрем - 10-9 м). А емкость конденсатора, как известно, тем больше, чем меньше расстояние между обкладками.
Благодаря этому запас энергии на единицу объема в двойном слое больше, чем у самого мощного взрывчатого вещества. Вот этолейденская банка !
Работает ионистор следующим образом. При отсутствии внешнего напряжения его емкость ничтожно мала. Но под действием приложенного к полюсам конденсатора напряжения прилегающие к ним слои угля заряжаются. Находящиеся в растворе ионы противоположного знака устремляются к частицам угля и образуют на их поверхности двойной электрический слой.
Электрохимический конденсатор (ионистор) промышленного изготовления. В металлическом корпусе размером с пуговицу размещены два слоя активированного угля, разделенные пористой прокладкой.
Схема, как сделать ионистор своими руками .
Схема самодельного ионистора из пластиковой баночки и активированного угля:
1 - верхний электрод;
2 - соединительные провода;
3,5 - слои влажного активированного угля;
4 - пористая разделительная прокладка;
6 - нижний электрод;
7 - корпус.
Если к полюсам конденсатора подключить нагрузку, то противоположные заряды с внутренней поверхности частиц угля побегут по проводам навстречу друг другу, а находящиеся в их порах ионы выйдут наружу.
Вот и все. теперь вы поняли, как сделать ионистор своими руками .
Современные ионисторы имеют емкость в десятки и сотни фарад. При разряде они способны развивать большую мощность и очень долговечны. По запасу энергии на единицу массы и единицу объема ионисторы пока уступают аккумуляторам. Но если заменить активированный уголь тончайшими нанотрубками углерода или иного электропроводящего вещества, энергоемкость ионистора может стать фантастически большой.
Бенджамен Франклин жил во времена, когда о нанотехнологиях даже не помышляли, но это не значит, что их не применяли. Как сообщил лауреат Нобелевской премии по химии Роберт Кюри, при изготовлении клинков из дамасской стали древние мастера, сами того не подозревая, применяли методы нанотехнологии. Древний булат всегда оставался острым и прочным благодаря особой композиции углерода в структуре металла.
Своего рода наноматериалы, например, обугленные стебли растений, содержащие нанотрубки, мог использовать Франклин для создания сверхконденсатора. А кто из вас понял что такое лейденская банка , и кто будет пробовать ее сделать?
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.
Суперконденсатор или ионистор является устройством для накопления энергетических масс, аккумулирование заряда происходит на границе, между электродом и электролитом. Полезный энергетический объём сохраняется как заряд статического типа. Накопительный процесс сводится к взаимодействию с постоянным напряжением, когда ионистор получает разность потенциалов на свои обкладки. Технологическая реализация, как и сама идея создания подобных приборов, появилась относительно недавно, однако они успели получить опытное применение для решения определённого ряда задач. Деталь может заменить источники тока химического происхождения, будучи резервным или основным средством энергообеспечения в часах, вычислительных калькуляторах, разнообразных микросхемах.
Элементарная конструкция конденсатора состоит из обкладки, материалом для изготовления которой служит фольга, разграниченной сухим сепарирующим веществом. Ионистор состоит из целого ряда конденсаторов с зарядным устройством электрохимического типа. Для его изготовления применяют особые электролиты. Обкладки могут быть нескольких разновидностей. Активированный уголь используется для изготовления обкладок больших параметров. Также могут применяться оксиды металлов и полимерные материалы с высокими показателями проводимости. Для достижения необходимых показателей емкостной плотности, рекомендуется использовать высокопористые угольные материалы. К тому же, такой подход позволяет сделать ионистор внушительно низкой себестоимости. Такие детали относятся к разряду DLC-конденсаторов, которые производят накопление заряда в двойном отделении, образованном на обкладке.
Конструктивное решение, когда ионистор скомбинирован базе водяного электролита характеризуется малым сопротивлением внутренних элементов, при этом ограничение напряжённости заряда составляет 1 В. Применение органических проводников гарантирует показатели напряжения около 2…3 В и повышенным сопротивлением.
Электронные схемы функционируют с более высокими энергетическими потребностями. Решением такой задачи является увеличение количества используемых точек питания. Ионистор устанавливается не один, а в количестве 3-4х штук, дающем необходимое количество заряда.
Сравнительно с никель-металлгидридным аккумулятором, ионистор способен содержать десятую часть энергетического запаса, при этом его напряжение спадает линейным образом, исключая зоны плоскостной разрядки. Данные факторы влияют на способность полного удержания заряда в ионисторе. Уровень зарядки напрямую зависит от технологического предназначения элемента.
Довольно часто ионистор применяется для подпитки микросхем памяти, включают в состав фильтрующих цепей и фильтров сглаживания. Их также могут комбинировать с батареями различных образцов, для борьбы с последствиями резких скачков величины тока: во время подачи низкого тока происходит подзарядка ионистора, в обратном случае он отдаёт часть энергии, чем снижает величину общей нагрузки.
