В связи с тем, что электролиты имеют полярность, то при работе на их обкладках должно поддерживаться постоянное, не изменяющее знака, напряжение, что является недостатком электролитических конденсаторов. По этой причине, их можно применять только в цепях с пульсирующим или постоянным током.

Электролиты обладают заметным последовательным сопротивлением, которое может достигать значения порядка 1 Ом, а его значение возрастает с ростом рабочей частоты. Причина этого эффекта - сравнительно низкая проводимость и подвижность ионов электролита.

Широко распространённые алюминиевые конденсаторы по сравнению с другими конденсаторами имеют некоторые специфические свойства, которые следует учитывать при их использовании. За счёт того, что алюминиевые обкладки электролитических конденсаторов скручивают для помещения в цилиндрический корпус, образуется индуктивность, эта индуктивность во многих случаях нежелательна.

На верхней части цилиндрического корпуса радиальных электролитических конденсаторов нанесена защитная насечка - клапан. Дело в том, что если на электролит воздействует переменное напряжение, то конденсатор сильно разогревается и жидкий электролит расширяется. Корпус конденсатора может лопнуть. Поэтому на корпусе и наносится защитный клапан, чтобы под действием избыточного давления он предотвратил взрыв конденсатора, выпустив закипающий электролит наружу.

Из-за невозможности достичь достаточной герметизации корпуса, жидкий электролит со временем высыхает. При этом теряется ёмкость конденсатора. Также высыханию электролита способствует нагрев. Поэтому на корпусе практически любого электролитического конденсатора указывается допустимый диапазон рабочей температуры. Например, от ?40 до +105°C.

3. Ионисторы (суперконденсаторы)

3.1 Общее описание

Современная электронная техника широко использует в качестве перезаряжаемых источников тока энергонакопительные электрические конденсаторы (оксидно-электролитические, керамические, с органическими диэлектриками и т.д.) и электрохимические источники тока (аккумуляторы). При использовании в качестве источников тока энергонакопительные электрические конденсаторы имеют ряд преимуществ перед аккумуляторами:

* они могут эксплуатироваться в широком интервале температур (от -60 до +125°С и выше) без обслуживания и замены в течение всего срока службы (до 20 лет и более);

* имеют большое количество циклов в режиме «зарядка-разрядка» (> 10 6 циклов) без заметного ухудшения параметров;

* имеют высокую удельную мощность (десятки кВт/кг) и, благодаря небольшой постоянной времени RС, заряжаются и разряжаются очень быстро (практически мгновенно).

Однако накапливаемая конденсаторами в процессе зарядки удельная энергия невелика (около 1 кДж/кг), поэтому область их использования ограничивается применением в качестве мощных импульсных источников тока. Увеличение удельной энергии энергонакопительных конденсаторов - одна из актуальных проблем электронной техники. Аккумуляторы (никель-кадмиевые, никель-гидридные, литий-ионные и т.д.), в отличие от конденсаторов, накапливают на два-три порядка большее количество энергии

(10 кДж/кг) и широко используются в качестве автономных, периодически перезаряжаемых источников тока, однако их удельная мощность невелика (порядка 0,01-0,1 кВт/кг), равно как и количество циклов «зарядка-разрядка» (порядка 10 циклов).

По величине удельной энергии и удельной мощности между традиционными типами аккумуляторов и конденсаторов существует «пробел», можно даже сказать «пропасть», как минимум, в 2 порядка. Этот «пробел» постепенно заполняется как разработчиками новых аккумуляторов с повышенной удельной мощностью (> 0,1 кВт/кг), так и разработчиками новых конденсаторов с повышенной удельной энергией (> 1 кДж/кг). Однако для удовлетворения потребностей развивающейся техники этого явно недостаточно. Сегодня необходимы как конденсаторы с удельной энергией порядка десятков кДж/кг, так и аккумуляторы с удельной мощностью порядка 1-10 кВт/кг. Из-за отсутствия серийного производства таких накопителей энергии сдерживается развитие многих отраслей науки и техники, в том числе разработка и производство электромобилей с гибридными силовыми установками.

Существенный вклад в дело заполнения этого «пробела» сделан в последнее десятилетие благодаря созданию и развитию производства нового типа энергонакопительных электрических конденсаторов - конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов) - известных под названиями «суперконденсаторы», «гиперконденсаторы» (Япония), «ультраконденсаторы» (Германия, США), «электрохимические конденсаторы» (Франция, Канада) и т.п. Некоторые типы таких конденсаторов способны накапливать удельную энергию более 10 кДж/кг и разряжаться на нагрузку с удельной мощностью порядка 1-10 кВт/кг.

3.2 Принципы функционирования ионисторов

В ионисторах энергия накапливается в процессе зарядки за счет поляризации двойных электрических слоев (ДЭС) на границах раздела «анод-электролит» и «катод-электролит». Впервые модель двойного электрического слоя в системах «электрод-электролит» создал в 1879 году Гельмгольц и показал, что ДЭС по существу является конденсатором, одна из обкладок которого - заряженная поверхность электрода, а другая - слой ионов противоположного знака в электролите (ионного проводника). Впоследствии усилиями Гуи, Штерна и Фрумкина создана классическая теория строения и свойств ДЭС в водных электролитах, и, таким образом, был заложен фундамент для создания различных электрохимических преобразователей энергии и информации (в том числе и ионисторов). В частности, было установлено, что удельная емкость ДЭС весьма высока (около 0,2 Ф/м), а скачок потенциала в двойном электрическом слое может достигать величины 1 В и даже выше. Другими словами, система «электронный проводник - ионный проводник» в определенных условиях ведет себя как конденсатор, то есть при прохождении через такую систему тока изменяется межфазная разность потенциалов.

В концентрированных электролитах заряд на межфазной границе образован избыточным электронным (дырочным) зарядом поверхности металлического электрода и избыточным ионным зарядом со стороны электролита. Ионы электролита плотно прижаты к поверхности электрода как силами изображения, так и электростатическим притяжением электронного заряда поверхности, так что расстояние между зарядами в двойном слое по порядку величины близко к радиусу иона. В электролитах ионы, как правило, сольватированы (захвачены средой в результате поляризации им окружающих молекул), что несколько увеличивает их радиус. Молекулы воды на межфазной границе сильно поляризованы.

В качестве электродов в ионисторах чаще всего используют микропористые электронные проводники с высокой удельной поверхностью, например, различные активированные углеродные материалы. Такие материалы содержат большое количество пор с размерами порядка 10^-9 Расчеты показывают, что углеродные элементы, разделяющие поры, имеют размеры такого же порядка. При таком развитии площади поверхности и удельной емкости ДЭС 0,2 Ф/м² возможно получение удельной емкости Суд.= 0,2 Ф/м² *10⁶м²/кг = 200 кФ в 1 кг электрода.

Если рабочий интервал потенциалов электрода составляет, например, 1,0 В, то в электроде массой (m) в 1 кг возможно накопить Еуд.= Суд.*?ц²/2 m = 200 * 1²/ 2 * 1 = 100 кДж/кг энергии.

Благодаря сочетанию высокой электрической прочности ДЭС с высокой удельной емкостью электродов возможно создание ионисторов с удельной энергией в десятки кДж/кг. В отличие от аккумуляторов, заряд и разряд к оторых ограничен протекающими электрохимическими реакциями на электродах, ионисторы можно заряжать и разряжать «накоротко», так как ДЭС образно можно сравнить с пружиной, которая сжимается в процессе зарядки и отдает накопленную энергию в процессе разрядки. При заряде и разряде ионистор ведет себя как идеальный конденсатор, заряжаемый или разряжаемый через ограничительный резистор - внутреннее сопротивление. В случае использования электролитов с высоким напряжением разложения (1-3 В) и низким удельным сопротивлением возможно создание ионисторов с удельной мощностью порядка 10 кВт/кг. Сравнительные характеристики аккумуляторов, ионисторов и энергонакопительных конденсаторов

3.3 Сравнительные характеристики аккумуляторов, ионисторов и энергонакопительных конденсаторов

Сравнительные характеристики накопителей электрической энергии в наглядном виде принято рассматривать в координатах «удельная энергия Е (кДж/кг или Вт·час/кг; при этом 3,6 кДж/кг = 1 Вт·час/кг) - удельная мощность Р (кВт/кг)». На рисунке изображены такие характеристики и области перспективного развития некоторых типов аккумуляторов, ионисторов и конденсаторов с оксидными диэлектриками в логарифмическом масштабе. Аккумуляторы на этом рисунке занимают верхний левый угол и охватывают область 1 по величине удельной энергии порядка 10 - 100 Вт·час/кг и по величине удельной мощности порядка 10 ^-2 - 10 ^-1 кВт/кг; оксидно-электролитические конденсаторы занимают нижний правый угол и охватывают область 2 по величине удельной энергии порядка 10 ^-2 - 19 ^-1 Вт·час/кг и по величине удельной мощности порядка 10 - 100 кВт/кг, а характеристики ионисторов (область 3) расположены между ними. По количеству циклов «зарядка-разрядка» (порядка 10 ⁴ - 10 ⁶⁾, а также по величине диапазона рабочих температур (от -50 до +85°С) ионисторы также занимают промежуточное положение между аккумуляторами и оксидно-электролитическими конденсаторами.

Существенный недостаток ионисторов и аккумуляторов - низкое рабочее напряжение. Для увеличения рабочих напряжений или емкости ионисторы, так же, как и аккумуляторы, соединяются последовательно или параллельно в пакеты (батареи, модули)

3.4 Типы ионисторов

Существующие типы ионисторов, несмотря на большое их разнообразие, подразделяют на три типа:

а) Ионисторы с идеально поляризуемыми углеродными электродами («идеальные» ионисторы). Как электрохимические системы их можно записать, например, следующим образом:

- С / 30% водный раствор КОН / С +;

- С / 38% водный раствор Н₂SO₄/ С+

- С / Органический электролит / С +

В этом типе ионисторов на электродах в рабочем интервале напряжений не протекают электрохимические реакции, накладывающие известные ограничения на скорость зарядки и разрядки, поэтому по величине энергии и мощности, температурному диапазону и количеству циклов они ближе остальных типов к области 2 оксидно-электролитических конденсаторов. Емкость ионисторов типа 1 представляет собой емкость двух последовательно включенных через эквивалентное последовательное сопротивление.

б) Ионисторы с идеально поляризуемым углеродным электродом и неполяризуемыми или слабо поляризуемыми катодом или анодом («гибридные» ионисторы). Как электрохимические системы их можно записать, например, следующим образом:

В этом типе ионисторов на одном из электродов (катоде или аноде) протекает электрохимическая реакция (как в аккумуляторах), поэтому их называют гибридными суперконденсаторами (гибрид конденсатора и аккумулятора). В конденсаторе с твердым электролитом RbAg

Ёмкость ионисторов типа 2 в два раза выше, чем ионисторов типа 1, так как емкость неполяризуемого электрода замкнута сопротивлением протекающей электрохимической реакции. Эта реакция накладывает диффузионные и кинетические ограничения на скорость зарядки и разрядки ионисторов типа 2, поэтому по величине удельной энергии и мощности, температурному диапазону и количеству циклов ионисторы типа 2 ближе ионисторов типа 1 к области аккумуляторов.

в) Псевдоконденсаторы - это ионисторы, на поверхности электродов которых при заряде и разряде протекают обратимые электрохимические процессы (хемосорбция или интеркаляция ионов, содержащихся в электролите). Как электрохимические системы их можно записать, например, следующим образом:

По принципу накопления энергии псевдоконденсаторы можно отнести как к ионисторам (если энергия накапливается только в поверхностном слое электродов), так и к аккумуляторам (если энергия накапливается не только в поверхностном слое, но и в объеме электродов). Удельная энергия псевдоконденсаторов благодаря протеканию электрохимических реакций на обоих электродах сравнима с энергией, накапливаемой в аккумуляторах, однако величина удельной мощности и количество циклов в режиме «зарядка-разрядка» могут быть на порядок выше того, что достигнуто в области аккумуляторов, так как диффузионные и кинетические ограничения удается минимизировать за счет увеличения площади поверхности электродов. По величине удельной энергии и мощности, температурному диапазону эксплуатации и количеству циклов псевдоконденсаторы ближе всех остальных типов конденсаторов к аккумуляторам. Деление ионисторов на три типа позволяет ориентироваться в большом многообразии этих изделий как по типу используемых электрохимических систем, так и по эксплуатационным характеристикам.

3.5 Разработка и практическое использование ионисторов

Потребность в ионисторах возникла во второй половине ХХ века благодаря развитию низковольтной полупроводниковой электроники и росту потребности в перезаряжаемых источниках тока с большим количеством циклов и с требуемым соотношением удельной энергии и удельной мощности.

До создания конденсаторов с двойным электрическим слоем разработчики аппаратуры были вынуждены использовать в качестве источников тока с требуемой энергией и мощностью батареи аккумуляторов с избыточной энергией или батареи конденсаторов с избыточной мощностью, а также мириться с неизбежным увеличением габаритов и массы разрабатываемой аппаратуры.

Исследованиями, разработками, производством и проблемами использования конденсаторов с двойным электрическим слоем в настоящее время заняты десятки фирм и университетов. Серийные и опытные образцы конденсаторов с двойным электрическим слоем различных фирм (Maxwell, EPCOS, Elna, NEC и т.д.) способны практически полностью перекрыть диапазон по удельной энергии и удельной мощности между аккумуляторами и электролитическими конденсаторами, а в некоторых случаях даже конкурировать с ними в приграничных областях.

Конкурентоспособность конденсаторов с двойным электрическим слоем в таких случаях определяется следующими факторами:

* большое количество циклов в режиме «зарядка-разрядка»;

* надежность и долговечность;

* широкий интервал рабочих температур;

* экологическая безопасность производства и использования.

Активное противодействие «экспансии» конденсаторов с двойным электрическим слоем в последнее время оказывают литий-ионные аккумуляторы. Исследования и разработки микропористых электродов для литий-ионных аккумуляторов позволяют увеличивать удельную мощность этих изделий до уровня удельной мощности конденсаторов с двойным электрическим слоем и, благодаря их высокой удельной энергоемкости, успешно конкурировать с последними, когда не требуется слишком большое количество циклов в режиме «зарядка-разрядка». Конкуренция между конденсаторами с двойным электрическим слоем и оксидно-электролитическими конденсаторами возможна в перспективе, при условии снижения рабочих напряжений в электронной технике до 1-1,5 В. Использование оксидно-электролитических конденсаторов при напряжениях до 1,5 В проблематично, так как оксидные диэлектрики формуются при напряжениях выше 1,5 В, а при низких напряжениях расформовываются при эксплуатации. Уникальное сочетание удельной энергии, удельной мощности и большого количества циклов в режиме «зарядка-разрядка» в конденсаторах с двойным электрическим слоем весьма эффективно используется в новых разработках электромобилей. Основной источник электроэнергии в этих изделиях, обеспечивающий требуемую величину пробега, - батарея топливных элементов или аккумуляторов - защищен от перегрузок модулем из последовательно соединенных конденсаторов с двойным электрическим слоем. Благодаря этому модулю удается решить сразу несколько проблем:

* проблему старта и ускорения в течение нескольких секунд до необходимой скорости движения;

* проблему рекуперации электроэнергии при торможении;

* проблему увеличения срока службы основного источника электроэнергии. В зарубежной литературе рассмотрены варианты применения конденсаторов с двойным электрическим слоем в военной и аэрокосмической промышленности и требования к ним, а также проблемы рынка конденсаторов с двойным электрическим слоем

4. Электрохимические конденсаторы

Электрохимические суперконденсаторы - разновидность суперконденсаторов, в которой сохранение энергии происходит с участием обратимых окислительно-восстановительных электрохимических процессов (фарадеевских процессов) в приповерхностном слое электродного материала.

В электрохимических суперконденсаторах при заряде происходят окислительно-восстановительные электрохимические реакции в тонких адсорбционных моно- и полимолекулярных пленках на границах электрод - электролит. При разрядке эти же реакции идут в обратном направлении. Таким образом, в электрохимических суперконденсаторах энергия накапливается в форме внутренней энергии поверхностных соединений на границе электрод - электролит. Характеристики таких накопителей энергии в большой степени зависят от свойств применяемых в них электродов и их конструкции. Основным отличием электрохимических суперконденсаторов от аккумуляторов является то, что электрохимические процессы происходят исключительно на поверхности электрода, что приводит к более высокой скорости протекания электрохимических процессов за счет отсутствия диффузионных затруднений. Наиболее серьезным недостатком электрохимических конденсаторов по сравнению с традиционными суперконденсаторами (ионисторами) является меньшая устойчивость электродных материалов к химической и электрохимической деградации. Это приводит к сокращению максимального количества циклов заряда-разряда до нескольких тысяч или десятков тысяч, в зависимости от типа используемого электродного материала.

Основным преимуществом электрохимических конденсаторов по сравнению с аналогами является их потенциально более высокая электроемкость при сопоставимой мощности. Удельная электроемкость наиболее совершенных электродов, используемых в ионисторах, обычно не превышает 300-400 Ф/г, в то время как для современных электродов на основе оксидов и гидроксидов рутения емкость 600-700 Ф/г не является предельной. Другими известными электродными материалами для электрохимических суперконденсаторов являются нанокристаллические оксиды и гидроксиды никеля и марганца.

Современные электрохимические конденсаторы часто имеют асимметричную конструкцию, в которой на одном электроде накопление энергии происходит в двойном электрическом слое, а на другом - благодаря протеканию фарадеевских процессов. Таким образом, используются положительные стороны суперконденсаторов и электрохимических суперконденсаторов. Электрохимические конденсаторы этого типа в настоящее время представляются наиболее перспективными для дальнейшего усовершенствования.

Заключение

Подводя итоги, можно отметить следующие достоинства суперконденсаторов:

* зависимость напряжения элемента от области применения, а не от его химического состава;

* высокая накапливаемая мощность;

* высокая плотность мощности;

* простой метод заряда, не требующий применения специальных схем регистрации процесса зарядки и напряжения;

* быстрый заряд / разряд без опасности перезарядки;

* малое полное сопротивление;

* способность выдерживать более 500 тыс. циклов заряда / разряда при 100%-ной глубине разряда;

* отсутствие каких-либо химических реакций, т.е. экологическая безопасность;

* срок службы 10-12 лет.

Но СК не свободны от недостатков, а именно:

* отсутствие возможности использовать полную энергию СК из-за линейности напряжения разряда;

* примерно в пять-десять раз меньшая плотность энергии, чем плотность энергии электрохимических аккумуляторов);

*обратная зависимость емкости СК от напряжения, в результате чего для получения высокого напряжения при заданном значении емкости необходимо последовательно включать несколько конденсаторов;

* чрезвычайно высокая скорость разряда;

* необходимость применения сложных электронных схем управления и переключения СК.

Список использованной литературы

1.И.А. КОСТЮКОВ, «ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ, студент», НТУ «ХПИ»;

2. К.С. Петров Пассивные элементы радиоэлектронной аппаратуры. Учебное пособие Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича];

3. [Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ионисторы): разработка и производство. Статья Компоненнты и технологии №6. 2005 В. Кузнецов, О. Панькина, Н. Мачковская, Е. Шувалов, И. Востриков 291@giriсоnd.spb.ru];

4. [Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона А.Л. Гершун. Статья Конденсатор электрический. Санкт-Петербург 1890-1907]

5. статья из журнала «Суперконденсаторы. Размеры меньше, мощность выше». Электроника: Наука, Технология, Бизнес 7/2009, В. Шурыгина

Размещено на Allbest.ru