Ионисторы вместо стартерного свинцово-кислотного аккумулятора

Научно-технический прогресс во всех сферах деятельности человечества всё более нуждается в резервных источниках электрической энергии. Современные аккумуляторы сложны в обслуживании и ограничены в объёме электрического заряда. Суперконденсатор (ионистор) – это мощный накопитель электричества, который в будущем заменит традиционные аккумуляторы.

Суперконденсаторы

Концепция

Конденсаторы большой ёмкости накапливают электрический заряд за счёт двойного электрического слоя. Двойной электрический слой (ДЭС) позволяет сохранять энергетический потенциал на несколько порядков выше, чем это может обычный конденсатор.

ДЭС – это прослойка между обкладками из ионов, покрывающая поверхность частиц на границе фаз. Заряд одного слоя ионов компенсируется потенциалом второго слоя противоионов. Толщина ДЭС ничтожно мала, в то же время площадь пористых обкладок огромна.

Ионистор использует ДЭС между углем и электролитом. Электрод – это твёрдый активированный уголь, а электролит представлен в жидкой форме. При плотном контакте этих двух сред положительные и отрицательные полюсы имеют между собой очень узкий зазор. При воздействии электрического поля образуется двойной электрический слой на граничащей с углём поверхности электролита.

Применение двойного электрического слоя вместо диэлектрика даёт возможность неограниченно увеличивать поверхность электрода. В результате небольшой суперконденсатор может обладать ёмкостью в несколько фарад при напряжении от 2 до 10 вольт.

Важно! Совершенствование ионистора приведёт к тому, что в большинстве случаев будут использовать суперконденсатор вместо аккумулятора.

Первое испытание с запуском двигателя

Я купил 6 суперконденсаторов и плату балансовой защиты, бывают они продаются индивидуально под каждый ионистор, а бывает и цельная линейка под шесть штук.

Собрал все воедино.

Плата защиты исключает перезаряд суперконденсаторов напряжением выше 2,7В, поэтому использовать ее практически обязательно нужно, если включение элементов производится последовательно.

Далее я припаял клеммы и установил эту батарею на авто. Но предварительно ее необходимо зарядить небольшим током 5-7 А до рабочего напряжения. На это ушло 10-15 минут времени.

После подключения автомобиль завелся без лишних сложностей, двигатель работал стабильно, напряжение в бортовой сети держалось на должном уровне.

В ходе этого эксперимента выяснились следующие плюсы и минут: батарея из ионисторов быстро разряжалась при выключенном зажигании, а именно где-то через 5-6 часов напряжение падало до 10 В. Это был минус, а плюс был в том, что даже при этом напряжении автомобиль все ещё заводился, так как для ионистора любое напряжение рабочее, в отличии от аккумулятора.

В итоге запустить двигатель по прошествии одних суток уже не представлялось возможным. И я решил исправить данный недостаток в следующей конструкции.

История создания суперконденсатора

Ионистор — что это такое и где применяется

В 1957 году американской фирмой General Electric был запатентован конденсатор с двойным электрическим слоем и пористыми угольными электродами. Концепция патента заключалась в том, что накопление электрического потенциала происходило в угольных порах.

Однако уже в 1966 году фирма из штата Огайо SOHIO получила патент на ионистор, скапливающий заряд в двойном электрическом слое. В 1971 году фирма NEC, перекупившая патент у SOHIO, стала производить изделия под названием Суперконденсатор (Supercapacitor).

В 1978 году японский производитель радиотехники Panasonic заполнил рынок ионисторами под названием Золотой конденсатор (Gold capacitor). В этом же году в СССР были разработаны и изготовлены первые суперконденсаторы ёмкостью от 0,1 до 50 фарад.

Самая частая причина поломки и традиционное решение

Многие автолюбители активно пользуются фото- и видеорегистраторами, укомплектовывая ними салон машины. Но лишь некоторые из водителей знают, что устройство, подобно мобильному телефону, работает на аккумуляторе, в случае поломки которого, прибор тоже выходит из строя, переставая заряжаться от бортсети автомобиля.

К сожалению, у «родных» батарей довольно короткий цикл жизни, что приводит к частым поломкам самого регистратора. В таком случае замена аккумулятора устранит причину неисправности, вернув устройство к жизни.

Несмотря на такое легкое решение, автовладельцы просто выкидывают «мертвую» технику, заменяя его на новую.

Типы ионисторов

Энергия электрического поля

Суперконденсаторы делят на три типа:

1. «Идеальный» ионистор – конденсатор с идеально поляризуемыми угольными электродами. Заряд происходит за счёт ионного переноса с одного на другой электрод. В качестве электролита применяют 30% раствор гидрооксида калия (КОН) или 38% раствор серной кислоты (H2SO4).
2. Конденсаторы со слабо поляризуемыми катодами или анодами – гибридные ионисторы. Электрохимическая реакция происходит только на одном из электродов.
3. Псевдоконденсаторы – это ионисторы с электродами, на поверхности которых происходят обратимые электрохимические процессы. Изделия обладают высокой удельной ёмкостью.

Сравнение

Для чего нужен конденсатор

Суперконденсаторы (СК) в основном используют тогда, когда нужно сохранить информацию в памяти различных устройств и кратковременно поддержать их питание. Ионисторы препятствуют потере данных и сбросу настроек в мобильных электронных аппаратах во время смены элементов питания (батарейки, аккумуляторные батареи).

Обратите внимание! Наряду с этим, нельзя полноценно использовать суперконденсатор вместо аккумулятора (АКБ). Если сравнивать ионистор с АКБ, то можно отметить определённые преимущества и недостатки СК.

Преимущества

• Зарядка и разрядка большого по силе тока;
• Устойчивость к потере качеств после 100 тыс. циклов заряда – разряда;
• Внутреннее сопротивление не позволяет возникать быстрому саморазряду, перегреву и разрушению СК;
• После 50 тыс. часов эксплуатации ионистор теряет незначительную часть ёмкости;
• Ионистор обладает незначительной массой, по сравнению с аналогичными электролитическими конденсаторами;
• Невосприимчивость к резким перепадам температуры окружающей среды;
• Стойкость к внешним механическим воздействиям.

Недостатки

• Высокий риск разрушения при коротком замыкании для СК большой ёмкости и низким внутренним сопротивлением;
• Низкое рабочее напряжение;
• Высокая степень саморазряда;
• Замедленная отдача заряда;
• Высокая стоимость.

Схема

Вот схема второго прототипа батареи.

Оговорюсь сразу: солнечной панели и второго аккумулятора в ней нет. Тут также используется линейка из суперконденсаторов с балансной платой. Также добавлен контроллер заряда аккумулятора, пара переключателей, вольтметр и сам небольшой аккумулятор емкостью 7,5АЧ.Работа устройства такова: перед запуском авто открываем капот и счелкаем верхний по схеме переключатель. Через мощный 50 Ваттный резистор сопротивлением 1 Ом, ионистор начинает заряжаться от аккумулятора. Заряжать напрямую без этого резистора нельзя, так как для аккумулятора это будет равносильно короткому замыканию.

На все про все уходит 15 минут времени. Для меня это не критично. После этого можно заводить авто и ехать. Также парально резистору воткнут диод Шоттки. Он служит для зарядки аккумулятора после того как двигатель запущен.А заряжается аккумуляторная батарея через контроллер зарядки.

Он нужен для того, чтобы каждый раз не щелкать переключатель включения, а один раз включить и ехать: встать у магазина и уйти на пару часов. И если ионистор начнет тянуть из аккумулятора ток, и разряжать его ниже 11,4 В, то контроллер зарядки тут же его отключит. Тем самым защитит батарею от полного разряда, что может ее погубить раньше срока.Нижний по схеме переключатель служит для подключения вольтметра либо к ионисторам, либо к батарее.

Практическое применение суперконденсаторов

Современные ионисторы нашли широкое применение в таких сферах, как:

1. Транспортные средства;
2. Бытовая электроника.

Транспортные средства

Суперконденсаторы с недавнего времени стали встраивать в транспортные средства, питанием которых является электроэнергия.

Тяжёлый и общественный транспорт

Не так давно на улицы Минска вышли на маршруты электробусы совместного производства южно-корейской компании Hyundai Motor и белорусского предприятия Белкоммунмаш. Новый общественный транспорт оснащён электрическим двигателем, питающимся энергией бортовых ионисторов. Москвичей порадовали электрические автобусы отечественного производства, вышедшие на городские маршруты в мае 2019 года.

Городской транспорт на ионисторах способен проходить маршрут до конечной остановки с подзарядкой на 2 или 3 остановках. Время подзарядки занимает 2-3 минуты, что вполне хватает для высадки и посадки пассажиров. Полную зарядку конденсаторной системы питания производят на конечных станциях в течение 8-10 минут.

Автомобили

Мировые лидеры по производству автомобилей постоянно совершенствуют свои электромобили. На международных выставках особое внимание уделяется машинам, питание которых обеспечивают суперконденсаторы.

Недавно российскими производителями был представлен Ё-мобиль, использующий суперконденсаторы как основной источник электроэнергии.

Дополнительная информация. В автомашинах, работающих на жидком топливе, стали всё чаще применять ионисторы для лёгкого пуска двигателя в условиях низких температур.

Автогонки

Автомобильные компании, производящие электромобили и их гибридные модификации, регулярно проводят автогонки с участием машин на ионисторах. Это делается для рекламы и продвижения своей продукции на мировом авторынке.

Бытовая электроника

Ни одно сложное электронное устройство не обходится без суперконденсаторов. Их можно найти в резервном питании ноутбуков, смартфонов и в других приборах бытового назначения. Ионисторы необходимы там, где нужно поддержать электропитание во время прерывания связи с основным источником тока.

Источники бесперебойного питания (ИБП) построены на ионисторах. ИБП незаменимы там, где электроснабжение зависит от непостоянных источников электроэнергии, таких как ветрогенераторы, солнечные батареи и пр.

Совет домашнего умельца

На первый взгляд кажется, что заменить встроенный в видеорегистратор аккумуляторна аналогичный, очень просто. Но в большинстве случаев, поиск аналогичной батареи затягивается надолго, а его покупка существенно бьет по карману.

Для экономии ресурсов можно приобрести аккумулятор для телефонов и подпитать «мертвый» прибор от него. Как показывает практика, устройство для видеофиксации отлично работает от внешних батарей емкостью на 1200- 2000 мА*с.

Они будут поддерживать «жизнь» в приборе намного дольше его встроенного блока питания, а их относительная дешевизна является приятным преимуществом.

Неожиданно «сдохший» регистратор — это проблема, решаемая с помощью обычного внешнего блока питания от мобильного телефона. Такой выход из ситуации сэкономит деньги и время, которое можно потратить на поиски «родной» батарее.

(

8

votes, average:

3,63

out of 5)

Загрузка…

Перспективы развития

В недалёком будущем ожидается массовое производство гибридного общественного транспорта. Это троллейбусы, которые смогут преодолевать участки дорог без троллей с использованием питания бортовых ионисторов. Они смогут маневрировать в тех местах, где штанги будут непреодолимой помехой движению транспорта.

Учёными всего мира ведутся поиски новых материалов для создания особо мощных суперконденсаторов. Такие ионисторы могли бы полностью заменить традиционные аккумуляторы.

Ионистор своими руками

Для изготовления суперконденсатора в домашних условиях понадобятся:

• фольга из пачки сигарет (диэлектрик);
• таблетки активированного угля (электрод);
• водорастворимый акриловый лак или клей ПВА (электролит).

Изготовить самодельный ионистор можно следующим образом:

1. Из фольги вырезают 2 прямоугольника.
2. Таблетки угля размалывают в ступке до состояния мелкого порошка. Это можно сделать и в кофемолке.
3. Угольный порошок перемешивают с акриловым лаком.
4. Полученную смесь наносят кисточкой на один из отрезков фольги.
5. После просушки наносят второй угольный слой, затем процесс повторяют.
6. Используя клей ПВА, приклеивают второй прямоугольник из фольги. Суперконденсатор готов.
7. Подсоединив проводки к двум противоположным сторонам изделия, можно зарядить ионистор с помощью любой батарейки.

Научно-технический прогресс в создании совершенных источников электроэнергии ни на секунду не замирает. В скором будущем будут созданы высоковольтные суперконденсаторы высокого качества, которые сделают технологический переворот практически во всех сферах деятельности человечества.