Статья о современных ионисторах. Их особенностью является способность отдавать большое количество энергии за очень небольшой временной интервал. Устройство уже широко применяется в различных отраслях. Возможно, что ионисторы скоро повсеместно заменят обычные химические элементы питания.
Ионистор (другие названия: суперконденсатор, ультраконденсатор, двухслойный электрохимический конденсатор) – электрохимическое устройство, конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, «обкладками» в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.
Ионисторы или суперконденсаторы появились сравнительно недавно. Первое такое электрическое устройство запатентовала фирма General Electric в 1957 году. Особенностью ионистора является способность отдавать большое количество энергии за очень небольшой промежуток времени. Обыкновенный конденсатор – это две пластины из металла, между которыми расположен слой диэлектрика. Причём электрическая ёмкость конденсатора напрямую зависит от площади пластин, которые исполняют роль электродов, и обратно пропорциональна расстоянию между этими пластинами. А поскольку увеличение пластин в размерах приводило к увеличению самого прибора, долгое время повысить ёмкость конденсаторов не удавалось. Однако выход всё же нашёлся благодаря применению для изготовления электродов пористых материалов. Площадь поверхности пор пластины, изготовленной из такого рода материала, в десятки раз больше площади поверхности электрода из обычного металла.
После долгих опытов были найдены подходящие пористые материалы. Электроды ионисторов выполняют, как правило, путём использования таких пористых материалов как активированный уголь или различные вспененные металлы. Эти металлы подбираются в соответствии с типом электролита. Общая площадь поверхности такого пористого материала во много раз больше, чем у аналогичного, но с гладкой поверхностью. Это и позволяет хранить заряд в сравнительно малом объёме. Следующим шагом от конденсатора к ионистору стала замена диэлектрика на кристаллический твёрдый электролит, сделанный на основе растворов кислот и щелочей. При взаимодействии пористого металла с электролитом на его поверхности образуется двойной электрический слой из ионов и электронов. Эти заряды не могут сблизиться из-за сопротивления молекул электролита и металла. Таким образом, получается устройство схожее по принципу действия с конденсатором.
Однако расстояние между зарядами, которое, по сути, является расстоянием между электродами, гораздо меньше толщины диэлектрика, применяемого в обычном конденсаторе, поэтому и электрическая ёмкость такого устройства ещё в десятки раз больше. Для сравнения: энергии обычного конденсатора хватит, чтобы поднять его в воздух примерно на полтора метра, а ионистор массой в один грамм может подпрыгнуть за счёт своего заряда более чем на пятьсот метров. Во время зарядки ионистора на порах металла с одной стороны образуются положительные ионы, а с другой – накапливаются электроны. В процессе отдачи энергии они плавно перетекают друг к другу, образуя нейтральные атомы металла. Чтобы таким образом не произошла полная разрядка прибора, между слоями металла применяется разделительный слой из нейтрального вещества (пластика, бумаги, ваты и так далее). Ионистор очень быстро накапливает заряд и также быстро его отдаёт. Кроме этого, у него есть ряд других преимуществ:
неограниченное количество циклов заряда и разряда;
накапливаемая энергия обладает высокой плотностью;
прибор не нагревается в отличие от энергоносителей, в основу действия которых заложены химические реакции;
удобство зарядки: когда ионистор заряжается полностью, он просто перестаёт принимать заряд;
выдерживает температуру от –50 до +85 градусов Цельсия;
ионистор экологически безопасен;
коэффициент полезного действия может достигать 98%.
Все эти преимущества позволяют говорить о том, что масштабы применения ионисторов безграничны. Они получили широкое распространение в компьютерных устройствах в качестве источников питания для элементов памяти. В микроэлектронике и радиотехнике ионисторы применяют в качестве кратковременных мощных источников тока и источников бесперебойного питания. В популярных сегодня новых автомобилях с гибридной силовой установкой также используются суперконденсаторы для уменьшения нагрузки на аккумулятор. В качестве замены батарей ионисторы уже применяются во многих областях. Ионисторы малой ёмкости устанавливают в мобильные телефоны, а особо мощные – в автомобили. Если сравнивать их с обычными химическими батареями, то последние проигрывают по целому ряду показателей. Они экологически небезопасны, имеют ограниченное количество циклов заряда, долго заряжаются, склонны к перегреву. На сегодняшний день более широкому использованию ионисторов препятствует только их высокая цена. Однако компании-производители рассчитывают в течение ближайших 5 лет снизить её вдвое, применяя нанотехнологии.
