Іоністор (суперконденсатор, ультраконденсатор, двошаровий електрохімічний конденсатор) - електрохімічний пристрій, конденсатор з органічним або неорганічним електролітом, «обкладками» в якому служить подвійний електричний шар на межі розділу електрода і електроліту.
Перший конденсатор з подвійним шаром на пористих вугільних електродах був запатентований в 1957 році фірмою General Electric.
Так як точний механізм до того моменту часу був не зрозумілий, було припущено, що енергія запасається в порах на електродах, що і призводить до утворення «виключно високу здатність накопичення заряду».
Трохи пізніше, в 1966 фірма Standard Oil of Ohio, Cleveland (SOHIO), USA запатентувала елемент, який зберігав енергію в подвійному шарі.
Зіткнувшись з фактом невеликого обсягу продажів, в 1971 році SOHIO передала ліцензію фірмі NEC, якій вдалося вдало просунути продукт на ринку під ім'ям «Supercapacitor» (Суперконденсатор). У 1978 році фірма Panasonic випустила на ринок «Gold capacitor» ( «Gold Cap») «Золотий конденсатор», що працює на тому ж принципі.
Ці конденсатори мали відносно високий внутрішній опір, що обмежує віддачу енергії, так що ці конденсатори застосовувалися тільки як накопичувальні батареї для SRAM.
Перші іоністори з малим внутрішнім опором для застосування в потужних схемах були розроблені фірмою PRI в 1982 році. На ринку ці іоністори з'явилися під ім'ям «PRI Ultracapacitor».
1) іоністорів з ідеально поляризованість вуглецевими електродами ( «ідеальний» іоністор, іонний конденсатор). Чи не використовують електрохімічних реакцій, працюють за рахунок іонного переносу між електродами. Деякі варіанти електроліту: 30% водний розчин КОН; 38% водний розчин Н2 SO4; органічні електроліти [3].
2) іоністорів з ідеально поляризованим вуглецевим електродом і неполярізуемимі або слабо поляризованість катодом або анодом ( «гібридні» іоністори). На одному електроді відбувається електрохімічна реакція. Варіанти: Ag (-) і твердий електроліт RbAg4 I5; 30% водний розчин КОН і NiOOH (+) [3]
3) Псевдоконденсатори - іоністори, що використовують оборотні електрохімічні процеси на поверхні електродів. Мають високу питому ємність. Електрохімічний схема: (-) Ni (H) / 30% водний розчин КОН / NiОOH (+); (-) З (Н) / 38% водний розчин Н2 SO4 / PbSO4 (РbO2) (+) [3].
Відмінність іоністори від конденсатора полягає в тому, що між його електродами немає спеціального шару з діелектрика. Замість цього електроди у іоністори зроблені з речовин, що володіють протилежний від типами носіїв заряду.
Як відомо, електрична ємність конденсатора залежить від площі обкладок: чим вона більше, тим більше ємність. Тому електроди іоністорів найчастіше роблять зі спіненого вуглецю або активованого вугілля. Завдяки цьому прийому вдається отримати велику площу своєрідних «обкладок». Електроди поділяються сепаратором і все це знаходяться в електроліті. Сепаратор необхідний виключно для захисту електродів від короткого замикання. Електроліт ж виконується на основі розчинів кислот і лугів і є кристалічним і твердим.
Наприклад, за допомогою твердого кристалічного електроліту на основі заліза, срібла і йоду (RbAg4 I5) можливе створення іоністорів з низьким саморазрядом, великою ємністю і витримують низькі температури. Також можливе виготовлення іоністорів на основі електролітів розчинів кислот, таких як H2 SO4. Такі іоністори володіють низьким внутрішнім опором, а й малим робочою напругою близько 1 В. Останнім часом іоністори на основі електролітів з розчинів лугів і кислот майже не виробляють, так як такі іоністори містять токсичні речовини.
В результаті електрохімічних реакцій невелика кількість електронів відривається від електродів. При цьому електроди набувають позитивний заряд. Негативні іони, які знаходяться в електроліті, притягуються електродами, які заряджені позитивно. В результаті всього цього процесу і утворюється електричний шар.
Заряд в іоністорів зберігається на кордоні розділу електрода з вуглецю і електроліту. Товщина електричного шару, який утворений аніонами і катіонами, становить дуже малу величину часом рівну 1 ... 5 нанометрів (нм). Як відомо, зі зменшенням відстані між обкладинками ємність зростає.
До основних позитивних якостей іоністорів можна віднести:
· Мале час заряду і розряду. Завдяки цьому іоністор можна швидко зарядити і використовувати, тоді, як на заряд акумуляторних батарей йде чимало часу;
· Кількість циклів заряд / розряд - понад 100000;
· Не вимагають обслуговування;
· Невелика вага і габарити;
· Для заряду не потрібно складних зарядних пристроїв;
· Працює в широкому діапазоні температур (-40 ... + 70 0 C). При температурі більше +70 0 С іоністор, як правило, руйнується;
Тривалий термін служби.
· Питома енергія менше, ніж у традиційних джерел (5-12 Вт · год / кг при 200 Вт · год / кг для літій-іонних акумуляторів).
· Напруга залежить від ступеня зарядженості.
· Можливість вигоряння внутрішніх контактів при короткому замиканні.
· Велике внутрішній опір в порівнянні з традиційними конденсаторами (10. 100 Ом у іоністори 1 Ф Ч 5,5 В).
· Значно більший, в порівнянні з акумуляторами, саморозряд: близько 1 мкА у іоністори 2 Ф Ч 2,5 В [3].
Щоб збільшити робочу напругу іоністори їх з'єднують послідовно, також як і при з'єднанні батарейок. Правда, для надійної роботи такого складеного іоністори потрібно кожен окремий іоністор шунтировать резистором. Робиться це для того, щоб вирівняти напругу на кожному окремому іоністорів. Це пов'язано з тим, що параметри окремих іоністорів відрізняються. Струм, який тече через вирівнюючий резистор, повинен бути в кілька разів більше струму витоку (саморазряда) іоністори. Значення струму саморозряду у малопотужних іоністорів становить десятки мікроампер.
Також варто пам'ятати, що іоністор - це полярний компонент. Тому при підключенні його в схему потрібно дотримуючись полярності.
Крім цього варто уникати короткого замикання висновків іоністори. І хоча іоністори досить стійкі до короткого замикання, воно може привести до надмірного підвищення температури понад максимальну внаслідок теплового дії струму, а це призведе до псування іоністори.
Іоністори прекрасно працюють в ланцюгах постійного і пульсуючого струму. Правда, в разі протікання через іоністор пульсуючого струму високої частоти він може нагріватися через високий внутрішнього опору на високих частотах. Як вже говорилося, збільшення температури електродів іоністори вище максимально допустимої призводить до його псування.
В документації на іоністор, як правило, вказується значення його внутрішнього опору на частоті 1 кГц. Наприклад, для іоністори DB-5R5D105T ємністю 1 Фарада внутрішній опір на частоті 1 кГц составлет 30Щ. Також існують іоністори з ще меншим внутрішнім опором. Вони маркуються як Low resistance або Low ESR. Такі іоністори заряджаються швидше.
Для постійного струму же внутрішній опір іоністори мало і складає одиниці міліом - десятки ом.
Позначення іоністори на схемі
іоністер конденсатор електрод енергія
На схемах іоністор позначається також як і електролітичний конденсатор.
Визначити, що на схемі зображено іоністор можна за значенням номінальних параметрів. Якщо поруч з позначенням зазначено, наприклад, 1F * 5,5 V, то це іоністор. Як відомо, електролітичних конденсаторів ємністю 1 Фарада не існує, а якщо й існує, то габарити у нього чималі. Також відразу кидається в очі номінальну напругу в 5,5 V. Як вже говорилося, іоністори в принципі не розраховані на велику робочу напругу.