1.7.4. Інтегратори, основані на ефекті поверхневого накопичення заряду (“іонікси”)

Розробка твердих електролітів на основі подвійних солей срібла з аномально високою іонною провідністю відкрила можливість створення нових типів ЕХП з високими експлуатаційними характеристиками, технологічними в умовах масового серійного виробництва і практично повністю сумісними за функціональними і конструктивними параметрами з сучасними інтегральними мікросхемами. Як електроліт, зазвичай, використовуються рубідій-йодид срібла (RbAg₄I₅) сульфід-йодид срібла (Ag₃SI) і β-алюмінат натрію (NaAI₁₁O₁₇). Однією з таких ЕХП є іонікси — електрохімічні інтегратори, основані на ефекті поверхневого накопичення заряду.

Електропровідність твердих електролітів RbAg₄I₅, використовуваних в іоніксах, складає за нормальної температури середовища приблизно 0,27 Ом^-1 (См) (для порівняння: за цих умов провідність водного 30% розчину КОН складає 0,7 Ом ^-1). Ця електропровідність забезпечується високою рухливістю іонів срібла Ag+, тоді як електронна складова провідності нехтовно мала і має величину менш 10^-11 Ом^-1. Висока електропровідність твердих електролітів типа RbAg₄I₅ пов'язана з руйнуванням їх катіонної підгратки при нагріванні із збереженням жорсткого аніонного каркасу. Для рідко подібної катіонної підгратки нівелюється поняття вакансій і міжвузлів, а число вакантних рівноважних положень одного порядку величини з числом самих іонів. Таким чином, катіони Ag+ як носії заряду аналогічні вільним електронам в металі. Електропровідність цих з'єднань така сама, як і металів, мало залежить від наявності домішок.

Розглянемо роботу електрохімічного комірки іонікса, складену із срібного і вугільного електродів, розділених твердим електролітом RbAg₄I₅ (рис. 1.18.а). Вугільний електрод в діапазоні потенціалів від 20 до 500 мВ відносно Ag/Ag+ електроду є ідеально поляризованим. При потенціалах вищих від 500 мВ на вугільному електроді можливий процес Фарадея виділення вільного йоду при потенціалі 670 мВ. З цієї причини максимальна напруга на пристрої не повинна перевищувати 0,5 В. Ємність подвійного шару на вугільному електроді складає 20-40 мкФ·см^-2 (в перерахунку на геометричну поверхню). Проте вугільний електрод має інтенсивно (розвинену поверхню, що дозволяє мати питомі поверхневі ємкості до трьох порядків величини більші, ніж в перерахунку на плоску геометричну поверхню. Таким чином, завдяки зміні маси і геометричних розмірів вугільних електродів є можливим в досить широких межах змінювати електричну ємність приладів. Срібний же ш електрод на відміну від вугільного практично не поляризується.

Схематичне зображення процесу заряду іонікса - наведено (рис. 1.18.б) При

Р ис. 1.18 - Схематичне зображення вічка, що ілюструє принцип дії іонікса (а), проста схема включення іонікса (б), зміна напруги на іоніксі в часі при його заряді струмом постійного знгачення (в) і вигляд залежностей заряд-розряд іонікса (г)

проходженні струму через прилад відбувається електроосадження срібла на срібному електроді - катоді (Ag+е→Ag) і заряді ємності подвійного шару вугільного електроду.

Через нехтовно мале значення електронної складової електропровідності твердого електроліту з вугільного електроду електричний заряд практично по електроліту не стікає, чим і забезпечується його тривале зберігання. Заряд іонікса до напруги 500 мВ при постійному значенні зарядного струму відбувається за законом, близьким до лінійного (рис. 1.18.б), тому електрична ємність пристрою може легко бути обчислена із співвідношення

, (1.7)

При розряді постійним за значенням струмом напруга на пристрої також змінюється за законом, близьким до лінійного. На срібному електроді, що є анодом, протікає реакція (Ag →Ag⁺+е). За рівності струмів І₃=І_Р на зарядно-розрядних характеристиках гістерезису не спостерігається. При розряді пристрою на постійному опорі навантаження R_n залежність напруги Е в часі може бути описана співвідношенням:

, (1.8)

де R_вн - внутрішній опір пристрою; Е_о — початкова напруга на пристрої.

Іонікси відрізняються від електролітичних конденсаторів з рідким електролітом перш за все значно більшою (на три порядки величини) питомою ємністю (до 10 Ф см^-3) і значно меншими струмами витоку (опір витоку 10¹⁰ Ом ·см), що забезпечує збереження заряду з похибкою (3-5) % протягом (1,5-2) років. Для збільшення робочої напруги окремі комірки іоніксів з'єднуються послідовно в батарею. Іонікси - низькочастотні пристрої, вже на частоті 20 Гц їх ємність знижується приблизно на два порядки величини. Малий внутрішній опір при заряді і розряді пристроїв (десяті долі і одиниці Ома) дозволяє в імпульсному режимі розряду віддавати в навантаження чималі питомі енергії (1,3 - 2,0) Дж см^-3.

Відносно невеликі зміни електропровідності твердого електроліту RbAg₄I₅ при зміні температури середовища (електропровідність при температурі –57 °С складає 0,09 Ом^-1, а при температурі +71 °C - приблизно 0,39 Ом^-1, дозволяють мати робочий діапазон температур іоніксів в межах від - 60 до +175 °С. При температурі -60 °С іонікси віддають до 90 % заряду в порівнянні із зарядом, що віддається, при нормальній температурі +25 °С.

У одній з описаних в літературі розробок 10 послідовно сполучених комірок іоніксів, по 50 Ф кожна, мають еквівалентну ємність 5 Ф і максимально допустиму робочу напругу 5 В при об'ємі 50 см³. Вони дозволяють віддавати в навантаження струм 100 мА протягом 5 с, а струм 1 мА - протягом 5000 с при зниженні напруги від 5 до 4 В.