Ионисторы

Ионистор является принципиально другим элементом, в котором сочетаются свойства конденсатора с аккумуляторной батареей. В нем для изготовления электродов используется специальный пористый материал с высокой площадью поверхности. В качестве материала электродов используют активированный уголь, вспененные металлы, токопроводящие полимеры, оксиды металлов (рис. 3.113в). В последние годы проводятся исследования, направленные на использование в качестве материала для электродов ионистора углеродных нанотрубок и волокон, а также графена. Общая площадь поверхности, даже в тонком слое такого материала, во много раз больше, чем в традиционных материалах, например, в алюминии, что позволяет в конечном итоге многократно увеличить емкость таких конденсаторов.

Принцип действия ионистора и процессы, происходящие при его зарядке и разрядке, иллюстрирует рис. 3.114. Обкладки ионистора разделены между собой слоем электролита, заполняющего собой все поры электродов. Под воздействием разности потенциалов, возникающей при включении ионистора в электрическую цепь постоянного тока, в двойном электрическом слое на границе электролита и электрода накапливается электрический заряд. Поскольку ионистор не имеет диэлектрического слоя (в отличие от электролитических конденсаторов, где в качестве диэлектрика используется оксид металла), процесс заряда/разряда ионистора происходит непосредственно в слое ионов на поверхностях положительного и отрицательного электродов. Под воздействием напряжения на выводах ионистора заряженные частицы (анионы и катионы) движутся к соответствующим электродам и накапливаются на их поверхности. Вместе с зарядом самого электрода они образуют «двойной электрический слой». Аббревиатура EDLS (electric doublelayer capacitor) в названии конденсаторов обозначает конденсатор с двойным электрическим слоем, т. е. ионистор.

Рис. 3.114. Процессы заряда и разряда ионистора

Скопление отрицательно заряженных электронов на электроде приводит к его отрицательному заряду, что вызывает концентрацию в приповерхностном слое положительно заряженных катионов. Поскольку ион имеет определенный размер, мешающий ему вплотную приблизиться к электроду, вокруг образуется двойной слой ионов, имеющих противоположные заряды. По существу – это конденсатор, расстояние между обкладками которого равно радиусу иона. Толщина двойного электрического слоя чрезвычайно мала и может составлять несколько нанометров, ввиду чего емкость ионисторов может быть очень большой. Отдельные экземпляры ионисторов обладают емкостью в тысячи фарад при номинальном напряжении в несколько вольт.

Для предотвращения проникновения ионов между электродами установлен сепаратор с хорошими изоляционными свойствами, чтобы защитить ионистор от внутреннего короткого замыкания. Сепараторы изготавливают из таких материалов, которые свободно пропускают ионы электролита. В отличие от «классических» аккумуляторов, в ионисторе не используются обратимые и необратимые химические реакции, поэтому он является более универсальным и безопасным в обращении.

В ионисторах используются органические или водные электролиты. Применение органического электролита позволяет получить более высокое напряжение между обкладками (порядка 3 В), но повышает внутреннее сопротивление ионистора. При использовании водного электролита напряжение заряда вдвое меньше, как и внутреннее сопротивление ионистора. Для получения более высоких значений напряжения несколько ионисторов включают последовательно.

Удельная электрическая емкость ионисторов достигает нескольких сотен фарад на грамм, что на несколько порядков превышает соответствующий показатель для обычных электрических конденсаторов. Столь большие величины удельной емкости достигаются благодаря чрезвычайно малой толщине двойного слоя на границе электрод-электролит (менее 1 нм) и исключительно высокой удельной поверхности материала электрода (500 – 3000 м²/г). Однако, по такому показателю, как величина удельной запасаемой энергии, ионисторы пока уступают традиционным литиевым аккумуляторам, для которых этот показатель более чем на порядок выше (для ионисторов ~ 10 Вт∙ч/кг; для аккумуляторов ~ 200 Вт∙ч/кг). Ионисторам присуща малая деградация характеристик даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда. Проводились исследования по определению максимального числа циклов заряд-разряд. После 10⁵ циклов не наблюдалось ухудшения характеристик.