3. Суперконденсаторы.

Иони́стор (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. По характеристикам занимает промежуточное положение между конденсатором и химическим источником тока. [4]

Электроды выполняют, как правило, путём использования пористых материалов, таких, как активированный уголь или вспененные металлы; и подбираются эти металлы в соответствии с типом электролита. Общая площадь поверхности такого пористого материала во много раз больше, чем у аналогичного, но с гладкой поверхностью, что позволило хранить заряд в соответствующем объёме.

С появлением ионисторов стало возможным использовать конденсаторы в электрических цепях не только как преобразующий элемент, но и как источник напряжения. Широко применяются в качестве замены батареек для хранения информации о параметрах изделия при отсутствии внешнего питания. Такие элементы имеют как несколько преимуществ, так и ряд недостатков над обычными химическими источниками тока — гальваническими элементами и аккумуляторами

Электроды выполняют, как правило, путём использования пористых материалов, таких, как активированный уголь или вспененные металлы; и подбираются эти металлы в соответствии с типом электролита. Общая площадь поверхности такого пористого материала во много раз больше, чем у аналогичного, но с гладкой поверхностью, что позволило хранить заряд в соответствующем объёме.

В целом суперконденсатор – это гибрид химической аккумуляторной батареи и обычного конденсатора:

• Главное отличие суперконденсатора от привычного конденсатора — в наличии у первого не просто диэлектрика между электродами, а двойного электрического слоя. В результате между электродами образуется очень маленькое расстояние, а его возможность накапливать электрическую энергию (электрическая емкость) получается намного выше.

• Кроме этого суперконденсатор от аккумуляторной батареи отличается скоростью накапливания, а также степенью отдачи электрического заряда. Благодаря применению двойного электрического слоя повышается площадь поверхности электродов при тех же общих габаритах. То есть в устройстве сочетаются лучшие электрические характеристики – существенная емкость аккумулятора и скорость конденсатора.

Суперконденсаторы сегодня подразделяются на:

• Двойнослойные конденсаторы (ДСК).

• Псевдоконденсаторы.

• Гибридные конденсаторы.

4. Принцип действия, достоинства и недостатки суперконденсаторов.

Суперконденсаторы, как высокоёмкие конденсаторы, производят накопление энергии электростатическим способом, поляризуя раствор электролита. При накоплении энергии в суперконденсаторе химические реакции не задействуются, хотя суперконденсатор является электрохимическим устройством. В силу высокой обратимости механизма накопления энергии, конденсаторы способны тысячи раз заряжаться и разряжаться.

Рисунок 4 - Принцип действия суперконденсатора.

Суперконденсатор запасает энергию за счет электростатических зарядов, которые создаются на противоположных поверхностях электродов, относящихся к двойному электрическому слою. Этот слой создается между электролитом и электродами. В процессе зарядки распределенные случайным образом ионы электролита перемещаются в сторону поверхности электрода, имеющего противоположную полярность. Данный процесс имеет физическую, а не химическую природу. Кроме того, он полностью обратим. Во многом именно этим определяется высокая мощность суперконденсаторов, их длительный срок эксплуатации, продолжительное время хранения и легкость технического обслуживания.

Обычная проблема роботов с манипуляторами на базе электроприводов — ограниченное напряжение и мощность, которую в единицу времени можно снять с аккумуляторов дрона. Гидропривод, например, как у прототипа компании Boston Dynamics, тоже имеет свои ограничения. Насосы громоздки, управлять гидроприводом непросто: он обеспечивает хороший момент, но его не назовёшь быстрым. Конечно, можно поддерживать давление в системе постоянно высоким, но это вызовет большие потери мощности и повысит риск утечек. [6]

Японские разработчики, занятые созданием платформы робота-гуманоида, заменили литиевые аккумуляторы, столь популярные в робототехнике, на суперконденсаторы. Их «робоноги» — основа платформы робоспасателя — оснащены 13,5-фарадным ионистором, способным молниеносно отдать запасённую электрическую энергию, вместо того чтобы плавно получать её от химического источника. 

Преимущества суперконденсаторов в смысле мгновенной мощности очевидны. Всего 200-ваттные бесщёточные электромоторы (по мощности это кофемолка) обеспечивают крутящий момент (в коленном суставе) в 350 Н•м — на уровне Land Cruiser! Электромоторы, через которые столь быстро пропускается плотный поток энергии, модифицированы под жидкостное охлаждение.

Как отмечают авторы, робот-спасатель может действовать в условиях, где воздушное охлаждение бесполезно, — к примеру, при пожаре в замкнутом помещении. Конечно, ионисторы имеют не такую высокую общую ёмкость, но умеренная масса и габариты электропривода в сравнении гидравликой ещё и снижают затраты энергии на перемещение робота в пространстве, поэтому в целом баланс энергопотребления и времени автономной работы практически не изменился.

Недостатки:

1. Высокая цена ионисторов с большими разрядными токами, препятствующая их широкому применению;

2. Напряжение напрямую зависит от степени заряженности;

3. Возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании для ионисторов большой ёмкости и с низким внутренним сопротивлением;

4. Низкое рабочее напряжение по сравнению с большинством конденсаторов других типов;

5. Значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд: порядка 1 мкА у ионистора 2 Ф × 2,5 В;

6. Существенно меньшая скорость отдачи заряда по сравнению с обычными конденсаторами;

Преимущества:

1. Большие максимальные токи зарядки и разрядки;

2. Малая деградация даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда. Проводились исследования по определению максимального числа циклов заряд-разряд. После 100 000 циклов не наблюдалось ухудшения характеристик;

3. Высокое внутреннее сопротивление у большинства ионисторов (препятствует быстрому саморазряду, а также перегреву и разрушению);

4. Ионистор обладает длительным сроком службы (при 0.6 Uном. около 40000 часов с незначительным снижением емкости) ;

5. Малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной ёмкости.

6. Низкая токсичность материалов (кроме органических электролитов);

7. Неполярность (хотя на ионисторах и указаны «+» и «−», это делается для обозначения полярности остаточного напряжения после его зарядки на заводе-изготовителе);

8. Малая зависимость от окружающей температуры: могут работать как на морозе, так и на жаре;

9. Большая механическая прочность: выносят многократные перегрузки.