Ионисторы - аккумуляторы будущего?

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 временной интервал. Обыкновенный конденсатор – это две пластины из металла, между которыми расположен слой диэлектрика. Причем электрическая ёмкость конденсатора напрямую зависит от площади пластин, которые исполняют роль электродов. А поскольку увеличение пластин в размерах приводило к увеличению самого прибора, долгое время повысить ёмкость конденсаторов не удавалось. Однако выход всё же нашелся. Благодаря применению для изготовления электродов пористых материалов. Площадь пор такой пластины в десятки раз больше площади поверхности электрода из обычного металла.

После долгих опытов был найден и наиболее подходящий пористый металл. Им оказался обычный активированный уголь. 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 воды и ионов металла. Таким образом, получается устройство схожее по принципу действия с конденсатором.

Однако расстояние между зарядами, которые, по сути, являются электродами, гораздо меньше толщины диэлектрика, применяемого в обычном конденсаторе, поэтому и электрическая ёмкость такого устройства в десятки раз больше. Для сравнения: энергии обычного конденсатора хватит, чтобы поднять его в воздух примерно на полтора метра, а ионистор весом в 0,5 граммах может подпрыгнуть за счёт своего заряда на целых 293 метра. 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 т.д.). 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 перестает 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 емкости 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 ее вдвое, применяя нанотехнологии.