Ионисторы, также известные как суперконденсаторы или ультраконденсаторы, представляют собой электрохимические устройства, способные отдавать большое количество энергии за очень короткий промежуток времени. Эти устройства уже нашли широкое применение в различных отраслях и, возможно, в скором времени заменят традиционные химические элементы питания.
Ионистор (или суперконденсатор) – это конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, в котором «обкладками» служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. Функционально он представляет собой гибрид конденсатора и химического источника тока.
Первые ионисторы были запатентованы компанией General Electric в 1957 году. Их ключевая особенность заключается в способности отдавать большое количество энергии за очень короткий промежуток времени. Обычный конденсатор состоит из двух металлических пластин, между которыми находится слой диэлектрика. Электрическая ёмкость конденсатора зависит от площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Увеличение площади пластин приводило к увеличению размеров прибора, что долгое время ограничивало ёмкость конденсаторов. Однако применение пористых материалов для изготовления электродов позволило значительно увеличить площадь поверхности пластин, что в свою очередь увеличило ёмкость конденсаторов.
После долгих исследований были найдены подходящие пористые материалы, такие как активированный уголь и различные вспененные металлы. Эти материалы подбираются в зависимости от типа электролита. Общая площадь поверхности пористого материала значительно больше, чем у гладкого электрода, что позволяет хранить заряд в сравнительно малом объёме. Следующим шагом в развитии ионисторов 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 электролита и металла, что делает устройство схожим по принципу действия с конденсатором.
Расстояние между зарядами в ионисторе значительно меньше, чем в обычном конденсаторе, что увеличивает его электрическую ёмкость. Для сравнения: энергии обычного конденсатора хватит, чтобы поднять его в воздух примерно на полтора метра, а ионистор массой в один грамм может подпрыгнуть за счёт своего заряда более чем на пятьсот метров. 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 предотвратить полную разрядку 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;
Высокая плотность накапливаемой энергии;
Отсутствие нагрева при работе, в отличие от энергоносителей, основанных на химических реакциях;
Удобство зарядки: при полном заряде ионистор перестаёт принимать заряд;
Широкий диапазон рабочих температур (от –50 до +85 градусов Цельсия);
Экологическая безопасность;
Высокий коэффициент полезного действия (до 98%).
Эти преимущества делают ионисторы перспективными для широкого применения. Они уже нашли применение в компьютерных устройствах в качестве источников питания для элементов памяти, в микроэлектронике и радиотехнике в качестве кратковременных мощных источников тока и источников бесперебойного питания. В современных автомобилях с гибридной силовой установкой суперконденсаторы используются для уменьшения нагрузки на аккумулятор. Ионисторы малой ёмкости устанавливаются в мобильные телефоны, а особо мощные – в автомобили. В сравнении с обычными химическими батареями, ионисторы выигрывают по многим параметрам: они экологически безопасны, имеют неограниченное количество циклов заряда, быстро заряжаются и не склонны к перегреву. Единственным препятствием для их более широкого использования является высокая цена, но производители рассчитывают снизить её вдвое в ближайшие 5 лет благодаря применению нанотехнологий.
Таким образом, ионисторы представляют собой перспективное направление в области электрохимических устройств, способное значительно изменить рынок источников питания в ближайшем будущем.