Можно ли заменить суперконденсатор вместо аккумулятора

Около 50 лет назад на рынке автономных источников питания появились новые на тот момент изделия — ионисторы (они же суперконденсаторы). Из-за невысоких потребительских качеств большого распространения они тогда не получили. Но технологии постепенно совершенствовались, и сейчас многие специалисты делают уверенные прогнозы, что ионисторы большой емкости в ближайшем будущем вытеснят обычные аккумуляторы (в том числе, из сегмента стартерных батарей).

Отличия ионисторов от аккумуляторов

Суперконденсаторы иногда называют промежуточным звеном между конденсаторами и аккумуляторами. На самом деле это не совсем верно. Ионистор по своей сути – это все же конденсатор.

Принцип работы любого аккумулятора основан на обратимых электрохимических реакциях. При зарядке они идут в одну сторону, при разрядке – в обратную. Так, в свинцово-кислотной автомобильной батарее под действием зарядного напряжения сульфат свинца и вода реагируют с образованием свинца, оксида свинца и серной кислоты. Под действием разрядного тока происходит обратная реакция. Количество циклов заряд-разряд ограничивается образованием сульфата свинца, постепенно покрывающего пластины, и коррозией металлических элементов.

Иное дело конденсатор. В общем случае в нем электрохимических реакций не происходит. Прибор состоит из двух пластин (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, причем форма обкладок может быть различной. Для компактности конденсаторы часто изготавливают в виде двух полосок фольги, разделенных диэлектриком и свернутых в плоский или круглый рулон.

Оксидные конденсаторы имеют подобную конструкцию, но их принцип устройства другой. Одной обкладкой служит полоска фольги, другой – электролит. Диэлектриком является тонкий слой оксида. Вторая полоса фольги является токосъемником.

Заряд накапливается на пластинах под действием приложенного электрического поля. При этом не происходит химических реакций, не происходит расхода и преобразования реагентов, пластины и диэлектрик не деградируют во время накопления и отдачи энергии.

Емкость конденсатора зависит от трех составляющих:

• свойств диэлектрика;
• площади обкладок (чем она больше, тем больше емкость);
• расстояния между пластинами (чем оно меньше, тем больше емкость).

Отсюда пути для увеличения емкости:

• увеличение площади обкладок;
• уменьшение расстояния между ними.

Совершенствование диэлектрических свойств изолятора – путь не очень перспективный, прорывов здесь ожидать сложно. Создатели ионисторов достигли цели с помощью первых двух способов.

Расстояние между обкладками удалось радикально сократить путем применения двойного электрического слоя. В нем обкладками служат ионы – носители противоположного заряда, группирующиеся на границе раздела металл-электролит. Расстояние между ними крайне мало по сравнению с обычными конденсаторами и даже с оксидными. Вообще, принципы построения ионистора схожи с принципами оксидного конденсатора. Суперконденсатор получил от оксидников некоторые «наследственные болезни», например, небольшое (даже меньшее – в пределах 2..10 вольт) рабочее напряжение. Более высокий уровень тонкий слой межобкладочного «диэлектрика» не выдерживает.

Принципиально большую площадь обкладок удалось получить применением пористого материала. Обычно применяется активированный уголь или вспененный металл. В итоге емкость ионисторов может достигать несколько сотен фарад. Это очень большая величина – для сравнения, земной шар имеет электрическую емкость около 1 Ф. Причем заряжать такой суперкоденсатор можно большими токами. В результате процесс может занять секунды или минуты.

Изначально ионистор полярности не имеет. Но при выходе с завода у него есть обозначение плюсового и минусового выводов – результат остаточного заряда. Эту полярность приходится соблюдать во время эксплуатации.

На практике анод и катод разделяют сепаратором. Это позволяет выполнить ионистор в виде рулона или в виде многослойной конструкции и избежать короткого замыкания между электродами. В процессах запасания и отдачи энергии сепаратор не участвует.

Существует другой тип ионисторов – псевдоконденсаторы. Они по своему принципу работы ближе к аккумуляторам, потому что для накопления заряда также используют обратимые электрохимические процессы. Основное отличие электрохимических конденсаторов от АКБ в том, что реакции идут только на поверхностном слое, за счет этого скорость пополнения запаса энергии ближе к конденсаторам. От аккумуляторов же унаследована склонность к электрохимической деградации элементов конструкции. Это приводит к сокращению периода эксплуатации. Такой суперконденсатор выдерживает порядка десятков тысяч циклов заряд-разряд, в отличие от сотен тысяч для обычных ионисторов (они в теории имеют бесконечное время жизни). Зато у псевдоконденсаторов большая удельная емкость и они считаются более перспективными в плане развития технологии.

Видео-эксперимент с питанием шуруповерта от конденсаторов.

Где применяются суперконденсаторы

Область применения ионисторов определяется совокупностью их плюсов и минусов. К достоинствам суперконденсаторов помимо упомянутого большого ресурса относят:

1. Быстрый заряд, к тому же его не надо контролировать – процесс происходит без выделения тепла.
2. Работа в широком диапазоне температур.
3. Небольшие массогабаритные показатели.
4. Возможность быстрого и глубокого разряда.

Существуют и недостатки:

• высокая стоимость;
• относительно высокая склонность к саморазряду;
• небольшое рабочее напряжение.

Второй недостаток обходится сборкой элементов в батареи для получения нужного напряжения. Впрочем, то же самое относится и к аккумуляторам.

Еще одна особенность суперконденсаторов, которая в некоторых случаях является недостатком – значительное снижение напряжения при разряде. В нем не идут электрохимические реакции, поддерживающие напряжение примерно на одном уровне в начале разрядки, поэтому выходной уровень начнет падать сразу после подключения нагрузки.

Все это позволяет использовать суперконденсаторы в качестве резервных источников питания. Очень удобно их применять вместо АКБ в автономных устройствах, устанавливаемых удаленно. Длительный период работы и отсутствие необходимости сервисных операций удешевляют эксплуатацию и повышают надежность таких объектов. К таким устройствам относятся элементы телемеханики, удаленные измерительные приборы. Также удобно применять ионисторы в качестве буферных элементов на объектах ветроэнергетики, преобразователей солнечной энергии в электрическую и т.п.

В видео тестируют ионисторы на 500 фарад.

Есть ли смысл менять ионистор вместо автомобильного аккумулятора

Многих автолюбителей не покидает мысль использовать суперконденсатор вместо аккумулятора для автомобиля. Существуют формулы для пересчета емкости из фарад в привычные ампер*часы (1 Ф при напряжении 1 В равен 1/3600 А*ч).

В результате экспериментов имеются данные, что пуск автомобиля от батареи из 6 суперконденсаторов по 500 Ф, заряженных до 12 вольт, происходит успешно как в теплое, так и в холодное время года (общая емкость батареи конденсаторов при последовательном соединении составляет менее 100 Ф).

Читайте также: Примеры и способы соединения конденсаторов

А дальше не все так радужно. Напряжение при этом быстро падает до 9..10 вольт. Для накопителя это не страшно, и этого даже хватает еще на одну прокрутку стартера. Но вот светосигнальное оборудование и другие электронные устройства на такое низкое напряжение не рассчитаны. Аварийную сигнализацию и ближний свет без запуска двигателя включить не получается. К тому же саморазряд сажает батарею до непригодного для запуска состояния уже через сутки. Хотя многие производители ионисторов декларируют суточный саморазряд в районе 10%, по факту он намного больше. Возможно, это зависит от добросовестности заявителя или от качества изготовления суперконденсатора.

Напрашивается очевидный вывод. Несмотря на прогнозы специалистов, на сегодняшний день ионистор полноценно заменить аккумуляторную батарею не может. В качестве возимого резервного источника питания суперконденсаторы также непригодны из-за быстрого саморазряда. Вполне возможно применение в гараже в качестве быстрозаряжаемого пускового источника энергии при отсутствии пускозарядного устройства и времени для ожидания зарядки истощенной штатной АКБ. Для полной замены аккумуляторов суперконденсаторами надо подождать развития технологий.