Super velké kondenzátory. Studený start spalovacího motoru. Instalace hybridního modulu Titan umožní

Superkondenzátory se stále více stávají nezbytnou součástí elektronických systémů automobilů. Superkondenzátor pro automobil řeší problém spouštění motoru, čímž snižuje zatížení baterie. Optimalizací schémat zapojení se navíc snižuje hmotnost vozidla.
Superkondenzátory našly široké uplatnění při výrobě hybridních automobilů. Jejich práce generátoru závisí na spalovacím motoru a vůz je poháněn elektromotory. Superkondenzátor pro auto v takovém schématu je zdrojem rychle získané energie při rozjezdu a zrychlování. Při brzdění se pohon dobíjí.
V dnešní době se superkondenzátor používá jen částečně místo baterie. V blízké budoucnosti se však úplná náhrada s největší pravděpodobností stane skutečnou, protože vědci takové technologie aktivně vyvíjejí.

Kdy je potřeba superkondenzátor ke spuštění motoru?
Superkondenzátor pro automobil je vyžadován v případech, kdy existuje riziko, že standardní baterie nezvládne úkol nastartovat spalovací motor. Například superkondenzátor pro auto pomáhá v následujících situacích:
- baterie se chronicky nenabíjí v podmínkách častých jízd na krátké vzdálenosti;
- výkon baterie nestačí ke spuštění motoru. Nejčastěji tento problém vzniká v zimě;
- je nutné snížit špičkovou zátěž baterie pro prodloužení její životnosti.
I když je baterie zcela mimo provoz, někteří používají místo baterie superkondenzátor. Řeší problém se startováním motoru a v budoucnu je palubní síť napájena převážně z generátoru. Doporučuje se však používat superkondenzátor místo baterie pouze v nouzovém režimu, dokud nebude možné nainstalovat novou baterii.
V normální situaci se superkondenzátor používá ke spuštění motoru v následujícím formátu. Je zapojen paralelně s akumulátorem a přebírá hlavní zátěž v okamžiku spuštění. Zpožděný startér může odebírat velmi vysoký proud (stovky ampérů). Je to tento počáteční startovací proud pro pevný startér a klikový hřídel, který bude generován pro vůz. Když je zajištěna hlavní zátěž, superkondenzátor spolu s baterií spustí motor v tišším režimu.
Ionistory do auta nejen prodlužují životnost baterie, ale mají také pozitivní vliv na chod palubní elektroniky. Při použití superkondenzátorů pro automobily se snižuje úbytek napětí v době startování, takže všechny elektronické součástky pracují ve stabilnějším režimu. Ze stejného důvodu se zlepšil výkon zapalovacího systému.
Při jízdě pak svazek baterie a superkondenzátor pro automobil vyhladí poklesy napětí, ke kterým dochází v palubní síti. Vznikají z toho, jak se chová různá elektrická zařízení při různém zatížení a otáčkách motoru. Přítomnost superkondenzátoru v obvodu minimalizuje negativní dopad takových rázů. Více o možnosti použití superkondenzátoru místo baterie i souběžně s ním se dozvíte u našich konzultantů.

Technologie baterií dnes výrazně pokročila a je sofistikovanější než v minulém desetiletí. Dobíjecí baterie však zatím zůstávají spotřebním materiálem, protože mají krátký zdroj.

Myšlenka použití kondenzátoru pro ukládání a ukládání energie není nová a první experimenty byly prováděny s elektrolytickými kondenzátory. Kapacita elektrolytických kondenzátorů může být značná - stovky tisíc mikrofaradů, ale stále nestačí k dlouhodobému napájení zátěže, i když ne velké, navíc díky konstrukčním prvkům existuje významný svodový proud.

Moderní technologie nestůj a superkondenzátor byl vynalezen, je to kondenzátor, má extra velkou kapacitu - od jednotek farad až po desítky tisíc farad. Faradovy kondenzátory se používají v přenosné elektronice k zajištění nepřerušitelného napájení nízkoproudých obvodů, jako je mikrokontrolér. Superkondenzátory o kapacitě desítek tisíc farad se používají ve spojení s bateriemi k napájení různých elektromotorů. Superkondenzátor v této kombinaci snižuje zatížení baterií, což výrazně zvyšuje jejich životnost a zároveň zvyšuje startovací proud, který je napájecí systém hybridního motoru schopen dodat.

Bylo nutné napájet teplotní senzor, aby nedošlo k výměně baterie v něm. Senzor je napájen AA baterií a zapíná se, aby každých 40 sekund posílal data do meteostanice. V okamžiku odeslání odebírá senzor průměrně 6 mA po dobu 2 sekund.

Přišel nápad použít solární baterii a superkondenzátor. Na základě zjištěných charakteristik spotřeby snímače byly odebrány následující prvky:
1. Solární baterie 5 V a proud přibližně 50 mA (Sovětská solární baterie stará přibližně 15 let)
2. Superkondenzátor: Panasonic 5,5 V a 1 farad.
3. Ionistory 2 ks: DMF 5,5 V a celková kapacita 1 farad.
4. Schottkyho dioda s přímým úbytkem napětí při nízkém proudu 0,3 V.
Schottkyho dioda je nezbytná pro zabránění vybití kapacity přes solární panel.
Superkondenzátory jsou zapojeny paralelně a celková kapacita je 2 farady.

Foto 1.

Experiment č. 1- Připojil jsem mikrokontrolér s monochromatickým LCD displejem a celkovým proudovým odběrem 500 μA. Přestože mikrokontrolér s displejem fungoval, všiml jsem si, že staré solární články byly extrémně neúčinné, nabíjecí proud ve stínu byl nedostatečný k tomu, aby se superkondenzátory vůbec nabily, napětí na 5voltové solární baterii ve stínu bylo menší než 2 voltů. (Na fotografii není z nějakého důvodu zobrazen mikrokontrolér s displejem).

Experiment č. 2
Abych zvýšil šanci na úspěch, zakoupil jsem z rádiového trhu nové solární články o nominální hodnotě 2 V, proud 40 mA a 100 mA, vyrobené v Číně, plněné optickou pryskyřicí. Pro srovnání, tyto baterie ve stínu již vydávaly 1,8 V, s ne velkým nabíjecím proudem, ale stále mnohem lepším nabíjecím superkondenzátorem.
Po připájení konstrukce již s nová baterie, se Schottkyho diodou a kondenzátory jsem to dal na parapet, aby se nabil kondenzátor.
Navzdory tomu, že sluneční záření přímo nedopadalo na baterii, po 10 minutách byl kondenzátor nabit na 1,95 V. Vzal teplotní čidlo, vyjmul z něj baterii a na kontakty bateriového prostoru připojil superkondenzátor se solárním akumulátorem.

Foto 2.

Teplotní čidlo začalo okamžitě fungovat a přenášelo pokojovou teplotu do meteostanice. Poté, co jsem se ujistil, že senzor funguje, jsem k němu připevnil kondenzátor se solární baterií a zavěsil jej na místo.
Co se stalo pak?
Celou denní dobu senzor fungoval správně, ale s nástupem tmy po hodině senzor přestal vysílat data. Je zřejmé, že uložený náboj nestačil ani na hodinu provozu senzoru a pak se ukázalo, proč ...

Experiment č. 3
Rozhodl jsem se mírně upravit konstrukci tak, aby byl superkondenzátor (vrácená sestava superkondenzátoru 2 farad) plně nabitý. Sestavil jsem baterii ze tří článků, vyšlo 6 voltů a proud 40 mA (při plném slunečním osvětlení). Tato baterie ve stínu již dávala až 3,7 V místo předchozích 1,8 V (foto 1) a nabíjecí proud až 2 mA. V souladu s tím se superkondenzátor nabil až na 3,7 V a měl již podstatně více uložené energie ve srovnání s experimentem č. 2.

Foto 3.

Všechno by bylo v pořádku, ale nyní máme na výstupu až 5,5 V a snímač je napájen z 1,5 V. Je zapotřebí DC / DC převodník, což zase přináší další ztráty. Převodník, který jsem měl skladem, spotřebovával cca 30 μA a na výstupu dával 4,2 V. Zatím se mi nepodařilo najít potřebný převodník pro napájení teplotního čidla z modernizovaného provedení. (Bude nutné vybrat převodník a experiment opakovat).

O energetických ztrátách:
Výše bylo zmíněno, že superkondenzátory mají samovybíjecí proud, v tomto případě pro montáž 2 farad to bylo 50 μA, stejně jako ztráty v DC / DC měniči řádově 4 % (deklarovaná účinnost 96 %) a jsou zde připočteny jeho otáčky naprázdno 30 μA. Pokud nepočítáme konverzní ztráty, máme již spotřebu cca 80 μA.
Na úsporu energie je třeba dávat velký pozor, protože bylo experimentálně zjištěno, že superkondenzátor s kapacitou 2 farady nabitý na 5,5 V a vybitý na 2,5 V má tzv. „bateriovou“ kapacitu 1 mA. Jinými slovy, hodinovým odběrem 1 mA ze superkondenzátoru jej vybijeme z 5,5 V na 2,5 V.

O sazbě poplatků přímo sluneční světlo:
Proud odebíraný ze solární baterie je tím vyšší, čím lépe je baterie přímo osvětlena sluneční paprsky... V souladu s tím se rychlost nabíjení superkondenzátoru výrazně zvyšuje.

Foto 4.

Z odečtů multimetru je vidět (0,192 V, počáteční údaje), po 2 minutách se kondenzátor nabil na 1,161 V, po 5 minutách na 3,132 V a po dalších 10 minutách 5,029 V. Během 17 minut byl superkondenzátor nabit na 90 %. Je třeba poznamenat, že osvětlení solárního panelu bylo po celou dobu nerovnoměrné a probíhalo přes dvojité okenní sklo a ochrannou fólii baterie.

Experiment č. 3 Technická zpráva
Specifikace rozvržení:
- Solární baterie 12 článků, 6 V, proud 40 mA (při plném oslunění), (ve stínu zataženého počasí 3,7 V a proud 1 mA se zátěží na superkondenzátor).
- Superkondenzátory jsou zapojeny paralelně, celková kapacita 2 Farady, přípustné napětí 5,5 V, samovybíjecí proud 50 μA;
- Schottkyho dioda s propustným úbytkem napětí 0,3 V, sloužící k oddělení solární baterie a napájení superkondenzátoru.
- Rozměry rozložení 55 x 85 mm (plastová karta VISA).
Podařilo se nám zapnout z tohoto rozložení:
Mikrokontrolér s LCD displejem (spotřeba proudu 500 μA při 5,5 V, doba provozu bez solární baterie, přibližně 1,8 hodiny);
Teplotní senzor, denní světlo se solární baterií, odběr 6 mA po dobu 2 sekund každých 40 sekund;
LED svítila 60 sekund při průměrném proudu 60 mA bez solární baterie;
Testován byl také DC / DC měnič napětí (pro stabilní napájení), se kterým bylo možné získat 60 mA a 4 V, během 60 sekund (při nabití superkondenzátoru až na 5,5 V, bez solární baterie).
Ze získaných dat vyplývá, že superkondenzátory v tomto provedení mají přibližnou kapacitu 1 mA (bez dobíjení ze solární baterie s vybíjením do 2,5 V).

Závěry:
Tato konstrukce umožňuje ukládat energii do kondenzátorů pro nepřetržité napájení mikrospotřebičů. Kumulovaná kapacita 1 mA na 2 farady kapacity kondenzátoru by měla stačit k zajištění provozuschopnosti mikroprocesoru s nízkou spotřebou ve tmě po dobu 10 hodin. V tomto případě by celkové proudové ztráty a spotřeba zátěží neměly překročit 100 μA. Přes den se superkondenzátor dobíjí ze solární baterie i ve stínu a je schopen dodávat zátěž v pulzním režimu proudem až 100 mA.

Odpovídáme na otázku v nadpisu článku - Může superkondenzátor nahradit baterii?
- může nahradit, ale zatím s výrazným omezením odběru proudu a režimu provozu zátěže.

nedostatky:

• malá kapacita energetické rezervy (přibližně 1 mA na každé 2 farady kapacity superkondenzátoru)
• značný samovybíjecí proud kondenzátorů (přibližná ztráta 20 % kapacity za den)
• rozměry konstrukce jsou určeny solární baterií a celkovou kapacitou superkondenzátorů.

• žádné opotřebení chemických prvků (baterie)
• rozsah provozních teplot od -40 do +60 stupňů Celsia
• jednoduchost designu
• ne vysoké náklady

Foto 5.

Na jedné straně desky je solární baterie, na druhé straně sestava superkondenzátorů a DC / DC měnič.

Specifikace:

• Solární baterie 12 článků, 6 V, proud 60 mA (při plném oslunění);
• Superkondenzátory celková kapacita 4; 6 nebo 16 Faradů, dovolené napětí 5,5 V, celkový samovybíjecí proud, respektive 120 \ 140 \ (zatím není známo) μA;
• Dvojitá Schottkyho dioda s propustným úbytkem napětí 0,15 V, používaná pro oddělení napájení solární baterie a superkondenzátoru;
• Rozměry rozložení: 55 x 85 mm (plastová karta VISA);
• Odhadovaná kapacita bez dobíjení ze solárních panelů při instalaci kondenzátorů 4; 6 nebo 16 Faradů je přibližně 2/3/8 mA.

P. S. Pokud si všimnete překlepu, chyby nebo nepřesnosti ve výpočtech - napište nám osobní zprávu a my vše obratem opravíme.

Pokračování příště…

Elektrická kapacita zeměkoule, jak je známo z kurzu fyziky, je přibližně 700 μF. Konvenční kondenzátor této kapacity lze hmotnostně a objemově porovnat s cihlou. Existují ale i kondenzátory s elektrickou kapacitou zeměkoule, velikostí rovnou zrnku písku – superkondenzátory.

Taková zařízení se objevila relativně nedávno, před dvaceti lety. Říká se jim jinak: ionistory, ionty nebo jednoduše superkondenzátory.

Nemyslete si, že jsou dostupné pouze některým leteckým firmám s vysokým létáním. Dnes si v obchodě můžete koupit superkondenzátor o velikosti mince a kapacitě jednoho farada, což je 1500násobek kapacity zeměkoule a blíží se kapacitě největší planety. Sluneční Soustava- Jupiter.

Jakýkoli kondenzátor uchovává energii. Abychom pochopili, jak velká nebo malá je energie uložená v superkondenzátoru, je důležité ji s něčím porovnat. Zde je poněkud neobvyklý, ale vizuální způsob.

Energie obyčejného kondenzátoru stačí na to, aby vyskočil asi o metr a půl. Maličký 58-9V superkondenzátor o hmotnosti 0,5 g, nabitý napětím 1 V, dokázal vyskočit do výšky 293 m!

Někdy se má za to, že superkondenzátory jsou schopny nahradit jakoukoli baterii. Novináři zobrazili svět budoucnosti tichými elektromobily poháněnými superkondenzátory. Ale to ještě zdaleka není. Ionistor o hmotnosti jeden kg je schopen uložit 3000 J energie a nejhorší olověná baterie - 86 400 J - je 28krát více. Při dodání vysokého výkonu v krátké době se však baterie rychle vybije a vybije se jen z poloviny. Superkondenzátor vydává jakýkoli výkon opakovaně a bez újmy na sobě, pokud by jim vydržely propojovací vodiče. Superkondenzátor lze navíc nabít během několika sekund a baterie obvykle trvá hodiny.

To určuje oblast použití superkondenzátoru. Je dobrý jako zdroj energie pro zařízení, která krátkodobě, ale často dostačují, spotřebují hodně energie: elektronická zařízení, svítilny, startéry do aut, elektrické sbíječky. Superkondenzátor lze využít i pro vojenské účely jako zdroj energie pro elektromagnetické zbraně. A v kombinaci s malou elektrárnou vám superkondenzátor umožňuje vytvářet automobily s elektrickým pohonem kol a spotřebou paliva 1-2 litry na 100 km.

Ionistory pro širokou škálu kapacit a provozních napětí jsou v prodeji, ale jsou drahé. Pokud tedy máte čas a zájem, můžete si zkusit vyrobit ionistor sami. Před konkrétní radou ale trocha teorie.

Z elektrochemie je známo: ponořením kovu do vody se na jeho povrchu vytvoří tzv. dvojitá elektrická vrstva složená z opačných elektrických nábojů - iontů a elektronů. Působí mezi nimi síly vzájemné přitažlivosti, ale nálože se nemohou přiblížit. Tomu brání přitažlivé síly vody a molekul kovů. Elektrická dvojvrstva v podstatě není nic jiného než kondenzátor. Náboje soustředěné na jeho povrchu hrají roli desek. Vzdálenost mezi nimi je velmi malá. A jak víte, kapacita kondenzátoru se zvyšuje se zmenšováním vzdálenosti mezi jeho deskami. Proto například kapacita běžného ocelového paprsku ponořeného do vody dosahuje několika mF.

Superkondenzátor se v podstatě skládá ze dvou elektrod s velmi velkou plochou ponořených do elektrolytu, na jejichž povrchu se působením přiloženého napětí vytvoří elektrická dvojvrstva. Pravda, s použitím obyčejných plochých desek by bylo možné získat kapacitu jen několik desítek mF. Pro získání velkých kapacit charakteristických pro ionistory se v nich používají elektrody vyrobené z porézních materiálů s velkým povrchem pórů a malými vnějšími rozměry.

Pro tuto roli byly včas vyzkoušeny houbové kovy od titanu po platinu. Ukázalo se však, že je nesrovnatelně lepší než všichni ostatní ... obyčejné aktivní uhlí. Jedná se o dřevěné uhlí, které se po speciálním zpracování stává pórovitým. Plocha pórů 1 cm3 takového uhlí dosahuje tisíce metrů čtverečních a kapacita elektrické dvouvrstvy na nich je deset farad!

Podomácku vyrobený superkondenzátor Obrázek 1 ukazuje konstrukci superkondenzátoru. Skládá se ze dvou kovových desek, pevně přitlačených k "náplni". aktivní uhlí... Uhlí je položeno ve dvou vrstvách, mezi nimiž je tenká separační vrstva látky, která nevede elektrony. To vše je nasyceno elektrolytem.

Při nabíjení superkondenzátoru se na pórech uhlí v jedné polovině vytvoří dvojitá elektrická vrstva s elektrony na povrchu a ve druhé s kladnými ionty. Po nabití začnou ionty a elektrony proudit k sobě. Když se setkají, vytvoří se neutrální atomy kovu a nahromaděný náboj se sníží a časem může úplně zmizet.

Aby se tomu zabránilo, je mezi vrstvy aktivního uhlí vložena separační vrstva. Může se skládat z různých tenkých plastových fólií, papíru a dokonce i vaty.
U amatérských ionistorů je elektrolytem 25% roztok chloridu sodného nebo 27% roztok KOH. (Při nižších koncentracích se na kladné elektrodě nevytvoří vrstva záporných iontů.)

Jako elektrody se používají měděné desky s předpájenými dráty. Jejich pracovní plochy by měly být očištěny od oxidů. V tomto případě je vhodné použít hrubozrnný brusný papír, který zanechává škrábance. Tyto škrábance zlepší přilnavost dřevěného uhlí k mědi. Pro dobrou přilnavost je třeba desky odmastit. Odmašťování desek se provádí ve dvou fázích. Nejprve se umyjí mýdlem a poté se otírají zubním práškem a smyjí proudem vody. Poté byste se jich neměli dotýkat prsty.

Aktivní uhlí zakoupené v lékárně se rozemele v hmoždíři a smícháním s elektrolytem vznikne hustá pasta, kterou rozetřeme na pečlivě odtučněné talíře.

Při prvním testu se desky s papírovou podložkou položí na sebe, poté zkusíme nabít. Ale je tu jemnost. Při napětí větším než 1 V začíná uvolňování plynů H2, O2. Ničí uhlíkové elektrody a brání našemu zařízení v provozu v režimu superkondenzátoru.

Proto jej musíme nabíjet ze zdroje s napětím ne vyšším než 1 V. (Právě toto napětí pro každý pár desek je doporučeno pro provoz průmyslových superkondenzátorů.)

Podrobnosti pro zvědavce

Nad 1,2 V se superkondenzátor změní na plynový akumulátor. Jedná se o zajímavé zařízení, rovněž sestávající z aktivního uhlí a dvou elektrod. Konstrukčně je ale vyroben jinak (viz obr. 2). Obvykle vezmou dvě uhlíkové tyče ze starého elektrochemického článku a kolem nich uvážou gázové sáčky s aktivním uhlím. Jako elektrolyt se používá roztok KOH. (Neměl by se používat roztok chloridu sodného, ​​protože při rozkladu se uvolňuje chlór.)

Energetická kapacita plynového akumulátoru dosahuje 36 000 J / kg, neboli 10 Wh / kg. To je 10krát více než u superkondenzátoru, ale 2,5krát méně než u konvenčních olověných baterií. Plynový akumulátor však není jen akumulátor, ale velmi unikátní palivový článek. Při jeho nabíjení se na elektrodách uvolňují plyny – kyslík a vodík. „Usazují se“ na povrchu aktivního uhlí. Když se objeví zátěžový proud, dojde k jejich spojení s tvorbou vody a elektrický proud... Tento proces je však bez katalyzátoru velmi pomalý. A jak se ukázalo, pouze platina může být katalyzátorem ... Proto na rozdíl od ionistoru nemůže akumulátor plynu produkovat velké proudy.

Přesto moskevský vynálezce A.G. Presnyakov (http: //chemfiles.narod .r u / hit / gas_akk.htm) úspěšně použil plynový akumulátor ke spuštění motoru náklaďáku. Jeho solidní hmotnost – téměř třikrát větší než obvykle – byla v tomto případě snesitelná. Ale nízká cena a nepřítomnost tak škodlivých materiálů, jako je kyselina a olovo, se zdály být extrémně atraktivní.

Ukázalo se, že plynový akumulátor nejjednodušší konstrukce má sklon k úplnému samovybití za 4-6 hodin. Tím byly experimenty ukončeny. Kdo potřebuje auto, které nelze po přenocování nastartovat?

Ale přesto" velké vybavení»Nezapomněl jsem ani na plynové akumulátory. Výkonné, lehké a spolehlivé, najdeme je na některých satelitech. Proces v nich probíhá pod tlakem asi 100 atm a jako absorbér plynu se používá houbový nikl, který za takových podmínek funguje jako katalyzátor. Celé zařízení je uloženo v ultralehkém válci z uhlíkových vláken. Výsledkem jsou baterie s energetickou kapacitou téměř 4x vyšší než u olověných baterií. Elektromobil na nich mohl ujet zhruba 600 km. Ale bohužel jsou stále velmi drahé.

Hype kolem stavby Elona Muska „Gigatovárny akumulátorů“ na výrobu lithium-iontových baterií ještě neutichl, když se objevila zpráva o události, která by mohla plány „miliardářského revolucionáře“ výrazně upravit.
Toto je nedávná tisková zpráva společnosti Společnost Sunvault Energy Inc., který spolu s Edisonova energetická společnost podařilo vytvořit největší grafenový superkondenzátor na světě s kapacitou 10 tisíc (!) Faradů.
Tento údaj je tak fenomenální, že tuzemští odborníci pochybují – i 20 mikrofaradů (tedy 0,02 milifaradů) v elektrotechnice je hodně. Není však pochyb o tom, že ředitelem Sunvault Energy je Bill Richardson, bývalý guvernér Nového Mexika a bývalý ministr energetiky USA. Účtovat Nobelova cena svět. V roce 2008 byl jedním z demokratických kandidátů na prezidenta Spojených států, ale prohrál s Barackem Obamou.

Dnes se Sunvault rychle rozvíjí, s Edison Power Company vytvořil společný podnik s názvem Supersunvault a v představenstvu nové společnosti jsou nejen vědci (jeden z ředitelů je biochemik, další podnikavý onkolog), ale také slavní lidé s dobrým obchodním duchem. Rád bych poznamenal, že jen za poslední dva měsíce společnost navýšila kapacitu svých superkondenzátorů desetinásobně – z 1 000 na 10 000 Faradů a slibuje, že ji ještě navýší, aby energie uložená v kondenzátoru stačila pro zásobování celý dům, tedy Sunvault je připraven jednat přímo jako konkurent Elona Muska, který plánuje vydat superbaterie typu Powerwall s kapacitou asi 10 kWh.

Výhody technologie grafenu a konec „Gigafactory“.

Zde je třeba připomenout hlavní rozdíl mezi kondenzátory a bateriemi - pokud se ty první rychle nabijí a vybíjejí, ale akumulují málo energie a baterie jsou naopak. Poznámka hlavní výhody grafenových superkondenzátorůproti.

1. Rychlé nabíjení- kondenzátory se nabíjejí asi 100-1000krát rychleji než baterie.

2. Láce: pokud běžné lithium-iontové baterie stojí asi 500 dolarů za 1 kWh akumulované energie a pak superkondenzátor - pouze 100 a do konce roku tvůrci slibují snížení nákladů na 40 dolarů. Svým složením se jedná o obyčejný uhlík - jeden z nejběžnějších chemických prvků na Zemi.

3. Kompaktnost a hustota energie a... Nový grafenový superkondenzátor zaujme nejen svou fantastickou kapacitou, předčící známé vzorky asi tisíckrát, ale také svou kompaktností - má velikost malé knihy, tedy stokrát kompaktnější než kondenzátory 1 Farad. aktuálně používaný.

4. Bezpečnost a šetrnost k životnímu prostředí... Jsou mnohem bezpečnější než baterie, které se zahřívají, obsahují nebezpečné chemikálie a někdy také explodují.Grafen sám o sobě je biologicky odbouratelná látka, to znamená, že se na slunci jednoduše rozloží a nekazí životní prostředí. Je chemicky neaktivní a neničí životní prostředí.

5. Jednoduchost nové technologie výroby grafenu... Obrovská území a investice, množství dělníků, jedovaté a nebezpečné látky používané v technologický postup lithium-iontové baterie – to vše v ostrém kontrastu s překvapivou jednoduchostí nové technologie. Faktem je, že grafen (tedy nejtenčí, monoatomický uhlíkový film) se v Sunvault získává ... pomocí konvenčního CD-disku, na který je nalita část grafitové suspenze. Poté se disk vloží do běžné DVD mechaniky a pomocí speciálního programu se vypálí laserem – a grafenová vrstva je hotová! Uvádí se, že objev učinil náhodou - student Maher El-Cadi, který pracoval v laboratoři chemika Richarda Kanera. Poté disk vypálil pomocí LightScribe a vytvořil vrstvu grafenu.
A co víc, řekl generální ředitel Sunvault Gary Monahan na konferenci na Wall Street, na které firma pracuje grafenová zařízení pro ukládání energie a mohla by být vyrobena konvenčním tiskem na 3D tiskárně- a tím bude jejich výroba nejen levná, ale i prakticky dostupná všem. A v kombinaci s levnými solárními panely (dnes jejich cena klesla na 1,3 dolaru za watt) dají grafenové superkondenzátory milionům lidí šanci získat energetickou nezávislost úplným odpojením od napájecích sítí, a ještě více – stát se elektřinou. samotných dodavatelů a ničení "přirozených "monopolů.
Není tedy pochyb: grafen superkondenzátory jsou revoluční průlom v oblasti skladování energie a ... A to je pro Elona Muska špatná zpráva - výstavba závodu v Nevadě ho bude stát asi 5 miliard dolarů, což by bylo obtížné „dobyt zpět“ i bez takových konkurentů. Zdá se, že pokud výstavba továrny v Nevadě již probíhá a je pravděpodobné, že bude dokončena, pak další tři, které Musk naplánoval, pravděpodobně nebudou položeny.

Přístup na trh? Ne tak brzy, jak bychom chtěli.

Revoluční charakter této technologie je zřejmý. Další věc je nejasná – kdy vstoupí na trh? Už dnes vypadá těžkopádný a nákladný projekt lithium-iontové „Gigafactory“ Elona Muska jako dinosaurus industrialismu. Nicméně, jakkoli revoluční, potřebný a ekologický míč nová technologie, to neznamená, že k nám přijde za rok nebo dva. Svět kapitálu se nemůže vyhnout finančním turbulencím, ale těm technologickým se docela úspěšně vyhýbá. V takových případech začínají fungovat zákulisní dohody mezi velkými investory a politickými hráči. Stojí za to připomenout, že Sunvault je kanadská firma a v představenstvu jsou lidé, kteří, ačkoli mají rozsáhlé vazby na politickou elitu Spojených států, stále nejsou součástí jejího petrodolarového jádra, což je víceméně zřejmé. boj, se kterým už zřejmě začal.
Na čem nám nejvíce záleží, je příležitosti, které nabízejí nové energetické technologie: energetická nezávislost pro zemi a v dlouhodobém horizontu pro každého jejího občana. Samozřejmě, že grafenové superkondenzátory jsou spíše „hybridní“, přechodná technologie, neumožňuje přímou výrobu energie, na rozdíl od magnetogravitační technologie které slibují zcela změnit samotné vědecké paradigma a tvář celého světa. Konečně existuje revoluční finanční technologie, které jsou vlastně celosvětovou petrodolarovou mafií tabuizovány. A přitom se jedná o velmi působivý průlom, o to zajímavější, že se odehrává v „doupě petrodolarové bestie“ – ve Spojených státech.
Před pouhými šesti měsíci jsem psal o úspěchu Italů v technologii studené jaderné fúze, ale během této doby jsme se dozvěděli o působivé technologii LENR americké společnosti SolarTrends a o průlomu německé Gaya-Rosch a nyní o skutečně revoluční technologie ukládání grafenu. I tento krátký výčet ukazuje, že problém není v tom, že by naše vláda, ani žádná jiná vláda neměla možnost snížit účty, které dostáváme za plyn a elektřinu, a to ani v netransparentním výpočtu tarifů.
Kořenem všeho zla je nevědomost těch, kdo platí účty, a neochota něco změnit na těch, kdo je vypisují. ... Jen pro obyčejné lidi jsem energie, to je elektřina. Ve skutečnosti je vlastní energie síla.

Vědecká publikace Science informovala o technologickém průlomu, který učinili australští vědci v oblasti vytváření superkondenzátorů.

Zaměstnancům Monash University se sídlem v Melbourne se podařilo změnit technologii výroby superkondenzátorů vyrobených z grafenu, takže výstupem jsou produkty s vyšší komerční atraktivitou než dříve existující protějšky.

Odborníci již dlouho mluví o magických kvalitách superkondenzátorů na bázi grafenu a laboratorní testy přesvědčivě prokázaly, že jsou lepší než ty konvenční. Takové kondenzátory s předponou „super“ čekají na tvůrce moderní elektroniky, automobilové společnosti a dokonce i stavitele alternativních zdrojů elektřiny atd.

Obrovský životní cyklus z hlediska času a také schopnost superkondenzátoru nabíjet se v co nejkratším čase umožňují konstruktérům s jejich pomocí řešit složité konstrukční problémy. různá zařízení... Ale na cestě vítězného pochodu grafenových kondenzátorů až do této doby byl nízký ukazatel jejich specifické energie a. V průměru měl ultrakondenzátor nebo superkondenzátor měrnou energii řádově 5 - 8 W * h / kg, což na pozadí rychlého vybíjení činilo grafenový produkt závislým na potřebě velmi často dobíjet.

Australským vědcům z Melbourne Department of Materials Production pod vedením profesora Dana Lee se podařilo zvýšit měrnou hustotu energie grafenového kondenzátoru 12krát. Nyní je toto číslo pro nový kondenzátor 60 W * h / kg, a to je již důvod mluvit o technické revoluci v této oblasti. Vynálezcům se také podařilo překonat problém rychlého vybíjení grafenového superkondenzátoru, když dosáhli toho, že se nyní vybíjí pomaleji než dokonce i standardní baterie.

K tak působivému výsledku pomohl vědcům technologický objev: vzali adaptivní grafen-gelový film a vytvořili z něj velmi malou elektrodu. Vynálezci vyplnili prostor mezi grafenovými pláty kapalným elektrolytem tak, aby mezi nimi vznikla subnanometrová vzdálenost. Takový elektrolyt je přítomen i v běžných kondenzátorech, kde působí jako vodič elektřiny. Zde se stal nejen dirigentem, ale i překážkou vzájemného kontaktu grafenových listů. Právě tento průběh umožnil dosáhnout vyšší hustoty kondenzátoru při zachování porézní struktury.

Samotná kompaktní elektroda byla vytvořena technologií, kterou znají výrobci papíru, na který jsme všichni zvyklí. Tato metoda je poměrně levná a jednoduchá, což nám umožňuje být optimističtí ohledně možnosti komerční výroby nových superkondenzátorů.

Novináři rychle ujišťovali svět, že lidstvo dostalo podnět k vývoji zcela nových elektronických zařízení. Samotní vynálezci ústy profesora Leeho slíbili, že grafenovému superkondenzátoru velmi rychle pomohou překonat cestu z laboratoře do továrny.

Ať se vám to líbí nebo ne, éra elektromobilů se neustále blíží. A v současnosti pouze jedna technologie brzdí průlom a zachycení trhu elektrických vozidel, technologie skladování elektrické energie atd. Navzdory všem úspěchům vědců v tomto směru má většina elektrických a hybridních automobilů ve své konstrukci lithium-iontové baterie, které mají své kladné i záporné stránky a dokážou ujet na jedno nabití auta jen na krátkou vzdálenost, postačující pro pohyb v hranicích města. Všichni přední světoví výrobci automobilů tomuto problému rozumí a hledají způsoby, jak zvýšit efektivitu elektromobilů, které zvýší dojezd na jedno nabití baterie.

Jedním ze způsobů, jak zlepšit účinnost elektromobilů, je shromažďování a opětovné využití energie, která se při brzdění a přejíždění nerovností mění v teplo. povrch vozovky... Byly již vyvinuty metody pro návrat takové energie a, ale účinnost jejího sběru a znovu použít extrémně nízká kvůli nízké rychlosti baterií. Časy brzdění jsou obvykle v sekundách a jsou příliš rychlé na baterie, které se nabíjejí hodiny. Pro akumulaci „rychlé“ energie jsou proto zapotřebí jiné přístupy a akumulační zařízení, jejichž role je nejvíce podobná vysokokapacitním kondenzátorům, tzv. superkondenzátorům.

Bohužel superkondenzátory ještě nejsou připraveny vydat se na „hlavní cestu“, přestože se umí rychle nabíjet a vybíjet, jejich kapacita je stále poměrně nízká. Kromě toho je spolehlivost superkondenzátorů také velmi nedostatečná, materiály použité v elektrodách superkondenzátorů se neustále ničí v důsledku opakovaných cyklů nabíjení a vybíjení. A to je stěží přípustné, vzhledem k tomu, že za celou dobu životnosti elektromobilu by počet pracovních cyklů superkondenzátoru měl být mnohomilionkrát.

Santhakumar Kannappan a skupina kolegů z Ústavu vědy a technologie v Gwangju v Koreji mají řešení výše uvedeného problému, založené na jednom z nejúžasnějších materiálů naší doby – grafenu. Korejští vědci vyvinuli a vyrobili prototypy vysoce účinných superkondenzátorů na bázi grafenu, jejichž kapacitní parametry nejsou horší než u lithium-iontových akumulátorů, ale které jsou schopny velmi rychle akumulovat a uvolňovat svůj elektrický náboj. Navíc i prototypy grafenových superkondenzátorů jsou schopny odolat mnoha desítkám tisíc provozních cyklů, aniž by ztratily své vlastnosti.
Trik, který umožnil dosáhnout tak působivého výkonu, je získat speciální formu grafenu, která má obrovský efektivní povrch. Vědci získali tuto formu grafenu smícháním částic oxidu grafenu s hydrazinem ve vodě a rozmělněním na prášek pomocí ultrazvuku. Výsledný grafenový prášek byl zabalen do tablet ve tvaru disku a sušen při teplotě 140 stupňů Celsia a tlaku 300 kg/cm po dobu pěti hodin.

Výsledný materiál se ukázal jako velmi porézní, na jeden gram takového grafenového materiálu jeho účinná plocha odpovídá ploše basketbalového hřiště. Porézní charakter tohoto materiálu navíc umožňuje iontové elektrolytické kapalině EBIMF 1 M zcela zaplnit celý objem materiálu, což vede ke zvýšení elektrické kapacity superkondenzátoru.

Měření charakteristik experimentálních superkondenzátorů ukázala, že jejich elektrická kapacita je asi 150 Faradů na gram, hustota akumulace energie je 64 wattů na kilogram a hustota elektrického proudu je 5 ampérů na gram. Všechny tyto vlastnosti jsou srovnatelné s podobnými charakteristikami lithium-iontové baterie hustota akumulace energie a která se pohybuje od 100 do 200 wattů na kilogram. Tyto superkondenzátory mají ale jednu obrovskou výhodu, dokážou plně nabít nebo úplně uvolnit veškerý nahromaděný náboj za pouhých 16 sekund. A tento čas je dosud nejrychlejším časem nabíjení-vybíjení.

Tento soubor působivých charakteristik plus nekomplikovaná technologie výroby grafenových superkondenzátorů může sloužit jako ospravedlnění pro prohlášení výzkumníků, kteří napsali, že „jejich „zařízení pro ukládání energie grafenových superkondenzátorů jsou již nyní připraveny na hromadnou výrobu a mohou se objevit v příští generace elektromobilů."

Skupina vědců z Rice University upravila svou metodu výroby grafenu pomocí laseru k výrobě superkondenzátorových elektrod.

Grafen, forma uhlíku, jejíž krystalová mřížka má monoatomickou tloušťku, byl od svého objevu mimo jiné zvažován jako alternativa k elektrodám z aktivního uhlí používaných v superkondenzátorech, kondenzátorech s velkými kapacitami a nízkými vlastními svodovými proudy. Čas a výzkumy ale ukázaly, že grafenové elektrody si nevedou o moc lépe než mikroporézní elektrody s aktivním uhlím, a to vedlo ke snížení nadšení a omezení řady studií.

Nicméně, grafenové elektrody mají některé nepopiratelné výhody oproti porézním uhlíkovým elektrodám.

Grafenové superkondenzátory může pracovat na vyšších frekvencích a flexibilita grafenu umožňuje na jeho základě vytvářet extrémně tenká a flexibilní zařízení pro ukládání energie, která se dokonale hodí pro použití v nositelné a flexibilní elektronice.

Výše zmíněné dvě výhody grafenových superkondenzátorů podnítily další výzkum skupiny vědců z Rice University. Upravili svůj způsob výroby grafenu pomocí laseru k výrobě superkondenzátorových elektrod.

„To, čeho jsme dosáhli, je srovnatelné s výkonem mikrosuperkondenzátorů dostupných na trhu s elektronikou,“ říká James Tour, vědec, který vedl výzkumný tým. Pokud potřebujeme zabalit grafenové elektrody na dostatečně malou plochu, jednoduše je složíme jako list papíru."

Pro výrobu grafenových elektrod vědci použili laserová metoda(laserem indukovaný grafém, LIG), ve kterém je vysokovýkonný laserový paprsek zaměřen na cíl vyrobený z levného polymerního materiálu.

Parametry laserového světla jsou voleny tak, aby z polymeru vypálily všechny prvky kromě uhlíku, který vzniká ve formě porézního grafenového filmu. Studie ukázaly, že tento porézní grafen má dostatečně velký účinný povrch, což z něj dělá ideální materiál pro elektrody superkondenzátorů.

To, co činí zjištění výzkumu týmu Rice University tak přesvědčivými, je snadnost, s jakou lze vyrobit porézní grafen.

„Výroba grafenových elektrod je velmi jednoduchá. To nevyžaduje čistou místnost a proces využívá konvenční průmyslové lasery, které se úspěšně používají v továrnách a dokonce i venku, “říká James Tour.

Kromě snadné výroby prokázaly grafenové superkondenzátory velmi působivý výkon. Tato zařízení pro ukládání energie vydržela tisíce cyklů nabití a vybití bez ztráty elektrické kapacity. Navíc se elektrická kapacita takových superkondenzátorů prakticky nezměnila poté, co byl ohebný superkondenzátor deformován 8 tisíckrát za sebou.

„Ukázali jsme, že technologie, kterou jsme vyvinuli, umožňuje výrobu tenkých a flexibilních superkondenzátorů, které mohou být součástmi flexibilní elektroniky nebo zdrojů energie, a nositelnou elektroniku, kterou lze zabudovat přímo do oblečení nebo do předmětů každodenní potřeby,“ řekl James Tour.

Mezi nejnovější inovace ve vědě a technice je třeba poznamenat vznik nového typu kondenzátoru - ultrakapacitoru, který se také nazývá superkondenzátor. Co je to za zvíře a lze jej použít v automobilovém DVR a dalších elektronických zařízeních jako záložní zdroj energie?

Ze školního kurzu fyziky je známo, že kondenzátor může akumulovat energii tím, že uchovává náboj elektřiny. Množství tohoto náboje je ale velmi malé, takže stačí jen na pořádnou jiskru v případě zkratu. Také školáci používají kovové papírové střídavé kondenzátory 400 ... 1000 voltů, aby se navzájem bili elektrickým proudem, který předtím nabili v zásuvce 220 V. A hlavně kondenzátory se používají jako rádiová součástka v elektronických zařízeních.

Jenže na konci minulého století byl v tajných laboratořích vynalezen nový typ kondenzátoru, ve kterém se místo kovového pásku používá elektrolyt a další záludné. chemické substance... Díky této konstrukci má nový typ kondenzátoru s malou velikostí obrovskou kapacitu, kterou lze již využít pro uložení náboje dostatečného pro krátkodobý provoz elektronických zařízení s nízkým proudovým odběrem. Název superkondenzátor dostal díky tomu, že funguje díky přenosu iontů v chemickém prostředí mezi elektrodami.

V dnešní době se superkondenzátory používají jako záložní zdroj energie. Například na Aliexpressu za 5 ... 10 babek si můžete koupit 5voltový superkondenzátor, který se plně nabije za pouhých 10 ... 100 sekund. Může však napájet průměrnou LED svítilnu po dobu 20 ... 30 minut.

Přehled čínského superkondenzátoru

Nyní se podívejme, zda superkondenzátor může nahradit baterii v DVR automobilu? V regionu nejsou žádné komponenty, které spotřebovávají hodně proudu - serva, elektromotory, výkonné osvětlovací lampy. Proto je proudová spotřeba poměrně malá - 50 ... 100 mA. Superkondenzátor bude schopen zajistit provoz DVR po dobu 3 ... 10 minut s průměrnou strupovitostí. To je více než dostatečné k dokončení videa a správnému dokončení práce.

Pokud tedy váháte – zda ​​si pořídit DVR se superkondenzátorem místo vestavěné baterie, pak jsou všechny pochybnosti marné. Toto zařízení provede ve vašem voze všechny potřebné funkce, i když je palubní síť v případě nehody vypnutá. Tento typ rekordéru však nelze použít jako běžnou přenosnou videokameru mimo automobil - pro venkovní natáčení videa je nutný externí zdroj energie.