Σούπερ μεγάλοι πυκνωτές. Ψυχρή εκκίνηση κινητήρα εσωτερικής καύσης. Η εγκατάσταση μιας υβριδικής μονάδας Titan θα επιτρέψει

Οι υπερπυκνωτές γίνονται όλο και περισσότερο ένα ουσιαστικό συστατικό των ηλεκτρονικών συστημάτων αυτοκινήτων. Ένας υπερπυκνωτής για ένα αυτοκίνητο λύνει το πρόβλημα της εκκίνησης του κινητήρα, μειώνοντας έτσι το φορτίο στην μπαταρία. Επιπλέον, το βάρος του οχήματος μειώνεται βελτιστοποιώντας τα διαγράμματα καλωδίωσης.
Οι υπερπυκνωτές έχουν βρει ευρεία εφαρμογή στην κατασκευή υβριδικών αυτοκινήτων. Το έργο τους στη γεννήτρια εξαρτάται από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης και το αυτοκίνητο κινείται από ηλεκτρικούς κινητήρες. Ένας υπερπυκνωτής για ένα αυτοκίνητο σε ένα τέτοιο σχήμα είναι μια πηγή ενέργειας που λαμβάνεται γρήγορα όταν αρχίζει να κινείται και να επιταχύνει. Κατά το φρενάρισμα, ο κινητήρας επαναφορτίζεται.
Σήμερα, ο υπερπυκνωτής χρησιμοποιείται μόνο εν μέρει αντί της μπαταρίας. Ωστόσο, στο εγγύς μέλλον, μια πλήρης αντικατάσταση πιθανότατα θα γίνει πραγματική, επειδή οι επιστήμονες αναπτύσσουν ενεργά τέτοιες τεχνολογίες.

Πότε χρειάζεται ένας υπερπυκνωτής για την εκκίνηση του κινητήρα;
Απαιτείται ένας υπερπυκνωτής για ένα αυτοκίνητο σε περιπτώσεις όπου υπάρχει κίνδυνος μια τυπική μπαταρία να μην αντιμετωπίσει την εργασία εκκίνησης ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης. Για παράδειγμα, ένας υπερπυκνωτής για ένα αυτοκίνητο βοηθά στις ακόλουθες περιπτώσεις:
- η μπαταρία χρονίως δεν φορτίζεται σε συνθήκες συχνών ταξιδιών σε μικρές αποστάσεις.
- Η ισχύς της μπαταρίας δεν επαρκεί για την εκκίνηση του κινητήρα. Τις περισσότερες φορές, αυτό το πρόβλημα προκύπτει το χειμώνα.
- είναι απαραίτητο να μειωθούν τα φορτία αιχμής στην μπαταρία για να παραταθεί η διάρκεια ζωής της.
Ακόμη και όταν η μπαταρία είναι εντελώς εκτός λειτουργίας, μερικοί χρησιμοποιούν έναν υπερπυκνωτή αντί για μπαταρία. Επιλύει το πρόβλημα της εκκίνησης του κινητήρα και στο μέλλον, το ενσωματωμένο δίκτυο τροφοδοτείται κυρίως από τη γεννήτρια. Ωστόσο, συνιστάται η χρήση υπερπυκνωτών αντί για μπαταρία μόνο σε κατάσταση έκτακτης ανάγκης μέχρι να καταστεί δυνατή η εγκατάσταση μιας νέας μπαταρίας.
Σε μια κανονική κατάσταση, ο υπερπυκνωτής χρησιμοποιείται για την εκκίνηση του κινητήρα με την ακόλουθη μορφή. Συνδέεται παράλληλα με την μπαταρία αποθήκευσης και αναλαμβάνει το κύριο φορτίο τη στιγμή της εκκίνησης. Ένας καθυστερημένος εκκινητής μπορεί να τραβήξει πολύ υψηλό ρεύμα (εκατοντάδες αμπέρ). Είναι αυτό το αρχικό ρεύμα εκκίνησης για τη σταθερή μίζα και τον στροφαλοφόρο άξονα που θα δημιουργηθεί για το αυτοκίνητο. Όταν παρέχεται το κύριο φορτίο, ο υπερπυκνωτής μαζί με την μπαταρία θα εκκινήσουν τον κινητήρα σε πιο αθόρυβη λειτουργία.
Οι ιονιστές για ένα αυτοκίνητο όχι μόνο επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, αλλά έχουν επίσης θετική επίδραση στη λειτουργία των ηλεκτρονικών του οχήματος. Όταν χρησιμοποιείτε υπερπυκνωτές για αυτοκίνητα, η πτώση τάσης κατά την εκκίνηση μειώνεται, έτσι όλα τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα λειτουργούν σε πιο σταθερή λειτουργία. Για τον ίδιο λόγο, η απόδοση του συστήματος ανάφλεξης βελτιώνεται.
Κατά την οδήγηση, μια δέσμη μπαταρίας και ένας υπερπυκνωτής για ένα αυτοκίνητο θα εξομαλύνουν τις πτώσεις τάσης που συμβαίνουν στο ενσωματωμένο δίκτυο. Προκύπτουν από το πώς συμπεριφέρεται ο διαφορετικός ηλεκτρικός εξοπλισμός σε διαφορετικά φορτία και στροφές κινητήρα. Η παρουσία ενός υπερπυκνωτή στο κύκλωμα ελαχιστοποιεί τις αρνητικές επιπτώσεις τέτοιων υπερτάσεων. Μπορείτε να μάθετε περισσότερα για τη δυνατότητα χρήσης υπερπυκνωτή αντί για μπαταρία, καθώς και παράλληλα με αυτόν, από τους συμβούλους μας.

Σήμερα, η τεχνολογία των μπαταριών έχει προχωρήσει σημαντικά και είναι πιο εξελιγμένη από την προηγούμενη δεκαετία. Αλλά και πάλι, προς το παρόν, οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες παραμένουν αναλώσιμο υλικό, επειδή έχουν μικρό πόρο.

Η ιδέα της χρήσης πυκνωτή για την αποθήκευση και αποθήκευση ενέργειας δεν είναι νέα και τα πρώτα πειράματα πραγματοποιήθηκαν με ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές. Η χωρητικότητα των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών μπορεί να είναι σημαντική - εκατοντάδες χιλιάδες microfarads, αλλά εξακολουθεί να μην αρκεί για την παροχή φορτίου για μεγάλο χρονικό διάστημα, αν και όχι μεγάλο, επιπλέον, υπάρχει σημαντικό ρεύμα διαρροής λόγω των χαρακτηριστικών σχεδιασμού.

Σύγχρονες τεχνολογίεςμην μένετε ακίνητοι, και ο υπερπυκνωτής εφευρέθηκε, είναι ένας πυκνωτής, έχει εξαιρετικά μεγάλη χωρητικότητα - από μονάδες φαράντ έως δεκάδες χιλιάδες φαράντ. Οι πυκνωτές Farad χρησιμοποιούνται στα φορητά ηλεκτρονικά για την παροχή αδιάλειπτης τροφοδοσίας σε κυκλώματα χαμηλού ρεύματος, όπως ένας μικροελεγκτής. Υπερπυκνωτές χωρητικότητας δεκάδων χιλιάδων φαράντ χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με μπαταρίες για την τροφοδοσία διαφόρων ηλεκτροκινητήρων. Σε αυτόν τον συνδυασμό, ο υπερπυκνωτής μειώνει το φορτίο στις μπαταρίες, γεγονός που αυξάνει σημαντικά τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας τους και ταυτόχρονα αυξάνει το ρεύμα εκκίνησης που μπορεί να αποδώσει το υβριδικό σύστημα τροφοδοσίας κινητήρα.

Έγινε απαραίτητο να τροφοδοτηθεί ο αισθητήρας θερμοκρασίας για να μην αλλάξει η μπαταρία σε αυτόν. Ο αισθητήρας τροφοδοτείται από μια μπαταρία ΑΑ και ενεργοποιείται για να στέλνει δεδομένα στον μετεωρολογικό σταθμό μία φορά κάθε 40 δευτερόλεπτα. Κατά τη στιγμή της αποστολής, ο αισθητήρας καταναλώνει κατά μέσο όρο 6 mA για 2 δευτερόλεπτα.

Προέκυψε η ιδέα να χρησιμοποιηθεί μια ηλιακή μπαταρία και ένας υπερπυκνωτής. Με βάση τα προσδιορισμένα χαρακτηριστικά κατανάλωσης του αισθητήρα, ελήφθησαν τα ακόλουθα στοιχεία:
1. Ηλιακή μπαταρία 5 Volt και ρεύμα περίπου 50 mA (Ηλιακή μπαταρία Σοβιετικής κατασκευής περίπου 15 ετών)
2. Υπερπυκνωτής: Panasonic 5,5 Volt και 1 farad.
3. Ιονίστορ 2 τμχ: DMF 5,5 Volt και συνολική χωρητικότητα 1 farad.
4. Δίοδος Schottky με άμεση πτώση τάσης σε χαμηλό ρεύμα 0,3 V.
Μια δίοδος Schottky είναι απαραίτητη για την αποφυγή εκφόρτισης χωρητικότητας μέσω του ηλιακού πάνελ.
Οι υπερπυκνωτές συνδέονται παράλληλα και η συνολική χωρητικότητα είναι 2 φαράντ.

Φωτογραφία 1.

Πείραμα # 1- Συνέδεσα έναν μικροελεγκτή με μονόχρωμη οθόνη LCD και συνολική κατανάλωση ρεύματος 500 μA. Παρόλο που ο μικροελεγκτής με την οθόνη λειτούργησε, παρατήρησα ότι τα παλιά ηλιακά κύτταρα ήταν εξαιρετικά αναποτελεσματικά, το ρεύμα φόρτισης στη σκιά ήταν ανεπαρκές για να φορτίσει καθόλου τους υπερπυκνωτές, η τάση στην ηλιακή μπαταρία 5 volt στη σκιά ήταν μικρότερη από 2 βολτ. (Για κάποιο λόγο, ο μικροελεγκτής με την οθόνη δεν φαίνεται στη φωτογραφία).

Πείραμα # 2
Για να αυξήσω τις πιθανότητες επιτυχίας, αγόρασα από την αγορά ραδιοφώνου νέα ηλιακά κύτταρα ονομαστικής αξίας 2 V, ρεύμα 40 mA και 100 mA, κατασκευασμένης στην Κίνα, γεμισμένα με οπτική ρητίνη. Για σύγκριση, αυτές οι μπαταρίες στη σκιά έδωσαν ήδη 1,8 βολτ, με όχι μεγάλο ρεύμα φόρτισης, αλλά ακόμα έναν πολύ καλύτερο υπερπυκνωτή φόρτισης.
Έχοντας ήδη κολλήσει τη δομή με νέα μπαταρία, με δίοδο Schottky και πυκνωτές, το βάζω στο περβάζι για να φορτιστεί ο πυκνωτής.
Παρά το γεγονός ότι το φως του ήλιου δεν χτύπησε απευθείας την μπαταρία, μετά από 10 λεπτά ο πυκνωτής φορτίστηκε στα 1,95 V. Πήρε τον αισθητήρα θερμοκρασίας, αφαίρεσε την μπαταρία από αυτό και συνέδεσε τον υπερπυκνωτή με μια ηλιακή μπαταρία στις επαφές της θήκης της μπαταρίας.

Φωτογραφία 2.

Ο αισθητήρας θερμοκρασίας άρχισε αμέσως να λειτουργεί και μετέδωσε τη θερμοκρασία δωματίου στον μετεωρολογικό σταθμό. Αφού βεβαιώθηκα ότι ο αισθητήρας λειτουργεί, προσάρτησα έναν πυκνωτή με ηλιακή μπαταρία και τον κρέμασα στη θέση του.
Τι έγινε μετά?
Όλες τις ώρες φωτός της ημέρας, ο αισθητήρας λειτουργούσε σωστά, αλλά με την έναρξη του σκοταδιού, μετά από μία ώρα, ο αισθητήρας σταμάτησε να μεταδίδει δεδομένα. Προφανώς, η αποθηκευμένη φόρτιση δεν ήταν αρκετή ούτε για μια ώρα λειτουργίας του αισθητήρα και στη συνέχεια έγινε σαφές γιατί ...

Πείραμα # 3
Αποφάσισα να τροποποιήσω ελαφρώς τη σχεδίαση έτσι ώστε ο υπερπυκνωτής (επέστρεψε το συγκρότημα υπερπυκνωτών των 2 farads) να φορτιστεί πλήρως. Συναρμολόγησα μια μπαταρία τριών στοιχείων, βγήκε 6 βολτ και ρεύμα 40 mA (υπό πλήρη ηλιακό φωτισμό). Αυτή η μπαταρία στη σκιά έδωσε ήδη έως και 3,7 V αντί για το προηγούμενο 1,8 V (φωτογραφία 1) και ρεύμα φόρτισης έως και 2 mA. Αντίστοιχα, ο υπερπυκνωτής φορτίστηκε έως και 3,7 V και είχε ήδη σημαντικά περισσότερη αποθηκευμένη ενέργεια σε σύγκριση με το Πείραμα Νο. 2.

Φωτογραφία 3.

Όλα θα ήταν καλά, αλλά τώρα έχουμε έως και 5,5 V στην έξοδο και ο αισθητήρας τροφοδοτείται από 1,5 V. Απαιτείται ένας μετατροπέας DC / DC, ο οποίος με τη σειρά του εισάγει πρόσθετες απώλειες. Ο μετατροπέας που είχα στο απόθεμα κατανάλωνε περίπου 30 μA και έδινε 4,2 V στην έξοδο.Μέχρι στιγμής δεν βρήκα τον μετατροπέα που χρειαζόμουν για να τροφοδοτήσω τον αισθητήρα θερμοκρασίας από τον εκσυγχρονισμένο σχεδιασμό. (Θα χρειαστεί να επιλέξετε έναν μορφοτροπέα και να επαναλάβετε το πείραμα).

Σχετικά με τις απώλειες ενέργειας:
Αναφέρθηκε παραπάνω ότι οι υπερπυκνωτές έχουν ρεύμα αυτοεκφόρτισης, σε αυτήν την περίπτωση, για τη συναρμολόγηση 2 farads, ήταν 50 μA, καθώς και απώλειες στον μετατροπέα DC / DC της τάξης του 4% (δηλωμένη απόδοση 96 %) και η ταχύτητα ρελαντί του 30 μA προστίθενται εδώ. Αν δεν λάβουμε υπόψη τις απώλειες μετατροπής, έχουμε ήδη κατανάλωση περίπου 80 μA.
Είναι απαραίτητο να είστε ιδιαίτερα προσεκτικοί όσον αφορά την εξοικονόμηση ενέργειας, επειδή έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι ένας υπερπυκνωτής χωρητικότητας 2 farads που φορτίζεται στα 5,5 V και εκφορτίζεται στα 2,5 V έχει τη λεγόμενη χωρητικότητα "μπαταρίας" 1 mA. Με άλλα λόγια, καταναλώνοντας 1 mA από τον υπερπυκνωτή για μια ώρα, θα τον αποφορτίσουμε από τα 5,5 V στα 2,5 V.

Σχετικά με το ποσοστό χρέωσης απευθείας ηλιακό φως:
Το ρεύμα που αντλείται από την ηλιακή μπαταρία είναι όσο υψηλότερο, τόσο καλύτερα η μπαταρία φωτίζεται απευθείας ΑΚΤΙΝΕΣ του ΗΛΙΟΥ... Κατά συνέπεια, ο ρυθμός φόρτισης του υπερπυκνωτή αυξάνεται σημαντικά.

Φωτογραφία 4.

Από τις ενδείξεις του πολύμετρου φαίνεται (0,192 V, αρχικές ενδείξεις), μετά από 2 λεπτά ο πυκνωτής φορτίστηκε στα 1,161 V, μετά από 5 λεπτά στα 3,132 V και μετά από άλλα 10 λεπτά 5,029 V. Μέσα σε 17 λεπτά ο υπερπυκνωτής φορτίστηκε σε 90%. Σημειώνεται ότι ο φωτισμός του ηλιακού πάνελ ήταν ανομοιόμορφος καθ' όλη τη διάρκεια του χρόνου και γινόταν μέσα από το διπλό τζάμι και την προστατευτική μεμβράνη της μπαταρίας.

Πείραμα # 3 Τεχνική Έκθεση
Προδιαγραφές διάταξης:
- Ηλιακή μπαταρία 12 κυψελών, 6 V, ρεύμα 40 mA (με πλήρη έκθεση στον ήλιο), (υπό σκιά συννεφιασμένου καιρού 3,7 V και ρεύμα 1 mA με φορτίο στον υπερπυκνωτή).
- Οι υπερπυκνωτές συνδέονται παράλληλα, η συνολική χωρητικότητα είναι 2 Farads, η επιτρεπόμενη τάση είναι 5,5 V, το ρεύμα αυτοεκφόρτισης είναι 50 μA.
- Δίοδος Schottky με πτώση τάσης προς τα εμπρός 0,3 V, που χρησιμοποιείται για την αποσύνδεση της ηλιακής μπαταρίας και της τροφοδοσίας του υπερπυκνωτή.
- Διαστάσεις διάταξης 55 x 85 mm (πλαστική κάρτα VISA).
Καταφέραμε να ενεργοποιηθούμε από αυτήν τη διάταξη:
Μικροελεγκτής με οθόνη LCD (κατανάλωση ρεύματος 500 μA στα 5,5 V, χρόνος λειτουργίας χωρίς ηλιακή μπαταρία, περίπου 1,8 ώρες).
Αισθητήρας θερμοκρασίας, ώρες ημέρας με ηλιακή μπαταρία, κατανάλωση 6 mA για 2 δευτερόλεπτα κάθε 40 δευτερόλεπτα.
Το LED άναψε για 60 δευτερόλεπτα με μέσο ρεύμα 60 mA χωρίς ηλιακή μπαταρία.
Δοκιμάστηκε επίσης ένας μετατροπέας τάσης DC / DC (για σταθερή τροφοδοσία), με τον οποίο ήταν δυνατή η λήψη 60 mA και 4 V, μέσα σε 60 δευτερόλεπτα (όταν ο υπερπυκνωτής φορτίστηκε έως 5,5 V, χωρίς ηλιακή μπαταρία).
Τα δεδομένα που ελήφθησαν υποδεικνύουν ότι οι υπερπυκνωτές σε αυτό το σχέδιο έχουν χωρητικότητα κατά προσέγγιση 1 mA (χωρίς επαναφόρτιση από ηλιακή μπαταρία με εκφόρτιση έως και 2,5 V).

Συμπεράσματα:
Αυτός ο σχεδιασμός σας επιτρέπει να αποθηκεύετε ενέργεια σε πυκνωτές για συνεχή τροφοδοσία συσκευών μικροκατανάλωσης. Η συσσωρευμένη χωρητικότητα του 1 mA ανά 2 farads της χωρητικότητας του πυκνωτή θα πρέπει να είναι επαρκής για να διασφαλίσει τη λειτουργικότητα του μικροεπεξεργαστή με χαμηλή κατανάλωση στο σκοτάδι για 10 ώρες. Στην περίπτωση αυτή, οι συνολικές απώλειες ρεύματος και η κατανάλωση από το φορτίο δεν πρέπει να υπερβαίνουν τα 100 μA. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, ο υπερπυκνωτής επαναφορτίζεται από μια ηλιακή μπαταρία ακόμη και στη σκιά και είναι ικανός να τροφοδοτεί φορτίο σε παλμική λειτουργία με ρεύμα έως και 100 mA.

Απαντάμε στην ερώτηση στον τίτλο του άρθρου - Μπορεί ένας υπερπυκνωτής να αντικαταστήσει μια μπαταρία;
- μπορεί να αντικαταστήσει, αλλά μέχρι στιγμής με σημαντικούς περιορισμούς στην τρέχουσα κατανάλωση και τον τρόπο λειτουργίας του φορτίου.

Ελαττώματα:

• μικρή χωρητικότητα του αποθέματος ενέργειας (περίπου 1 mA για κάθε 2 Farads της χωρητικότητας του υπερπυκνωτή)
• σημαντικό ρεύμα αυτοεκφόρτισης πυκνωτών (απώλεια κατά προσέγγιση 20% χωρητικότητας ανά ημέρα)
• οι διαστάσεις της κατασκευής καθορίζονται από την ηλιακή μπαταρία και τη συνολική χωρητικότητα των υπερπυκνωτών.

• χωρίς φθορά χημικών στοιχείων (μπαταρίες)
• εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας από -40 έως +60 βαθμούς Κελσίου
• απλότητα σχεδιασμού
• όχι υψηλό κόστος

Φωτογραφία 5.

Στη μία πλευρά της πλακέτας υπάρχει μια ηλιακή μπαταρία, στην άλλη πλευρά, ένα συγκρότημα υπερπυκνωτών και ένας μετατροπέας DC / DC.

Προδιαγραφές:

• Ηλιακή μπαταρία 12 κυψελών, 6 V, ρεύμα 60 mA (υπό πλήρη έκθεση στον ήλιο).
• Συνολική χωρητικότητα υπερπυκνωτών 4; 6 ή 16 Farads, επιτρεπόμενη τάση 5,5 V, συνολικό ρεύμα αυτοεκφόρτισης, αντίστοιχα 120 \ 140 \ (δεν είναι ακόμη γνωστό) μA.
• Διπλή δίοδος Schottky με πτώση τάσης προς τα εμπρός 0,15 V, που χρησιμοποιείται για την αποσύνδεση της τροφοδοσίας της ηλιακής μπαταρίας και του υπερπυκνωτή.
• Διαστάσεις διάταξης: 55 x 85 mm (πλαστική κάρτα VISA).
• Εκτιμώμενη χωρητικότητα χωρίς επαναφόρτιση από ηλιακούς συλλέκτες κατά την εγκατάσταση πυκνωτών 4. 6 ή 16 Farads, είναι περίπου 2/3/8 mA.

P. S. Εάν παρατηρήσετε τυπογραφικό λάθος, λάθος ή ανακρίβεια στους υπολογισμούς - γράψτε μας ένα προσωπικό μήνυμα και θα διορθώσουμε τα πάντα.

Συνεχίζεται…

Η ηλεκτρική χωρητικότητα της υδρογείου, όπως είναι γνωστό από το μάθημα της φυσικής, είναι περίπου 700 μF. Ένας συμβατικός πυκνωτής αυτής της χωρητικότητας μπορεί να συγκριθεί σε βάρος και όγκο με ένα τούβλο. Υπάρχουν όμως και πυκνωτές με την ηλεκτρική χωρητικότητα του πλανήτη, ίσο σε μέγεθος με έναν κόκκο άμμου - υπερπυκνωτές.

Τέτοιες συσκευές εμφανίστηκαν σχετικά πρόσφατα, πριν από είκοσι χρόνια. Ονομάζονται διαφορετικά: ιονιστές, ιοντικοί ή απλά υπερπυκνωτές.

Μην νομίζετε ότι είναι διαθέσιμα μόνο σε ορισμένες εταιρείες αεροδιαστημικής που πετούν ψηλά. Σήμερα μπορείτε να αγοράσετε έναν υπερπυκνωτή σε ένα κατάστημα στο μέγεθος ενός νομίσματος και χωρητικότητας ενός φαράντ, που είναι 1.500 φορές η χωρητικότητα του πλανήτη και είναι κοντά στη χωρητικότητα του μεγαλύτερου πλανήτη. Ηλιακό σύστημα- Ζεύς.

Οποιοσδήποτε πυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια. Για να καταλάβετε πόσο μεγάλη ή μικρή είναι η ενέργεια που αποθηκεύεται στον υπερπυκνωτή, είναι σημαντικό να τη συγκρίνετε με κάτι. Εδώ είναι ένας κάπως ασυνήθιστος, αλλά οπτικός τρόπος.

Η ενέργεια ενός συνηθισμένου πυκνωτή είναι αρκετή για να πηδήξει περίπου ενάμιση μέτρο. Ένας μικροσκοπικός υπερπυκνωτής 58-9V με μάζα 0,5 g, φορτισμένος με τάση 1 V, θα μπορούσε να πηδήξει σε ύψος 293 m!

Μερικές φορές πιστεύεται ότι οι υπερπυκνωτές είναι ικανοί να αντικαταστήσουν οποιαδήποτε μπαταρία. Οι δημοσιογράφοι απεικόνισαν τον κόσμο του μέλλοντος με αθόρυβα ηλεκτρικά αυτοκίνητα που κινούνται από υπερπυκνωτές. Αλλά αυτό απέχει ακόμα πολύ από αυτό. Ένας ιονιστής βάρους ενός κιλού μπορεί να αποθηκεύσει 3000 J ενέργειας και η χειρότερη μπαταρία μολύβδου - 86 400 J - είναι 28 φορές μεγαλύτερη. Ωστόσο, όταν παρέχεται υψηλή ισχύς σε σύντομο χρονικό διάστημα, η μπαταρία φθείρεται γρήγορα και αποφορτίζεται μόνο στο μισό. Ο υπερπυκνωτής εκπέμπει οποιαδήποτε ισχύ επανειλημμένα και χωρίς να βλάψει τον εαυτό του, αν μόνο τα καλώδια σύνδεσης μπορούσαν να τα αντέξουν. Επιπλέον, ο υπερπυκνωτής μπορεί να φορτιστεί σε λίγα δευτερόλεπτα και η μπαταρία διαρκεί συνήθως ώρες.

Αυτό καθορίζει το πεδίο εφαρμογής του υπερπυκνωτή. Είναι καλό ως πηγή ενέργειας για συσκευές που καταναλώνουν πολλή ενέργεια για μικρό χρονικό διάστημα, αλλά αρκετά συχνά: ηλεκτρονικός εξοπλισμός, φακοί, μίζες αυτοκινήτων, ηλεκτρικοί γρύλοι. Ο υπερπυκνωτής μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για στρατιωτικούς σκοπούς ως πηγή ενέργειας για ηλεκτρομαγνητικά όπλα. Και σε συνδυασμό με μια μικρή μονάδα παραγωγής ενέργειας, ο υπερπυκνωτής σάς επιτρέπει να δημιουργείτε αυτοκίνητα με ηλεκτρική κίνηση στους τροχούς και κατανάλωση καυσίμου 1-2 λίτρα ανά 100 km.

Πωλούνται ιονιστές για μεγάλη ποικιλία χωρητικοτήτων και τάσεων λειτουργίας, αλλά είναι ακριβοί. Αν λοιπόν έχετε χρόνο και ενδιαφέρον, μπορείτε να δοκιμάσετε να φτιάξετε μόνοι σας ένα ιονιστή. Πριν όμως δώσεις συγκεκριμένες συμβουλές, μια μικρή θεωρία.

Είναι γνωστό από την ηλεκτροχημεία: όταν ένα μέταλλο βυθίζεται στο νερό, σχηματίζεται στην επιφάνειά του ένα λεγόμενο διπλό ηλεκτρικό στρώμα, που αποτελείται από αντίθετα ηλεκτρικά φορτία - ιόντα και ηλεκτρόνια. Δυνάμεις αμοιβαίας έλξης δρουν μεταξύ τους, αλλά οι κατηγορίες δεν μπορούν να πλησιάσουν. Αυτό εμποδίζεται από τις ελκτικές δυνάμεις του νερού και των μεταλλικών μορίων. Ουσιαστικά, το ηλεκτρικό διπλό στρώμα δεν είναι τίποτα άλλο από έναν πυκνωτή. Τα φορτία που συγκεντρώνονται στην επιφάνειά του παίζουν το ρόλο των πλακών. Η απόσταση μεταξύ τους είναι πολύ μικρή. Και, όπως γνωρίζετε, η χωρητικότητα ενός πυκνωτή αυξάνεται με τη μείωση της απόστασης μεταξύ των πλακών του. Επομένως, για παράδειγμα, η χωρητικότητα μιας συμβατικής ατσάλινης ακτίνας βυθισμένης σε νερό φτάνει αρκετά mF.

Ουσιαστικά, ένας υπερπυκνωτής αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια με πολύ μεγάλη επιφάνεια βυθισμένη στον ηλεκτρολύτη, στην επιφάνεια του οποίου σχηματίζεται ένα ηλεκτρικό διπλό στρώμα υπό την επίδραση της εφαρμοζόμενης τάσης. Είναι αλήθεια ότι χρησιμοποιώντας συνηθισμένες επίπεδες πλάκες, θα ήταν δυνατό να ληφθεί χωρητικότητα μόνο μερικών δεκάδων mF. Για να ληφθούν μεγάλες χωρητικότητες χαρακτηριστικές των ιονιστών, χρησιμοποιούνται ηλεκτρόδια από πορώδη υλικά με μεγάλη επιφάνεια πόρων και μικρές εξωτερικές διαστάσεις.

Για αυτόν τον ρόλο, τα μέταλλα σφουγγαριών από το τιτάνιο έως την πλατίνα δοκιμάστηκαν σε εύθετο χρόνο. Ωστόσο, αποδείχθηκε ασύγκριτα καλύτερος από όλους τους άλλους ... συνηθισμένος ενεργός άνθρακας. Αυτός είναι ο ξυλάνθρακας, ο οποίος γίνεται πορώδης μετά από ειδική επεξεργασία. Η επιφάνεια πόρων 1 cm3 τέτοιου άνθρακα φτάνει τα χιλιάδες τετραγωνικά μέτρα και η χωρητικότητα του ηλεκτρικού διπλού στρώματος πάνω τους είναι δέκα φαράντ!

Σπιτικός υπερπυκνωτής Το σχήμα 1 δείχνει τη σχεδίαση του υπερπυκνωτή. Αποτελείται από δύο μεταλλικές πλάκες, σφιχτά πιεσμένες πάνω στο «γέμισμα» του ενεργού άνθρακα... Ο άνθρακας τοποθετείται σε δύο στρώματα, μεταξύ των οποίων υπάρχει ένα λεπτό διαχωριστικό στρώμα μιας ουσίας που δεν άγει τα ηλεκτρόνια. Όλα αυτά είναι κορεσμένα με ηλεκτρολύτη.

Όταν ο υπερπυκνωτής φορτίζεται, ένα διπλό ηλεκτρικό στρώμα με ηλεκτρόνια στην επιφάνεια σχηματίζεται στο ένα μισό του στους πόρους του άνθρακα και με θετικά ιόντα στο άλλο. Μετά τη φόρτιση, τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια αρχίζουν να ρέουν το ένα προς το άλλο. Όταν συναντώνται, σχηματίζονται ουδέτερα άτομα μετάλλου και το συσσωρευμένο φορτίο μειώνεται και, με την πάροδο του χρόνου, μπορεί να εξαφανιστεί εντελώς.

Για να αποφευχθεί αυτό, εισάγεται ένα διαχωριστικό στρώμα μεταξύ των στρωμάτων ενεργού άνθρακα. Μπορεί να αποτελείται από διάφορες λεπτές πλαστικές μεμβράνες, χαρτί και ακόμη και βαμβάκι.
Στους ερασιτέχνες ιονιστές, ο ηλεκτρολύτης είναι ένα διάλυμα χλωριούχου νατρίου 25% ή ένα διάλυμα ΚΟΗ 27%. (Σε χαμηλότερες συγκεντρώσεις, δεν θα σχηματιστεί στρώμα αρνητικού ιόντος στο θετικό ηλεκτρόδιο.)

Ως ηλεκτρόδια χρησιμοποιούνται χάλκινες πλάκες με καλώδια προ-κολλημένα σε αυτά. Οι επιφάνειες εργασίας τους πρέπει να καθαρίζονται από οξείδια. Σε αυτή την περίπτωση, καλό είναι να χρησιμοποιήσετε ένα χονδρόκοκκο γυαλόχαρτο που αφήνει γρατσουνιές. Αυτές οι γρατσουνιές θα βελτιώσουν την πρόσφυση του κάρβουνου στον χαλκό. Για καλή πρόσφυση, οι πλάκες πρέπει να απολιπανθούν. Η απολίπανση των πλακών πραγματοποιείται σε δύο στάδια. Πρώτα, πλένονται με σαπούνι, και στη συνέχεια τρίβονται με σκόνη δοντιών και ξεπλένονται με ρεύμα νερού. Μετά από αυτό, δεν πρέπει να τα αγγίζετε με τα δάχτυλά σας.

Ο ενεργός άνθρακας που αγοράζεται από ένα φαρμακείο αλέθεται σε γουδί και αναμιγνύεται με ηλεκτρολύτη για να ληφθεί μια παχύρρευστη πάστα, η οποία απλώνεται σε προσεκτικά απολιπασμένες πλάκες.

Στην πρώτη δοκιμή, οι πλάκες με ένα χάρτινο μαξιλάρι τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο, μετά θα προσπαθήσουμε να το φορτίσουμε. Αλλά υπάρχει μια λεπτότητα εδώ. Σε τάση μεγαλύτερη από 1 V, αρχίζει η απελευθέρωση των αερίων H2, O2. Καταστρέφουν ηλεκτρόδια άνθρακα και εμποδίζουν τη συσκευή μας να λειτουργεί σε λειτουργία υπερπυκνωτή.

Επομένως, πρέπει να το φορτίζουμε από πηγή με τάση όχι μεγαλύτερη από 1 V. (Αυτή η τάση για κάθε ζεύγος πλακών συνιστάται για τη λειτουργία βιομηχανικών υπερπυκνωτών.)

Λεπτομέρειες για τους περίεργους

Πάνω από 1,2 V, ο υπερπυκνωτής μετατρέπεται σε συσσωρευτή αερίου. Αυτή είναι μια ενδιαφέρουσα συσκευή, που αποτελείται επίσης από ενεργό άνθρακα και δύο ηλεκτρόδια. Αλλά δομικά κατασκευάζεται διαφορετικά (βλ. Εικ. 2). Συνήθως παίρνουν δύο ράβδους άνθρακα από μια παλιά ηλεκτροχημική κυψέλη και δένουν γύρω τους σακούλες με γάζα ενεργού άνθρακα. Ένα διάλυμα ΚΟΗ χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης. (Δεν πρέπει να χρησιμοποιείται διάλυμα χλωριούχου νατρίου επειδή απελευθερώνεται χλώριο κατά την αποσύνθεση.)

Η ενεργειακή χωρητικότητα του συσσωρευτή αερίου φτάνει τα 36.000 J / kg ή 10 Wh / kg. Αυτό είναι 10 φορές μεγαλύτερο από αυτό ενός υπερπυκνωτή, αλλά 2,5 φορές λιγότερο από αυτό μιας συμβατικής μπαταρίας μολύβδου-οξέος. Ωστόσο, μια μπαταρία αποθήκευσης αερίου δεν είναι απλώς μια μπαταρία αποθήκευσης, αλλά μια πολύ μοναδική κυψέλη καυσίμου. Όταν φορτίζεται, απελευθερώνονται αέρια στα ηλεκτρόδια - οξυγόνο και υδρογόνο. «Κατακάθονται» στην επιφάνεια του ενεργού άνθρακα. Όταν εμφανίζεται το ρεύμα φορτίου, η σύνδεσή τους γίνεται με το σχηματισμό νερού και ηλεκτρικό ρεύμα... Αυτή η διαδικασία, ωστόσο, χωρίς καταλύτη είναι πολύ αργή. Και όπως αποδείχθηκε, μόνο η πλατίνα μπορεί να είναι καταλύτης ... Επομένως, σε αντίθεση με έναν ιονιστή, ένας συσσωρευτής αερίου δεν μπορεί να παράγει μεγάλα ρεύματα.

Παρ 'όλα αυτά, ο εφευρέτης της Μόσχας A.G. Ο Presnyakov (http: //chemfiles.narod .r u / hit / gas_akk.htm) χρησιμοποίησε με επιτυχία έναν συσσωρευτή αερίου για να ξεκινήσει έναν κινητήρα φορτηγού. Το συμπαγές βάρος του -σχεδόν τρεις φορές περισσότερο από το συνηθισμένο- ήταν ανεκτό σε αυτή την περίπτωση. Αλλά το χαμηλό κόστος και η απουσία τέτοιων επιβλαβών υλικών όπως το οξύ και ο μόλυβδος φαινόταν εξαιρετικά ελκυστικό.

Ένας συσσωρευτής αερίου του απλούστερου σχεδιασμού αποδείχθηκε ότι τείνει να ολοκληρώσει την αυτοεκφόρτιση σε 4-6 ώρες. Αυτό έβαλε τέλος στα πειράματα. Ποιος χρειάζεται ένα αυτοκίνητο που δεν μπορεί να ξεκινήσει μετά από μια διανυκτέρευση;

Αλλά ακόμα" μεγάλο εξοπλισμό»Δεν έχω ξεχάσει τους συσσωρευτές αερίου. Ισχυρά, ελαφριά και αξιόπιστα, βρίσκονται σε ορισμένους δορυφόρους. Η διαδικασία σε αυτά λαμβάνει χώρα υπό πίεση περίπου 100 atm, και το νικέλιο σπόγγου χρησιμοποιείται ως απορροφητής αερίου, το οποίο, υπό τέτοιες συνθήκες, λειτουργεί ως καταλύτης. Ολόκληρη η συσκευή στεγάζεται σε έναν εξαιρετικά ελαφρύ κύλινδρο από ανθρακονήματα. Το αποτέλεσμα είναι μπαταρίες με ενεργειακή χωρητικότητα σχεδόν 4 φορές μεγαλύτερη από αυτή των μπαταριών μολύβδου-οξέος. Ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο μπορούσε να διανύσει περίπου 600 km πάνω τους. Αλλά, δυστυχώς, εξακολουθούν να είναι πολύ ακριβά.

Η διαφημιστική εκστρατεία γύρω από την κατασκευή από τον Έλον Μασκ του «Gigafactory of accumulators» για την παραγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου δεν έχει ακόμη υποχωρήσει, όταν εμφανίστηκε ένα μήνυμα για ένα γεγονός που θα μπορούσε να προσαρμόσει σημαντικά τα σχέδια του «δισεκατομμυριούχου επαναστάτη».
Αυτό είναι ένα πρόσφατο δελτίο τύπου από την εταιρεία Sunvault Energy Inc., που μαζί με Edison εταιρεία ενέργειαςκατάφερε να δημιουργήσει τον μεγαλύτερο υπερπυκνωτή γραφενίου στον κόσμο χωρητικότητας 10 χιλιάδων (!) Farads.
Αυτός ο αριθμός είναι τόσο εκπληκτικός που οι εγχώριοι ειδικοί έχουν αμφιβολίες - ακόμη και 20 Microfarads (δηλαδή 0,02 Millifarads) στην ηλεκτρική μηχανική είναι πολλά. Δεν υπάρχει αμφιβολία, ωστόσο, - διευθυντής της Sunvault Energy είναι ο Μπιλ Ρίτσαρντσον, πρώην κυβερνήτης του Νέου Μεξικού και πρώην υπουργός Ενέργειας των ΗΠΑ. Νομοσχέδιο Βραβείο Νόμπελο κόσμος. Το 2008 ήταν ένας από τους υποψήφιους του Δημοκρατικού Κόμματος για την προεδρία των Ηνωμένων Πολιτειών, αλλά έχασε από τον Μπαράκ Ομπάμα.

Σήμερα, η Sunvault αναπτύσσεται ραγδαία, δημιουργώντας μια κοινοπραξία με την Edison Power Company που ονομάζεται Supersunvault, και το διοικητικό συμβούλιο της νέας εταιρείας περιλαμβάνει όχι μόνο επιστήμονες (ένας από τους διευθυντές είναι βιοχημικός, ένας άλλος επιχειρηματίας ογκολόγος), αλλά και ΔΙΑΣΗΜΟΙ Ανθρωποιμε καλή επιχειρηματική οξυδέρκεια. Θα ήθελα να σημειώσω ότι μόνο τους τελευταίους δύο μήνες, η εταιρεία έχει δεκαπλασιάσει τη χωρητικότητα των υπερπυκνωτών της - από 1.000 σε 10.000 Farads, και υπόσχεται να την αυξήσει ακόμη περισσότερο, ώστε η ενέργεια που αποθηκεύεται στον πυκνωτή να επαρκεί για την τροφοδοσία του ολόκληρος ο οίκος, δηλαδή, η Sunvault είναι έτοιμη να δράσει απευθείας ως ανταγωνιστής του Έλον Μασκ, ο οποίος σχεδιάζει να κυκλοφορήσει υπερμπαταρίες τύπου Powerwall χωρητικότητας περίπου 10 kWh.

Τα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας γραφενίου και το τέλος του «Gigafactory».

Εδώ είναι απαραίτητο να υπενθυμίσουμε την κύρια διαφορά μεταξύ πυκνωτών και μπαταριών - εάν οι πρώτοι φορτίζονται και αποφορτίζονται γρήγορα, αλλά συσσωρεύουν λίγη ενέργεια και, τότε οι μπαταρίες είναι το αντίστροφο. Σημείωση κύρια πλεονεκτήματα των υπερπυκνωτών γραφενίουv.

1. Γρήγορη φόρτιση- οι πυκνωτές φορτίζονται περίπου 100-1000 φορές πιο γρήγορα από τις μπαταρίες.

2. Φτήνια: εάν οι συνηθισμένες μπαταρίες ιόντων λιθίου κοστίζουν περίπου 500 $ ανά 1 kWh συσσωρευμένης ενέργειας και, τότε ένας υπερπυκνωτής - μόνο 100, και μέχρι το τέλος του έτους οι δημιουργοί υπόσχονται να μειώσουν το κόστος στα 40 $. Από τη σύνθεσή του, αυτός είναι ο συνηθισμένος άνθρακας - ένα από τα πιο κοινά χημικά στοιχεία στη Γη.

3. Συμπυκνότητα και πυκνότητα ενέργειας και... Ο νέος υπερπυκνωτής γραφενίου χτυπά όχι μόνο με τη φανταστική του χωρητικότητα, ξεπερνώντας τα γνωστά δείγματα κατά περίπου χίλιες φορές, αλλά και με τη συμπαγή του - είναι το μέγεθος ενός μικρού βιβλίου, δηλαδή εκατό φορές πιο συμπαγής από τους πυκνωτές 1 Farad επί του παρόντος σε χρήση.

4. Ασφάλεια και φιλικότητα προς το περιβάλλον... Είναι πολύ πιο ασφαλείς από τις μπαταρίες που θερμαίνονται, περιέχουν επικίνδυνες χημικές ουσίες και μερικές φορές επίσης εκρήγνυνται.Το ίδιο το γραφένιο είναι μια βιοδιασπώμενη ουσία, δηλαδή απλώς αποσυντίθεται στον ήλιο και δεν καταστρέφει το περιβάλλον. Είναι χημικά ανενεργό και δεν καταστρέφει το περιβάλλον.

5. Η απλότητα της νέας τεχνολογίας για την παραγωγή γραφενίου... Τεράστια εδάφη και επενδύσεις, μάζα εργατών, δηλητηριώδεις και επικίνδυνες ουσίες που χρησιμοποιούνται τεχνολογική διαδικασίαμπαταρίες ιόντων λιθίου - όλες σε πλήρη αντίθεση με την εκπληκτική απλότητα της νέας τεχνολογίας. Το γεγονός είναι ότι το γραφένιο (δηλαδή το λεπτότερο, μονοατομικό φιλμ άνθρακα) στο Sunvault λαμβάνεται ... χρησιμοποιώντας έναν συμβατικό δίσκο CD, στον οποίο χύνεται ένα τμήμα αιωρήματος γραφίτη. Στη συνέχεια, ο δίσκος εισάγεται σε μια κανονική μονάδα DVD και εγγράφεται με λέιζερ χρησιμοποιώντας ένα ειδικό πρόγραμμα - και το στρώμα γραφενίου είναι έτοιμο! Αναφέρεται ότι η ανακάλυψη έγινε τυχαία - από έναν μαθητή Maher El-Cadi, ο οποίος εργαζόταν στο εργαστήριο του χημικού Richard Kaner. Στη συνέχεια έκαψε τον δίσκο χρησιμοποιώντας LightScribe και παρήγαγε ένα στρώμα γραφενίου.
Επιπλέον, ο διευθύνων σύμβουλος της Sunvault, Gary Monahan, δήλωσε σε συνέδριο της Wall Street ότι η εταιρεία εργάζεται για να συσκευές αποθήκευσης ενέργειας γραφενίου και θα μπορούσαν να παραχθούν με συμβατική εκτύπωση σε τρισδιάστατο εκτυπωτή- και αυτό θα κάνει την παραγωγή τους όχι μόνο φθηνή, αλλά και πρακτικά προσβάσιμη σε όλους. Και σε συνδυασμό με φθηνά ηλιακά πάνελ (σήμερα το κόστος τους έχει πέσει στα 1,3 $ ανά watt), οι υπερπυκνωτές γραφενίου θα δώσουν σε εκατομμύρια ανθρώπους την ευκαιρία να αποκτήσουν ενεργειακή ανεξαρτησία αποσυνδέοντας πλήρως από τα δίκτυα τροφοδοσίας και ακόμη περισσότερο - να γίνουν ηλεκτρική ενέργεια τους ίδιους τους προμηθευτές και, καταστρέφοντας τα «φυσικά» μονοπώλια.
Επομένως, δεν υπάρχει αμφιβολία: γραφένιο υπερπυκνωτές είναι μια επαναστατική σημαντική ανακάλυψη στην αποθήκευση ενέργειας και ... Και αυτά είναι άσχημα νέα για τον Έλον Μασκ - η κατασκευή ενός εργοστασίου στη Νεβάδα θα του κοστίσει περίπου 5 δισεκατομμύρια δολάρια, τα οποία θα ήταν δύσκολο να «ανακτηθούν» ακόμη και χωρίς τέτοιους ανταγωνιστές. Φαίνεται ότι εάν η κατασκευή του εργοστασίου της Νεβάδα είναι ήδη σε εξέλιξη, και είναι πιθανό να ολοκληρωθεί, τότε τα άλλα τρία, που έχει σχεδιάσει ο Μασκ, είναι απίθανο να τακτοποιηθούν.

Πρόσβαση στην αγορά; Όχι από τη στιγμή που θα θέλαμε.

Η επαναστατική φύση αυτής της τεχνολογίας είναι προφανής. Ένα άλλο πράγμα είναι ασαφές - πότε θα βγει στην αγορά; Ήδη σήμερα, το δυσκίνητο και ακριβό έργο του ιόντος λιθίου «Gigafactory» του Έλον Μασκ μοιάζει με δεινόσαυρο του βιομηχανισμού. Ωστόσο, όσο επαναστατική, απαραίτητη και φιλική προς το περιβάλλον κι αν είναι η μπάλα νέα τεχνολογία, αυτό δεν σημαίνει ότι θα μας έρθει σε ένα ή δύο χρόνια. Ο κόσμος του κεφαλαίου δεν μπορεί να αποφύγει τις οικονομικές αναταραχές, αλλά είναι αρκετά επιτυχημένος στην αποφυγή των τεχνολογικών. Σε τέτοιες περιπτώσεις, οι παρασκηνιακές συμφωνίες μεταξύ μεγάλων επενδυτών και πολιτικών παραγόντων αρχίζουν να λειτουργούν. Αξίζει να υπενθυμίσουμε ότι η Sunvault είναι μια εταιρεία με έδρα τον Καναδά και το διοικητικό συμβούλιο περιλαμβάνει άτομα που, αν και έχουν εκτεταμένες διασυνδέσεις με την πολιτική ελίτ των Ηνωμένων Πολιτειών, εξακολουθούν να μην αποτελούν μέρος του πυρήνα του πετροδολαρίου, που είναι λίγο πολύ. ρητά παλεύει με, προφανώς έχει ήδη ξεκινήσει.
Αυτό που έχει μεγαλύτερη σημασία για εμάς είναι ευκαιρίες που προσφέρουν οι αναδυόμενες ενεργειακές τεχνολογίες: ενεργειακή ανεξαρτησία για τη χώρα, και μακροπρόθεσμα - για κάθε πολίτη της. Φυσικά, οι υπερπυκνωτές γραφενίου είναι πιο πιθανό μια «υβριδική», μεταβατική τεχνολογία, δεν επιτρέπει την άμεση παραγωγή ενέργειας, σε αντίθεση με τεχνολογίες μαγνητοβαρύτηταςπου υπόσχονται να αλλάξουν εντελώς το ίδιο το επιστημονικό παράδειγμα και το πρόσωπο όλου του κόσμου. Τελικά υπάρχει επαναστατικές χρηματοοικονομικές τεχνολογίες, τα οποία στην πραγματικότητα είναι ταμπού από την παγκόσμια μαφία των πετροδολαρίων. Κι όμως αυτή είναι μια πολύ εντυπωσιακή ανακάλυψη, ακόμη πιο ενδιαφέρουσα γιατί διαδραματίζεται στο «άντρο του θηρίου των πετροδολαρίων» - στις Ηνωμένες Πολιτείες.
Μόλις πριν από έξι μήνες, έγραψα για την επιτυχία των Ιταλών στην τεχνολογία ψυχρής πυρηνικής σύντηξης, αλλά κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου μάθαμε για την εντυπωσιακή τεχνολογία LENR της αμερικανικής εταιρείας SolarTrends και για την ανακάλυψη της γερμανικής Gaya-Rosch και τώρα για την πραγματικά επαναστατική τεχνολογία αποθήκευσης γραφενίου. Ακόμη και αυτή η σύντομη λίστα δείχνει ότι το πρόβλημα δεν είναι ότι η κυβέρνησή μας, ή οποιαδήποτε άλλη κυβέρνηση, δεν έχει τη δυνατότητα να μειώσει τους λογαριασμούς που λαμβάνουμε για φυσικό αέριο και ρεύμα, ούτε καν στον αδιαφανή υπολογισμό των τιμολογίων.
Η ρίζα κάθε κακού είναι η άγνοια όσων πληρώνουν τους λογαριασμούς και η απροθυμία να αλλάξουν κάτι για αυτούς που τους ξεγράφουν. ... Μόνο για τους απλούς ανθρώπους είμαι ενέργεια, αυτό είναι ηλεκτρισμός. Στην πραγματικότητα, η αυτοενέργεια είναι δύναμη.

Η επιστημονική δημοσίευση Science αναφέρθηκε σε μια τεχνολογική ανακάλυψη που έκαναν Αυστραλοί επιστήμονες στον τομέα της δημιουργίας υπερπυκνωτών.

Οι εργαζόμενοι στο Πανεπιστήμιο Monash, που βρίσκεται στη Μελβούρνη, κατάφεραν να αλλάξουν την τεχνολογία για την παραγωγή υπερπυκνωτών από γραφένιο, έτσι ώστε η παραγωγή να είναι προϊόντα με μεγαλύτερη εμπορική ελκυστικότητα από τα προηγούμενα αντίστοιχα.

Οι ειδικοί μιλούν εδώ και καιρό για τις μαγικές ιδιότητες των υπερπυκνωτών με βάση το γραφένιο και οι εργαστηριακές δοκιμές έχουν αποδείξει πειστικά ότι είναι καλύτεροι από τους συμβατικούς. Τέτοιοι πυκνωτές με το πρόθεμα "super" περιμένουν τους δημιουργούς σύγχρονων ηλεκτρονικών, αυτοκινητοβιομηχανιών, ακόμη και κατασκευαστές εναλλακτικών πηγών ηλεκτρικής ενέργειας κ.λπ.

Ο τεράστιος κύκλος ζωής από άποψη χρόνου, καθώς και η ικανότητα του υπερπυκνωτή να φορτίζει στο συντομότερο δυνατό χρονικό διάστημα, επιτρέπουν στους σχεδιαστές να επιλύουν πολύπλοκα προβλήματα σχεδιασμού με τη βοήθειά τους. διαφορετικές συσκευές... Αλλά στο δρόμο της θριαμβευτικής πορείας των πυκνωτών γραφενίου μέχρι αυτή τη στιγμή, υπήρχε χαμηλός δείκτης της συγκεκριμένης ενέργειάς τους και. Κατά μέσο όρο, ένας υπερπυκνωτής ή ένας υπερπυκνωτής είχε μια συγκεκριμένη ενέργεια της τάξης των 5 - 8 W * h / kg, η οποία, στο πλαίσιο της γρήγορης εκφόρτισης, έκανε ένα προϊόν γραφενίου να εξαρτάται από την ανάγκη πολύ συχνά παροχής επαναφόρτισης.

Αυστραλοί ερευνητές από το Τμήμα Παραγωγής Υλικών της Μελβούρνης, με επικεφαλής τον καθηγητή Dan Lee, κατάφεραν να αυξήσουν την ειδική ενεργειακή πυκνότητα ενός πυκνωτή γραφενίου κατά 12 φορές. Τώρα αυτός ο αριθμός για τον νέο πυκνωτή είναι 60W * h / kg και αυτός είναι ήδη ένας λόγος για να μιλήσουμε για μια τεχνική επανάσταση σε αυτόν τον τομέα. Οι εφευρέτες κατάφεραν επίσης να ξεπεράσουν το πρόβλημα της γρήγορης εκφόρτισης ενός υπερπυκνωτή γραφενίου, έχοντας επιτύχει ότι πλέον εκφορτίζεται πιο αργά ακόμη και από μια τυπική μπαταρία.

Μια τεχνολογική ανακάλυψη βοήθησε τους επιστήμονες να επιτύχουν ένα τόσο εντυπωσιακό αποτέλεσμα: πήραν ένα προσαρμοστικό φιλμ γραφενίου-τζελ και δημιούργησαν ένα πολύ μικρό ηλεκτρόδιο από αυτό. Οι εφευρέτες γέμισαν το χώρο μεταξύ των φύλλων γραφενίου με έναν υγρό ηλεκτρολύτη, έτσι ώστε να σχηματιστεί μια απόσταση υπονανομέτρων μεταξύ τους. Ένας τέτοιος ηλεκτρολύτης υπάρχει επίσης σε συμβατικούς πυκνωτές, όπου λειτουργεί ως αγωγός του ηλεκτρισμού. Εδώ έγινε όχι μόνο αγωγός, αλλά και εμπόδιο για να έρθουν σε επαφή τα φύλλα γραφενίου μεταξύ τους. Είναι αυτή η πορεία που κατέστησε δυνατή την επίτευξη μεγαλύτερης πυκνότητας του πυκνωτή διατηρώντας παράλληλα την πορώδη δομή.

Το ίδιο το συμπαγές ηλεκτρόδιο δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας μια τεχνολογία που είναι γνωστή στους κατασκευαστές του χαρτιού που όλοι έχουμε συνηθίσει. Αυτή η μέθοδος είναι αρκετά φθηνή και απλή, γεγονός που μας επιτρέπει να είμαστε αισιόδοξοι για τη δυνατότητα εμπορικής παραγωγής νέων υπερπυκνωτών.

Οι δημοσιογράφοι έσπευσαν να διαβεβαιώσουν τον κόσμο ότι η ανθρωπότητα έχει λάβει ένα κίνητρο να αναπτύξει εντελώς νέες ηλεκτρονικές συσκευές. Οι ίδιοι οι εφευρέτες, δια στόματος του καθηγητή Lee, υποσχέθηκαν να βοηθήσουν τον υπερπυκνωτή γραφενίου πολύ γρήγορα να ξεπεράσει τη διαδρομή από το εργαστήριο στο εργοστάσιο.

Είτε σας αρέσει είτε όχι, η εποχή των ηλεκτρικών αυτοκινήτων πλησιάζει σταθερά. Και επί του παρόντος, μόνο μία τεχνολογία εμποδίζει την ανακάλυψη και την κατάκτηση της αγοράς των ηλεκτρικών οχημάτων, της τεχνολογίας αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας κ.λπ. Παρά όλα τα επιτεύγματα των επιστημόνων προς αυτή την κατεύθυνση, τα περισσότερα ηλεκτρικά και υβριδικά αυτοκίνητα έχουν μπαταρίες ιόντων λιθίου στη σχεδίασή τους, οι οποίες έχουν τις θετικές και τις αρνητικές πλευρές τους και μπορούν να διανύσουν χιλιόμετρα αυτοκινήτου με μία μόνο φόρτιση μόνο για μικρή απόσταση, επαρκή μόνο για μετακίνηση εντός των ορίων της πόλης. Όλοι οι κορυφαίοι κατασκευαστές αυτοκινήτων στον κόσμο κατανοούν αυτό το πρόβλημα και αναζητούν τρόπους για να αυξήσουν την απόδοση των ηλεκτρικών οχημάτων, γεγονός που θα αυξήσει το εύρος διαδρομής με μία μόνο φόρτιση της μπαταρίας.

Ένας από τους τρόπους βελτίωσης της απόδοσης των ηλεκτρικών αυτοκινήτων είναι η συλλογή και επαναχρησιμοποίηση ενέργειας και μετατρέπεται σε θερμότητα όταν το αυτοκίνητο φρενάρει και όταν το αυτοκίνητο οδηγεί πάνω από προσκρούσεις. επιφάνεια δρόμου... Έχουν ήδη αναπτυχθεί μέθοδοι για την επιστροφή τέτοιας ενέργειας και, αλλά η αποτελεσματικότητα της συλλογής της και επαναχρησιμοποίησηεξαιρετικά χαμηλή λόγω της χαμηλής ταχύτητας των μπαταριών. Οι χρόνοι πέδησης είναι συνήθως σε δευτερόλεπτα και είναι πολύ γρήγοροι για τις μπαταρίες που χρειάζονται ώρες για να φορτιστούν. Επομένως, για τη συσσώρευση «ταχείας» ενέργειας απαιτούνται άλλες προσεγγίσεις και συσκευές αποθήκευσης, ο ρόλος των οποίων μοιάζει περισσότερο με τους πυκνωτές υψηλής χωρητικότητας, τους λεγόμενους υπερπυκνωτές.

Δυστυχώς, οι υπερπυκνωτές δεν είναι ακόμη έτοιμοι να πάρουν τον «κύριο δρόμο», παρά το γεγονός ότι είναι σε θέση να φορτίζουν και να εκφορτίζουν γρήγορα, η χωρητικότητά τους εξακολουθεί να είναι σχετικά χαμηλή. Επιπλέον, η αξιοπιστία των υπερπυκνωτών αφήνει επίσης πολλά να είναι επιθυμητά, τα υλικά που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρόδια των υπερπυκνωτών καταστρέφονται συνεχώς ως αποτέλεσμα επαναλαμβανόμενων κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης. Και αυτό δεν επιτρέπεται, δεδομένου ότι σε όλη τη διάρκεια ζωής ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου, ο αριθμός των κύκλων λειτουργίας υπερπυκνωτών πρέπει να είναι πολλές εκατομμύρια φορές.

Ο Santhakumar Kannappan και μια ομάδα συναδέλφων του στο Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας, Gwangju, Κορέα έχουν μια λύση στο παραπάνω πρόβλημα, βασισμένη σε ένα από τα πιο εκπληκτικά υλικά της εποχής μας - το γραφένιο. Κορεάτες ερευνητές ανέπτυξαν και κατασκεύασαν πρωτότυπα υπερπυκνωτών υψηλής απόδοσης με βάση το γραφένιο, των οποίων οι χωρητικές παράμετροι δεν είναι κατώτερες από εκείνες των μπαταριών αποθήκευσης ιόντων λιθίου, αλλά μπορούν να συσσωρεύουν και να απελευθερώνουν το ηλεκτρικό τους φορτίο πολύ γρήγορα. Επιπλέον, ακόμη και πρωτότυπα υπερπυκνωτών γραφενίου είναι σε θέση να αντέξουν πολλές δεκάδες χιλιάδες κύκλους λειτουργίας χωρίς να χάσουν τα χαρακτηριστικά τους.
Το κόλπο που κατέστησε δυνατή την επίτευξη τόσο εντυπωσιακών επιδόσεων είναι η απόκτηση μιας ειδικής μορφής γραφενίου, η οποία έχει τεράστια αποτελεσματική επιφάνεια. Οι ερευνητές έλαβαν αυτή τη μορφή γραφενίου αναμειγνύοντας σωματίδια οξειδίου του γραφενίου με υδραζίνη σε νερό και κονιοποιώντας τα όλα χρησιμοποιώντας υπερήχους. Η προκύπτουσα σκόνη γραφενίου συσκευάστηκε σε δισκία σε σχήμα δίσκου και ξηράνθηκε σε θερμοκρασία 140 βαθμών Κελσίου και σε πίεση 300 kg / cm για πέντε ώρες.

Το υλικό που προέκυψε αποδείχθηκε πολύ πορώδες· για ένα γραμμάριο τέτοιου υλικού γραφενίου, η αποτελεσματική περιοχή του αντιστοιχεί στην περιοχή ενός γηπέδου μπάσκετ. Επιπλέον, η πορώδης φύση αυτού του υλικού επιτρέπει στο ιοντικό ηλεκτρολυτικό υγρό EBIMF 1 M να γεμίσει πλήρως ολόκληρο τον όγκο του υλικού, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της ηλεκτρικής χωρητικότητας του υπερπυκνωτή.

Οι μετρήσεις των χαρακτηριστικών των πειραματικών υπερπυκνωτών έδειξαν ότι η ηλεκτρική τους χωρητικότητα είναι περίπου 150 Farads ανά γραμμάριο, η πυκνότητα αποθήκευσης ενέργειας είναι 64 watt ανά χιλιόγραμμο και η πυκνότητα ηλεκτρικού ρεύματος είναι 5 αμπέρ ανά γραμμάριο. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά είναι συγκρίσιμα με παρόμοια χαρακτηριστικά μπαταρίες ιόντων λιθίουπυκνότητα αποθήκευσης ενέργειας και η οποία κυμαίνεται από 100 έως 200 watt ανά κιλό. Αλλά αυτοί οι υπερπυκνωτές έχουν ένα τεράστιο πλεονέκτημα: μπορούν να φορτίσουν πλήρως ή να απελευθερώσουν πλήρως όλο το συσσωρευμένο φορτίο σε μόλις 16 δευτερόλεπτα. Και αυτός ο χρόνος είναι ο ταχύτερος χρόνος φόρτισης-εκφόρτισης μέχρι σήμερα.

Αυτό το σύνολο εντυπωσιακών χαρακτηριστικών, καθώς και η απλή τεχνολογία κατασκευής υπερπυκνωτών γραφενίου, μπορεί να χρησιμεύσει ως δικαιολογία για τη δήλωση των ερευνητών, οι οποίοι έγραψαν ότι «οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας υπερπυκνωτών γραφενίου είναι ήδη έτοιμες για μαζική παραγωγή αυτή τη στιγμή και μπορεί να εμφανιστούν στο επόμενες γενιές ηλεκτρικών αυτοκινήτων».

Μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο Rice προσάρμοσε τη μέθοδο παραγωγής γραφενίου χρησιμοποιώντας λέιζερ για την κατασκευή ηλεκτροδίων υπερπυκνωτών.

Από την ανακάλυψή του, το γραφένιο, μια μορφή άνθρακα του οποίου το κρυσταλλικό πλέγμα έχει μονοατομικό πάχος, θεωρείται, μεταξύ άλλων, ως εναλλακτική λύση στα ηλεκτρόδια ενεργού άνθρακα που χρησιμοποιούνται σε υπερπυκνωτές, πυκνωτές με μεγάλες χωρητικότητες και χαμηλά εγγενή ρεύματα διαρροής. Αλλά ο χρόνος και η έρευνα έχουν δείξει ότι τα ηλεκτρόδια γραφενίου δεν έχουν πολύ καλύτερη απόδοση από τα ηλεκτρόδια μικροπορώδους ενεργού άνθρακα, και αυτό οδήγησε σε μείωση του ενθουσιασμού και σε περικοπή ορισμένων μελετών.

Ωστόσο, ηλεκτρόδια γραφενίουέχουν κάποια αναμφισβήτητα πλεονεκτήματα σε σχέση με τα πορώδη ηλεκτρόδια άνθρακα.

Υπερπυκνωτές γραφενίουμπορεί να λειτουργεί σε υψηλότερες συχνότητες και η ευελιξία του γραφενίου καθιστά δυνατή τη δημιουργία στη βάση του εξαιρετικά λεπτών και ευέλικτων συσκευών αποθήκευσης ενέργειας που είναι απόλυτα κατάλληλες για χρήση σε φορητές και ευέλικτες ηλεκτρονικές συσκευές.

Τα δύο προαναφερθέντα πλεονεκτήματα των υπερπυκνωτών γραφενίου έχουν οδηγήσει σε περαιτέρω έρευνα από μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο Rice. Προσάρμοσαν τη μέθοδο παραγωγής γραφενίου χρησιμοποιώντας λέιζερ για να φτιάξουν ηλεκτρόδια υπερπυκνωτών.

«Αυτό που πετύχαμε είναι συγκρίσιμο με την απόδοση των μικρο-υπερπυκνωτών που διατίθενται στην αγορά ηλεκτρονικών», λέει ο James Tour, ο επιστήμονας που ηγήθηκε της ερευνητικής ομάδας. Εάν χρειάζεται να συσκευάσουμε ηλεκτρόδια γραφενίου σε μια αρκετά μικρή περιοχή, απλώς τα διπλώνουμε σαν ένα φύλλο χαρτιού.»

Για την παραγωγή ηλεκτροδίων γραφενίου, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μέθοδος λέιζερ(Γραφήμα επαγόμενο από λέιζερ, LIG), στο οποίο μια δέσμη λέιζερ υψηλής ισχύος στοχεύει σε έναν στόχο κατασκευασμένο από φθηνό πολυμερές υλικό.

Οι παράμετροι του φωτός λέιζερ επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε να καίει όλα τα στοιχεία από το πολυμερές, εκτός από τον άνθρακα, ο οποίος σχηματίζεται με τη μορφή πορώδους φιλμ γραφενίου. Μελέτες έχουν δείξει ότι αυτό το πορώδες γραφένιο έχει αρκετά μεγάλη αποτελεσματική επιφάνεια, γεγονός που το καθιστά ιδανικό υλικό για ηλεκτρόδια υπερπυκνωτών.

Αυτό που κάνει τα ερευνητικά ευρήματα της ομάδας του Πανεπιστημίου Rice τόσο συναρπαστικά είναι η ευκολία με την οποία μπορεί να παραχθεί πορώδες γραφένιο.

«Τα ηλεκτρόδια γραφενίου είναι πολύ απλά στην κατασκευή. Αυτό δεν απαιτεί καθαρό δωμάτιο και η διαδικασία χρησιμοποιεί συμβατικά βιομηχανικά λέιζερ, τα οποία χρησιμοποιούνται με επιτυχία σε εργοστάσια και ακόμη και σε εξωτερικούς χώρους», λέει ο James Tour.

Εκτός από την εύκολη κατασκευή, οι υπερπυκνωτές γραφενίου έχουν δείξει πολύ εντυπωσιακές επιδόσεις. Αυτές οι συσκευές αποθήκευσης ενέργειας έχουν αντέξει χιλιάδες κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης χωρίς απώλεια ηλεκτρικής χωρητικότητας. Επιπλέον, η ηλεκτρική χωρητικότητα τέτοιων υπερπυκνωτών ουσιαστικά δεν άλλαξε αφού ο εύκαμπτος υπερπυκνωτής παραμορφώθηκε 8 χιλιάδες φορές στη σειρά.

«Έχουμε αποδείξει ότι η τεχνολογία που έχουμε αναπτύξει επιτρέπει την παραγωγή λεπτών και εύκαμπτων υπερπυκνωτών που μπορούν να αποτελούν στοιχεία ευέλικτων ηλεκτρονικών ή πηγών ενέργειας και φορητών ηλεκτρονικών που μπορούν να ενσωματωθούν απευθείας σε ρούχα ή σε καθημερινά αντικείμενα», δήλωσε ο James Tour.

Μεταξύ των πιο πρόσφατων καινοτομιών στην επιστήμη και την τεχνολογία, είναι απαραίτητο να σημειωθεί η εμφάνιση ενός νέου τύπου πυκνωτή - ένας υπερπυκνωτής, ο οποίος ονομάζεται επίσης υπερπυκνωτής. Τι είδους ζώο είναι αυτό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε DVR αυτοκινήτου και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές ως εφεδρική πηγή ενέργειας;

Είναι γνωστό από το μάθημα της σχολικής φυσικής ότι ένας πυκνωτής μπορεί να αποθηκεύσει ενέργεια αποθηκεύοντας ένα φορτίο ηλεκτρικής ενέργειας. Αλλά το ποσό αυτής της φόρτισης είναι πολύ μικρό, επομένως αρκεί μόνο για μια καλή σπίθα σε περίπτωση βραχυκυκλώματος. Επίσης, οι μαθητές χρησιμοποιούν πυκνωτές από μεταλλικό χαρτί εναλλασσόμενου ρεύματος στα 400 ... 1000 Volt για να χτυπούν ο ένας τον άλλον με ηλεκτρικό ρεύμα, έχοντας προηγουμένως φορτιστεί σε πρίζα 220 V. Και κυρίως οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται ως ραδιοεξάρτημα στα ηλεκτρονικά συσκευές.

Αλλά στα τέλη του περασμένου αιώνα, ένας νέος τύπος πυκνωτή εφευρέθηκε σε μυστικά εργαστήρια, στα οποία χρησιμοποιείται ένας ηλεκτρολύτης και άλλα δύσκολα αντί για μια μεταλλική λωρίδα. ΧΗΜΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣ... Χάρη σε αυτόν τον σχεδιασμό, ένας νέος τύπος πυκνωτή μικρού μεγέθους έχει τεράστια χωρητικότητα, η οποία μπορεί ήδη να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση φορτίου επαρκούς για βραχυπρόθεσμη λειτουργία ηλεκτρονικών συσκευών με χαμηλή κατανάλωση ρεύματος. Πήρε το όνομα υπερπυκνωτής λόγω του γεγονότος ότι λειτουργεί λόγω μεταφοράς ιόντων σε ένα χημικό περιβάλλον μεταξύ των ηλεκτροδίων.

Σήμερα, οι υπερπυκνωτές χρησιμοποιούνται ως εφεδρική πηγή ενέργειας. Για παράδειγμα, στο Aliexpress για 5 ... 10 δολάρια μπορείτε να αγοράσετε έναν υπερπυκνωτή 5 volt, ο οποίος φορτίζεται πλήρως σε μόλις 10 ... 100 δευτερόλεπτα. Ωστόσο, μπορεί να τροφοδοτήσει έναν μέσο φακό LED για 20 ... 30 λεπτά.

Επισκόπηση του κινεζικού υπερπυκνωτή

Τώρα ας δούμε αν ένας υπερπυκνωτής μπορεί να αντικαταστήσει την μπαταρία σε ένα DVR αυτοκινήτου; Δεν υπάρχουν εξαρτήματα στην περιοχή που καταναλώνουν πολύ ρεύμα - σερβομηχανές, ηλεκτροκινητήρες, ισχυροί λαμπτήρες φωτισμού. Επομένως, η κατανάλωση ρεύματος είναι αρκετά μικρή - 50 ... 100 mA. Ο υπερπυκνωτής θα μπορεί να εξασφαλίσει τη λειτουργία του DVR για 3 ... 10 λεπτά με μια μέση ψώρα. Αυτό είναι περισσότερο από αρκετό για να ολοκληρώσετε το βίντεο και να ολοκληρώσετε τη δουλειά σωστά.

Έτσι, αν διστάζετε - αν θα αγοράσετε ένα DVR με υπερπυκνωτή αντί για ενσωματωμένη μπαταρία, τότε όλες οι αμφιβολίες είναι μάταιες. Αυτή η συσκευή θα εκτελέσει όλες τις απαραίτητες λειτουργίες στο αυτοκίνητό σας, ακόμα κι αν το ενσωματωμένο δίκτυο είναι απενεργοποιημένο σε περίπτωση ατυχήματος. Ωστόσο, αυτός ο τύπος συσκευής εγγραφής δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως συνηθισμένη φορητή βιντεοκάμερα έξω από το αυτοκίνητο - απαιτείται εξωτερική πηγή τροφοδοσίας για βιντεοσκόπηση σε εξωτερικό χώρο.