Асимметричный электрохимический конденсатор
Изобретение относится к электрическим конденсаторам большой емкости для накопления электрической энергии, а именно к асимметричным электрохимическим конденсаторам. Техническим результатом изобретения является повышение удельной энергии и увеличение срока службы конденсатора. Асимметричный электрохимический конденсатор включает корпус, установленную по крайней мере одну пару электродов, состоящую из первого и второго электродов, размещенный между ними электролит, коллектор, сепаратор, в котором, согласно изобретению, абсолютные емкости электродов различны, причем абсолютная емкость первого электрода больше абсолютной емкости второго электрода. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к электрическим конденсаторам большой емкости для накопления электрической энергии, а именно к асимметричным электрохимическим конденсаторам.
Известен электрохимический конденсатор, включающий корпус, установленные в нем два электрода и размещенный между ними электролит (1). Причем электроды имеют двойной электрический слой на границе электрод — электролит. А также один из электродов может быть выполнен из материала, позволяющего провести фарадеевский процесс. В качестве электролита использованы водные и неводные электролиты. Известен асимметричный электрохимический конденсатор, включающий корпус, установленную в нем по крайней мере одну пару электродов, состоящую из первого и второго электродов, размещенный между электродами электролит и сепаратор (2). В качестве электролита использован водный электролит. Важным параметром для конденсаторов является удельная энергия. Удельная энергия конденсатора — это величина накопленной им энергии, отнесенная к массе или объему конденсатора. Высокая удельная энергия конденсатора является желательным параметром, так как позволяет снизить массу конденсатора и его объем для конкретной области применения. Использование неводных электролитов позволяет снизить рабочее напряжение электрохимического конденсатора и, соответственно, его удельную энергию. Однако неводные электролиты достаточно дороги и чувствительны к содержанию воды и/или кислорода. Более важно то, что такие электролиты имеют более низкую проводимость по сравнению с водными электролитами и, соответственно, такие конденсаторы — более низкие мощностные параметры. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является асимметричный электрохимический конденсатор, включающий корпус, установленную в нем по крайней мере одну пару электродов, состоящую из первого и второго электродов, размещенный между электродами электролит и сепаратор, причем абсолютные емкости электродов различны, при этом абсолютная емкость первого электрода больше абсолютной емкости второго электрода (3). В известной конструкции электроды выполнены из одного материала. Однако, известный конденсатор имеет недостаточно высокую удельную электрическую емкость. Это связано с тем, что, если при заданной общей массе одинаковых электродов увеличить один из них, то масса другого будет уменьшена. Очевидно, что при этом электрическая емкость конденсатора также уменьшится. Техническими задачами, решаемыми предлагаемым асимметричным электрохимическим конденсатором, являются значительное повышение его удельной энергии и увеличение срока службы. Поставленные задачи достигаются созданием асимметричного электрохимического конденсатора, включающего корпус, установленную в нем по крайней мере одну пару электродов, состоящую из первого и второго электродов, размещенный между электродами электролит и сепаратор, причем абсолютные емкости электродов различны, при этом абсолютная емкость первого электрода больше абсолютной емкости второго электрода, в котором, согласно изобретению, один из электродов выполнен из материала, позволяющего накопление энергии при проведении фарадеевского процесса, а другой — из материала, позволяющего накопление энергии в двойном электрическом слое. Изобретение характеризуется также тем, что абсолютная емкость первого электрода по крайней мере в три раза больше абсолютной емкости второго электрода. Это позволяет приблизить емкость конденсатора к емкости одного электрода. Изобретение характеризуется тем, что один из электродов выполнен из углеродного материала, а другой выполнен из материала, имеющего возможность обратимого электрохимического окисления в водных растворах. Возможно также выполнение второго электрода из водородсорбирующего материала. Емкость (ввиду того, что удельная емкость электрода из материала, позволяющего осуществлять фарадеевский процесс, значительно больше емкости другого электролита) — это общая емкость конденсатора, приближающаяся к емкости электрода, сделанного из углеродного материала. Выбор углеродного материала, включающий: активированный уголь, или углеткань, или нефтяной пек, или стеклоуглерод, или сажу, а также их различные комбинации, обусловлен тем, что они имеют развитую поверхность, из-за чего большую емкость двойного электрического слоя. Изобретение характеризуется тем, что удельная емкость любого из электродов больше удельной емкости другого электрода. Это позволяет при одинаковых геометрических размерах электродов получить электроды с различной абсолютной емкостью. Выполнение асимметричного электрохимического конденсатора с первым электродом, объем которого меньше или равен объему второго электрода, позволяет уменьшить габариты конденсатора. Изобретение характеризуется тем, что масса первого электрода меньше или равна массе второго электрода. Позволяет уменьшить вес конденсатора. Выполнение асимметричного электрохимического конденсатора, у которого абсолютная емкость первого электрода больше, чем абсолютная емкость второго электрода, и удельная емкость первого электрода больше, чем удельная емкость второго электрода. Возможно выполнение асимметричного электрохимического конденсатора, в котором абсолютная емкость первого электрода больше абсолютной емкости второго электрода, а удельная емкость первого электрода меньше удельной емкости второго электрода. Это позволяет получать конденсаторы с различными удельными характеристиками. Изобретение характеризуется также тем, что в качестве электролита используют водные растворы, в качестве которых могут быть либо водные растворы гидроксидов или карбонатов щелочных металлов, или серной, или хлорной кислот. Эти растворы обладают ионной проводимостью и обладают низким омическим сопротивлением в широком диапазоне температуры. При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию «новизна». Сущность предложенного решения не следует явным образом из известных, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень». Сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения. Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием конструкции конденсатора и чертежом, на котором показан схематический вид асимметричного электрохимического конденсатора. Асимметричный электрохимический конденсатор имеет первый электрод с большей емкостью (1) и электрод с меньшей емкостью (2) и электролит (3) между ними. Сепаратор (4) разделяет электроды (1) и (2). Внутренние компоненты конденсатора помещены в корпус (5). Асимметрия между значениями емкостей электродов (1) и (2) позволяет повысить удельную энергию асимметричного электрохимического конденсатора по сравнению с известными симметричными электрохимическими конденсаторами. Полная емкость C конденсатора — это обратная величина суммы обратных величин емкостей первого и второго электродов CФормула изобретения
1. Асимметричный электрохимический конденсатор, включающий корпус, установленную, по крайней мере, пару электродов, состоящего из первого и второго электродов, размещенный между ними электролит, коллектор и сепаратор, причем абсолютные емкости электродов различны, при этом абсолютная емкость первого электрода больше абсолютной емкости второго электрода, отличающийся тем, что один из электродов выполнен из материала, позволяющего накопление энергии при проведении фарадеевского процесса, а другой — из материала, позволяющего накопление энергии в двойном электрическом слое. 2. Асимметричный электрохимический конденсатор по п.1, отличающийся тем, что абсолютная емкость первого электрода, по крайней мере, в три раза больше абсолютной емкости второго электрода. 3. Асимметричный электрохимический конденсатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что один из электродов выполнен из углеродного материала, а другой выполнен из материала, имеющего возможность обратимого электрохимического окисления в водных растворах. 4. Асимметричный электрохимический конденсатор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что материал другого электрода включает в себя один из материалов: рутений, родий, палладий, осмий, иридий, кобальт, свинец, никель, марганец, железо, платину, титан, молибден, вольфрам, а также их сплавы, оксиды, гидроксиды, карбиды и их различные комбинации. 5. Асимметричный электрохимический конденсатор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что другой электрод выполнен из водородсорбирующего материала. 6. Асимметричный электрохимический конденсатор по п.3, отличающийся тем, что в качестве углеродного материала выбран активированный уголь, или углеткань, или нефтяной пек, или стеклоуглерод, или сажа, или их различные комбинации. 7. Асимметричный электрохимический конденсатор по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что удельная емкость одного из электродов больше удельной емкости другого электрода. 8. Асимметричный электрохимический конденсатор по п.7, отличающийся тем, что абсолютная емкость первого электрода больше абсолютной емкости второго электрода и удельная емкость первого электрода больше удельной емкости второго электрода. 9. Асимметричный электрохимический конденсатор по п.7, отличающийся тем, что абсолютная емкость первого электрода больше абсолютной емкости второго электрода, а удельная емкость первого электрода меньше удельной емкости второго электрода. 10. Асимметричный электрохимический конденсатор по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что объем первого электрода меньше или равен объему второго электрода. 11. Асимметричный электрохимический конденсатор по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что масса первого электрода меньше или равна массе второго электрода. 12. Асимметричный электрохимический конденсатор по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водные растворы. 13. Асимметричный электрохимический конденсатор по п.12, отличающийся тем, что в качестве электролита используют водные растворы гидроксидов, или карбонатов щелочных металлов, или серной, или хлорной кислот.РИСУНКИ
Рисунок 1MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 28.11.2002
Извещение опубликовано: 10.11.2004 БИ: 31/2004
MM4A — Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 28.11.2007
Извещение опубликовано: 27.12.2010 БИ: 36/2010
Несимметричный конденсатор в воздухе, он же лифтер
Мы очень часто сталкиваемся с одной из интереснейших особенностей технологии. Пока машина несовершенна — она отличный объект для фантастики. Машина, достигшая совершенства, будущего не имеет. Машины погибают в расцвете сил. Можно вспомнить хотя бы паровоз. К 50-м годам ХХ в. он стал верхом инженерного изящества и конструктивного совершенства. Но именно в эти годы его быстро вытеснили тепловозы и электровозы. Когда Жюль Верн писал «Робур-завоеватель», вертолет казался выдумкой, а оказалось — предвидением фантаста. Конечно же, фантаст не знал подробностей аэродинамики вращающегося в воздухе крыла, быть может даже не понимал — ему это простительно — почему крыло создает подъемную силу. Тогда было время, когда служители пера так или иначе интересовались достижениями научно-технического прогресса. О нынешнем времени такого не скажешь.
Современные вертолеты достигли совершенства, значит, у них нет будущего, значит, их должно что-то вытеснить, пусть даже пока не совсем понятное и привычное. Разумеется, еще очень долго вертолет, как и дрон, в ряде наших дел будут незаменимыми помощниками, как служит нам столетиями колесо или аэростат. Но рано или поздно появятся экранолеты, ионолеты, лифтеры. Наступает их время, значит, пора с одним из них познакомиться поближе.
Лифтер, по существу, является очень интересной и пока не очень понятной демонстрацией так называемого эффекта Бифельда-Брауна. Этот эффект заключается в том, что в несимметричном заряженном конденсаторе, у которого один электрод своими размерами превышает другой, возникает сила, стремящаяся переместить конденсатор в сторону наименьшего электрода. В современном варианте, которому посвящено большое число статей, размышлений и домыслов, лифтер представляет собой призму, боковая поверхность которой — тонкая фольга. Над ней на изоляционных стойках на сравнительно большом расстоянии расположен второй электрод — тонкий проводник. Изначально лифтер, он же конденсатор Бифельда-Брауна, был устроен немного по-другому: большой электрод представлял собой что-то вроде сетки. Почему конструкция видоизменилась — понятно: во-первых, так легче создать очень сильное электрическое поле в окрестности малого электрода и можно запросто увеличить подъемную силу увеличением числа ячеек, во-вторых.
Продолжение статьи читайте в августовском номере журнала «Наука и техника». Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.
Новинка на нашем сайте — монографии-фотоальбомы Анатолия Верстюка, посвященные эскадренным миноносцам. В магазине на сайте можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой.
Глава 17 Конденсатор Фролова. Новые космические технологии
Глава 17 Конденсатор Фролова
Первые эксперименты, в домашней лаборатории, были проведены мной в 1991–1992 годах, как ни странно, еще до знакомства с работами Брауна. В то время, я поставил задачу получения движущей силы путем создания асимметрии кулоновских сил. Опубликовав результаты экспериментов в 1994 году, я получил много писем, отзывов и информации по аналогам, в том числе, по работам Томаса Т. Брауна.
Первоначально, мной была предложена схема, показанная на рис. 72. Это схема «конденсатора Фролова» из публикации 1994 года [32].
Рис. 72. Конденсатор Фролова, 1994 год. Асимметрия взаимодействия заряженных тел
В данном варианте, элементы конструкции (пластины) заряжены разноименно, и размещены так, как показано на рис. 72. Между ними возникают асимметричные силы электростатического притяжения. Сумма сил F12, действующих на вертикальный заряженный элемент, при векторном суммировании, равна нулю. Сумма сил F21, действующих на горизонтальные электроды, а через них, на корпус движителя, не равна нулю, и это обеспечивает движущую силу.
Важно учесть, что силы действуют между плоскими электростатически заряженными элементами. В электростатике, кулоновские силы всегда направлены перпендикулярно плоской поверхности.
Позже, была опубликована [33] другая схема асимметричного конденсатора Фролова, ее вариант показан на рис. 73. В классическом плоском конденсаторе (слева на рис. 73), платы расположены параллельно и притягиваются друг к другу с равными и противонаправленными силами. Сумма сил, действующая на систему в целом, равна нулю.
Рис. 73. Обычный конденсатор (слева) и конденсатор Фролова (справа)В «конденсаторе Фролова» с Т-образным диэлектриком, показанном на рис. 73, два разноименно заряженных взаимодействующих тела (плоские или сферические) расположены в одной плоскости, и разделены «диэлектрической стеной», чтобы исключить электрический пробой вдоль минимального расстояния между электродами. Благодаря этому, формируется ненулевой суммарный вектор силы взаимодействия заряженных тел. Сферические или полусферические (выгнутые) заряженные тела удобнее, поскольку уменьшается утечка зарядов. У плоских электродов, происходит утечка зарядов с острых ребер пластин. Хорошие эффекты дает применение цилиндрических электродов, с закругленными торцами. Впрочем, торцы электродов можно изолировать, для уменьшения утечки.
Наблюдать эффект взаимного притяжения в «конденсаторе Фролова» интереснее, если два взаимодействующих заряженных тела закреплены на диэлектрическом основании с помощью упругих элементов, способных растягиваться. В такой конструкции, при включении источника разности потенциалов, заряженные тела сдвигаются по направлению к перегородке и заметно поднимаются, что делает эффект (наличие подъемной силы) очевидным.
Таким образом, геометрия диэлектрика, или особая геометрия и расположение заряженных элементов конструкции, обеспечивают условия создания активной движущей силы. При конструировании таких устройств, необходимо учесть, что эти силы электростатического взаимодействия всегда перпендикулярны заряженной поверхности.
В настоящее время, «конденсатор Фролова» более известен, как сочетание двух плоских кольцевых металлических электродов, разделенных цилиндрической диэлектрической перегородкой, рис. 74. В английском языке, этот вариант конструкции называют «Frolov’s Hat» – «шапка Фролова». Отметим, что диэлектрический диск и цилиндрическая перегородка должны быть выполнены из цельного куска диэлектрического материала, иначе, между электродами может произойти пробой через щель. Размеры устройства зависят от используемого напряжения между электродами. Повышение напряжения более 10 кВ нежелательно, так как это увеличивает потери на ионизацию, растет ток потребления.
Рис. 74. Вариант конденсатора Фролова с цилиндрической перегородкойВ развитие данной темы, предлагается вариант конструкции, которую могут выполнить современные производители микроэлектроники, с небольшими размерами элементов, например, менее одного миллиметра, рис. 75.
Рис. 75. Миниатюризация и пакетирование элементовИзвестно, что электрический пробой наступает в воздушном зазоре при напряжении около 1000 Вольт на миллиметр. Малые размеры позволят работать при малых напряжениях, без ионизации воздуха. Кроме того, кулоновские силы быстро растут при уменьшении расстояния между телами, квадратичная зависимость. Для оптимизации схем, показанных на рис. 73 – рис. 75, можно использовать жидкий диэлектрик.
Ошибочно полагать, что заряженные элементы конструкции могут быть только металлическими электродами, как у Брауна. В большинстве предлагаемых мной конструкций электрокинетических движителей, могут применяться заряженные диэлектрики или электреты. Металлические элементы тоже дают некоторые силовые эффекты, но заряды с них быстро «стекают в воздух». Данный побочный процесс реактивный, и именно он искажает основную идею получения активной силы. Он может быть сильнее основного эффекта. Необходимо избегать этого побочного процесса конструктивными методами, например, придавая электродам сферическую или цилиндрическую форму, обеспечивая полировку поверхности и т. п.
На рис. 76 показан вариант конструкции, предложенной в 1994 году [32].
Рис. 76. Движитель Фролова с одноименно заряженными цилиндрическими элементамиВ данном случае, мы рассматриваем кулоновские силы между несколькими диэлектрическими одноименно заряженными элементами: плоским электродом (основанием) и множеством цилиндрических заряженных элементов (трубок). Благодаря тому что силы, действующие на поверхность электрически заряженного диэлектрика, всегда перпендикулярныы поверхности, силы F21, действующие на пластину – основание, сонаправлены и суммируются. В то же время, силы, действующие на каждый цилиндрический элемент F12, с разных сторон, взаимно компенсируются. Эти особенности предлагается использовать для конструирования электрических движителей, создающих активную силу за счет ненулевой векторной суммы кулоновских сил.
Современные нанотехнологии позволяют реализовать концепцию, показанную на рис. 76, с помощью диэлектрических элементов малого размера, 100–200 нм. При таких размерах, кулоновские силы будут эффективно действовать на малых расстояниях при небольших напряжениях.
В примитивных экспериментах, которые были проведены в моей лаборатории, была обнаружена небольшая сила, на уровне 10-5 (N). В 1996–1998 годах я докладывал об данных результатах на конференциях, отправлял документы по данному проекту в ЦНИИ имени Хруничева, но не нашел интереса российских организаций к данной теме. В 1998 году, в Санкт-Петербург приезжали представители авиационного департамента корпорации Тойота, которые были ознакомлены с предлагаемым принципом и экспериментами. Позже, после 2002 года, мою лабораторию ООО «ЛНТФ» в Санкт-Петербурге посещали представители российского военного исследовательского института, но мои примитивные эксперименты с «заряженными шариками» не убедили их в перспективности предлагаемого метода. Буду рад развитию данной темы с заинтересованным заказчиком, имеющим собственную научно-техническую базу.
Наиболее интересен тот факт, что подъемная (движущая) сила сохраняется при выключенном источнике питания, постепенно спадая, по мере саморазряда конденсатора. Минимизируя токи утечки через диэлектрик, а также, снижая рабочее напряжение за счет миниатюризации элементов конструкции, мы можем устранить эффекты ионизации и потерь заряда. Сохранение разности потенциалов обеспечивает наличие движущей силы. Электреты, как особый тип диэлектрика, могут использоваться в таких конструкциях. Это позволит получать активную силу без затрат мощности от первичного источника, пока электреты сохраняют свой заряд. Современные электреты могут сохранять заряд годами. Перспективы интересные!
В Природе, встречается сочетание статического электричества и удивительных аэродинамических качеств, например, у бабочек, пчел, шмелей и т. п. Кстати, материал, из которого сделана их конструкция, не имеет металлических элементов, а является диэлектриком, и обладает электретными свойствами. Электрический заряд на поверхности «живого диэлектрика», в данном случае, обусловлен трением движущихся частей, и движением воздуха.
Вернемся к идеям Брауна. Задача создания движущей силы решается им не только за счет геометрической асимметрии элементов конструкции. Сила, как писал Браун, действует «в сторону большей интенсивности силовых линий электрического поля». Именно этот эффект показан на рис. 69.
В патенте Брауна № 3187206, есть упоминание о том, что движущую силу можно получить за счет асимметрии электродов, а также, «за счет прогрессивно изменяющийся диэлектрической проницаемости материала, находящегося между электродами». Браун также отметил возможность использования градиента электрической проводимости и полупроводниковых материалов, но эти методы создания движущей силы более энергозатратные, чем «градиентная электростатика».
Метод, основанный на градиенте свойств диэлектрика, представляется мне более технологичным и перспективным, чем геометрическая асимметрия, показанная на рис. 72 – рис. 76. Рассмотрим данный вопрос подробнее.
В курсе теории диэлектриков, есть интересное замечание о силе, действующей на частицы вещества, находящихся на границе раздела двух диэлектриков, имеющих различную диэлектрическую проницаемость, рис. 77. Различные свойства диэлектрической среды задают разное по величине электрическое поле E1 и E2, в области между двумя пластинами конденсатора.
Рис. 77. Граница раздела двух сред с разной диэлектрической проницаемостьюЭта сила F действует в сторону максимальной напряженности электрического поля E1, и «направлена по нормали к поверхности раздела диэлектриков», как пишет Б.М. Тареев в учебнике по диэлектрикам [34].
Учитывая это важное замечание по поводу нормального направления вектора силы, можно конструировать силовые установки активного (нереактивного) типа, в которых создается ненулевой суммарный вектор действующих электрических сил.
Напряженность электрического поля, как известно, есть градиент электрического потенциала, убывающего с увеличением расстояния от поверхности заряженного тела. Естественный градиент электрического потенциала, в частности, создаваемый вокруг заряженного шарика, показан на рис. 78. Частица бумаги, например, притягивается в поверхности заряженного шарика, именно благодаря этому градиенту электрического потенциала: она движется в сторону большей интенсивности силовых линий.
Рис. 78. Притяжение частицы к заряженному шарику в естественном электрическом полеСоздавая искусственный градиент потенциала, за счет свойств среды, окружающей заряженное тело, представляется возможным получить интересные эффекты.
На рис. 79 показан вариант предлагаемой конструкции, в которой выпуклая поверхность высоковольтного электрода покрыта градиентным диэлектриком, в котором послойно или плавно меняется величина диэлектрической проницаемости, при удалении от поверхности электрода. Наружный слой диэлектрика, для наших целей, должен иметь минимальное значение диэлектрической проницаемости, а внутренний слой – максимальное значение. В таком случае, около электрода величина потенциала будет минимальная, а при удалении от поверхности электрода, значение потенциала будет не уменьшаться, а увеличиваться. Это создает эффект «обратного электрического поля».
Рис. 79. Элемент активного движителя с градиентным диэлектрикомНапомню, что чем меньше диэлектрическая проницаемость среды, тем сильнее в данной области пространства напряженность электрического поля. При определенных условиях, на частицу, находящуюся в области градиентного диэлектрика, действует сила, направленная в сторону диэлектрика с меньшей величиной диэлектрической проницаемости. В обычном электрическом поле, как мы рассмотрели на рис. 78, частицы притягиваются к электроду, стремясь перейти в область максимальной напряженности поля. В «обратном электрическом поле», рис. 79, частицы вещества диэлектрика будут стремиться прочь от электрода, так как искусственно созданный градиент электрического потенциала заставляет их смещаться в сторону большей интенсивности силовых линий.
Уменьшение величины диэлектрической проницаемости, которое может быть создано плавно или слоями, в толще диэлектрика, с увеличением расстояния от поверхности электрода. Особые условия состоят в том, что мы должны не только уменьшить или компенсировать естественное уменьшение величины электрического потенциала, а добиться того, чтобы с расстоянием от заряженной поверхности изменение напряженности поля происходил быстрее, чем происходит естественное уменьшение потенциала, при удалении от электрода. Как писал Томас Браун, необходимо создать «прогрессивно изменяющуюся» диэлектрическую проницаем, ость.
Как известно, закон Кулона имеет квадратичную функцию. Следовательно, функция изменений потенциала с расстоянием от электрода, которую мы задаем с помощью конструктивного изменения диэлектрической проницаемости вещества диэлектрика, должна иметь крутизну более, чем квадратичная функция. В таком случае, для частиц диэлектрика, находящихся в толще диэлектрика, направление увеличения электрического потенциала будет обращено в сторону от заряженной поверхности. При такой ситуации, на них будет действовать сила, направленная в сторону максимальной величины потенциала, то есть, наружу от электрода.
Технологическая задача создания многослойного диэлектрика, или материала с прогрессивным градиентом диэлектрической проницаемости, достаточно сложная, но перспективная. Применение данной технологии в энергетике и оборонной промышленности имеет большие перспективы. Такие материалы, по моим расчетам, могут обеспечить активные действующие силы величиной около 100 тонн на квадратный метр поверхности специального конденсатора, при напряженности электрического поля около 10 киловольт. Такие мощные силовые эффекты, без учета побочной ионизации воздуха, должны объясняться некоторой работоспособной теорией.
Коротко по теории процесса. Существует несколько теоретических подходов, и все они опираются на предположение о наличии среды в вакууме, которая, при воздействии на нее, может приобретать некоторую структуру, поскольку она имеет определенные физические свойства, в том числе, плотность энергии.
Закон Кулона в квантовой электродинамике описывается, как обмен энергией виртуальных фотонов, происходящий между заряженными частицами. Аналогичные идеи рассматривает Берден [28]. На рис. 80 показана схема взаимодействия двух электрически заряженных тел, с точки зрения эфиродинамики.Асимметричные конденсаторы для силовой установки
Lifters – лифтеры или подъемные сооружения, или подъемники
Асимметричные конденсаторы для силовой установки
В качестве источника тяги были предложены асимметричные конденсаторные двигатели. На протяжении более восьмидесяти лет было известно, что толчок возникает, когда высокое напряжение помещается на асимметричный конденсатор, когда это напряжение вызывает протекание тока утечки. Однако существует удивительно мало экспериментальных или теоретических данных, объясняющих этот эффект. В данной работе представлены результаты испытаний нескольких несимметричных конденсаторных двигателей (ACT). Тяга, которую они производят, была измерена для различных напряжений, полярностей и конфигураций земли, а их излучение в диапазоне УКВ было записано. Эти испытания проводились при атмосферном давлении и при различных пониженных давлениях. Была разработана простая модель тяги. Модель предполагала, что тяга была вызвана электростатическими силами на токе утечки, протекающем через конденсатор. Далее предполагалось, что в этом токе участвуют заряженные ионы, которые многократно сталкиваются с воздухом. Эти столкновения передают импульс. Все измеренные данные соответствовали этой модели. Многие конфигурации были протестированы, и результаты предлагают общие принципы проектирования для ACT, которые будут использоваться для различных целей.
Введение
Предыдущие Эксперименты
Незадолго до поступления в колледж в 1922 году Томас Таунсенд Браун заметил, что сила воздействия на трубу Кулиджа возникает при приложении высокого напряжения. С тех пор было обнаружено, что сила возникает, когда высокое напряжение прикладывается и ко многим другим асимметричным конденсаторам. Браун получил множество патентов в США и один в Великобритании за свою работу. Этот эффект называется эффектом Бифельда-Брауна; он был обнаружен, когда Т. Т. Браун учился в аспирантуре и работал под руководством своего советника доктора Пола Альфреда Бифельда. Хотя общепринято, что такой асимметричный конденсатор создает тягу, нет аналогичного соглашения о механизме, ответственном за создаваемую силу. Целью данной статьи является предоставление новых результатов испытаний и анализ этих результатов для решения этого вопроса.
Начиная с работ Т. Т. Брауна, существует долгая история интереса к этим устройствам. В одной конфигурации два асимметричных конденсатора расположены с возможностью вращения вокруг вертикальной оси. Это устройство обычно называется асимметричным конденсаторным двигателем (ACT). Другая распространенная конфигурация включает одну пластину конденсатора над другой, расположенную так, чтобы устройство могло подниматься над землей. Это устройство называется лифтером. Александр де Северский исследовал лифтеры в 1960-х годах с помощью своего «Ионокрафта» и получил патент США. Ремесло Ди Северского объединило серию проводов, перпендикулярных сетчатой пластине, чтобы поднять устройство.
Роберт Талли из Veritay Technology провел испытания ACT в вакууме в конце 1980-х годов по контракту ВВС. Испытания не позволяли ACT вращаться, а подвешивали его на торсионной проволоке. Это дало ему чувствительность, чтобы можно было измерить небольшие силы. Его доклад является единственным письменным отчетом, который мы нашли за последние полвека и который описывает измерение силы в вакуумной камере. В конечном итоге Талли приписал наблюдаемую им силу электростатическому взаимодействию между камерой и устройством. Тэлли написал: «Прямые экспериментальные результаты показывают, что в условиях высокого вакуума … не было обнаружено электростатически индуцируемой движущей силы при приложении разницы статического потенциала … между электродами испытательного устройства…» Тэлли заключил (стр. 91 своего отчета): «Если такая сила все еще сохраняется существует и лежит ниже порога измерений в этой программе, тогда сила может быть слишком мала, чтобы быть привлекательной для многих, если не для большинства, применений космического движения ». Хотя эта работа убедительно доказывает способность этих устройств создавать силу в вакууме, она не затрагивала использование асимметричных конденсаторов в атмосфере.
Ассиметричный конденсатор или играем с высоким напряжением
Написал вот на конкурс научную работу. Решил выложить.Так как там работа на 25 листов, я опущу такие части как введение, экспериментальная часть, заключение. Сосредоточусь на процессе создания данного аппарата.
Немного теории
Вообще конденсатор является уникальным приспособлением, создающим между обкладками «двухполюсный» электрический эфир, два электрических подпространства-времени. Антигравитационный эффект связан с искривлением исходного пространства-времени электрическим полем.
Взаимодействие электрического поля большой напряженности с гравитационным эфиром было экспериментально открыто Томасом Таунсендом Брауном, учащимся колледжа, в начале прошлого века. Однажды он раздобыл трубку Кулиджа, которая потом привела его к этому открытию. Он сделал то, о чем пока не думал ни один ученый его времени: укрепил трубку Кулиджа на чувствительнейшем балансире и начал испытывать свое устройство. Неожиданно его внимание привлекло странное поведение самой трубки: всякий раз, когда он включал трубку, она производила некое поступательное движение, словно аппарат пытался продвинуться вперед. Стало ясно, что существует связь электрического и гравитационного полей. Ему понадобилось много усилия и времени, прежде чем он нашел объяснение.
Эффект заключается в поступательном движении плоского высоковольтного конденсатора в сторону положительного полюса. После многолетних исследований в 25-65 годах Браун создал пленочные дисковые конденсаторы, заряженные до напряжения 50 kV, что соответствует потреблению маленькой лампочки, способные подниматься в воздух и совершать круговые движения со скоростью 50 м/с. Когда диски заряжались, они начинали двигаться по круговому пути. И, в конце концов, ему удалось сконструировать прибор, который он назвал «гравитор». Его изобретение имело вид простого ящика, но стоило положить его на весы и подключить к источнику энергии напряжением 100 киловольт, как аппарат в зависимости от полярности прибавлял, или терял примерно один-два процента своего веса.
В момент зарядки конденсатора, между обкладками образуется магнитное поле. В присутствии электрического потенциала э магнитное поле образует вторичное гравитационное поле, согласно уравнениям единой теории поля. В положительном и отрицательном электрическом потенциале гравитационное поле имеет различное направление, действующее на вещество диэлектрика разнонаправлено. Если положительный потенциал будет больше чем отрицательный, то и антигравитациоонные силы будут больше.
Как определить твердотельный конденсатор
Если говорить о твердотельных конденсаторах, это тот же электролитический конденсатор, однако в нем используется специальный токопроводящий полимер или полимеризованный органический полупроводник. В то время как в других конденсаторах используется обычный жидкий электролит.
Общая характеристика
Как уже говорилось, отличие между твердотельными и обычными конденсаторами состоит во внутренней «начинке» устройства. Так чем же они лучше?
Первое и самое существенное отличие кроется именно в том, что в твердотельных конденсаторах используется твердый полимерный электролит, а не жидкий. Это исключает возможность протекания или испарения электролита. Вторым существенным плюсом у твердотельных устройств стало их последовательное эквивалентное сопротивление, которое называют ESR. Снижение этого показателя привело к тому, что стало возможным использование менее емкостных конденсаторов, а также меньших размеров в тех же условиях. Еще одним существенным плюсом твердотельных конденсаторов стало то, что они менее чувствительны к перепадам температуры. Это преимущество также говорит о том, что продолжительность срока службы такого объекта будет больше примерно в шесть раз, а значит и объект, в котором он установлен, прослужит намного дольше.
Электролитические
В твердотельном электролитическом конденсаторе в качестве диэлектрика используется тонкий слой оксида металла. Образование данного слоя осуществляется посредством электрохимического способа. Протекание данного процесса осуществляется на обложке из этого же металла.
Вторая обложка у данного конденсатора может быть представлена в виде жидкого или сухого электролита. В обычных электролитических используется жидкий, а в твердотельных – сухой. Для создания металлического электрода в этом типе твердотельных конденсаторов используется такой материал, как тантал или алюминий.
Стоит отметить, что к группе электролитических принадлежат также и танталовые конденсаторы.
Асимметричные
Асимметричный конденсатор с твердотельным электролитом – это относительно недавнее изобретение, так как ранее использовались другие устройства. Первым и простейшим конденсатором из этой группы стал Т-образный. В этом объекте пластины располагались в одной плоскости. Последующее развитие асимметричных конденсаторов привело к появлению дискового типа. Состоял он из плоского кольца, а также расположенного внутри него диска. Последующее совершенствование асимметричных конденсаторов привело к еще большему упрощению конструкции, и были получены устройства с двумя электродами. Один из них был представлен в виде тонкого провода, а второй – тонкой пластиной или же тонкой полоской металла. Но стоит заметить, что использование именно этого типа конденсаторов затруднено в связи с применением высоковольтного оборудования.
Маркировка
Существует маркировка твердотельных конденсаторов, которая описывает их характеристики. Наличие данной маркировки поможет понять определенные свойства конденсатора:
- Опираясь на маркировку устройства, можно точно определить рабочее напряжение для каждого конденсатора. Также стоит отметить, что данное значение должно превышать то напряжение, которое присутствует в цепи, использующей этот объект. Если не соблюсти это условие, то будут либо сбои в работе всей цепи, либо конденсатор просто взорвется.
- 1 000 000 пФ (пикофарад) = 1 мкФ. Данная маркировка у многих конденсаторов одинакова. Это связано с тем, что практически у всех устройств емкость равна или же близка к этому значению, а потому может указываться как в пикофарадах, так и в микрофарадах.
Вздутие конденсатора
Несмотря на то что конденсаторы этого типа довольно устойчивы к поломкам, они все же не вечные, и их также приходится менять. Замена твердотельного конденсатора может понадобиться в нескольких случаях:
- Причин поломки, то есть вздутия этого устройства, может быть довольно много, однако главной из них называют плохое качество самой детали.
- К причинам вздутия можно также отнести выкипание или испарение электролита. Несмотря на то что здесь используется твердый электролит, такие неполадки все равно не исключается полностью, и при очень высоких температурах такое все же случается.
Важно отметить, что перегрев этого устройства может произойти как из-за воздействия внешней среды, так и из-за внутренней. К внутреннему воздействию можно отнести неверную установку. Другими словами, если перепутать полярность при монтаже этой детали, то при ее запуске она практически моментально нагревается и, скорее всего, взорвется. Кроме этих причин, возможен также сильный перегрев из-за несоблюдения правил эксплуатации. Это может быть неверный вольтаж, емкость или работа в слишком высокой температурной среде.
Как избежать вздутия и частой замены
Начать стоит с того, как же избежать вздутия твердотельного конденсатора.
- Первое, что советуют – это использовать только качественные детали.
- Второй совет, который может помочь избежать таких проблем – это не давать конденсатору перегреваться. Если температура достигает 45 градусов или больше, то необходимо срочное охлаждение, а еще лучше размещать эти устройства как можно дальше от источников тепла.
- Так как чаще всего конденсаторы вздуваются в блоках питания компьютера, рекомендуют использовать стабилизаторы напряжения, защищающие сеть от резких скачков напряжения.
Если вздутие все же произошло, то требуется замена устройства. Главное правило ремонта – это подобрать конденсатор с такой же емкостью. Допускается отклонение данного параметра в большую сторону, но лишь немного. Отклонения в меньшую сторону недопустимы. Те же правила касаются и напряжения объекта. Также стоит добавить, что при замене электролитических конденсаторов на твердотельные можно использовать устройства и с меньшей емкостью. Это возможно из-за меньшего ESR, о котором говорилось ранее. Но перед этим все же стоит посоветоваться со специалистом. Сам же процесс замены заключается в удалении сгоревшей детали посредством пайки и припаивании нового.
Ремонт
Довольно часто приходится проводить профилактический ремонт конденсаторов. Допустим, при разборке компьютера был найден подозрительный конденсатор. Его необходимо проверить и при необходимости заменить. Для замены потребуется паяльник мощностью от 25 до 40 ВТ. Это приборы средней мощности. Их использование обосновано тем, что менее мощные паяльники не смогут отпаять конденсатор, а более мощные слишком большие, и ими неудобно проводить работы.
Лучше всего иметь под рукой паяльник с конической формой жала. Для осуществления ремонта старый конденсатор выпаивают, но делать это необходимо очень осторожно, так как платы, в которых они установлены, чаще всего многослойные – до 5 слоев. Повреждение хотя бы одного из них выведет из строя всю плату, и ремонту она уже не подлежит. После выпаивания старого устройства отверстия для установки пробиваются иглой, лучше всего медицинской, она более тонкая. Припаивание нового объекта лучше всего проводить, используя канифоль.
Полимерные твердотельные конденсаторы
Можно сказать, что все устройства этого типа являются полимерными, так как внутри этого устройства используется твердый полимер вместо жидкого электролита. Применение твердого материала в стандартных твердотельных конденсаторах дало такие преимущества:
- при высоких частотах – низкое эквивалентное сопротивление;
- высокое значение тока пульсации;
- срок эксплуатации конденсатора значительно выше;
- более стабильная работа при высоких температурных режимах.
Если говорить подробнее, то, к примеру, пониженное ESR – это меньшие затраты энергии, а значит, и меньший нагрев конденсатора при тех же нагрузках. Более высокая степень пульсации тока обеспечивает стабильную работу всей платы в целом. Естественно, что именно замена жидкого электролита на твердый и привела к тому, что срок службы значительно вырос.
Если говорить о твердотельных конденсаторах, это тот же электролитический конденсатор, однако в нем используется специальный токопроводящий полимер или полимеризованный органический полупроводник. В то время как в других конденсаторах используется обычный жидкий электролит.
Общая характеристика
Как уже говорилось, отличие между твердотельными и обычными конденсаторами состоит во внутренней «начинке» устройства. Так чем же они лучше?
Первое и самое существенное отличие кроется именно в том, что в твердотельных конденсаторах используется твердый полимерный электролит, а не жидкий. Это исключает возможность протекания или испарения электролита. Вторым существенным плюсом у твердотельных устройств стало их последовательное эквивалентное сопротивление, которое называют ESR. Снижение этого показателя привело к тому, что стало возможным использование менее емкостных конденсаторов, а также меньших размеров в тех же условиях. Еще одним существенным плюсом твердотельных конденсаторов стало то, что они менее чувствительны к перепадам температуры. Это преимущество также говорит о том, что продолжительность срока службы такого объекта будет больше примерно в шесть раз, а значит и объект, в котором он установлен, прослужит намного дольше.
Электролитические
В твердотельном электролитическом конденсаторе в качестве диэлектрика используется тонкий слой оксида металла. Образование данного слоя осуществляется посредством электрохимического способа. Протекание данного процесса осуществляется на обложке из этого же металла.
Вторая обложка у данного конденсатора может быть представлена в виде жидкого или сухого электролита. В обычных электролитических используется жидкий, а в твердотельных – сухой. Для создания металлического электрода в этом типе твердотельных конденсаторов используется такой материал, как тантал или алюминий.
Стоит отметить, что к группе электролитических принадлежат также и танталовые конденсаторы.
Асимметричные
Асимметричный конденсатор с твердотельным электролитом – это относительно недавнее изобретение, так как ранее использовались другие устройства. Первым и простейшим конденсатором из этой группы стал Т-образный. В этом объекте пластины располагались в одной плоскости. Последующее развитие асимметричных конденсаторов привело к появлению дискового типа. Состоял он из плоского кольца, а также расположенного внутри него диска. Последующее совершенствование асимметричных конденсаторов привело к еще большему упрощению конструкции, и были получены устройства с двумя электродами. Один из них был представлен в виде тонкого провода, а второй – тонкой пластиной или же тонкой полоской металла. Но стоит заметить, что использование именно этого типа конденсаторов затруднено в связи с применением высоковольтного оборудования.
Маркировка
Существует маркировка твердотельных конденсаторов, которая описывает их характеристики. Наличие данной маркировки поможет понять определенные свойства конденсатора:
- Опираясь на маркировку устройства, можно точно определить рабочее напряжение для каждого конденсатора. Также стоит отметить, что данное значение должно превышать то напряжение, которое присутствует в цепи, использующей этот объект. Если не соблюсти это условие, то будут либо сбои в работе всей цепи, либо конденсатор просто взорвется.
- 1 000 000 пФ (пикофарад) = 1 мкФ. Данная маркировка у многих конденсаторов одинакова. Это связано с тем, что практически у всех устройств емкость равна или же близка к этому значению, а потому может указываться как в пикофарадах, так и в микрофарадах.
Вздутие конденсатора
Несмотря на то что конденсаторы этого типа довольно устойчивы к поломкам, они все же не вечные, и их также приходится менять. Замена твердотельного конденсатора может понадобиться в нескольких случаях:
- Причин поломки, то есть вздутия этого устройства, может быть довольно много, однако главной из них называют плохое качество самой детали.
- К причинам вздутия можно также отнести выкипание или испарение электролита. Несмотря на то что здесь используется твердый электролит, такие неполадки все равно не исключается полностью, и при очень высоких температурах такое все же случается.
Важно отметить, что перегрев этого устройства может произойти как из-за воздействия внешней среды, так и из-за внутренней. К внутреннему воздействию можно отнести неверную установку. Другими словами, если перепутать полярность при монтаже этой детали, то при ее запуске она практически моментально нагревается и, скорее всего, взорвется. Кроме этих причин, возможен также сильный перегрев из-за несоблюдения правил эксплуатации. Это может быть неверный вольтаж, емкость или работа в слишком высокой температурной среде.
Как избежать вздутия и частой замены
Начать стоит с того, как же избежать вздутия твердотельного конденсатора.
- Первое, что советуют – это использовать только качественные детали.
- Второй совет, который может помочь избежать таких проблем – это не давать конденсатору перегреваться. Если температура достигает 45 градусов или больше, то необходимо срочное охлаждение, а еще лучше размещать эти устройства как можно дальше от источников тепла.
- Так как чаще всего конденсаторы вздуваются в блоках питания компьютера, рекомендуют использовать стабилизаторы напряжения, защищающие сеть от резких скачков напряжения.
Если вздутие все же произошло, то требуется замена устройства. Главное правило ремонта – это подобрать конденсатор с такой же емкостью. Допускается отклонение данного параметра в большую сторону, но лишь немного. Отклонения в меньшую сторону недопустимы. Те же правила касаются и напряжения объекта. Также стоит добавить, что при замене электролитических конденсаторов на твердотельные можно использовать устройства и с меньшей емкостью. Это возможно из-за меньшего ESR, о котором говорилось ранее. Но перед этим все же стоит посоветоваться со специалистом. Сам же процесс замены заключается в удалении сгоревшей детали посредством пайки и припаивании нового.
Ремонт
Довольно часто приходится проводить профилактический ремонт конденсаторов. Допустим, при разборке компьютера был найден подозрительный конденсатор. Его необходимо проверить и при необходимости заменить. Для замены потребуется паяльник мощностью от 25 до 40 ВТ. Это приборы средней мощности. Их использование обосновано тем, что менее мощные паяльники не смогут отпаять конденсатор, а более мощные слишком большие, и ими неудобно проводить работы.
Лучше всего иметь под рукой паяльник с конической формой жала. Для осуществления ремонта старый конденсатор выпаивают, но делать это необходимо очень осторожно, так как платы, в которых они установлены, чаще всего многослойные – до 5 слоев. Повреждение хотя бы одного из них выведет из строя всю плату, и ремонту она уже не подлежит. После выпаивания старого устройства отверстия для установки пробиваются иглой, лучше всего медицинской, она более тонкая. Припаивание нового объекта лучше всего проводить, используя канифоль.
Полимерные твердотельные конденсаторы
Можно сказать, что все устройства этого типа являются полимерными, так как внутри этого устройства используется твердый полимер вместо жидкого электролита. Применение твердого материала в стандартных твердотельных конденсаторах дало такие преимущества:
- при высоких частотах – низкое эквивалентное сопротивление;
- высокое значение тока пульсации;
- срок эксплуатации конденсатора значительно выше;
- более стабильная работа при высоких температурных режимах.
Если говорить подробнее, то, к примеру, пониженное ESR – это меньшие затраты энергии, а значит, и меньший нагрев конденсатора при тех же нагрузках. Более высокая степень пульсации тока обеспечивает стабильную работу всей платы в целом. Естественно, что именно замена жидкого электролита на твердый и привела к тому, что срок службы значительно вырос.
Конденсаторы широко применяются в электротехнике в качестве элементов, сглаживающих пульсации переменного тока, фильтров частоты, или накопителей энергии. Кроме того, эти радиодетали можно применять в качестве гальванической развязки. Технологий изготовление множество, принцип общий: между двумя обкладками кроме диэлектрика размещается особое химическое вещество, определяющее характеристики. Для электроустановок постоянного тока, применяются электролиты. Это недорогая технология, которая имеет серьезный недостаток: жидкость может закипеть от перегрузки или высокой температуры, и тогда конденсатор буквально взрывается. К счастью, такой «экстрим» случается редко: в большинстве случаев корпус просто разрушается, теряет герметичность, и электролит вытекает на монтажную плату.
Поэтому в ответственных узлах применяются конденсаторы, изготовленные по иной технологии. Вместо жидкого электролита применяется токопроводящий органический полимер. Он имеет фактически твердую консистенцию, поэтому при экстремальных нагрузках (включая температурные) опасности не представляет. Такие конденсаторы называются твердотельными (по причине отсутствия жидких фракций). Характеристики этих элементов не уступают традиционным «электролитам», однако стоимость деталей существенно выше. Есть еще один недостаток твердотельной конструкции — ограничения по вольтажу. Верхний предел напряжения не более 35 Вольт. Учитывая область применения (компьютеры, бытовая техника, автомобили), это не является большой проблемой.
По причине высокой стоимости, домашние мастера стараются избегать покупки дорогих деталей, используя б/у компоненты для замены. В любом случае, чтобы не тратить лишние деньги, необходимо знать, как проверить твердотельный конденсатор.
Как работает полимерный конденсатор
Чтобы проверить любой прибор, желательно понимать механизм его работы. Поскольку тема нашего материала — твердотельные конденсаторы (аналоги электролитических), значит речь пойдет о радиоэлементах для постоянного тока, то есть полярных. Все со школьной скамьи помнят эту иллюстрацию:
Две металлические пластины с диэлектриком между ними (для лаборатории подойдет даже воздух). Если на контакты подать потенциал, между пластинами накапливается разноименные заряды, и в пространстве между ними возникает электрическое поле. При отсутствии электрической цепи это поле может сохраняться достаточно долго (современные элементы обеспечивают утечку заряда, стремящуюся к нулю). Именно это свойство лежит в основе применения конденсаторов.
Элемент имеет определенные основные характеристики:
- Рабочее напряжение определяется величиной, при которой не наступает пробой диэлектрика. Конденсаторы выглядят совсем не так, как мы привыкли видеть на лабораторном столе в классе физики. Детали весьма компактны, соответственно расстояние между пластинами минимально. Отсюда ограничение по предельному напряжению.
- Емкость конденсатора — его главный параметр. Он определяет, сколько электрической энергии деталь может накопить и удерживать в себе. Величина напрямую зависит от площади пластин.
- Параметры утечки. Могут определяться током потери накопленного заряда, либо сопротивлением диэлектрика. Идеальные показатели возможны только в вакууме, но такие конденсаторы для бытового использования не выпускаются.
- Температурный коэффициент: определяется дельтой изменения емкости в зависимости от температуры.
- Точность — указывается в процентах. Показывает разброс параметров емкости от эталонной (маркировочной) величины.
Важно: несмотря на большое количество параметров, измерению (проверке) подлежат лишь два из них: емкость и сопротивление диэлектрика.
Устройство электролитических и твердотельных конденсаторов
Радиокомпоненты такого класса применяются в электронных устройствах с высокими требованиями по габаритам. Поэтому вопрос компромисса между площадью обкладок (от этого зависит емкость) и размерами корпуса — головная боль разработчиков. Проблема решается технологически просто:
Изготавливается так называемых сэндвич, стоящий из двух тончайших обкладок, между которыми прокладывается слой пропитанной электролитом бумаги (в электролитических моделях) или токопроводящий полимер (твердотельные конденсаторы). Обычно используется танталовая или алюминиевая фольга. В качестве диэлектрика применяется естественный оксидный слой одной из пластин. У него низкая проводимость, которая определяет ток утечки емкости.
Такая конструкция может занимать достаточно большую (по меркам радиодеталей) емкость. Поэтому ее сворачивают в плотный рулон, где в качестве разделителя между слоями выступает тонкая электро-бумага (смотрим иллюстрацию). Она не участвует в схеме работы конденсатора.
Наружная оболочка выполнена из алюминия, на нее наносится информация о характеристиках.
Преимущества твердотельных конденсаторов
- В сравнение с электролитической конструкцией, существенно снижено эквивалентное последовательное сопротивление. Благодаря этому деталь практически не нагревается на высоких частотах.
- Значительная величина тока пульсаций делает работу более стабильной, особенно в схемах обеспечения электропитанием.
- Твердотельные конденсаторы практически не зависят от температуры. Кроме физической защиты от раздувания корпуса, это свойство позволяет сохранять параметры при нагреве.
- Продолжительность жизни. Если принять за эталон рабочую температуру 85 °C, срок эксплуатации (без потери характеристик) в 6 раз больше, чем у электролитов. Обычно эти детали без проблем работают не менее 5 лет.
Самостоятельная диагностика конденсатора
Поскольку мы говорим о деталях для работы с постоянным током, не имеет значения, какая применяется технология: электролитическая или полимерная. Проверка полярных конденсаторов выполняется одинаково.
Прежде всего, выполняется внешний осмотр. Электролиты не должны иметь следов вздутия, особенно на торце, где есть насечка в виде креста. При осмотре твердотельных корпусов можно увидеть термические повреждения с нарушением геометрии.
Разумеется, необходимо проверить крепление ножек. Компактная конструкция подразумевает небольшие размеры всех компонентов. Ножки могут банально оторваться еще на стадии сборки.
Если внешний осмотр не дал результатов, проводим тестирование с помощью мультиметра
В любом случае, для выполнения этих работ необходимо выпаять деталь из платы. Делать это надо осторожно, чтобы не выдернуть контактные ножки из корпуса.
Если ваш прибор имеет специализированный разъем для проверки, диагностика выполняется в соответствии с инструкцией к мультиметру. Обязательно проводится весь комплекс тестирования (если такой алгоритм имеется). Подключать нужно правильно, соблюдая полярность. Маркировка обязательно присутствует на корпусе детали. При такой проверке вы не только проверите исправность, но и увидите значение емкости.
- Проверка работоспособности конденсатора начинается с измерения сопротивления. Делается это не так, как на резисторах или диодах. Чтобы понять принцип проверки, вспомним основные свойства конденсатора. При накоплении заряда сопротивление между обкладками увеличивается. Для начала необходимо разрядить элемент (снять остаточный заряд). Разумеется, это справедливо лишь для исправной детали. Надо просто замкнуть ножки любым проводником, или сомкнуть их между собой.
Важно: электролитические конденсаторы могут работать с напряжением до 600 Вольт и более, поэтому их разряжают только инструментом с изолированной рукояткой.
Проверка межобкладочного замыкания
Даже такой надежный конденсатор, как твердотельный, может иметь банальные физические повреждения. Например, замыкание между обкладками или на корпус. В первом случае сопротивление не увеличится до бесконечности, хотя первое время будет плавно увеличиваться. При пробое на корпус, сопротивление между одной из ножек и внешней оболочкой будет критически маленьким.
В обоих случаях, такие конденсаторы следует отнести к браку, восстановлению они не подлежат.
Проверка истинных значений емкости
Как проверять детали с помощью специализированного мультиметра, мы уже рассматривали. Однако для проверки твердотельного (электролитического) конденсатора недостаточно просто зафиксировать факт исправности. Особенно, если радиоэлемент под подозрением, либо вы хотите использовать деталь, бывшую в употреблении. Необходимо использовать прибор, с достаточным диапазоном измерения емкости.
Тестирование проводится в несколько этапов:
- несколько раз соединяем конденсатор с клеммами прибора, затем разряжаем его замыканием, и снова проверяем;
- нагреваем радиодеталь с помощью термофена до температуры 60–85°C, и проверяем значение емкости: разброс параметров не должен превышать допустимую погрешность (указано на корпусе).
Важно: обязательно соблюдайте полярность при проведении измерений. Это необходимо не только для получения истинного значения. При напряжении питания прибора хотя бы 9 вольт (такие мультиметры встречаются часто), конденсатор может выйти из строя из-за переполюсовки.
Практическое применение на автомобиле
Далеко не все домашние мастера будут тестировать элементную базу материнских плат компьютеров. А вот навыки, как проверить конденсатор трамблера, пригодятся любому автолюбителю. Изучим методику на примере классики ВАЗ.
- Для проверки необходимо отсоединить кабель, идущий от трамблера до конденсатора. Он обычно соединен с одним контактом прерывателя. Между контактами закрепляем лампу мощностью 35–50 Вт (разумеется, с напряжением 12 вольт). Если при включении зажигания лампа загорелась, конденсатор неисправен, то есть «пробит» (это самая характерная поломка). Если «контролька» не светится — конденсатор исправен.
- Второй способ можно применять в крайнем случае, если у вас не нашлось лишней лампы. После включения зажигания, необходимо быстро и вскользь коснуться контактами друг к другу. Если ничего не происходит — конденсатор в порядке. При наличии искрения — радиоэлемент «пробит».
Для того, чтобы проверить твердотельные либо электролитические конденсаторы, не обязательно иметь образование радиоинженера. Руководствуясь нашими советами, вы сможете точно определить исправность радиодеталей, и сэкономить средства на покупку новых элементов. Учитывая высокую стоимость именно таких конденсаторов, снижение затрат на ремонт будет ощутимым.
Видео по теме
Что это — твердотельные конденсаторы? Маркировка и классификация
Если говорить о твердотельных конденсаторах, это тот же электролитический конденсатор, однако в нем используется специальный токопроводящий полимер или полимеризованный органический полупроводник. В то время как в других конденсаторах используется обычный жидкий электролит.
Общая характеристика
Как уже говорилось, отличие между твердотельными и обычными конденсаторами состоит во внутренней «начинке» устройства. Так чем же они лучше?
Первое и самое существенное отличие кроется именно в том, что в твердотельных конденсаторах используется твердый полимерный электролит, а не жидкий. Это исключает возможность протекания или испарения электролита. Вторым существенным плюсом у твердотельных устройств стало их последовательное эквивалентное сопротивление, которое называют ESR. Снижение этого показателя привело к тому, что стало возможным использование менее емкостных конденсаторов, а также меньших размеров в тех же условиях. Еще одним существенным плюсом твердотельных конденсаторов стало то, что они менее чувствительны к перепадам температуры. Это преимущество также говорит о том, что продолжительность срока службы такого объекта будет больше примерно в шесть раз, а значит и объект, в котором он установлен, прослужит намного дольше.
Электролитические
В твердотельном электролитическом конденсаторе в качестве диэлектрика используется тонкий слой оксида металла. Образование данного слоя осуществляется посредством электрохимического способа. Протекание данного процесса осуществляется на обложке из этого же металла.
Вторая обложка у данного конденсатора может быть представлена в виде жидкого или сухого электролита. В обычных электролитических используется жидкий, а в твердотельных — сухой. Для создания металлического электрода в этом типе твердотельных конденсаторов используется такой материал, как тантал или алюминий.
Стоит отметить, что к группе электролитических принадлежат также и танталовые конденсаторы.
Асимметричные
Асимметричный конденсатор с твердотельным электролитом — это относительно недавнее изобретение, так как ранее использовались другие устройства. Первым и простейшим конденсатором из этой группы стал Т-образный. В этом объекте пластины располагались в одной плоскости. Последующее развитие асимметричных конденсаторов привело к появлению дискового типа. Состоял он из плоского кольца, а также расположенного внутри него диска. Последующее совершенствование асимметричных конденсаторов привело к еще большему упрощению конструкции, и были получены устройства с двумя электродами. Один из них был представлен в виде тонкого провода, а второй — тонкой пластиной или же тонкой полоской металла. Но стоит заметить, что использование именно этого типа конденсаторов затруднено в связи с применением высоковольтного оборудования.
Маркировка
Существует маркировка твердотельных конденсаторов, которая описывает их характеристики. Наличие данной маркировки поможет понять определенные свойства конденсатора:
- Опираясь на маркировку устройства, можно точно определить рабочее напряжение для каждого конденсатора. Также стоит отметить, что данное значение должно превышать то напряжение, которое присутствует в цепи, использующей этот объект. Если не соблюсти это условие, то будут либо сбои в работе всей цепи, либо конденсатор просто взорвется.
- 1 000 000 пФ (пикофарад) = 1 мкФ. Данная маркировка у многих конденсаторов одинакова. Это связано с тем, что практически у всех устройств емкость равна или же близка к этому значению, а потому может указываться как в пикофарадах, так и в микрофарадах.
Вздутие конденсатора
Несмотря на то что конденсаторы этого типа довольно устойчивы к поломкам, они все же не вечные, и их также приходится менять. Замена твердотельного конденсатора может понадобиться в нескольких случаях:
- Причин поломки, то есть вздутия этого устройства, может быть довольно много, однако главной из них называют плохое качество самой детали.
- К причинам вздутия можно также отнести выкипание или испарение электролита. Несмотря на то что здесь используется твердый электролит, такие неполадки все равно не исключается полностью, и при очень высоких температурах такое все же случается.
Важно отметить, что перегрев этого устройства может произойти как из-за воздействия внешней среды, так и из-за внутренней. К внутреннему воздействию можно отнести неверную установку. Другими словами, если перепутать полярность при монтаже этой детали, то при ее запуске она практически моментально нагревается и, скорее всего, взорвется. Кроме этих причин, возможен также сильный перегрев из-за несоблюдения правил эксплуатации. Это может быть неверный вольтаж, емкость или работа в слишком высокой температурной среде.
Как избежать вздутия и частой замены
Начать стоит с того, как же избежать вздутия твердотельного конденсатора.
- Первое, что советуют — это использовать только качественные детали.
- Второй совет, который может помочь избежать таких проблем — это не давать конденсатору перегреваться. Если температура достигает 45 градусов или больше, то необходимо срочное охлаждение, а еще лучше размещать эти устройства как можно дальше от источников тепла.
- Так как чаще всего конденсаторы вздуваются в блоках питания компьютера, рекомендуют использовать стабилизаторы напряжения, защищающие сеть от резких скачков напряжения.
Если вздутие все же произошло, то требуется замена устройства. Главное правило ремонта — это подобрать конденсатор с такой же емкостью. Допускается отклонение данного параметра в большую сторону, но лишь немного. Отклонения в меньшую сторону недопустимы. Те же правила касаются и напряжения объекта. Также стоит добавить, что при замене электролитических конденсаторов на твердотельные можно использовать устройства и с меньшей емкостью. Это возможно из-за меньшего ESR, о котором говорилось ранее. Но перед этим все же стоит посоветоваться со специалистом. Сам же процесс замены заключается в удалении сгоревшей детали посредством пайки и припаивании нового.
Ремонт
Довольно часто приходится проводить профилактический ремонт конденсаторов. Допустим, при разборке компьютера был найден подозрительный конденсатор. Его необходимо проверить и при необходимости заменить. Для замены потребуется паяльник мощностью от 25 до 40 ВТ. Это приборы средней мощности. Их использование обосновано тем, что менее мощные паяльники не смогут отпаять конденсатор, а более мощные слишком большие, и ими неудобно проводить работы.
Лучше всего иметь под рукой паяльник с конической формой жала. Для осуществления ремонта старый конденсатор выпаивают, но делать это необходимо очень осторожно, так как платы, в которых они установлены, чаще всего многослойные — до 5 слоев. Повреждение хотя бы одного из них выведет из строя всю плату, и ремонту она уже не подлежит. После выпаивания старого устройства отверстия для установки пробиваются иглой, лучше всего медицинской, она более тонкая. Припаивание нового объекта лучше всего проводить, используя канифоль.
Полимерные твердотельные конденсаторы
Можно сказать, что все устройства этого типа являются полимерными, так как внутри этого устройства используется твердый полимер вместо жидкого электролита. Применение твердого материала в стандартных твердотельных конденсаторах дало такие преимущества:
- при высоких частотах — низкое эквивалентное сопротивление;
- высокое значение тока пульсации;
- срок эксплуатации конденсатора значительно выше;
- более стабильная работа при высоких температурных режимах.
Если говорить подробнее, то, к примеру, пониженное ESR — это меньшие затраты энергии, а значит, и меньший нагрев конденсатора при тех же нагрузках. Более высокая степень пульсации тока обеспечивает стабильную работу всей платы в целом. Естественно, что именно замена жидкого электролита на твердый и привела к тому, что срок службы значительно вырос.
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
границ | Конструкция асимметричных конденсаторов из активированного угля / активированного угля
Введение
Механизм накопления энергии в суперконденсаторах основан на электростатическом взаимодействии, возникающем между поляризованной поверхностью пористого углеродного электрода и ионами электролита, который формирует двойной электрический слой (Conway, 1999; Yu et al., 2013). Этот накопительный механизм имеет меньшее время отклика, чем батареи и топливные элементы, на изменения потенциала, приложенного к электродам (т.е.е., заряд / разряд устройств). Следовательно, суперконденсаторы можно зарядить всего за несколько минут, они демонстрируют более высокие энергетические характеристики, чем обычные аккумуляторные батареи и топливные элементы, а также имеют более длительный срок службы. Основываясь на вышеизложенных соображениях, суперконденсаторы могут использоваться для обеспечения высокой потребности в мощности в течение короткого времени без повреждения системы силовой передачи, когда гибридно-электрические транспортные средства и транспортные средства на топливных элементах ускоряются, и для восстановления энергии при их торможении.Основное ограничение для их широкого распространения связано с их низкой плотностью энергии, которая продиктована емкостью электродов и напряжением ячейки (Inagaki et al., 2014). Чтобы увеличить количество приложений, в которых можно было бы использовать суперконденсаторы, необходимо увеличить либо емкость материалов, используемых в качестве электродов, либо рабочее напряжение устройства. Как следствие, можно найти большое количество работ, направленных на увеличение емкости и потенциального окна электродов и растворителя (Bleda-Martínez et al., 2005; Vaquero et al., 2013; Wu et al., 2013).
Емкость электрода связана с площадью поверхности, доступной для образования заряженного двойного слоя, и обратно пропорциональна расстоянию между ионом и поляризованной поверхностью электрода (Yu et al., 2013). Доступная площадь поверхности связана со смачиваемостью пористости электрода, которая возникает в результате комбинации, с одной стороны, полярности и размера молекул растворителя и ионов, составляющих электролит, и с другой стороны, размер пор и химический состав поверхности электрода.Поры электрода должны иметь размер, аналогичный размеру ионов электролита, чтобы избежать эффектов просеивания ионов и увеличения поверхностной емкости (Chmiola et al., 2006; Pandolfo and Hollenkamp, 2006; Raymundo-Piñero et al., 2006; Simon and Burke, 2008), и, кроме того, химический состав поверхности электрода, соответствующий химическому составу растворителя, поможет обеспечить высокую смачиваемость поверхности пористости (Lin et al., 2009). Кроме того, фарадеевские реакции с участием поверхностных групп электродов также могут вносить вклад в емкость за счет так называемого вклада «псевдоемкости» (Conway et al., 1997). Этот вклад может максимизировать емкость некоторых усовершенствованных углеродных материалов (Itoi et al., 2014), и, хотя он в основном содержится в электролитах на водной основе (Bleda-Martínez et al., 2005), он также может способствовать увеличению емкости. электролитов на органической основе (Nueangnoraj et al., 2015). Пористые углеродные материалы являются наиболее подходящими материалами для достижения высокой емкости, поскольку они сочетают в себе высокую электропроводность, химическую и физическую стабильность с настраиваемой структурой пор и химией поверхности, что открывает возможности для изготовления электродов с заданными свойствами для максимизации результирующей емкости.Среди них активированный уголь наиболее широко используется в настоящее время из-за их конкурентоспособной стоимости. Уже были предприняты значительные усилия по разработке оптимизированных пористых углеродных материалов (Simon and Gogotsi, 2008; Zhang and Zhao, 2009; Béguin et al., 2014; Inagaki et al., 2014; Ruiz-Rosas et al., 2014). ), и можно утверждать, что в настоящее время трудно превзойти характеристики, уже достигнутые огромным количеством заявленных электродных материалов, уделяя внимание только модификации распределения пор по размерам и химического состава поверхности углеродных материалов, особенно когда экономическая устойчивость производственного процесса.
Рабочее напряжение суперконденсаторов в основном определяется растворителем, используемым при приготовлении электролитов. Допустимое рабочее напряжение для наиболее часто используемых электролитов составляет около 1 В для электролитов на водной основе, 2,5–2,7 В для электролитов на органической основе и более 4,0 В для электролитов на основе ионных жидкостей (Béguin et al., 2014). Благодаря высокому напряжению ячеек, электролиты на органической основе используются в большинстве коммерческих устройств, поскольку они обеспечивают более высокую удельную энергию, чем водные системы (Brandt and Balducci, 2014).Тем не менее, системы на основе органических веществ обеспечивают более низкую удельную мощность, чем суперконденсаторы на основе электролитов на водной основе, и водные системы были бы желательны из соображений экономии, токсичности и защиты окружающей среды. Важно отметить, что химию поверхности углеродных материалов можно настроить, чтобы обеспечить перенапряжение для разложения растворителей, что было использовано для достижения больших окон рабочего напряжения в водных средах (Gao et al., 2012; Salinas -Torres et al., 2013). Этот эффект особенно важен в нейтральных средах и позволяет достичь напряжения 2,0 В, что делает этот экологически чистый, безопасный и экономичный электролит жизнеспособным.
Помимо материалов и электролитов, существуют стратегии проектирования, которые могут повысить плотность энергии суперконденсаторов, например гибридные и асимметричные конфигурации. Гибридные конструкции позволяют комбинировать в одном устройстве псевдоемкостный и емкостный электроды. Эта комбинация позволяет воспользоваться преимуществами высоких емкостей псевдоемкостных материалов, в то время как окно рабочего напряжения и емкость ячейки увеличиваются за счет разумного выбора пористого углеродного материала, который играет роль электрода, где псевдоемкостный материал не показывает окислительно-восстановительного вклада и низкую стабильность. .Эта конфигурация была использована для разработки литий-ионных конденсаторов, которые объединяют электрод из активированного угля с графитом (Хоменко и др., 2008) или кристаллическими интеркаляционными соединениями (Аматуччи и др., 2001). Широкое напряжение в конденсаторах с электролитами на водной основе можно также достичь, используя в той же ячейке электрод, сделанный из оксидов переходных металлов (Cottineau et al., 2006; Khomenko et al., 2006) и проводящих полимеров (Laforgue et al., 2001; Salinas-Torres et al., 2013) на углеродном материале в сочетании с активированным угольным электродом.
С другой стороны, асимметричная конфигурация может состоять либо в комбинации двух разных пористых углеродных материалов в одном устройстве, либо в использовании одного и того же пористого углеродного материала в обоих электродах, но с разной массой электродов (Roldán et al., 2015 ). В первом случае, используя активированный уголь с оптимизированной химией поверхности для каждого электрода, рабочее напряжение кислотных суперконденсаторов может быть увеличено до 1,6 В (Хоменко и др., 2010), в то время как суперконденсаторы, приготовленные в нейтральных водных электролитах, могут достигать выдающихся результатов. значения напряжения до 2.0 V (Хоменко и др., 2006; Гао и др., 2012).
Наконец, конструкция ячейки, предполагающая массовую асимметрию электродов, изготовленных из одного и того же материала, является наиболее экономичным и менее требовательным подходом к максимальному увеличению плотности энергии суперконденсаторов. Это требует использования только двух разных весов для каждого электрода; таким образом, он может быть легко реализован в лабораторных условиях и при промышленном изготовлении суперконденсатора. Этот подход основан на трех этапах: (i) выполнение электрохимических характеристик пористого углеродного материала в потенциальных окнах, которые они будут работать в конденсаторе в качестве положительного или отрицательного электрода, (ii) определение как гравиметрической емкости, так и окна электрохимической стабильности для каждого электрода, и (iii) регулировка весового соотношения положительного и отрицательного электродов для получения полной выгоды от имеющихся окон электрохимической стабильности обоих электродов, что позволяет максимизировать рабочее напряжение ячейки (Peng et al., 2010; Чаэ и Чен, 2012). Эта стратегия успешно применялась в различных сценариях: гибридные конденсаторы (Peng et al., 2010; Nueangnoraj et al., 2014), асимметричные по материальным конденсаторам (Khomenko et al., 2010) и асимметричные по массе конденсаторов (Chae and Чен, 2012).
В данной работе мы предлагаем использовать асимметричную по массе конфигурацию для разработки суперконденсаторов в растворе Na 2 SO 4 с использованием трех различных активированных углей.Эти активированные угли состоят из (i) сверхпористого активированного угля; (ii) тот же сверхпористый активированный уголь после термической обработки; (iii) промышленный активированный уголь, используемый в рецептуре коммерческих суперконденсаторных клеток. Выбор нейтрального электролита обеспечивает широкий интервал стабильности электрохимического напряжения из-за более высокого перенапряжения для разложения воды в таких средах, хотя и за счет подавления большей части псевдемкостного влияния химии поверхности.Это также согласуется с разработкой более экологичных, безопасных, менее токсичных и более экономичных суперконденсаторных устройств. Во-первых, четко описана конструкция асимметричного суперконденсатора, а затем даны физико-химические и электрохимические характеристики активированных углей. Наконец, конденсаторы были сконструированы в соответствии с принципами асимметричной конструкции, их характеристики были определены, и конденсаторы были подвергнуты испытанию на долговечность для определения надежности предлагаемой конструкции.
Материалы и методы
Образцы активированного угля
В работе использовались три образца активированного угля. Два из них были синтезированы путем химической активации КОН, а другой был активированным углем, используемым в качестве электрода в коммерческих суперконденсаторах (названных ACM). Испанский антрацит использовался в качестве прекурсора в синтезированном активированном угле, который был смешан с КОН в соотношении 4: 1 (активирующий агент / прекурсор), а затем его нагревали при 5 ° C мин. -1 до 750 ° C. C, который выдерживали 2 ч (образец, обозначенный как Ank4).Подробные условия синтеза доступны в литературе (Lozano-Castelló et al., 2001).
Присутствие металлов может действовать как катализатор разложения электролита посредством окислительно-восстановительных реакций, в то время как поверхностные кислородные группы были идентифицированы как исходные комплексы в окислительной деградации пористых углеродных электродов (Kinoshita and Bett, 1973). Очищенный активированный уголь, не содержащий неорганических веществ и с пониженным количеством поверхностных кислородных групп, был получен из Ank4 следующим способом.Ank4 предварительно очищали с использованием водных растворов (10 мас.%) HCl, HNO 3 , HF при комнатной температуре в течение 48 ч. После кислотной обработки Ank4 промывали деионизированной водой до конечного значения pH промывочной воды и сушили при 120 ° C в течение ночи. Затем Ank4 обрабатывали в U-образном кварцевом реакторе в потоке водорода / гелия 30 мл мин. -1 при 850 ° C в течение 3 часов (названный Ank_H 2 ) (Calo et al., 1997; Vilella et al. ., 2005).
Определение пористой текстуры и химического состава поверхности
Пористая текстура всех образцов была охарактеризована с помощью анализа изотерм адсорбции-десорбции N 2 и CO 2 при -196 и 0 ° C соответственно с использованием прибора Autosorb-6-Quantachrome.Перед началом изотермы образцы дегазировали при 250 ° C в течение 4 ч. На основе их анализа была получена кажущаяся площадь поверхности в соответствии с теорией БЭТ, а объем микропор рассчитан по уравнению Дубинина – Радушкевича.
CO 2 При адсорбции при 0 ° C и давлении ниже атмосферного измеряются узкие микропоры (т. Е. Поры размером менее 0,7 нм), а для измерения общего объема микропор (т. Е. Пор размером менее 2 нм) необходимо использовать высокое давление. использовались (Cazorla-Amorós et al., 1996, 1998). N 2 при -196 ° C и давлении ниже атмосферного измеряет общий объем микропор, за исключением самых узких пор (то есть пор примерно менее 0,4 нм) (Cazorla-Amorós et al., 1998). Это означает, что в активированных углях с хорошо развитой пористостью (как в случае выбранных материалов) объем микропор, измеренный по адсорбции N 2 , будет выше, чем полученный по адсорбции CO 2 при 0 ° C и давление ниже атмосферного, что указывает на наличие супермикропор (т.е.е., поры от 0,7 до 2 нм).
Распределение пор по размерам было рассчитано на основе изотерм адсорбции N 2 с учетом модели неоднородной поверхности 2D-NLDFT (Jagiello and Olivier, 2013) и путем применения решения интегрального уравнения адсорбции с использованием сплайнов (SAIEUS, доступно онлайн по адресу http: / /www.nldft.com/) Программное обеспечение. Химический состав поверхности образцов был охарактеризован с помощью экспериментов TPD, которые проводились путем нагревания образцов при 20 ° C мин. -1 до 930 ° C при скорости потока гелия 100 мл мин. -1 .Выделившиеся газы оценивали с помощью масс-спектрометра (Thermostar, Balzers, BSC 200), который подсоединен к прибору TGA-DSC (TA Instruments, SDT Q600 одновременно).
Электрохимическая характеристика
Угольные электроды, используемые для электрохимических измерений в трехэлектродной ячейке, были изготовлены в форме диска 0,79 см 2 и массой от 20 до 25 мг (в пересчете на сухое вещество), тогда как электроды, используемые в двухэлектродной ячейке, имели площадь 0,196 см 2 и массой от 1 до 5 мг (в пересчете на сухое вещество).Подготовка электрода состоит из смешивания активированного угля, ацетиленовой сажи и политетрафторэтилена (ПТФЭ) в качестве связующего в соотношении 85: 10: 5. Затем его прижимали и помещали на титановую сетку или нержавеющий стержень, чтобы характеризовать трехэлектродную или двухэлектродную конфигурацию соответственно.
Электрохимические характеристики различных электродов были выполнены с использованием стандартной трехэлектродной конфигурации. В качестве электрода сравнения использовался Ag / AgCl (3 M KCl), а в качестве противоэлектрода использовалась спираль из платиновой проволоки.В качестве водного электролита использовали 0,5 М раствор Na 2 SO 4 . Электрохимическое поведение различных электродов из активированного угля оценивали с помощью экспериментов циклической вольтамперометрии (CV), которые проводились с помощью Autolab PGSTAT302. Значения удельной емкости определялись методом CV для широкого диапазона потенциальных окон. Выбор этих значений использовался для расчета отношения масс между обоими электродами перед сборкой конденсатора (более подробная информация ниже). Электрохимические характеристики различных асимметричных конденсаторов были проанализированы с использованием конфигурации двухэлектродной ячейки.Эти асимметричные конденсаторы были испытаны с помощью циклического гальваностатического заряда / разряда (GCD), и значение удельной емкости было оценено из времени разряда в экспериментах GCD и было отнесено к общему весу активного материала обоих электродов. Плотность энергии определялась по площади под кривой разряда U-Q, в то время как плотность мощности получена путем деления плотности энергии на время разряда. Кулоновская эффективность определяется как отношение времени разряда и заряда.
Принципы асимметричного дизайна
Плотность энергии ( E , Вт · ч кг −1 ) суперконденсаторной ячейки, в которой вся энергия накапливается чисто емкостными средствами, определяется гравиметрической емкостью ( C SP , F g −1 ) ячейки и рабочее напряжение ( U, , В):
E = 12⋅CSP3600⋅U2 (1)Емкость ячейки является следствием объединения двух параллельных конденсаторов и, следовательно, может быть выражена через гравиметрическую емкость положительного и отрицательного электродов ( C + и C — , соответственно, F g −1 ):
w ++ w − CSP = w + CSP ++ w − CSP− (2)В формуле.2, w + и w — (г) обозначают вес положительного и отрицательного электрода, а C SP + и C SP- — весовую емкость положительного и отрицательного электродов. электроды соответственно. Количество заряда, Q (C), хранящееся в каждом из положительных и отрицательных электродов, должно быть одинаковым и может быть выражено уравнениями. 3 и 4 (Peng et al., 2010; Chae, Chen, 2012):
Q = CSP + ⋅w + ⋅ΔU + = CSP − ⋅w − ⋅ | ΔU− | (3), где ΔU + (V) и ΔU- (V) представляют окно потенциала положительного и отрицательного электродов, соответственно, во время работы конденсатора.Как видно на рисунке 1, во время гальваностатического заряда конденсатора потенциал каждого электрода ( E + и E — , В) может быть рассчитан по их потенциалу разомкнутой цепи ( E OCP , В), их емкости и хранимого в них заряда.
E + = EOCP + ΔU + = EOCP + Q ∕ CSP + ⋅w + = EOCP + I⋅t ∕ CSP + ⋅w + (5)Рис. 1. Схема взаимосвязи электродных потенциалов, напряжения и заряда в симметричных (слева) и асимметричных (справа) суперконденсаторах .
Аналогичное выражение можно нарисовать для окна отрицательного потенциала. В частном случае симметричной конфигурации с равными значениями емкости можно сделать вывод, что ΔU + = ΔU−. В наиболее частом сценарии область стабильности потенциала электродов различна для положительного и отрицательного электродов (Chae and Chen, 2012), и, следовательно, ожидается, что потенциал одного из двух пределов будет достигнут раньше, создание области потерь потенциала для противоположного электрода.
Представленная здесь стратегия претендует на то, чтобы подогнать окна электрохимической стабильности каждого электрода к их закрытым окнам потенциала, когда конденсатор заряжен. Наблюдая за уравнением. 3 видно, что для фиксации ΔU + и ΔU- в соответствии с окнами электрохимической стабильности электродов, когда конденсатор полностью загружен, и поскольку их удельные емкости присущи каждой паре материала и электролита, весовое соотношение электроды должны быть закреплены:
w + ∕ w− = CSP − ⋅ | ΔU− | ∕ CSP + ⋅ΔU + (6)Для обеспечения хорошего результата при реализации этой стратегии необходимо точное определение потенциальных пределов устойчивости.Также важно правильно измерить потенциал холостого хода электродов. Затем необходимо определить гравиметрические емкости в потенциальных окнах в диапазоне от потенциала холостого хода до предельных потенциалов устойчивости каждого электрода. Если стратегия будет реализована успешно, можно будет увеличить рабочее напряжение, заставив оба электрода достичь потенциала, близкого к их пределам стабильности, как показано на рисунке 1. Хотя этот подход часто наблюдается при разработке гибридных и асимметричных электродов. Материал суперконденсаторных устройств, в литературе можно найти несколько примеров успешной реализации этого метода для конденсаторов с активированным углем / активированным углем.Двумя наиболее актуальными являются работы Чэ и Чена, которые сообщили о разработке такого типа суперконденсатора в нейтральной среде и достигли 1,9 В (Chae and Chen, 2012), а также Staiti et al., Которые оптимизировали соотношение масс ксерогеля. угольные электроды в ячейках суперконденсатора из сульфата натрия для достижения 1,8 В (Staiti et al., 2012). В обоих исследованиях были проведены испытания на долговечность, состоящие из большого количества экспериментов GCD, для оценки степени успеха, достигнутого с помощью этой стратегии. Следовательно, в этой работе также проводились тесты на циклируемость GCD.
Результаты
Определение характеристик пористой текстуры и химического состава поверхности
На рис. 2А показаны изотермы адсорбции-десорбции N 2 для образцов активированного угля, которые показывают высокое поглощение азота при низких относительных давлениях (изотерма типа I). Следовательно, все образцы представляют собой микропористые материалы. Однако оба синтезированных образца активированного угля из антрацита (Ank4 и Ank_H 2 ) демонстрируют более широкое колено при низких относительных давлениях, чем коммерческий активированный уголь (ACM).Это говорит о том, что распределение пор по размерам для ACM уже, чем для Ank4 и Ank_H 2 . Этот факт согласуется с NLDFT-PSD (рис. 2B), где видно, что образец ACM показывает самую узкую PSD, в то время как образцы ANK4 и ANK_H 2 имеют некоторый вклад более широких пор. Можно видеть, что обработка, использованная для очистки ANK4, немного расширила пористость в результате удаления примесей и особенно удаления поверхностных кислородных групп.Процесс очистки включал обработку 10% HNO 3 в течение 48 часов, что окисляет поверхность активированного угля (Bleda-Martínez et al., 2005), тем самым увеличивая расширение пористости за счет удаления поверхностных кислородных групп. когда окисленный активированный уголь позже подвергается термообработке в присутствии водорода.
Рисунок 2. (A) N 2 изотермы адсорбции-десорбции образцов ACs. (B) N 2 адсорбционный NLDFT-PSD образцов АУ.
В таблице 1 приведены характеристики пористой текстуры для всех образцов активированного угля. Активированные угли, синтезированные из антрацита, имеют большую кажущуюся площадь поверхности (S BET ), чем образец ACM. Эти высокие значения S BET обычно достигаются в активированных углях, полученных активацией КОН из-за развития высокой микропористости, вызванной химической активацией (Lozano-Castelló et al., 2001). Объем микропор, определенный по адсорбции N 2 , выше, чем значение, оцененное по адсорбции CO 2 для образцов Ank4 и ANK_H 2 , что указывает на хорошо развитую микропористость в этих материалах.Однако эта разница между объемами микропор, рассчитанными по данным N 2 и CO 2 , намного меньше для образца ACM. Это указывает на то, что образец ACM имеет узкое распределение микропор по размерам.
Таблица 1. Значения пористой текстуры всех образцов активированного угля .
На рисунках 3A, B показаны профили TPD для CO и CO 2 для всех образцов. Образец Ank4 показывает множество кислородных групп на своей поверхности, которые образовались в процессе химической активации.Группы, образующие CO, связаны с разложением карбонильных, хиноновых и фенольных групп, в то время как группы, образующие CO 2 , связаны с разложением кислотных групп (карбоксильных, лактонов и т. Д.) (Román-Martínez et al., 1993; Фигейредо и др., 1999; Бем, 2002). Можно заметить, что как количества десорбированного CO, так и CO 2 уменьшаются для образца Ank_H 2 из-за того, что большинство этих групп были удалены обработкой водородом. Термическая обработка активированного угля вызывает разложение поверхностных кислородных групп, но возникающие свободные участки обладают высокой реакционной способностью, и при контакте с воздухом они будут генерировать свежие поверхностные кислородные группы.Когда водород подается во время термической обработки, он способен катализировать удаление определенных кислородных групп и реагировать с возникающими свободными центрами, дезактивируя их и объясняя высокую эффективность этой обработки для удаления поверхностных групп (Calo et al., 1997 ). Что касается образца ACM, он показывает снижение количества CO-выделяющих групп по сравнению с Ank4. Однако его профиль CO 2 аналогичен профилю Ank4, а десорбция CO 2 наблюдается от 200 до 500 ° C, что связано с разложением карбоновых кислот.
Рисунок 3. (A) CO и (B) CO 2 Профили эволюции TPD, полученные из Ank4, Ank_H 2 и ACM.
Таблица 2 содержит количество CO и CO 2 , десорбированных во время экспериментов TPD для всех образцов активированного угля. Как упоминалось выше, образец Ank4 имеет большое количество групп CO-типа (карбонильные, хиноны или фенольные группы). Можно видеть, что количество кислорода в Ank4 намного выше, чем в Ank_H 2 , поскольку обработка в водороде при 850 ° C была чрезвычайно эффективной как из-за восстановителя (H 2 ), так и из-за высокой температуры.
Таблица 2. Количественное определение выделившегося CO и CO 2 , полученное в результате экспериментов TPD .
Электрохимические характеристики для всех активированных углей
Как упоминалось выше, три образца активированного угля были охарактеризованы в трехэлектродной ячейке с использованием CV, чтобы оценить ее емкость и окно потенциала электрохимической стабильности. Эксперименты проводились в 0,5 М водном растворе Na 2 SO 4 , поскольку он будет использоваться в качестве электролита в двухэлементном электроде из-за высокой стабильности в широком диапазоне потенциалов (Fic et al., 2012).
На рис. 4 показаны устойчивые вольтамперограммы для образца Ank4 от фиксированного верхнего значения потенциала к менее положительным. Наблюдается, что вольтамперограмма между 0,5 и -0,4 В имеет квазипрямоугольную форму, связанную с образованием двойного электрического слоя. Однако, если нижний предел потенциала уменьшается, эта форма немного изменяется, и при -0,9 В появляется процесс восстановления, связанный с реакцией выделения водорода (Bleda-Martínez et al., 2008). Во время сканирования в положительном направлении происходит увеличение тока окисления, который становится больше, когда нижний предел потенциала становится менее положительным.Этот электрохимический процесс связан с окислением водорода, который адсорбировался углеродной сеткой при менее положительных значениях потенциала. Этот процесс адсорбции водорода становится более заметным, когда углеродный материал достигает дополнительных отрицательных значений потенциала (Leyva-García et al., 2014).
Рис. 4. Устойчивые вольтамперограммы Ank4 в сторону отрицательных потенциалов (υ = 1 мВ с −1 ; 0,5 M Na 2 SO 4 ) .
Электрохимическое поведение образца Ank4 при положительных значениях потенциала показано на рисунке 5. Вольтамперограммы также показывают квазипрямоугольную форму. Тем не менее, если верхний предел потенциала увеличивается, окисление углеродного материала не наблюдается на вольтамперограммах вплоть до потенциалов, близких к 0,8 В. Этот анодный ток увеличивается по мере увеличения верхнего предела потенциала. Это может привести к деградации углеродного материала, если поддерживать самый высокий потенциал в течение длительного времени.Более того, при обратном сканировании наблюдается катодный ток при 0,2 В, который может быть связан с уменьшением поверхностных групп, образующихся во время положительного сканирования.
Рис. 5. Устойчивые вольтамперограммы Ank4 в направлении положительных потенциалов (υ = 1 мВ с −1 ; 0,5 M Na 2 SO 4 ) .
Что касается образца Ank_H 2 , этот образец показал электрохимическое поведение, подобное образцу Ank4 (вольтамперограммы здесь не показаны) как в анодном, так и в катодном процессах.Однако реакция выделения водорода сместилась в сторону более отрицательных значений потенциала. Более того, значения емкости ниже, чем отображаемые в образце Ank4. Наконец, образец ACM представляет циклические вольтамперограммы, аналогичные показанным в Ank_H 2 , от 0,2 В до отрицательных значений потенциала. Однако постоянные вольтамперограммы от -0,3 В до положительных значений потенциала показали небольшую разницу. На рисунке 6 во время сканирования в отрицательном направлении наблюдается окислительно-восстановительный процесс при 0,6 В, соответствующий восстановлению частиц, которые ранее были окислены.
Рис. 6. Устойчивые вольтамперограммы ACM в сторону положительных потенциалов (υ = 1 мВ с −1 ; 0,5 M Na 2 SO 4 ) .
Оптимизация асимметричного конденсатора
После того, как образцы активированного угля охарактеризованы в трехэлектродной ячейке, можно определить их максимальное окно напряжения. В симметричных суперконденсаторах хорошо известно, что положительный электрод обычно имеет более узкое окно потенциала, чем отрицательный электрод.Следовательно, положительный электрод обычно заряжается до предела положительного потенциала до того, как отрицательный электрод достигнет предела отрицательного потенциала. Таким образом, максимальное окно напряжения для симметричного суперконденсатора всегда будет ниже, чем окно потенциала, полученное в трехэлектродной ячейке для того же углеродного материала (Peng et al., 2010). Следовательно, подходящая оптимизация массового отношения может быть полезной для увеличения напряжения ячейки. Для этого мы сначала определили окна потенциалов положительного и отрицательного электрода.Затем значения емкости рассчитываются по кривым заряда-разряда в этих потенциальных окнах. Наконец, масса одного из электродов фиксируется, в то время как масса другого электрода получается из оптимизированного отношения масс, как определено из уравнения. 3.
Что касается потенциальных окон, они варьируются от потенциала холостого хода до верхнего или нижнего предела потенциала. Принимая во внимание этот метод и электрохимические характеристики в трехэлектродной ячейке, три асимметричных суперконденсатора были оптимизированы для максимального увеличения окна потенциалов, не влияя на стабильность.
На рисунке 7 показаны устойчивые вольтамперограммы для образца Ank4 между E OCP (0,2 В относительно Ag / AgCl) и положительными или отрицательными значениями потенциала. Можно видеть, что подходящие окна потенциалов будут между 0,2 В и 0,8 В в случае положительного электрода, а окно отрицательных потенциалов — от 0,2 В до -1 В. Затем можно заметить, что напряжение, которое может достигнутая с конденсатором, изготовленным из этого материала, может составлять 1,8 В.
Рисунок 7.Установившиеся вольтамперограммы для образца Ank4 от E OCP до значений положительного и отрицательного потенциала (υ = 1 мВ с −1 ; 0,5 M Na 2 SO 4 ) .
После того, как интервал напряжения был выбран для каждого электрода, удельная емкость для обоих электродов была рассчитана на основе вольтамперограмм, показанных на рисунке 8. Значение удельной емкости составило 131 Fg -1 для диапазона положительного потенциала и 199 F g -1. для отрицательного потенциала.Наконец, отношение масс было рассчитано с использованием этих значений удельной емкости, получив значение 3,
.Рис. 8. Установившиеся вольтамперограммы для создания асимметричного суперконденсатора на основе образца Ank4 (υ = 1 мВ с −1 ; 0,5 M Na 2 SO 4 ) .
Асимметричные суперконденсаторы на основе Ank_H 2 и ACM были оптимизированы в соответствии с процедурой, описанной выше. Значения емкости для Ank_H 2 были рассчитаны между 0.14 и -1 В в случае отрицательного электрода (166 Fg -1 ), в то время как диапазон от 0,14 до 0,7 В использовался для положительного электрода (119 Fg -1 ), и в результате получилось оптимальное соотношение масс. 2,8 для окна потенциалов 1,7 В. Это может быть рабочее напряжение конденсаторов, изготовленных из этого материала. Это напряжение ниже, чем напряжение, определенное для исходного активированного угля, и указывает на то, что восстановительная термообработка в присутствии водорода не привела к увеличению электрохимической стабильности электрода Ank в водном электролите и даже повысила реакционную способность активированного угля. углерод при воздействии положительной поляризации.Что касается асимметричного конденсатора на основе ACM, его рабочее напряжение может составлять 2 В, что намного выше, чем в суперконденсаторах Ank4 или Ank_H 2 . Образец ACM мог оставаться стабильным до 0,85 В во время положительного сканирования, и -1,15 В было выбрано в качестве нижнего предела потенциала (рисунок 9). Однако значения емкости для ACM ниже, чем полученные в Ank4 и Ank_H 2 . Положительный электрод показывает значение 67 F g -1 , в то время как значение емкости, рассчитанное для отрицательного электрода, составляло 91 F g -1 .Соотношение масс, использованное при строительстве последней ячейки, составляло 2,43.
Рис. 9. Установившиеся вольтамперограммы для разработки асимметричного суперконденсатора на основе образца ACM (υ = 1 мВ с −1 ; 0,5 M Na 2 SO 4 ) .
Электрохимические исследования асимметричных суперконденсаторов
После оптимизации массовых соотношений для всех образцов активированного угля были собраны асимметричные суперконденсаторы с использованием ячеек Swagelok с токосъемниками из нержавеющей стали.Оба электрода были разделены нейлоновой мембраной, и в качестве электролита использовался 0,5 М водный раствор Na 2 SO 4 . Эти асимметричные конденсаторы были проверены экспериментами CV и GCD, чтобы гарантировать правильную сборку суперконденсатора. Затем с помощью экспериментов GCD был проведен этап кондиционирования всех суперконденсаторов. Условия цикла были установлены в 100 циклов при 0,5 A g -1 для различных напряжений, чтобы гарантировать стабилизацию суперконденсаторов. Это обеспечит проникновение электролита внутрь пористости (1.3, 1,5 и 1,7 В).
На рисунке 10 показан график Рагона для всех асимметричных суперконденсаторов, полученных при максимально доступном напряжении (1,7 В для Ank_H 2 , 1,8 В для Ank4 и 2,0 В для ACM, как определено в разделе 3.3). Замечено, что для каждой ячейки получаются разные плотности энергии, причем асимметричный суперконденсатор на основе Ank4 показывает самые высокие значения плотности энергии, даже несмотря на то, что ячейка суперконденсатора ACM работает при более высоком напряжении. Однако последний показывает лучшие характеристики при высоких плотностях тока.Таким образом, максимальные значения удельной мощности, достигаемые в этих условиях, составляют 2,3 и 3,8 кВт · кг -1 соответственно. После исключения влияния рабочего напряжения сопротивление ячейки суперконденсатора ACM все еще на 25% ниже, чем у Ank4, поэтому эти различия не связаны только с рабочим напряжением, а должны возникать из-за различий в свойствах активированных углей. Это улучшение для ACM по сравнению с Ank4 не может быть связано с PSD, поскольку образец ACM имеет более узкую PSD, чем образцы Ank4, что должно приводить к ограниченной подвижности ионов внутри сети пор.Таким образом, они должны быть связаны с различиями в электропроводности самих материалов, что может согласовываться с более низкой проводимостью с увеличением развития пористости. С другой стороны, асимметричный суперконденсатор Ank_H 2 показал самую низкую плотность энергии, хотя он показывает лучшую плотность мощности, чем ячейка суперконденсатора Ank4, что должно быть связано с увеличением электропроводности, вызванным удалением электроноакцепторного кислорода с поверхности. группы (Bleda-Martínez et al., 2005).
Рис. 10. График Рагона для асимметричных суперконденсаторов Ank4 (ΔU = 1,8 В), Ank_H 2 (ΔU = 1,7 В), ACM (ΔU = 2,0 В) до проведения теста заряда-разряда (0,5 M Na 2 СО 4 ) .
Изменение удельной емкости для всех устройств было выполнено с помощью испытания на долговечность, состоящего из большого количества измерений GCD при плотности тока 1 A g −1 с использованием их максимально допустимых напряжений (рис. 11).
Рис. 11. Изменение удельной емкости для всех асимметричных суперконденсаторов ( j = 1 A g −1 ; 0,5 M Na 2 SO 4 ) .
В ходе этих экспериментов были получены некоторые параметры, которые предоставили информацию о сроке службы каждого суперконденсатора (Таблица 3). На рисунке 11 показано изменение емкости трех конденсаторов, полученное из кривых заряда-разряда.Видно, что значения емкости уменьшаются с количеством циклов для всех устройств. Эта потеря емкости более заметна для конденсатора Ank4. Однако суперконденсатор Ank_H 2 показывает небольшое увеличение значения емкости до 2000 циклов, а с этого момента оно уменьшается, следуя тенденции Ank4 и ACM. Такое поведение можно объяснить с учетом обработки водородом, поскольку образец Ank_H 2 после обработки потерял большую часть поверхностных групп, что привело к образованию гидрофобного углерода.Во время испытания на долговечность некоторые из оксигенированных поверхностных групп снова восстанавливаются за счет электроокисления положительного электрода. Следовательно, электролиту требуется определенное количество циклов, прежде чем он сможет диффундировать по всей доступной пористости, и из-за этого образование двойного электрического слоя в начале испытания на долговечность несколько затруднено.
Таблица 3. Рабочие параметры ячеек суперконденсатора в циклах заряда-разряда при 1 А г −1 .
Что касается кулоновской эффективности, три асимметричных суперконденсатора показывают высокие значения (> 90%) даже после 10 000 циклов (таблица 3), что указывает на то, что заряд-разряд всех суперконденсаторов все еще происходит через образование двойного слоя. Несколько более низкая кулоновская эффективность после испытания на долговечность связана с возникновением необратимых окислительно-восстановительных реакций, которые должны быть связаны с деградацией электролита, токосъемника или углеродного электрода (за счет удаления поверхностных кислородных групп в виде CO 2 ).Это ухудшение, по-видимому, выше в случае суперконденсатора ACM из-за его более высокого рабочего напряжения. Что касается удельной энергии, суперконденсатор на основе Ank4 показывает самые высокие значения, но резкое снижение наблюдается после 10000 циклов (потеря 41%), в то время как самая высокая реальная удельная мощность получена от суперконденсатора ACM (таблица 3).
Кроме того, измерения CV были выполнены для всех асимметричных суперконденсаторов при максимальном напряжении, определенном в предыдущем разделе (1.8 В для Ank4, 1,7 В для Ank_H 2 и 2,0 В для ACM, как показано на рисунке S1 в дополнительных материалах). В случае конденсатора Ank4 CV также регистрировались в различных точках испытания на долговечность. Таким образом, можно наблюдать эволюцию углеродного материала с увеличением количества циклов. На рисунке 12 показаны стационарные вольтамперограммы суперконденсатора Ank4, которые были зарегистрированы после фиксированного числа циклов НОД. Наблюдается небольшой процесс окисления при 1,4 В, приводящий к образованию функциональных групп на поверхности, что увеличивает удельную емкость.Однако эти поверхностные группы разлагаются в тех же условиях, и после 6000 циклов окислительно-восстановительный процесс проявляется близким к 0 В. Более того, отклонение вольтамперограмм означает увеличение сопротивления, что также указывает на то, что происходит разрушение материала. Наконец, после 10000 циклов асимметричный конденсатор на основе Ank4, который был проверен в условиях, упомянутых выше, теряет значительный процент начальной емкости.
Рисунок 12.Установившиеся вольтамперограммы суперконденсатора на базе Ank4 на напряжение 1,8 В (υ = 5 мВ с −1 ; 0,5 М Na 2 SO 4 ) .
Что касается вышеупомянутых параметров, включенных в Таблицу 3, следует отметить, что значения плотности энергии обычно относятся к единице объема, поскольку это больше подходит для целей сравнения. На этом этапе значения плотности энергии в наших устройствах были отнесены к единице объема (с использованием геометрической плотности электродов), чтобы должным образом сравнить их с другими устройствами.Эти значения составили 7,3 и 4,5 Вт · ч L −1 для суперконденсаторов на базе Ank4 и Ank_H 2 соответственно. В то время как значение 6.5 Втч L -1 было получено для суперконденсатора на основе образца ACM, который используется в промышленных конденсаторах. Принимая во внимание результаты, мы можем сделать вывод, что наши асимметричные суперконденсаторы имеют более высокие значения плотности энергии, отнесенные к единице объема, чем симметричные суперконденсаторы на основе активированного угля в водном электролите (2,2 Втч л -1 ) (Simon and Burke, 2008). .
Наконец, асимметричные конденсаторы на основе Ank4 и ACM показали значения плотности энергии, близкие к симметричному устройству в органическом электролите (7,6 Вт · ч L -1 ) (Simon and Burke, 2008) или коммерческих конденсаторах, которые имеют среднее значение 5,0 Вт · ч. L −1 (Gogotsi, Simon, 2011a). Некоторые значения плотности энергии, предоставленные крупнейшими компаниями на рынке (Panasonic, Maxwell или Ness), варьируются от 3,2 до 7,2 Вт · ч L −1 (Simon and Burke, 2008). Поэтому наш асимметричный суперконденсатор показал очень многообещающие значения плотности энергии.
Обсуждение
Все параметры, оцениваемые для характеристики характеристик суперконденсаторов, зависят от большого количества факторов, таких как химический состав, структура пор, масса, толщина, конфигурация и методика определения характеристик и протоколы, среди прочего (Stoller and Ruoff, 2010). Даже это должно быть принято во внимание, если значения относятся к объемной или гравиметрической основе. В нашем подходе особое внимание уделяется приготовлению и формованию электродной пасты.Состав обеспечивает хорошую электропроводность, при этом вес электродов был выбран в диапазоне от 5 до 15 мг / см 2 , что, в свою очередь, переводится в толщину электродов от 70 до 360 микрон. Поскольку тонкая электродная пленка увеличивает удельную мощность за счет значительного снижения объемных характеристик конденсатора (Gogotsi and Simon, 2011b), мы сохраняем толщину электродов в диапазоне коммерческих суперконденсаторов (Stoller and Ruoff, 2010).При определении плотности энергии важно отметить, что вместо использования уравнения 1 для определения энергии, плотность энергии рассчитывалась по площади под кривой разряда, которая представляет собой реальную энергию, сохраняемую и получаемую из устройства. Эта практика настоятельно рекомендуется для такого рода устройств, поскольку они обычно показывают кривые заряда и разряда, далекие от треугольной формы, что позволяет определить энергию с помощью уравнения. 1 (Чен, 2013). Однако такой подход редко встречается в литературе.В таблице 4 приведены технические характеристики электродов и асимметричного суперконденсатора. Сравнение проводится между реальной ( E реальной ) и расчетной (E ) плотностью энергии для трех асимметричных ячеек суперконденсатора. Можно видеть, что значения расчетной плотности энергии чувствительно больше (30–60%), когда уравнение. 1 используется для сообщения плотности энергии. Это распространенная ошибка при характеристике суперконденсаторов, когда кривые заряда-разряда не являются прямыми линиями.
Таблица 4. Технические характеристики электродов, асимметричных и симметричных (теоретические значения) суперконденсаторов .
Простой метод позволил разработать асимметричные суперконденсаторы на основе простой электрохимической характеристики в трехэлектродной ячейке с учетом стабильности материала при значениях анодного и катодного потенциалов и удельной емкости в этих потенциальных окнах. Затем теоретическая емкость асимметричных ячеек может быть рассчитана с помощью уравнения.2. Таблица 4 показывает, что полученная емкость для Ank4 несколько выше, а для Ank_H 2 занижена по сравнению с теоретической. Эти расхождения можно объяснить различиями в потенциалах, при которых электроды представлены, когда они находятся в двухэлектродной ячейке суперконденсатора, а не в трехэлектродной ячейке. Они могут создавать различия во вкладе псевдоемкости и в смачиваемости поверхности. В случае ACM, поскольку он демонстрирует наименьший вклад псевдоемкости, ожидается хорошее согласие между теоретическими и реальными значениями емкости.
Оптимизированный асимметричный суперконденсатор улучшает удельную энергию по сравнению с симметричным конденсатором на основе того же материала. Это было проверено путем оценки теоретического рабочего напряжения симметричной системы, которое ограничено положительным электродом. Как только максимальный заряд, который может храниться в положительном электроде, оценен, можно рассчитать потенциальное окно отрицательного электрода, используя уравнение. 3. Таблица 4 показывает, что суперконденсаторные элементы Ank4 и Ank_H 2 могут безопасно работать только при 1 В, в то время как ACM может достигать 1.3 В. Это низкое рабочее напряжение преобразуется в вялую теоретическую плотность энергии, которая почти в три раза ниже, чем достигается в асимметричном суперконденсаторе.
Как упоминалось выше, наличие поверхностных кислородных групп и более высокая кажущаяся площадь поверхности не приводят к лучшим характеристикам, как в случае суперконденсатора на основе Ank4, поскольку эти группы не остаются стабильными после электрохимической обработки в тяжелых условиях. Однако устройство на основе Ank_H 2 не содержало большинства поверхностных кислородных групп, а суперконденсатор, построенный с использованием этого материала, демонстрирует исключительное сохранение емкости, даже более высокое, чем у суперконденсатора на основе ACM.Несмотря на то, что ACM имеет более низкое значение S BET и более узкое распределение пор по размерам, он показал хорошие характеристики с максимальной выходной мощностью (на графике Рагона, рис. 10), которая выше, чем у активированных углей с более широким распределением пор по размерам. Это может быть связано с влиянием размера частиц, положения и извилистости пористости и электропроводности углеродного материала. Этот последний аспект очень сильно зависит от степени развития пористости.
В заключение, наиболее интересные результаты получены для конденсаторов на основе Ank4 и ACM, которые показали значения плотности энергии, сопоставимые с коммерческими конденсаторами и симметричными конденсаторами (с органическим электролитом).Однако в наших асимметричных конденсаторах в качестве электролита используется водный раствор, который является экологически чистым и не требует новой процедуры синтеза, нескольких этапов подготовки или обработки элементов с серьезной модификацией. Эти преимущества в технических характеристиках были получены благодаря тщательной оценке оптимизированной массы каждого электрода ячейки, стратегии проектирования, которая может быть легко реализована с небольшим влиянием на производственные затраты.
Авторские взносы
EM — соответствующие авторы.Она внесла свой вклад в концепцию, дизайн работы, анализ и интерпретацию данных для работы. DCA внесла свой вклад в концепцию, дизайн работы, анализ и интерпретацию данных для работы. Компания RRR внесла свой вклад в анализ и интерпретацию данных для работы. DST внесла свой вклад в сбор, анализ и интерпретацию данных для работы. IPP внесла свой вклад в сбор и анализ данных для работы.
Заявление о конфликте интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Благодарности
Авторы выражают благодарность MINECO (CTQ2012 / 31762, MAT2013-42007-P) и Generalitat Valenciana (PROMETEO / 2013/038 и PROMETEOII / 2014/010) за финансовую поддержку. RRR благодарит MINECO за контракт «Хуан де ла Сьерва» (JCI-2012-12664).
Дополнительные материалы
Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fmats.2016.00016
Список литературы
Аматуччи, Г.Г., Бадуэй, Ф., Паскье, А. Д., и Чжэн, Т. (2001). Асимметричный гибридный неводный накопитель энергии. J. Electrochem. Soc. 148, A930 – A939. DOI: 10.1149 / 1.1383553
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бледа-Мартинес, М. Х., Масиа-Агулло, Х. А., Лосано-Кастельо, Д., Моральон, Э., Касорла-Аморос, Д., и Линарес-Солано, А. (2005). Роль химии поверхности в емкости двойного электрического слоя углеродных материалов. Углерод 43, 2677–2684.DOI: 10.1016 / j.carbon.2005.05.027
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бледа-Мартинес, М. Х., Перес, Х. М., Линарес-Солано, А., Моральон, Э. и Касорла-Аморос, Д. (2008). Влияние химии поверхности на электрохимическое накопление водорода в пористых углеродных материалах. Углерод Н. Ю. 46, 1053–1059. DOI: 10.1016 / j.carbon.2008.03.016
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Бём, Х. П. (2002). Поверхностные оксиды углерода и их анализ: критическая оценка. Углерод 40, 145–149. DOI: 10.1016 / S0008-6223 (01) 00165-8
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Брандт, А., Бальдуччи, А. (2014). Теоретические и практические ограничения энергии электролитов на основе органических и ионных жидкостей для высоковольтных электрохимических конденсаторов с двойным слоем. J. Источники энергии 250, 343–351. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2013.10.147
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Кало, Дж.М., Касорла-Аморос, Д., Линарес-Солано, А., Роман-Мартинес, М. К., и Де Лечеа, К. С.-М. (1997). Влияние водорода на термодесорбцию поверхностных комплексов кислорода. Карбон Н. Ю. 35, 543–554. DOI: 10.1016 / S0008-6223 (96) 00173-X
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Касорла-Аморос, Д., Альканьис-Монж, Дж., Де ла Каса-Лилло, М. А., и Линарес-Солано, А. (1998). CO 2 в качестве адсорбента для определения характеристик углеродных молекулярных сит и активированных углей. Langmuir 14, 4589–4596. DOI: 10.1021 / la980198p
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Касорла-Аморос, Д., Альканьис-Монж, Дж., И Линарес-Солано, А. (1996). Характеристика волокон активированного угля по адсорбции CO 2 . Langmuir 12, 2820–2824. DOI: 10.1021 / la960022s
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Чаэ, Дж. Х., и Чен, Г. З. (2012). Водные углерод-углеродные суперконденсаторы на 1,9 В с разными емкостями электродов. Электрохим. Acta 86, 248–254. DOI: 10.1016 / j.electacta.2012.07.033
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Чен, Г. З. (2013). Понимание суперконденсаторов на основе наногибридных материалов с межфазным сопряжением. Прог. Nat. Sci. Матер. Int. 23, 245–255. DOI: 10.1016 / j.pnsc.2013.04.001
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Чмиола, Дж., Юшин, Г., Гогоци, Ю., Портет, К., Саймон, П., и Таберна, П.Л. (2006). Аномальное увеличение емкости углерода при размере пор менее 1 нанометра. Наука 313, 1760–1763. DOI: 10.1126 / science.1132195
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Конвей, Б. Э. (1999). Электрохимические суперконденсаторы: научные основы и технологические применения . Нью-Йорк: Kluwer-Plenum Press.
Google Scholar
Конвей, Б. Э., Бирсс, В., и Войтович, Дж.(1997). Роль и использование псевдоемкости для хранения энергии суперконденсаторами. J. Источники энергии 66, 1–14. DOI: 10.1016 / S0378-7753 (96) 02474-3
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Коттино, Т., Тупен, М., Делахай, Т., Брус, Т., и Беланже, Д. (2006). Наноструктурированные оксиды переходных металлов для водных гибридных электрохимических суперконденсаторов. Заявл. Phys. А 82, 599–606. DOI: 10.1007 / s00339-005-3401-3
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Фик, К., Лота, Г., Меллер, М., Фраковяк, Э. (2012). Новое понимание нейтральной среды как электролита для высоковольтных суперконденсаторов. Energy Environ. Sci. 5, 5842–5850. DOI: 10.1039 / C1EE02262H
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Фигейредо, Дж. Л., Перейра, М. Ф. Р., Фрейтас, М. М. А., и Орфао, Дж. Дж. М. (1999). Модификация химического состава поверхности активированных углей. Карбон Н. Ю. 37, 1379–1389. DOI: 10.1016 / S0008-6223 (98) 00333-9
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Gao, Q., Demarconnay, L., Raymundo-Piñero, E., and Béguin, F. (2012). Изучение большого диапазона напряжений углерод / углеродных суперконденсаторов в водном электролите сульфата лития. Energy Environ. Sci. 5, 9611–9617. DOI: 10.1039 / C2EE22284A
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гогоци Ю., Саймон П. (2011a). Материаловедение. Истинные показатели производительности электрохимического накопителя энергии. Наука 334, 917–918. DOI: 10.1126 / science.1213003
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Гогоци, Ю., и Саймон, П. (2011b). Истинные показатели производительности электрохимического накопителя энергии. Наука 334, 917–918. DOI: 10.1126 / science.1213003
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Инагаки М., Канг Ф., Тойода М. и Конно Х. (2014). «Глава 11 — Углеродные материалы для электрохимических конденсаторов», в Advanced Materials Science and Engineering of Carbon , ред. М. Инагаки, Ф. Канг, М. Тойода и Х. Конно (Бостон: Баттерворт-Хайнеманн), 237–265 .
Google Scholar
Итои, Х., Нишихара, Х., Исии, Т., Нуэангнорай, К., Беренгер, Р., Киотани, Т. (2014). Большая псевдоемкость в углероде с хинон-функционализированным цеолитом. Бык. Chem. Soc. Jpn. 87, 250–257. DOI: 10.1246 / bcsj.20130292
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ягайло, Дж., И Оливье, Дж. П. (2013). Модели адсорбции 2D-NLDFT для углеродных щелевидных пор с поверхностной энергетической неоднородностью и геометрической гофрировкой. Углерод Н. Ю. 55, 70–80. DOI: 10.1016 / j.carbon.2012.12.011
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Хоменко В., Раймундо-Пиньеро Э. и Беген Ф. (2006). Оптимизация асимметричного конденсатора из оксида марганца / активированного угля, работающего при 2 В в водной среде. J. Источники энергии 153, 183–190. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2005.03.210
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Хоменко В., Раймундо-Пиньеро Э., и Беген, Ф. (2008). Графитовый конденсатор переменного тока с высокой плотностью энергии в органическом электролите. J. Источники энергии 177, 643–651. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2007.11.101
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Хоменко В., Раймундо-Пиньеро Э. и Беген Ф. (2010). Новый тип высокоэнергетического асимметричного конденсатора с нанопористыми углеродными электродами в водном электролите. J. Источники энергии 195, 4234–4241. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2010.01.006
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Киношита, К.и Бетт Дж. (1973). Электрохимическое окисление технического углерода в концентрированной фосфорной кислоте при 135 ° C. Карбон Н. Ю. 11, 237–247. DOI: 10.1016 / 0008-6223 (73)
-2
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лафорг А., Саймон П., Фоварк Дж. Ф., Саррау Дж. Ф. и Лайлер П. (2001). Гибридные суперконденсаторы на основе активированных углей и проводящих полимеров. J. Electrochem. Soc. 148, A1130 – A1134. DOI: 10.1149 / 1.1400742
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лейва-Гарсия, С., Моральон, Э., Касорла-Аморос, Д., Беген, Ф., и Лозано-Кастельо, Д. (2014). Новые взгляды на электрохимическое хранение водорода в нанопористых углеродах с помощью рамановской спектроскопии in situ. Углерод Н. Ю. 69, 401–408. DOI: 10.1016 / j.carbon.2013.12.042
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лин Р., Таберна П. Л., Чмиола Дж., Гуай Д., Гогоци Ю. и Саймон П. (2009). Микроэлектродное исследование размера пор, размера ионов и влияния растворителя на поведение микропористого углерода при зарядке / разряде для электрических двухслойных конденсаторов. J. Electrochem. Soc. 156, A7 – A7. DOI: 10.1149 / 1.3002376
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Лозано-Кастельо, Д., Лилло-Роденас, М.А., Касорла-Аморос, Д., и Линарес-Солано, А. (2001). Получение активированных углей из испанского антрацита — I. Активация КОН. Карбон Н. Ю. 39, 741–749. DOI: 10.1016 / S0008-6223 (00) 00185-8
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Нуэангнорай, К., Нишихара, Х., Ishii, T., Yamamoto, N., Itoi, H., Berenguer, R., et al. (2015). Псевдоемкость углерода на основе цеолита в органических электролитах. Energy Storage Mater. 1, 35–41. DOI: 10.1016 / j.ensm.2015.08.003
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Нуэангнорай К., Руис-Росас Р., Нишихара, Х., Шираиши, С., Моральон, Э., Касорла-Аморос, Д., и др. (2014). Углеродно-углеродный асимметричный водный конденсатор с псевдоемкостным положительным и стабильным отрицательным электродами. Карбон Н. Ю. 67, 792–794. DOI: 10.1016 / j.carbon.2013.10.011
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Пандольфо, А.Г., и Холленкамп, А.Ф. (2006). Свойства углерода и их роль в суперконденсаторах. J. Источники энергии 157, 11–27. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2006.02.065
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Пэн К., Чжан С., Чжоу X. и Чен Г. З. (2010). Выравнивание емкостей электродов для повышения энергоемкости асимметричных суперконденсаторов. Energy Environ. Sci. 3, 1499–1502. DOI: 10.1039 / C0EE00228C
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Раймундо-Пиньеро, Э., Кежек, К., Махниковски, Дж., И Беген, Ф. (2006). Связь нанопористой текстуры активированных углей и их емкостных свойств в различных электролитах. Карбон Н. Ю. 44, 2498–2507. DOI: 10.1016 / j.carbon.2006.05.022
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Рольдан, С., Барреда, Д., Гранда, М., Менендес, Р., Сантамария, Р., и Бланко, К. (2015). Подход к классификации и выражениям емкости в технологии электрохимических конденсаторов. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 1084–1092. DOI: 10.1039 / C4CP05124F
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Роман-Мартинес, М. К., Касорла-Аморос, Д., Линарес-Солано, А., и де Лечеа, К. С.-М. (1993). TPD и TPR характеристики углеродистых носителей и катализаторов Pt / C. Карбон Н. Ю. 31, 895–902. DOI: 10.1016 / 0008-6223 (93) -L
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Руис-Росас, Р., Валеро-Ромеро, М. Дж., Салинас-Торрес, Д., Родригес-Мирасол, Дж., Кордеро, Т., Моральон, Э. и др. (2014). Электрохимические характеристики иерархических пористых углеродных материалов, полученных в результате инфильтрации лигнина в шаблоны цеолита. ChemSusChem 7, 1458–1467. DOI: 10.1002 / cssc.201301408
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Салинас-Торрес, Д., Сибен, Дж. М., Лозано-Кастельо, Д., Касорла-Аморос, Д., и Моральон, Э. (2013). Асимметричные гибридные конденсаторы на основе активированного угля и активированного угольного волокна-электродов ПАНИ. Электрохим. Acta 89, 326–333. DOI: 10.1016 / j.electacta.2012.11.039
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Саймон П. и Берк А. (2008). Наноструктурированные угли: двухслойная емкость и многое другое. Интерфейс электрохимического общества 17, 38–43.
Google Scholar
Стаити, П., Аренильяс, А., Луфрано, Ф., и Менендес, Дж. Б (2012). Высокоэнергетический ультраконденсатор на основе углеродных ксерогелевых электродов и электролита из сульфата натрия. J. Источники энергии 214, 137–141. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2012.04.056
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Столлер М.Д., Руофф Р.С. (2010). Лучшие практические методы определения характеристик материала электродов для ультраконденсаторов. Energy Environ. Sci. 3, 1294–1301. DOI: 10.1039 / c0ee00074d
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Вакеро, С., Пальма, Дж., Андерсон, М., и Марсилла, Р. (2013). Массовый баланс электродов как стратегия расширения рабочего диапазона напряжений углерод / углеродных суперконденсаторов в нейтральных водных электролитах. Внутр. J. Electrochem. Sci 8, 10293–10307.
Google Scholar
Vilella, I. M. J., de Miguel, S. R., de Lecea, C. S.-M., Linares-Solano, Á, and Scelza, O.А. (2005). Каталитические характеристики при гидрировании цитраля и характеристика катализаторов PtSn, нанесенных на войлок и порошок из активированного угля. Заявл. Катал. А 281, 247–258. DOI: 10.1016 / j.apcata.2004.11.034
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Wu, T.-H., Hsu, C.-T., Hu, C.-C., и Hardwick, L.J. (2013). Важные параметры, влияющие на напряжение ячейки водяных электрических двухслойных конденсаторов. J. Источники энергии 242, 289–298.DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2013.05.080
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ю. А., Чабо В., Чжан Дж. (2013). Электрохимические суперконденсаторы для хранения и передачи энергии: основы и применение . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press.
Google Scholar
Асимметричные конденсаторы для силовых установок
В последнее десятилетие для разработки спутников для работы на низкой околоземной орбите системы электродвигательных установок, дышащих атмосферой (ABEP), стали более привлекательными для исследователей.Система может использовать атмосферные молекулы в качестве топлива для компенсации тяги, что может продлить срок службы космического корабля (S / C). В этом всестороннем обзоре рассматриваются усилия предыдущих исследователей по разработке концепций систем ABEP. Анализируются различные виды космических силовых установок, чтобы определить подходящую двигательную установку для П / К, дышащего атмосферой. Дальнейшее обсуждение систем ABEP показывает характеристики различных двигателей. Резюмируются основные характеристики системы ABEP предыдущих исследований, что обеспечивает возможности для дальнейших исследований в будущем.Результаты показывают большой потенциал компенсации тяги от атмосферных молекул. Однако текущие исследования показывают различные ограничения, и их трудно применить к космосу. При разработке ABEP необходимо решить некоторые проблемы, такие как эффективность всасывания, мощность ионизации и коррозия электродов. 1. Введение После более чем 50 лет освоения космоса ресурсы космической орбиты показали свое важное место в национальной экономике и оборонном строительстве [1]. Благодаря наблюдению за Землей, спутник имеет широкую перспективу применения в прогнозировании погоды, мониторинге океана, сельскохозяйственном мониторинге, электронной связи, позиционировании, дистанционном зондировании и других областях [2].В то же время, учитывая, что количество спутников на космической орбите становится все более насыщенным, орбита с более низкой высотой над Землей (ниже 250 км) стала новым выбором для спутников для расширения рабочего диапазона и улучшения возможностей полета. Низкоорбитальный S / C может значительно снизить стоимость запуска, эффективно улучшая разрешающую способность прибора для получения более высокой точности наблюдения Земли. Однако из-за особенностей и сложности низкоорбитальной среды долгосрочное пребывание низкоорбитального П / К сталкивается с множеством трудностей.Развитие низкоорбитальных КА серьезно ограничивается проблемами короткого срока службы спутников и дорогостоящих поставок топлива. Если мы сможем полностью использовать тонкую атмосферу на низкой орбите в качестве топлива для двигательной установки для поддержания орбитальной скорости S / C, мы сможем значительно уменьшить вес переносимого топлива и продлить срок службы S / C. Следовательно, в качестве новой технологии низкоорбитальных космических кораблей, технология электродвигателей с атмосферным воздухом будет соответствовать спросу на поставку, чтобы значительно снизить стоимость и продлить срок службы космического корабля, что имеет большую экономическую выгоду.Таким образом, исследование электродвигательной установки, дышащей атмосферой (ABEP), имеет следующие преимущества [3]: (1) Стоимость запуска невысока. Высота запуска спутника на низкой околоземной орбите (НОО) ниже, поэтому стоимость запуска явно ниже. (2) Распределение ресурсов разумно. Количество высокоорбитальных П / К становится насыщенным, поэтому разработка низкоорбитальных П / К позволяет эффективно использовать космические ресурсы. (3) Хорошие условия для разведки. Поскольку низкая орбита близка к Земле, потребность в оборудовании для наблюдения снижается.В тех же условиях можно более четко и точно наблюдать наземную цель на низкой орбите. (4) Срок службы больше. Использование атмосферных молекул вместо традиционных ракетных топлив может снять ограничение по способности переносить пропелленты. (5) Он может быть уничтожен автоматически. Из-за наличия тонкого атмосферного сопротивления, когда двигатель малой тяги не работает, ПК выйдет с орбиты из-за сопротивления воздуха после миссии и упадет в атмосферу для разрушения, чтобы не стать космическим мусором.(6) Применяется аэродинамика [4, 5]. Такие системы могут извлечь выгоду из потенциального использования аэродинамических нагрузок и сил в целом для маневров между спутниками и в качестве гибридного использования с ABEP. Было показано, что аэродинамическая стабилизация и маневры наведения возможны на НОО с использованием аэродинамических поверхностей. По сравнению с другими орбитами в вакуумной среде, сопротивление атмосферных молекул должно учитываться при разработке полетной миссии, когда S / C летит в условиях низкой околоземной орбиты (ниже 250 км).Количество частиц газа увеличивается с уменьшением высоты орбиты. В низкоорбитальной среде из-за увеличения плотности атмосферы S / C неизбежно подвергается сопротивлению атмосферных молекул, и требуется дополнительная мощность, чтобы компенсировать сопротивление S / C. С учетом характеристик космической среды на низкой орбите разреженный газ можно использовать в качестве рабочего тела электродвигателя для компенсации сопротивления и регулировки высоты полета.Компенсация сопротивления разреженного газа может осуществляться без подвода топлива, что является многообещающим способом эффективной работы КА на низкой орбите [6]. В этом всестороннем обзоре исследуются усилия предыдущих исследователей по разработке концепций системы ABEP, оценке производительности этих систем и пониманию задействованной физики. Рукопись состоит из четырех отдельных разделов. Следующий раздел знакомит с основами космической двигательной установки и резюмирует основные характеристики различных двигательных установок.В разделе 3 рассматривается плодотворная работа различных команд системы ABEP. Представлены более поздние исследования, которые демонстрируют возобновление интереса к ABEP с особым вниманием к конструкции впускного патрубка для достижения высокой производительности в системе ABEP. В последнем разделе предлагаются направления для продолжения исследований с учетом результатов проведенных к настоящему времени исследований. 2. Общее состояние космических двигателей. В этом разделе сначала представлены различные двигательные установки, доступные и теоретически возможные для S / C, и объясняются их принципы работы.По сравнению с каждой двигательной установкой проанализированы их преимущества и недостатки. В сочетании с рабочими характеристиками ABEP выбирается подходящий двигатель для ABEP. 2.1. Химическая и ядерная двигательная установка Химическая двигательная установка включает твердое и жидкое топливо, и она использует сгорание реагентов для повышения температуры газовых продуктов и ускоряет выброс через сопло, таким образом преобразовывая тепловую энергию в кинетическую энергию для создания тяги [7]. Эта технология может обеспечить высокий уровень тяги, но при этом потребляет много топлива.В случае жидкого топлива необходимо разработать сложные подсистемы. Ядерная двигательная установка использует ядерную реакцию для нагрева топлива и ускорения его выброса через сопло. Cassibry et al. [8] обобщили более чем 50-летнюю историю исследований термоядерных двигателей для исследования дальнего космоса, что предполагает, что магнитоинерционный синтез может обеспечить наиболее экономичный подход к быстрому межпланетному путешествию. Боровски и др. [9, 10] обобщили исследования НАСА за более чем один год, в которых изучалась возможность использования силовой установки деления для исследования внеземного космоса человеком.НАСА разработало «двухрежимную» термоядерную ракету, бимодальную ядерную тепловую ракету (БНТР), чтобы доставить аппарат к Каллисто [11]. В системе реактора деления используется высокотемпературный диоксид урана (UO2) в керметовом топливе с металлической матрицей вольфрама (W) и передовая технология преобразования энергии Брайтона для выработки электроэнергии [12]. В этой схеме сначала стартуют полностью автоматические грузовые автоцистерны и автоцистерны, а гусеничные и наземные ресурсы развертываются заранее, прежде чем экипаж сядет на пилотируемую транспортную машину Callisto (PCTV), управляемую искусственной гравитацией.Подруливающее устройство BNTR показано на рисунке 1.
Действительно ли EMdrives являются асимметричными конденсаторными двигателями?
Этот сайт уже освещал EMdrive.
EmDrive — это весьма спорное исследование в области силовых установок, которые были бы безреакционными и использовали сверхпроводящие резонаторы.
Комментарии Rocketeer: Вот мое мнение. Он в некотором роде «работает» (на самом деле создает тягу), но не так, как думает Шоуер. На самом деле это разновидность асимметричного конденсаторного двигателя (ACT), который генерирует тягу за счет эффекта Бифельда-Брауна — заряженные металлические поверхности ионизируют окружающий воздух коронным разрядом и создают «ионный ветер», который толкает устройство.Хорошо для непрерывной целостности законов физики, но плохо для космических приложений EmDrive, потому что в вакууме он ничего не сделает.
Shawyer утверждает, что этот и другие эффекты были приняты во внимание.
«Случайные электромагнитные эффекты были устранены с помощью различных испытательных стендов, путем тестирования двух двигателей с очень разными монтажными конструкциями и изменения ориентации на 90 градусов для устранения магнитного поля Земли», — пишет он.«Электростатические заряды были устранены за счет комплексного заземления, необходимого по соображениям безопасности, а также для обеспечения обратного пути анодного тока магнетрона».
Когда я спросил его о возможности «ионного ветра» быть реальной причиной тяги, доктор Шоуер терпеливо объяснил, что это было решено на очень ранней стадии:
«Воздушные потоки из любого источника были исключены в первом проекте« Подтверждение концепции »путем тестирования экспериментального двигателя малой тяги, установленного в герметично закрытой коробке.Эксперимент был рассмотрен и одобрен профессиональными правительственными учеными ». [В то время исследование проводилось при поддержке британского правительства.]
Он также указывает, что для настоящих ионных двигателей требуется гораздо более высокое напряжение, и что «любой, кто думает, что они могут создавать граммы тяги из ионного ветра при напряжениях, с которыми мы работаем, явно не понимает физику». Он не верит, что испытание в вакуумной камере что-то покажет, поскольку ионные двигатели работают в вакууме, и все еще остается вопрос, выбрасывается ли каким-то образом ионизированный материал.Однако испытание в герметично закрытой коробке должно было исключить такую возможность.
Общие сведения об асимметричных конденсаторных двигателях
Эффект Бифельда-Брауна в википедии
Эффект Бифельда – Брауна — это эффект, открытый Полом Альфредом Бифельдом (Швейцария) и Томасом Таунсендом Брауном (США). Этот эффект более широко называют электрогидродинамикой (ЭГД) или иногда электрогидродинамикой, аналогом хорошо известной магнитогидродинамики. В течение 1950-х и 1960-х годов были проведены обширные исследования использования этого эффекта электрической тяги в эпоху широкой огласки исследований в области управления гравитацией в Соединенных Штатах (1955–1974).В течение 1964 года майор Александр Прокофьев де Северский фактически опубликовал большую часть своей связанной работы в патенте США 3130945 и с целью предотвратить любое возможное недоразумение по поводу этих устройств назвал эти летательные аппараты ионокрафтами. В последующие годы от многих многообещающих концепций пришлось отказаться из-за технологических ограничений, и они были забыты. Этот эффект только недавно снова стал вызывать интерес, и такие летательные аппараты теперь известны как двигатели EHD. Простые одноступенчатые версии, поднимаемые этим эффектом, иногда также называют лифтерами.
23 стр. Pdf Исследование НАСА асимметричных конденсаторов для силовых установок
Асимметричные конденсаторные двигатели были предложены в качестве источника движения. Более восьмидесяти лет известно, что толчок возникает, когда высокое напряжение подается на асимметричный конденсатор, когда это напряжение вызывает протекание тока утечки. Однако на удивление мало экспериментальных или теоретических данных, объясняющих этот эффект. В данной статье сообщается о результатах испытаний нескольких двигателей с асимметричным конденсатором (ACT).Создаваемая ими тяга была измерена для различных напряжений, полярностей и конфигураций заземления, а их излучение в УКВ диапазоне было зарегистрировано. Эти испытания проводились при атмосферном давлении и при различных пониженных давлениях. Была разработана простая модель тяги. Модель предполагала, что тяга была вызвана электростатическими силами, действующими на ток утечки, протекающий через конденсатор. Далее предполагалось, что в этом токе участвуют заряженные ионы, которые претерпевают многократные столкновения с воздухом.Эти столкновения передают импульс. Все измеренные данные соответствовали этой модели. Было протестировано множество конфигураций, и результаты предполагают общие принципы проектирования ACT, которые можно использовать для различных целей.
Был проведен ряд тщательных испытаний асимметричных конденсаторных двигателей
(ACT). В прошлом было предложено несколько механизмов создаваемой ими тяги. Эти механизмы были рассмотрены как теоретически, так и путем сравнения с результатами испытаний.Были устранены все рассмотренные механизмы, кроме одного. Была разработана простая модель ионов, дрейфующих от одного электрода к другому под действием электростатических сил и сообщающих воздуху импульс при многократных столкновениях. Эта модель оказалась совместимой со всеми нашими наблюдениями. Он предсказал величину измеренной силы (тяги). Он также предсказал, как изменилось направление тяги при изменении местоположения заземляющего провода. Кроме того, он также предсказал, что направление тяги не зависит от полярности приложенного напряжения.Наконец, он качественно предсказал, как менялась величина тяги, когда менялась конструкция ACT (его форма и т. Д.) При многих таких конструктивных изменениях. Можно сделать вывод, что модель дрейфа ионов объясняет, как тяга создается ионами, толкающими воздух. Испытания также проводились в азоте и аргоне при пониженном давлении. Тяга также создавалась при умеренно пониженном давлении, когда ACT создавал электрический ток, не вызывая пробоя воздуха или другого газа.Несмотря на десятилетия предположений о возможных новых физических принципах, ответственных за тягу, создаваемую ACT и лифтерами, мы не находим никаких доказательств, подтверждающих такой вывод. Напротив, мы обнаруживаем, что их действие полностью объясняется очень простой теорией, в которой используются только электростатические силы и передача импульса путем множественных столкновений.
Брайан Ван — идейный лидер футуризма и популярный блоггер в области науки с 1 миллионом читателей в месяц. Его блог Nextbigfuture.com занимает первое место в блоге новостей науки. Он охватывает многие прорывные технологии и тенденции, включая космос, робототехнику, искусственный интеллект, медицину, биотехнологию против старения и нанотехнологии.
Известный тем, что выявляет передовые технологии, он в настоящее время является соучредителем стартапа и сборщиком средств для компаний с высоким потенциалом на ранней стадии. Он является руководителем отдела исследований ассигнований на инвестиции в глубокие технологии и ангел-инвестором в Space Angels.
Часто выступает в корпорациях, он был спикером TEDx, спикером Университета сингулярности и гостем на многочисленных интервью для радио и подкастов.Он открыт для публичных выступлений и консультирования.
Теоретический расчет и испытание подъемной силы для идеального электрического асимметричного конденсатора
Формула подъемной силы асимметричного конденсатора может быть получена на основе обзора литературы, который может почти охватить все практические формы форм асимметричной емкости. Но есть еще некоторые проблемы, которые мы должны решить. Первый и главный вопрос — верны ли формулы и можно ли их проверить в инженерной практике? Напротив, параметр в формулах обычно неизвестен в начале вычислений, как мы можем получить или рассчитать его, чтобы использовать формулы плавно? В этой статье мы поставили перед собой задачу решить эти вопросы.
1. Введение
Как решить подъемную силу, создаваемую подъемником, состоящим из асимметричного конденсатора? На основе некоторых гипотетических условий формула была получена тремя способами в идеальном сценарии [1, 2]. Но неизвестный параметр все еще присутствует, поэтому численные расчеты затруднительны. В данной статье мы пытаемся решить эту проблему, устранив неизвестный фактор в надежде, что формула может быть легко применена на практике и в инженерии.После этого предоставляются экспериментальные испытания и практические оценки для проверки его достоверности.
В предыдущих статьях [1, 2] тот же результат был получен тремя способами с использованием следующего уравнения электрической подъемной силы асимметричного конденсатора, нагруженного высоким напряжением в идеальных условиях:
Неизвестная переменная все еще включена в приведенную выше формулу . Чтобы полностью решить эту проблему, необходимо рассчитать переносимый заряд. Обычно переносимый заряд конденсатора зависит от напряжения и емкости.Напряжение можно узнать. Но емкость сложно рассчитать, когда конденсатор имеет неправильную форму.
Тем не менее, анализ гипотетических заданных условий подтверждает, что емкость асимметричной емкости вычислима. Когда небольшая пластина асимметричного конденсатора имеет форму тонкого цилиндра, ее емкость можно оценить цилиндрическим способом. Когда небольшая пластина асимметричного конденсатора [3–5] имеет форму шара, ее емкость можно оценить сферически.В случае точности результат может быть не идеальным. Его все еще можно применять для оценки в инженерной оценке [6, 7]. Более того, последующие данные испытаний неожиданно подтвердили, что результат оценки оказался довольно точным.
2. Теоретический вывод
Что касается причины, по которой экспериментальный результат оказался более точным, чем ожидалось, анализ уникальных характеристик асимметричного конденсатора выявил несколько объективных причин: (1) расстояние между двумя пластинами больше, чем размер площади поверхности пластины 1 (малая пластина), то есть, или; (2) площадь пластины 2 (большая пластина) больше, чем площадь пластины 1, то есть; и (3) напряжение, нагруженное между двумя пластинами, ниже напряжения пробоя, соответствующего зазору.
При начальных условиях мы начинаем определять емкость асимметричного конденсатора [8–10], а затем оценивать его подъемную силу [11, 12]. Процессы вывода следующие: (1) Поскольку, когда высокое напряжение нагружено на две пластины, напряженность электрического поля на пластине 1,, больше, чем на пластине 2, т.е. Это приводит к падению напряжения, которое в основном сосредоточивается вокруг пластины 1. Поэтому при расчете емкости следует принимать во внимание напряженность поля около пластины 1.То есть расчет емкости может быть выполнен путем объединения следующих уравнений (2), (3), (4), (5) и (6): Уравнения (5) или (6) также могут быть записаны as где — номинальный размер пластины 1, — длина пластины 1, и — коэффициент формы, соответствующий размеру конструкции пластин. (2) Поскольку расстояние между двумя пластинами намного больше, чем номинальный размер пластины 1, для упрощения расчета мы предполагаем, что поверхностный заряд пластины 1 распределен равномерно, а падение напряжения тонкой проволочной пластины или сферической пластины конденсатора интегрировано для оценки емкости по величине.Подробности показаны ниже. Для тонкопроволочного конденсатора с небольшой пластиной мы можем взять где — ширина пластины платы. Поскольку, обращаясь к уравнению (3), мы получаем В основном с учетом изменения электрического поля рядом с тонкой проволокой, мы имеем. Учитывая эффективную веерообразную часть, мы имеем Интегрируя обе части уравнения (10), получаем Таким образом, мы получаем емкость для сферический небольшой пластинчатый конденсатор, мы можем взять Комбинируя уравнение (2), мы получаем Ссылаясь на уравнение (3), мы получаем Интегрируя обе стороны, мы получаем Для расстояния, у нас есть Итак, мы получаем емкость (3) Мы можем вычислить электрическая подъемная сила асимметричного конденсатора, нагруженного высоким напряжением с емкостью.
Для тонкопроволочного конденсатора с малой пластиной, используя уравнение (14),
Это формула подъемной силы для нормального подъемника в тонкопроволочном асимметричном конденсаторе под высоким напряжением.
Для сферического конденсатора с малой пластиной, используя уравнение (20),
Учитывая условие, мы имеем
Если упростить расчет в виде сферической пластины, площадь поверхности пластины 1, мы можем получить
Это краткая формула, которая наконец выяснилось, из чего мы можем определить максимальную подъемную силу, создаваемую сферическим асимметричным конденсатором под высоким напряжением.
3. Приложение-формула
Формулы применяются к двум приложениям для проверки их действительности. Это, соответственно, оценка подъемной силы электрического подъемника [13, 14] и эксперимент с высоковольтным растением волос [15, 16].
3.1. Оценка подъемной силы подъемника
Когда подъемник нагружает высокое напряжение (рис. 1), какая подъемная сила создается подъемником? Физические размеры (рис. 2) подъемника — это, соответственно, длина тонкой проволоки, радиус тонкой проволоки, ширина большой доски и зазор между двумя пластинами.Берем диэлектрическую проницаемость атмосферы.
В начальных условиях, используя уравнение (21), мы имеем
То есть подъемник, нагруженный напряжением 30 кВ, может создавать наибольшую подъемную силу 11,7 гс.
3.2. Оценка подъемной силы высоковольтной заряженной проводящей сферы
Как мы знаем, когда высокое напряжение нагружает человеческое тело, наши волосы могут подниматься статическим электричеством [17]. Но нет точных данных или конкретной методики расчета длины приподнятых волос под высоким напряжением.С помощью уравнения (24) указанная проблема может быть решена. Мы можем использовать эту формулу для количественного расчета длины волос, приподнятых статическим электрическим полем. Подробности показаны ниже.
3.2.1. Начальные условия
Напряжение, приложенное к голове, диаметр головы человека, средний диаметр волос, плотность волос и диэлектрическая проницаемость атмосферы.
3.2.2. Задача с целью
Когда напряжение нагружается на волосы при вышеуказанных начальных условиях, какова максимальная длина волос (), которые могут быть подняты?
3.2.3. Процесс решения
В этом случае голова и земля могут рассматриваться как две асимметричные пластины, где голова может рассматриваться как небольшая пластина, а ее площадь поверхности сферы — это, а удаленная земля — как большая пластина, а ее площадь плоской поверхности. Впрочем, и расстояние между двумя пластинами. Напряжение между малой пластиной (головкой) и большой пластиной (землей) не должно достигать порога пробоя. При этом условии мы применяем уравнение (24) для расчета подъемной электростатической силы, действующей на волосы.
Сумма электростатической подъемной силы, действующей на волосы, составляет
Площадь поверхности головы составляет
Интенсивность давления, поддерживаемого электростатической силой, составляет
Средняя поперечная площадь волос составляет
Занятая площадь поверхности головы за волосы может выдерживать массу за счет электростатической силы:
Масса преобразуется в длину волоса:
Таким образом, конечный результат получается: когда волосы человека нагружены статическим электричеством высокого напряжения 100 кВ через проводящий металлический шар волосы длиной около 29 см поднимаются в воздух.
4. Объяснение и заключение
Основываясь на некоторых предположениях с упрощенным расчетом, мы вывели формулу подъемной силы, создаваемой асимметричным конденсатором в различных условиях, с помощью которой можно проводить оценку в определенных обзорах и качественных исследованиях, несмотря на неудовлетворительную точность. Этот метод также обеспечивает удобный способ расчета подъемной силы статического электричества, создаваемой асимметричным конденсатором, или подъемной силы подъемников. Это также способствует оптимизации параметров при проектировании [18] большей нагрузки подъемника, образованной асимметричным конденсатором.
Доступность данных
Данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, включены в статью.
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Благодарности
Авторы выражают признательность за поддержку Тринадцатого пятилетнего плана Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук (грант №Y86CT21051, «Электрическая и магнитная двигательная установка»), финансирование исследовательской деятельности научного сотрудника из провинции Аньхой (грант № 2018B250, «Двигатель с ускоренным ионным движением высокоэнергетических ионов») и проект естественных наук Департамента образования Аньхоя (грант № KJ2018A0725 , «Оптимизация однородности и разработка программного обеспечения для магнитов МРТ»). Часть этой работы была поддержана Лабораторией сильного магнитного поля провинции Аньхой.
Асимметричные конденсаторные двигатели: эффект Бифельда-Брауна: 6 ступеней (с изображениями)
Эффект Бифельда-Брауна требует постоянного тока.Вы можете найти сайты в сети или книги, в которых говорится, что вы можете использовать AC, но поверьте мне, AC не будет работать. Трансформаторы неоновых вывесок, модули зажигания масляных горелок и т. Д. Не будут работать, если не будут преобразованы в постоянный ток. Вы можете использовать простой источник питания постоянного тока.
Ваш лучший и самый простой выбор — старый телевизор или компьютерный монитор, тяжелый, блочный, с электронно-лучевой трубкой. Их обычно называют «ЭЛТ-мониторы». Компьютерные мониторы часто доступны бесплатно, поскольку все больше и больше людей переходят на плоские ЖК-экраны.(Однажды я позвонил человеку в моем городе, который хотел отдать бесплатно ЭЛТ-монитор. Она была так счастлива избавиться от него, что доставила его мне домой!)
ЭЛТ содержат высоковольтные конденсаторы, способные удерживать мощный заряд надолго! Будь осторожен! Если вы возьмете старый ЭЛТ, оставьте его отключенным от сети на несколько дней, прежде чем пытаться с ним повозиться. Но даже тогда будьте осторожны! Преобразование ЭЛТ в источник постоянного тока высокого напряжения не требует больших усилий, но БУДЬТЕ ОСТОРОЖНЫ!
Вам понадобится пара кабелей, может быть, длиной 24 дюйма или более.Они должны выдерживать высокое напряжение. Я спасаю высоковольтный кабель от микроволновых печей и т. Д., Но вы можете сделать свой собственный, используя многожильный домашний провод 10 или 12 калибра и вставив его в виниловую или силиконовую трубку. Я вставил домашний провод 10-го калибра в виниловую трубку аквариума.
Прикрепите маленькие зажимы типа «крокодил» к каждому концу высоковольтных кабелей.
Затем поверните экран ЭЛТ вниз. Вы не хотите поцарапать или треснуть кинескоп (он может взорваться), поэтому лучше перевернуть монитор на подушку или старое полотенце.Снимите задний шкаф ЭЛТ. Возможно, вам придется сначала отрезать кабель для передачи данных, так как у некоторых мониторов кабель встроен, поэтому их нельзя отсоединить. Вы также можете выбросить пьедестал, если он мешает.
Когда шкаф выключен, БУДЬТЕ ОСТОРОЖНЫ. Ищите толстый кабель, заканчивающийся черной присоской. Это будет где-то прикреплено к кинескопу. Осторожно подденьте присоску. Внутри будут разъемы, используемые для передачи высокого напряжения от источника питания монитора к кинескопу. Это будет ваше положительное (+) высоковольтное соединение.
Посмотрите на другую сторону кинескопа. Вы должны увидеть полоску оголенного провода, огибающую передний край трубки. Это ваш минус (-) или заземление. Прикрепите один зажим «крокодил» к соединению + присоски. Возьмите другой кабель высокого напряжения и закрепите его одним концом на — проводе заземления.
В пластиковом шкафу можно вырезать небольшие отверстия, через которые можно вывести высоковольтные кабели. После того, как вы пропустите кабели через шкаф, снова наденьте их на монитор и прикрутите обратно.
Чтобы управлять асимметричными конденсаторными двигателями, установите их на большом столе или на освобожденном полу. Поместите перевернутый ЭЛТ как можно дальше от кабелей. Подсоедините положительный кабель ЭЛТ к латунному болту в верхней части рамы подруливающего устройства. Прикрепите отрицательный кабель к распорке в нижней части шпинделя. Убедитесь, что кабели не касаются и не мешают вращению подруливающих устройств.
Перед включением питания убедитесь, что переключатель CRT включен. Лучше всего, если вы можете подключить ЭЛТ к вариатору или другому изолирующему трансформатору.Это дает вам контроль над входным напряжением и безопасный переключатель включения / выключения. Если у вас нет вариакта, попробуйте использовать розетку, управляемую настенным выключателем.
ХРАНИТЕ НАЗАД от двигателей и контролируйте, пока он включен. Источник питания ЭЛТ может выдавать 20–30 000 вольт, в зависимости от размера монитора. Такой постоянный ток может действительно навредить тебе! Он также может удивительно далеко прыгнуть от открытых металлических соединений к вам. Так что держись!
Хорошо, значит, вы подключены.Нажмите на переключатель! Что теперь происходит?
Гибридные литий-ионные конденсаторы с асимметричными графеновыми электродами
Резко возросший спрос на электрические устройства, такие как электромобили и бытовая электроника, побудил нас изучить новые идеи в производстве новых устройств хранения энергии. В этой работе мы спроектировали, сконструировали и исследовали асимметричный гибридный литий-ионный конденсатор (LIC) путем объединения катода электрического двухслойного конденсатора и анода литий-ионной батареи.Оба электрода были изготовлены из одностенных углеродных нанотрубок и композита графена (SG), чтобы уменьшить переупаковку графеновых нанолистов, улучшить емкость накопления энергии и улучшить электропроводность электродов. Один из электродов предварительно литировали электрохимически. После предварительного литиирования электрод из литиированного SG (Li-SG) показал отличную емкость при интеркаляции и деинтеркаляции лития и использовался в качестве анода устройства LIC. Преимущество гибридного LIC с асимметричными графеновыми электродами состоит в том, что он максимизирует рабочее напряжение между двумя электродами, тем самым увеличивая плотность энергии устройства.Гибридный LIC, изготовленный в этой работе, показал плотность энергии 222 Вт · ч · кг -1 при плотности мощности 410 Вт · кг -1 .
У вас есть доступ к этой статье
Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так.