Устройство и принцип работы суперконденсаторов (ионисторов)

Согласно ГОСТ 57437-2017:

Конденсатор с двойным электрическим слоем – это конденсатор, накопление заряда и энергии в котором происходит за счет образования электрического поля в двойном электрическом слое на границе раздела между проводником с электронной проводимостью и проводником с ионной проводимостью (электролитом).

В России конденсаторы с двойным электрическим слоем, также называют суперконденсаторы, ионисторы, ультраконденсаторы, конденсаторы с ДЭС, суперкапы, ячейки.

За рубежом принята следующая терминология: EDLC, supercapacitors, supercap, ultracapacitors, electric double layer capacitors.

Суперконденсатор состоит из двух электродов, выполненных из алюминиевой фольги с двухсторонним углеродным покрытием. Электроды разделены между собой сепаратором (конденсаторной бумагой) для предотвращения короткого замыкания. Токосъем осуществляется с помощью вывода, соединенного с электродной пластиной. Электроды с сепаратором скручиваются в рулон и представляют собой секцию суперконденсатора, которая затем пропитывается электролитом и помещается в цилиндрический алюминиевый корпус.

Конструкция суперконденсатора уплотняется резиновой втулкой (крышкой).

Площадь хранения заряда обычных электролитических конденсаторов формируется из тонких пластин плоского проводящего материала. Высокая емкость достигается за счет намотки большой длины материала. Высокая емкость суперконденсатора достигается за счет использования электродного материала с большой удельной площадью поверхности. В обычном конденсаторе заряженные пластины разделены диэлектриком — пластиковой, бумажной или керамической пленкой. Чем тоньше слой диэлектрика, тем большую площадь можно создать в определенном объеме. Ограничения толщины диэлектрика определяют достижимую площадь поверхности.

В суперконденсаторе большая площадь поверхности образуется за счет пористого углеродного материала, из которого выполнены электроды. Пористая структура этого материала позволяет увеличить площадь поверхности до 2000 квадратных метров на грамм, что намного больше, чем при использовании плоских или текстурированных пленок и пластин. Расстояние между разделенными зарядами в суперконденсаторе определяется размером ионов в электролите, которые притягиваются к заряженному электроду. Такое разделение зарядов (менее 10 ангстрем) намного меньше, чем может быть достигнуто при использовании обычных твердых диэлектриков.

Сочетание очень большой площади поверхности и чрезвычайно малого расстояния между зарядами обеспечивает исключительно высокую емкость суперконденсаторов по сравнению с обычными конденсаторами.

Принцип работы суперконденсаторов основан на образовании двойного электрического слоя на границе электрода и электролита. При зарядке под действием электрического поля к положительно заряженному электроду из электролита притягиваются отрицательно заряженные ионы, к отрицательному заряженному электроду притягиваются положительно заряженные ионы. При разрядке происходит обратный процесс. Таким образом, на границе раздела двух сред (электрода и электролита) эффективно образуются два слоя пространственно разделенных зарядов, т. е. двойной электрический слой.

Суперконденсаторы производят накопление энергии электростатическим способом, поляризуя раствор электролита. В процессе накопления энергии в суперконденсаторе не задействованы химические реакции, хотя суперконденсатор — электрохимическое устройство. В силу высокой обратимости механизма накопления энергии суперконденсаторы способны заряжаться и разряжаться сотни тысяч и даже миллионы раз.