Среди источников электрической энергии особое место занимают так называемые суперконденсаторы — ионисторы.
Несмотря на загадочное название, их весьма просто изготовить самостоятельно, и оно того стоит: быстрая зарядка, возможность осуществления множества циклов заряд/разряд без какого-либо разрушения (вплоть до миллионов), большая ёмкость (до десятков и даже сотен Фарад).
Думается, что этого перечисления уже достаточно, чтобы всерьёз задуматься об изготовлении таких устройств, так как любой самодельщик сможет найти для них, даже навскидку, множество применений.
Сначала маленькая предыстория, зачем вообще мне это стало интересно: дело в потом, что я уже некоторое количество времени разрабатываю «завязыватель шнурков» на ботинках, а-ля «Назад в будущее», и насчёт всех компонентов системы вопросов, в целом, нет.
Однако, как показали практические тесты, обычной батарейки недостаточно для питания электродвигателя, причём даже через DC-DC преобразователь (и даже несколько запараллеленных) — двигатель крутится весьма хило и ему не хватает сил. Причина — медленная токоотдача батарейки, обусловленная относительно медленными химическими процессами.
Ставить литий-ионные батареи не хочу, так как не хочу постоянно думать об опасности возгорания.
Появилась альтернативная идея: так как двигатель должен работать весьма малое время, не более 2-4 секунд, — поставить суперконденсатор, который бы накапливал энергию от обычной батарейки и мог обеспечить потребности в повышенном энергопотреблении на короткое время.
Раз уж вообще заговорил об этой теме, отмечу, — хорошие люди мне подсказали, что для моей задачи, а конкретно для работы двигателя в течение 2 секунд, будет достаточно суперконденсатора на 1F, 2,4V (с минимально доступным внутренним сопротивлением, чтобы мог быстро отдавать большие токи). Если на 4 секунды работы, — соответственно, больше (пока ещё не решил, думаю, какой конкретно брать).
Посмотрю, как поведёт себя система с батареей, а потом попробую перевести на микрогенератор, который заряжал бы конденсатор при ходьбе (развлекаться так развлекаться)…
В процессе работы над проектом заодно пришлось вникнуть в тему суперконденсаторов и обнаружить множество весьма любопытной информации, которая, полагаю, будет интересна многим. Итак…
Что такое ионистор («суперконденсатор»)
Ионисторы, которые ещё носят название суперконденсаторов, занимают промежуточное место между химическими источниками тока и, собственно, конденсаторами. Так как в их конструкции, с одной стороны, вроде бы присутствует электролит, а с другой стороны, он не используется для протекания химических реакций — суперконденсаторы накапливают свой заряд с помощью аккумулирования статического заряда на поверхности твёрдого тела (электродов с развитой поверхностью), и именно это и объясняет их быстродействие в процессах заряда/разряда, а электролит используется лишь для движения ионов, от одного электрода к другому (см. схему чуть ниже).
То есть, химические реакции не являются узким местом для быстродействия (как у химических элементов питания).
Также на картинке ниже мы видим, что, кроме электродов там присутствует ещё и третий элемент, который называется «сепаратором».
Этот элемент конструкции служит для исключения короткого замыкания между электродами, но в то же время он является достаточно пористым, чтобы ионы могли двигаться от электрода к электроду.
Как мы увидим далее, этот элемент может быть изготовлен из очень простых материалов, собственно, как и всё остальное ;-)
Ионисторы ещё носят название «конденсаторов с двойным электрическим слоем»: поверхность металлических проводников покрыта слоем вышедших из металла электронов, к которым притягивают из электролита ионы с противоположным знаком, которых там имеется достаточно большое количество (
), при этом на определённом этапе возникает равновесие между зарядами, которое препятствует выходу новых электронов из проводника.
То есть, другими словами, получается, что эти два слоя зарядов, находящиеся на границе зоны металл-электролит, представляют собой самостоятельный конденсатор, у которого обкладками выступают противоположно заряженные слои, а малое расстояние между ними позволяет им обладать большой ёмкостью.
Кроме того, так как такой слой образуется на поверхности каждого из двух проводников, то такой конденсатор, по сути, представляет собой два конденсатора, которые подключены последовательно:
Картинка: С. Д. Ханин и др. — «Пассивные радиокомпоненты, ч.1»
Такие устройства позволяют выступать в качестве источников энергии импульсного типа, обеспечивая даже токи в районе 1000 А.
Тем не менее, ионисторы не лишены и минусов, одним из которых наступает низкое рабочее напряжение, что вынуждает подключать их последовательно, для его повышения.
Причиной низкого рабочего напряжения является разложение электролита при его повышении более определённого предела, и, например, для водных электролитов, такой предел составляет порядка 1,2 В.
Для повышения рабочего напряжения ионисторов с ходом развития науки стали применять апротонные электролиты, что позволило поднять рабочее напряжение вплоть до 2,5 В.
Дальнейшее развитие привело к появлению твердотельных ионисторов, в которых в качестве электролита используются вещества, обладающие высокой ионной проводимостью (например, 
), несмотря на то, что находятся в твёрдой форме.
Тем не менее, их применение также ограничено, так как разложение твёрдого электролита начинается уже при 0,67 В.
Ещё одним очевидным минусом ионисторов является низкая плотность хранимой энергии, которая в 7,6 раз меньше, чем у свинцово-кислотных и в 25 раз меньше, чем у LiPol аккумуляторов.
Кроме этого, их ёмкость падает при увеличении частоты.
Тем не менее, несмотря на некоторые минусы, использование ионисторов является достаточно перспективным, так как их простое изготовление, несмотря на меньший объём хранимой энергии, чем у аккумуляторов, даёт много плюсов, например, никто не мешает самостоятельно изготовить ионистор «действительно большого размера, за копейки» :-)
Самодельные суперконденсаторы
Как ни странно, конденсаторы с такими замечательными свойствами могут быть легко собраны самостоятельно.
Дальше пойдёт описание технических процессов, которые каждый может повторить самостоятельно и будут упоминаться разные «страшные» слова, в частности, «графен», но не надо пугаться, всё это может быть изготовлено самостоятельно, и подробное описание будет ниже.
▍ Электродные пластины
Конденсаторы такого типа состоят из пяти слоёв: двух металлических пластин-электродов с покрытием (о нём ниже), в качестве которых могут быть взяты пластины, например, из алюминия и сепаратора между ними.
Материал металлических пластин следует выбирать таким, чтобы он не растворялся тем типом электролита, который будет далее использован.
Электроды не обязательно должны быть металлическими пластинами — вполне удачно в этих целях можно применять обычную кухонную фольгу.
Площадь поверхности пластин искусственно увеличивается с помощью нанесения на них слоя графена, перемешанного со связующим — грубо говоря, клея, чтобы графен удерживался на поверхности электрода.
В качестве такого связующего с успехом может быть использован обычный обойный клей ПВА.
В качестве альтернативного варианта связующего можно применить поливиниловый спирт или ацетон со связующим, так как он очень быстро высыхает.
Небольшое примечание: как 3D-печатнику, мне сразу подумалось о том, что в такой роли интересно будет попробовать, так называемый «самодельный ABS-сок», хорошо известный печатникам и представляющий собой ABS-пластик, растворённый в ацетоне (обычно используют для смазывания печатного стола 3D принтера, чтобы увеличить прилипание печатаемой 3D модели к столу).
В качестве ещё одного альтернативного связующего можно использовать полиуретан — судя по тому, что я видел, люди используют полиуретановые лаки (их можно найти практически в любом хозмаге, в отделе «краски») или просто жидкий полиуретан.
Общее правило по добавке связующего: его количество должно находиться в пределах, примерно 5-10% от массы всей смеси «графен+связующее».
Процесс нанесения графена со связующим показан ниже, с 7:31:
Кроме того, так как слой графена достаточно тонкий, и, я так понимаю, для создания ещё более объёмного и в то же время достаточно прочного механически слоя, на этот слой графена накладывается достаточно толстый слой мелкомолотого активированного угля. Причём уголь укладывается в тот момент, пока связующее у графена ещё не засохло. Таким образом, уголь плотно прилипает к слою графена.
Технически, это производится так: мелкомолотым активированным углём, который был размолот с использованием кофемолки, посыпается металлическая электродная пластина, предварительно смазанная смесью графена и связующего; посыпается примерно так, как мы посыпаем хлеб — сахаром: мелко ударяя по ёмкости с активированным углём, этим углём посыпаем всю поверхность пластины.
Этот этап можно посмотреть вот тут, ниже:
с 1:54 измельчение угля (там ещё рекомендуется зашкурить поверхность пластин грубой шкуркой, для лучшего прилипания):
а с 7:49 — посыпание углём:
Далее, чтобы этот уголь плотно прилип, надеваются резиновые перчатки, и рукой в перчатке проходятся по всей поверхности пластины, придавливая уголь к её поверхности (см. с 8:16):
Таким образом, в итоге должна получиться относительно гладкая поверхность, покрытая угольной крошкой.
Таким образом, необходимо изготовить две пластины с покрытием, после чего оставить их на некоторое время, чтобы связующее высохло.
В результате должны получиться металлические пластины, покрытые жёстким угольным покрытием, которое прочно удерживается на поверхности пластин и не отваливается.
▍ Сепаратор
Теперь настало время задуматься о «сепараторе» — пористом материале, который, с одной стороны, удерживает в себе электролит и не даёт ему растекаться в стороны, а с другой стороны, служит защитным барьером, не дающим возникнуть короткому замыканию между пластинами (проще говоря, попросту удерживает на расстоянии одну пластину от другой).
В то же время сепаратор должен быть достаточно пористым, чтобы удержать в себе электролит, и через электролит ионы могли проходить от одного электрода к другому.
В качестве такого материала отлично подходит… туалетная бумага! В качестве другой альтернативы можно использовать бумажные салфетки или бумажные полотенца.
Далее, одну из электродных пластин, изготовленных на предыдущем этапе, необходимо положить на стол, угольным слоем вверх, и полностью покрыть сверху выбранным сепаратором (туалетная бумага, салфетки и т. д. и т. п.).
Толщину сепаратора следует выбрать таким образом, чтобы острые грани угольной крошки не смогли его проткнуть и не возникло короткое замыкание — например, можно проложить несколько слоёв, для надёжности.
Насколько лично мне удалось понять, в процессе сборки такого конденсатора в целом, и сепаратора в частности, можно во многом экспериментировать.
Например, я сам в качестве такого пористого материала использовал бы лучше не бумагу (как обычно рекомендуют в различных источниках), а какой-нибудь относительно высокопрочный материал, который затруднительно будет проткнуть граням угольной крошки, и в то же время он будет достаточно пористым.
Например, я бы попробовал использовать в качестве такого материала разные, так называемые «нетканые» материалы, например, материал от медицинской маски (которые повсеместно использовались во время ковида), сложенный в несколько слоёв (для увеличения количества удерживаемого электролита).
▍ Электролит
В качестве него можно использовать различные щелочные и кислотные электролиты.
Например, это могут быть водные растворы сульфата натрия, гидроксида лития, гидроксида калия, гидроксида натрия (едкий натр), и даже поваренной соли.
Или, например, известны хорошие результаты с использованием фосфорной, серной кислоты.
Пропитка сепаратора электролитом показана ниже, с 10:44:
Только надо помнить, о чём мы выше говорили: напряжение разложения воды — примерно 1,2 вольта. Так что для суперконденсаторов с использованием водных электролитов это напряжение является предельным.
Небольшая памятка: не нужно сразу унывать при виде такого малого напряжения — суперконденсатор может выдавать весьма неслабую силу тока (амперы) и люди даже делают на его базе самодельную сварку или мощное средство для завода автомобиля. Кроме того, никто не мешает соединить несколько суперконденсаторов последовательно или повесить на выходе одного суперконденсатора — повышающий преобразователь напряжения.
▍ Защитный кожух
Так как используется жидкий электролит, без защиты от его вытекания не обойтись.
Люди придумали для этого очень простой способ: форма суперконденсатора изначально делается прямоугольной или квадратной, а к контактным пластинам, тем или иным доступным способом, приделываются проводки (например, от utp-5 ethernet-кабеля).
Далее, конденсатор помещается внутрь куска сложенного пополам полиэтилена, который запаивается, с использованием v-образного запаивателя пакетов со всех 4 сторон.
При таком запаивании происходит, в частности, частичное расплавление оболочки проводов, выходящих наружу, которые прочно впаиваются в полиэтилен (см. с 12:52):
В итоге — получается герметично запаянный конденсатор.
Небольшой лайфхак: мне тут пришло в голову, что герметичность можно было бы даже увеличить, если выходящие наружу провода выводить не напрямую, а делать такую небольшую змейку (которая целиком должна попасть в расплавленный шов), в виде, например, буквы М — тогда герметичность будет ещё больше.
▍ Получение графена на дому
Как мы могли видеть выше, в покрытии электродов самодельной конструкции суперконденсатора используется графен, представляющий собой модификацию углерода, где атомы углерода идут в один слой, поэтому такую форму ещё называют «двумерной формой углерода».
Графен был открыт в 2004 году, а в 2010 году за него была получена Нобелевская премия.
Почему в покрытии электродов используется графен? Ответ очень простой: такое покрытие позволяет существенно увеличить площадь поверхности, а соответственно, и площадь двойного электронного слоя, что существенно увеличивает ёмкость конденсатора.
На ранних этапах, когда графен ещё только был открыт, его распространение сдерживали существующие на тот момент относительно несовершенные способы его получения (речь идёт о способах промышленного производства, а не о способе отрывания скотчем), связанные с большими затратами и опасностью.
Но всё начало меняться в 2013 году, когда сначала появился так называемый «flash-графен», получение которого связано с пропусканием большого импульса тока через порцию графита, в течение микросекунд.
Такое малое время и большой ток не давал возможности эффективно рассеять тепло, что приводило к взрывному расщеплению графита.
Схему установки по получению графена таким способом, можно найти в видео ниже, см. с 2:15 (кстати, забавно, они там использовали Arduino):
Далее энтузиасты начали открывать всё новые и новые способы его получения.
Одним из таких способов стало открытие, что, если взять обычную каптоновую плёнку или каптоновый скотч (хорошо известные, опять же, 3D-печатникам, как термостойкий скотч), и провести по ней лазерным лучом — она начинает активно вспучиваться, причём вспучившийся объём представляет собой частично разложившуюся плёнку, покрытую слоем графена (см. с 3:04):
Также было обнаружено, что для получения такого эффекта достаточно практически любого лазера, который можно достать, важно только, чтобы его длина волны укладывалась в диапазон 405-450 нм, с минимальной достаточной мощностью всего лишь в 3,6 Вт.
Это на практике означает, что для таких целей сгодятся практически любые ЧПУ станки с диодными лазерами, в изобилии имеющиеся на известном китайском сайте.
В процессе изучения этого эффекта было выяснено, что графен на поверхности растёт разной формы, в зависимости от того, используется сфокусированный или расфокусированный луч лазера: сфокусированный луч создаёт губчатую структуру, а расфокусированный — даёт расти игольчатой форме.
Какая форма является более предпочтительной, для создания суперконденсаторов, — вопрос открытый, и требует своих экспериментов…
Однако, что является неизменным, так это то, что для эффективного создания любой структуры графена на поверхности, лазерному лучу требуется пройти не менее трёх раз: первый проход даёт начальное обугливание, второй проход задаёт форму, а третий проход — окончательно выращивает графен.
Со временем, было обнаружено, что не только каптон может выращивать графен, он вполне эффективно растёт на абсолютно разных материалах: дереве, пластиках, бумаге, и даже кокосах, и картофеле.
Только тут нужно отметить, что если выращивать графен на бумаге, то её предварительно нужно пропитать специальной пропиткой, которая позволит избежать возгорания бумаги при лазерной обработке. В качестве такой пропитки отлично работает бура.
При этом, бумагу сначала пропитывают, далее она должна хорошо высохнуть, и, например, на следующий день её можно уже обрабатывать лазером.
С помощью такого лазерного подхода получают конденсаторы, с так называемыми «электродами со скрещенными пальцами» — похожими на две гребёнки, развёрнутые друг напротив друга и вдвинутые друг в друга, а ёмкость наращивают увеличением площади и слоёв.
Очевидный плюс такого подхода — высокоточное получение электродов конденсатора, без особых физических затрат — останется только положить сверху пластину сепаратора (туал. бумага и т. п.), смоченную электролитом, после чего поместить всё в герметичный кожух, — вот и всё!
Кроме того, можно нарисовать электроды любой формы, так что это открывает простор для творчества. Главное, чтобы в конечном итоге эти электроды представляли собой всё те же две гребёнки, вдвинутые друг в друга (расположенные в целом — прямоугольником, квадратом, кругом, змейкой и т. д. и т. п).
Что же касается более-менее массового получения графена в виде порошка, для использования в конденсаторе, описанного в статье, то одним из наиболее простых способов, (также открытый исследователями), является описанный ниже.
В обычном кухонном блендере взбиваются в течение получаса вместе: 0,5 литра воды, 50 грамм графита и пара чайных ложек порошковой молочной сыворотки. Такой способ даёт возможность получить 75 мг графена на 1 литр смеси (см. с 17:00)
Вкратце физика этого процесса: взбивание графита вместе с водой, вызывает его расслаивание. Однако проблема заключается в том, что если взбивать просто воду с графитом, то расслоившийся графит снова слипается воедино.
Исследователями было открыто несколько способов для предотвращения такого слипания. Все эти способы заключались в предположении о том, что чешуйки графена необходимо покрыть чем-то, что не дало бы им слипнуться обратно.
В качестве одних из наиболее эффективных средств (и наиболее доступных), были обнаружены:
- обычное жидкое средство для мытья посуды (т. к. это поверхностно-активное вещество, которое обладает свойством покрывать поверхности тонким слоем),
- молочная сыворотка, так как это белок и тоже может покрывать тонким слоем любую поверхность,
- кровь и куриные яйца — это также хорошо сработало, только такой вариант будет несколько экстравагантным, так как есть способы проще.
Таким образом, после взбивания с этими средствами, образуется массив расщеплённого графита, то бишь графена, который не может слипнуться обратно — мешает покрывающая поверхность чешуек плёнка.
В результате такого взбивания, после выключения блендера на дно сосуда оседает слой графита, а в середине сосуда остаётся тёмный слой смеси, покрытый сверху пеной.
Вот этот слой вместе с пеной надо извлечь, например, простым вычерпыванием чашкой, и высушить любым доступным вам способом — например, разлить на большую площадь и оставить на время.
Одним из наиболее быстрых способов высушивания является вращение в специальной центрифуге.
В результате — получится порошок графена.
Примечание: при прочих равных, для исходника следует выбирать графит большей зернистости, так как раскалываясь, он будет давать пластинки большего размера, что будет означать, что такой графен будет более токопроводящим.
Для чего могут применяться суперконденсаторы?
Применений на самом деле множество, например, вот здесь использовали такие конденсаторы для самодельного игрушечного самолёта:
А здесь в качестве источника тока для мобильной точечной сварки:
А вот тут человек, используя 6 суперконденсаторов на 350 Фарад, 2,5 В (я так понимаю, соединённых последовательно) — заменил стандартный аккумулятор автомобиля (они существенно легче аккумулятора по весу), которыми легко и непринуждённо смог завести автомобиль:
А вот тут с 2:10 можно глянуть, как работает огромный круглый конденсатор, этапы сборки которого приводились в статье (спойлер: заряжается от сети всего за 10 секунд и тянет более часа электродвигатель, а также от него без проблем работает вентилятор и лампочка; в качестве средства герметизации всего «бутерброда» использована чёрная термоусадка, надетая по торцу):
Попадаются даже поистине монструозные сборки, по короткому замыканию контактов которых хорошо видно, какая это мощь:
И, как я уже говорил в самом начале, — в моём случае я собираюсь их использовать во избежание применения литий-ионных аккумуляторов.
В завершение рассказа можно отметить, что многие поразительные вещи не так уж недостижимы для нас, и практически каждый может попробовать свои силы в их осуществлении ;-)
В статье, в том числе, использована информация из вот этого видео, так что желающие могут посмотреть всё самостоятельно.
Кроме того, там же с 29:39 можно посмотреть поразительный тест: графен добавили в пластик и сделали из него тонкую пластинку. После чего пробовали её порвать, повиснув на ней, и вроде бы удалось, когда 2 мужика повисли на ней вместе, одновременно — но радость оказалась преждевременной: оторвался винт, которой крепилась лента, на которой они висли — а пластина осталась неповреждённой! :-)))
Как они сами отмечают, каждый может испытать, как разительно меняется любой материал, при добавлении в него графена. Например, я что-то прям задумался о добавлении его в FDM-пластик для печати…
© 2024 ООО «МТ ФИНАНС»
Автор: DAN_SEA
