Номер 1, страница 271 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Ионистор, принцип работы, преимущества и недостатки.

Ионистор

Ионистор, также известный как суперконденсатор или ультраконденсатор, — это электрохимический компонент, представляющий собой гибрид конденсатора и химического источника тока. Он способен накапливать и отдавать электрическую энергию. По своим свойствам ионистор занимает промежуточное положение между обычным электролитическим конденсатором и аккумулятором, сочетая очень высокую удельную мощность и долговечность конденсаторов с более высокой, чем у них, удельной энергией.

принцип работы

В основе работы ионистора лежит физический эффект образования двойного электрического слоя (ДЭС) на границе раздела «электрод-электролит». Конструкция ионистора включает в себя два электрода, обычно выполненных из пористого материала (например, активированного угля) с чрезвычайно развитой поверхностью, которые разделены сепаратором, пропитанным электролитом.

Когда к ионистору прикладывается напряжение, ионы электролита (положительные катионы и отрицательные анионы) перемещаются к электродам противоположной полярности. В результате на поверхности каждого электрода образуется слой ионов из электролита, который вместе с зарядом, индуцированным в самом электроде, формирует двойной электрический слой. Эти два слоя зарядов разделены очень малым расстоянием (порядка нанометров), которое выполняет роль диэлектрика.

Ёмкость плоского конденсатора определяется формулой $C = \varepsilon \frac{A}{d}$, где $\text{A}$ — площадь обкладок, $\text{d}$ — расстояние между ними, а $\varepsilon$ — диэлектрическая проницаемость среды. В ионисторе благодаря использованию пористых материалов достигается колоссальная площадь поверхности электродов $\text{A}$ (до 3000 м²/г), а толщина диэлектрика $\text{d}$ чрезвычайно мала. Это сочетание и обеспечивает сверхвысокую ёмкость, достигающую тысяч фарад.

Накопление энергии происходит за счёт электростатического поля, без протекания химических реакций, что и обуславливает возможность очень быстрого заряда/разряда и огромный циклический ресурс.

преимущества

Ионисторы обладают рядом значительных преимуществ:

• Высокая удельная мощность: способность отдавать и принимать очень большие токи, что позволяет осуществлять заряд и разряд за секунды или минуты.
• Длительный срок службы: выдерживают от сотен тысяч до миллионов циклов заряд-разряд без существенной деградации параметров.
• Широкий диапазон рабочих температур: стандартные модели эффективно работают в диапазоне от -40 °C до +65 °C.
• Высокий КПД: эффективность цикла заряд-разряд достигает 95-98%.
• Безопасность: в ионисторах отсутствуют агрессивные химические процессы, что снижает риск возгорания или взрыва при неправильной эксплуатации.
• Простота заряда: не требуют сложных алгоритмов контроля, как аккумуляторы, и устойчивы к перезаряду.

недостатки

К основным недостаткам ионисторов можно отнести:

• Низкая удельная энергоёмкость: по сравнению с аккумуляторами ионисторы накапливают в 5–20 раз меньше энергии на единицу массы или объёма.
• Низкое номинальное напряжение: напряжение одного элемента обычно не превышает 2,7–3,0 В, что требует последовательного соединения ячеек для получения нужного напряжения и применения схем балансировки.
• Линейное падение напряжения при разряде: напряжение на выводах падает почти прямо пропорционально отданному заряду, что часто требует использования стабилизирующих DC/DC-преобразователей.
• Высокий саморазряд: ионисторы теряют накопленный заряд быстрее, чем аккумуляторы (могут терять до 10-20% заряда за сутки).
• Более высокая стоимость в пересчёте на единицу хранимой энергии (руб/Вт·ч) по сравнению с аккумуляторами.

Ответ: Ионистор (суперконденсатор) — это накопитель энергии, работающий на принципе двойного электрического слоя, что обеспечивает ему огромную ёмкость, высокую мощность и длительный срок службы. Его преимуществами являются очень быстрая зарядка/разрядка, огромное количество циклов работы, высокий КПД и безопасность. К недостаткам относятся низкая удельная энергоёмкость по сравнению с аккумуляторами, низкое напряжение на ячейку, линейный характер разряда и относительно высокий саморазряд.