Нанотехнологии и новая эра электролитических конденсаторов

Понятие наноматериалы и нанотехнологии уже знакомо широкому кругу читателей. Об электронных и ионных свойствах и принципах работы современных электронных приборов известно большинству специалистов. Не является исключением и такой сегмент электронной компонентной базы, как пассивные электронные компоненты, к которым относятся электролитические конденсаторы.

В электролитических конденсаторах используются как электронные свойства, так и ионные свойства применяемых материалов. При этом рассматриваются модели работы электронного компонента на уровне кристаллической решетки и молекулы электролита.
ОАО «Элеконд» (Удмуртская Республика, г. Сарапул) изначально специализируется на разработке и производстве электролитических конденсаторов.
В последнее время на предприятии большое внимание уделяется не только оксидным системам, из которых состоит электролитический конденсатор, но и системам взаимодействия большой поверхности углерода с молекулами электролита, т.е. структуре двойного электролитического слоя.
Электролитические конденсаторы состоят из вентильного металла (тантал, ниобий, алюминий и др.), специального оксида, полученного на этом материале, и электролита, являющегося катодом конденсатора. Спектр применения электролитов довольно широк: от водных кислот, неорганических оксидов, до сложных комплексообразующих органических соединений и проводящих полимеров.
Выбор катода определяется совместимостью оксидов с материалом катода, его электрофизическими свойствами. Емкость электролитического конденсатора прямо пропорциональна площади соприкосновения оксида вентильного металла с молекулами электролита, поэтому на предприятии широко применяются вентильные металлы, имеющие большую удельную поверхность.

За счет нанотуннелей, полученных при травлении
алюминиевой пленки, площадь ее поверхности
увеличивается более чем на два порядка
К примеру, посредством специального травления гладкой алюминиевой фольги специалистам ОАО «Элеконд» удается получить туннели в объеме алюминия с размерами пор от нескольких нанометров до сотен нанометров в зависимости от режимов травления. В результате площадь поверхности увеличивается более чем на два порядка.
Затем такую пористую алюминиевую фольгу подвергаем оксидированию (формовке). Толщина оксида задается режимами обработки и составляет от десятков до сотен нанометров.
При этом чем толще оксид, тем выше напряжение пробоя. Тем самым толщина оксида определяет рабочее напряжение конденсатора. В сформированные на оксидированной алюминиевой фольге поры (туннели) посредством специальных методов загоняются молекулы электролита. Чем больше будет площадь контакта молекул электролита с поверхностью оксида, тем больше будет удельная емкость конденсатора.

При получении танталовых и ниобиевых конденсаторов
применяются методы порошковой металлургии.
Пористость напрессованного и спеченного анода
различна и состоит из нано-, мезо- и микропор
Аналогична методика получения  танталовых и ниобиевых конденсаторов. Разница заключается в том, что в качестве анода применяется порошкообразный в основном агломерированный  материал и методы порошковой металлургии. Каждая частица порошка представляет собой пористую структуру. Пористость напрессованного и спеченного анода из такого порошка различна и состоит из нано-, мезо- и микропор.
В качестве катода применяются различные электролиты, водные растворы кислот, твердый диоксид марганца, проводящие полимеры.
Суперконденсаторы (ионисторы) также работают на молекулярном уровне. В них используется энергия двойного электрического слоя, возникающего при заряде ионистора и сосредоточенного на поверхности углеродного слоя, состоящего из нанопористого углерода и прилегающих молекул электролита.
Для работы с такими наноматериалами применяются специальные технологии получения нанопор или нанотуннелей, технологии пропитки таких нанопор различными электролитами.
Для реализации соответствующих технологий используется специальное технологическое оборудование, которое успешно работает на ОАО «Элеконд». Для контроля качества применяется специальное испытательное оборудование и приборы.
При проведении НИОКР и для контроля некоторых характеристик нано-материалов уже много лет используется аналитическая база Физико-технического института Уральского отделения РАН (Удмуртская Республика, г. Ижевск, директор В.И.Ладьянов).
В результате применения наноматериалов и нанотехнологий на ОАО «Элеконд» разработаны и внедрены в серийное производство ряд электролитических конденсаторов, по своим электрофизическим характеристикам не уступающих лучшим зарубежным образцам. В частности, разработан макет суперконденсатора (ионистора) на напряжение 2,3 вольта и емкостью 120 фарад и 3600 фарад. На базе ионисторов возможно создать модули на 14 и 28 вольт, аналогичных модулю фирмы Epcos, то есть аналог аккумуляторов.
 

Модуль из суперконденсаторов производства фирмы  Epcos, Германия и ионистор, разработанный ОАО «Элеконд», с аналогичными техническими характеристиками

Электролитические конденсаторы производства ОАО "Элеконд"

Перспективы применения нанотехнологий

В последние годы на ОАО «Элеконд» активно идет работа по реализации инновационных проектов, в том числе с применением наноматериалов и  имеющихся нанотехнологий.
В стадии начального этапа реализуется проект по разработке и освоению электролитических конденсаторов с полимерным проводящим катодом.
В России аналогов нет, а в мире этот сектор электролитических конденсаторов активно расширяется. Дело в том, что электролитические конденсаторы с полимерным катодом имеют на порядок меньше внутреннее сопротивление, соответственно эффективность работы таких конденсаторов выше.
Перспективным инновационным проектом, на наш взгляд, является разработка и производство суперконденсаторов (ионисторов). Применение суперконденсаторов и модулей на их основе очень широкое - от резервных источников питания до гибридного транспорта. На данном этапе с «РОСНАНО» идет работа по согласованию технико-экономического обоснования проекта.