Ionistor to dwuwarstwowe kondensatory elektrochemiczne lub superkondensatory. Ich metalowe elektrody są pokryte wysoce porowatym węglem aktywnym, tradycyjnie wytwarzanym z łupin orzecha kokosowego, ale najczęściej z aerożelu węglowego, innych nanorurek nanowęglowych lub grafenowych. Pomiędzy tymi elektrodami znajduje się porowaty separator, który oddziela elektrody, gdy są nawinięte na spiralę, wszystko to jest impregnowane elektrolitem. Niektóre innowacyjne formy jonizatora mają stały elektrolit. Zastępują tradycyjne akumulatory w zasilaczach bezprzerwowych do ciężarówek, w których jako źródło zasilania wykorzystuje się doładowanie.
Zasada działania
Jonistor wykorzystuje działanie podwójnej warstwy utworzonej na granicy między węglem a elektrolitem. Węgiel aktywny jest używany jako elektroda w postaci stałej, a elektrolit w postaci płynnej. Gdy te materiały stykają się ze sobą, bieguny dodatni i ujemny są rozłożone względem siebie przezbardzo krótki dystans. Podczas przykładania pola elektrycznego, jako główna struktura używana jest podwójna warstwa elektryczna, która tworzy się w pobliżu powierzchni węgla w cieczy elektrolitycznej.
Zaleta projektu:
- Zapewnia pojemność w małym urządzeniu, nie ma potrzeby stosowania specjalnych obwodów ładowania do kontroli podczas rozładowywania w urządzeniach z doładowaniem.
- Ponowne ładowanie lub nadmierne rozładowanie nie wpływa negatywnie na żywotność baterii, tak jak w przypadku typowych baterii.
- Technologia jest niezwykle „czysta” pod względem ekologicznym.
- Żadnych problemów z niestabilnymi stykami, takimi jak normalne baterie.
Wady projektowe:
- Czas działania jest ograniczony ze względu na stosowanie elektrolitu w urządzeniach wykorzystujących superkondensator.
- Elektrolit może wyciekać, jeśli kondensator nie jest odpowiednio konserwowany.
- W porównaniu do kondensatorów aluminiowych, te kondensatory mają wysoką rezystancję i dlatego nie mogą być używane w obwodach prądu przemiennego.
Korzystając z opisanych powyżej zalet, kondensatory elektryczne są szeroko stosowane w aplikacjach takich jak:
- Rezerwowanie pamięci dla timerów, programów, zasilania e-mobile itp.
- Sprzęt wideo i audio.
- Źródła zapasowe podczas wymiany baterii w przenośnym sprzęcie elektronicznym.
- Zasilacze do urządzeń zasilanych energią słoneczną, takich jak zegary i wskaźniki.
- Startery dla małych i mobilnych silników.
Reakcje redoks
Akumulator ładunku znajduje się na styku elektrody i elektrolitu. Podczas procesu ładowania elektrony przemieszczają się od elektrody ujemnej do elektrody dodatniej wzdłuż obwodu zewnętrznego. Podczas wyładowania elektrony i jony poruszają się w przeciwnym kierunku. W superkondensatorze EDLC nie ma transferu ładunku. W tego typu superkondensatorach na elektrodzie zachodzi reakcja redoks, która generuje ładunek i przenosi ładunek przez podwójne warstwy konstrukcji, w której zastosowano jonizator.
Ze względu na reakcję redoks zachodzącą w tym typie, istnieje możliwość niższej gęstości mocy niż EDLC, ponieważ systemy Faradaic są wolniejsze niż systemy niefaradaiczne. Zasadniczo pseudokondensatory zapewniają wyższą pojemność właściwą i gęstość energii niż kondensatory EDLC, ponieważ są to układ Faradaya. Jednak właściwy wybór superkondensatora zależy od zastosowania i dostępności.
Materiały na bazie grafenu
Superkondensator charakteryzuje się zdolnością do szybkiego ładowania, znacznie szybciej niż tradycyjna bateria, ale nie jest w stanie zmagazynować tak dużej ilości energii jak bateria, ponieważ ma mniejszą gęstość energii. Ich wzrost wydajności uzyskuje się dzięki zastosowaniu grafenu i nanorurek węglowych. Pomogą w przyszłości jonizatorom całkowicie zastąpić baterie elektrochemiczne. Dzisiejsza nanotechnologia jest źródłem wieluinnowacje, zwłaszcza w e-mobile.
Grafen zwiększa pojemność superkondensatorów. Ten rewolucyjny materiał składa się z arkuszy, których grubość może być ograniczona grubością atomu węgla i których struktura atomowa jest bardzo gęsta. Takie właściwości mogą zastąpić krzem w elektronice. Między dwiema elektrodami umieszczony jest porowaty separator. Jednak różnice w mechanizmie przechowywania i doborze materiału elektrody prowadzą do różnych klasyfikacji superkondensatorów o dużej pojemności:
- Elektrochemiczne kondensatory dwuwarstwowe (EDLC), które w większości wykorzystują wysokowęglowe elektrody i przechowują swoją energię poprzez szybką adsorbcję jonów na styku elektroda/elektrolit.
- Psuedokondensatory są oparte na fagicznym procesie przenoszenia ładunku na lub w pobliżu powierzchni elektrody. W tym przypadku przewodzące polimery i tlenki metali przejściowych pozostają materiałami elektrochemicznie aktywnymi, takimi jak te znajdujące się w zegarkach elektronicznych zasilanych bateriami.
Elastyczne urządzenia polimerowe
Superkondensator uzyskuje i magazynuje energię z dużą szybkością, tworząc podwójne warstwy ładunku elektrochemicznego lub poprzez powierzchniowe reakcje redoks, co skutkuje wysoką gęstością mocy przy długoterminowej stabilności cyklicznej, niskimi kosztami i ochroną środowiska. PDMS i PET to najpowszechniej stosowane podłoża przy wdrażaniu elastycznych superkondensatorów. W przypadku folii PDMS może tworzyć elastyczne iprzezroczyste jonizatory cienkowarstwowe w zegarkach o wysokiej stabilności cyklicznej po 10 000 cykli flex.
Jednościenne nanorurki węglowe można dodatkowo włączyć do folii PDMS w celu dalszej poprawy stabilności mechanicznej, elektronicznej i termicznej. Podobnie materiały przewodzące, takie jak grafen i CNT, są również powlekane folią PET, aby osiągnąć zarówno wysoką elastyczność, jak i przewodność elektryczną. Oprócz PDMS i PET coraz większe zainteresowanie wzbudzają również inne materiały polimerowe, które są syntetyzowane różnymi metodami. Na przykład, lokalne, impulsowe napromienianie laserem zostało wykorzystane do szybkiego przekształcenia pierwotnej powierzchni w elektrycznie przewodzącą porowatą strukturę węglową o określonej grafice.
Naturalne polimery, takie jak włókna drzewne i włókniny papierowe, mogą być również używane jako podłoża, które są elastyczne i lekkie. CNT osadza się na papierze, tworząc elastyczną elektrodę papierową CNT. Ze względu na dużą elastyczność podłoża papierowego i dobre rozmieszczenie CNT, pojemność właściwa oraz gęstość mocy i energii zmieniają się o mniej niż 5% po zginaniu przez 100 cykli przy promieniu gięcia 4,5 mm. Ponadto, ze względu na wyższą wytrzymałość mechaniczną i lepszą stabilność chemiczną, bakteryjne papiery nanocelulozowe są również wykorzystywane do wytwarzania elastycznych superkondensatorów, takich jak odtwarzacz kasetowy typu walkman.
Wydajność superkondensatora
Jest to zdefiniowane w kategoriachaktywność elektrochemiczna i chemiczne właściwości kinetyczne, a mianowicie: kinetyka elektronów i jonów (transport) wewnątrz elektrod oraz efektywność szybkości przenoszenia ładunku do elektrody/elektrolitu. Powierzchnia właściwa, przewodność elektryczna, wielkość porów i różnice są ważne dla uzyskania wysokiej wydajności przy stosowaniu materiałów węglowych na bazie EDLC. Grafen, dzięki swojej wysokiej przewodności elektrycznej, dużej powierzchni i strukturze międzywarstwowej, jest atrakcyjny do stosowania w EDLC.
W przypadku pseudokondensatorów, chociaż zapewniają one lepszą pojemność w porównaniu do EDLC, ich gęstość jest nadal ograniczona przez niską moc układu CMOS. Wynika to ze słabej przewodności elektrycznej, która ogranicza szybki ruch elektronów. Ponadto proces redoks, który napędza proces ładowania/rozładowania, może uszkodzić materiały elektroaktywne. Wysoka przewodność elektryczna grafenu i jego doskonała wytrzymałość mechaniczna sprawiają, że nadaje się on jako materiał w pseudokondensatorach.
Badania adsorpcji na grafenie wykazały, że występuje on głównie na powierzchni arkuszy grafenowych z dostępem do dużych porów (tj. struktura międzywarstw jest porowata, umożliwiając łatwy dostęp do jonów elektrolitu). Dlatego należy unikać aglomeracji nieporowatego grafenu, aby uzyskać lepszą wydajność. Wydajność można dodatkowo poprawić poprzez modyfikację powierzchni przez dodanie grup funkcyjnych, hybrydyzację z polimerami przewodzącymi prąd elektryczny oraz przez tworzenie kompozytów grafen/tlenkimetal.
Porównanie kondensatorów
Supercaps są idealne, gdy wymagane jest szybkie ładowanie w celu zaspokojenia krótkoterminowego zapotrzebowania na energię. Akumulator hybrydowy spełnia oba wymagania i obniża napięcie, zapewniając dłuższą żywotność. Poniższa tabela przedstawia porównanie charakterystyk i głównych materiałów stosowanych w kondensatorach.
| Elektryczny kondensator dwuwarstwowy, oznaczenie jonizatora | Aluminiowy kondensator elektrolityczny | Bateria Ni-cd | Akumulator ołowiowy | |
| Użyj zakresu temperatur | -25 do 70°C | -55 do 125 °C | -20 do 60 °C | -40 do 60 °C |
| Elektrody | Węgiel aktywny | Aluminium | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Płyn elektrolityczny | Rozpuszczalnik organiczny | Rozpuszczalnik organiczny | KOH |
H2SO4 |
| Metoda siły elektromotorycznej | Wykorzystywanie naturalnego efektu podwójnej warstwy elektrycznej jako dielektryka | Wykorzystywanie tlenku glinu jako dielektryka | Korzystanie z reakcji chemicznej | Korzystanie z reakcji chemicznej |
| Zanieczyszczenie | Nie | Nie | CD | Pb |
| Liczba cykli ładowania/rozładowania | > 100 000 razy | > 100 000 razy | 500 razy | 200 do 1000 razy |
| Pojemność na jednostkę objętości | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Charakterystyka ładowania
Czas ładowania 1-10 sekund. Pierwsze ładowanie można zakończyć bardzo szybko, a ładowanie szczytowe zajmie dodatkowy czas. Należy zwrócić uwagę na ograniczenie prądu rozruchowego podczas ładowania pustego superkondensatora, ponieważ będzie on pobierał jak najwięcej. Superkondensator nie jest ładowalny i nie wymaga wykrywania pełnego naładowania, prąd po prostu przestaje płynąć, gdy jest pełny. Porównanie wydajności między sprężarką do samochodu a Li-ion.
| Funkcja | Ionistor | Li-Ion (ogólne) |
| Czas ładowania | 1-10 sekund | 10-60 minut |
| Cykl życia zegarka | 1 milion lub 30 000 | 500 i więcej |
| Napięcie | Od 2, 3 do 2, 75B | 3, 6 B |
| Energia właściwa (W/kg) | 5 (typowy) | 120-240 |
| Moc właściwa (W/kg) | Do 10000 | 1000-3000 |
| Koszt za kWh | 10 000 $ | 250-1000 $ |
| Czas życia | 10-15 lat | 5 do 10 lat |
| Temperatura ładowania | -40 do 65°C | 0 do 45 °C |
| Temperatura tłoczenia | -40 do 65°C | -20 do 60°C |
Zalety urządzeń ładujących
Pojazdy potrzebują dodatkowego zastrzyku energii, aby przyspieszyć, i tu właśnie pojawiają się supersprężarki. Mają limit całkowitego naładowania, ale są w stanie bardzo szybko go przenieść, co czyni je idealnymi bateriami. Ich przewaga nad tradycyjnymi bateriami:
- Niska impedancja (ESR) zwiększa prąd udarowy i obciążenie przy połączeniu równoległym z akumulatorem.
- Bardzo wysoki cykl - rozładowanie trwa od milisekund do minut.
- Spadek napięcia w porównaniu do urządzenia zasilanego bateryjnie bez superkondensatora.
- Wysoka wydajność na poziomie 97-98%, a wydajność DC-DC w obu kierunkach wynosi 80%-95% w większości zastosowań, takich jakmagnetowid z jonizatorami.
- W hybrydowym pojeździe elektrycznym wydajność ronda jest o 10% większa niż w przypadku akumulatora.
- Działa dobrze w bardzo szerokim zakresie temperatur, zwykle od -40 C do +70 C, ale może wynosić od -50 C do +85 C, dostępne są wersje specjalne do 125 C.
- Mała ilość ciepła generowanego podczas ładowania i rozładowywania.
- Długa żywotność z wysoką niezawodnością, redukująca koszty konserwacji.
- Niewielka degradacja w ciągu setek tysięcy cykli i trwająca do 20 milionów cykli.
- Tracą nie więcej niż 20% swojej pojemności po 10 latach, a ich żywotność wynosi 20 lat lub więcej.
- Odporny na zużycie.
- Nie wpływa na głębokie rozładowania, takie jak baterie.
- Większe bezpieczeństwo w porównaniu z bateriami - brak niebezpieczeństwa przeładowania lub wybuchu.
- W przeciwieństwie do wielu baterii, nie zawiera żadnych niebezpiecznych materiałów, które należy wyrzucić po zakończeniu eksploatacji.
- Zgodne z normami ochrony środowiska, więc nie ma skomplikowanej utylizacji ani recyklingu.
Technologia przytrzymująca
Superkondensator składa się z dwóch warstw grafenu z warstwą elektrolitu pośrodku. Film jest mocny, niezwykle cienki i zdolny do uwolnienia dużej ilości energii w krótkim czasie, niemniej jednak istnieją pewne nierozwiązane problemy, które hamują postęp technologiczny w tym kierunku. Wady superkondensatora w porównaniu z akumulatorami:
- Niska gęstość energii - zwyklepobiera od 1/5 do 1/10 energii baterii elektrochemicznej.
- Wyładowanie liniowe - brak wykorzystania pełnego spektrum energii, w zależności od zastosowania, nie cała energia jest dostępna.
- Podobnie jak w przypadku akumulatorów, ogniwa są niskonapięciowe, wymagane są połączenia szeregowe i równoważenie napięcia.
- Samozaładowanie jest często wyższe niż w przypadku akumulatorów.
- Napięcie różni się w zależności od zmagazynowanej energii - wydajne przechowywanie i odzyskiwanie energii wymaga zaawansowanego elektronicznego sprzętu sterującego i przełączającego.
- Ma najwyższą absorpcję dielektryczną spośród wszystkich typów kondensatorów.
- Górna temperatura użytkowania wynosi zwykle 70 C lub mniej i rzadko przekracza 85 C.
- Większość zawiera płynny elektrolit, który zmniejsza rozmiar niezbędny do zapobiegania przypadkowemu szybkiemu rozładowaniu.
- Wysoki koszt energii elektrycznej na wat.
Hybrydowa pamięć masowa
Specjalny projekt i wbudowana technologia elektroniki mocy zostały opracowane w celu produkcji modułów kondensatorów o nowej strukturze. Ponieważ ich moduły muszą być produkowane przy użyciu nowych technologii, można je zintegrować z panelami karoserii, takimi jak dach, drzwi i pokrywa bagażnika. Ponadto wynaleziono nowe technologie bilansowania energii, które zmniejszają straty energii i wielkość obwodów bilansowania energii w systemach magazynowania energii i urządzeń.
Opracowano również szereg powiązanych technologii, takich jak kontrola ładowania irozładowywanie, a także połączenia z innymi systemami magazynowania energii. Moduł superkondensatora o pojemności znamionowej 150F, o napięciu znamionowym 50V można umieścić na płaskich i zakrzywionych powierzchniach o powierzchni 0,5 metra kwadratowego. m i 4 cm grubości. Zastosowania mające zastosowanie do pojazdów elektrycznych i mogą być zintegrowane z różnymi częściami pojazdu i innymi przypadkami, w których wymagane są systemy magazynowania energii.
Zastosowanie i perspektywy
W USA, Rosji i Chinach jeżdżą autobusy bez baterii trakcyjnych, cała praca jest wykonywana przez jonizatory. General Electric opracował pickupa z superkondensatorem do wymiany akumulatora, podobnie jak w przypadku niektórych rakiet, zabawek i elektronarzędzi. Testy wykazały, że superkondensatory przewyższają akumulatory kwasowo-ołowiowe w turbinach wiatrowych, co osiągnięto bez gęstości energii superkondensatora zbliżonej do gęstości akumulatorów kwasowo-ołowiowych.
Jest teraz jasne, że superkondensatory zagrzebią akumulatory kwasowo-ołowiowe w ciągu najbliższych kilku lat, ale to tylko część historii, ponieważ ich rozwój jest szybszy niż u konkurencji. Dostawcy, tacy jak Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments i Skeleton Technologies, powiedzieli, że dzięki superkondensatorom i superbakterom przekraczają gęstość energii akumulatorów kwasowo-ołowiowych, z których niektóre teoretycznie odpowiadają gęstości energii jonów litu.
Jednakże jonizator w pojeździe elektrycznym jest jednym z aspektów elektroniki i elektrotechniki, któreignorowane przez prasę, inwestorów, potencjalnych dostawców i wiele osób żyjących ze starą technologią, pomimo szybkiego wzrostu wielomiliardowego rynku. Na przykład w przypadku pojazdów lądowych, wodnych i powietrznych istnieje około 200 głównych producentów silników trakcyjnych i 110 głównych dostawców akumulatorów trakcyjnych w porównaniu z kilkoma producentami superkondensatorów. Ogólnie rzecz biorąc, na świecie istnieje nie więcej niż 66 dużych producentów jonizatorów, z których większość skoncentrowała swoją produkcję na lżejszych modelach elektroniki użytkowej.
