Ionistorii sunt condensatori sau supercondensatori electrochimici cu strat dublu. Electrozii lor metalici sunt acoperiți cu cărbune activ foarte poros, fabricat în mod tradițional din coji de nucă de cocos, dar cel mai adesea din aerogel de carbon, alte nanotuburi de nanocarbon sau grafen. Între acești electrozi se află un separator poros care ține electrozii depărtați, atunci când înfășurați pe o spirală, toate acestea sunt impregnate cu electrolit. Unele forme inovatoare de ionistor au un electrolit solid. Aceștia înlocuiesc bateriile tradiționale în surse de alimentare neîntreruptibile până la camioane, unde folosesc un supraîncărcător ca sursă de energie.
Principiul de lucru
Ionistorul folosește acțiunea unui strat dublu format la interfața dintre cărbune și electrolit. Cărbunele activ este folosit ca electrod în formă solidă, iar electrolit în formă lichidă. Când aceste materiale sunt în contact unele cu altele, polii pozitivi și negativi sunt distribuiți unul față de celăl alt prindistanta foarte scurta. La aplicarea unui câmp electric, stratul dublu electric care se formează lângă suprafața carbonului din lichidul electrolitic este folosit ca structură principală.
Avantaj de proiectare:
- Oferă capacitate într-un dispozitiv mic, fără a fi nevoie de circuite speciale de încărcare pentru a controla în timpul descărcării în dispozitivele supraîncărcate.
- Reîncărcarea sau supra-descărcarea nu afectează negativ durata de viață a bateriei, ca în cazul bateriilor obișnuite.
- Tehnologia este extrem de „curată” din punct de vedere ecologic.
- Fără probleme cu contactele instabile, cum ar fi bateriile normale.
Defecte de design:
- Durata de funcționare este limitată din cauza utilizării electrolitului în dispozitivele care folosesc un supercondensator.
- Electrolitul se poate scurge dacă condensatorul nu este întreținut corespunzător.
- În comparație cu condensatoarele din aluminiu, acești condensatori au rezistențe mari și, prin urmare, nu pot fi utilizați în circuite de curent alternativ.
Folosind avantajele descrise mai sus, condensatoarele electrice sunt utilizate pe scară largă în aplicații precum:
- Rezervarea memoriei pentru cronometre, programe, alimentare e-mobile etc.
- Echipamente video și audio.
- Surse de rezervă la înlocuirea bateriilor pentru echipamente electronice portabile.
- Surse de alimentare pentru echipamente cu energie solară, cum ar fi ceasurile și indicatoarele.
- Demaroare pentru motoare mici și mobile.
reacții redox
Acumulatorul de încărcare este situat la interfața dintre electrod și electrolit. În timpul procesului de încărcare, electronii se deplasează de la electrodul negativ la electrodul pozitiv de-a lungul circuitului exterior. În timpul descărcării, electronii și ionii se mișcă în direcția opusă. Nu există transfer de încărcare într-un supercondensator EDLC. În acest tip de supercondensator, la electrod are loc o reacție redox, care generează sarcini și poartă sarcina prin straturile duble ale construcției, unde se folosește un ionistor.
Datorită reacției redox care are loc la acest tip, există un potențial pentru o densitate de putere mai mică decât EDLC, deoarece sistemele faradaice sunt mai lente decât sistemele nefaradaice. Ca regulă generală, pseudocondensatori oferă o capacitate specifică și o densitate de energie mai mare decât EDLC-urile datorită faptului că sunt din sistemul Faraday. Cu toate acestea, alegerea corectă a supercapacitorului depinde de aplicație și disponibilitate.
Materiale pe bază de grafen
Supercondensatorul se caracterizează prin capacitatea de a se încărca rapid, mult mai rapid decât o baterie tradițională, dar nu este capabil să stocheze atât de multă energie ca o baterie deoarece are o densitate de energie mai mică. Creșterea eficienței lor se realizează prin utilizarea grafenului și nanotuburilor de carbon. Aceștia vor ajuta în viitor ionistorii să înlocuiască complet bateriile electrochimice. Nanotehnologia de astăzi este sursa multorinovații, în special în e-mobile.
Grafenul crește capacitatea supercondensatoarelor. Acest material revoluționar este format din foi a căror grosime poate fi limitată de grosimea atomului de carbon și a căror structură atomică este ultradensă. Astfel de caracteristici pot înlocui siliciul în electronică. Un separator poros este plasat între doi electrozi. Cu toate acestea, variațiile în mecanismul de stocare și alegerea materialului electrodului conduc la clasificări diferite ale supercondensatorilor de mare capacitate:
- Condensatori electrochimici cu strat dublu (EDLC), care folosesc în principal electrozi de carbon cu conținut ridicat de carbon și își stochează energia prin adsorbția rapidă a ionilor la interfața electrod/electrolit.
- Psuedo-condensatorii se bazează pe procesul fagic de transfer de sarcină la sau în apropierea suprafeței electrodului. În acest caz, polimerii conductori și oxizii de metal tranzițional rămân materiale electrochimic active, cum ar fi cele găsite în ceasurile electronice care funcționează cu baterii.
Dispozitive polimerice flexibile
Supercondensatorul câștigă și stochează energie la o rată mare prin formarea de straturi duble de sarcină electrochimică sau prin reacții redox la suprafață, rezultând o densitate mare de putere cu stabilitate ciclică pe termen lung, cost scăzut și protecție a mediului. PDMS și PET sunt substraturile cele mai frecvent utilizate în implementarea supercondensatoarelor flexibile. În cazul filmului, PDMS poate crea flexibil șiIonistori transparenti cu peliculă subțire din ceasuri cu stabilitate ciclică ridicată după 10.000 de cicluri de flexibilitate.
Nanotuburile de carbon cu un singur perete pot fi încorporate în continuare în filmul PDMS pentru a îmbunătăți și mai mult stabilitatea mecanică, electronică și termică. În mod similar, materialele conductoare precum grafenul și CNT-urile sunt, de asemenea, acoperite cu folie PET pentru a obține atât flexibilitate ridicată, cât și conductivitate electrică. Pe lângă PDMS și PET, alte materiale polimerice atrag, de asemenea, un interes din ce în ce mai mare și sunt sintetizate prin diferite metode. De exemplu, iradierea laser pulsată localizată a fost folosită pentru a transforma rapid suprafața primară într-o structură de carbon poroasă conducătoare de electricitate, cu grafice specificate.
Polimerii naturali, cum ar fi fibrele de lemn și materialele nețesute din hârtie, pot fi, de asemenea, utilizați ca substraturi, care sunt flexibile și ușoare. CNT-ul este depus pe hârtie pentru a forma un electrod flexibil de hârtie CNT. Datorită flexibilității ridicate a substratului de hârtie și distribuției bune a CNT-urilor, capacitatea specifică și puterea și densitatea energiei se modifică cu mai puțin de 5% după îndoire timp de 100 de cicluri la o rază de îndoire de 4,5 mm. În plus, datorită rezistenței mecanice mai mari și stabilității chimice mai bune, hârtiile bacteriene din nanoceluloză sunt, de asemenea, folosite pentru a face supercondensatori flexibili, cum ar fi casetofonul Walkman.
Performanța supercapacitorului
Este definit în termeni deactivitatea electrochimică și proprietățile cinetice chimice și anume: cinetica electronilor și ionilor (transportul) în interiorul electrozilor și eficiența ratei de transfer a sarcinii către electrod/electrolit. Suprafața specifică, conductivitatea electrică, dimensiunea porilor și diferențele sunt importante pentru performanță ridicată atunci când se utilizează materiale de carbon pe bază de EDLC. Grafenul, cu o conductivitate electrică ridicată, suprafața mare și structura interstratului, este atractiv pentru utilizare în EDLC.
În cazul pseudocondensatorilor, deși oferă o capacitate superioară în comparație cu EDLC-urile, sunt încă limitate ca densitate de puterea scăzută a cipul CMOS. Acest lucru se datorează conductivității electrice slabe, care limitează mișcarea electronică rapidă. În plus, procesul redox care conduce procesul de încărcare/descărcare poate deteriora materialele electroactive. Conductivitatea electrică ridicată a grafenului și rezistența sa mecanică excelentă îl fac potrivit ca material în pseudocondensatori.
Studiile de adsorbție pe grafen au arătat că acesta apare în principal pe suprafața foilor de grafen cu acces la pori mari (adică structura interstratului este poroasă, permițând accesul ușor la ionii electroliți). Astfel, aglomerarea neporoasă a grafenului ar trebui evitată pentru o performanță mai bună. Performanța poate fi îmbunătățită în continuare prin modificarea suprafeței prin adăugare de grup funcțional, hibridizare cu polimeri conductivi electric și prin formarea compozitelor grafen/oxid.metal.
Comparație condensator
Supercapsele sunt ideale atunci când este necesară încărcarea rapidă pentru a satisface nevoile de energie pe termen scurt. Bateria hibridă satisface ambele nevoi și scade tensiunea pentru o viață mai lungă. Tabelul de mai jos arată compararea caracteristicilor și materialelor principale ale condensatoarelor.
| Condensator electric cu două straturi, denumire ionistor | Condensator electrolitic din aluminiu | Baterie Ni-cd | Baterie sigilată cu plumb | |
| Utilizați intervalul de temperatură | -25 până la 70°C | -55 până la 125 °C | -20 până la 60 °C | -40 până la 60 °C |
| Electrozi | Carbon activat | Aluminiu | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Lichid electrolitic | Solvent organic | Solvent organic | KOH |
H2SO4 |
| Metoda forței electromotoare | Utilizarea efectului natural de strat dublu electric ca dielectric | Folosirea oxidului de aluminiu ca dielectric | Folosirea unei reacții chimice | Folosirea unei reacții chimice |
| Poluare | Nu | Nu | CD | Pb |
| Numărul de cicluri de încărcare/descărcare | > de 100.000 de ori | > de 100.000 de ori | 500 ori | 200 până la 1000 de ori |
| Capacitate per unitate de volum | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Caracteristică de încărcare
Timp de încărcare 1-10 secunde. Încărcarea inițială poate fi finalizată foarte rapid, iar încărcarea maximă va dura mai mult timp. Ar trebui să se țină cont de limitarea curentului de pornire la încărcarea unui supercondensator gol, deoarece va consuma cât mai mult posibil. Supercondensatorul nu este reîncărcabil și nu necesită detectarea încărcării complete, curentul pur și simplu încetează să curgă când este plin. Comparație de performanță între compresorul pentru mașină și Li-ion.
| Funcție | Ionistor | Li-Ion (general) |
| Timp de încărcare | 1-10 secunde | 10-60 de minute |
| Ciclul de viață al ceasului | 1 milion sau 30.000 | 500 și mai mult |
| Tensiune | De la 2, 3 la 2, 75B | 3, 6 B |
| Energie specifică (W/kg) | 5 (tipic) | 120-240 |
| Putere specifică (W/kg) | Până la 10000 | 1000-3000 |
| Cost pe kWh | $10.000 | 250-1.000 $ |
| Toată viață | 10-15 ani | 5 până la 10 ani |
| Temperatura de încărcare | -40 până la 65°C | 0 până la 45 °C |
| Temperatura de descărcare | -40 până la 65°C | -20 până la 60°C |
Beneficiile dispozitivelor de încărcare
Vehiculele au nevoie de un plus de energie pentru a accelera și aici intervin supraalimentatoarele. Au o limită a încărcării totale, dar sunt capabile să o transfere foarte repede, făcându-le baterii ideale. Avantajele lor față de bateriile tradiționale:
- Impedanța scăzută (ESR) crește curentul de supratensiune și sarcina atunci când este conectat în paralel cu bateria.
- Cic foarte mare - descărcarea durează de la milisecunde la minute.
- Scădere de tensiune în comparație cu dispozitivul alimentat cu baterie fără supercondensator.
- Eficiență ridicată la 97-98%, iar eficiența DC-DC în ambele direcții este de 80%-95% în majoritatea aplicațiilor, cum ar fivideo recorder cu ionistori.
- La un vehicul electric hibrid, eficiența unui sens giratoriu este cu 10% mai mare decât cea a unei baterii.
- Funcționează bine într-un interval de temperatură foarte larg, de obicei de la -40 C la +70 C, dar poate fi de la -50 C la +85 C, versiuni speciale disponibile până la 125 C.
- Cantitate mică de căldură generată în timpul încărcării și descărcării.
- Ciclu de viață lung cu fiabilitate ridicată, reducând costurile de întreținere.
- Ușoară degradare pe parcursul a sute de mii de cicluri și care durează până la 20 de milioane de cicluri.
- Nu pierd mai mult de 20% din capacitatea lor după 10 ani și au o durată de viață de 20 de ani sau mai mult.
- Rezistent la uzură.
- Nu afectează descărcările profunde, cum ar fi bateriile.
- Siguranță sporită în comparație cu bateriile - fără pericol de supraîncărcare sau explozie.
- Nu conține materiale periculoase de eliminat la sfârșitul duratei de viață, spre deosebire de multe baterii.
- Conformă cu standardele de mediu, deci nu există o eliminare sau reciclare complicată.
Tehnologia de reținere
Supercondensatorul este format din două straturi de grafen cu un strat de electrolit în mijloc. Filmul este puternic, extrem de subțire și capabil să elibereze o cantitate mare de energie într-un timp scurt, dar, cu toate acestea, există anumite probleme nerezolvate care împiedică progresul tehnologic în această direcție. Dezavantajele supercapacitorului față de bateriile reîncărcabile:
- Densitate scăzută de energie - de obiceiia de la 1/5 la 1/10 din energia unei baterii electrochimice.
- Descărcare de linie - neutilizarea întregului spectru de energie, în funcție de aplicație, nu toată energia este disponibilă.
- Ca și în cazul bateriilor, celulele sunt de joasă tensiune, sunt necesare conexiuni seriale și echilibrarea tensiunii.
- Autodescărcarea este adesea mai mare decât bateriile.
- Tensiunea variază în funcție de energia stocată - stocarea și recuperarea eficientă a energiei necesită echipamente electronice sofisticate de control și comutare.
- Are cea mai mare absorbție dielectrică dintre toate tipurile de condensatoare.
- Temperatura superioară de utilizare este de obicei de 70 C sau mai puțin și rareori depășește 85 C.
- Majoritatea conțin un electrolit lichid care reduce dimensiunea necesară pentru a preveni descărcarea rapidă accidentală.
- Cost ridicat al energiei electrice pe watt.
Stocare hibridă
Designul special și tehnologia integrată a electronicii de putere au fost dezvoltate pentru a produce module de condensatoare cu structură nouă. Deoarece modulele lor trebuie să fie fabricate folosind tehnologii noi, acestea pot fi integrate în panourile caroseriei mașinii, cum ar fi plafonul, ușile și capacul portbagajului. În plus, au fost inventate noi tehnologii de echilibrare a energiei care reduc pierderile de energie și dimensiunea circuitelor de echilibrare a energiei în sistemele de stocare a energiei și dispozitive.
De asemenea, au fost dezvoltate o serie de tehnologii conexe, cum ar fi controlul încărcării șidescărcare, precum și conexiuni la alte sisteme de stocare a energiei. Un modul supercondensator cu o capacitate nominală de 150F, o tensiune nominală de 50V poate fi plasat pe suprafețe plane și curbate cu o suprafață de 0,5 metri pătrați. m și 4 cm grosime. Aplicații aplicabile vehiculelor electrice și pot fi integrate cu diferite părți ale vehiculului și alte cazuri în care sunt necesare sisteme de stocare a energiei.
Aplicații și perspective
În SUA, Rusia și China există autobuze fără baterii de tracțiune, toată munca este realizată de ionistori. General Electric a dezvoltat o camionetă cu un supercondensator pentru a înlocui bateria, similar cu ceea ce s-a întâmplat cu unele rachete, jucării și unelte electrice. Testele au arătat că supercondensatorii depășesc bateriile cu plumb-acid din turbinele eoliene, ceea ce a fost obținut fără ca densitatea de energie a supercondensatorilor să se apropie de cea a bateriilor cu plumb-acid.
Acum este clar că supercondensatorii vor îngropa bateriile plumb-acid în următorii câțiva ani, dar aceasta este doar o parte a poveștii, deoarece se îmbunătățesc mai repede decât concurența. Furnizori precum Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments și Skeleton Technologies au spus că depășesc densitatea de energie a bateriilor plumb-acid cu supercondensatorii și superbacteriașii lor, dintre care unele se potrivesc teoretic cu densitatea energetică a ionilor de litiu.
Cu toate acestea, ionistorul dintr-un vehicul electric este unul dintre aspectele electronicii și ingineriei electrice careignorat de presă, investitori, potențiali furnizori și mulți oameni care trăiesc cu tehnologia veche, în ciuda creșterii rapide a pieței de mai multe miliarde de dolari. De exemplu, pentru vehiculele terestre, pe apă și aeriene, există aproximativ 200 de producători importanți de motoare de tracțiune și 110 furnizori majori de baterii de tracțiune, comparativ cu câțiva producători de supercondensatori. În general, nu există mai mult de 66 de mari producători de ionistori în lume, dintre care majoritatea și-au concentrat producția pe modele mai ușoare pentru electronice de larg consum.
