Ionistor su dvoslojni elektrokemijski kondenzatori ili superkondenzatori. Njihove metalne elektrode obložene su visoko poroznim aktivnim ugljenom, tradicionalno izrađenim od kokosovih ljuski, ali najčešće od ugljičnog aerogela, drugih nanougljičnih ili grafenskih nanocijevi. Između ovih elektroda je porozni separator koji drži elektrode odvojene, kada se namotaju na spiralu, sve je to impregnirano elektrolitom. Neki inovativni oblici ionistora imaju čvrsti elektrolit. Oni zamjenjuju tradicionalne baterije u neprekidnim izvorima napajanja do kamiona, gdje koriste kompresor kao izvor energije.
Princip rada
Ionistor koristi djelovanje dvostrukog sloja nastalog na granici između ugljena i elektrolita. Aktivni ugljen se koristi kao elektroda u krutom obliku, a elektrolit u tekućem obliku. Kada su ti materijali u kontaktu jedan s drugim, pozitivni i negativni pol se međusobno raspoređujuvrlo kratka udaljenost. Prilikom primjene električnog polja, električni dvostruki sloj koji se formira blizu površine ugljika u elektrolitičkoj tekućini koristi se kao glavna struktura.
prednost dizajna:
- Pruža kapacitet u malom uređaju, nema potrebe za posebnim krugovima punjenja za kontrolu tijekom pražnjenja u uređajima s superpunjačem.
- Punjenje ili prekomjerno pražnjenje ne utječu negativno na vijek trajanja baterije kao kod tipičnih baterija.
- Tehnologija je izuzetno "čista" u smislu ekologije.
- Nema problema s nestabilnim kontaktima poput normalnih baterija.
Nedostaci dizajna:
- Trajanje rada je ograničeno zbog upotrebe elektrolita u uređajima koji koriste superkondenzator.
- Elektrolit može iscuriti ako kondenzator nije pravilno održavan.
- U usporedbi s aluminijskim kondenzatorima, ovi kondenzatori imaju velike otpore i stoga se ne mogu koristiti u AC krugovima.
Koristeći gore opisane prednosti, električni kondenzatori se široko koriste u aplikacijama kao što su:
- Rezerviranje memorije za mjerače vremena, programe, napajanje e-mobilnog uređaja, itd.
- Video i audio oprema.
- Pričuvni izvori prilikom zamjene baterija za prijenosnu elektroničku opremu.
- Napajanje za opremu na solarnu energiju kao što su satovi i indikatori.
- Starteri za male i mobilne motore.
Redoks reakcije
Akumulator naboja nalazi se na sučelju između elektrode i elektrolita. Tijekom procesa punjenja, elektroni se kreću od negativne elektrode do pozitivne elektrode duž vanjskog kruga. Tijekom pražnjenja, elektroni i ioni kreću se u suprotnom smjeru. Nema prijenosa naboja u EDLC superkondenzatoru. U ovoj vrsti superkondenzatora, redoks reakcija se događa na elektrodi, koja stvara naboje i prenosi naboj kroz dvostruke slojeve konstrukcije, gdje se koristi ionistor.
Zbog redoks reakcije koja se javlja u ovom tipu, postoji potencijal za nižu gustoću snage od EDLC jer su Faradaic sustavi sporiji od nefaradaic sustava. Kao opće pravilo, pseudokapaktori daju veći specifični kapacitet i gustoću energije od EDLC-a zbog činjenice da su faradayevskog sustava. Međutim, ispravan izbor superkondenzatora ovisi o primjeni i dostupnosti.
materijali na bazi grafena
Superkondenzator karakterizira sposobnost brzog punjenja, puno brže od tradicionalne baterije, ali nije u stanju pohraniti toliko energije kao baterija jer ima manju gustoću energije. Njihovo povećanje učinkovitosti postiže se korištenjem grafena i ugljikovih nanocijevi. Oni će u budućnosti pomoći ionistima da u potpunosti zamjene elektrokemijske baterije. Nanotehnologija je danas izvor mnogihinovacije, posebno u e-mobilima.
Grafen povećava kapacitet superkondenzatora. Ovaj revolucionarni materijal sastoji se od listova čija se debljina može ograničiti debljinom atoma ugljika i čija je atomska struktura ultra gusta. Takve karakteristike mogu zamijeniti silicij u elektronici. Između dvije elektrode postavljen je porozni separator. Međutim, varijacije u mehanizmu skladištenja i odabiru materijala elektrode dovode do različitih klasifikacija superkondenzatora velikog kapaciteta:
- Elektrokemijski dvoslojni kondenzatori (EDLC), koji uglavnom koriste ugljične elektrode s visokim udjelom ugljika i pohranjuju svoju energiju brzom adsorpcijom iona na sučelju elektroda/elektrolit.
- Psuedo-kondenzatori se temelje na fagičkom procesu prijenosa naboja na ili blizu površine elektrode. U ovom slučaju, vodljivi polimeri i oksidi prijelaznih metala ostaju elektrokemijski aktivni materijali, poput onih u elektroničkim satovima na baterije.
Fleksibilni polimerni uređaji
Superkondenzator dobiva i pohranjuje energiju velikom brzinom formiranjem dvostrukih slojeva elektrokemijskog naboja ili površinskim redoks reakcijama, što rezultira velikom gustoćom snage s dugotrajnom cikličkom stabilnošću, niskom cijenom i zaštitom okoliša. PDMS i PET su najčešće korišteni supstrati u implementaciji fleksibilnih superkondenzatora. U slučaju filma, PDMS može stvoriti fleksibilne iprozirni tankoslojni ionisti u satovima s visokom cikličkom stabilnošću nakon 10 000 ciklusa savijanja.
Ugljične nanocijevi s jednom stijenkom mogu se dodatno ugraditi u PDMS film kako bi se dodatno poboljšala mehanička, elektronička i toplinska stabilnost. Slično, vodljivi materijali poput grafena i CNT-a također su obloženi PET filmom kako bi se postigla visoka fleksibilnost i električna vodljivost. Osim PDMS-a i PET-a, sve veći interes izazivaju i drugi polimerni materijali koji se sintetiziraju različitim metodama. Na primjer, lokalizirano pulsno lasersko zračenje korišteno je za brzu transformaciju primarne površine u električno vodljivu poroznu ugljičnu strukturu sa specificiranom grafikom.
Prirodni polimeri kao što su drvena vlakna i netkani papir također se mogu koristiti kao podloge, koje su fleksibilne i lagane. CNT se taloži na papir kako bi se formirala fleksibilna CNT papirna elektroda. Zbog velike fleksibilnosti papirne podloge i dobre raspodjele CNT-a, specifični kapacitet i snaga i gustoća energije mijenjaju se za manje od 5% nakon savijanja tijekom 100 ciklusa pri radijusu savijanja od 4,5 mm. Osim toga, zbog veće mehaničke čvrstoće i bolje kemijske stabilnosti, bakterijski nanocelulozni papir se također koristi za izradu fleksibilnih superkondenzatora kao što je walkman kasetofon.
izvedba superkondenzatora
Definirano je u smisluelektrokemijska aktivnost i kemijska kinetička svojstva, i to: kinetika elektrona i iona (transport) unutar elektroda i učinkovitost brzine prijenosa naboja na elektrodu/elektrolit. Specifična površina, električna vodljivost, veličina pora i razlike važni su za visoke performanse kada se koriste ugljični materijali na bazi EDLC. Grafen je sa svojom visokom električnom vodljivošću, velikom površinom i međuslojnom strukturom privlačan za upotrebu u EDLC-u.
U slučaju pseudokondenzatora, iako pružaju superiorni kapacitet u usporedbi s EDLC-ovima, gustoća im je i dalje ograničena malom snagom CMOS čipa. To je zbog slabe električne vodljivosti, koja ograničava brzo elektroničko kretanje. Osim toga, redoks proces koji pokreće proces punjenja/pražnjenja može oštetiti elektroaktivne materijale. Visoka električna vodljivost grafena i njegova izvrsna mehanička čvrstoća čine ga prikladnim kao materijal u pseudokondenzatorima.
Studije adsorpcije na grafenu pokazale su da se ona javlja uglavnom na površini grafenskih listova s pristupom velikim porama (tj. struktura međusloja je porozna, što omogućuje lak pristup ionima elektrolita). Stoga treba izbjegavati aglomeraciju neporoznog grafena radi boljih performansi. Izvedba se može dodatno poboljšati modifikacijom površine dodavanjem funkcionalne skupine, hibridizacijom s električno vodljivim polimerima i stvaranjem kompozita grafena/oksidametal.
Usporedba kondenzatora
Supercapsi su idealni kada je potrebno brzo punjenje kako bi se zadovoljile kratkoročne potrebe napajanja. Hibridna baterija zadovoljava obje potrebe i snižava napon za dulji vijek trajanja. Donja tablica prikazuje usporedbu karakteristika i glavnih materijala u kondenzatorima.
| Električni dvoslojni kondenzator, oznaka ionistora | Aluminijski elektrolitički kondenzator | Ni-cd baterija | Olovna zapečaćena baterija | |
| Koristite temperaturni raspon | -25 do 70°C | -55 do 125 °C | -20 do 60 °C | -40 do 60 °C |
| Elektrode | Aktivni ugljen | aluminij | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Elektrolitička tekućina | Organsko otapalo | Organsko otapalo | KOH |
H2SO4 |
| Metoda elektromotorne sile | Upotreba prirodnog električnog efekta dvostrukog sloja kao dielektrika | Upotreba aluminijevog oksida kao dielektrika | Upotreba kemijske reakcije | Upotreba kemijske reakcije |
| Zagađenje | Ne | Ne | CD | Pb |
| Broj ciklusa punjenja/pražnjenja | > 100.000 puta | > 100.000 puta | 500 puta | 200 do 1000 puta |
| Kapacitet po jedinici volumena | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Karakteristika naplate
Vrijeme punjenja 1-10 sekundi. Početno punjenje može se završiti vrlo brzo, a gornje punjenje zahtijeva dodatno vrijeme. Pri punjenju praznog superkondenzatora potrebno je uzeti u obzir ograničenje udarne struje, jer će povući što je više moguće. Superkondenzator se ne može puniti i ne zahtijeva detekciju potpunog napunjenosti, struja jednostavno prestaje teći kada je puna. Usporedba performansi između kompresora za automobil i Li-ion.
| Funkcija | Ionistor | Li-Ion (općenito) |
| Vrijeme punjenja | 1-10 sekundi | 10-60 minuta |
| Pogledajte životni ciklus | 1 milijun ili 30.000 | 500 i više |
| Napon | Od 2, 3 do 2, 75B | 3, 6 B |
| Specifična energija (W/kg) | 5 (tipično) | 120-240 |
| Specifična snaga (W/kg) | Do 10000 | 1000-3000 |
| Cijena po kWh | 10.000$ | 250-1000 $ |
| Doživotno | 10-15 godina | 5 do 10 godina |
| temperatura punjenja | -40 do 65°C | 0 do 45 °C |
| temperatura ispuštanja | -40 do 65°C | -20 do 60°C |
Prednosti uređaja za punjenje
Vozila trebaju dodatnu energiju za ubrzanje, a tu dolaze kompresori. Imaju ograničenje ukupnog napunjenosti, ali su u stanju vrlo brzo ga prenijeti, što ih čini idealnim baterijama. Njihove prednosti u odnosu na tradicionalne baterije:
- Niska impedancija (ESR) povećava udarnu struju i opterećenje kada se spoji paralelno s baterijom.
- Vrlo visok ciklus - pražnjenje traje od milisekundi do minuta.
- Pad napona u usporedbi s uređajem na baterije bez superkondenzatora.
- Visoka učinkovitost od 97-98%, a DC-DC učinkovitost u oba smjera je 80%-95% u većini primjena, kao npr.videorekorder s ionistima.
- U hibridnom električnom vozilu, učinkovitost kružnog toka je 10% veća od one baterije.
- Radi dobro u vrlo širokom temperaturnom rasponu, obično -40 C do +70 C, ali može biti od -50 C do +85 C, specijalne verzije dostupne do 125 C.
- Mala količina topline koja se stvara tijekom punjenja i pražnjenja.
- Dug životni vijek s visokom pouzdanošću, smanjujući troškove održavanja.
- Blaga degradacija tijekom stotina tisuća ciklusa i traje do 20 milijuna ciklusa.
- Gube najviše 20% svog kapaciteta nakon 10 godina i imaju životni vijek od 20 godina ili više.
- otporno na habanje.
- Ne utječe na duboko pražnjenje poput baterija.
- Povećana sigurnost u usporedbi s baterijama - nema opasnosti od prekomjernog punjenja ili eksplozije.
- Ne sadrži opasne materijale za odlaganje na kraju životnog vijeka za razliku od mnogih baterija.
- U skladu s ekološkim standardima, tako da nema kompliciranog odlaganja ili recikliranja.
Tehnologija ograničenja
Superkondenzator se sastoji od dva sloja grafena sa slojem elektrolita u sredini. Film je jak, iznimno tanak i sposoban osloboditi veliku količinu energije u kratkom vremenu, no ipak postoje određeni neriješeni problemi koji koče tehnološki napredak u tom smjeru. Nedostaci superkondenzatora u odnosu na punjive baterije:
- Mala gustoća energije - običnouzima od 1/5 do 1/10 energije elektrokemijske baterije.
- Linija pražnjenja - neuspjeh u korištenju punog energetskog spektra, ovisno o primjeni, nije sva energija dostupna.
- Kao i kod baterija, ćelije su niskog napona, potrebne su serijske veze i balansiranje napona.
- Samopražnjenje je često veće od baterija.
- Napon varira ovisno o pohranjenoj energiji - učinkovito pohranjivanje i povrat energije zahtijeva sofisticiranu elektroničku opremu za upravljanje i prebacivanje.
- Ima najveću dielektričnu apsorpciju od svih vrsta kondenzatora.
- Gornja temperatura upotrebe obično je 70 C ili manje i rijetko prelazi 85 C.
- Većina sadrži tekući elektrolit koji smanjuje veličinu potrebnu za sprječavanje nenamjernog brzog pražnjenja.
- Visoka cijena električne energije po vatu.
Hybrid Storage
Poseban dizajn i ugrađena tehnologija energetske elektronike razvijeni su za proizvodnju kondenzatorskih modula s novom strukturom. Budući da se njihovi moduli moraju proizvoditi korištenjem novih tehnologija, mogu se integrirati u karoserijske ploče automobila kao što su krov, vrata i poklopac prtljažnika. Osim toga, izumljene su nove tehnologije uravnoteženja energije koje smanjuju gubitke energije i veličinu krugova za uravnoteženje energije u sustavima za pohranu energije i uređaja.
Razvijen je i niz srodnih tehnologija, kao što su kontrola punjenja ipražnjenja, kao i spajanja na druge sustave skladištenja energije. Superkondenzatorski modul nazivnog kapaciteta 150F, nazivnog napona od 50V može se postaviti na ravne i zakrivljene površine površine 0,5 četvornih metara. m i debljine 4 cm. Primjene se primjenjuju na električna vozila i mogu se integrirati s različitim dijelovima vozila i drugim slučajevima gdje su potrebni sustavi za pohranu energije.
Primjena i perspektive
U SAD-u, Rusiji i Kini postoje autobusi bez vučnih baterija, sav posao obavljaju ionisti. General Electric je razvio kamionet sa superkondenzatorom za zamjenu baterije, slično onome što se dogodilo u nekim raketama, igračkama i električnim alatima. Testovi su pokazali da superkondenzatori nadmašuju olovne baterije u vjetroturbinama, što je postignuto bez da se gustoća energije superkondenzatora približi gustoći energije olovnih baterija.
Sada je jasno da će superkondenzatori zakopati olovne baterije tijekom sljedećih nekoliko godina, ali to je samo dio priče, jer se poboljšavaju brže od konkurencije. Dobavljači kao što su Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments i Skeleton Technologies rekli su da premašuju energetsku gustoću olovnih baterija sa svojim superkondenzatorima i superbakterijama, od kojih neki teoretski odgovaraju gustoći energije litijevih iona.
Međutim, ionistor u električnom vozilu jedan je od aspekata elektronike i elektrotehnike kojizanemareni od strane tiska, investitora, potencijalnih dobavljača i mnogih ljudi koji žive sa starom tehnologijom, unatoč brzom rastu tržišta vrijednog više milijardi dolara. Na primjer, za kopnena, vodena i zračna vozila postoji oko 200 velikih proizvođača vučnih motora i 110 glavnih dobavljača vučnih baterija u usporedbi s nekoliko proizvođača superkondenzatora. Općenito, u svijetu nema više od 66 velikih proizvođača ionistora, od kojih je većina usredotočila svoju proizvodnju na lakše modele za potrošačku elektroniku.
