Ionistor е двуслоен електрохимичен кондензатор или суперкондензатор. Техните метални електроди са покрити с много порест активен въглен, традиционно направен от кокосови черупки, но по-често от въглеродни аерогели, други нано карбонови или графенови нанотръби. Между тези електроди има порест сепаратор, който задържа електродите един от друг, когато се навива на спирала, като всичко се надува с електролит. Някои иновативни форми на йонист имат твърд електролит. Те заменят традиционните батерии в непрекъсваеми захранвания до камиони, където йонизаторът се използва като източник на енергия.
Принцип на работа
Йонисторът използва действието на двойния слой, образуван на границата между въглища и електролит. Активираният въглен се използва като твърд електрод и електролитът е в течна форма. Когато тези материали са в контакт един с друг, положителните и отрицателните полюси се разпределят една спрямо друга на много кратко разстояние. Когато се прилага електрическото поле, като главна конструкция се използва двоен електрически слой, който се образува в близост до повърхността на въглищата в електролитна течност.
Предимство на конструкцията:
Осигурява капацитет в малко устройство, няма нужда от специални вериги за зареждане за наблюдение по време на разреждане в устройства, където се използва йонизаторът. Презареждане или прекомерна честотаРазрядът няма отрицателно въздействие върху живота, както при типичните батерии. Технологията е изключително „чиста“ по отношение на екологията. Няма проблеми с нестабилни контакти, точно както обикновените батерии.Недостатъци на конструкцията:
Продължителността на работа е ограничена от използването на електролит в устройствата, в които се използва йонизаторът. Електролитът може да тече, ако кондензаторът не се използва правилно. В сравнение с алуминиевите кондензатори, тези йонизатори имат висока устойчивост и поради това не могат да бъдат използвани в електрически вериги с променлив ток.Като се използват предимствата, описани по-горе, електрическите йонистори се използват широко в приложения като:
Нулиране на памет за таймери, програми, мощност за e-mobile и др. 18]Видео и аудио оборудване. Резервни източници при смяна на батерии за преносимо електронно оборудване.Захранващи устройства за оборудване, използващо слънчеви клетки, като например часовници и индикатори. Стартери за малки и мобилни двигатели. Реакции на реактивно окисляване
Зареждането на батерията е разположено на интерфейса между електрода и електролита. По време на процеса на зареждане, електроните се движат от отрицателен електрод до положителен външен контур. По време на разряда електрони и йони се движат в обратна посока. Няма такса прехвърляне в EDLC супер кондензатор. При този тип суперкондензатор възниква окислително-редукционна реакция на електрод, генериращ заряд и носещ зарядпрез двойните слоеве на конструкцията, където се използва йонизаторът. Поради окислително-редукционната реакция, протичаща в този тип, има потенциал с по-ниска плътност на мощността от EDLC, тъй като Faradaic системата е по-бавна от неарадиидните системи. Като цяло, псевдокапациторите осигуряват по-висок специфичен капацитет и плътност на енергията, отколкото EDLC, поради факта, че те се отнасят до фариедната система. Въпреки това, правилният избор на супер-кондензатор зависи от програмата и наличността.
Материали на основата на графен
Ionistor се характеризира с възможност за бързо зареждане, много по-бързо от традиционната батерия, но не може да съхранява толкова енергия като батерията, тъй като има по-ниска енергийна плътност. Повишената ефективност се постига чрез използването на графен и въглеродни нанотръби. Те ще помогнат в бъдещия йонист напълно да свалят електрохимичните батерии. Днес нанотехнологията е източник на много иновации, особено в е-mobile. Графенът увеличава капацитета на йонизаторите. Този революционен материал се състои от листове, чиято дебелина може да бъде ограничена от дебелината на въглеродния атом и чиято атомна структура е ултра-плътна. Такива характеристики могат да заменят силикона в електрониката. Порестият сепаратор се поставя между два електрода. Разликите в механизма на съхранение и избор на електроден материал обаче водят до различни класификации на йонизатори с голям капацитет:
Електрохимични двуслойни кондензатори (EDLC), които се използват най-честовисоковъглеродни въглеродни електроди и запазват енергията си благодарение на бързата адсорбция на йони на интерфейса между електрода /електролита. Psuedo-кондензатори на базата на фагоден процес на прехвърляне на заряда на или в близост до повърхността на електрода. В този случай полимерите и оксидите на преходните метали остават електрохимично активни материали, например в електронни часовници на батерии. Устройства на основата на гъвкави полимери
Йонисторът събира и съхранява енергия с висока скорост, образувайки електрохимични двойни слоеве на заряда или посредством повърхностни окислително-редукционни реакции, което води до висока плътност на мощността с дълга циклична стабилност, ниска цена и защита на околната среда. PDMS и PET се използват главно от субстрати за прилагане на гъвкави суперкондензатори. В случай на филм, PDMS може да създава гъвкави и прозрачни тънкослойни йонизатори в часовник с висока циклична стабилност след 10 000 цикъла на огъване.
Единичните въглеродни въглеродни нанотръби могат да бъдат допълнително включени в PDMS филма за допълнително подобряване на механичната, електронната и термичната стабилност. По същия начин, материали като графен и CNT също са покрити с PET фолио за постигане на висока гъвкавост и електрическа проводимост. В допълнение към PDMS и PET, други полимерни материали също привличат нарастващ интерес и се синтезират по различни методи. Например локализирано импулсно лазерно облъчванеИзползва се за бързо преобразуване на първичната повърхност в електрическа проводима порьозна въглеродна структура с дадена графика. Естествени полимери, като нетъкани текстилни материали от дървесни влакна и хартия, могат също да бъдат използвани като субстрати, които са гъвкави и леки. CNT се прилага върху хартията, за да се получи хартиен електрод с гъвкави въглеродни нанотръби. Поради високата гъвкавост на хартиения субстрат и доброто разпределение на CNTs, специфичният капацитет и плътността на мощността и енергията варират с по-малко от 5% след огъване над 100 цикъла при радиус на огъване 45 mm. В допълнение, поради по-високата механична якост и по-добрата химическа стабилност, бактериалната наноцелулозна хартия се използва и за направата на гъвкави суперкондензатори, например за касетофонен плейър на walkman.
Работа на суперкондензатори
Определя се от гледна точка на електрохимичната активност и химичните кинетични свойства, а именно: електронната и йонната кинетика (транспорт) в електродите и ефективността на скоростта на пренос на заряда на електрода /електролита. За висока производителност, когато се използват материали на основата на въглерод с EDLC, специфична повърхност, електрическа проводимост, размер на порите и разлики са важни. Графенът с високата си електропроводимост, голямата повърхност и междинната структура е привлекателен за използване в EDLC. В случай на псевдокондензатори, въпреки факта, че те осигуряват по-висок капацитет в сравнение с EDLC, те все още са ограничени от плътността на чиповете с ниска мощност.CMOS. Това се дължи на лоша електрическа проводимост, която ограничава бързото електронно движение. Освен това процесът на редуциране на окислението, който води до процеса на зареждане /разреждане, може да повреди електрически активните материали. Високата електрическа проводимост на графена и отличната му механична якост го правят подходящ като материал в псевдокондензаторите.
Проучванията на адсорбцията върху графен показват, че той се среща главно на повърхността на графеновите листове с достъп до големи пори (т.е. междинната структура е пореста, осигурявайки лесен достъп до електролитни йони). Следователно, графеновите агломерации без пори трябва да се избягват за по-добро представяне. Производителността може да бъде подобрена чрез модифициране на повърхността чрез прикрепване на функционални групи, хибридизиране с проводими полимери и чрез създаване на графенови /метални оксидни композити.
Сравнение на кондензатори
Йонистите са идеални, когато е необходимо бързо зареждане, за да се отговори на краткосрочните изисквания за мощност. Хибридната батерия удовлетворява и двете нужди и намалява напрежението, което осигурява по-дълъг живот. Таблицата по-долу показва сравнение на характеристиките и основните материали в кондензаторите.
Алуминиев електролитен кондензатор
Електрически двуслоен кондензатор, обозначение на йонизатор
Ni-cd батерия
Батерия с олово
Използване на температурен обхват
-25 до + 70 ° С
-55до 125 ° C
-20 до 60 ° С
-40 до + 60 ° С
Електроди
Активен въглен
Алуминий
(+) NiOOH (- ) Cd
(+) PbO 2 (-) Pb
Електролитна течност
Разтворител
Органичен разтворител
КОН
H 2 SO 4
Използване на алуминиев оксид в i
Метод на електродвижещата сила
Използване на естествени електрически двойни
Използване на химичната реакция
Използване на химическата реакция
Замърсяване
)
Няма
Няма
CD
Pb
Брой цикли на зареждане /разреждане
& gt; 100 000 пъти
& gt; 100000 пъти
500 пъти
200 до 1000 пъти
Капацитет на единица обем
1
1/1000
100
202) 100
Характеристика на заряда
Времето за зареждане е 1-10 секунди. Първоначалната такса може да се извърши много бързо, а зарядът в горната част ще отнеме допълнително време. Необходимо е да се предвиди ограничение на пусковия ток при зареждане на празен суперкондензатор, тъй като той ще извади всичко възможно. Ionistor не подлежи на презареждане и не изисква откриване на пълен заряд, токът просто престава да тече при пълнене. Сравнение на производителността между йонизаторакола и ли-йон.
Функция
йонистор
литиево-йонни
Време за таксуване
1-10 секунди
10-60 минути
232)
1 милион или 30000
500 и повече
напрежение
246)
От 23 до 275 U
36 V
Специфична енергия (W /kg)
258)
5 (типично)
120-240
Специфична мощност (W /kg)
270)
До 10 000
1000-3000
Цена за килограм
$ 10000
250-1000 $
10-15 години
5 до 10 години
Температура на зареждане
От -40 до +65 ° C
0 до 45 ° C
Температура на впръскване
319) -40 до +65 ° C
-20 до 60 ° C
Предимства на зарядните устройства
Превозните средства изискват допълнителна мощност скок, за да се ускори, и в това е, че йонистите са подходящи. Те имат общ лимит на зареждане, но могат да го предават много бързо, което ги прави идеални батерии. Техните предимства пред традиционните батерии:
Нисък импеданс (ESR) увеличава тока на пулсовия товар, когато е успореден на батерията. Много висок цикъл - разреждането отнема милисекунди за няколко минути. Спад на напрежението в сравнение с устройството, работещо с батерия, без супер-кондензатор.Високоефективност при 97-98% и DC-DC ефективност в двете посоки е 80% -95% в повечето приложения, например, DVR с йонизатори. При хибридно електрическо превозно средство ефективността на кръговото движение е с 10% по-голяма от тази на батерията. Работи добре в много широк температурен диапазон, обикновено от -40 ° С до + 70 ° С, но може също да бъде от -50 ° С до + 85 ° С, има специални версии, достигащи 125 ° С ) Малко количество топлина, отделена по време на зареждане и разреждане. Дълъг живот на цикъла с висока надеждност, което намалява разходите за поддръжка.Леко влошаване на стотици хиляди цикли и трае до 20 милиона цикъла. Те губят не повече от 20% от капацитета си след 10 години, а продължителността на живота е 20 години или повече. Не са склонни към износване и стареене. Не засяга дълбокото разреждане, за разлика от батериите. Повишена безопасност в сравнение с батериите - няма опасност от презареждане или експлозия. В края на експлоатацията не съдържа опасни материали за отстраняване, за разлика от много батерии. Съответства на екологичните стандарти, така че няма трудно рециклиране или рециклиране.Технология за скриване
Суперкондензаторът се състои от два слоя графен със слой от електролит в средата. Филмът е силен, изключително тънък и може да произвежда голямо количество енергия за кратък период от време, но въпреки това има някои все още нерешени проблеми, които пречат на техническия прогрес в тази посока. Недостатъцийонизатор пред акумулаторни батерии:Ниска енергийна плътност - обикновено отнема 1/5 до 1/10 от енергията на батерията. Линейните разряди са невъзможността да се използва пълният енергиен спектър, в зависимост от приложението, не е налична цялата енергия.Както при батериите, клетките имат ниско напрежение, необходимите серийни връзки и балансиране на напрежението. Саморазрядът често е по-висок от този на батериите. Напрежението варира в зависимост от съхранената енергия за ефективно съхранение и възстановяване на енергия, изискваща сложно електронно контролно комутационно оборудване. Има най-висока диелектрична абсорбция на всички видове кондензатори. Горната температура на употреба обикновено е 70 ° С или по-малко и рядко надвишава 85 ° С. Повечето от тях съдържат течен електролит, което намалява количеството, необходимо за предотвратяване на непреднамерено бързо разреждане. Висока цена на електроенергия на ват. Хибридна система за съхранение
Специално проектиране и вградена технология на силовата електроника са разработени за производството на нови модули за йонизатори. Тъй като техните модули трябва да бъдат направени с помощта на нови технологии, те могат да бъдат интегрирани в панела на каросерията на автомобила, като покрива, вратата и капака на багажника. Освен това са създадени нови технологии за балансиране на енергията, които намаляват енергийните загуби и схемите за енергиен баланс в системите за устройства и съхранението на енергия. същоБяха разработени редица свързани технологии, като контрол на зареждането и разреждането, както и свързването с други системи за съхранение на енергия. Йонизаторният модул с номинален капацитет 150F, номинално напрежение 50 V може да се постави на плоски и извити повърхности с площ от 05 кв. М. m и 4 cm дебелина. Приложенията са приложими за електрически превозни средства и могат да бъдат интегрирани с различни части на превозното средство и с други случаи, в които се изискват системи за съхранение на енергия.
Приложение и перспективи
В Съединените щати, Русия и Китай има автобуси без тягови батерии, цялата работа се извършва от йонистори. General Electric разработи пикап със супер-кондензатор, който заменя батерията, подобно нещо се случи в някои ракети, играчки и електроинструменти. Тестовете показват, че свръхкондензаторите надвишават оловно-киселинните батерии във вятърните турбини, което е постигнато без плътност на свръхкондензаторите да достигне концентрацията на оловно-кисели батерии. Сега е очевидно, че йонисторите ще заровят оловни акумулатори през следващите няколко години, но това е само част от историята, тъй като техните параметри се подобряват по-бързо от конкуренцията. Доставчици като Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments и Skeleton Technologies твърдят, че те превишават енергийната плътност на оловно-киселинните батерии със своите супер-кондензатори и супербактерии, някои от които теоретично съответстват на енергийната плътност на литиевите йони. Въпреки това, един йонизатор в електрическо превозно средство е един аспект на електрониката и електротехниката,което се пренебрегва от пресата, инвеститорите, потенциалните доставчици и много хора, които живеят по стари технологии, въпреки бързия растеж на многомилиардния пазар. Например за сухопътни, водни и въздушни превозни средства има около 200 сериозни производители на тягови двигатели и 110 доставчици на тежки акумулаторни батерии в сравнение с няколко производители на суперкондензатори. Като цяло в света няма повече от 66 големи производители на йонизатори, повечето от които са концентрирали производството си върху по-леки модели за потребителска електроника.
