Ionistor er dobbeltlags elektrokjemiske kondensatorer eller superkondensatorer. Metallelektrodene deres er belagt med svært porøst aktivert karbon, tradisjonelt laget av kokosnøttskall, men oftest av karbon aerogel, andre nanokarbon eller grafen nanorør. Mellom disse elektrodene er det en porøs separator som holder elektrodene fra hverandre, når viklet på en spiral er alt dette impregnert med elektrolytt. Noen innovative former for ionistor har en solid elektrolytt. De erstatter tradisjonelle batterier i avbruddsfri strømforsyning opp til lastebiler, hvor de bruker en superlader som strømkilde.
Arbeidsprinsipp
Ionitoren bruker virkningen av et dobbeltlag dannet i grensesnittet mellom kull og elektrolytt. Aktivt karbon brukes som elektrode i fast form, og elektrolytt i flytende form. Når disse materialene er i kontakt med hverandre, fordeles de positive og negative polene i forhold til hverandre vedveldig kort avstand. Ved påføring av et elektrisk felt brukes det elektriske dobbeltlaget som dannes nær overflaten av karbonet i den elektrolytiske væsken som hovedstruktur.
Designfordel:
- Gir kapasitans i en liten enhet, ingen behov for spesielle ladekretser for å kontrollere under utlading i superladede enheter.
- Opplading eller overutlading påvirker ikke batterilevetiden negativt som med vanlige batterier.
- Teknologi er ekstremt "ren" når det gjelder økologi.
- Ingen problemer med ustabile kontakter som vanlige batterier.
Designfeil:
- Operasjonstiden er begrenset på grunn av bruk av elektrolytt i enheter som bruker en superkondensator.
- Elektrolytt kan lekke hvis kondensatoren ikke vedlikeholdes ordentlig.
- Sammenlignet med aluminiumskondensatorer har disse kondensatorene høye motstander og kan derfor ikke brukes i AC-kretser.
Ved å bruke fordelene beskrevet ovenfor, er elektriske kondensatorer mye brukt i applikasjoner som:
- Reservere minne for tidtakere, programmer, e-mobilstrøm osv.
- Video- og lydutstyr.
- Sikkerhetskopieringskilder ved utskifting av batterier for bærbart elektronisk utstyr.
- Strømforsyninger for solcelledrevet utstyr som klokker og indikatorer.
- Startere for små og mobile motorer.
Redox-reaksjoner
Ladeakkumulatoren er plassert ved grensesnittet mellom elektroden og elektrolytten. Under ladeprosessen beveger elektroner seg fra den negative elektroden til den positive elektroden langs den ytre kretsen. Under utladning beveger elektroner og ioner seg i motsatt retning. Det er ingen ladningsoverføring i en EDLC-superkondensator. I denne typen superkondensatorer skjer det en redoksreaksjon ved elektroden, som genererer ladninger og fører ladningen gjennom konstruksjonens doble lag, hvor det brukes en ionistor.
På grunn av redoksreaksjonen som oppstår i denne typen, er det et potensial for lavere effekttetthet enn EDLC fordi Faradaiske systemer er tregere enn ikke-faradaiske systemer. Som en generell regel gir pseudokapaktorer høyere spesifikk kapasitans og energitetthet enn EDLC-er på grunn av det faktum at de er av faraday-systemet. Riktig valg av superkondensator avhenger imidlertid av applikasjonen og tilgjengeligheten.
Grafenbaserte materialer
Superkondensatoren er preget av evnen til å lade raskt, mye raskere enn et tradisjonelt batteri, men den klarer ikke å lagre like mye energi som et batteri fordi den har lavere energitetthet. Deres effektivitetsøkning oppnås gjennom bruk av grafen og karbon nanorør. De vil hjelpe i fremtiden med å erstatte elektrokjemiske batterier fullstendig. Nanoteknologi i dag er kilden til mangeinnovasjoner, spesielt innen e-mobil.
Grafen øker kapasitansen til superkondensatorer. Dette revolusjonerende materialet består av ark hvis tykkelse kan begrenses av tykkelsen på karbonatomet og hvis atomstruktur er ultratett. Slike egenskaper kan erstatte silisium i elektronikk. En porøs separator er plassert mellom to elektroder. Variasjoner i lagringsmekanismen og valg av elektrodemateriale fører imidlertid til forskjellige klassifiseringer av høykapasitets superkondensatorer:
- Electrochemical Double Layer Capacitors (EDLC), som for det meste bruker høykarbon-karbonelektroder og lagrer energien deres ved å raskt adsorbere ioner ved elektrode/elektrolyttgrensesnittet.
- Psuedo-kondensatorer er basert på den fagiske prosessen med ladningsoverføring ved eller nær elektrodeoverflaten. I dette tilfellet forblir ledende polymerer og overgangsmetalloksider elektrokjemisk aktive materialer, slik som de som finnes i batteridrevne elektroniske klokker.
Fleksible polymerenheter
Superkondensatoren får og lagrer energi med høy hastighet ved å danne dobbeltlag av elektrokjemisk ladning eller gjennom overflateredoksreaksjoner, noe som resulterer i høy effekttetthet med langsiktig syklisk stabilitet, lav kostnad og miljøvern. PDMS og PET er de mest brukte substratene i implementeringen av fleksible superkondensatorer. Ved film kan PDMS lage fleksible ogtransparente tynnfilmionistorer i klokker med høy syklisk stabilitet etter 10 000 bøyningssykluser.
Enkeltveggede karbon-nanorør kan inkorporeres ytterligere i PDMS-filmen for ytterligere å forbedre mekanisk, elektronisk og termisk stabilitet. På samme måte er ledende materialer som grafen og CNT-er også belagt med PET-film for å oppnå både høy fleksibilitet og elektrisk ledningsevne. I tillegg til PDMS og PET, tiltrekker også andre polymermaterialer økende interesse og syntetiseres ved forskjellige metoder. For eksempel har lokalisert pulsert laserbestråling blitt brukt for raskt å transformere primæroverflaten til en elektrisk ledende porøs karbonstruktur med spesifisert grafikk.
Naturlige polymerer som trefiber og papirfiber kan også brukes som underlag, som er fleksible og lette. CNT avsettes på papir for å danne en fleksibel CNT-papirelektrode. På grunn av den høye fleksibiliteten til papirsubstratet og den gode fordelingen av CNT, endres den spesifikke kapasitansen og kraften og energitettheten med mindre enn 5 % etter bøying i 100 sykluser ved en bøyeradius på 4,5 mm. I tillegg, på grunn av høyere mekanisk styrke og bedre kjemisk stabilitet, brukes bakteriell nanocellulosepapir også til å lage fleksible superkondensatorer som walkman-kassettspilleren.
Supercapacitor ytelse
Det er definert i form avelektrokjemisk aktivitet og kjemiske kinetiske egenskaper, nemlig: elektron- og ionekinetikk (transport) inne i elektrodene og effektiviteten av ladningsoverføringshastigheten til elektroden/elektrolytten. Spesifikt overflateareal, elektrisk ledningsevne, porestørrelse og forskjeller er viktig for høy ytelse ved bruk av EDLC-baserte karbonmaterialer. Grafen, med sin høye elektriske ledningsevne, store overflateareal og mellomlagsstruktur, er attraktiv for bruk i EDLC.
I tilfellet med pseudokondensatorer, selv om de gir overlegen kapasitans sammenlignet med EDLC-er, er de fortsatt begrenset i tetthet av den lave effekten til CMOS-brikken. Dette skyldes dårlig elektrisk ledningsevne, som begrenser rask elektronisk bevegelse. I tillegg kan redoksprosessen som driver lade-/utladningsprosessen skade elektroaktive materialer. Den høye elektriske ledningsevnen til grafen og dens utmerkede mekaniske styrke gjør den egnet som materiale i pseudokondensatorer.
Studier av adsorpsjon på grafen har vist at det hovedsakelig forekommer på overflaten av grafenark med tilgang til store porer (dvs. mellomlagsstrukturen er porøs, noe som gir enkel tilgang til elektrolyttioner). Dermed bør ikke-porøs grafenagglomerasjon unngås for bedre ytelse. Ytelsen kan forbedres ytterligere ved overflatemodifisering ved funksjonell gruppetilsetning, hybridisering med elektrisk ledende polymerer og ved dannelse av grafen/oksid-komposittermetall.
Kondensatorsammenligning
Supercaps er ideelle når hurtiglading er nødvendig for å møte kortsiktige strømbehov. Hybridbatteriet tilfredsstiller begge behov og senker spenningen for lengre levetid. Tabellen nedenfor viser sammenligning av egenskaper og hovedmaterialer i kondensatorer.
| Elektrisk dobbeltlagskondensator, ionistorbetegnelse | Elektrolytisk kondensator av aluminium | Ni-cd-batteri | Blyforseglet batteri | |
| Bruk temperaturområde | -25 til 70°C | -55 til 125 °C | -20 til 60 °C | -40 til 60 °C |
| elektroder | Aktivert karbon | Aluminium | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Elektrolytisk væske | Organisk løsemiddel | Organisk løsemiddel | KOH |
H2SO4 |
| Elektromotorisk kraftmetode | Bruker naturlig elektrisk dobbeltlagseffekt som dielektrikum | Bruk av aluminiumoksid som dielektrikum | Bruke en kjemisk reaksjon | Bruke en kjemisk reaksjon |
| Forurensning | Nei | Nei | CD | Pb |
| Antall lade-/utladingssykluser | > 100 000 ganger | > 100 000 ganger | 500 ganger | 200 til 1000 ganger |
| Kapasitet per volumenhet | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Ladekarakteristikk
Ladetid 1-10 sekunder. Den første ladingen kan fullføres veldig raskt, og toppladingen vil ta ekstra tid. Det bør vurderes å begrense innkoblingsstrømmen ved lading av en tom superkondensator, da den vil trekke så mye som mulig. Superkondensatoren er ikke oppladbar og krever ikke full ladningsdeteksjon, strømmen slutter ganske enkelt å flyte når den er full. Ytelsessammenligning mellom superlader for bil og Li-ion.
| Function | Ionistor | Li-Ion (generelt) |
| Ladetid | 1–10 sekunder | 10–60 minutter |
| Se livssyklus | 1 million eller 30 000 | 500 og oppover |
| Spenning | Fra 2, 3 til 2, 75B | 3, 6 B |
| Spesifikk energi (W/kg) | 5 (typisk) | 120-240 |
| Spesifikk effekt (W/kg) | Opptil 10000 | 1000-3000 |
| Kostnad per kWh | $10 000 | 250-1000 $ |
| Lifetime | 10–15 år | 5 til 10 år |
| Ladetemperatur | -40 til 65°C | 0 til 45 °C |
| Utløpstemperatur | -40 til 65°C | -20 til 60°C |
Fordeler med å lade enheter
Kjøretøy trenger en ekstra energiboost for å akselerere, og det er her superladere kommer inn. De har en grense på den totale ladningen, men de er i stand til å overføre den veldig raskt, noe som gjør dem til ideelle batterier. Fordelene deres fremfor tradisjonelle batterier:
- Lavimpedans (ESR) øker overspenningsstrømmen og belastningen når den kobles parallelt med batteri.
- Svært høy syklus – utladning tar millisekunder til minutter.
- Spenningsfall sammenlignet med batteridrevet enhet uten superkondensator.
- Høy effektivitet på 97–98 %, og DC-DC-effektivitet i begge retninger er 80–95 % i de fleste applikasjoner, som f.eks.videoopptaker med ionistorer.
- I et hybrid elektrisk kjøretøy er effektiviteten i rundkjøringen 10 % høyere enn for et batteri.
- Fungerer godt over et veldig bredt temperaturområde, typisk -40 C til +70 C, men kan være fra -50 C til +85 C, spesialversjoner tilgjengelig opp til 125 C.
- Liten varme generert under lading og utlading.
- Lang sykluslevetid med høy pålitelighet, reduserer vedlikeholdskostnadene.
- Litt forringelse over hundretusenvis av sykluser og varer i opptil 20 millioner sykluser.
- De mister ikke mer enn 20 % av kapasiteten etter 10 år, og har en levetid på 20 år eller mer.
- Motstandsdyktig mot slitasje.
- Påvirker ikke dype utladninger som batterier.
- Økt sikkerhet sammenlignet med batterier - ingen fare for overlading eller eksplosjon.
- Inneholder ingen farlige materialer som kan kastes ved slutten av levetiden i motsetning til mange batterier.
- Overholder miljøstandarder, så det er ingen komplisert avhending eller resirkulering.
Restraint Technology
Superkondensatoren består av to lag grafen med et elektrolyttlag i midten. Filmen er sterk, ekstremt tynn og i stand til å frigjøre store mengder energi på kort tid, men likevel er det visse uløste problemer som holder tilbake teknologisk fremgang i denne retningen. Ulemper med superkondensator fremfor oppladbare batterier:
- Lav energitetthet - vanligvistar fra 1/5 til 1/10 av energien til et elektrokjemisk batteri.
- Linjeutladning - unnlatelse av å bruke hele energispekteret, avhengig av applikasjonen er ikke all energi tilgjengelig.
- Som med batterier er cellene lavspent, seriekoblinger og spenningsbalansering kreves.
- Selvutlading er ofte høyere enn batterier.
- Spenningen varierer med lagret energi - effektiv lagring og gjenvinning av energi krever sofistikert elektronisk kontroll- og koblingsutstyr.
- Har den høyeste dielektriske absorpsjonen av alle typer kondensatorer.
- Den øvre brukstemperaturen er vanligvis 70 C eller lavere og overstiger sjelden 85 C.
- De fleste inneholder en flytende elektrolytt som reduserer størrelsen som trengs for å forhindre utilsiktet rask utladning.
- Høye strømkostnader per watt.
Hybrid Storage
Spesialdesign og innebygd teknologi for kraftelektronikk er utviklet for å produsere kondensatormoduler med ny struktur. Siden modulene deres må produseres ved hjelp av ny teknologi, kan de integreres i karosseripaneler som taket, dørene og bagasjelokket. I tillegg har nye energibalanseringsteknologier blitt oppfunnet som reduserer energitap og størrelsen på energibalanseringskretser i energilagrings- og enhetssystemer.
En serie relaterte teknologier er også utviklet, slik som ladekontroll ogutladning, samt koblinger til andre energilagringssystemer. En superkondensatormodul med en nominell kapasitet på 150F, en nominell spenning på 50V kan plasseres på flate og buede overflater med et overflateareal på 0,5 kvadratmeter. m og 4 cm tykk. Applikasjoner gjelder for elektriske kjøretøy og kan integreres med ulike deler av kjøretøyet og andre tilfeller der energilagringssystemer er nødvendig.
Applikasjon og perspektiver
I USA, Russland og Kina er det busser uten trekkbatterier, alt arbeid utføres av ionistorer. General Electric har utviklet en pickup med en superkondensator for å erstatte batteriet, lik det som har skjedd i noen raketter, leker og elektroverktøy. Tester har vist at superkondensatorer utkonkurrerer blybatterier i vindturbiner, noe som ble oppnådd uten at superkondensatorenergitettheten nærmet seg den til blybatterier.
Det er nå klart at superkondensatorer vil begrave bly-syre-batterier i løpet av de neste årene, men det er bare en del av historien, siden de forbedrer seg raskere enn konkurrentene. Leverandører som Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments og Skeleton Technologies har sagt at de overskrider energitettheten til bly-syrebatterier med sine superkondensatorer og superbugs, hvorav noen teoretisk samsvarer med energitettheten til litiumioner.
Ionistoren i et elektrisk kjøretøy er imidlertid et av aspektene ved elektronikk og elektroteknikk somignorert av pressen, investorer, potensielle leverandører og mange mennesker som lever med gammel teknologi, til tross for den raske veksten i multimilliardmarkedet. For eksempel for land-, vann- og luftkjøretøyer er det rundt 200 store produsenter av trekkmotorer og 110 store leverandører av trekkbatterier sammenlignet med noen få produsenter av superkondensatorer. Generelt er det ikke mer enn 66 store produsenter av ionistorer i verden, hvorav de fleste har fokusert produksjonen på lettere modeller for forbrukerelektronikk.
