Gdje se primjenjuje ionistor? Vrste ionistora, njihova namjena, prednosti i nedostaci - Tehnološke vijesti i high-tech flipperworld.org

Ionistor je dvoslojni elektrokemijski kondenzator ili superkondenzator. Njihove metalne elektrode obložene su vrlo poroznim aktivnim ugljenom, tradicionalno napravljenim od kokosovih ljuski, ali češće od ugljikovih aerogela, drugih nano-ugljikovih ili grafenskih nanocijevi. Između tih elektroda nalazi se porozni separator koji drži elektrode jedan od drugoga, kada je namotan na spiralu, a sve je napuhano elektrolitom. Neki inovativni oblici ionista imaju čvrsti elektrolit. Oni zamjenjuju tradicionalne baterije u neprekidnim izvorima napajanja do kamiona gdje se ionizator koristi kao izvor energije.

Načelo rada

ionistor koristi djelovanje dvostrukog sloja formiranog na granici između ugljena i elektrolita. Aktivni ugljen se koristi kao čvrsta elektroda, a elektrolit je u tekućem obliku. Kada su ti materijali u kontaktu jedni s drugima, pozitivni i negativni polovi su raspoređeni međusobno na vrlo kratkoj udaljenosti. Kada se primijeni električno polje, kao glavna konstrukcija koristi se dvostruki električni sloj, koji se formira blizu površine ugljena u elektrolitičkoj tekućini.

Prednost konstrukcije:

Osigurava kapacitet u malom uređaju, nema potrebe za posebnim sklopovima za punjenje za praćenje tijekom pražnjenja u uređajima gdje se koristi ionizator.

Punjenje ili prekomjerna frekvencijaPražnjenje nema negativan učinak na životni vijek, kao kod tipičnih baterija.

Tehnologija je iznimno "čista" u smislu ekologije.

Nema problema s nestabilnim kontaktima, baš kao i obične baterije.

Nedostaci konstrukcije:

Trajanje rada je ograničeno uporabom elektrolita u uređajima u kojima se koristi ionizator.

Elektrolit može teći ako se kondenzator ne koristi ispravno.

U usporedbi s aluminijskim kondenzatorima, ti ionizatori imaju visoku otpornost i stoga se ne mogu koristiti u strujnim krugovima izmjenične struje.

Koristeći gore opisane prednosti, električni ionistori se široko koriste u primjenama kao što su:

Reset memorije za tajmere, programe, e-mobilne snage itd. 18]

Video i audio oprema.

Rezervni izvori kod zamjene baterija za prijenosnu elektroničku opremu.

Napajanja za opremu koja koristi solarne ćelije, kao što su satovi i pokazatelji.

Starteri za male i pokretne motore.

Reaktivne reakcije oksidacije

Punjenje baterije nalazi se na sučelju između elektrode i elektrolita. Tijekom procesa punjenja, elektroni se kreću od negativne elektrode do pozitivne vanjske konture. Tijekom pražnjenja, elektroni i ioni kreću se u suprotnom smjeru. Nema prijenosa naboja u EDLC super kondenzatoru. U ovom tipu superkondenzatora dolazi do oksidacijsko-redukcijske reakcije na elektrodi koja stvara punjenje i prijenosno punjenjekroz dvostruke slojeve konstrukcije, gdje se koristi ionizator. Zbog reakcije oksidacijske redukcije koja se javlja u ovom tipu, postoji potencijal s manjom gustoćom snage od EDLC, budući da je Faradaički sustav sporiji od ne-aradidnih sustava. Općenito, pseudokapacitori osiguravaju veću specifičnu snagu i gustoću energije od EDLC, zbog činjenice da se odnose na faraedski sustav. Ipak, pravi izbor superkondenzatora ovisi o programu i dostupnosti.

Materijali na temelju grafena

Ionistor karakterizira sposobnost brzog punjenja, mnogo brže od tradicionalne baterije, ali ne može pohraniti toliko energije kao baterija, jer ima manju gustoću energije. Povećana učinkovitost postiže se korištenjem grafenskih i ugljikovih nanocijevi. Oni će pomoći budućim ionistima da u potpunosti izbace elektrokemijske baterije. Danas je nanotehnologija izvor mnogih inovacija, osobito u e-mobileu. Grafen povećava kapacitet ionizatora. Ovaj revolucionarni materijal sastoji se od ploča čija debljina može biti ograničena debljinom ugljikovog atoma i čija je atomska struktura ultra-gustoća. Takve karakteristike mogu zamijeniti silicij u elektronici. Porozni separator je smješten između dvije elektrode. Međutim, varijacije u mehanizmu skladištenja i odabira materijala elektroda dovode do različitih klasifikacija ionizatora velikog kapaciteta:

Elektro-kemijski dvoslojni kondenzatori (EDLC), koji se uglavnom koristeelektrode s ugljičnim ugljikom i zadržavaju svoju energiju zbog brze adsorpcije iona na granici između elektrode /elektrolita.

Psuedo-kondenzatori temeljeni na fagadičnom procesu prijenosa naboja na ili blizu površine elektrode. U tom slučaju polimeri i oksidi prijelaznih metala ostaju elektrokemijski aktivni materijali, na primjer, u elektroničkim satovima na baterijama.

Uređaji na bazi fleksibilnih polimera

Ionistor skuplja i pohranjuje energiju velikom brzinom, stvarajući elektrokemijske dvostruke slojeve naboja ili reakcijama površinske oksidacije-redukcije, što dovodi do velike gustoće snage s dugom cikličkom stabilnošću, niskom cijenom i zaštitom okoliša. PDMS i PET uglavnom koriste supstrati za primjenu fleksibilnih superkondenzatora. U slučaju filma, PDMS može stvoriti fleksibilne i prozirne tankoslojne ionizatore u satu s visokom cikličkom stabilnošću nakon 10.000 ciklusa savijanja.
Jedinke ugljikovih nanocijevi s ugljikom mogu se dalje ugraditi u PDMS film kako bi se dodatno poboljšala mehanička, elektronička i termička stabilnost. Slično tome, materijali kao što su grafen i CNT također su prekriveni PET folijom kako bi se postigla visoka fleksibilnost i električna provodljivost. Osim PDMS-a i PET-a, drugi polimerni materijali također privlače sve veći interes i sintetiziraju se različitim metodama. Na primjer, lokalizirano zračenje pulsirajućeg laseraKoristi se za brzu transformaciju primarne površine u električno vodljivu poroznu ugljikovu strukturu s danim grafom. Prirodni polimeri, kao što su netkani materijali od drvenih vlakana i papira, također se mogu koristiti kao supstrati koji su fleksibilni i lagani. Na papir se primjenjuje CNT da bi se dobila fleksibilna papirna elektroda s ugljičnim nanocijevima. Zbog visoke fleksibilnosti papirne podloge i dobre raspodjele CNT-a, specifični kapacitet i gustoća snage i energije variraju za manje od 5% nakon savijanja preko 100 ciklusa pri radijusu savijanja od 45 mm. Osim toga, zbog veće mehaničke čvrstoće i bolje kemijske stabilnosti, bakterijski nanocelulosni papir također se koristi za izradu fleksibilnih superkondenzatora, primjerice za walkman kasetofon.

Izvedba superkondenzatora

Određuje se s gledišta elektrokemijske aktivnosti i kemijskih kinetičkih svojstava, i to: kinetiku elektrona i iona (transport) unutar elektroda i učinkovitost brzine prijenosa naboja na elektrodi /elektrolitu. Za visoke performanse, kada se koriste materijali na bazi ugljika s EDLC, važna su specifična površina, električna vodljivost, veličina pora i razlike. Grafen sa svojom visokom električnom vodljivošću, velikom površinom i međuslojnom strukturom privlačan je za uporabu u EDLC. U slučaju pseudo-kondenzatora, unatoč činjenici da oni pružaju superiorni kapacitet u usporedbi s EDLC, oni su još uvijek ograničeni gustoćom čipova male snageCMOS. To je zbog slabe električne vodljivosti, koja ograničava brzo elektroničko kretanje. Osim toga, proces redukcije oksidacije, koji dovodi do procesa punjenja /pražnjenja, može oštetiti električki aktivne materijale. Visoka električna provodljivost grafena i njegova izvrsna mehanička čvrstoća čine ga pogodnim kao materijal u pseudo-kondenzatorima.
Studije adsorpcije na grafenu pokazale su da se pojavljuje uglavnom na površini grafenskih ploča s pristupom velikim porama (tj. Međupolazna struktura je porozna, omogućujući jednostavan pristup ionima elektrolita). Zbog toga treba izbjegavati aglomeracije grafena bez pora kako bi se postigli bolji učinci. Produktivnost se može poboljšati modificiranjem površine vezanjem funkcionalnih skupina, hibridizacijom s vodljivim polimerima, te stvaranjem kompozita grafen /metalni oksid.

Usporedba kondenzatora

Ionisti su idealni kada je potrebno brzo punjenje kako bi se zadovoljile kratkoročne potrebe za energijom. Hibridna baterija zadovoljava obje potrebe i smanjuje napon koji osigurava duži vijek trajanja. Donja tablica prikazuje usporedbu karakteristika i glavnih materijala u kondenzatorima.

Aluminijski elektrolitički kondenzator

Električni dvoslojni kondenzator, oznaka ionizatora
Ni-cd baterija

Baterija zatvorena za olovo

Koristite raspon temperature

-25 do + 70 ° C

-55do 125 ° C

-20 do 60 ° C

-40 do + 60 ° C

Elektrode

Aktivni ugljik

Aluminij

(+) NiOOH (- ) Cd

(+) PbO 2 (-) Pb

Elektrolitički fluid

Otapalo

Organsko otapalo

KOH

H 2 SO 4

Uporaba aluminijevog oksida u i

Metoda elektromotorne sile

Korištenje prirodnih električnih dvostrukih

Korištenje kemijske reakcije

Uporaba kemijske reakcije

Onečišćenje

)

Nijedno

Nijedno

CD

Pb

Broj ciklusa punjenja /pražnjenja

& gt; 100.000 puta

& gt; 100000 puta

500 puta

200 do 1000 puta

Kapacitet po jedinici obujma

1/1000

100

202) 100

Karakteristika naboja

Vrijeme punjenja je 1-10 sekundi. Početno punjenje može se izvršiti vrlo brzo, a napunjenost na gornjem dijelu će potrajati dodatno vrijeme. Potrebno je odrediti granicu početne struje pri punjenju praznog superkondenzatora, jer će izvući sve što je moguće. Ionistor nije podložan ponovnom punjenju i ne zahtijeva detekciju pune naboje, struja jednostavno prestaje teći tijekom punjenja. Usporedba učinkovitosti između ionizatoraauto i Li-ion.

Značajka

supercapacitor

litij-ionska (general)

vrijeme naplate

1.10 sekunde

10-60 minuta

životni ciklus sati

1 milijun ili 30000

500 i više

napon

246)
Od 23 do 275 U

36 V

Specifična energija (W /kg)

258)
5 (default)

120-240

Specifična snaga (W /kg)

10000

1000-3000

, cijena po kWh

$ 10000

250-1000 $

10-15 godina

5 do 10 godina

Temperatura punjenja

-40 do + 65 ° C

, od 0 do 45 ° C

za pražnjenje temperature

od -40 do + 65 ° C

20 do 60 ° C

Prednosti uređaja za punjenje

vozila zahtijeva dodatne energije kreten za ubrzanje, a na ovoj utakmici supercapacitor. Oni su ograničenja općenitosti naboja, ali oni mogu proći vrlo brzo, što ih čini idealnim baterije. Prednosti u odnosu na konvencionalne baterije:

niske impedancije (ESR) povećava odvodna struja opterećenja u paralelnom spoju s akumulatorom.

vrlo visok ciklusa - pražnjenja dolazi milisekundi za nekoliko minuta.

Pad napona u odnosu na uređaj radi na bateriju, bez ultracapacitor.

visokeučinkovitost u 97-98%, i DC-DC učinkovitost u oba smjera je 80% -95% u većini primjena, na primjer, DVR s ionizatorima.

U hibridnom električnom vozilu učinkovitost kružnog kretanja je 10% veća od učinkovitosti akumulatora.

Dobro radi u vrlo širokom temperaturnom rasponu, obično od -40 ° C do + 70 ° C, ali može biti i od -50 ° C do + 85 ° C, postoje posebne verzije koje dostižu 125 ° C. ) Mala količina topline koja se oslobađa tijekom punjenja i pražnjenja.

Dugi vijek trajanja ciklusa s visokom pouzdanošću, što smanjuje troškove održavanja.

Lagana degradacija stotina tisuća ciklusa i traje do 20 milijuna ciklusa.

Nakon 10 godina ne gube više od 20% kapaciteta, a očekivano trajanje života je 20 ili više godina.

Nije sklon trošenju i starenju.

Ne utječe na duboko pražnjenje, za razliku od baterija.

Povećana sigurnost u usporedbi s baterijama - ne postoji opasnost od ponovnog punjenja ili eksplozije.

Na kraju rada ne sadrži opasne materijale za uklanjanje, za razliku od mnogih baterija.

U skladu je s ekološkim standardima, tako da ne postoji teško recikliranje ili recikliranje.

Tehnologija prikrivanja

Superkondenzator se sastoji od dva sloja grafena sa slojem elektrolita u sredini. Film je jak, iznimno tanak i može proizvesti veliku količinu energije u kratkom vremenskom razdoblju, ali ipak postoje neki još neriješeni problemi koji otežavaju tehnički napredak u tom smjeru. maneionizator ispred punjivih baterija:

Gustoća niske energije - obično iznosi 1/5 do 1/10 energije baterije.

Linearna pražnjenja su nemogućnost korištenja punog energetskog spektra, ovisno o primjeni, nije dostupna sva energija.

Kao iu slučaju baterija, ćelije imaju nizak napon, potrebne serijske veze i balansiranje napona.

Samopražnjenje je često veće nego kod akumulatora.

Napon se mijenja s pohranjenom energijom za učinkovito skladištenje i vraćanje energije koja zahtijeva složenu elektroničku kontrolnu komutacijsku opremu.

ima najveću dielektričnu apsorpciju svih tipova kondenzatora.

Gornja temperatura upotrebe obično je 70 ° C ili manje i rijetko prelazi 85 ° C.

Visoka cijena električne energije po vatu.

Hibridni sustav za pohranu

Posebni dizajn i ugrađena tehnologija energetske elektronike razvijeni su za proizvodnju novih modula ionizatora strukture. Budući da se njihovi moduli moraju izraditi pomoću novih tehnologija, mogu se integrirati u karoseriju automobila, kao što su krov, vrata i poklopac prtljažnika. Osim toga, izumljene su nove tehnologije za uravnoteženje energije koje smanjuju gubitke energije i sheme energetske ravnoteže u sustavima uređaja i skladištenju energije. takođerRazvijen je niz srodnih tehnologija, kao što su kontrola punjenja i pražnjenja, kao i povezivanje s drugim sustavima za skladištenje energije. Ionizatorski modul nominalnog kapaciteta 150F, nazivnog napona od 50 V može se postaviti na ravne i zakrivljene površine s površinom od 5 m2. m i 4 cm debljine. Dodaci su primjenjivi na električna vozila i mogu se integrirati s različitim dijelovima vozila i drugim slučajevima gdje su potrebni sustavi za skladištenje energije.

Primjena i perspektive

U Sjedinjenim Američkim Državama, Rusiji i Kini postoje autobusi bez trakcijskih baterija, sav posao obavljaju ionistori. General Electric je razvio kamionet s superkondenzatorom, zamjenjujući bateriju, slično se dogodilo u nekim raketama, igračkama i električnim alatima. Testovi su pokazali da superkondenzatori nadmašuju olovne baterije u vjetroagregatima, što je postignuto bez da se gustoća energije superkondenzatora približi koncentraciji olovnih baterija. Sada je očito da će ionistori zakopati olovne baterije tijekom sljedećih nekoliko godina, ali to je samo dio povijesti, jer se njihovi parametri brže poboljšavaju od konkurencije. Dobavljači kao što su Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments i Skeleton Technologies tvrde da premašuju gustoću energije olovnih baterija sa svojim super-kondenzatorima i superbakterijama, od kojih neke teoretski odgovaraju gustoći energije litijevih iona. Međutim, ionizator u električnom vozilu je jedan aspekt elektronike i elektrotehnike,koju ignoriraju mediji, investitori, potencijalni dobavljači i mnogi ljudi koji žive u staroj tehnologiji, unatoč brzom rastu tržišta s više milijardi. Na primjer, za kopnena, vodena i zračna vozila postoji oko 200 ozbiljnih proizvođača vučnih motora i 110 dobavljača ozbiljnih vučnih baterija u usporedbi s nekoliko proizvođača superkondenzatora. Općenito, na svijetu ne postoji više od 66 velikih proizvođača ionizatora, od kojih je većina koncentrirala proizvodnju na lakše modele potrošačke elektronike.