Ionistor са двуслойни електрохимични кондензатори или суперкондензатори. Техните метални електроди са покрити със силно порест активен въглен, традиционно изработен от кокосови черупки, но най-често от въглероден аерогел, други нановъглеродни или графенови нанотръби. Между тези електроди има порест сепаратор, който държи електродите разделени, когато се навиват на спирала, всичко това е импрегнирано с електролит. Някои иновативни форми на йонистор имат твърд електролит. Те заменят традиционните батерии в непрекъсваеми захранвания до камиони, където използват компресор като източник на захранване.
Принцип на работа
Йонисторът използва действието на двоен слой, образуван на границата между въглища и електролита. Активният въглен се използва като електрод в твърда форма и като електролит в течна форма. Когато тези материали са в контакт един с друг, положителните и отрицателните полюси се разпределят един спрямо друг чрезмного кратко разстояние. Когато се прилага електрическо поле, електрическият двоен слой, който се образува близо до повърхността на въглерода в електролитната течност, се използва като основна структура.
Предимство в дизайна:
- Осигурява капацитет в малко устройство, няма нужда от специални вериги за зареждане за управление по време на разреждане в устройства със свръхзареждане.
- Презареждането или прекомерното разреждане не влияят неблагоприятно на живота на батерията, както при типичните батерии.
- Технологията е изключително "чиста" от гледна точка на екологията.
- Няма проблеми с нестабилни контакти като нормални батерии.
Недостатъци в дизайна:
- Продължителността на работа е ограничена поради използването на електролит в устройства, които използват суперкондензатор.
- Електролитът може да изтече, ако кондензаторът не се поддържа правилно.
- В сравнение с алуминиевите кондензатори, тези кондензатори имат високо съпротивление и следователно не могат да се използват в променливотокови вериги.
Използвайки предимствата, описани по-горе, електрическите кондензатори се използват широко в приложения като:
- Резервиране на памет за таймери, програми, захранване на e-mobile и др.
- Видео и аудио оборудване.
- Резервни източници при смяна на батериите за преносимо електронно оборудване.
- Захранващи устройства за слънчево захранвано оборудване, като часовници и индикатори.
- Стартери за малки и мобилни двигатели.
Реакции на редокс
Акумулаторът на заряда се намира на интерфейса между електрода и електролита. По време на процеса на зареждане електроните се движат от отрицателния електрод към положителния електрод по външната верига. По време на разряда електроните и йоните се движат в обратна посока. Няма прехвърляне на заряд в EDLC суперкондензатор. При този тип суперкондензатор на електрода възниква редокс реакция, която генерира заряди и пренася заряда през двойните слоеве на конструкцията, където се използва йонатор.
Поради окислително-редукционната реакция, която се случва при този тип, има потенциал за по-ниска плътност на мощността от EDLC, тъй като системите на Фарадей са по-бавни от нефарадаичните системи. Като общо правило, псевдокапакторите осигуряват по-висок специфичен капацитет и енергийна плътност от EDLC поради факта, че са от системата на Фарадей. Въпреки това, правилният избор на суперкондензатор зависи от приложението и наличността.
Материали на базата на графен
Суперкондензаторът се характеризира със способността да се зарежда бързо, много по-бързо от традиционната батерия, но не е в състояние да съхранява толкова енергия, колкото батерията, тъй като има по-ниска енергийна плътност. Повишаването на ефективността им се постига чрез използването на графен и въглеродни нанотръби. Те ще помогнат в бъдеще йонисторите да заменят напълно електрохимичните батерии. Нанотехнологиите днес са източник на многоиновации, особено в електронните мобилни устройства.
Графенът увеличава капацитета на суперкондензаторите. Този революционен материал се състои от листове, чиято дебелина може да бъде ограничена от дебелината на въглеродния атом и чиято атомна структура е свръхплътна. Такива характеристики могат да заменят силиция в електрониката. Между два електрода е поставен порьозен сепаратор. Въпреки това, вариациите в механизма за съхранение и избора на електродния материал водят до различни класификации на суперкондензатори с голям капацитет:
- Електрохимични двуслойни кондензатори (EDLC), които използват предимно високовъглеродни въглеродни електроди и съхраняват енергията си чрез бързо адсорбиране на йони на интерфейса електрод/електролит.
- Псуедо-кондензаторите се основават на фагичния процес на пренос на заряд на или близо до повърхността на електрода. В този случай проводящите полимери и оксидите на преходните метали остават електрохимично активни материали, като тези, които се намират в електронните часовници с батерии.
Гъвкави полимерни устройства
Суперкондензаторът печели и съхранява енергия с висока скорост чрез образуване на двойни слоеве на електрохимичен заряд или чрез повърхностни редокс реакции, което води до висока плътност на мощността с дългосрочна циклична стабилност, ниска цена и защита на околната среда. PDMS и PET са най-често използваните субстрати при внедряването на гъвкави суперкондензатори. В случай на филм, PDMS може да създаде гъвкави ипрозрачни тънкослойни йонистори в часовници с висока циклична стабилност след 10 000 цикъла на огъване.
Едностенни въглеродни нанотръби могат да бъдат допълнително включени в PDMS филма за допълнително подобряване на механичната, електронната и термичната стабилност. По същия начин, проводими материали като графен и CNT също са покрити с PET филм, за да се постигне както висока гъвкавост, така 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 облъчване е използвано за бързо трансформиране на първичната повърхност в електропроводима пореста въглеродна структура с определена графика.
Естествени полимери като дървесни влакна и хартиени нетъкани материали също могат да се използват като субстрати, които са гъвкави и леки. CNT се отлага върху хартия, за да образува гъвкав CNT хартиен електрод. Поради високата гъвкавост на хартиения субстрат и доброто разпределение на CNT, специфичният капацитет и мощността и плътността на енергията се променят с по-малко от 5% след огъване за 100 цикъла при радиус на огъване от 4,5 mm. В допълнение, поради по-високата механична якост и по-добрата химическа стабилност, бактериалните наноцелулозни хартии се използват и за направата на гъвкави суперкондензатори като касетофона Walkman.
производителност на суперкондензатор
Определя се по отношение наелектрохимична активност и химични кинетични свойства, а именно: кинетика на електрони и йони (транспорт) вътре в електродите и ефективността на скоростта на прехвърляне на заряд към електрода/електролита. Специфичната повърхност, електрическата проводимост, размерът на порите и разликите са важни за висока производителност при използване на въглеродни материали на базата на EDLC. Графенът със своята висока електрическа проводимост, голяма повърхност и междинна структура е привлекателен за използване в EDLC.
В случай на псевдокондензатори, въпреки че осигуряват превъзходен капацитет в сравнение с EDLC, те все още са ограничени по плътност от ниската мощност на CMOS чипа. Това се дължи на лошата електрическа проводимост, която ограничава бързото електронно движение. В допълнение, редокс процесът, който задвижва процеса на зареждане/разреждане, може да повреди електроактивните материали. Високата електрическа проводимост на графена и отличната му механична якост го правят подходящ като материал в псевдокондензатори.
Изследванията на адсорбцията върху графен показват, че тя се среща главно върху повърхността на графенови листове с достъп до големи пори (т.е. структурата на междинния слой е пореста, позволяваща лесен достъп до електролитни йони). По този начин трябва да се избягва агломерацията на непорьозен графен за по-добра производителност. Производителността може да бъде допълнително подобрена чрез модификация на повърхността чрез добавяне на функционални групи, хибридизация с електропроводими полимери и чрез образуване на графен/оксидни композитиметал.
Сравнение на кондензатор
Supercaps са идеални, когато е необходимо бързо зареждане за задоволяване на краткосрочни нужди от енергия. Хибридната батерия задоволява и двете нужди и намалява напрежението за по-дълъг живот. Таблицата по-долу показва сравнението на характеристиките и основните материали в кондензаторите.
| Електрически двуслоен кондензатор, обозначение на йонистор | Алуминиев електролитен кондензатор | Ni-cd батерия | Оловно запечатана батерия | |
| Използвайте температурен диапазон | -25 до 70°C | -55 до 125 °C | -20 до 60 °C | -40 до 60 °C |
| Електроди | Активен въглен | Алуминий | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Електролитна течност | Органичен разтворител | Органичен разтворител | KOH |
H2SO4 |
| Метод на електродвижещата сила | Използване на естествен електрически двуслоен ефект като диелектрик | Използване на алуминиев оксид като диелектрик | Използване на химическа реакция | Използване на химическа реакция |
| Замърсяване | Не | Не | CD | Pb |
| Брой цикли на зареждане/разреждане | > 100 000 пъти | > 100 000 пъти | 500 пъти | 200 до 1000 пъти |
| Капацитет на единица обем | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Характеристика на зареждане
Време за зареждане 1-10 секунди. Първоначалното зареждане може да бъде завършено много бързо, а горното зареждане ще отнеме допълнително време. Трябва да се има предвид ограничаването на пусковия ток при зареждане на празен суперкондензатор, тъй като той ще изтегли колкото е възможно повече. Суперкондензаторът не може да се презарежда и не изисква откриване на пълен заряд, токът просто спира да тече, когато е пълен. Сравнение на производителността между компресор за автомобил и Li-ion.
| Функция | Ionistor | Li-Ion (общо) |
| Време за зареждане | 1-10 секунди | 10-60 минути |
| Гледайте жизнен цикъл | 1 милион или 30 000 | 500 и нагоре |
| Напрежение | От 2, 3 до 2, 75B | 3, 6 B |
| Специфична енергия (W/kg) | 5 (типично) | 120-240 |
| Специфична мощност (W/kg) | До 10000 | 1000-3000 |
| Цена на kWh | $10 000 | 250-1000 $ |
| доживот | 10-15 години | от 5 до 10 години |
| Температура на зареждане | -40 до 65°C | 0 до 45 °C |
| Температура на изход | -40 до 65°C | -20 до 60°C |
Предимства на устройствата за зареждане
Превозните средства се нуждаят от допълнителен енергиен тласък, за да ускорят, и тук идват компресорите. Те имат ограничение на общия заряд, но са в състояние да го прехвърлят много бързо, което ги прави идеални батерии. Техните предимства пред традиционните батерии:
- Нисък импеданс (ESR) увеличава пренапрежения ток и натоварване, когато е свързан паралелно с батерията.
- Много висок цикъл - разреждането отнема милисекунди до минути.
- Спад на напрежението в сравнение с устройство, захранвано от батерии без суперкондензатор.
- Висока ефективност при 97-98%, а DC-DC ефективността в двете посоки е 80%-95% в повечето приложения, като напр.видеорекордер с йонистори.
- В 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 C до +70 C, но може да бъде от -50 C до +85 C, предлага се специални версии до 125 C.
- Малко количество топлина, генерирано по време на зареждане и разреждане.
- Дълъг живот на цикъла с висока надеждност, намаляване на разходите за поддръжка.
- Леко влошаване при стотици хиляди цикли и продължаващо до 20 милиона цикъла.
- Те губят не повече от 20% от капацитета си след 10 години и имат живот от 20 години или повече.
- Устойчив на износване.
- Не засяга дълбоките разряди като батерии.
- Повишена безопасност в сравнение с батериите - няма опасност от презареждане или експлозия.
- Не съдържа опасни материали за изхвърляне в края на експлоатационния им живот, за разлика от много батерии.
- Съответства на екологичните стандарти, така че няма сложно изхвърляне или рециклиране.
Технология за задържане
Суперкондензаторът се състои от два слоя графен с електролитен слой в средата. Филмът е здрав, изключително тънък и способен да освободи голямо количество енергия за кратък период от време, но въпреки това има някои нерешени проблеми, които задържат технологичния напредък в тази посока. Недостатъци на суперкондензатора пред акумулаторните батерии:
- Ниска енергийна плътност - обикновеноотнема от 1/5 до 1/10 от енергията на електрохимична батерия.
- Разреждане на линията - неизползване на пълния енергиен спектър, в зависимост от приложението, не е налична цялата енергия.
- Както при батериите, клетките са с ниско напрежение, изискват се серийни връзки и балансиране на напрежението.
- Саморазрядът често е по-висок от батериите.
- Напрежението варира в зависимост от натрупаната енергия - ефективно съхранение и възстановяване на енергия изисква сложно електронно оборудване за управление и превключване.
- Има най-високата диелектрична абсорбция от всички видове кондензатори.
- Горната температура на използване обикновено е 70 C или по-малко и рядко надвишава 85 C.
- Повечето съдържат течен електролит, който намалява размера, необходим за предотвратяване на неволно бързо изпускане.
- Висока цена на електроенергията на ват.
Хибридно съхранение
Специален дизайн и вградена технология на силова електроника са разработени за производство на кондензаторни модули с нова структура. Тъй като техните модули трябва да бъдат произведени по нови технологии, те могат да бъдат интегрирани в панелите на каросерията на автомобила като покрив, врати и капак на багажника. Освен това са изобретени нови технологии за балансиране на енергия, които намаляват загубите на енергия и размера на енергийните балансиращи вериги в системите за съхранение на енергия и устройства.
Разработена е и серия от свързани технологии, като контрол на зареждането иразреждане, както и връзки към други системи за съхранение на енергия. Суперкондензаторен модул с номинален капацитет 150F, номинално напрежение 50V може да бъде поставен върху плоски и извити повърхности с площ от 0,5 квадратни метра. м и дебелина 4 см. Приложения, приложими за електрически превозни средства и могат да бъдат интегрирани с различни части на превозното средство и други случаи, когато са необходими системи за съхранение на енергия.
Приложение и перспективи
В САЩ, Русия и Китай има автобуси без тягови акумулатори, цялата работа се извършва от йонистори. General Electric разработи пикап със суперкондензатор за смяна на батерията, подобно на това, което се случи в някои ракети, играчки и електрически инструменти. Тестовете показват, че суперкондензаторите превъзхождат оловно-киселинните батерии във вятърните турбини, което е постигнато без плътност на енергията на суперкондензаторите, доближаваща се до тази на оловно-киселинните батерии.
Сега е ясно, че суперкондензаторите ще заровят оловно-киселинните батерии през следващите няколко години, но това е само част от историята, тъй като те се подобряват по-бързо от конкуренцията. Доставчици като Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments и Skeleton Technologies заявиха, че надвишават енергийната плътност на оловно-киселинните батерии с техните суперкондензатори и супербактерии, някои от които теоретично съответстват на енергийната плътност на литиевите йони.
Въпреки това, йонисторът в електрическо превозно средство е един от аспектите на електрониката и електротехниката, коитоигнориран от пресата, инвеститорите, потенциалните доставчици и много хора, които живеят със стари технологии, въпреки бързия растеж на многомилиардния пазар. Например, за наземни, водни и въздушни превозни средства има около 200 големи производители на тягови двигатели и 110 основни доставчици на тягови батерии в сравнение с няколко производителя на суперкондензатори. Като цяло в света има не повече от 66 големи производители на йонистори, повечето от които са фокусирали производството си върху по-леки модели за потребителска електроника.
