Ionistor is dubbellaag elektrochemiese kapasitors of superkapasitors. Hul metaalelektrodes is bedek met hoogs poreuse geaktiveerde koolstof, tradisioneel gemaak van klapperdoppe, maar meestal van koolstof-aerogel, ander nanokoolstof of grafeen-nanobuise. Tussen hierdie elektrodes is 'n poreuse skeier wat die elektrodes uitmekaar hou, wanneer dit op 'n spiraal gewikkel word, word dit alles met elektroliet geïmpregneer. Sommige innoverende vorme van ionistor het 'n soliede elektroliet. Hulle vervang tradisionele batterye in ononderbroke kragtoevoer tot by vragmotors, waar hulle 'n superaanjaer as 'n kragbron gebruik.
Werkbeginsel
Die ionistor gebruik die werking van 'n dubbellaag wat by die raakvlak tussen steenkool en elektroliet gevorm word. Geaktiveerde koolstof word as 'n elektrode in vaste vorm gebruik, en elektroliet in vloeibare vorm. Wanneer hierdie materiale in kontak met mekaar is, word die positiewe en negatiewe pole relatief tot mekaar versprei deurbaie kort afstand. Wanneer 'n elektriese veld toegedien word, word die elektriese dubbellaag wat naby die oppervlak van die koolstof in die elektrolitiese vloeistof vorm as die hoofstruktuur gebruik.
Ontwerpvoordeel:
- Voorsien kapasitansie in 'n klein toestel, geen behoefte aan spesiale laaikringe om te beheer tydens ontlading in superaangejaagde toestelle nie.
- Herlaai of oorontlaai beïnvloed nie batterylewe nadelig soos met tipiese batterye nie.
- Tegnologie is uiters "skoon" in terme van ekologie.
- Geen probleme met onstabiele kontakte soos gewone batterye nie.
Ontwerpfoute:
- Die duur van werking is beperk as gevolg van die gebruik van elektroliet in toestelle wat 'n superkapasitor gebruik.
- Elektroliet kan lek as die kapasitor nie behoorlik onderhou word nie.
- In vergelyking met aluminium kapasitors, het hierdie kapasitors hoë weerstande en kan dus nie in AC stroombane gebruik word nie.
Deur die voordele hierbo beskryf te gebruik, word elektriese kapasitors wyd gebruik in toepassings soos:
- Behou geheue vir timers, programme, e-mobiele krag, ens.
- Video- en oudiotoerusting.
- Rugsteunbronne wanneer batterye vir draagbare elektroniese toerusting vervang word.
- Kragtoevoer vir sonkrag-aangedrewe toerusting soos horlosies en aanwysers.
- Starters vir klein en mobiele enjins.
Redox-reaksies
Die ladingakkumulator is by die koppelvlak tussen die elektrode en die elektroliet geleë. Tydens die laaiproses beweeg elektrone van die negatiewe elektrode na die positiewe elektrode langs die buitenste stroombaan. Tydens ontlading beweeg elektrone en ione in die teenoorgestelde rigting. Daar is geen ladingoordrag in 'n EDLC-superkapasitor nie. In hierdie tipe superkapasitor vind 'n redoksreaksie by die elektrode plaas, wat ladings genereer en die lading deur die dubbellae van die konstruksie dra, waar 'n ionistor gebruik word.
As gevolg van die redoksreaksie wat in hierdie tipe voorkom, is daar 'n potensiaal vir laer drywingsdigtheid as EDLC omdat Faradaic stelsels stadiger is as nie-faradaic stelsels. As 'n algemene reël bied pseudokapaktors hoër spesifieke kapasitansie en energiedigtheid as EDLC's as gevolg van die feit dat hulle van die faraday-stelsel is. Die korrekte keuse van superkapasitor hang egter af van die toepassing en beskikbaarheid.
Grafeen-gebaseerde materiale
Die superkapasitor word gekenmerk deur die vermoë om vinnig te laai, baie vinniger as 'n tradisionele battery, maar dit is nie in staat om soveel energie soos 'n battery te stoor nie, want dit het 'n laer energiedigtheid. Hul doeltreffendheidverhoging word bereik deur die gebruik van grafeen en koolstofnanobuise. Hulle sal in die toekoms ionistors help om elektrochemiese batterye heeltemal te vervang. Nanotegnologie vandag is die bron van baieinnovasies, veral in e-mobiele.
Grafeen verhoog die kapasitansie van superkapasitors. Hierdie revolusionêre materiaal bestaan uit velle waarvan die dikte deur die dikte van die koolstofatoom beperk kan word en waarvan die atoomstruktuur ultra-dig is. Sulke eienskappe kan silikon in elektronika vervang. 'n Poreuse skeier word tussen twee elektrodes geplaas. Variasies in die bergingsmeganisme en die keuse van elektrodemateriaal lei egter tot verskillende klassifikasies van hoëkapasiteit superkapasitors:
- Elektrochemiese dubbellaagkapasitors (EDLC), wat meestal hoëkoolstofelektrodes gebruik en hul energie stoor deur ione vinnig by die elektrode/elektroliet-koppelvlak te adsorbeer.
- Psuedo-kapasitors is gebaseer op die fagiese proses van ladingoordrag by of naby die elektrode-oppervlak. In hierdie geval bly geleidende polimere en oorgangsmetaaloksiede elektrochemies aktiewe materiale, soos dié wat in battery-aangedrewe elektroniese horlosies voorkom.
Buigsame polimeertoestelle
Die superkapasitor verkry en berg energie teen 'n hoë tempo deur die vorming van dubbele lae van elektrochemiese lading of deur oppervlakredoksreaksies, wat lei tot hoë drywingsdigtheid met langtermyn sikliese stabiliteit, lae koste en omgewingsbeskerming. PDMS en PET is die mees gebruikte substrate in die implementering van buigsame superkapasitors. In die geval van film, kan PDMS buigsame en skepdeursigtige dunfilmionistors in horlosies met hoë sikliese stabiliteit na 10 000 buigsiklusse.
Enkelwandige koolstofnanobuise kan verder in die PDMS-film geïnkorporeer word om meganiese, elektroniese en termiese stabiliteit verder te verbeter. Net so word geleidende materiale soos grafeen en CNT's ook met PET-film bedek om beide hoë buigsaamheid en elektriese geleidingsvermoë te bereik. Benewens PDMS en PET, lok ander polimeriese materiale ook toenemende belangstelling en word dit deur verskeie metodes gesintetiseer. Byvoorbeeld, gelokaliseerde gepulseerde laserbestraling is gebruik om die primêre oppervlak vinnig in 'n elektries geleidende poreuse koolstofstruktuur met gespesifiseerde grafika te transformeer.
Natuurlike polimere soos houtvesel en papier-niegeweefde stowwe kan ook as substrate gebruik word, wat buigsaam en liggewig is. Die CNT word op papier neergesit om 'n buigsame CNT-papierelektrode te vorm. As gevolg van die hoë buigsaamheid van die papiersubstraat en die goeie verspreiding van CNT'e, verander die spesifieke kapasitansie en drywing en energiedigtheid met minder as 5% na buiging vir 100 siklusse by 'n buigradius van 4,5 mm. As gevolg van hoër meganiese sterkte en beter chemiese stabiliteit, word bakteriële nanosellulose papiere ook gebruik om buigsame superkapasitors soos die walkman-kassetspeler te maak.
Superkapasitor-prestasie
Dit word gedefinieer in terme vanelektrochemiese aktiwiteit en chemiese kinetiese eienskappe, naamlik: elektron- en ioonkinetika (vervoer) binne die elektrodes en die doeltreffendheid van die tempo van ladingoordrag na die elektrode/elektroliet. Spesifieke oppervlakarea, elektriese geleidingsvermoë, porieëgrootte en verskille is belangrik vir hoë werkverrigting wanneer EDLC-gebaseerde koolstofmateriale gebruik word. Grafeen, met sy hoë elektriese geleidingsvermoë, groot oppervlakte en tussenlaagstruktuur, is aantreklik vir gebruik in EDLC.
In die geval van pseudokapasitors, hoewel hulle uitstekende kapasitansie bied in vergelyking met EDLC's, word hulle steeds in digtheid beperk deur die lae krag van die CMOS-skyfie. Dit is as gevolg van swak elektriese geleidingsvermoë, wat vinnige elektroniese beweging beperk. Daarbenewens kan die redoksproses wat die lading-/ontladingsproses dryf, elektroaktiewe materiale beskadig. Die hoë elektriese geleidingsvermoë van grafeen en sy uitstekende meganiese sterkte maak dit geskik as 'n materiaal in pseudokapasitors.
Studies van adsorpsie op grafeen het getoon dat dit hoofsaaklik op die oppervlak van grafeenplate voorkom met toegang tot groot porieë (dws die tussenlaagstruktuur is poreus, wat maklike toegang tot elektrolie-ione moontlik maak). Dus, nie-poreuse grafeen agglomerasie moet vermy word vir beter prestasie. Werkverrigting kan verder verbeter word deur oppervlakmodifikasie deur funksionele groeptoevoeging, hibridisasie met elektries geleidende polimere, en deur vorming van grafeen/oksied-komposietemetaal.
kapasitorvergelyking
Supercaps is ideaal wanneer vinnige laai nodig is om aan korttermyn-kragbehoeftes te voldoen. Die hibriede battery voldoen aan beide behoeftes en verlaag die spanning vir langer lewe. Die tabel hieronder toon die vergelyking van eienskappe en hoofmateriale in kapasitors.
| Elektriese dubbellaagkapasitor, ionistor-benaming | Aluminium elektrolitiese kapasitor | Ni-cd-battery | Lood-verseëlde battery | |
| Gebruik temperatuurreeks | -25 tot 70°C | -55 tot 125 °C | -20 tot 60 °C | -40 tot 60 °C |
| Elektrodes | Geaktiveerde koolstof | Aluminium | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Elektrolitiese vloeistof | Organiese oplosmiddel | Organiese oplosmiddel | KOH |
H2SO4 |
| Elektromotoriese kragmetode | Gebruik natuurlike elektriese dubbellaag-effek as diëlektriese | Gebruik van aluminiumoksied as 'n diëlektrikum | Gebruik van 'n chemiese reaksie | Gebruik van 'n chemiese reaksie |
| Besoedeling | Nee | Nee | CD | Pb |
| Aantal laai-/ontladingsiklusse | > 100 000 keer | > 100 000 keer | 500 keer | 200 tot 1000 keer |
| Kapasiteit per volume-eenheid | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Laai-kenmerk
Laaityd 1-10 sekondes. Die aanvanklike heffing kan baie vinnig voltooi word en die boonste heffing sal ekstra tyd neem. Oorweging moet gegee word om die aanloopstroom te beperk wanneer 'n leë superkapasitor gelaai word, aangesien dit soveel as moontlik sal trek. Die superkapasitor is nie herlaaibaar nie en vereis nie volle lading-detectie nie, die stroom hou eenvoudig op vloei wanneer dit vol is. Werkverrigtingvergelyking tussen aanjaer vir motor en Li-ioon.
| Funksie | Ionistor | Li-Ion (algemeen) |
| Laaityd | 1-10 sekondes | 10-60 minute |
| Kyk lewensiklus | 1 miljoen of 30 000 | 500 en hoër |
| Voltage | Van 2, 3 tot 2, 75B | 3, 6 B |
| Spesifieke energie (W/kg) | 5 (tipies) | 120-240 |
| Spesifieke krag (W/kg) | Tot 10 000 | 1000-3000 |
| Koste per kWh | $10 000 | 250-1 000 $ |
| Leeftyd | 10-15 jaar | 5 tot 10 jaar oud |
| Laaitemperatuur | -40 tot 65°C | 0 tot 45 °C |
| Ontladingstemperatuur | -40 tot 65°C | -20 tot 60°C |
Voordele van laaitoestelle
Voertuie het 'n ekstra energie-hupstoot nodig om te versnel, en dit is waar superaanjaers inkom. Hulle het 'n beperking op die totale lading, maar hulle kan dit baie vinnig oordra, wat hulle ideale batterye maak. Hul voordele bo tradisionele batterye:
- Lae impedansie (ESR) verhoog stuwingstroom en las wanneer dit in parallel met battery gekoppel is.
- Baie hoë siklus - ontlading neem millisekondes tot minute.
- Spanningsdaling in vergelyking met batteryaangedrewe toestel sonder superkapasitor.
- Hoë doeltreffendheid teen 97-98%, en DC-DC doeltreffendheid in beide rigtings is 80%-95% in die meeste toepassings, soosvideo-opnemer met ionistors.
- In 'n hibriede elektriese voertuig is die doeltreffendheid van die rotonde 10% groter as dié van 'n battery.
- Werk goed oor 'n baie wye temperatuurreeks, tipies -40 C tot +70 C, maar kan van -50 C tot +85 C wees, spesiale weergawes beskikbaar tot 125 C.
- Klein hoeveelheid hitte wat tydens laai en ontlaai gegenereer word.
- Lang sikluslewe met hoë betroubaarheid, wat instandhoudingskoste verminder.
- Effense agteruitgang oor honderdduisende siklusse en duur tot 20 miljoen siklusse.
- Hulle verloor nie meer as 20% van hul kapasiteit na 10 jaar nie, en het 'n leeftyd van 20 jaar of meer.
- Weerstand teen slytasie.
- Beïnvloed nie diep ontladings soos batterye nie.
- Verhoogde veiligheid in vergelyking met batterye - geen gevaar van oorlaai of ontploffing nie.
- Bevat geen gevaarlike materiale om weg te gooi aan die einde van die lewe nie, anders as baie batterye.
- Voldoen aan omgewingstandaarde, so daar is geen ingewikkelde wegdoening of herwinning nie.
Beperkingstegnologie
Die superkapasitor bestaan uit twee lae grafeen met 'n elektrolietlaag in die middel. Die film is sterk, uiters dun en in staat om 'n groot hoeveelheid energie in 'n kort tydjie vry te stel, maar nietemin is daar sekere onopgeloste probleme wat tegnologiese vooruitgang in hierdie rigting terughou. Nadele van superkapasitor bo herlaaibare batterye:
- Lae energiedigtheid - gewoonlikneem van 1/5 tot 1/10 van die energie van 'n elektrochemiese battery.
- Lynontlading - versuim om die volle energiespektrum te gebruik, afhangend van die toepassing, is nie alle energie beskikbaar nie.
- Soos met batterye, is selle met lae spanning, reeksverbindings en spanningsbalansering word vereis.
- Selfontlading is dikwels hoër as batterye.
- Voltage wissel met gestoorde energie - doeltreffende berging en herwinning van energie vereis gesofistikeerde elektroniese beheer- en skakeltoerusting.
- Het die hoogste diëlektriese absorpsie van alle soorte kapasitors.
- Die boonste gebruikstemperatuur is gewoonlik 70 C of minder en oorskry selde 85 C.
- Die meeste bevat 'n vloeibare elektroliet wat die grootte verminder wat nodig is om onbedoelde vinnige ontlading te voorkom.
- Hoë koste van elektrisiteit per watt.
Hibriedberging
Spesiale ontwerp en ingebedde tegnologie van kragelektronika is ontwikkel om kapasitormodules met nuwe struktuur te vervaardig. Aangesien hul modules met nuwe tegnologie vervaardig moet word, kan hulle geïntegreer word in motorbakpanele soos die dak, deure en bagasiebakdeksel. Daarbenewens is nuwe energiebalanseringstegnologieë uitgevind wat energieverliese en die grootte van energiebalanseringskringe in energieberging en toestelstelsels verminder.
'n Reeks verwante tegnologieë is ook ontwikkel, soos laaibeheer enontlading, asook verbindings met ander energiebergingstelsels. 'n Superkapasitormodule met 'n nominale kapasiteit van 150F, 'n nominale spanning van 50V kan op plat en geboë oppervlaktes met 'n oppervlakte van 0,5 vierkante meter geplaas word. m en 4 cm dik Toepassings van toepassing op elektriese voertuie en kan geïntegreer word met verskeie dele van die voertuig en ander gevalle waar energiebergingstelsels benodig word.
Toepassing en perspektiewe
In die VSA, Rusland en China is daar busse sonder trekkragbatterye, alle werk word deur ionistors gedoen. General Electric het 'n bakkie met 'n superkapasitor ontwikkel om die battery te vervang, soortgelyk aan wat in sommige vuurpyle, speelgoed en elektriese gereedskap gebeur het. Toetse het getoon dat superkapasitors beter presteer as loodsuurbatterye in windturbines, wat behaal is sonder dat superkapasitor-energiedigtheid dié van loodsuurbatterye nader.
Dit is nou duidelik dat superkapasitors loodsuurbatterye oor die volgende paar jaar sal begrawe, maar dit is net deel van die storie, want hulle verbeter vinniger as die kompetisie. Verskaffers soos Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments en Skeleton Technologies het gesê hulle oorskry die energiedigtheid van loodsuurbatterye met hul superkapasitors en superbugs, waarvan sommige teoreties ooreenstem met die energiedigtheid van litiumione.
Die ionistor in 'n elektriese voertuig is egter een van die aspekte van elektronika en elektriese ingenieurswese watgeïgnoreer deur die pers, beleggers, potensiële verskaffers, en baie mense wat saamleef met ou tegnologie, ten spyte van die vinnige groei van die multi-miljard dollar mark. Byvoorbeeld, vir land-, water- en lugvoertuie is daar ongeveer 200 groot vervaardigers van traksiemotors en 110 groot verskaffers van traksiebatterye in vergelyking met enkele vervaardigers van superkapasitors. Oor die algemeen is daar nie meer as 66 groot vervaardigers van ionistors in die wêreld nie, waarvan die meeste hul produksie op ligter modelle vir verbruikerselektronika gefokus het.
