Де застосовують іоністор? Типи ионисторов, їх призначення, переваги та недоліки

Іоністор – це електрохімічні конденсатори з подвійним шаром або суперконденсатори. Їх металеві електроди покриті дуже пористим активованим вугіллям, традиційно виготовленим з шкаралупи кокосового горіха, але найчастіше з вуглецевого аерогелю, інших нановуглецевих або графенових нанотрубок. Між цими електродами знаходиться пористий сепаратора, який утримує електроди один від одного, при намотуванні на спіраль, все це просякнуто електролітом. Деякі інноваційні форми ионистора мають твердий електроліт. Вони замінюють традиційні батареї в джерелах безперебійного живлення аж до вантажівок, де застосовують іоністор в якості джерела живлення.

Принцип роботи

Іоністор використовує дію подвійної прошарку, сформованого на кордоні між вугіллям і електролітом. Активоване вугілля застосовується в якості електрода в твердій формі, а електроліт в рідкою. Коли ці матеріали контактують один з одним, позитивні і негативні полюси розподіляються відносно один одного на дуже короткій відстані. При додатку електричного поля в якості основної конструкції використовується подвійний електричний шар, який утворюється поблизу поверхні вугілля в електролітичній рідини.


Перевага конструкції: Забезпечує ємність в невеликому пристрої, немає потреби в спеціальних схемах зарядки для контролю під час розрядки в пристроях, де застосовують іоністор. Перезарядка або надмірно часта розрядка не чинить негативного впливу на термін служби, як в типових батареях. Технологія надзвичайно «чиста» з точки зору екології. Немає проблем з нестабільними контактами, так у звичайних батарей. Недоліки конструкції: Тривалість роботи обмежена через використання електроліту в пристроях, де застосовують іоністор. Електроліт може протікати, якщо конденсатор експлуатується неправильно. Порівняно з алюмінієвими конденсаторами ці іоністори мають високі опору і тому не можуть використовуватися в ланцюгах змінного струму. Використовуючи переваги, описані вище, електричні іоністори широко застосовуються в таких додатках, як:


Резервування пам'яті для таймерів, програм, харчування е-мобіля і т. д. Відео та аудіо обладнання. Резервні джерела при заміні батарей для портативного електронного обладнання. Джерела живлення для обладнання, що використовує сонячні елементи, такі як годинник і індикатори. Стартери для малих та мобільних двигунів.

Окисно-відновні реакції

Акумулятор заряду розташований на межі розділу між електродом і електролітом. Під час процесу зарядки електрони, що рухаються від негативного електрода до позитивного по зовнішньому контуру. Під час розряду електрони і іони рухаються у зворотному напрямку. У суперконденсаторе EDLC немає переносу заряду. У цьому типі суперконденсатора окислювально-відновна реакція виникає на електроді, генеруючому заряди і перенесення заряду через подвійні шари конструкції, де застосовують іоністор. З-за окислювально-відновної реакції, що відбувається в цьому типі, існує потенціал з меншою щільністю потужності, ніж EDLC, оскільки системи Faradaic повільніше, ніж нефарадевидные системи. Як правило, псевдокапакторы забезпечують більш високу питому ємність і щільність енергії, ніж EDLC, з-за того, що вони відносяться до фарадеитовой системі. Тим не менш правильний вибір суперконденсатора залежить від програми та доступності.

Матеріали на основі графену

Іоністор характеризується здатністю швидкого заряду, набагато швидше, ніж у традиційної батареї, але він не здатний зберігати стільки ж енергії, як батарея, так як має більш низьку щільність енергії. Підвищення ефективності у них досягається завдяки використанню графенових і вуглецевих нанотрубок. Вони допоможуть в майбутньому іоністор повністю витіснити електрохімічні батареї. Нанотехнологія сьогодні є джерелом багатьох нововведень, особливо в е-мобілі. Графен збільшує ємність ионисторов. Цей революційний матеріал складається з аркушів, товщина яких може бути обмежена товщиною атома вуглецю і атомна структура якого є ультраплотной. Такі характеристики здатні замінити кремній в електроніці. Пористий сепаратор поміщається між двома електродами. Однак варіації механізму зберігання та вибір матеріалу електрода призводять до різних класифікаціях ионисторов великої ємності: Електрохімічні двошарові конденсатори (EDLC), які здебільшого використовують високовуглецеві вуглецеві електроди і зберігають свою енергію за рахунок швидкої адсорбції іонів на межі розділу електрод/електроліт. Psuedo-конденсатори, засновані на фагадическом процесі переносу заряду на поверхні електрода або поблизу нього. У цьому випадку проводять полімери і оксиди перехідних металів залишаються електрохімічними активними матеріалами,наприклад, в електронних годинниках на батарейках.

Гнучкі пристрої на основі полімерів

Іоністор набирає і зберігає енергію з високою швидкістю, утворюючи електрохімічні подвійні шари зарядів або за допомогою поверхневих окисно-відновних реакцій, що призводить до високої щільності потужності з тривалої циклічної стабільністю, низькою вартістю і захистом навколишнього середовища. PDMS і ПЕТ є в основному використовуються субстратами при реалізації гнучких суперконденсаторів. У разі плівки PDMS може створювати гнучкі і прозорі тонкоплівкові іоністори в годинник з високою циклічної стабільністю після 10000 циклів при вигині.
Одношарові вуглецеві нанотрубки можуть бути додатково включені в плівку PDMS для подальшого поліпшення механічною, електронною і термічної стабільності. Аналогічним чином проводять матеріали, такі як графен і УНТ, також покриваються плівкою ПЕТ для досягнення високої гнучкості, так і електропровідності. Крім ПДМС і ПЕТ інші полімерні матеріали привертають також зростаючі інтереси і синтезуються різними методами. Наприклад, локалізоване імпульсне лазерне опромінення використовувалося для швидкого перетворення первинної поверхні в електричну провідну пористу вуглецеву структуру із заданою графікою. Природні полімери, такі як неткані матеріали з деревних волокон і папери, також можуть використовуватися в якості підкладок, які є гнучкими і легкими. УНТ наноситься на папір для отримання гнучкого УНТ паперового електрода. З-за високої гнучкості паперової підкладки та гарного розподілу УНТ питома ємність і щільність потужності і енергії змінюється менш ніж на 5% після вигину на 100 циклів при радіусі вигину 45 мм. Крім того, з-за більш високої механічної міцності і кращої хімічної стабільності бактеріальні наноцеллюлозные папери також используться для виготовлення гнучких суперконденсаторів, наприклад для касетного плеєра walkman.

Продуктивність суперконденсаторів

Вона визначається з точки зору електрохімічної активності і хімічних кінетичних властивостей, а саме: електронної та іонної кінетикою (транспортуванням) всередині електродів і ефективністю швидкості переносу заряду на електрод/електроліт. Для високої продуктивності при використанні матеріалів на основі вуглецю з EDLC важлива питома площа поверхні, електропровідність, розмір пір і відмінності. Графен з його високою електропровідністю, великою площею поверхні і міжшарової структурою привабливий для використання в EDLC. У разі псевдоконденсаторов, незважаючи на те, що вони забезпечують чудову ємність у порівнянні з EDLC, вони все ж обмежені густинами малою потужністю мікросхеми кмоп. Це пояснюється поганою електропровідністю, що обмежує швидке електронне рух. Крім того, окислювально-відновний процес, який веде процес зарядки/розрядки, може пошкодити електроактивні матеріали. Висока електропровідність графену і його чудова механічна міцність роблять його придатним в якості матеріалу в псевдоконденсаторах.
Дослідження адсорбції на графені показали, що вона відбувається в основному на поверхні графенових листів з доступом до великим порам (тобто міжшарова структура є пористою, забезпечуючи легкий доступ до іонів електроліту). Таким чином, для кращої продуктивності слід уникати агломерації графену без пор. Продуктивність може бути поліпшена шляхом модифікації поверхні шляхом приєднання функціональних груп, гібридизації з електропровідними полімерами і шляхом утворення композитів графену/оксиду металу.

Порівняння конденсаторів

Іоністори ідеальні, коли потрібна швидка зарядка для задоволення короткострокових потреб у потужності. Гібридна батарея задовольняє обидві потреби і знижує напруга, що забезпечує більш тривалий термін служби. У наведеній нижче таблиці показано порівняння характеристик і основних матеріалів в конденсаторах.





Електричний двошаровий конденсатор, позначення ионистора



Алюмінієвий электролити-ческий конденсатор



Акумулятор Ni-cd



Свинцева герметична батарея



Використовувати діапазон температур



Від -25 до + 70 °C



-55 до 125 °C



-20 до 60 °C



Від -40 до + 60 °C



Електроди



Активоване вугілля



Алюміній



(+) NiOOH (-) Cd



(+) PbO 2 (-) Pb



Електролітична рідина



Органічний розчинник



Органічний розчинник



KOH



H 2 SO 4



Метод електрорушійної сили



Використання природного електричного двошарового ефекту в якості діелектрика



Використання оксиду алюмінію в якості діелектрика



Використання хімічної реакції



Використання хімічної реакції



Забруднення



Немає



Немає



CD



Pb



Кількість циклів зарядки /розрядки



> 100000 разів



> 100000 разів



500 разів



Від 200 до 1000 разів



Ємність на одиницю обсягу



1



1/1000



100



100

Характеристика заряду

Час заряду 1-10 секунд. Початковий заряд може бути виконаний дуже швидко, а заряд верхній частині займе додатковий час. Необхідно передбачити обмеження пускового струму при зарядці порожнього суперконденсатора, оскільки він буде витягувати все можливе. Іоністор не підлягає перезарядці і не вимагає виявлення повної зарядки, струм просто перестає текти при заповненні. Порівняння продуктивності між ионистором для автомобіля і Li-іоном.

Функція



Іоністор



Літій-іонний (загальний)



Час заряду



1-10 секунд



10-60 хвилин



Життєвий цикл годин



1 млн або 30000



500 і вище



Напруга



Від 23 до 275 У



36 В



Питома енергія (Вт /кг)



5 (типовий)



120-240



Питома потужність (Вт /кг)



До 10000



1000-3000



Вартість за квтг



10000 $



250-1000 $



Термін служби



10-15 років



Від 5 до 10 років



Температура зарядки



Від -40 до + 65 °C



Від 0 до 45 °C



Температура нагнітання



Від -40 до + 65 °C



Від -20 до 60 °C

Переваги пристроїв для зарядки

Транспортні засоби потребують додаткового енергетичному ривку для прискорення, і саме в цьому підходять іоністори. Вони мають обмеження загального заряду, але вони здатні передати його дуже швидко, що робить їх ідеальним акумуляторами. Переваги їх по відношенню до традиційних батарей: Низький імпеданс (ESR) збільшує імпульсний струм навантаження при паралельному з'єднанні з батареєю. Дуже високий цикл - розряд займає мілісекунди до декількох хвилин. Падіння напруги в порівнянні з пристроєм, працюючим від батареї, без суперконденсатора. Висока ефективність при 97-98%, а ефективність DC-DC в обох напрямках становить 80% -95% у більшості додатків, наприклад, відеореєстратора з ионисторами. У гібридному електричному транспортному засобі ефективність кругового руху на 10% більше, ніж у батареї. Добре працює в дуже широкому температурному діапазоні, зазвичай від -40 C до + 70 C, але може бути і від -50 C до + 85 C, є спеціальні версії, досягають 125 C. Невелика кількість тепла, що виділяється під час заряджання і розряджання. Тривалий термін служби циклу з високою надійністю, що знижує витрати на обслуговування. Невелика деградація протягом сотень тисяч циклів і триває до 20 мільйонів циклів. Вони втрачають не більше 20% своєї ємності після 10 років, а тривалість життя становить 20 років і більше. Не схильні до зносу і старіння. Не впливає на глибокі розряди, на відміну від батарей. Підвищена безпека порівняно з батареями - немає небезпеки перезарядження або вибуху. В кінці експлуатації не містить небезпечних матеріалів для видалення, на відміну від багатьох батарей. Відповідає екологічним стандартам, тому немає складної утилізації або переробки.

Стримуюча технологія

Суперконденсатор складається з двох шарів графену з шаром електроліту посередині. Плівка сильна, надзвичайно тонка і здатна випустити велику кількість енергії за короткий проміжок часу, але тим не менш, є певні поки невирішені проблеми, які стримують технічний прогрес в цьому напрямку. Недоліки ионистора перед елементами, що перезаряджаються батареями: Низька щільність енергії - зазвичай займає від 1/5 до 1/10 енергії електрохімічної батареї. Лінійний розряд - нездатність використовувати повний енергетичний спектр, залежно від застосування, доступною не вся енергія. Як і у випадку з батареями, осередки мають низьку напругу, необхідні послідовні з'єднання і балансування напруги. Саморозряд часто вище, ніж в акумуляторів. Напруга змінюється із збереженою енергією для ефективного зберігання та відновлення енергії потрібно складний електронний контрольно-комутаційне обладнання. Володіє найвищим діелектричним поглинанням з усіх типів конденсаторів. Верхня температура використання зазвичай становить 70 C або менше і рідко перевищує 85 C. Більшість з них містять рідкий електроліт, що зменшує розмір, необхідний для запобігання ненавмисного швидкого розряду. Висока вартість електроенергії на ват.

Гібридна система зберігання

Спеціальна конструкція і вбудовані технології силової електроніки були розроблені для виробництва модулів ионисторов з новою структурою. Оскільки їх модулі повинні бути виготовлені з використанням нових технологій, вони можуть бути інтегровані в панелі кузова автомобіля, такі як дах, двері і кришка багажника. Крім того, були винайдені нові технології балансування енергії, які зменшують втрати енергії і розміри схем балансування енергії в системах пристроїв і зберігання енергії. Також були розроблені серії пов'язаних технологій, таких як контроль зарядки і розрядки, а також з'єднання з іншими системами зберігання енергії. Модуль ионистора з номінальною ємністю 150F, номінальною напругою 50 В може бути розміщений на плоских та криволінійних поверхнях з площею поверхні 05 кв. м і товщиною 4 див. Додатки застосовно до електромобілів і може бути інтегрована з різними частинами транспортного засобу і до інших випадків, коли потрібні системи зберігання енергії.

Застосування і перспективи

У США, Росії та Китаї є автобуси без тягових батарей, всі роботи виконуються ионисторами. General Electric розробила пікап з суперконденсатором, замінюючим акумулятор, аналогічне сталося в деяких ракетах, іграшках і електроінструментах. Випробування показали, що суперконденсатори перевершують свинцево-кислотні батареї у вітрових турбінах, що було досягнуто без щільності енергії суперконденсаторів, що наближається до концентрації свинцево-кислотних батарей. Тепер очевидно, що іоністори поховають свинцево-кислотні батареї протягом наступних декількох років, але це лише частина історії, оскільки їх параметри поліпшуються швидше, ніж конкуренція. Постачальники, такі як Elbit Systems , Графен Energy, Nanotech Instruments і Skeleton Technologies, заявили, що перевищують щільність енергії свинцево-кислотних акумуляторів з їх суперконденсаторами і супербактериями, деякі з яких теоретично відповідають щільності енергії літій-іонів. Тим не менш, іоністор в електромобілі - це один з аспектів електроніки та електротехніки, який ігнорується пресою, інвесторами, потенційними постачальниками та багатьма людьми, що живуть старими технологіями, незважаючи на стрімке зростання багатомільярдного ринку. Наприклад, для наземних, водних і повітряно апаратів налічується близько 200 серйозних виробників тягових двигунів і 110 серйозних постачальників тягових батарей в порівнянні з декількома виробниками суперконденсаторів. В цілому у світі налічується не більше 66 великих виробників ионисторов, більшість з яких зосередили своє виробництво на більш легких моделях для споживчої електроніки.