Kje se uporablja ionstor? Vrste ionistorjev, njihov namen, prednosti in slabosti

Kazalo:

Kje se uporablja ionstor? Vrste ionistorjev, njihov namen, prednosti in slabosti
Kje se uporablja ionstor? Vrste ionistorjev, njihov namen, prednosti in slabosti
Anonim

Ionistor so dvoslojni elektrokemični kondenzatorji ali superkondenzatorji. Njihove kovinske elektrode so prevlečene z zelo poroznim aktivnim ogljem, ki je tradicionalno izdelan iz kokosovih lupin, najpogosteje pa iz ogljikovega aerogela, drugih nanokarbonskih ali grafenskih nanocevk. Med temi elektrodami je porozen separator, ki drži elektrode narazen, ko je navit na spiralo, je vse to prepojeno z elektrolitom. Nekatere inovativne oblike ionstorja imajo trden elektrolit. Nadomeščajo tradicionalne baterije v neprekinjenem napajanju do tovornjakov, kjer kot vir energije uporabljajo polnilnik.

Načelo dela

Načelo delovanja
Načelo delovanja

Ionistor uporablja delovanje dvojne plasti, ki nastane na vmesniku med premogom in elektrolitom. Aktivno oglje se uporablja kot elektroda v trdni obliki, elektrolit pa v tekoči obliki. Ko so ti materiali v stiku drug z drugim, se pozitivni in negativni pol porazdelita drug glede na drugegazelo kratka razdalja. Pri uporabi električnega polja se kot glavna struktura uporablja dvojna električna plast, ki nastane blizu površine ogljika v elektrolitski tekočini.

prednost oblikovanja:

  1. Zagotavlja kapacitivnost v majhni napravi, ni potrebe po posebnih polnilnih vezjih za nadzor med praznjenjem v napravah s preobremenjenim polnjenjem.
  2. Ponovno polnjenje ali prekomerno praznjenje ne vpliva negativno na življenjsko dobo baterije kot pri običajnih baterijah.
  3. Tehnologija je izredno "čista" v smislu ekologije.
  4. Ni težav z nestabilnimi kontakti, kot so običajne baterije.

Napake v oblikovanju:

  1. Trajanje delovanja je omejeno zaradi uporabe elektrolita v napravah, ki uporabljajo superkondenzator.
  2. Elektrolit lahko pušča, če kondenzator ni pravilno vzdrževan.
  3. V primerjavi z aluminijastimi kondenzatorji imajo ti kondenzatorji visoko upornost in jih zato ni mogoče uporabiti v izmeničnih tokokrogih.

Z uporabo zgoraj opisanih prednosti se električni kondenzatorji pogosto uporabljajo v aplikacijah, kot so:

  1. Rezerviranje pomnilnika za časovnike, programe, napajanje e-mobilnega telefona itd.
  2. Video in avdio oprema.
  3. Rezervni viri pri zamenjavi baterij za prenosno elektronsko opremo.
  4. Napajalniki za opremo na sončno energijo, kot so ure in indikatorji.
  5. Zaganjalniki za majhne in mobilne motorje.

redoks reakcije

Redoks reakcije
Redoks reakcije

Akumulator naboja se nahaja na vmesniku med elektrodo in elektrolitom. Med postopkom polnjenja se elektroni premikajo od negativne elektrode do pozitivne elektrode vzdolž zunanjega vezja. Med praznjenjem se elektroni in ioni premikajo v nasprotni smeri. V superkondenzatorju EDLC ni prenosa naboja. Pri tej vrsti superkondenzatorja se na elektrodi pojavi redoks reakcija, ki ustvarja naboje in prenaša naboj skozi dvojne plasti konstrukcije, kjer se uporablja ionstor.

Zaradi redoks reakcije, ki se pojavi pri tej vrsti, obstaja možnost za nižjo gostoto moči kot EDLC, ker so Faradaični sistemi počasnejši od nefaradaičnih sistemov. Na splošno psevdokapaktorji zagotavljajo višjo specifično kapacitivnost in gostoto energije kot EDLC zaradi dejstva, da so iz faradayevega sistema. Vendar pa je pravilna izbira superkondenzatorja odvisna od uporabe in razpoložljivosti.

materiali na osnovi grafena

Materiali na osnovi grafena
Materiali na osnovi grafena

Za superkondenzator je značilna zmožnost hitrega polnjenja, veliko hitrejšega od običajne baterije, vendar ni sposoben shraniti toliko energije kot baterija, ker ima nižjo energijsko gostoto. Njihovo povečanje učinkovitosti je doseženo z uporabo grafena in ogljikovih nanocevk. V prihodnosti bodo ionisti pomagali popolnoma zamenjati elektrokemične baterije. Nanotehnologija je danes vir mnogihinovacije, zlasti v e-mobilnem telefonu.

Grafen poveča kapacitivnost superkondenzatorjev. Ta revolucionarni material je sestavljen iz listov, katerih debelina je lahko omejena z debelino ogljikovega atoma in katerih atomska struktura je ultra gosta. Takšne lastnosti lahko nadomestijo silicij v elektroniki. Porozni separator je nameščen med dvema elektrodama. Vendar pa razlike v shranjevalnem mehanizmu in izbiri materiala elektrode vodijo do različnih klasifikacij superkondenzatorjev velike zmogljivosti:

  1. Elektrokemični dvoslojni kondenzatorji (EDLC), ki večinoma uporabljajo ogljikove elektrode z visoko vsebnostjo ogljika in hranijo svojo energijo s hitro adsorbiranjem ionov na vmesniku elektroda/elektrolit.
  2. Psuedo-kondenzatorji temeljijo na fagičnem procesu prenosa naboja na ali blizu površine elektrode. V tem primeru ostanejo prevodni polimeri in oksidi prehodnih kovin elektrokemično aktivni materiali, kot so tisti v elektronskih urah na baterije.

Fleksibilne polimerne naprave

Fleksibilne naprave na osnovi polimerov
Fleksibilne naprave na osnovi polimerov

Superkondenzator pridobiva in shranjuje energijo z visoko hitrostjo z tvorbo dvojnih plasti elektrokemičnega naboja ali s površinskimi redoks reakcijami, kar ima za posledico visoko gostoto moči z dolgotrajno ciklično stabilnostjo, nizkimi stroški in zaščito okolja. PDMS in PET sta najpogosteje uporabljena substrata pri izvedbi fleksibilnih superkondenzatorjev. V primeru filma lahko PDMS ustvari fleksibilne inprozorni tankoslojni ionizatorji v urah z visoko ciklično stabilnostjo po 10.000 gibkih ciklov.

Enostenske ogljikove nanocevke se lahko dodatno vgradijo v PDMS film za nadaljnje izboljšanje mehanske, elektronske in toplotne stabilnosti. Podobno so prevodni materiali, kot so grafen in CNT, tudi prevlečeni s PET filmom, da se doseže visoka prožnost in električna prevodnost. Poleg PDMS in PET se vse bolj zanimajo tudi drugi polimerni materiali, ki se sintetizirajo z različnimi metodami. Na primer, lokalno impulzno lasersko obsevanje je bilo uporabljeno za hitro preoblikovanje primarne površine v električno prevodno porozno ogljikovo strukturo z določeno grafiko.

Naravni polimeri, kot so lesna vlakna in papirni netkani materiali, se lahko uporabljajo tudi kot podlage, ki so fleksibilne in lahke. CNT se nanese na papir, da tvori fleksibilno CNT papirno elektrodo. Zaradi visoke fleksibilnosti papirnega substrata in dobre porazdelitve CNT se specifična kapacitivnost ter moč in gostota energije spremenijo za manj kot 5 % po 100 ciklih upogibanja pri polmeru upogiba 4,5 mm. Poleg tega se zaradi večje mehanske trdnosti in boljše kemične stabilnosti bakterijski nanocelulozni papir uporabljajo tudi za izdelavo fleksibilnih superkondenzatorjev, kot je kasetofon walkman.

zmogljivost superkondenzatorja

Učinkovitost superkondenzatorjev
Učinkovitost superkondenzatorjev

Določeno je v smisluelektrokemijska aktivnost in kemijske kinetične lastnosti, in sicer: elektronska in ionska kinetika (transport) znotraj elektrod ter učinkovitost hitrosti prenosa naboja na elektrodo/elektrolit. Specifična površina, električna prevodnost, velikost por in razlike so pomembne za visoko zmogljivost pri uporabi ogljikovih materialov na osnovi EDLC. Grafen je s svojo visoko električno prevodnostjo, veliko površino in vmesno strukturo privlačen za uporabo v EDLC.

V primeru psevdokondenzatorjev, čeprav zagotavljajo večjo kapacitivnost v primerjavi z EDLC, so gostota še vedno omejena zaradi nizke moči CMOS čipa. To je posledica slabe električne prevodnosti, ki omejuje hitro elektronsko gibanje. Poleg tega lahko redoks proces, ki poganja proces polnjenja/praznjenja, poškoduje elektroaktivne materiale. Zaradi visoke električne prevodnosti grafena in njegove odlične mehanske trdnosti je primeren kot material v psevdokondenzatorjih.

Študije adsorpcije na grafenu so pokazale, da se pojavlja predvsem na površini grafenskih listov z dostopom do velikih por (tj. vmesna struktura je porozna, kar omogoča enostaven dostop do ionov elektrolita). Zato se je treba za boljše delovanje izogibati aglomeraciji neporoznega grafena. Učinkovitost se lahko dodatno izboljša z modifikacijo površine z dodatkom funkcionalnih skupin, hibridizacijo z električno prevodnimi polimeri in z tvorbo kompozitov grafena/oksida.kovina.

Primerjava kondenzatorjev

Primerjava kondenzatorjev
Primerjava kondenzatorjev

Supercapsi so idealni, ko je za izpolnjevanje kratkoročnih potreb po energiji potrebno hitro polnjenje. Hibridna baterija zadosti obema potrebam in znižuje napetost za daljšo življenjsko dobo. Spodnja tabela prikazuje primerjavo lastnosti in glavnih materialov v kondenzatorjih.

Električni dvoslojni kondenzator, oznaka ionstorja Aluminijev elektrolitski kondenzator Ni-cd baterija svinčena zatesnjena baterija
Uporabi temperaturno območje -25 do 70°C -55 do 125 °C -20 do 60 °C -40 do 60 °C
Elektrode Aktivno oglje aluminij (+) NiOOH (-) Cd

(+) PbO2 (-) Pb

elektrolitska tekočina organsko topilo organsko topilo KOH

H2SO4

metoda elektromotorne sile Uporaba naravnega električnega dvoslojnega učinka kot dielektrika Uporaba aluminijevega oksida kot dielektrika Uporaba kemične reakcije Uporaba kemične reakcije
Onesnaževanje Ne Ne CD Pb
Število ciklov polnjenja/praznjenja > 100.000-krat > 100.000-krat 500-krat 200 do 1000-krat
Zmogljivost na enoto prostornine 1 1/1000 100 100

Značilnost polnjenja

Čas polnjenja 1-10 sekund. Začetno polnjenje se lahko zaključi zelo hitro, zgornje polnjenje pa bo trajalo dodaten čas. Pri polnjenju praznega superkondenzatorja je treba razmisliti o omejevanju zagonskega toka, saj bo potegnil čim več. Superkondenzatorja ni mogoče polniti in ne zahteva zaznavanja polne napolnjenosti, tok preprosto preneha teči, ko je poln. Primerjava zmogljivosti med kompresorjem za avtomobile in litij-ionskim polnilnikom.

funkcija Ionistor Li-Ion (splošno)
Čas polnjenja 1-10 sekund 10-60 minut
Oglejte si življenjski cikel 1 milijon ali 30.000 500 in več
Napetost Od 2, 3 do 2, 75B 3, 6 B
Specifična energija (W/kg) 5 (običajno) 120-240
Specifična moč (W/kg) Do 10000 1000-3000
Cena na kWh 10.000 $ 250-1000 $
Življenjska doba 10-15 let od 5 do 10 let
Temperatura polnjenja -40 do 65°C 0 do 45 °C
temperatura izpusta -40 do 65°C -20 do 60°C

Prednosti polnilnih naprav

Vozila potrebujejo dodatno energijo za pospeševanje in tu pridejo na vrsto kompresorji. Imajo omejitev skupne napolnjenosti, vendar jo lahko zelo hitro prenesejo, zaradi česar so idealne baterije. Njihove prednosti pred tradicionalnimi baterijami:

  1. Nizka impedanca (ESR) poveča udarni tok in obremenitev, ko je vzporedno povezana z baterijo.
  2. Zelo visok cikel - praznjenje traja od milisekund do minut.
  3. Padec napetosti v primerjavi z baterijsko napravo brez superkondenzatorja.
  4. Visoka učinkovitost pri 97-98%, učinkovitost DC-DC v obe smeri pa je 80%-95% v večini aplikacij, kot je npr.video snemalnik z ionistorji.
  5. V hibridnem električnem vozilu je izkoristek krožnega križišča 10 % večji kot pri akumulatorju.
  6. Dobro deluje v zelo širokem temperaturnem območju, običajno od -40 C do +70 C, lahko pa od -50 C do +85 C, posebne različice so na voljo do 125 C.
  7. Majhna količina toplote, ki nastane med polnjenjem in praznjenjem.
  8. Dolga življenjska doba cikla z visoko zanesljivostjo, zmanjšanje stroškov vzdrževanja.
  9. Rahla degradacija v več sto tisočih ciklih in traja do 20 milijonov ciklov.
  10. Po 10 letih izgubijo največ 20 % svoje zmogljivosti in imajo življenjsko dobo 20 let ali več.
  11. Odporen proti obrabi.
  12. Ne vpliva na globoke praznjenja, kot so baterije.
  13. Večja varnost v primerjavi z baterijami - ni nevarnosti prenapolnjenosti ali eksplozije.
  14. Ne vsebuje nevarnih materialov, ki bi jih bilo treba zavreči ob koncu življenjske dobe, za razliko od mnogih baterij.
  15. Skladno z okoljskimi standardi, tako da ni zapletenega odlaganja ali recikliranja.

Tehnologija zadrževanja

Superkondenzator je sestavljen iz dveh plasti grafena s plastjo elektrolita na sredini. Film je močan, izjemno tanek in sposoben v kratkem času sprostiti veliko količino energije, a kljub temu obstajajo določene nerešene težave, ki zavirajo tehnološki napredek v tej smeri. Slabosti superkondenzatorja pred baterijami za ponovno polnjenje:

  1. Nizka energijska gostota - običajnoporabi od 1/5 do 1/10 energije elektrokemične baterije.
  2. Linija praznjenja - neuporaba celotnega energijskega spektra, odvisno od aplikacije, ni na voljo vsa energija.
  3. Tako kot pri baterijah so celice nizkonapetostne, potrebne so serijske povezave in uravnoteženje napetosti.
  4. Samopraznjenje je pogosto višje kot pri baterijah.
  5. Napetost se spreminja glede na shranjeno energijo - učinkovito shranjevanje in rekuperacija energije zahtevata sofisticirano elektronsko krmilno in preklopno opremo.
  6. Ima najvišjo dielektrično absorpcijo od vseh vrst kondenzatorjev.
  7. Zgornja temperatura uporabe je običajno 70 C ali manj in redko preseže 85 C.
  8. Večina vsebuje tekoči elektrolit, ki zmanjša velikost, potrebno za preprečevanje nenamernega hitrega praznjenja.
  9. Visoki stroški električne energije na vat.

Hybrid Storage

Za proizvodnjo kondenzatorskih modulov z novo strukturo sta bila razvita posebna zasnova in vgrajena tehnologija močnostne elektronike. Ker morajo biti njihovi moduli izdelani z uporabo novih tehnologij, jih je mogoče integrirati v karoserije avtomobila, kot so streha, vrata in pokrov prtljažnika. Poleg tega so bile izumljene nove tehnologije za uravnoteženje energije, ki zmanjšujejo izgube energije in velikost tokokrogov za uravnoteženje energije v sistemih za shranjevanje energije in naprav.

Razvita je bila tudi vrsta povezanih tehnologij, kot so nadzor polnjenja inpraznjenja, kot tudi povezave z drugimi sistemi za shranjevanje energije. Superkondenzatorski modul z nazivno zmogljivostjo 150F, nazivno napetostjo 50V je mogoče postaviti na ravne in ukrivljene površine s površino 0,5 kvadratnih metrov. m in debeline 4 cm. Uporabljajo se za električna vozila in se lahko integrirajo z različnimi deli vozila in v drugih primerih, kjer so potrebni sistemi za shranjevanje energije.

Uporaba in perspektive

Uporaba in možnosti
Uporaba in možnosti

V ZDA, Rusiji in na Kitajskem so avtobusi brez vlečnih baterij, vse delo opravljajo ionisti. General Electric je razvil tovornjak s superkondenzatorjem za zamenjavo baterije, podobno kot se je zgodilo v nekaterih raketah, igračah in električnih orodjih. Testi so pokazali, da superkondenzatorji prekašajo svinčeve baterije v vetrnih turbinah, kar je bilo doseženo brez gostote energije superkondenzatorja, ki bi se približala gostoti svinčenih baterij.

Zdaj je jasno, da bodo superkondenzatorji v naslednjih nekaj letih pokopali svinčene baterije, a to je le del zgodbe, saj se izboljšujejo hitreje kot konkurenca. Dobavitelji, kot so Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments in Skeleton Technologies, so povedali, da presegajo energijsko gostoto svinčevih baterij s svojimi superkondenzatorji in superbugi, od katerih se nekateri teoretično ujemajo z energijsko gostoto litijevih ionov.

Vendar je ionstor v električnem vozilu eden od vidikov elektronike in elektrotehnike, kitisk, vlagatelji, potencialni dobavitelji in mnogi ljudje, ki živijo s staro tehnologijo, kljub hitri rasti večmilijonskega trga, ga ignorirajo. Na primer, za kopenska, vodna in zračna vozila obstaja približno 200 glavnih proizvajalcev vlečnih motorjev in 110 glavnih dobaviteljev vlečnih baterij v primerjavi z nekaj proizvajalci superkondenzatorjev. Na splošno na svetu ni več kot 66 velikih proizvajalcev ionistorjev, od katerih jih je večina osredotočila svojo proizvodnjo na lažje modele za potrošniško elektroniko.

Priporočena: