Kur naudojamas jonistorius? Jonistorių tipai, jų paskirtis, privalumai ir trūkumai

2024 Autorius: Trinity Chesterton | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-16 15:03

Jonistoriai yra dviejų sluoksnių elektrocheminiai kondensatoriai arba superkondensatoriai. Jų metaliniai elektrodai yra padengti labai porėta aktyvuota anglimi, tradiciškai gaminama iš kokoso kevalų, bet dažniausiai iš anglies aerogelio, kitų nanoanglies ar grafeno nanovamzdelių. Tarp šių elektrodų yra akytas separatorius, kuris išlaiko elektrodus vienas nuo kito, suvyniojus ant spiralės visa tai impregnuojama elektrolitu. Kai kurios naujoviškos jonistorių formos turi kietą elektrolitą. Jie pakeičia tradicines baterijas nepertraukiamo maitinimo š altiniuose iki sunkvežimių, kur jie naudoja kompresorių kaip maitinimo š altinį.

Veikimo principas

Jonistorius naudoja dvigubo sluoksnio, susidariusio anglies ir elektrolito sąsajoje, veikimą. Aktyvuota anglis naudojama kaip elektrodas kietoje formoje, o elektrolitas - skysta. Kai šios medžiagos liečiasi viena su kita, teigiami ir neigiami poliai pasiskirsto vienas kito atžvilgiulabai trumpas atstumas. Taikant elektrinį lauką, elektrinis dvigubas sluoksnis, susidarantis šalia anglies paviršiaus elektrolitiniame skystyje, naudojamas kaip pagrindinė struktūra.

Dizaino pranašumas:

1. Pateikia talpą mažame įrenginyje, nereikia specialių įkrovimo grandinių, kad būtų galima valdyti iškrovimo metu įkrautuose įrenginiuose.
2. Įkrovimas arba per didelis iškrovimas neturi neigiamos įtakos baterijos veikimo laikui, kaip įprastų baterijų atveju.
3. Technologijos yra itin „švarios“ekologijos požiūriu.
4. Jokių problemų dėl nestabilių kontaktų, pavyzdžiui, įprastų baterijų.

Dizaino trūkumai:

1. Veikimo trukmė ribota, nes įrenginiuose, kuriuose naudojamas superkondensatorius, naudojamas elektrolitas.
2. Elektrolitas gali nutekėti, jei kondensatorius nėra tinkamai prižiūrimas.
3. Palyginti su aliuminio kondensatoriais, šie kondensatoriai turi didelę varžą, todėl jų negalima naudoti kintamosios srovės grandinėse.

Naudojant pirmiau aprašytus privalumus, elektriniai kondensatoriai plačiai naudojami tokiose srityse kaip:

1. Atminties rezervavimas laikmačiams, programoms, el. mobiliojo ryšio maitinimui ir kt.
2. Vaizdo ir garso įranga.
3. Atsarginiai š altiniai keičiant nešiojamos elektroninės įrangos baterijas.
4. Maitinimo š altiniai saulės energija varomai įrangai, pvz., laikrodžiams ir indikatoriams.
5. Starteriai mažiems ir mobiliems varikliams.

Redokso reakcijos

Įkrovimo akumuliatorius yra elektrodo ir elektrolito sąsajoje. Įkrovimo proceso metu elektronai juda iš neigiamo elektrodo į teigiamą elektrodą išilgai išorinės grandinės. Iškrovos metu elektronai ir jonai juda priešinga kryptimi. EDLC superkondensatoriuje nėra įkrovos perdavimo. Šio tipo superkondensatoriuose redokso reakcija vyksta prie elektrodo, kuris generuoja krūvius ir perneša krūvį per dvigubus konstrukcijos sluoksnius, kur naudojamas jonistorius.

Dėl tokio tipo redokso reakcijos gali būti mažesnis nei EDLC galios tankis, nes Faradinės sistemos yra lėtesnės nei nefaradinės sistemos. Paprastai pseudokondensatoriai užtikrina didesnę specifinę talpą ir energijos tankį nei EDLC dėl to, kad jie priklauso faradėjaus sistemai. Tačiau teisingas superkondensatoriaus pasirinkimas priklauso nuo taikymo ir prieinamumo.

Medžiagos grafeno pagrindu

Superkondensatorius pasižymi galimybe greitai įkrauti, daug greičiau nei tradicinis akumuliatorius, tačiau jis negali sukaupti tiek energijos, kiek akumuliatorius, nes jo energijos tankis yra mažesnis. Jų efektyvumo padidėjimas pasiekiamas naudojant grafeną ir anglies nanovamzdelius. Jie ateityje padės jonizatoriams visiškai pakeisti elektrochemines baterijas. Nanotechnologijos šiandien yra daugelio š altinisnaujovės, ypač el. mobiliajame telefone.

Grafenas padidina superkondensatorių talpą. Ši revoliucinė medžiaga susideda iš lakštų, kurių storį gali apriboti anglies atomo storis ir kurių atominė struktūra yra itin tanki. Tokios charakteristikos gali pakeisti silicį elektronikoje. Tarp dviejų elektrodų dedamas akytas separatorius. Tačiau dėl saugojimo mechanizmo ir elektrodo medžiagos pasirinkimo skirtumų didelės talpos superkondensatoriai klasifikuojami skirtingai:

1. Elektrocheminiai dvigubo sluoksnio kondensatoriai (EDLC), kuriuose dažniausiai naudojami didelio anglies anglies elektrodai ir kaupia savo energiją greitai adsorbuodami jonus elektrodo/elektrolito sąsajoje.
2. Psuedokondensatoriai yra pagrįsti faginiu krūvio perdavimo procesu elektrodo paviršiuje arba šalia jo. Tokiu atveju laidžiai polimerai ir pereinamųjų metalų oksidai lieka elektrochemiškai aktyviomis medžiagomis, pvz., esančiomis baterijomis maitinamuose elektroniniuose laikrodžiuose.

Lankstūs polimeriniai įtaisai

Superkondensatorius įgyja ir kaupia energiją dideliu greičiu, sudarydamas elektrocheminio krūvio dvigubus sluoksnius arba per paviršiaus redokso reakcijas, todėl gaunamas didelis galios tankis ir ilgalaikis ciklinis stabilumas, maža kaina ir aplinkos apsauga. PDMS ir PET yra dažniausiai naudojami substratai diegiant lanksčius superkondensatorius. Plėvelės atveju PDMS gali sukurti lanksčią irskaidrūs plonasluoksniai jonistoriai laikrodžiuose, pasižymintys dideliu cikliniu stabilumu po 10 000 lankstymo ciklų.

Vienasieniai anglies nanovamzdeliai gali būti toliau įterpiami į PDMS plėvelę, siekiant dar labiau pagerinti mechaninį, elektroninį ir terminį stabilumą. Panašiai laidžios medžiagos, tokios kaip grafenas ir CNT, taip pat yra padengtos PET plėvele, kad būtų pasiektas didelis lankstumas ir elektrinis laidumas. Be PDMS ir PET, vis didesnį susidomėjimą sulaukia ir kitos polimerinės medžiagos, kurios sintetinamos įvairiais metodais. Pavyzdžiui, vietinis impulsinis lazerinis švitinimas buvo naudojamas siekiant greitai paversti pirminį paviršių elektrai laidžia akyta anglies struktūra su nurodyta grafika.

Natūralūs polimerai, tokie kaip medienos pluoštas ir popierinės neaustinės medžiagos, taip pat gali būti naudojami kaip substratai, kurie yra lankstūs ir lengvi. CNT nusodinamas ant popieriaus, kad susidarytų lankstus CNT popieriaus elektrodas. Dėl didelio popieriaus pagrindo lankstumo ir gero CNT pasiskirstymo specifinė talpa ir galia bei energijos tankis pasikeičia mažiau nei 5 % po lenkimo 100 ciklų, kai lenkimo spindulys yra 4,5 mm. Be to, dėl didesnio mechaninio stiprumo ir geresnio cheminio stabilumo bakterinės nanoceliuliozės popierius taip pat naudojamas lankstiems superkondensatoriams, pvz., Walkman kasetiniam grotuvui, gaminti.

Superkondensatoriaus našumas

Jis apibrėžiamas kaipelektrocheminis aktyvumas ir cheminės kinetinės savybės, būtent: elektronų ir jonų kinetika (pernešimas) elektrodų viduje ir įkrovos perdavimo į elektrodą/elektrolitą greičio efektyvumas. Specifinis paviršiaus plotas, elektrinis laidumas, porų dydis ir skirtumai yra svarbūs norint užtikrinti aukštą našumą naudojant EDLC pagrindu pagamintas anglies medžiagas. Grafenas dėl didelio elektros laidumo, didelio paviršiaus ploto ir tarpsluoksnės struktūros yra patrauklus naudoti EDLC.

Pseudokondensatorių atveju, nors jie ir užtikrina didesnę talpą, palyginti su EDLC, jų tankis vis tiek ribojamas dėl mažos CMOS lusto galios. Taip yra dėl prasto elektros laidumo, kuris riboja greitą elektroninį judėjimą. Be to, redokso procesas, skatinantis įkrovimo / iškrovimo procesą, gali pažeisti elektroaktyviąsias medžiagas. Dėl didelio grafeno elektrinio laidumo ir puikaus mechaninio stiprumo jį galima naudoti kaip pseudokensatorių medžiagą.

Grafeno adsorbcijos tyrimai parodė, kad jis daugiausia vyksta grafeno lakštų paviršiuje, turinčiame prieigą prie didelių porų (ty tarpsluoksnio struktūra yra porėta, todėl lengvai pasiekiami elektrolitų jonai). Taigi, siekiant geresnio našumo, reikėtų vengti neakytos grafeno aglomeracijos. Našumas gali būti dar labiau pagerintas modifikuojant paviršių pridedant funkcines grupes, hibridizuojant su elektrai laidžiais polimerais ir formuojant grafeno/oksido kompozitus.metalo.

Kondensatorių palyginimas

Superdangteliai idealiai tinka, kai reikia greitai įkrauti, kad būtų patenkinti trumpalaikiai energijos poreikiai. Hibridinis akumuliatorius patenkina ir poreikius, ir sumažina įtampą, kad tarnautų ilgiau. Žemiau esančioje lentelėje parodytas kondensatorių charakteristikų ir pagrindinių medžiagų palyginimas.

	Elektrinis dvisluoksnis kondensatorius, jonistoriaus žymėjimas	Aliuminio elektrolitinis kondensatorius	Ni-cd baterija	Švinu sandari baterija
Naudokite temperatūros diapazoną	-25–70°C	-55–125 °C	-20–60 °C	-40–60 °C
Elektrodai	Aktyvuota anglis	Aliuminis	(+) NiOOH (-) Cd	(+) PbO2 (-) Pb
Elektrolitinis skystis	Organinis tirpiklis	Organinis tirpiklis	KOH	H2SO4
Elektrovaros metodas	Natūralaus elektrinio dvigubo sluoksnio efekto naudojimas kaip dielektrikas	Aliuminio oksido kaip dielektriko naudojimas	Cheminės reakcijos naudojimas	Cheminės reakcijos naudojimas
Tarša	Ne	Ne	CD	Pb
Įkrovimo / iškrovimo ciklų skaičius	> 100 000 kartų	> 100 000 kartų	500 kartų	200–1000 kartų
Tūrio vieneto talpa	1	1/1000	100	100

Įkrovimo charakteristika

Įkrovimo laikas 1–10 sekundžių. Pradinis įkrovimas gali būti atliktas labai greitai, o didžiausias įkrovimas užtruks ilgiau. Įkraunant tuščią superkondensatorių reikėtų pagalvoti apie įsijungimo srovės ribojimą, nes jis sunaudos kiek įmanoma daugiau. Superkondensatorius nėra įkraunamas ir nereikalauja visiško įkrovimo nustatymo, srovė tiesiog nustoja tekėti, kai pilna. Automobilio kompresoriaus ir ličio jonų našumo palyginimas.

Funkcija	Ionistorius	Li-Ion (bendrai)
Įkrovimo laikas	1–10 sekundžių	10–60 minučių
Žiūrėjimo gyvavimo ciklas	1 mln. arba 30 000	500 ir daugiau
Įtampa	Nuo 2, 3 iki 2, 75B	3, 6 B
Savioji energija (W/kg)	5 (įprasta)	120-240
Ypatinga galia (W/kg)	Iki 10000	1000–3000
Mokestis už kWh	10 000 USD	250–1 000 $
Visą gyvenimą	10–15 metų	5–10 metų amžiaus
Įkrovimo temperatūra	-40–65°C	0 iki 45 °C
Išleidimo temperatūra	-40–65°C	-20–60°C

Įkrovimo įrenginių privalumai

Transporto priemonėms reikia papildomo energijos, kad jos įsibėgėtų, ir čia atsiranda kompresoriai. Jie turi ribotą bendrą įkrovą, tačiau jie gali labai greitai jį perkelti, todėl jie yra idealūs akumuliatoriai. Jų pranašumai prieš tradicines baterijas:

1. Maža varža (ESR) padidina viršįtampio srovę ir apkrovą, kai prijungiama lygiagrečiai su akumuliatoriumi.
2. Labai didelis ciklas – išsikrovimas trunka nuo milisekundžių iki minučių.
3. Įtampos kritimas, palyginti su akumuliatoriumi maitinamu įrenginiu be superkondensatoriaus.
4. Didelis efektyvumas – 97–98 %, o nuolatinės ir nuolatinės srovės efektyvumas abiem kryptimis yra 80–95 % daugelyje programų, pvz.,vaizdo registratorius su jonistoriais.
5. Hibridinėje elektromobilyje žiedinės sankryžos efektyvumas yra 10 % didesnis nei akumuliatoriaus.
6. Gerai veikia labai plačiame temperatūrų diapazone, paprastai nuo -40 C iki +70 C, bet gali būti nuo -50 C iki +85 C, galimos specialios versijos iki 125 C.
7. Įkrovimo ir iškrovimo metu susidaro nedidelis šilumos kiekis.
8. Ilgas eksploatavimo laikas ir didelis patikimumas, sumažinamos priežiūros išlaidos.
9. Nedidelis gedimas per šimtus tūkstančių ciklų ir trunka iki 20 mln. ciklų.
10. Jie praranda ne daugiau kaip 20 % savo pajėgumo po 10 metų, o jų gyvenimo trukmė yra 20 ar daugiau metų.
11. Atsparus nusidėvėjimui.
12. Neturi įtakos giliam iškrovimui, pvz., akumuliatoriams.
13. Didesnė sauga, palyginti su baterijomis – nėra perkrovimo ar sprogimo pavojaus.
14. Sudėtyje nėra pavojingų medžiagų, kurias būtų galima išmesti pasibaigus eksploatavimo laikui, kitaip nei daugelyje baterijų.
15. Atitinka aplinkosaugos standartus, todėl nereikia sudėtingo šalinimo ar perdirbimo.

Suvaržymo technologija

Superkondensatorių sudaro du grafeno sluoksniai, kurių viduryje yra elektrolito sluoksnis. Plėvelė tvirta, itin plona ir per trumpą laiką gali išleisti daug energijos, tačiau nepaisant to, yra tam tikrų neišspręstų problemų, kurios stabdo technologinę pažangą šia kryptimi. Superkondensatoriaus trūkumai, palyginti su įkraunamomis baterijomis:

1. Mažas energijos tankis – paprastaisunaudoja nuo 1/5 iki 1/10 elektrocheminės baterijos energijos.
2. Linijos iškrova – nepavyksta išnaudoti viso energijos spektro, priklausomai nuo programos, ne visa energija pasiekiama.
3. Kaip ir baterijų atveju, elementai yra žemos įtampos, reikia nuosekliųjų jungčių ir įtampos balansavimo.
4. Savaiminis išsikrovimas dažnai yra didesnis nei baterijų.
5. Įtampa skiriasi priklausomai nuo sukauptos energijos – norint efektyviai saugoti ir atkurti energiją, reikalinga sudėtinga elektroninė valdymo ir perjungimo įranga.
6. Turi didžiausią dielektrinę sugertį iš visų tipų kondensatorių.
7. Viršutinė naudojimo temperatūra paprastai yra 70 C arba mažesnė ir retai viršija 85 C.
8. Daugelyje jų yra skysto elektrolito, kuris sumažina dydį, kurio reikia, kad būtų išvengta netyčinio greito iškrovimo.
9. Didelė elektros kaina už vatą.

Hibridinė saugykla

Ypatingas dizainas ir integruota galios elektronikos technologija buvo sukurta naujos struktūros kondensatorių moduliams gaminti. Kadangi jų moduliai turi būti gaminami naudojant naujas technologijas, juos galima integruoti į automobilio kėbulo plokštes, tokias kaip stogas, durys ir bagažinės dangtis. Be to, buvo išrastos naujos energijos balansavimo technologijos, kurios sumažina energijos nuostolius ir energijos balansavimo grandinių dydį energijos kaupimo ir įrenginių sistemose.

Taip pat buvo sukurta daugybė susijusių technologijų, tokių kaip įkrovimo valdymas iriškrovimas, taip pat prijungimas prie kitų energijos kaupimo sistemų. Superkondensatoriaus modulis, kurio vardinė talpa 150F, vardinė 50V įtampa gali būti dedamas ant plokščių ir išlenktų paviršių, kurių paviršiaus plotas yra 0,5 kvadratinio metro. m ir 4 cm storio. Pritaikymas elektra varomoms transporto priemonėms ir gali būti integruotas su įvairiomis transporto priemonės dalimis ir kitais atvejais, kai reikalingos energijos kaupimo sistemos.

Taikymas ir perspektyvos

JAV, Rusijoje ir Kinijoje važinėja autobusai be traukos akumuliatorių, visus darbus atlieka jonitoriai. „General Electric“sukūrė pikapą su superkondensatoriumi, kad pakeistų akumuliatorių, panašiai kaip nutiko kai kurioms raketoms, žaislams ir elektriniams įrankiams. Bandymai parodė, kad superkondensatoriai lenkia vėjo turbinų švino rūgšties baterijas, o tai buvo pasiekta, kai superkondensatorių energijos tankis nepriartėjo prie švino rūgšties baterijų tankio.

Dabar aišku, kad superkondensatoriai per ateinančius kelerius metus palaidos švino rūgšties baterijas, tačiau tai tik dalis istorijos, nes jie tobulėja greičiau nei konkurentai. Tiekėjai, tokie kaip „Elbit Systems“, „Graphene Energy“, „Nanotech Instruments“ir „Skeleton Technologies“, teigė, kad viršija švino rūgšties baterijų energijos tankį su savo superkondensatoriais ir superbakterijomis, iš kurių kai kurie teoriškai atitinka ličio jonų energijos tankį.

Tačiau jonistorius elektromobilyje yra vienas iš elektronikos ir elektrotechnikos aspektų,ignoruoja spauda, investuotojai, potencialūs tiekėjai ir daugelis žmonių, gyvenančių su senomis technologijomis, nepaisant spartaus kelių milijardų dolerių rinkos augimo. Pavyzdžiui, sausumos, vandens ir oro transporto priemonių atveju yra apie 200 pagrindinių traukos variklių gamintojų ir 110 pagrindinių traukos akumuliatorių tiekėjų, palyginti su keliais superkondensatorių gamintojais. Apskritai pasaulyje yra ne daugiau kaip 66 dideli jonistorių gamintojai, kurių dauguma daugiausia dėmesio skyrė lengvesniems plataus vartojimo elektronikos modeliams.