Ionistor er dobbeltlags elektrokemiske kondensatorer eller superkondensatorer. Deres metalelektroder er belagt med meget porøst aktivt kul, traditionelt fremstillet af kokosnøddeskaller, men oftest af kulstof-aerogel, andre nanocarbon- eller grafen-nanorør. Mellem disse elektroder er en porøs separator, der holder elektroderne fra hinanden, når de er viklet på en spiral, er alt dette imprægneret med elektrolyt. Nogle innovative former for ionistor har en fast elektrolyt. De erstatter traditionelle batterier i uafbrydelige strømforsyninger op til lastbiler, hvor de bruger en superlader som strømkilde.
Arbejdsprincip
Ionistoren bruger virkningen af et dobbeltlag dannet ved grænsefladen mellem kul og elektrolyt. Aktivt kul bruges som elektrode i fast form og elektrolyt i flydende form. Når disse materialer er i kontakt med hinanden, fordeles de positive og negative poler i forhold til hinanden vedmeget kort afstand. Når der påføres et elektrisk felt, bruges det elektriske dobbeltlag, der dannes nær overfladen af kulstoffet i den elektrolytiske væske, som hovedstrukturen.
Designfordel:
- Leverer kapacitans i en lille enhed, der er ikke behov for specielle ladekredsløb til at styre under afladning i superladede enheder.
- Genopladning eller overafladning påvirker ikke batteriets levetid negativt som med typiske batterier.
- Teknologi er ekstremt "ren" med hensyn til økologi.
- Ingen problemer med ustabile kontakter som normale batterier.
Designfejl:
- Driftens varighed er begrænset på grund af brugen af elektrolyt i enheder, der bruger en superkondensator.
- Elektrolyt kan lække, hvis kondensatoren ikke vedligeholdes korrekt.
- Sammenlignet med aluminiumskondensatorer har disse kondensatorer høje modstande og kan derfor ikke bruges i AC-kredsløb.
Ved at bruge de fordele, der er beskrevet ovenfor, er elektriske kondensatorer meget udbredt i applikationer som:
- Reserverer hukommelse til timere, programmer, e-mobilstrøm osv.
- Video- og lydudstyr.
- Sikkerhedskopieringskilder ved udskiftning af batterier til bærbart elektronisk udstyr.
- Strømforsyninger til solcelledrevet udstyr såsom ure og indikatorer.
- Startere til små og mobile motorer.
Redox-reaktioner
Ladeakkumulatoren er placeret ved grænsefladen mellem elektroden og elektrolytten. Under opladningsprocessen bevæger elektroner sig fra den negative elektrode til den positive elektrode langs det ydre kredsløb. Under udladning bevæger elektroner og ioner sig i den modsatte retning. Der er ingen ladningsoverførsel i en EDLC-superkondensator. I denne type superkondensator sker der en redoxreaktion ved elektroden, som genererer ladninger og fører ladningen gennem konstruktionens dobbeltlag, hvor der bruges en ionistor.
På grund af redoxreaktionen, der forekommer i denne type, er der et potentiale for lavere effekttæthed end EDLC, fordi Faradaiske systemer er langsommere end ikke-faradaiske systemer. Som en generel regel giver pseudokapaktorer højere specifik kapacitans og energitæthed end EDLC'er på grund af det faktum, at de er af faraday-systemet. Det korrekte valg af superkondensator afhænger dog af applikationen og tilgængeligheden.
Graphene-baserede materialer
Superkondensatoren er kendetegnet ved evnen til at oplade hurtigt, meget hurtigere end et traditionelt batteri, men den er ikke i stand til at lagre så meget energi som et batteri, fordi den har en lavere energitæthed. Deres effektivitetsforøgelse opnås gennem brug af grafen og kulstof nanorør. De vil hjælpe i fremtiden med at erstatte elektrokemiske batterier fuldstændigt. Nanoteknologi i dag er kilden til mangeinnovationer, især inden for e-mobil.
Graphene øger kapacitansen af superkondensatorer. Dette revolutionerende materiale består af plader, hvis tykkelse kan begrænses af kulstofatomets tykkelse, og hvis atomstruktur er ultratæt. Sådanne egenskaber kan erstatte silicium i elektronik. En porøs separator er placeret mellem to elektroder. Variationer i lagringsmekanismen og valget af elektrodemateriale fører imidlertid til forskellige klassifikationer af højkapacitets superkondensatorer:
- Electrochemical Double Layer Capacitors (EDLC), som for det meste bruger kulstofelektroder med højt indhold af kulstof og lagrer deres energi ved hurtigt at adsorbere ioner ved elektrode/elektrolyt-grænsefladen.
- Psuedo-kondensatorer er baseret på den fagiske proces med ladningsoverførsel ved eller nær elektrodeoverfladen. I dette tilfælde forbliver ledende polymerer og overgangsmetaloxider elektrokemisk aktive materialer, såsom dem, der findes i batteridrevne elektroniske ure.
Fleksible polymerenheder
Superkondensatoren vinder og lagrer energi med høj hastighed ved at danne dobbeltlag af elektrokemisk ladning eller gennem overfladeredoxreaktioner, hvilket resulterer i høj effekttæthed med langsigtet cyklisk stabilitet, lav pris og miljøbeskyttelse. PDMS og PET er de mest almindeligt anvendte substrater i implementeringen af fleksible superkondensatorer. Ved film kan PDMS skabe fleksible oggennemsigtige tyndfilm-ionistorer i ure med høj cyklisk stabilitet efter 10.000 flex-cyklusser.
Enkeltvæggede kulstof-nanorør kan yderligere inkorporeres i PDMS-filmen for yderligere at forbedre mekanisk, elektronisk og termisk stabilitet. På samme måde er ledende materialer såsom grafen og CNT'er også belagt med PET-film for at opnå både høj fleksibilitet og elektrisk ledningsevne. Ud over PDMS og PET tiltrækker andre polymere materialer også stigende interesse og syntetiseres ved forskellige metoder. For eksempel er lokaliseret pulseret laserbestråling blevet brugt til hurtigt at transformere den primære overflade til en elektrisk ledende porøs kulstofstruktur med specificeret grafik.
Naturlige polymerer såsom træfiber og papir nonwovens kan også bruges som underlag, som er fleksible og lette. CNT'en deponeres på papir for at danne en fleksibel CNT-papirelektrode. På grund af papirsubstratets høje fleksibilitet og den gode fordeling af CNT'er ændres den specifikke kapacitans og effekt- og energitæthed med mindre end 5% efter bøjning i 100 cyklusser ved en bøjningsradius på 4,5 mm. På grund af højere mekanisk styrke og bedre kemisk stabilitet bliver bakterielle nanocellulosepapirer også brugt til at lave fleksible superkondensatorer, såsom walkman-kassetteafspilleren.
Supercapacitor performance
Det er defineret i form afelektrokemisk aktivitet og kemiske kinetiske egenskaber, nemlig: elektron- og ionkinetik (transport) inde i elektroderne og effektiviteten af ladningsoverførselshastigheden til elektroden/elektrolytten. Specifikt overfladeareal, elektrisk ledningsevne, porestørrelse og forskelle er vigtige for høj ydeevne ved brug af EDLC-baserede kulstofmaterialer. Grafen er med sin høje elektriske ledningsevne, store overfladeareal og mellemlagsstruktur attraktiv til brug i EDLC.
I tilfælde af pseudokondensatorer, selvom de giver overlegen kapacitans sammenlignet med EDLC'er, er de stadig begrænset i tæthed af CMOS-chippens lave effekt. Dette skyldes dårlig elektrisk ledningsevne, som begrænser hurtig elektronisk bevægelse. Derudover kan redoxprocessen, der driver opladning/afladningsprocessen, beskadige elektroaktive materialer. Den høje elektriske ledningsevne af grafen og dets fremragende mekaniske styrke gør det velegnet som materiale i pseudokondensatorer.
Undersøgelser af adsorption på grafen har vist, at det hovedsageligt forekommer på overfladen af grafenplader med adgang til store porer (dvs. mellemlagsstrukturen er porøs, hvilket giver nem adgang til elektrolytioner). Således bør ikke-porøs grafenagglomerering undgås for bedre ydeevne. Ydeevnen kan forbedres yderligere ved overflademodifikation ved funktionel gruppetilsætning, hybridisering med elektrisk ledende polymerer og ved dannelse af grafen/oxid-komposittermetal.
Kondensatorsammenligning
Supercaps er ideelle, når hurtig opladning er påkrævet for at opfylde kortsigtede strømbehov. Hybridbatteriet opfylder begge behov og sænker spændingen for længere levetid. Tabellen nedenfor viser sammenligningen af egenskaber og hovedmaterialer i kondensatorer.
| Elektrisk dobbeltlagskondensator, ionistorbetegnelse | Aluminium elektrolytisk kondensator | Ni-cd-batteri | Blyforseglet batteri | |
| Brug temperaturområde | -25 til 70°C | -55 til 125 °C | -20 til 60 °C | -40 til 60 °C |
| elektroder | Aktivt kulstof | Aluminium | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Elektrolytisk væske | Organisk opløsningsmiddel | Organisk opløsningsmiddel | KOH |
H2SO4 |
| Elektromotorisk kraftmetode | Brug af naturlig elektrisk dobbeltlagseffekt som dielektrisk | Brug af aluminiumoxid som dielektrikum | Brug af en kemisk reaktion | Brug af en kemisk reaktion |
| Forurening | Nej | Nej | CD | Pb |
| Antal op-/afladningscyklusser | > 100.000 gange | > 100.000 gange | 500 gange | 200 til 1000 gange |
| Kapacitet pr. volumenenhed | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Opladningskarakteristik
Opladningstid 1-10 sekunder. Den indledende opladning kan gennemføres meget hurtigt, og topopladningen vil tage ekstra tid. Det bør overvejes at begrænse startstrømmen ved opladning af en tom superkondensator, da den trækker så meget som muligt. Superkondensatoren er ikke genopladelig og kræver ikke registrering af fuld opladning, strømmen stopper simpelthen med at flyde, når den er fuld. Ydeevnesammenligning mellem kompressor til bil og Li-ion.
| Function | Ionistor | Li-Ion (generelt) |
| Opladningstid | 1-10 sekunder | 10-60 minutter |
| Urets livscyklus | 1 million eller 30.000 | 500 og derover |
| Voltage | Fra 2, 3 til 2, 75B | 3, 6 B |
| Specifik energi (W/kg) | 5 (typisk) | 120-240 |
| Specifik effekt (W/kg) | Op til 10000 | 1000-3000 |
| Pris pr. kWh | $10.000 | 250-1.000 $ |
| Lifetime | 10-15 år | 5 til 10 år gammel |
| Opladningstemperatur | -40 til 65°C | 0 til 45 °C |
| Afgangstemperatur | -40 til 65°C | -20 til 60°C |
Fordele ved opladningsenheder
Køretøjer har brug for et ekstra energiboost for at accelerere, og det er her, superladere kommer ind. De har en grænse for den samlede opladning, men de er i stand til at overføre den meget hurtigt, hvilket gør dem til ideelle batterier. Deres fordele i forhold til traditionelle batterier:
- Lav impedans (ESR) øger overspændingsstrømmen og belastningen, når den er tilsluttet parallelt med batteriet.
- Meget høj cyklus - afladning tager millisekunder til minutter.
- Spændingsfald sammenlignet med batteridrevet enhed uden superkondensator.
- Høj effektivitet ved 97-98 %, og DC-DC effektivitet i begge retninger er 80 %-95 % i de fleste applikationer, som f.eks.videooptager med ionistorer.
- I et hybrid-elkøretøj er rundkørselseffektiviteten 10 % større end et batteris.
- Fungerer godt over et meget bredt temperaturområde, typisk -40 C til +70 C, men kan være fra -50 C til +85 C, specialversioner fås op til 125 C.
- Lille mængde varme genereret under opladning og afladning.
- Lang levetid med høj pålidelighed, hvilket reducerer vedligeholdelsesomkostningerne.
- Lille nedbrydning over hundredtusindvis af cyklusser og varer op til 20 millioner cyklusser.
- De mister ikke mere end 20 % af deres kapacitet efter 10 år og har en levetid på 20 år eller mere.
- Modstandsdygtig over for slid.
- Påvirker ikke dybe afladninger som batterier.
- Øget sikkerhed sammenlignet med batterier - ingen fare for overopladning eller eksplosion.
- Indeholder ingen farlige materialer, der skal bortskaffes, når deres levetid er udtjent i modsætning til mange batterier.
- Overholder miljøstandarder, så der er ingen kompliceret bortskaffelse eller genbrug.
Restraint Technology
Superkondensatoren består af to lag grafen med et elektrolytlag i midten. Filmen er stærk, ekstrem tynd og i stand til at frigive en stor mængde energi på kort tid, men ikke desto mindre er der visse uløste problemer, som holder den teknologiske udvikling tilbage i denne retning. Ulemper ved Supercapacitor i forhold til genopladelige batterier:
- Lav energitæthed - norm alttager fra 1/5 til 1/10 af energien fra et elektrokemisk batteri.
- Linjeudladning - manglende brug af det fulde energispektrum, afhængigt af applikationen er ikke al energi tilgængelig.
- Som med batterier har celler lav spænding, serielle forbindelser og spændingsbalancering er påkrævet.
- Selvafladning er ofte højere end batterier.
- Spænding varierer med lagret energi - effektiv lagring og genvinding af energi kræver sofistikeret elektronisk kontrol- og koblingsudstyr.
- Har den højeste dielektriske absorption af alle typer kondensatorer.
- Den øvre brugstemperatur er norm alt 70 C eller derunder og overstiger sjældent 85 C.
- De fleste indeholder en flydende elektrolyt, der reducerer den nødvendige størrelse for at forhindre utilsigtet hurtig udledning.
- Høje elpriser pr. watt.
Hybrid Storage
Særligt design og indlejret teknologi for kraftelektronik er blevet udviklet til at producere kondensatormoduler med ny struktur. Da deres moduler skal fremstilles ved hjælp af nye teknologier, kan de integreres i bilens karosseripaneler såsom tag, døre og bagagerumsdækken. Derudover er der opfundet nye energibalanceringsteknologier, der reducerer energitab og størrelsen af energibalanceringskredsløb i energilagrings- og enhedssystemer.
Der er også udviklet en række relaterede teknologier, såsom opladningskontrol ogudledning, samt forbindelser til andre energilagringssystemer. Et superkondensatormodul med en nominel kapacitet på 150F, en nominel spænding på 50V kan placeres på flade og buede overflader med et overfladeareal på 0,5 kvadratmeter. m og 4 cm tyk. Anvendelser, der gælder for elektriske køretøjer og kan integreres med forskellige dele af køretøjet og andre tilfælde, hvor energilagringssystemer er påkrævet.
Anvendelse og perspektiver
I USA, Rusland og Kina er der busser uden trækbatterier, alt arbejde udføres af ionistorer. General Electric har udviklet en pickup truck med en superkondensator til at erstatte batteriet, svarende til hvad der er sket i nogle raketter, legetøj og elværktøj. Test har vist, at superkondensatorer udkonkurrerer bly-syre-batterier i vindmøller, hvilket blev opnået uden superkondensator-energitæthed nærmer sig den for bly-syre-batterier.
Det er nu klart, at superkondensatorer vil begrave bly-syre-batterier i løbet af de næste par år, men det er kun en del af historien, da de forbedres hurtigere end konkurrenterne. Leverandører som Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments og Skeleton Technologies har sagt, at de overskrider energitætheden for bly-syre-batterier med deres superkondensatorer og superbugs, hvoraf nogle teoretisk matcher energitætheden af lithium-ioner.
Ionistoren i et elektrisk køretøj er dog et af de aspekter af elektronik og elektroteknik, derignoreret af pressen, investorer, potentielle leverandører og mange mennesker, der lever med gammel teknologi, på trods af den hurtige vækst på multimilliardmarkedet. For eksempel til land-, vand- og luftkøretøjer er der omkring 200 store producenter af traktionsmotorer og 110 store leverandører af traktionsbatterier sammenlignet med nogle få producenter af superkondensatorer. Generelt er der ikke mere end 66 store producenter af ionistorer i verden, hvoraf de fleste har fokuseret deres produktion på lettere modeller til forbrugerelektronik.
