Di manakah ionistor digunakan? Jenis ionistor, tujuan, kelebihan dan kekurangannya

Isi kandungan:

Di manakah ionistor digunakan? Jenis ionistor, tujuan, kelebihan dan kekurangannya
Di manakah ionistor digunakan? Jenis ionistor, tujuan, kelebihan dan kekurangannya
Anonim

Ionistor ialah kapasitor elektrokimia dua lapisan atau supercapacitor. Elektrod logam mereka disalut dengan karbon teraktif yang sangat berliang, secara tradisinya diperbuat daripada tempurung kelapa, tetapi selalunya daripada aerogel karbon, nanokarbon atau tiub nano graphene lain. Di antara elektrod ini terdapat pemisah berliang yang memisahkan elektrod, apabila dililit pada lingkaran, semua ini diresapi dengan elektrolit. Beberapa bentuk ionistor yang inovatif mempunyai elektrolit pepejal. Ia menggantikan bateri tradisional dalam bekalan kuasa tanpa gangguan sehingga trak, di mana ia menggunakan pengecas super sebagai sumber kuasa.

Prinsip kerja

Prinsip operasi
Prinsip operasi

Ionistor menggunakan tindakan lapisan berganda yang terbentuk pada antara muka antara arang batu dan elektrolit. Karbon teraktif digunakan sebagai elektrod dalam bentuk pepejal, dan elektrolit dalam bentuk cecair. Apabila bahan-bahan ini bersentuhan antara satu sama lain, kutub positif dan negatif diagihkan secara relatif antara satu sama lain olehjarak yang sangat singkat. Apabila menggunakan medan elektrik, lapisan berkembar elektrik yang terbentuk berhampiran permukaan karbon dalam cecair elektrolitik digunakan sebagai struktur utama.

Kelebihan reka bentuk:

  1. Membekalkan kapasiti dalam peranti kecil, tidak memerlukan litar pengecasan khas untuk mengawal semasa menyahcas dalam peranti supercas.
  2. Pengecasan semula atau lebihan nyahcas tidak memberi kesan buruk kepada hayat bateri seperti bateri biasa.
  3. Teknologi sangat "bersih" dari segi ekologi.
  4. Tiada masalah dengan kenalan tidak stabil seperti bateri biasa.

Kecacatan reka bentuk:

  1. Tempoh operasi adalah terhad kerana penggunaan elektrolit dalam peranti yang menggunakan supercapacitor.
  2. Elektrolit mungkin bocor jika kapasitor tidak diselenggara dengan betul.
  3. Berbanding dengan kapasitor aluminium, kapasitor ini mempunyai rintangan yang tinggi dan oleh itu tidak boleh digunakan dalam litar AC.

Menggunakan kelebihan yang diterangkan di atas, kapasitor elektrik digunakan secara meluas dalam aplikasi seperti:

  1. Menyimpan memori untuk pemasa, program, kuasa e-mudah alih, dsb.
  2. Peralatan video dan audio.
  3. Sumber sandaran apabila menggantikan bateri untuk peralatan elektronik mudah alih.
  4. Bekalan kuasa untuk peralatan berkuasa solar seperti jam dan penunjuk.
  5. Pemula untuk enjin kecil dan mudah alih.

Tindak balas redoks

Reaksi redoks
Reaksi redoks

Pengumpul cas terletak di antara muka antara elektrod dan elektrolit. Semasa proses pengecasan, elektron bergerak dari elektrod negatif ke elektrod positif di sepanjang litar luar. Semasa nyahcas, elektron dan ion bergerak ke arah yang bertentangan. Tiada pemindahan caj dalam supercapacitor EDLC. Dalam jenis supercapacitor ini, tindak balas redoks berlaku pada elektrod, yang menghasilkan cas dan membawa cas melalui lapisan dua pembinaan, di mana ionistor digunakan.

Disebabkan tindak balas redoks yang berlaku dalam jenis ini, terdapat potensi untuk ketumpatan kuasa yang lebih rendah daripada EDLC kerana sistem Faradaic lebih perlahan daripada sistem bukan faradaik. Sebagai peraturan umum, pseudocapactors memberikan kapasitans spesifik dan ketumpatan tenaga yang lebih tinggi daripada EDLC kerana fakta bahawa mereka adalah daripada sistem faraday. Walau bagaimanapun, pilihan supercapacitor yang betul bergantung pada aplikasi dan ketersediaan.

Bahan berasaskan grafena

Bahan berasaskan graphene
Bahan berasaskan graphene

Kapasitor super dicirikan oleh keupayaan untuk mengecas dengan cepat, jauh lebih pantas daripada bateri tradisional, tetapi ia tidak dapat menyimpan tenaga sebanyak bateri kerana ia mempunyai ketumpatan tenaga yang lebih rendah. Peningkatan kecekapan mereka dicapai melalui penggunaan graphene dan tiub nano karbon. Mereka akan membantu pada masa hadapan ionistor untuk menggantikan sepenuhnya bateri elektrokimia. Nanoteknologi hari ini adalah sumber banyakinovasi, terutamanya dalam e-mudah alih.

Grapene meningkatkan kapasitansi supercapacitors. Bahan revolusioner ini terdiri daripada kepingan yang ketebalannya boleh dihadkan oleh ketebalan atom karbon dan struktur atomnya sangat padat. Ciri-ciri sedemikian boleh menggantikan silikon dalam elektronik. Pemisah berliang diletakkan di antara dua elektrod. Walau bagaimanapun, variasi dalam mekanisme penyimpanan dan pilihan bahan elektrod membawa kepada klasifikasi yang berbeza bagi supercapacitor berkapasiti tinggi:

  1. Electrochemical Double Layer Capacitor (EDLC), yang kebanyakannya menggunakan elektrod karbon tinggi dan menyimpan tenaganya dengan cepat menjerap ion pada antara muka elektrod/elektrolit.
  2. Psuedo-kapasitor adalah berdasarkan proses fagik pemindahan cas pada atau berhampiran permukaan elektrod. Dalam kes ini, polimer konduktif dan oksida logam peralihan kekal sebagai bahan aktif secara elektrokimia, seperti yang terdapat dalam jam tangan elektronik yang dikendalikan bateri.

Peranti polimer fleksibel

Peranti fleksibel berdasarkan polimer
Peranti fleksibel berdasarkan polimer

Kapasitor super memperoleh dan menyimpan tenaga pada kadar yang tinggi dengan membentuk lapisan berganda cas elektrokimia atau melalui tindak balas redoks permukaan, menghasilkan ketumpatan kuasa tinggi dengan kestabilan kitaran jangka panjang, kos rendah dan perlindungan alam sekitar. PDMS dan PET adalah substrat yang paling biasa digunakan dalam pelaksanaan superkapasitor fleksibel. Dalam kes filem, PDMS boleh mencipta fleksibel danionistor filem nipis lutsinar dalam jam tangan dengan kestabilan kitaran tinggi selepas 10,000 kitaran lentur.

Tiub nano karbon berdinding tunggal boleh diserapkan lagi ke dalam filem PDMS untuk meningkatkan lagi kestabilan mekanikal, elektronik dan terma. Begitu juga, bahan konduktif seperti graphene dan CNT juga disalut dengan filem PET untuk mencapai kedua-dua fleksibiliti tinggi dan kekonduksian elektrik. Sebagai tambahan kepada PDMS dan PET, bahan polimer lain juga menarik minat yang semakin meningkat dan disintesis melalui pelbagai kaedah. Sebagai contoh, penyinaran laser berdenyut setempat telah digunakan untuk mengubah permukaan primer dengan cepat menjadi struktur karbon berliang konduktif elektrik dengan grafik tertentu.

Polimer semulajadi seperti gentian kayu dan bukan tenunan kertas juga boleh digunakan sebagai substrat, yang fleksibel dan ringan. CNT didepositkan di atas kertas untuk membentuk elektrod kertas CNT yang fleksibel. Disebabkan oleh fleksibiliti tinggi substrat kertas dan pengedaran CNT yang baik, kapasitansi khusus dan kuasa dan ketumpatan tenaga berubah kurang daripada 5% selepas dibengkokkan untuk 100 kitaran pada jejari lentur 4.5 mm. Di samping itu, disebabkan kekuatan mekanikal yang lebih tinggi dan kestabilan kimia yang lebih baik, kertas nanoselulosa bakteria juga digunakan untuk membuat superkapasitor fleksibel seperti pemain kaset walkman.

Prestasi supercapacitor

Prestasi supercapacitors
Prestasi supercapacitors

Ia ditakrifkan dari segiaktiviti elektrokimia dan sifat kinetik kimia iaitu: kinetik elektron dan ion (pengangkutan) di dalam elektrod dan kecekapan kadar pemindahan cas ke elektrod/elektrolit. Luas permukaan tertentu, kekonduksian elektrik, saiz liang dan perbezaan adalah penting untuk prestasi tinggi apabila menggunakan bahan karbon berasaskan EDLC. Graphene, dengan kekonduksian elektrik yang tinggi, luas permukaan yang besar dan struktur interlayer, menarik untuk digunakan dalam EDLC.

Dalam kes pseudocapacitors, walaupun ia memberikan kemuatan yang lebih baik berbanding EDLC, ia masih terhad dalam ketumpatan oleh kuasa rendah cip CMOS. Ini disebabkan oleh kekonduksian elektrik yang lemah, yang mengehadkan pergerakan elektronik yang pantas. Selain itu, proses redoks yang memacu proses cas/pelepasan boleh merosakkan bahan elektroaktif. Kekonduksian elektrik yang tinggi bagi graphene dan kekuatan mekanikalnya yang sangat baik menjadikannya sesuai sebagai bahan dalam pseudocapacitors.

Kajian penjerapan pada graphene telah menunjukkan bahawa ia berlaku terutamanya pada permukaan kepingan graphene dengan akses kepada liang besar (iaitu, struktur interlayer berliang, membolehkan akses mudah kepada ion elektrolit). Oleh itu, aglomerasi graphene tidak berliang harus dielakkan untuk prestasi yang lebih baik. Prestasi boleh dipertingkatkan lagi dengan pengubahsuaian permukaan dengan penambahan kumpulan berfungsi, hibridisasi dengan polimer konduktif elektrik, dan dengan pembentukan komposit graphene/oksidalogam.

Perbandingan kapasitor

Perbandingan kapasitor
Perbandingan kapasitor

Supercaps sesuai apabila pengecasan pantas diperlukan untuk memenuhi keperluan kuasa jangka pendek. Bateri hibrid memenuhi kedua-dua keperluan dan merendahkan voltan untuk hayat yang lebih lama. Jadual di bawah menunjukkan perbandingan ciri dan bahan utama dalam kapasitor.

Kapasitor dwilapis elektrik, sebutan ionistor Kapasitor elektrolitik aluminium Bateri Ni-cd Bateri bertutup plumbum
Gunakan julat suhu -25 hingga 70°C -55 hingga 125 °C -20 hingga 60 °C -40 hingga 60 °C
Elektrod Karbon teraktif Aluminium (+) NiOOH (-) Cd

(+) PbO2 (-) Pb

Cecair elektrolitik Pelarut organik Pelarut organik KOH

H2SO4

Kaedah daya gerak elektrik Menggunakan kesan lapisan dwi elektrik semula jadi sebagai dielektrik Menggunakan aluminium oksida sebagai dielektrik Menggunakan tindak balas kimia Menggunakan tindak balas kimia
Pencemaran Tidak Tidak CD Pb
Bilangan kitaran pengecasan/penyahcas > 100,000 kali > 100,000 kali 500 kali 200 hingga 1000 kali
Kapasiti setiap unit volum 1 1/1000 100 100

Ciri caj

Masa pengecasan 1-10 saat. Caj awal boleh diselesaikan dengan sangat cepat dan caj teratas akan mengambil masa tambahan. Pertimbangan harus diberikan untuk mengehadkan arus masuk apabila mengecas supercapacitor kosong, kerana ia akan menarik sebanyak mungkin. Kapasitor super tidak boleh dicas semula dan tidak memerlukan pengesanan cas penuh, arus hanya berhenti mengalir apabila penuh. Perbandingan prestasi antara pengecas super untuk kereta dan Li-ion.

Fungsi Ionistor Li-Ion (umum)
Masa pengecasan 1-10 saat 10-60 minit
Tonton kitaran hayat 1 juta atau 30,000 500 dan ke atas
Voltan Dari 2, 3 hingga 2, 75B 3, 6 B
Tenaga khusus (W/kg) 5 (biasa) 120-240
Kuasa khusus (W/kg) Sehingga 10000 1000-3000
Kos setiap kWj $10,000 250-1,000 $
Seumur hidup 10-15 tahun 5 hingga 10 tahun
Suhu pengecasan -40 hingga 65°C 0 hingga 45 °C
Suhu nyahcas -40 hingga 65°C -20 hingga 60°C

Faedah mengecas peranti

Kenderaan memerlukan rangsangan tenaga tambahan untuk memecut, dan di situlah pengecas super masuk. Mereka mempunyai had pada jumlah cas, tetapi mereka dapat memindahkannya dengan cepat, menjadikannya bateri yang ideal. Kelebihannya berbanding bateri tradisional:

  1. Impedans rendah (ESR) meningkatkan arus lonjakan dan beban apabila disambungkan selari dengan bateri.
  2. Kitaran yang sangat tinggi - pelepasan mengambil masa milisaat hingga minit.
  3. Penurunan voltan berbanding peranti berkuasa bateri tanpa kapasitor super.
  4. Kecekapan tinggi pada 97-98% dan kecekapan DC-DC dalam kedua-dua arah ialah 80%-95% dalam kebanyakan aplikasi, sepertiperakam video dengan ionistor.
  5. Dalam kenderaan elektrik hibrid, kecekapan bulatan adalah 10% lebih besar daripada bateri.
  6. Berfungsi dengan baik pada julat suhu yang sangat luas, biasanya -40 C hingga +70 C, tetapi boleh dari -50 C hingga +85 C, versi khas tersedia sehingga 125 C.
  7. Sedikit haba yang dijana semasa mengecas dan menyahcas.
  8. Hayat kitaran panjang dengan kebolehpercayaan yang tinggi, mengurangkan kos penyelenggaraan.
  9. Sedikit kemerosotan selama ratusan ribu kitaran dan bertahan sehingga 20 juta kitaran.
  10. Mereka kehilangan tidak lebih daripada 20% daripada kapasiti mereka selepas 10 tahun, dan mempunyai jangka hayat selama 20 tahun atau lebih.
  11. Tahan haus dan lusuh.
  12. Tidak menjejaskan pelepasan dalam seperti bateri.
  13. Peningkatan keselamatan berbanding bateri - tiada bahaya pengecasan berlebihan atau letupan.
  14. Tidak mengandungi bahan berbahaya untuk dilupuskan pada akhir hayat tidak seperti kebanyakan bateri.
  15. Mematuhi piawaian alam sekitar, jadi tiada pelupusan atau kitar semula yang rumit.

Teknologi Kekangan

Kapasitor super terdiri daripada dua lapisan graphene dengan lapisan elektrolit di tengah. Filem ini kuat, sangat nipis dan mampu melepaskan sejumlah besar tenaga dalam masa yang singkat, tetapi bagaimanapun, terdapat masalah tertentu yang tidak dapat diselesaikan yang menghalang kemajuan teknologi ke arah ini. Kelemahan Supercapacitor berbanding Bateri Boleh Dicas Semula:

  1. Ketumpatan tenaga rendah - biasanyamengambil daripada 1/5 hingga 1/10 daripada tenaga bateri elektrokimia.
  2. Lepasan talian - kegagalan untuk menggunakan spektrum tenaga penuh, bergantung pada aplikasi, tidak semua tenaga tersedia.
  3. Sama seperti bateri, sel adalah voltan rendah, sambungan bersiri dan pengimbangan voltan diperlukan.
  4. Nyahcas sendiri selalunya lebih tinggi daripada bateri.
  5. Voltan berbeza dengan tenaga yang disimpan - penyimpanan dan pemulihan tenaga yang cekap memerlukan kawalan elektronik dan peralatan pensuisan yang canggih.
  6. Mempunyai penyerapan dielektrik tertinggi bagi semua jenis kapasitor.
  7. Suhu penggunaan atas biasanya 70 C atau kurang dan jarang melebihi 85 C.
  8. Kebanyakan mengandungi elektrolit cecair yang mengecilkan saiz yang diperlukan untuk mengelakkan pelepasan cepat yang tidak disengajakan.
  9. Kos elektrik yang tinggi bagi setiap watt.

Storan Hibrid

Reka bentuk khas dan teknologi terbenam bagi elektronik kuasa telah dibangunkan untuk menghasilkan modul kapasitor dengan struktur baharu. Memandangkan modul mereka mesti dihasilkan menggunakan teknologi baharu, ia boleh disepadukan ke dalam panel badan kereta seperti bumbung, pintu dan penutup bagasi. Selain itu, teknologi pengimbangan tenaga baharu telah dicipta yang mengurangkan kehilangan tenaga dan saiz litar pengimbangan tenaga dalam sistem storan dan peranti tenaga.

Serangkaian teknologi berkaitan juga telah dibangunkan, seperti kawalan pengecasan dannyahcas, serta sambungan ke sistem storan tenaga lain. Modul superkapasitor dengan kapasiti undian 150F, voltan undian 50V boleh diletakkan pada permukaan rata dan melengkung dengan luas permukaan 0.5 meter persegi. m dan tebal 4 cm. Aplikasi terpakai untuk kenderaan elektrik dan boleh disepadukan dengan pelbagai bahagian kenderaan dan kes lain yang memerlukan sistem storan tenaga.

Aplikasi dan perspektif

Permohonan dan prospek
Permohonan dan prospek

Di AS, Rusia dan China terdapat bas tanpa bateri cengkaman, semua kerja dilakukan oleh ionistor. General Electric telah membangunkan trak pikap dengan supercapacitor untuk menggantikan bateri, sama seperti yang berlaku dalam beberapa roket, mainan dan alatan kuasa. Ujian telah menunjukkan bahawa superkapasitor mengatasi prestasi bateri asid plumbum dalam turbin angin, yang dicapai tanpa ketumpatan tenaga supercapacitor yang menghampiri bateri asid plumbum.

Kini jelas bahawa superkapasitor akan menimbus bateri asid plumbum dalam beberapa tahun akan datang, tetapi itu hanya sebahagian daripada cerita, kerana ia bertambah baik dengan lebih pantas daripada persaingan. Pembekal seperti Sistem Elbit, Graphene Energy, Instrumen Nanoteknologi dan Teknologi Skeleton telah menyatakan bahawa ia melebihi ketumpatan tenaga bateri asid plumbum dengan kapasitor super dan pepijat supernya, beberapa daripadanya secara teorinya sepadan dengan ketumpatan tenaga ion litium.

Namun, ionistor dalam kenderaan elektrik adalah salah satu aspek elektronik dan kejuruteraan elektrik yangdiabaikan oleh akhbar, pelabur, pembekal berpotensi, dan ramai orang yang hidup dengan teknologi lama, walaupun pertumbuhan pesat pasaran berbilion dolar. Sebagai contoh, untuk kenderaan darat, air dan udara, terdapat kira-kira 200 pengeluar utama motor daya tarikan dan 110 pembekal utama bateri daya tarikan berbanding beberapa pengeluar superkapasitor. Secara umum, terdapat tidak lebih daripada 66 pengeluar ionistor besar di dunia, yang kebanyakannya telah memfokuskan pengeluaran mereka pada model yang lebih ringan untuk elektronik pengguna.

Disyorkan: