Где применяют ионистор? Типы ионисторов, их назначение, преимущества и недостатки
Опубликованно 09.10.2018 06:18
Ионистор – это электрохимические конденсаторы с двойным слоем или суперконденсаторы. Их металлические электроды покрыты очень пористым активированным углем, традиционно изготовленным из скорлупы кокосового ореха, но чаще всего из углеродного аэрогеля, других наноуглеродных или графеновых нанотрубок. Между этими электродами находится пористый сепаратор, который удерживает электроды друг от друга, при наматывании на спираль, все это пропитано электролитом. Некоторые инновационные формы ионистора имеют твердый электролит. Они заменяют традиционные батареи в источниках бесперебойного питания вплоть до грузовиков, где применяют ионистор в качестве источника питания. Принцип работы
Ионистор использует действие двойной прослойки, сформированного на границе между углем и электролитом. Активированный уголь применяется в качестве электрода в твердой форме, а электролит в жидкой. Когда эти материалы контактируют друг с другом, положительные и отрицательные полюса распределяются относительно друг друга на очень коротком расстоянии. При приложении электрического поля в качестве основной конструкции используется электрический двойной слой, который образуется вблизи поверхности угля в электролитической жидкости.
Преимущество конструкции: Обеспечивает емкость в небольшом устройстве, нет нужды в специальных схемах зарядки для контроля во время разрядки в устройствах, где применяют ионистор. Перезарядка или чрезмерно частая разрядка не оказывает негативного влияния на срок службы, как в типовых батареях. Технология чрезвычайно «чистая» с точки зрения экологии. Нет проблем с нестабильными контактами, так у обычных батарей.
Недостатки конструкции: Продолжительность работы ограничена из-за использования электролита в устройствах, где применяют ионистор. Электролит может протекать, если конденсатор эксплуатируется неправильно. По сравнению с алюминиевыми конденсаторами эти ионисторы имеют высокие сопротивления и поэтому не могут использоваться в цепях переменного тока.
Используя преимущества, описанные выше, электрические ионисторы широко применяются в таких приложениях, как: Резервирование памяти для таймеров, программ, питание е-мобиля и т. д. Видео и аудио оборудование. Резервные источники при замене батарей для портативного электронного оборудования. Источники питания для оборудования, использующего солнечные элементы, такие как часы и индикаторы. Стартеры для малых и мобильных двигателей. Окислительно-восстановительные реакции
Аккумулятор заряда расположен на границе раздела между электродом и электролитом. Во время процесса зарядки электроны, движутся от отрицательного электрода к положительному по внешнему контуру. Во время разряда электроны и ионы движутся в обратном направлении. В суперконденсаторе EDLC нет переноса заряда. В этом типе суперконденсатора окислительно-восстановительная реакция возникает на электроде, генерирующем заряды и переносе заряда через двойные слои конструкции, где применяют ионистор.
Из-за окислительно-восстановительной реакции, происходящей в этом типе, существует потенциал с меньшей плотностью мощности, чем EDLC, поскольку системы Faradaic медленнее, чем нефарадевидные системы. Как правило, псевдокапакторы обеспечивают более высокую удельную емкость и плотность энергии, чем EDLC, из-за того, что они относятся к фарадеитовой системе. Тем не менее правильный выбор суперконденсатора зависит от приложения и доступности. Материалы на основе графена
Ионистор характеризуется способностью быстрого заряда, гораздо быстрее, чем у традиционной батареи, но он не способен хранить столько же энергии, как батарея, так как имеет более низкую плотность энергии. Повышение эффективности у них достигается благодаря использованию графеновых и углеродных нанотрубок. Они помогут в будущем ионисторам полностью вытеснить электрохимические батареи. Нанотехнология сегодня является источником многих нововведений, особенно в е-мобиле.
Графен увеличивает емкость ионисторов. Этот революционный материал состоит из листов, толщина которых может быть ограничена толщиной атома углерода и атомная структура которого является ультраплотной. Такие характеристики способны заменить кремний в электронике. Пористый сепаратор помещается между двумя электродами. Однако вариации механизма хранения и выбор материала электрода приводят к различным классификациям ионисторов большой емкости: Электрохимические двухслойные конденсаторы (EDLC), которые по большей части используют высокоуглеродистые углеродные электроды и сохраняют свою энергию за счет быстрой адсорбции ионов на границе раздела электрода/электролита. Psuedo-конденсаторы, основаны на фагадическом процессе переноса заряда на поверхности электрода или вблизи него. В этом случае проводящие полимеры и оксиды переходных металлов остаются электрохимическими активными материалами,например, как в электронных часах на батарейках. Гибкие устройства на основе полимеров
Ионистор набирает и сохраняет энергию с высокой скоростью, образуя электрохимические двойные слои зарядов или посредством поверхностных окислительно-восстановительных реакций, что приводит к высокой плотности мощности с длительной циклической стабильностью, низкой стоимостью и защитой окружающей среды. PDMS и ПЭТ являются в основном используемыми субстратами при реализации гибких суперконденсаторов. В случае пленки PDMS может создавать гибкие и прозрачные тонкопленочные ионисторы в часах с высокой циклической стабильностью после 10 000 циклов при изгибе.
Однослойные углеродные нанотрубки могут быть дополнительно включены в пленку PDMS для дальнейшего улучшения механической, электронной и термической стабильности. Аналогичным образом, проводящие материалы, такие как графен и УНТ, также покрываются пленкой ПЭТ для достижения, как высокой гибкости, так и электропроводности. Помимо ПДМС и ПЭТ другие полимерные материалы также привлекают растущие интересы и синтезируются различными методами. Например, локализованное импульсное лазерное облучение использовалось для быстрого преобразования первичной поверхности в электрическую проводящую пористую углеродную структуру с заданной графикой.
Природные полимеры, такие как нетканые материалы из древесных волокон и бумаги, также могут использоваться в качестве подложек, которые являются гибкими и легкими. УНТ наносится на бумагу для получения гибкого УНТ бумажного электрода. Из-за высокой гибкости бумажной подложки и хорошего распределения УНТ удельная емкость и плотность мощности и энергии меняется менее чем на 5% после изгиба на 100 циклов при радиусе изгиба 4,5 мм. Кроме того, из-за более высокой механической прочности и лучшей химической стабильности бактериальные наноцеллюлозные бумаги также используться для изготовления гибких суперконденсаторов, например для кассетного плеера walkman. Производительность суперконденсаторов
Она определяется с точки зрения электрохимической активности и химических кинетических свойств, а именно: электронной и ионной кинетикой (транспортировкой) внутри электродов и эффективностью скорости переноса заряда на электрод/электролит. Для высокой производительности при использовании материалов на основе углерода с EDLC важна удельная площадь поверхности, электропроводность, размер пор и отличия. Графен с его высокой электропроводностью, большой площадью поверхности и межслойной структурой привлекателен для использования в EDLC.
В случае псевдоконденсаторов, несмотря на то что они обеспечивают превосходную емкость по сравнению с EDLC, они все же ограничены плотностями малой мощностью микросхемы кмоп. Это объясняется плохой электропроводностью, ограничивающей быстрое электронное движение. Кроме того, окислительно-восстановительный процесс, который ведет процесс зарядки/разрядки, может повредить электроактивные материалы. Высокая электропроводность графена и его отличная механическая прочность делают его пригодным в качестве материала в псевдоконденсаторах.
Исследования адсорбции на графене показали, что она происходит в основном на поверхности графеновых листов с доступом к большим порам (т.е. межслойная структура является пористой, обеспечивая легкий доступ к ионам электролита). Таким образом, для лучшей производительности следует избегать агломерации графена без пор. Производительность может быть дополнительно улучшена путем модификации поверхности путем присоединения функциональных групп, гибридизации с электропроводящими полимерами и путем образования композитов графена/оксида металла. Сравнение конденсаторов
Ионисторы идеальны, когда требуется быстрая зарядка для удовлетворения краткосрочных потребностей в мощности. Гибридная батарея удовлетворяет обе потребности и снижает напряжение, что обеспечивает более длительный срок службы. В приведенной ниже таблице показано сравнение характеристик и основных материалов в конденсаторах.
Электрический двухслойный конденсатор, обозначение ионистора
Алюминиевый электролити-ческий конденсатор
Аккумулятор Ni-cd
Свинцовая герметичная батарея
Использовать диапазон температур
От -25 до 70 °C
-55 до 125 °C
-20 до 60 °C
От -40 до 60 °C
Электроды
Активированный уголь
Алюминий
(+) NiOOH (-) Cd
(+) PbO2 (-) Pb
Электролитическая жидкость
Органический растворитель
Органический растворитель
KOH
H2SO4
Метод электродвижущей силы
Использование естественного электрического двухслойного эффекта в качестве диэлектрика
Использова-ние оксида алюминия в качестве диэлектрика
Использова-ние химической реакции
Использова-ние химической реакции
Загрязнение
Нет
Нет
CD
Pb
Количество циклов зарядки / разрядки
> 100 000 раз
> 100 000 раз
500 раз
От 200 до 1000 раз
Емкость на единицу объема
1
1/1000
100
100 Характеристика заряда
Время заряда 1-10 секунд. Первоначальный заряд может быть выполнен очень быстро, а заряд верхней части займет дополнительное время. Необходимо предусмотреть ограничение пускового тока при зарядке пустого суперконденсатора, поскольку он будет вытягивать все возможное. Ионистор не подлежит перезарядке и не требует обнаружения полной зарядки, ток просто перестает течь при заполнении. Сравнение производительности между ионистором для автомобиля и Li-ионом.
Функция
Ионистор
Литий-ионный (общий)
Время заряда
1-10 секунд
10-60 минут
Жизненный цикл часов
1 млн или 30 000
500 и выше
Напряжение
От 2,3 до 2,75 В
3,6 В
Удельная энергия (Вт / кг)
5 (типичный)
120-240
Удельная мощность (Вт / кг)
До 10000
1000-3000
Стоимость за кВтч
10 000 $
250-1,000 $
Срок службы
10-15 лет
От 5 до 10 лет
Температура зарядки
От -40 до 65 °C
От 0 до 45 °C
Температура нагнетания
От -40 до 65 °C
От -20 до 60 °C Преимущества устройств для зарядки
Транспортные средства нуждаются в дополнительном энергетическом рывке для ускорения, и именно в этом подходят ионисторы. Они имеют ограничение общего заряда, но они способны передать его очень быстро, что делает их идеальным аккумуляторами. Преимущества их по отношению к традиционным батареям: Низкий импеданс (ESR) увеличивает импульсный ток и нагрузку при параллельном соединении с батареей. Очень высокий цикл - разряд занимает миллисекунды до нескольких минут. Падение напряжения по сравнению с устройством, работающим от батареи, без суперконденсатора. Высокая эффективность при 97-98%, а эффективность DC-DC в обоих направлениях составляет 80% -95% в большинстве приложений, например, видеорегистратора с ионисторами. В гибридном электрическом транспортном средстве эффективность кругового движения на 10% больше, чем у батареи. Хорошо работает в очень широком температурном диапазоне, обычно от -40 C до + 70 C, но может быть и от -50 C до + 85 C, есть специальные версии, достигающие 125 C. Небольшое количество тепла, выделяемого во время зарядки и разряда. Длительный срок службы цикла с высокой надежностью, что снижает затраты на обслуживание. Небольшая деградация в течение сотен тысяч циклов и длится до 20 миллионов циклов. Они теряют не более 20% своей емкости после 10 лет, а продолжительность жизни составляет 20 лет и более. Не подвержены износу и старению. Не влияет на глубокие разряды, в отличие от батарей. Повышенная безопасность по сравнению с батареями - нет опасности перезарядки или взрыва. В конце эксплуатации не содержит опасных материалов для удаления, в отличие от многих батарей. Соответствует экологическим стандартам, поэтому нет сложной утилизации или переработки. Сдерживающая технология
Суперконденсатор состоит из двух слоев графена с слоем электролита посередине. Пленка сильная, чрезвычайно тонкая и способна выпустить большое количество энергии за короткий промежуток времени, но тем не менее, есть определенные пока неразрешенные проблемы, которые сдерживают технический прогресс в этом направлении. Недостатки ионистора перед перезаряжаемыми батареями: Низкая плотность энергии - обычно занимает от 1/5 до 1/10 энергии электрохимической батареи. Линейный разряд - неспособность использовать полный энергетический спектр, в зависимости от применения, доступна не вся энергия. Как и в случае с батареями, ячейки имеют низкое напряжение, необходимы последовательные соединения и балансировка напряжения. Саморазряд часто выше, чем у аккумуляторов. Напряжение изменяется с сохраненной энергией - для эффективного хранения и восстановления энергии требуется сложное электронное контрольно-коммутационное оборудование. Обладает самым высоким диэлектрическим поглощением из всех типов конденсаторов. Верхняя температура использования обычно составляет 70 C или менее и редко превышает 85 C. Большинство из них содержат жидкий электролит, уменьшающий размер, необходимый для предотвращения непреднамеренного быстрого разряда. Высокая стоимость электроэнергии на ватт. Гибридная система хранения
Специальная конструкция и встроенные технологии силовой электроники были разработаны для производства модулей ионисторов с новой структурой. Поскольку их модули должны быть изготовлены с использованием новых технологий, они могут быть интегрированы в панели кузова автомобиля, такие как крыша, двери и крышка багажника. Кроме того, были изобретены новые технологии балансировки энергии, которые уменьшают потери энергии и размеры схем балансировки энергии в системах устройств и хранения энергии.
Также были разработаны серии связанных технологий, таких как контроль зарядки и разрядки, а также соединения с другими системами хранения энергии. Модуль ионистора с номинальной емкостью 150F, номинальным напряжением 50 В может быть размещен на плоских и криволинейных поверхностях с площадью поверхности 0,5 кв. м и толщиной 4 см. Приложения применимо к электромобилям и может быть интегрировано с различными частями транспортного средства и к другим случаям, когда требуются системы хранения энергии. Применение и перспективы
В США, России и Китае есть автобусы без тяговых батарей, все работы выполняются ионисторами. General Electric разработала пикап с суперконденсатором, заменяющим аккумулятор, аналогичное произошло в некоторых ракетах, игрушках и электроинструментах. Испытания показали, что суперконденсаторы превосходят свинцово-кислотные батареи в ветровых турбинах, что было достигнуто без плотности энергии суперконденсаторов, приближающейся к концентрации свинцово-кислотных батарей.
Теперь очевидно, что ионисторы похоронят свинцово-кислотные батареи в течение следующих нескольких лет, но это лишь часть истории, поскольку их параметры улучшаются быстрее, чем конкуренция. Поставщики, такие как Elbit Systems , Graphene Energy, Nanotech Instruments и Skeleton Technologies, заявили, что превышают плотность энергии свинцово-кислотных аккумуляторов с их суперконденсаторами и супербактериями, некоторые из которых теоретически соответствуют плотности энергии литий-ионов.
Тем не менее, ионистор в электромобиле - это один из аспектов электроники и электротехники, который игнорируется прессой, инвесторами, потенциальными поставщиками и многими людьми, живущими старыми технологиями, несмотря на стремительный рост многомиллиардного рынка. Например, для наземных, водных и воздушно аппаратов насчитывается около 200 серьезных производителей тяговых двигателей и 110 серьезных поставщиков тяговых батарей по сравнению с несколькими производителями суперконденсаторов. В целом в мире насчитывается не более 66 крупных производителей ионисторов, большинство из которых сосредоточили свое призводство на более легких моделях для потребительской электроники. Автор: Иван 25 Августа, 2018
Категория: Технологии
