Jonistori ir divslāņu elektroķīmiskie kondensatori vai superkondensatori. To metāla elektrodi ir pārklāti ar ļoti porainu aktivēto ogli, kas tradicionāli izgatavota no kokosriekstu čaumalām, bet visbiežāk no oglekļa aerogela, citām nanooglekļa vai grafēna nanocaurulēm. Starp šiem elektrodiem ir porains separators, kas notur elektrodus viens no otra, uztinot uz spirāles, tas viss ir piesūcināts ar elektrolītu. Dažām novatoriskām jonistoru formām ir ciets elektrolīts. Tie aizstāj tradicionālos akumulatorus nepārtrauktās barošanas avotos līdz pat kravas automašīnām, kur tie izmanto kompresoru kā strāvas avotu.
Darba princips
Jonistors izmanto dubultā slāņa darbību, kas veidojas ogļu un elektrolītu saskarnē. Aktīvā ogle tiek izmantota kā elektrods cietā veidā, bet elektrolīts šķidrā veidā. Kad šie materiāli saskaras viens ar otru, pozitīvie un negatīvie stabi tiek sadalīti viens pret otruļoti mazs attālums. Pielietojot elektrisko lauku, kā galvenā struktūra tiek izmantots elektriskais dubultslānis, kas veidojas netālu no oglekļa virsmas elektrolītiskajā šķidrumā.
Dizaina priekšrocības:
- Nodrošina kapacitāti mazā ierīcē, nav nepieciešamas īpašas uzlādes shēmas, lai kontrolētu izlādi ierīcēs ar kompresoru.
- Uzlādēšana vai pārmērīga izlāde negatīvi neietekmē akumulatora darbības laiku kā parastajiem akumulatoriem.
- Tehnoloģijas ir ārkārtīgi "tīras" ekoloģijas ziņā.
- Nav problēmu ar nestabiliem kontaktiem, piemēram, parastajiem akumulatoriem.
Dizaina trūkumi:
- Darbības ilgums ir ierobežots, jo ierīcēs, kurās tiek izmantots superkondensators, tiek izmantots elektrolīts.
- Elektrolīts var noplūst, ja kondensators netiek pareizi uzturēts.
- Salīdzinot ar alumīnija kondensatoriem, šiem kondensatoriem ir liela pretestība, un tāpēc tos nevar izmantot maiņstrāvas ķēdēs.
Izmantojot iepriekš aprakstītās priekšrocības, elektriskos kondensatorus plaši izmanto, piemēram:
- Atmiņas rezervēšana taimeriem, programmām, e-mobilā jaudai utt.
- Video un audio aprīkojums.
- Rezerves avoti, nomainot portatīvo elektronisko iekārtu baterijas.
- Strāvas avoti ar saules enerģiju darbināmām iekārtām, piemēram, pulksteņiem un indikatoriem.
- Starteri maziem un mobiliem dzinējiem.
Redoksreakcijas
Uzlādes akumulators atrodas saskarnē starp elektrodu un elektrolītu. Uzlādes procesā elektroni pārvietojas no negatīvā elektroda uz pozitīvo elektrodu pa ārējo ķēdi. Izlādes laikā elektroni un joni pārvietojas pretējā virzienā. EDLC superkondensatorā nav lādiņa pārnešanas. Šāda veida superkondensatoros pie elektroda notiek redoksreakcija, kas ģenerē lādiņus un izvada lādiņu cauri konstrukcijas dubultslāņiem, kur tiek izmantots jonistors.
Sakarā ar redoksreakciju, kas notiek šāda veida gadījumā, pastāv mazāks jaudas blīvuma potenciāls nekā EDLC, jo Faradaic sistēmas ir lēnākas nekā sistēmas, kas nav faradaic sistēmas. Parasti pseidokapatori nodrošina augstāku īpatnējo kapacitāti un enerģijas blīvumu nekā EDLC, jo tie ir no Faraday sistēmas. Tomēr pareizā superkondensatora izvēle ir atkarīga no pielietojuma un pieejamības.
Materiāli uz grafēna bāzes
Superkondensatoru raksturo spēja ātri uzlādēt, daudz ātrāk nekā tradicionālais akumulators, taču tas nespēj uzkrāt tik daudz enerģijas kā akumulators, jo tam ir mazāks enerģijas blīvums. To efektivitātes pieaugums tiek panākts, izmantojot grafēnu un oglekļa nanocaurules. Tie palīdzēs nākotnē jonistoriem pilnībā nomainīt elektroķīmiskās baterijas. Mūsdienās nanotehnoloģijas ir daudzu iemeslu avotsjauninājumiem, īpaši e-mobilajā.
Grafēns palielina superkondensatoru kapacitāti. Šis revolucionārais materiāls sastāv no loksnēm, kuru biezumu var ierobežot oglekļa atoma biezums un kuru atomu struktūra ir īpaši blīva. Šādi raksturlielumi var aizstāt silīciju elektronikā. Starp diviem elektrodiem ir novietots porains separators. Tomēr uzglabāšanas mehānisma un elektrodu materiāla izvēles atšķirības rada dažādas lielas kapacitātes superkondensatoru klasifikācijas:
- Elektroķīmiskie divslāņu kondensatori (EDLC), kuros galvenokārt tiek izmantoti oglekļa elektrodi ar augstu oglekļa saturu, un tie uzglabā enerģiju, ātri adsorbējot jonus pie elektroda/elektrolīta saskarnes.
- Psuedo-kondensatori ir balstīti uz fagisko lādiņu pārnešanas procesu elektroda virsmā vai tās tuvumā. Šajā gadījumā vadošie polimēri un pārejas metālu oksīdi paliek elektroķīmiski aktīvi materiāli, piemēram, tie, kas atrodami ar baterijām darbināmos elektroniskajos pulksteņos.
Elastīgas polimēru ierīces
Superkondensators lielā ātrumā iegūst un uzglabā enerģiju, veidojot elektroķīmiskas lādiņa dubultslāņus vai veicot virsmas redoksreakcijas, kā rezultātā tiek nodrošināts augsts jaudas blīvums ar ilgstošu ciklisku stabilitāti, zemas izmaksas un vides aizsardzība. PDMS un PET ir visbiežāk izmantotie substrāti elastīgu superkondensatoru ieviešanā. Filmas gadījumā PDMS var izveidot elastīgu uncaurspīdīgi plānslāņa jonistori pulksteņos ar augstu ciklisko stabilitāti pēc 10 000 elastības cikliem.
Vienas sienas oglekļa nanocaurules var tālāk iekļaut PDMS plēvē, lai vēl vairāk uzlabotu mehānisko, elektronisko un termisko stabilitāti. Līdzīgi vadošie materiāli, piemēram, grafēns un CNT, ir arī pārklāti ar PET plēvi, lai panāktu gan augstu elastību, gan elektrisko vadītspēju. Papildus PDMS un PET arvien lielāku interesi izraisa arī citi polimēru materiāli, kas tiek sintezēti ar dažādām metodēm. Piemēram, ir izmantota lokalizēta impulsa lāzera apstarošana, lai ātri pārveidotu primāro virsmu elektriski vadošā porainā oglekļa struktūrā ar noteiktu grafiku.
Dabiskus polimērus, piemēram, kokšķiedru un papīra neausto materiālu, var izmantot arī kā substrātus, kas ir elastīgi un viegli. CNT tiek uzklāts uz papīra, veidojot elastīgu CNT papīra elektrodu. Pateicoties papīra substrāta augstajai elastībai un labajam CNT sadalījumam, īpatnējā kapacitāte un jauda un enerģijas blīvums mainās par mazāk nekā 5% pēc lieces 100 cikliem pie lieces rādiusa 4,5 mm. Turklāt, pateicoties lielākai mehāniskajai izturībai un labākai ķīmiskajai stabilitātei, baktēriju nanocelulozes papīrs tiek izmantots arī elastīgu superkondensatoru, piemēram, Walkman kasešu atskaņotāja, ražošanai.
Superkondensatora veiktspēja
Tas ir definēts kāelektroķīmiskā aktivitāte un ķīmiskās kinētiskās īpašības, proti: elektronu un jonu kinētika (transportēšana) elektrodu iekšpusē un lādiņa pārneses ātruma efektivitāte uz elektrodu/elektrolītu. Īpatnējais virsmas laukums, elektrovadītspēja, poru izmērs un atšķirības ir svarīgas augstai veiktspējai, ja tiek izmantoti oglekļa materiāli, kuru pamatā ir EDLC. Grafēns ar augstu elektrovadītspēju, lielu virsmas laukumu un starpslāņu struktūru ir pievilcīgs izmantošanai EDLC.
Pseidokensatoru gadījumā, lai gan tie nodrošina augstāku kapacitāti salīdzinājumā ar EDLC, to blīvumu joprojām ierobežo CMOS mikroshēmas mazā jauda. Tas ir saistīts ar sliktu elektrovadītspēju, kas ierobežo ātru elektronisko kustību. Turklāt redoksprocess, kas virza uzlādes/izlādes procesu, var sabojāt elektroaktīvos materiālus. Grafēna augstā elektrovadītspēja un tā lieliskā mehāniskā izturība padara to piemērotu kā materiālu pseidokondensatoros.
Grafēna adsorbcijas pētījumi ir parādījuši, ka tā notiek galvenokārt uz grafēna lokšņu virsmas ar piekļuvi lielām porām (ti, starpslāņa struktūra ir poraina, ļaujot viegli piekļūt elektrolītu joniem). Tādējādi labākai veiktspējai ir jāizvairās no neporaina grafēna aglomerācijas. Veiktspēju var vēl vairāk uzlabot, modificējot virsmu, pievienojot funkcionālās grupas, hibridizāciju ar elektriski vadošiem polimēriem un veidojot grafēna/oksīda kompozītmateriālus.metāls.
Kondensatoru salīdzinājums
Supervāciņi ir ideāli piemēroti, ja ir nepieciešama ātra uzlāde, lai apmierinātu īstermiņa enerģijas vajadzības. Hibrīda akumulators apmierina gan vajadzības, gan pazemina spriegumu ilgākam kalpošanas laikam. Tālāk esošajā tabulā parādīts kondensatoru raksturlielumu un galveno materiālu salīdzinājums.
| Elektriskais divslāņu kondensators, jonistoru apzīmējums | Alumīnija elektrolītiskais kondensators | Ni-cd akumulators | Svina akumulators | |
| Izmantojiet temperatūras diapazonu | -25 līdz 70°C | -55 līdz 125 °C | -20 līdz 60 °C | -40 līdz 60 °C |
| Elektrodi | Aktīvā ogle | Alumīnijs | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Elektrolītiskais šķidrums | Organiskais šķīdinātājs | Organiskais šķīdinātājs | KOH |
H2SO4 |
| Elektromotora spēka metode | Dabiskā elektriskā dubultā slāņa efekta izmantošana kā dielektriķis | Alumīnija oksīda kā dielektriķa izmantošana | Ķīmiskās reakcijas izmantošana | Ķīmiskās reakcijas izmantošana |
| Piesārņojums | Nē | Nē | CD | Pb |
| Uzlādes/izlādes ciklu skaits | > 100 000 reižu | > 100 000 reižu | 500 reizes | 200 līdz 1000 reizes |
| Ietilpība uz tilpuma vienību | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Uzlādes raksturlielums
Uzlādes laiks 1-10 sekundes. Sākotnējo uzlādi var veikt ļoti ātri, un augšējā uzlāde prasīs papildu laiku. Uzlādējot tukšu superkondensatoru, jāapsver ieslēgšanas strāvas ierobežošana, jo tas tērēs pēc iespējas vairāk. Superkondensators nav uzlādējams un tam nav nepieciešama pilna uzlādes noteikšana, strāva vienkārši pārstāj plūst, kad tā ir pilna. Veiktspējas salīdzinājums starp kompresoru automašīnai un litija jonu.
| Funkcija | Ionistors | Li-Ion (vispārīgi) |
| Uzlādes laiks | 1–10 sekundes | 10–60 minūtes |
| Skatīšanās dzīves cikls | 1 miljons vai 30 000 | 500 un vairāk |
| Spriegums | No 2, 3 līdz 2, 75B | 3, 6 B |
| Īpatnējā enerģija (W/kg) | 5 (parasti) | 120-240 |
| Īpatnējā jauda (W/kg) | Līdz 10000 | 1000-3000 |
| Maksa par kWh | $10 000 | 250–1000 $ |
| Mūža laikā | 10-15 gadi | 5 līdz 10 gadus vecam |
| Uzlādes temperatūra | -40 līdz 65°C | 0 līdz 45 °C |
| Izlādes temperatūra | -40 līdz 65°C | -20 līdz 60°C |
Uzlādes ierīču priekšrocības
Transportlīdzekļiem ir nepieciešams papildu enerģijas palielinājums, lai paātrinātu, un šeit tiek izmantoti kompresori. Viņiem ir ierobežots kopējais uzlādes līmenis, taču tie var to ļoti ātri pārsūtīt, padarot tos par ideāliem akumulatoriem. To priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajām baterijām:
- Zema pretestība (ESR) palielina pārsprieguma strāvu un slodzi, ja tas ir savienots paralēli akumulatoram.
- Ļoti augsts cikls - izlāde ilgst no milisekundēm līdz minūtēm.
- Sprieguma kritums salīdzinājumā ar akumulatoru darbināmu ierīci bez superkondensatora.
- Augsta efektivitāte ar 97–98%, un līdzstrāvas-līdzstrāvas efektivitāte abos virzienos ir 80–95% lielākajā daļā lietojumu, piemēram,video ierakstītājs ar jonistoriem.
- Hibrīda elektriskajā transportlīdzeklī apļveida krustojuma efektivitāte ir par 10% lielāka nekā akumulatora efektivitāte.
- Labi darbojas ļoti plašā temperatūras diapazonā, parasti no -40 C līdz +70 C, bet var būt no -50 C līdz +85 C, speciālās versijas ir pieejamas līdz 125 C.
- Neliels siltuma daudzums, kas rodas uzlādes un izlādes laikā.
- Ilgs cikla mūžs ar augstu uzticamību, samazinot uzturēšanas izmaksas.
- Neliela degradācija simtiem tūkstošu ciklu laikā un ilgst līdz 20 miljoniem ciklu.
- Pēc 10 gadiem tie zaudē ne vairāk kā 20% no savas jaudas, un to kalpošanas laiks ir 20 gadi vai vairāk.
- Izturīgs pret nodilumu.
- Neietekmē dziļu izlādi, piemēram, akumulatorus.
- Paaugstināta drošība salīdzinājumā ar akumulatoriem - nav pārlādēšanas vai eksplozijas riska.
- Atšķirībā no daudzām baterijām, nesatur bīstamus materiālus, no kuriem pēc kalpošanas laika beigām atbrīvoties.
- Atbilst vides standartiem, tāpēc nav nepieciešama sarežģīta utilizācija vai pārstrāde.
Ierobežošanas tehnoloģija
Superkondensators sastāv no diviem grafēna slāņiem, kuru vidū ir elektrolīta slānis. Plēve ir spēcīga, ārkārtīgi plāna un spēj īsā laikā atbrīvot lielu enerģijas daudzumu, taču, neskatoties uz to, ir dažas neatrisinātas problēmas, kas bremzē tehnoloģisko progresu šajā virzienā. Superkondensatora trūkumi salīdzinājumā ar uzlādējamām baterijām:
- Zems enerģijas blīvums – parastiaizņem no 1/5 līdz 1/10 no elektroķīmiskā akumulatora enerģijas.
- Līnijas izlāde - netiek izmantots pilns enerģijas spektrs, atkarībā no lietojumprogrammas visa enerģija nav pieejama.
- Tāpat kā akumulatoriem, elementiem ir zems spriegums, ir nepieciešami seriālie savienojumi un sprieguma balansēšana.
- Pašizlāde bieži vien ir lielāka nekā akumulatoru izlāde.
- Spriegums mainās atkarībā no uzkrātās enerģijas - efektīvai enerģijas uzglabāšanai un atgūšanai ir nepieciešamas sarežģītas elektroniskās vadības un komutācijas iekārtas.
- Ir augstākā dielektriskā absorbcija no visu veidu kondensatoriem.
- Augšējā lietošanas temperatūra parasti ir 70 C vai mazāka un reti pārsniedz 85 C.
- Lielākā daļa satur šķidru elektrolītu, kas samazina izmēru, kas nepieciešams, lai novērstu nejaušu ātru izlādi.
- Augstas elektroenerģijas izmaksas par vatu.
Hibrīda krātuve
Ir izstrādāts īpašs jaudas elektronikas dizains un iegultā tehnoloģija, lai ražotu kondensatoru moduļus ar jaunu struktūru. Tā kā to moduļi ir jāražo, izmantojot jaunas tehnoloģijas, tos var integrēt tādos automašīnas virsbūves paneļos kā jumts, durvis un bagāžnieka vāks. Turklāt ir izgudrotas jaunas enerģijas balansēšanas tehnoloģijas, kas samazina enerģijas zudumus un enerģijas balansēšanas ķēžu izmērus enerģijas uzkrāšanas un ierīču sistēmās.
Ir izstrādāta arī virkne saistītu tehnoloģiju, piemēram, uzlādes vadība unizlādēšanu, kā arī pieslēgumus citām enerģijas uzkrāšanas sistēmām. Superkondensatora moduli ar nominālo jaudu 150F, nominālo spriegumu 50V var novietot uz plakanām un izliektām virsmām, kuru virsmas laukums ir 0,5 kvadrātmetri. m un 4 cm biezumā. Pielietojums elektriskajiem transportlīdzekļiem un var tikt integrēts dažādās transportlīdzekļa daļās un citos gadījumos, kad nepieciešamas enerģijas uzkrāšanas sistēmas.
Pielietojums un perspektīvas
ASV, Krievijā un Ķīnā ir autobusi bez vilces akumulatoriem, visus darbus veic jonistori. Uzņēmums General Electric ir izstrādājis pikapu ar superkondensatoru, lai nomainītu akumulatoru, līdzīgi kā tas noticis dažās raķetēs, rotaļlietās un elektroinstrumentos. Testi ir parādījuši, ka superkondensatori pārspēj svina-skābes akumulatorus vēja turbīnās, kas tika sasniegts bez superkondensatoru enerģijas blīvuma, kas tuvojās svina-skābes akumulatoru enerģijas blīvumam.
Tagad ir skaidrs, ka superkondensatori dažu nākamo gadu laikā apglabās svina-skābes akumulatorus, taču tā ir tikai daļa no stāsta, jo tie uzlabojas ātrāk nekā konkurenti. Piegādātāji, piemēram, Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments un Skeleton Technologies, ir paziņojuši, ka pārsniedz svina-skābes akumulatoru enerģijas blīvumu ar to superkondensatoriem un superbaktēriem, no kuriem daži teorētiski atbilst litija jonu enerģijas blīvumam.
Tomēr jonistors elektriskajā transportlīdzeklī ir viens no elektronikas un elektrotehnikas aspektiem, kasignorē prese, investori, potenciālie piegādātāji un daudzi cilvēki, kas dzīvo ar vecām tehnoloģijām, neskatoties uz daudzu miljardu dolāru tirgus straujo izaugsmi. Piemēram, sauszemes, ūdens un gaisa transportlīdzekļiem ir aptuveni 200 lielāko vilces motoru ražotāju un 110 lielāko vilces akumulatoru piegādātāju, salīdzinot ar dažiem superkondensatoru ražotājiem. Kopumā pasaulē ir ne vairāk kā 66 lieli jonistoru ražotāji, no kuriem lielākā daļa ir koncentrējuši savu ražošanu uz vieglākiem patēriņa elektronikas modeļiem.
