Ionistor zijn dubbellaagse elektrochemische condensatoren of supercondensatoren. Hun metalen elektroden zijn gecoat met zeer poreuze actieve kool, traditioneel gemaakt van kokosnootschalen, maar meestal van koolstofaerogel, andere nanokoolstof- of grafeennanobuizen. Tussen deze elektroden zit een poreuze scheider die de elektroden uit elkaar houdt, als ze op een spiraal gewikkeld zijn, is dit alles geïmpregneerd met elektrolyt. Sommige innovatieve vormen van ionistor hebben een vaste elektrolyt. Ze vervangen traditionele batterijen in noodstroomvoorzieningen tot vrachtwagens, waar ze een supercharger als stroombron gebruiken.
Werkingsprincipe
De ionistor maakt gebruik van de werking van een dubbele laag die wordt gevormd op het grensvlak tussen steenkool en elektrolyt. Actieve kool wordt gebruikt als elektrode in vaste vorm en elektrolyt in vloeibare vorm. Wanneer deze materialen met elkaar in contact zijn, worden de positieve en negatieve polen ten opzichte van elkaar verdeeld door:zeer korte afstand. Bij het aanleggen van een elektrisch veld wordt de elektrische dubbele laag die zich nabij het oppervlak van de koolstof in de elektrolytische vloeistof vormt, als hoofdstructuur gebruikt.
Ontwerpvoordeel:
- Biedt capaciteit in een klein apparaat, geen speciale laadcircuits nodig om te regelen tijdens het ontladen in supercharged-apparaten.
- Opladen of te veel ontladen heeft geen nadelige invloed op de levensduur van de batterij zoals bij normale batterijen.
- Technologie is extreem "schoon" in termen van ecologie.
- Geen problemen met onstabiele contacten zoals normale batterijen.
Ontwerpfouten:
- De werkingsduur is beperkt door het gebruik van elektrolyt in apparaten die een supercondensator gebruiken.
- Elektrolyt kan lekken als de condensator niet goed wordt onderhouden.
- Vergeleken met aluminium condensatoren hebben deze condensatoren een hoge weerstand en kunnen ze daarom niet worden gebruikt in AC-circuits.
Door gebruik te maken van de hierboven beschreven voordelen, worden elektrische condensatoren veel gebruikt in toepassingen zoals:
- Geheugen reserveren voor timers, programma's, e-mobiele stroom, enz.
- Video- en audioapparatuur.
- Back-upbronnen bij het vervangen van batterijen voor draagbare elektronische apparatuur.
- Voedingen voor apparatuur op zonne-energie, zoals klokken en indicatoren.
- Starters voor kleine en mobiele motoren.
Redoxreacties
De ladingsaccumulator bevindt zich op het grensvlak tussen de elektrode en de elektrolyt. Tijdens het laadproces bewegen elektronen van de negatieve elektrode naar de positieve elektrode langs het buitenste circuit. Tijdens ontlading bewegen elektronen en ionen in de tegenovergestelde richting. Er is geen ladingsoverdracht in een EDLC-supercondensator. Bij dit type supercondensator vindt een redoxreactie plaats aan de elektrode, die ladingen genereert en de lading door de dubbele lagen van de constructie voert, waar een ionistor wordt gebruikt.
Vanwege de redoxreactie die bij dit type optreedt, is er een potentieel voor een lagere vermogensdichtheid dan EDLC omdat Faraday-systemen langzamer zijn dan niet-Faraday-systemen. Als algemene regel bieden pseudocondensatoren een hogere specifieke capaciteit en energiedichtheid dan EDLC's vanwege het feit dat ze van het Faraday-systeem zijn. De juiste keuze van supercondensator hangt echter af van de toepassing en beschikbaarheid.
Grafeen-gebaseerde materialen
De supercondensator wordt gekenmerkt door het vermogen om snel op te laden, veel sneller dan een traditionele batterij, maar hij kan niet zoveel energie opslaan als een batterij omdat hij een lagere energiedichtheid heeft. Hun efficiëntieverhoging wordt bereikt door het gebruik van grafeen en koolstofnanobuisjes. Ze zullen in de toekomst helpen ionistoren om elektrochemische batterijen volledig te vervangen. Nanotechnologie is tegenwoordig de bron van veleinnovaties, vooral in e-mobile.
Grafeen verhoogt de capaciteit van supercondensatoren. Dit revolutionaire materiaal bestaat uit platen waarvan de dikte kan worden beperkt door de dikte van het koolstofatoom en waarvan de atomaire structuur ultradicht is. Dergelijke eigenschappen kunnen silicium in de elektronica vervangen. Tussen twee elektroden wordt een poreuze separator geplaatst. Variaties in het opslagmechanisme en de keuze van het elektrodemateriaal leiden echter tot verschillende classificaties van supercondensatoren met hoge capaciteit:
- Elektrochemische dubbellaagse condensatoren (EDLC), die meestal koolstofelektroden met een hoog koolstofgeh alte gebruiken en hun energie opslaan door snel ionen te adsorberen aan het elektrode/elektrolyt-interface.
- Psuedo-condensatoren zijn gebaseerd op het fagische proces van ladingsoverdracht op of nabij het elektrode-oppervlak. In dit geval blijven geleidende polymeren en overgangsmetaaloxiden elektrochemisch actieve materialen, zoals die worden aangetroffen in elektronische horloges op batterijen.
Flexibele polymere apparaten
De supercondensator wint en slaat energie met een hoge snelheid op door het vormen van dubbele elektrochemische ladingslagen of door oppervlakte-redoxreacties, wat resulteert in een hoge vermogensdichtheid met langdurige cyclische stabiliteit, lage kosten en milieubescherming. PDMS en PET zijn de meest gebruikte substraten bij de implementatie van flexibele supercondensatoren. In het geval van film kan PDMS flexibele entransparante dunnefilmionistoren in horloges met een hoge cyclische stabiliteit na 10.000 buigcycli.
Enkelwandige koolstofnanobuisjes kunnen verder in de PDMS-film worden opgenomen om de mechanische, elektronische en thermische stabiliteit verder te verbeteren. Evenzo zijn geleidende materialen zoals grafeen en CNT's ook gecoat met PET-folie om zowel een hoge flexibiliteit als elektrische geleidbaarheid te bereiken. Naast PDMS en PET trekken ook andere polymere materialen steeds meer belangstelling en worden ze op verschillende manieren gesynthetiseerd. Er is bijvoorbeeld gelokaliseerde gepulste laserbestraling gebruikt om het primaire oppervlak snel om te zetten in een elektrisch geleidende poreuze koolstofstructuur met gespecificeerde afbeeldingen.
Natuurlijke polymeren zoals houtvezels en papier nonwovens kunnen ook worden gebruikt als substraten, die flexibel en lichtgewicht zijn. De CNT wordt op papier afgezet om een flexibele CNT-papierelektrode te vormen. Vanwege de hoge flexibiliteit van het papiersubstraat en de goede verdeling van CNT's, veranderen de specifieke capaciteit en het vermogen en de energiedichtheid met minder dan 5% na buigen gedurende 100 cycli bij een buigradius van 4,5 mm. Bovendien worden, vanwege de hogere mechanische sterkte en betere chemische stabiliteit, bacteriële nanocellulosepapieren ook gebruikt om flexibele supercondensatoren te maken, zoals de walkman-cassettespeler.
Supercondensatorprestaties
Het wordt gedefinieerd in termen vanelektrochemische activiteit en chemische kinetische eigenschappen, namelijk: elektronen- en ionenkinetiek (transport) in de elektroden en de efficiëntie van de snelheid van ladingsoverdracht naar de elektrode/elektrolyt. Specifiek oppervlak, elektrische geleidbaarheid, poriegrootte en verschillen zijn belangrijk voor hoge prestaties bij het gebruik van op EDLC gebaseerde koolstofmaterialen. Grafeen, met zijn hoge elektrische geleidbaarheid, groot oppervlak en tussenlaagstructuur, is aantrekkelijk voor gebruik in EDLC.
In het geval van pseudocondensatoren, hoewel ze een superieure capaciteit bieden in vergelijking met EDLC's, zijn ze nog steeds beperkt in dichtheid door het lage vermogen van de CMOS-chip. Dit komt door een slechte elektrische geleidbaarheid, die snelle elektronische beweging beperkt. Bovendien kan het redoxproces dat het laad-/ontlaadproces aandrijft, elektroactieve materialen beschadigen. De hoge elektrische geleidbaarheid van grafeen en zijn uitstekende mechanische sterkte maken het geschikt als materiaal in pseudocondensatoren.
Studies naar adsorptie op grafeen hebben aangetoond dat het voornamelijk voorkomt op het oppervlak van grafeenplaten met toegang tot grote poriën (dwz de tussenlaagstructuur is poreus, waardoor elektrolytionen gemakkelijk toegankelijk zijn). Daarom moet niet-poreuze grafeenagglomeratie worden vermeden voor betere prestaties. De prestaties kunnen verder worden verbeterd door oppervlaktemodificatie door toevoeging van functionele groepen, hybridisatie met elektrisch geleidende polymeren en door vorming van grafeen/oxide-composietenmetaal.
Condensatorvergelijking
Supercaps zijn ideaal wanneer snel opladen nodig is om te voldoen aan de stroombehoeften op korte termijn. De hybride batterij voldoet aan beide behoeften en verlaagt de spanning voor een langere levensduur. De onderstaande tabel toont de vergelijking van kenmerken en belangrijkste materialen in condensatoren.
| Elektrische dubbellaagse condensator, ionistoraanduiding | Aluminium elektrolytische condensator | Ni-cd-batterij | Lood verzegelde batterij | |
| Gebruik temperatuurbereik | -25 tot 70°C | -55 tot 125 °C | -20 tot 60 °C | -40 tot 60 °C |
| Elektroden | Actieve kool | Aluminium | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Elektrolytische vloeistof | Organisch oplosmiddel | Organisch oplosmiddel | KOH |
H2SO4 |
| Elektromotorische krachtmethode | Natuurlijk elektrisch dubbellaags effect gebruiken als diëlektricum | Gebruik van aluminiumoxide als diëlektricum | Een chemische reactie gebruiken | Een chemische reactie gebruiken |
| Vervuiling | Nee | Nee | CD | Pb |
| Aantal laad-/ontlaadcycli | > 100.000 keer | > 100.000 keer | 500 keer | 200 tot 1000 keer |
| Capaciteit per volume-eenheid | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Laadkenmerk
Oplaadtijd 1-10 seconden. De eerste lading kan zeer snel worden voltooid en de toplading zal extra tijd in beslag nemen. Er moet worden overwogen om de inschakelstroom te beperken bij het opladen van een lege supercondensator, omdat deze zoveel mogelijk zal trekken. De supercondensator is niet oplaadbaar en vereist geen detectie van volledige lading, de stroom stopt gewoon met stromen als deze vol is. Prestatievergelijking tussen supercharger voor auto en Li-ion.
| Functie | Ionistor | Li-Ion (algemeen) |
| Oplaadtijd | 1-10 seconden | 10-60 minuten |
| Bekijk levenscyclus | 1 miljoen of 30.000 | 500 en hoger |
| Spanning | Van 2, 3 tot 2, 75B | 3, 6 B |
| Specifieke energie (W/kg) | 5 (typisch) | 120-240 |
| Specifiek vermogen (W/kg) | Tot 10000 | 1000-3000 |
| Kosten per kWh | $10,000 | 250-1.000 $ |
| Levensduur | 10-15 jaar | 5 tot 10 jaar |
| Oplaadtemperatuur | -40 tot 65°C | 0 tot 45 °C |
| Uitvoertemperatuur | -40 tot 65°C | -20 tot 60°C |
Voordelen van oplaadapparaten
Voertuigen hebben een extra energieboost nodig om te accelereren, en dat is waar superchargers van pas komen. Ze hebben een limiet op de totale lading, maar ze kunnen deze zeer snel overdragen, waardoor ze ideale batterijen zijn. Hun voordelen ten opzichte van traditionele batterijen:
- Lage impedantie (ESR) verhoogt piekstroom en belasting wanneer parallel aangesloten op de batterij.
- Zeer hoge cyclus - ontlading duurt milliseconden tot minuten.
- Spanningsval vergeleken met een batterijgevoed apparaat zonder supercondensator.
- Hoge efficiëntie van 97-98%, en DC-DC-efficiëntie in beide richtingen is 80%-95% in de meeste toepassingen, zoalsvideorecorder met ionistoren.
- In een hybride elektrisch voertuig is de efficiëntie van de rotonde 10% hoger dan die van een batterij.
- Werkt goed over een zeer breed temperatuurbereik, typisch -40 C tot +70 C, maar kan van -50 C tot +85 C zijn, speciale versies beschikbaar tot 125 C.
- Kleine hoeveelheid warmte die wordt gegenereerd tijdens het laden en ontladen.
- Lange levensduur met hoge betrouwbaarheid, lagere onderhoudskosten.
- Lichte degradatie over honderdduizenden cycli en tot 20 miljoen cycli.
- Ze verliezen niet meer dan 20% van hun capaciteit na 10 jaar en hebben een levensduur van 20 jaar of meer.
- Slijtagebestendig.
- Heeft geen invloed op diepe ontladingen zoals batterijen.
- Verhoogde veiligheid in vergelijking met batterijen - geen gevaar voor overladen of explosie.
- Bevat geen gevaarlijke materialen die aan het einde van hun levensduur moeten worden weggegooid, in tegenstelling tot veel batterijen.
- Voldoet aan de milieunormen, dus er is geen ingewikkelde verwijdering of recycling.
Beperkingstechnologie
De supercondensator bestaat uit twee lagen grafeen met in het midden een elektrolytlaag. De film is sterk, extreem dun en in staat om in korte tijd een grote hoeveelheid energie af te geven, maar desalniettemin zijn er bepaalde onopgeloste problemen die de technologische vooruitgang in deze richting tegenhouden. Nadelen van supercondensator ten opzichte van oplaadbare batterijen:
- Lage energiedichtheid - meestalneemt 1/5 tot 1/10 van de energie van een elektrochemische batterij in beslag.
- Lijnontlading - niet het volledige energiespectrum gebruiken, afhankelijk van de toepassing is niet alle energie beschikbaar.
- Net als bij batterijen hebben cellen een lage spanning, seriële verbindingen en spanningsbalancering zijn vereist.
- Zelfontlading is vaak hoger dan bij batterijen.
- Spanning varieert met opgeslagen energie - efficiënte opslag en terugwinning van energie vereist geavanceerde elektronische besturings- en schakelapparatuur.
- Heeft de hoogste diëlektrische absorptie van alle soorten condensatoren.
- De hoogste gebruikstemperatuur is gewoonlijk 70 C of minder en overschrijdt zelden 85 C.
- De meeste bevatten een vloeibare elektrolyt die de grootte verkleint die nodig is om onbedoelde snelle ontlading te voorkomen.
- Hoge elektriciteitskosten per watt.
Hybride opslag
Speciaal ontwerp en ingebedde technologie van vermogenselektronica zijn ontwikkeld om condensatormodules met een nieuwe structuur te produceren. Omdat hun modules met nieuwe technologieën moeten worden vervaardigd, kunnen ze worden geïntegreerd in carrosseriepanelen zoals het dak, de deuren en het kofferdeksel. Daarnaast zijn er nieuwe energiebalanceringstechnologieën uitgevonden die energieverliezen en de omvang van energiebalanceringscircuits in energieopslag- en apparaatsystemen verminderen.
Er is ook een reeks gerelateerde technologieën ontwikkeld, zoals laadcontrole enontladen en aansluitingen op andere energieopslagsystemen. Een supercondensatormodule met een nominale capaciteit van 150F, een nominale spanning van 50V kan op vlakke en gebogen oppervlakken met een oppervlakte van 0,5 vierkante meter worden geplaatst. m en 4 cm dik Toepassingen van toepassing op elektrische voertuigen en kunnen worden geïntegreerd met verschillende delen van het voertuig en andere gevallen waar energieopslagsystemen vereist zijn.
Toepassing en perspectieven
In de VS, Rusland en China zijn er bussen zonder tractiebatterijen, al het werk wordt gedaan door ionistoren. General Electric heeft een pick-up ontwikkeld met een supercondensator om de batterij te vervangen, vergelijkbaar met wat er is gebeurd in sommige raketten, speelgoed en elektrisch gereedschap. Tests hebben aangetoond dat supercondensatoren beter presteren dan loodzuuraccu's in windturbines, wat werd bereikt zonder dat de energiedichtheid van supercondensatoren die van loodzuuraccu's benaderde.
Het is nu duidelijk dat supercondensatoren de komende jaren loodzuurbatterijen zullen begraven, maar dat is slechts een deel van het verhaal, omdat ze sneller verbeteren dan de concurrentie. Leveranciers zoals Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments en Skeleton Technologies hebben gezegd dat ze de energiedichtheid van loodzuurbatterijen overschrijden met hun supercondensatoren en superbacteriën, waarvan sommige theoretisch overeenkomen met de energiedichtheid van lithiumionen.
De ionistor in een elektrisch voertuig is echter een van de aspecten van elektronica en elektrotechniek diegenegeerd door de pers, investeerders, potentiële leveranciers en veel mensen die leven met oude technologie, ondanks de snelle groei van de miljardenmarkt. Voor land-, water- en luchtvoertuigen zijn er bijvoorbeeld ongeveer 200 grote fabrikanten van tractiemotoren en 110 grote leveranciers van tractiebatterijen in vergelijking met enkele fabrikanten van supercondensatoren. Over het algemeen zijn er niet meer dan 66 grote fabrikanten van ionistors in de wereld, waarvan de meeste hun productie hebben gericht op lichtere modellen voor consumentenelektronica.
