Ang Ionistor ay mga double layer na electrochemical capacitor o supercapacitor. Ang kanilang mga metal na electrodes ay pinahiran ng napaka-porous na activated carbon, na tradisyonal na ginawa mula sa mga bao ng niyog, ngunit kadalasan mula sa carbon airgel, iba pang nanocarbon o graphene nanotubes. Sa pagitan ng mga electrodes na ito ay isang porous separator na nagpapanatili sa mga electrodes bukod, kapag nasugatan sa isang spiral, ang lahat ng ito ay pinapagbinhi ng electrolyte. Ang ilang mga makabagong anyo ng ionistor ay may solidong electrolyte. Pinapalitan nila ang mga tradisyunal na baterya sa mga walang tigil na power supply hanggang sa mga trak, kung saan gumagamit sila ng supercharger bilang pinagmumulan ng kuryente.
Prinsipyo sa paggawa
Gumagamit ang ionistor ng pagkilos ng double layer na nabuo sa interface sa pagitan ng coal at electrolyte. Ginagamit ang activate carbon bilang isang electrode sa solid form, at electrolyte sa liquid form. Kapag ang mga materyales na ito ay nakikipag-ugnayan sa isa't isa, ang positibo at negatibong mga pole ay ipinamamahagi nang may kaugnayan sa bawat isa sa pamamagitan ngnapakaikling distansya. Kapag naglalagay ng electric field, ang electrical double layer na nabubuo malapit sa ibabaw ng carbon sa electrolytic liquid ay ginagamit bilang pangunahing istraktura.
Kalamangan sa disenyo:
- Nagbibigay ng capacitance sa isang maliit na device, hindi na kailangan ng mga espesyal na charging circuit para makontrol habang nagdi-discharge sa mga supercharged na device.
- Ang pag-recharge o labis na pag-discharge ay hindi nakakaapekto sa buhay ng baterya tulad ng sa mga karaniwang baterya.
- Ang teknolohiya ay lubhang "malinis" sa mga tuntunin ng ekolohiya.
- Walang problema sa hindi matatag na mga contact gaya ng mga normal na baterya.
Mga kakulangan sa disenyo:
- Ang tagal ng operasyon ay limitado dahil sa paggamit ng electrolyte sa mga device na gumagamit ng supercapacitor.
- Maaaring tumagas ang electrolyte kung hindi maayos na pinapanatili ang capacitor.
- Kung ikukumpara sa mga aluminum capacitor, ang mga capacitor na ito ay may mataas na resistensya at samakatuwid ay hindi magagamit sa mga AC circuit.
Gamit ang mga pakinabang na inilarawan sa itaas, ang mga electric capacitor ay malawakang ginagamit sa mga aplikasyon gaya ng:
- Pagpapareserba ng memorya para sa mga timer, program, e-mobile power, atbp.
- Video at audio equipment.
- Backup source kapag pinapalitan ang mga baterya para sa portable na electronic equipment.
- Mga power supply para sa solar powered equipment gaya ng mga orasan at indicator.
- Mga panimula para sa maliliit at mobile na makina.
Redox reactions
Ang charge accumulator ay matatagpuan sa interface sa pagitan ng electrode at ng electrolyte. Sa panahon ng proseso ng pagsingil, ang mga electron ay lumipat mula sa negatibong elektrod patungo sa positibong elektrod sa kahabaan ng panlabas na circuit. Sa panahon ng paglabas, ang mga electron at ion ay gumagalaw sa kabaligtaran na direksyon. Walang paglilipat ng singil sa isang EDLC supercapacitor. Sa ganitong uri ng supercapacitor, isang redox reaction ang nangyayari sa electrode, na bumubuo ng mga charge at nagdadala ng charge sa pamamagitan ng double layers ng construction, kung saan ginagamit ang isang ionistor.
Dahil sa redox na reaksyon na nangyayari sa ganitong uri, may potensyal para sa mas mababang density ng kuryente kaysa sa EDLC dahil ang mga Faradaic system ay mas mabagal kaysa sa mga non-faradaic system. Bilang isang pangkalahatang tuntunin, ang mga pseudocapactor ay nagbibigay ng mas mataas na tiyak na kapasidad at density ng enerhiya kaysa sa mga EDLC dahil sa katotohanan na sila ay nasa sistema ng faraday. Gayunpaman, ang tamang pagpili ng supercapacitor ay depende sa application at availability.
Grapene-based na materyales
Ang supercapacitor ay nailalarawan sa pamamagitan ng kakayahang mabilis na mag-charge, na mas mabilis kaysa sa tradisyonal na baterya, ngunit hindi ito nakakapag-imbak ng enerhiya na kasing dami ng baterya dahil mayroon itong mas mababang density ng enerhiya. Ang kanilang pagtaas ng kahusayan ay nakakamit sa pamamagitan ng paggamit ng graphene at carbon nanotubes. Tutulungan nila ang mga ionistor sa hinaharap na ganap na palitan ang mga electrochemical na baterya. Nanotechnology ngayon ang pinagmumulan ng maramimga inobasyon, lalo na sa e-mobile.
Ang Grapene ay nagpapataas ng kapasidad ng mga supercapacitor. Ang rebolusyonaryong materyal na ito ay binubuo ng mga sheet na ang kapal ay maaaring limitahan ng kapal ng carbon atom at ang atomic na istraktura ay ultra-dense. Ang ganitong mga katangian ay maaaring palitan ang silikon sa electronics. Ang isang porous separator ay inilalagay sa pagitan ng dalawang electrodes. Gayunpaman, ang mga pagkakaiba-iba sa mekanismo ng imbakan at ang pagpili ng materyal na elektrod ay humahantong sa iba't ibang klasipikasyon ng mga supercapacitor na may mataas na kapasidad:
- Electrochemical Double Layer Capacitors (EDLC), na kadalasang gumagamit ng high carbon carbon electrodes at iniimbak ang kanilang enerhiya sa pamamagitan ng mabilis na pag-adsorb ng mga ion sa electrode/electrolyte interface.
- Ang Psuedo-capacitors ay batay sa phagic na proseso ng paglilipat ng singil sa o malapit sa ibabaw ng electrode. Sa kasong ito, ang mga conductive polymer at transition metal oxide ay nananatiling electrochemically active na mga materyales, gaya ng mga matatagpuan sa mga electronic na relo na pinapatakbo ng baterya.
Mga naiaangkop na polymer device
Ang supercapacitor ay nakakakuha at nag-iimbak ng enerhiya sa mataas na rate sa pamamagitan ng pagbuo ng electrochemical charge double layer o sa pamamagitan ng surface redox reactions, na nagreresulta sa mataas na power density na may pangmatagalang cyclic stability, mababang gastos at proteksyon sa kapaligiran. Ang PDMS at PET ay ang pinakakaraniwang ginagamit na mga substrate sa pagpapatupad ng mga nababaluktot na supercapacitor. Sa kaso ng pelikula, ang PDMS ay maaaring lumikha ng flexible attransparent thin film ionistor sa mga relo na may mataas na cyclic stability pagkatapos ng 10,000 flex cycle.
Single-walled carbon nanotubes ay maaaring higit pang isama sa PDMS film upang higit pang mapabuti ang mechanical, electronic at thermal stability. Katulad nito, ang mga conductive na materyales tulad ng graphene at CNTs ay pinahiran din ng PET film upang makamit ang parehong mataas na flexibility at electrical conductivity. Bilang karagdagan sa PDMS at PET, ang iba pang mga polymeric na materyales ay nakakaakit din ng lumalaking interes at na-synthesize ng iba't ibang pamamaraan. Halimbawa, ginamit ang localized pulsed laser irradiation para mabilis na gawing isang electrically conductive porous na istraktura ng carbon ang pangunahing ibabaw na may tukoy na graphics.
Natural polymers gaya ng wood fiber at paper nonwovens ay maaari ding gamitin bilang substrates, na flexible at magaan. Ang CNT ay idineposito sa papel upang bumuo ng isang nababaluktot na CNT paper electrode. Dahil sa mataas na kakayahang umangkop ng substrate ng papel at ang mahusay na pamamahagi ng mga CNT, ang tiyak na kapasidad at lakas at density ng enerhiya ay nagbabago nang mas mababa sa 5% pagkatapos ng baluktot para sa 100 na mga cycle sa isang radius ng bend na 4.5 mm. Bilang karagdagan, dahil sa mas mataas na lakas ng makina at mas mahusay na katatagan ng kemikal, ginagamit din ang mga bacterial nanocellulose na papel para gumawa ng mga flexible supercapacitor gaya ng walkman cassette player.
Pagganap ng Supercapacitor
Ito ay tinukoy sa mga tuntunin ngelectrochemical activity at chemical kinetic properties, namely: electron at ion kinetics (transportasyon) sa loob ng electrodes at ang kahusayan ng rate ng paglilipat ng singil sa electrode/electrolyte. Ang partikular na surface area, electrical conductivity, pore size at mga pagkakaiba ay mahalaga para sa mataas na performance kapag gumagamit ng EDLC based carbon material. Ang Graphene, na may mataas na electrical conductivity, malaking surface area at interlayer na istraktura, ay kaakit-akit para sa paggamit sa EDLC.
Sa kaso ng mga pseudocapacitor, bagama't nagbibigay sila ng mas mataas na kapasidad kumpara sa mga EDLC, limitado pa rin ang mga ito sa density ng mababang kapangyarihan ng CMOS chip. Ito ay dahil sa mahinang electrical conductivity, na naglilimita sa mabilis na electronic motion. Bilang karagdagan, ang proseso ng redox na nagtutulak sa proseso ng pag-charge/discharge ay maaaring makapinsala sa mga electroactive na materyales. Ang mataas na electrical conductivity ng graphene at ang mahusay nitong mekanikal na lakas ay ginagawa itong angkop bilang isang materyal sa mga pseudocapacitor.
Ipinakita ng mga pag-aaral ng adsorption sa graphene na pangunahin itong nangyayari sa ibabaw ng mga graphene sheet na may access sa malalaking pores (ibig sabihin, ang istruktura ng interlayer ay porous, na nagbibigay-daan sa madaling pag-access sa mga electrolyte ions). Kaya, dapat na iwasan ang non-porous graphene agglomeration para sa mas mahusay na pagganap. Ang pagganap ay maaaring higit pang mapabuti sa pamamagitan ng pagbabago sa ibabaw sa pamamagitan ng pagdaragdag ng functional group, hybridization na may electrically conductive polymers, at sa pamamagitan ng pagbuo ng graphene/oxide compositesmetal.
Paghahambing ng kapasitor
Ang Supercaps ay mainam kapag kailangan ang mabilis na pag-charge para matugunan ang panandaliang pangangailangan ng kuryente. Ang hybrid na baterya ay nakakatugon sa parehong mga pangangailangan at nagpapababa ng boltahe para sa mas mahabang buhay. Ipinapakita ng talahanayan sa ibaba ang paghahambing ng mga katangian at pangunahing materyales sa mga capacitor.
| Electric double-layer capacitor, ionistor designation | Aluminum electrolytic capacitor | Ni-cd na baterya | Baterya na may selyadong lead | |
| Gamitin ang hanay ng temperatura | -25 hanggang 70°C | -55 hanggang 125 °C | -20 hanggang 60 °C | -40 hanggang 60 °C |
| Electrodes | Activated carbon | Aluminum | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Electrolytic liquid | Organic solvent | Organic solvent | KOH |
H2SO4 |
| Electromotive force method | Paggamit ng natural na elektrikal na double layer effect bilang dielectric | Paggamit ng aluminum oxide bilang dielectric | Paggamit ng kemikal na reaksyon | Paggamit ng kemikal na reaksyon |
| Polusyon | Hindi | Hindi | CD | Pb |
| Bilang ng mga cycle ng charge/discharge | > 100,000 beses | > 100,000 beses | 500 beses | 200 hanggang 1000 beses |
| Capacity per volume unit | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Katangian ng pagsingil
Tagal ng pag-charge 1-10 segundo. Ang unang pagsingil ay maaaring makumpleto nang napakabilis at ang pinakamataas na pagsingil ay tatagal ng dagdag na oras. Dapat isaalang-alang ang paglilimita sa inrush na kasalukuyang kapag nagcha-charge ng isang walang laman na supercapacitor, dahil ito ay gumuhit hangga't maaari. Ang supercapacitor ay hindi rechargeable at hindi nangangailangan ng full charge detection, ang kasalukuyang ay hihinto lamang sa pag-agos kapag puno. Paghahambing ng pagganap sa pagitan ng supercharger para sa kotse at Li-ion.
| Function | Ionistor | Li-Ion (pangkalahatan) |
| Tagal ng pagsingil | 1-10 segundo | 10-60 minuto |
| Ikot ng buhay ng panonood | 1 milyon o 30,000 | 500 at mas mataas |
| Voltage | Mula 2, 3 hanggang 2, 75B | 3, 6 B |
| Tiyak na enerhiya (W/kg) | 5 (typical) | 120-240 |
| Specific power (W/kg) | Hanggang 10000 | 1000-3000 |
| Cost per kWh | $10,000 | 250-1,000 $ |
| Habang buhay | 10-15 taon | 5 hanggang 10 taong gulang |
| Temperatura ng pagcha-charge | -40 hanggang 65°C | 0 hanggang 45 °C |
| Temperatura sa paglabas | -40 hanggang 65°C | -20 hanggang 60°C |
Mga pakinabang ng pag-charge ng mga device
Ang mga sasakyan ay nangangailangan ng dagdag na energy boost para bumilis, at doon pumapasok ang mga supercharger. Mayroon silang limitasyon sa kabuuang singil, ngunit nagagawa nilang ilipat ito nang napakabilis, na ginagawa silang perpektong mga baterya. Ang kanilang mga bentahe kumpara sa mga tradisyonal na baterya:
- Low impedance (ESR) ay nagpapataas ng surge current at load kapag nakakonekta nang kahanay ng baterya.
- Napakataas na ikot - ang paglabas ay tumatagal ng millisecond hanggang minuto.
- Pagbaba ng boltahe kumpara sa device na pinapagana ng baterya na walang supercapacitor.
- Mataas na kahusayan sa 97-98%, at ang kahusayan ng DC-DC sa parehong direksyon ay 80%-95% sa karamihan ng mga application, gaya ngvideo recorder na may mga ionistor.
- Sa isang hybrid na de-kuryenteng sasakyan, ang kahusayan sa pag-ikot ay 10% na mas mataas kaysa sa baterya.
- Gumagana nang husto sa napakalawak na hanay ng temperatura, karaniwang -40 C hanggang +70 C, ngunit maaaring mula -50 C hanggang +85 C, mga espesyal na bersyon na available hanggang 125 C.
- Maliit na dami ng init na nalilikha habang nagcha-charge at nagdi-discharge.
- Mahabang ikot ng buhay na may mataas na pagiging maaasahan, nakakabawas sa mga gastos sa pagpapanatili.
- Bahagyang pagkasira sa daan-daang libong cycle at tumatagal ng hanggang 20 milyong cycle.
- Hindi sila nawawalan ng higit sa 20% ng kanilang kapasidad pagkatapos ng 10 taon, at may habang-buhay na 20 taon o higit pa.
- Hindi mapunit.
- Hindi nakakaapekto sa malalalim na discharge tulad ng mga baterya.
- Nadagdagang kaligtasan kumpara sa mga baterya - walang panganib ng sobrang pag-charge o pagsabog.
- Walang naglalaman ng mga mapanganib na materyales na itatapon sa dulo ng buhay hindi tulad ng maraming baterya.
- Sumusunod sa mga pamantayan sa kapaligiran, kaya walang kumplikadong pagtatapon o pag-recycle.
Teknolohiya ng Pagpigil
Ang supercapacitor ay binubuo ng dalawang layer ng graphene na may electrolyte layer sa gitna. Ang pelikula ay malakas, sobrang manipis at may kakayahang maglabas ng malaking halaga ng enerhiya sa maikling panahon, ngunit gayunpaman, may ilang hindi nalutas na mga problema na pumipigil sa pag-unlad ng teknolohiya sa direksyong ito. Mga Kakulangan ng Supercapacitor kaysa sa Mga Rechargeable na Baterya:
- Mababang density ng enerhiya - karaniwantumatagal mula 1/5 hanggang 1/10 ng enerhiya ng isang electrochemical na baterya.
- Line discharge - kabiguang gamitin ang buong spectrum ng enerhiya, depende sa application, hindi lahat ng enerhiya ay available.
- Tulad ng mga baterya, mababa ang boltahe ng mga cell, kailangan ang mga serial connection at pagbabalanse ng boltahe.
- Ang self-discharge ay kadalasang mas mataas kaysa sa mga baterya.
- Nag-iiba ang boltahe sa nakaimbak na enerhiya - ang mahusay na pag-iimbak at pagbawi ng enerhiya ay nangangailangan ng sopistikadong electronic control at switching equipment.
- May pinakamataas na dielectric absorption sa lahat ng uri ng capacitor.
- Ang temperatura sa itaas na paggamit ay karaniwang 70 C o mas mababa at bihirang lumampas sa 85 C.
- Karamihan ay naglalaman ng likidong electrolyte na nagpapaliit sa laki na kailangan para maiwasan ang hindi sinasadyang mabilis na paglabas.
- Mataas na halaga ng kuryente kada watt.
Hybrid Storage
Espesyal na disenyo at naka-embed na teknolohiya ng power electronics ay binuo upang makagawa ng mga capacitor module na may bagong istraktura. Dahil ang kanilang mga module ay dapat na ginawa gamit ang mga bagong teknolohiya, maaari silang isama sa mga panel ng katawan ng kotse tulad ng bubong, mga pinto at takip ng puno ng kahoy. Bilang karagdagan, naimbento ang mga bagong teknolohiya sa pagbabalanse ng enerhiya na nagpapababa ng pagkawala ng enerhiya at ang laki ng mga circuit ng pagbabalanse ng enerhiya sa mga sistema ng imbakan ng enerhiya at mga device.
Nabuo din ang isang serye ng mga kaugnay na teknolohiya, gaya ng kontrol sa pagsingil atpagdiskarga, pati na rin ang mga koneksyon sa iba pang mga sistema ng imbakan ng enerhiya. Ang isang supercapacitor module na may rate na kapasidad na 150F, ang isang na-rate na boltahe na 50V ay maaaring ilagay sa mga flat at curved na ibabaw na may surface area na 0.5 square meters. m at 4 cm ang kapal. Naaangkop ang mga application sa mga de-kuryenteng sasakyan at maaaring isama sa iba't ibang bahagi ng sasakyan at iba pang mga kaso kung saan kinakailangan ang mga sistema ng pag-iimbak ng enerhiya.
Aplikasyon at mga pananaw
Sa USA, Russia at China may mga bus na walang traction batteries, lahat ng trabaho ay ginagawa ng mga ionistor. Gumawa ang General Electric ng isang pickup truck na may supercapacitor para palitan ang baterya, katulad ng nangyari sa ilang rocket, laruan at power tool. Ipinakita ng mga pagsubok na ang mga supercapacitor ay higit na mahusay ang mga lead-acid na baterya sa mga wind turbine, na nakuha nang walang supercapacitor energy density na lumalapit sa lead-acid na mga baterya.
Malinaw na ngayon na ibaon ng mga supercapacitor ang mga lead-acid na baterya sa susunod na ilang taon, ngunit bahagi lamang iyon ng kuwento, dahil mas mabilis silang umuunlad kaysa sa kumpetisyon. Sinabi ng mga supplier gaya ng Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments at Skeleton Technologies na lumalampas sila sa energy density ng lead-acid na mga baterya sa kanilang mga supercapacitor at superbug, na ang ilan sa mga ito ay ayon sa teoryang tumutugma sa energy density ng mga lithium ions.
Gayunpaman, ang ionistor sa isang de-kuryenteng sasakyan ay isa sa mga aspeto ng electronics at electrical engineering nahindi pinansin ng press, mga mamumuhunan, mga potensyal na supplier, at maraming tao na nabubuhay sa lumang teknolohiya, sa kabila ng mabilis na paglago ng multi-bilyong dolyar na merkado. Halimbawa, para sa mga sasakyang pang-lupa, tubig at hangin, mayroong humigit-kumulang 200 pangunahing tagagawa ng mga traksyon na motor at 110 pangunahing tagapagtustos ng mga baterya ng traksyon kumpara sa ilang mga tagagawa ng mga supercapacitor. Sa pangkalahatan, hindi hihigit sa 66 na malalaking tagagawa ng mga ionistor sa mundo, karamihan sa mga ito ay nakatuon sa kanilang produksyon sa mas magaan na mga modelo para sa consumer electronics.
