Hol használják az ionisztort? Az ionisztorok típusai, rendeltetésük, előnyei és hátrányai

Elektronika

Tartalomjegyzék:

Hol használják az ionisztort? Az ionisztorok típusai, rendeltetésük, előnyei és hátrányai
Hol használják az ionisztort? Az ionisztorok típusai, rendeltetésük, előnyei és hátrányai
Anonim

Az ionisztorok kétrétegű elektrokémiai kondenzátorok vagy szuperkondenzátorok. Fémelektródáikat erősen porózus aktív szénnel vonják be, amelyet hagyományosan kókuszdióhéjból, de leggyakrabban szénaerogélt, egyéb nanokarbon vagy grafén nanocsövekből készítenek. Ezen elektródák között van egy porózus szeparátor, amely az elektródákat egymástól távol tartja, spirálra feltekerve mindezt elektrolittal impregnálják. Az ionisztorok egyes innovatív formái szilárd elektrolittal rendelkeznek. A hagyományos akkumulátorokat helyettesítik a szünetmentes tápegységekben egészen teherautókig, ahol kompresszort használnak áramforrásként.

Működési elv

Működés elve

Az ionisztor a szén és az elektrolit határfelületén kialakított kettős réteg hatását használja. Az aktív szenet szilárd formában elektródaként, folyékony formában elektrolitként használják. Amikor ezek az anyagok érintkeznek egymással, a pozitív és negatív pólusok egymáshoz képest oszlanak elnagyon rövid távolságra. Elektromos tér alkalmazásakor az elektrolitikus folyadékban lévő szén felületének közelében kialakuló elektromos kettős réteget használják fő szerkezetként.

Dizájnelőny:

  1. Kapacitást biztosít egy kis eszközben, nincs szükség speciális töltőáramkörökre a kisütés közbeni vezérléshez kompresszoros eszközökben.
  2. Az újratöltés vagy a túlzott kisütés nem befolyásolja hátrányosan az akkumulátor élettartamát, mint a szokásos akkumulátorok esetében.
  3. A technológia rendkívül "tiszta" ökológiai szempontból.
  4. Nincs probléma az instabil érintkezőkkel, például a normál akkumulátorokkal.

Tervezési hibák:

  1. A működés időtartama korlátozott, mivel a szuperkondenzátort használó készülékekben elektrolitot használnak.
  2. Az elektrolit szivároghat, ha a kondenzátor nincs megfelelően karbantartva.
  3. Az alumínium kondenzátorokhoz képest ezek a kondenzátorok nagy ellenállással rendelkeznek, ezért nem használhatók váltakozó áramú áramkörökben.

A fent leírt előnyök felhasználásával az elektromos kondenzátorokat széles körben használják az alábbi alkalmazásokban:

  1. Memória lefoglalása időzítők, programok, e-mobil tápellátás stb. számára.
  2. Videó- ​​és audioberendezés.
  3. Biztonsági források hordozható elektronikus berendezések elemeinek cseréjekor.
  4. Tápegységek napenergiával működő berendezésekhez, például órákhoz és kijelzőkhöz.
  5. Indítók kis és mobil motorokhoz.

Redox reakciók

Redox reakciók

A töltésakkumulátor az elektróda és az elektrolit határfelületén található. A töltési folyamat során az elektronok a negatív elektródáról a pozitív elektródára mozognak a külső áramkör mentén. A kisülés során az elektronok és az ionok az ellenkező irányba mozognak. Az EDLC szuperkondenzátorban nincs töltésátvitel. Az ilyen típusú szuperkondenzátoroknál az elektródánál redoxreakció megy végbe, amely töltéseket generál, és a töltést átviszi a szerkezet kettős rétegein, ahol ionisztort használnak.

Az ennél a típusnál fellépő redoxreakciónak köszönhetően az EDLC-nél kisebb teljesítménysűrűség lehetséges, mivel a faradaikus rendszerek lassabbak, mint a nem faradaikus rendszerek. Általános szabály, hogy a pszeudokondenzátorok nagyobb fajlagos kapacitást és energiasűrűséget biztosítanak, mint az EDLC-k, mivel ezek a Faraday rendszerhez tartoznak. A szuperkondenzátor helyes megválasztása azonban az alkalmazástól és a rendelkezésre állástól függ.

Grafén alapú anyagok

Grafén alapú anyagok

A szuperkondenzátort az jellemzi, hogy gyorsan tölthető, sokkal gyorsabban, mint egy hagyományos akkumulátor, de nem képes annyi energiát tárolni, mint egy akkumulátor, mert kisebb az energiasűrűsége. Hatékonyságuk növelését grafén és szén nanocsövek alkalmazásával érik el. A jövőben segítenek az ionisztoroknak az elektrokémiai akkumulátorok teljes cseréjében. A nanotechnológia ma sok mindennek a forrásainnovációk, különösen az e-mobilban.

A grafén növeli a szuperkondenzátorok kapacitását. Ez a forradalmian új anyag lapokból áll, amelyek vastagságát a szénatom vastagsága korlátozhatja, és amelyek atomszerkezete rendkívül sűrű. Az ilyen jellemzők helyettesíthetik a szilíciumot az elektronikában. Két elektróda közé porózus szeparátort helyeznek el. A tárolási mechanizmus és az elektróda anyagának megválasztása azonban a nagy kapacitású szuperkondenzátorok eltérő osztályozását eredményezi:

  1. Elektrokémiai kétrétegű kondenzátorok (EDLC), amelyek többnyire nagy széntartalmú elektródákat használnak, és energiájukat az ionok gyors adszorbeálásával tárolják az elektród/elektrolit határfelületen.
  2. A psuedo-kondenzátorok az elektróda felületén vagy annak közelében történő töltésátvitel fágikus folyamatán alapulnak. Ebben az esetben a vezetőképes polimerek és átmenetifém-oxidok elektrokémiailag aktív anyagok maradnak, mint például az elemmel működő elektronikus órákban.

Rugalmas polimer eszközök

Rugalmas polimer alapú eszközök

A szuperkondenzátor nagy sebességgel nyer és tárol energiát elektrokémiai töltési kettős rétegek kialakításával vagy felületi redox reakciókkal, ami nagy teljesítménysűrűséget eredményez, hosszú távú ciklikus stabilitással, alacsony költséggel és környezetvédelemmel. A PDMS és a PET a leggyakrabban használt hordozók a rugalmas szuperkondenzátorok megvalósításában. Film esetén a PDMS rugalmas illátlátszó vékony film ionisztorok órákban, nagy ciklikus stabilitással 10 000 hajlítási ciklus után.

Az egyfalú szén nanocsöveket tovább lehet építeni a PDMS fóliába a mechanikai, elektronikus és termikus stabilitás további javítása érdekében. Hasonlóképpen, az olyan vezető anyagokat, mint a grafén és a CNT-k, szintén PET-fóliával vonják be a nagy rugalmasság és az elektromos vezetőképesség elérése érdekében. A PDMS és a PET mellett más polimer anyagok is egyre nagyobb érdeklődést váltanak ki, és különféle módszerekkel szintetizálják őket. Például lokalizált impulzusos lézerbesugárzást alkalmaztak arra, hogy az elsődleges felületet gyorsan elektromosan vezető porózus szénszerkezetté alakítsák meghatározott grafikával.

Természetes polimerek, például farost és papír nem szőtt anyagok is használhatók hordozóként, amelyek rugalmasak és könnyűek. A CNT-t papírra helyezik, így rugalmas CNT-papír elektródát képeznek. A papírhordozó nagy rugalmassága és a CNT-k jó eloszlása ​​miatt a fajlagos kapacitás és teljesítmény és energiasűrűség kevesebb, mint 5%-kal változik 100 cikluson keresztül 4,5 mm-es hajlítási sugár melletti hajlítás után. Ezenkívül a nagyobb mechanikai szilárdság és a jobb kémiai stabilitás miatt a bakteriális nanocellulóz papírokat rugalmas szuperkondenzátorok, például Walkman kazettás lejátszók készítésére is használják.

Szuperkondenzátor teljesítménye

Szuperkondenzátorok teljesítménye

A következőképpen van meghatározvaelektrokémiai aktivitás és kémiai kinetikai tulajdonságok, nevezetesen: elektron- és ionkinetika (transzport) az elektródákon belül, valamint az elektródára/elektrolitra való töltésátvitel sebességének hatékonysága. A fajlagos felület, az elektromos vezetőképesség, a pórusméret és a különbségek fontosak a nagy teljesítmény érdekében EDLC alapú szénanyagok használatakor. A grafén nagy elektromos vezetőképességével, nagy felületével és rétegközi szerkezetével vonzó az EDLC-ben való használatra.

Az álkondenzátorok esetében, bár az EDLC-khez képest jobb kapacitást biztosítanak, a CMOS chip alacsony teljesítménye még mindig korlátozza a sűrűségüket. Ennek oka a rossz elektromos vezetőképesség, ami korlátozza a gyors elektronikus mozgást. Ezenkívül a töltési/kisütési folyamatot irányító redox folyamat károsíthatja az elektroaktív anyagokat. A grafén nagy elektromos vezetőképessége és kiváló mechanikai szilárdsága alkalmassá teszi pszeudokondenzátorok anyagaként.

A grafén adszorpciójával kapcsolatos vizsgálatok kimutatták, hogy főleg a grafénlapok felületén fordul elő, ahol nagy pórusokhoz férnek hozzá (azaz a rétegközi szerkezet porózus, lehetővé téve az elektrolit-ionok könnyű hozzáférését). Így a jobb teljesítmény érdekében kerülni kell a nem porózus grafén agglomerációt. A teljesítmény tovább javítható felületmódosítással funkciós csoportok hozzáadásával, elektromosan vezető polimerekkel történő hibridizációval és grafén/oxid kompozitok kialakításávalfém.

Kondenzátor-összehasonlítás

A kondenzátorok összehasonlítása

A szupersapkák ideálisak, ha gyorstöltésre van szükség a rövid távú energiaszükséglet kielégítéséhez. A hibrid akkumulátor mindkét igényt kielégíti, és csökkenti a feszültséget a hosszabb élettartam érdekében. Az alábbi táblázat a kondenzátorok jellemzőinek és főbb anyagainak összehasonlítását mutatja.

Elektromos kétrétegű kondenzátor, ionisztor jelölés

Alumínium elektrolit kondenzátor

Ni-cd akkumulátor

Ólomzáras akkumulátor

Hőmérséklet-tartomány használata

-25–70°C

-55–125 °C

-20–60 °C

-40–60 °C

Elektródák

Aktív szén

Alumínium

(+) NiOOH (-) Cd

(+) PbO2 (-) Pb

Elektrolitikus folyadék

Szerves oldószer

Szerves oldószer

KOH

H2SO4

Elektromotoros erő módszer

Természetes elektromos kettős réteghatás használata dielektrikumként

Alumínium-oxid használata dielektrikumként

Kémiai reakció használata

Kémiai reakció használata

szennyezés

Nem

Nem

CD

Pb

Töltési/kisütési ciklusok száma

> 100 000 alkalommal

> 100 000 alkalommal

500 alkalommal

200-1000-szer

Kapacitás térfogategységenként

1

1/1000

100

100

Töltési karakterisztika

Töltési idő 1-10 másodperc. A kezdeti töltés nagyon gyorsan elvégezhető, a felső töltés pedig több időt vesz igénybe. Üres szuperkondenzátor töltésekor meg kell fontolni a bekapcsolási áram korlátozását, mivel az a lehető legtöbbet fogyaszt. A szuperkondenzátor nem tölthető és nem igényel teljes töltésérzékelést, az áram egyszerűen leáll, ha megtelik. Teljesítmény-összehasonlítás az autós kompresszor és a Li-ion között.

Funkció

Ionistor

Li-Ion (általános)

Töltési idő

1-10 másodperc

10-60 perc

Az óra életciklusa

1 millió vagy 30 000

500 és több

feszültség

2, 3-tól 2-ig, 75-igB

3, 6 B

Fajlagos energia (W/kg)

5 (tipikus)

120-240

Fajlagos teljesítmény (W/kg)

Legfeljebb 10000

1000-3000

KWh-nkénti költség

10 000 USD

250-1000 $

Élettartam

10-15 év

5-10 éves korig

Töltési hőmérséklet

-40–65°C

0–45 °C

Kibocsátási hőmérséklet

-40–65°C

-20–60°C

A töltőkészülékek előnyei

A járműveknek extra energialöketre van szükségük a gyorsuláshoz, és itt jönnek be a feltöltők. Korlátozott a teljes töltésük, de nagyon gyorsan képesek átvinni, így ideális akkumulátorok. Előnyeik a hagyományos akkumulátorokkal szemben:

  1. Az alacsony impedancia (ESR) növeli a túlfeszültség-áramot és a terhelést, ha párhuzamosan csatlakozik az akkumulátorhoz.
  2. Nagyon magas ciklus – a kisütés ezredmásodperctől percig tart.
  3. Feszültségcsökkenés a szuperkondenzátor nélküli akkumulátoros készülékhez képest.
  4. Magas hatásfok, 97-98%, és a DC-DC hatékonyság mindkét irányban 80-95% a legtöbb alkalmazásban, mint pl.videorögzítő ionisztorral.
  5. Egy hibrid elektromos járműben a körforgalom hatékonysága 10%-kal nagyobb, mint az akkumulátoré.
  6. Nagyon széles hőmérsékleti tartományban működik, jellemzően -40 C és +70 C között, de lehet -50 C és +85 C között is, speciális változatok 125 C-ig kaphatók.
  7. Kis mennyiségű hő keletkezik a töltés és kisütés során.
  8. Hosszú élettartam nagy megbízhatósággal, csökkentve a karbantartási költségeket.
  9. Csekély leromlás több százezer cikluson keresztül, és akár 20 millió ciklusig is tart.
  10. Tíz év után nem veszítenek többet kapacitásuk 20%-ánál, élettartamuk pedig 20 év vagy több.
  11. Kopásálló.
  12. Nem befolyásolja a mélykisülést, például az akkumulátorokat.
  13. Nagyobb biztonság az akkumulátorokhoz képest – nincs túltöltés vagy robbanás veszélye.
  14. Nem tartalmaz veszélyes anyagokat, amelyeket az élettartam végén meg kell semmisíteni, ellentétben sok elemmel.
  15. Megfelel a környezetvédelmi előírásoknak, így nincs bonyolult ártalmatlanítás vagy újrahasznosítás.

Restraint Technology

A szuperkondenzátor két grafénrétegből áll, közepén egy elektrolitréteggel. A fólia erős, rendkívül vékony, és rövid időn belül nagy mennyiségű energiát képes felszabadítani, ennek ellenére vannak bizonyos megoldatlan problémák, amelyek hátráltatják az ezirányú technológiai fejlődést. A szuperkondenzátor hátrányai az újratölthető akkumulátorokhoz képest:

  1. Alacsony energiasűrűség – általábanegy elektrokémiai akkumulátor energiájának 1/5-1/10-ét veszi fel.
  2. Vonali kisülés – a teljes energiaspektrum kihasználásának elmulasztása, az alkalmazástól függően nem áll rendelkezésre minden energia.
  3. Az akkumulátorokhoz hasonlóan az elemek alacsony feszültségűek, soros csatlakozásra és feszültségkiegyenlítésre van szükség.
  4. Az önkisülés gyakran nagyobb, mint az akkumulátorok esetében.
  5. A feszültség a tárolt energiától függően változik – az energia hatékony tárolása és visszanyerése kifinomult elektronikus vezérlő- és kapcsolóberendezést igényel.
  6. Minden típusú kondenzátor közül a legmagasabb dielektromos abszorpcióval rendelkezik.
  7. A felső használati hőmérséklet általában 70 C vagy kevesebb, és ritkán haladja meg a 85 C-ot.
  8. A legtöbb folyékony elektrolitot tartalmaz, amely csökkenti a véletlenszerű gyors kisülés megakadályozásához szükséges méretet.
  9. Magas villamosenergia-költség wattonként.

Hibrid tárhely

Speciális tervezést és beágyazott teljesítményelektronikai technológiát fejlesztettek ki az új szerkezetű kondenzátormodulok előállításához. Mivel moduljaikat új technológiákkal kell legyártani, beépíthetők olyan karosszériaelemekbe, mint a tető, az ajtók és a csomagtartó fedél. Ezenkívül új energiakiegyenlítő technológiákat találtak fel, amelyek csökkentik az energiaveszteséget és az energiakiegyenlítő áramkörök méretét az energiatároló- és eszközrendszerekben.

Egy sor kapcsolódó technológia is kifejlesztésre került, mint például a töltésvezérlés éskisütés, valamint csatlakozás más energiatároló rendszerekhez. A 150F névleges kapacitású, 50V névleges feszültségű szuperkondenzátor modul 0,5 négyzetméteres sík és íves felületekre helyezhető. m és 4 cm vastag. Alkalmazások elektromos járművekhez, integrálhatók a jármű különböző részeivel és egyéb olyan esetekben, amikor energiatároló rendszerre van szükség.

Alkalmazás és perspektívák

Pályázat és kilátások

Az USA-ban, Oroszországban és Kínában vannak vontatóakkumulátorok nélküli buszok, minden munkát ionisztorok végzik. A General Electric kifejlesztett egy szuperkondenzátoros kisteherautót az akkumulátor cseréjére, hasonlóan ahhoz, ami néhány rakétánál, játékoknál és elektromos szerszámoknál történt. A tesztek kimutatták, hogy a szuperkondenzátorok jobb teljesítményt nyújtanak a szélturbinák ólomakkumulátoraiban, ami anélkül történt, hogy a szuperkondenzátorok energiasűrűsége megközelítette volna az ólom-savas akkumulátorokét.

Ma már világos, hogy a szuperkondenzátorok az elkövetkező néhány évben el fogják temetni az ólom-savas akkumulátorokat, de ez csak egy része a történetnek, mivel gyorsabban fejlődnek, mint a versenytársak. Az olyan beszállítók, mint az Elbit Systems, a Graphene Energy, a Nanotech Instruments és a Skeleton Technologies azt mondták, hogy szuperkondenzátoraikkal és szuperbaktériumaikkal meghaladják az ólom-savas akkumulátorok energiasűrűségét, amelyek közül néhány elméletileg megegyezik a lítium-ionok energiasűrűségével.

Az elektromos járművek ionisztorja azonban az elektronika és az elektrotechnika egyik aspektusa,a sajtó, a befektetők, a potenciális beszállítók és sok olyan ember figyelmen kívül hagyja, akik régi technológiával élnek, a több milliárd dolláros piac gyors növekedése ellenére. Például a szárazföldi, vízi és légi járművek esetében körülbelül 200 fő vontatómotor-gyártó és 110 fő vontatóakkumulátor-szállító létezik, szemben néhány szuperkondenzátorgyártóval. Általánosságban elmondható, hogy a világon nem több, mint 66 nagy ionisztorgyártó van, amelyek többsége a fogyasztói elektronikai cikkek könnyebb modelljére koncentrált.

Népszerű téma