Ionistorit ovat kaksikerroksisia sähkökemiallisia kondensaattoreita tai superkondensaattoreita. Niiden metallielektrodit on päällystetty erittäin huokoisella aktiivihiilellä, joka on perinteisesti valmistettu kookospähkinän kuorista, mutta useimmiten hiiliaerogeelistä, muista nanohiili- tai grafeeninanoputkista. Näiden elektrodien välissä on huokoinen erotin, joka pitää elektrodit erillään, kun ne on kierretty spiraaliin, kaikki tämä on kyllästetty elektrolyytillä. Joissakin innovatiivisissa ionistorimuodoissa on kiinteä elektrolyytti. Ne korvaavat perinteiset akut keskeytymättömissä virtalähteissä kuorma-autoihin asti, joissa ne käyttävät akkulaturia virtalähteenä.
Toimintaperiaate
Ionistori käyttää kaksinkertaisen kerroksen toimintaa, joka muodostuu hiilen ja elektrolyytin rajapinnalle. Aktiivihiiltä käytetään elektrodina kiinteässä muodossa ja elektrolyyttinä nestemäisessä muodossa. Kun nämä materiaalit ovat kosketuksissa toistensa kanssa, positiiviset ja negatiiviset navat jakautuvat suhteessa toisiinsahyvin lyhyt matka. Sähkökenttää käytettäessä päärakenteena käytetään sähköistä kaksoiskerrosta, joka muodostuu lähellä hiilen pintaa elektrolyyttinesteessä.
Design etu:
- Tarjoaa kapasitanssin pienessä laitteessa, ei tarvita erityisiä latauspiirejä ohjaamaan purkauksen aikana ahdettuihin laitteisiin.
- Lataus tai ylipurkaus ei vaikuta haitallisesti akun käyttöikään kuten tavallisilla akuilla.
- Teknologia on ekologisesti erittäin "puhdasta".
- Ei ongelmia epävakaiden koskettimien, kuten tavallisten akkujen, kanssa.
Suunnitteluvirheet:
- Toiminnan kesto on rajoitettu, koska superkondensaattoria käyttävissä laitteissa käytetään elektrolyyttiä.
- Elektrolyyttiä saattaa vuotaa, jos kondensaattoria ei huolleta kunnolla.
- Alumiinikondensaattoreihin verrattuna näillä kondensaattoreilla on korkea resistanssi, joten niitä ei voida käyttää vaihtovirtapiireissä.
Yllä kuvattujen etujen ansiosta sähkökondensaattoreita käytetään laaj alti sovelluksissa, kuten:
- Varataan muistia ajastimille, ohjelmille, sähköisen matkapuhelimen teholle jne.
- Video- ja äänilaitteet.
- Varmuuslähteet vaihdettaessa kannettavien elektronisten laitteiden paristoja.
- Virtalähteet aurinkoenergialla toimiville laitteille, kuten kelloille ja osoittimille.
- Käynnistimet pienille ja liikkuville moottoreille.
Redox-reaktiot
Varausakku sijaitsee elektrodin ja elektrolyytin välisessä rajapinnassa. Latausprosessin aikana elektronit siirtyvät negatiiviselta elektrodilta positiiviselle elektrodille ulkopiiriä pitkin. Purkauksen aikana elektronit ja ionit liikkuvat vastakkaiseen suuntaan. EDLC-superkondensaattorissa ei tapahdu varauksen siirtoa. Tämän tyyppisessä superkondensaattorissa elektrodissa tapahtuu redox-reaktio, joka synnyttää varauksia ja kuljettaa varauksen rakenteen kaksoiskerrosten läpi, joissa käytetään ionistoria.
Tässä tyypissä tapahtuvan redox-reaktion vuoksi on mahdollista, että tehotiheys on pienempi kuin EDLC:ssä, koska faradijärjestelmät ovat hitaampia kuin ei-faradijärjestelmät. Yleissääntönä pseudokondensaattorit tarjoavat suuremman ominaiskapasitanssin ja energiatiheyden kuin EDLC:t, koska ne ovat faraday-järjestelmää. Oikea superkondensaattorin valinta riippuu kuitenkin sovelluksesta ja saatavuudesta.
Grafeenipohjaiset materiaalit
Superkondensaattorille on ominaista kyky ladata nopeasti, paljon nopeammin kuin perinteinen akku, mutta se ei pysty varastoimaan yhtä paljon energiaa kuin akku, koska sen energiatiheys on pienempi. Niiden tehokkuuden lisäys saavutetaan käyttämällä grafeenia ja hiilinanoputkia. Ne auttavat tulevaisuudessa ionistoreita korvaamaan sähkökemialliset akut kokonaan. Nanoteknologia on nykyään monien lähdeinnovaatioita, erityisesti sähköisessä mobiilissa.
Grafeeni lisää superkondensaattorien kapasitanssia. Tämä vallankumouksellinen materiaali koostuu levyistä, joiden paksuutta voi rajoittaa hiiliatomin paksuus ja joiden atomirakenne on erittäin tiheä. Tällaiset ominaisuudet voivat korvata piin elektroniikassa. Kahden elektrodin väliin sijoitetaan huokoinen erotin. Kuitenkin vaihtelut varastointimekanismissa ja elektrodimateriaalin valinnassa johtavat erilaisiin suurkapasiteettisten superkondensaattorien luokitteluihin:
- Sähkökemialliset kaksikerroksiset kondensaattorit (EDLC), joissa käytetään useimmiten hiilidioksidipitoisia elektrodeja ja varastoivat energiansa adsorboimalla ioneja nopeasti elektrodin ja elektrolyytin rajapinnassa.
- Psuedokondensaattorit perustuvat fagiseen varauksensiirtoprosessiin elektrodin pinnalla tai lähellä sitä. Tässä tapauksessa johtavat polymeerit ja siirtymämetallioksidit pysyvät sähkökemiallisesti aktiivisina materiaaleina, kuten ne, joita löytyy paristokäyttöisistä elektronisista kelloista.
Joustavat polymeerilaitteet
Superkondensaattori saa ja varastoi energiaa suurella nopeudella muodostamalla sähkökemiallisia varauskaksoiskerroksia tai pinta-pelkistysreaktioiden kautta, mikä johtaa korkeaan tehotiheyteen ja pitkäaikaiseen sykliseen stabiilisuuteen, alhaisiin kustannuksiin ja ympäristönsuojeluun. PDMS ja PET ovat yleisimmin käytettyjä substraatteja joustavien superkondensaattorien toteutuksessa. Filmin tapauksessa PDMS voi luoda joustavia jaläpinäkyvät ohutkalvoionistorit kelloissa, joilla on korkea syklinen stabiilisuus 10 000 joustojakson jälkeen.
Yksiseinäisiä hiilinanoputkia voidaan liittää edelleen PDMS-kalvoon mekaanisen, elektronisen ja lämpöstabiilisuuden parantamiseksi. Samoin johtavat materiaalit, kuten grafeeni ja CNT:t, päällystetään myös PET-kalvolla korkean joustavuuden ja sähkönjohtavuuden saavuttamiseksi. PDMS:n ja PET:n lisäksi myös muut polymeerimateriaalit herättävät kasvavaa kiinnostusta, ja niitä syntetisoidaan eri menetelmin. Esimerkiksi paikallista pulssilasersäteilyä on käytetty primääripinnan nopeaan muuttamiseen sähköä johtavaksi huokoiseksi hiilirakenteeksi tietyllä grafiikalla.
Substraatteina voidaan käyttää myös luonnollisia polymeerejä, kuten puukuitu- ja paperikuitukankaita, jotka ovat joustavia ja kevyitä. CNT kerrostetaan paperille joustavan CNT-paperielektrodin muodostamiseksi. Paperisubstraatin suuresta joustavuudesta ja CNT:iden hyvästä jakautumisesta johtuen ominaiskapasitanssi ja teho ja energiatiheys muuttuvat alle 5 % 100 syklin taivutuksen jälkeen 4,5 mm:n taivutussäteellä. Lisäksi suuremman mekaanisen lujuuden ja paremman kemiallisen stabiilisuuden vuoksi bakteeri-nanoselluloosapapereita käytetään myös joustavien superkondensaattorien, kuten Walkman-kasettisoitinten, valmistukseen.
Superkondensaattorin suorituskyky
Se on määriteltysähkökemiallinen aktiivisuus ja kemialliset kineettiset ominaisuudet, nimittäin: elektronien ja ionien kinetiikka (kuljetus) elektrodien sisällä ja varauksen siirtonopeuden tehokkuus elektrodiin/elektrolyyttiin. Ominaispinta-ala, sähkönjohtavuus, huokoskoko ja erot ovat tärkeitä korkean suorituskyvyn kann alta käytettäessä EDLC-pohjaisia hiilimateriaaleja. Grafeeni hyvällä sähkönjohtavuudellaan, suurella pinta-alallaan ja välikerrosrakenteella on houkutteleva käytettäväksi EDLC:ssä.
Pseudokondensaattorien tapauksessa, vaikka ne tarjoavatkin ylivoimaisen kapasitanssin verrattuna EDLC:hen, niiden tiheyttä rajoittaa silti CMOS-sirun pieni teho. Tämä johtuu huonosta sähkönjohtavuudesta, mikä rajoittaa nopeaa elektroniikkaliikettä. Lisäksi lataus-/purkausprosessia ohjaava redox-prosessi voi vahingoittaa sähköaktiivisia materiaaleja. Grafeenin korkea sähkönjohtavuus ja sen erinomainen mekaaninen lujuus tekevät siitä sopivan pseudokondensaattorien materiaaliksi.
Grafeenin adsorptiota koskevat tutkimukset ovat osoittaneet, että sitä esiintyy pääasiassa grafeenilevyjen pinnalla, joilla on pääsy suuriin huokosiin (eli välikerrosrakenne on huokoinen, mikä mahdollistaa helpon pääsyn elektrolyytti-ioneihin). Siten ei-huokoista grafeenia agglomeraatiota tulisi välttää paremman suorituskyvyn saavuttamiseksi. Suorituskykyä voidaan parantaa edelleen muokkaamalla pintaa lisäämällä funktionaalisia ryhmiä, hybridisoimalla sähköä johtavien polymeerien kanssa ja muodostamalla grafeeni/oksidi-komposiittejametallia.
Kondensaattorivertailu
Superkorkit ovat ihanteellisia, kun pikalatausta tarvitaan lyhytaikaisten virrantarpeiden tyydyttämiseksi. Hybridiakku täyttää molemmat tarpeet ja alentaa jännitettä pidentääkseen käyttöikää. Alla olevassa taulukossa on vertailtu kondensaattoreiden ominaisuuksia ja päämateriaaleja.
| Sähköinen kaksikerroksinen kondensaattori, ionistorimerkintä | Alumiininen elektrolyyttikondensaattori | Ni-cd-akku | Lyijysuljettu akku | |
| Käytä lämpötila-aluetta | -25 - 70°C | -55 - 125 °C | -20 - 60 °C | -40 - 60 °C |
| Elektrodit | Aktiivihiili | Alumiini | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Elektrolyyttineste | Orgaaninen liuotin | Orgaaninen liuotin | KOH |
H2SO4 |
| Sähkövoimamenetelmä | Käytetään luonnollista sähköistä kaksoiskerrosvaikutusta dielektrisenä | Alumiinioksidin käyttö eristeenä | Kemiallisen reaktion käyttäminen | Kemiallisen reaktion käyttäminen |
| Saasteet | Ei | Ei | CD | Pb |
| Lataus-/purkausjaksojen määrä | > 100 000 kertaa | > 100 000 kertaa | 500 kertaa | 200-1000 kertaa |
| Tilavuusyksikköä kohti | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Latausominaisuus
Latausaika 1-10 sekuntia. Alkulataus voidaan suorittaa hyvin nopeasti ja ylälataus vie ylimääräistä aikaa. Tyhjää superkondensaattoria ladattaessa tulee harkita kytkentävirran rajoittamista, koska se kuluttaa niin paljon kuin mahdollista. Superkondensaattori ei ole ladattava eikä vaadi täyden latauksen havaitsemista, virta yksinkertaisesti pysähtyy kun se on täynnä. Suorituskykyvertailu auton ahtimen ja Li-ionin välillä.
| Toiminto | Ionistori | Li-Ion (yleinen) |
| Latausaika | 1-10 sekuntia | 10-60 minuuttia |
| Katson elinkaari | 1 miljoona tai 30 000 | 500 ja ylöspäin |
| Jännite | 2, 3 - 2, 75B | 3, 6 B |
| Ominaisenergia (W/kg) | 5 (tyypillinen) | 120-240 |
| Ominaisteho (W/kg) | Jopa 10000 | 1000-3000 |
| Hinta per kWh | 10 000$ | 250–1 000 $ |
| Elinikäinen | 10-15 vuotta | 5 - 10 vuotta vanha |
| Latauslämpötila | -40 - 65°C | 0 - 45 °C |
| Poistolämpötila | -40 - 65°C | -20 - 60°C |
Latauslaitteiden edut
Ajoneuvot tarvitsevat ylimääräistä energiatehostetta kiihtymiseen, ja siinä ahtimet tulevat käyttöön. Niiden kokonaislataus on rajoitettu, mutta ne pystyvät siirtämään sen erittäin nopeasti, mikä tekee niistä ihanteellisia akkuja. Niiden edut perinteisiin akkuihin verrattuna:
- Matala impedanssi (ESR) lisää ylijännitevirtaa ja kuormitusta, kun se on kytketty rinnan akun kanssa.
- Erittäin korkea sykli - purkautuminen kestää millisekunteista minuutteihin.
- Jännitehäviö verrattuna akkukäyttöiseen laitteeseen ilman superkondensaattoria.
- Korkea hyötysuhde 97-98 % ja DC-DC hyötysuhde molempiin suuntiin on 80-95 % useimmissa sovelluksissa, kuten esim.videonauhuri ionistoreilla.
- Sähköhybridiautossa kiertoliittymän hyötysuhde on 10 % suurempi kuin akun.
- Toimii hyvin laajalla lämpötila-alueella, tyypillisesti -40 C - +70 C, mutta voi olla välillä -50 C - +85 C, erikoisversioita saatavana 125 C asti.
- Latauksen ja purkamisen aikana syntyy pieni määrä lämpöä.
- Pitkä käyttöikä korkealla luotettavuudella, mikä vähentää ylläpitokustannuksia.
- Lievä hajoaminen satojen tuhansien jaksojen aikana ja kestää jopa 20 miljoonaa jaksoa.
- Ne menettävät enintään 20 % kapasiteetistaan 10 vuoden jälkeen, ja niiden käyttöikä on 20 vuotta tai enemmän.
- Kestää kulutusta.
- Ei vaikuta syväpurkauksiin, kuten akkuihin.
- Parempi turvallisuus akkuihin verrattuna – ei ylilatauksen tai räjähdyksen vaaraa.
- Ei sisällä vaarallisia aineita, jotka pitäisi hävittää käyttöiän lopussa toisin kuin monet paristot.
- Noudattaa ympäristöstandardeja, joten monimutkaista hävitystä tai kierrätystä ei ole.
Restraint Technology
Superkondensaattori koostuu kahdesta grafeenikerroksesta, joiden keskellä on elektrolyyttikerros. Kalvo on vahva, erittäin ohut ja pystyy vapauttamaan suuren määrän energiaa lyhyessä ajassa, mutta silti on tiettyjä ratkaisemattomia ongelmia, jotka hidastavat teknistä kehitystä tähän suuntaan. Superkondensaattorin haitat ladattaviin akkuihin verrattuna:
- Matala energiatiheys - yleensävie 1/5 - 1/10 sähkökemiallisen akun energiasta.
- Linjapurkaus – koko energiaspektriä ei käytetä, sovelluksesta riippuen kaikkea energiaa ei ole saatavilla.
- Akkujen tapaan kennot ovat matalajännitteisiä, sarjaliitännät ja jännitteen tasaus vaaditaan.
- Itsepurkautuminen on usein suurempi kuin akkujen.
- Jännite vaihtelee varastoidun energian mukaan – energian tehokas varastointi ja t alteenotto vaatii kehittyneitä elektronisia ohjaus- ja kytkentälaitteita.
- Sillä on suurin dielektrinen absorptio kaikista kondensaattoreista.
- Ylempi käyttölämpötila on yleensä 70 C tai vähemmän ja harvoin yli 85 C.
- Useimmat sisältävät nestemäistä elektrolyyttiä, joka pienentää tarvittavaa kokoa tahattoman nopean purkauksen estämiseksi.
- Korkea sähkön hinta wattia kohden.
Hybriditallennus
Tehoelektroniikan erikoissuunnittelua ja sulautettua tekniikkaa on kehitetty tuottamaan uuden rakenteen omaavia kondensaattorimoduuleja. Koska niiden moduulit on valmistettava uusilla teknologioilla, ne voidaan integroida auton koripaneeleihin, kuten kattoon, oviin ja tavaratilan luukkuun. Lisäksi on keksitty uusia energiatasapainoteknologioita, jotka vähentävät energiahäviöitä ja energian tasauspiirien kokoa energian varastointi- ja laitejärjestelmissä.
Sarja asiaan liittyviä teknologioita on myös kehitetty, kuten latauksen ohjaus japurkaminen sekä liitännät muihin energian varastointijärjestelmiin. Superkondensaattorimoduuli, jonka nimelliskapasiteetti on 150F, nimellisjännite 50V, voidaan sijoittaa tasaisille ja kaareville pinnoille, joiden pinta-ala on 0,5 neliömetriä. m ja 4 cm paksu. Sovellukset soveltuvat sähköajoneuvoihin ja voidaan integroida ajoneuvon eri osiin ja muihin tapauksiin, joissa tarvitaan energian varastointijärjestelmiä.
Sovellus ja näkökulmat
USA:ssa, Venäjällä ja Kiinassa on linja-autoja ilman vetoakkuja, kaikki työ tehdään ionistoreilla. General Electric on kehittänyt superkondensaattorilla varustetun lava-auton akun vaihtamiseksi, kuten on tapahtunut joissakin raketteissa, leluissa ja sähkötyökaluissa. Testit ovat osoittaneet, että superkondensaattorit ovat tehokkaampia kuin lyijyakut tuuliturbiinissa, mikä saavutettiin ilman, että superkondensaattorien energiatiheys oli lähellä lyijyakkujen energiatiheyttä.
Nyt on selvää, että superkondensaattorit hautaavat lyijyakkuja seuraavien vuosien aikana, mutta se on vain osa tarinaa, sillä ne kehittyvät kilpailijoita nopeammin. Toimittajat, kuten Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments ja Skeleton Technologies, ovat sanoneet ylittävänsä lyijyakkujen energiatiheyden superkondensaattorien ja superbakteerien kanssa, joista osa vastaa teoreettisesti litiumionien energiatiheyttä.
Sähköajoneuvon ionistori on kuitenkin yksi elektroniikan ja sähkötekniikan osa-alueista. Lehdistö, sijoittajat, potentiaaliset toimittajat ja monet ihmiset, jotka elävät vanhan teknologian kanssa, jättävät huomiotta useiden miljardien dollarien markkinoiden nopeasta kasvusta huolimatta. Esimerkiksi maa-, vesi- ja ilma-ajoneuvoissa on noin 200 suurta vetomoottorien valmistajaa ja 110 suurta vetoakkujen toimittajaa verrattuna muutamaan superkondensaattorien valmistajaan. Yleisesti ottaen maailmassa on korkeintaan 66 suurta ionistorivalmistajaa, joista suurin osa on keskittänyt tuotantonsa kevyempiin kulutuselektroniikan malleihin.
