Ionistor su dvoslojni elektrohemijski kondenzatori ili superkondenzatori. Njihove metalne elektrode obložene su visoko poroznim aktivnim ugljenom, tradicionalno napravljenim od kokosovih ljuski, ali najčešće od ugljičnog aerogela, drugih nanokarbonskih ili grafenskih nanocijevi. Između ovih elektroda je porozni separator koji drži elektrode odvojene, kada se namotaju na spiralu, sve je to impregnirano elektrolitom. Neki inovativni oblici jonistora imaju čvrsti elektrolit. Oni zamjenjuju tradicionalne baterije u neprekidnim izvorima napajanja do kamiona, gdje koriste kompresor kao izvor napajanja.
Princip rada
Jonistor koristi djelovanje dvostrukog sloja formiranog na granici između uglja i elektrolita. Aktivni ugljen se koristi kao elektroda u čvrstom obliku, a elektrolit u tekućem obliku. Kada su ovi materijali u kontaktu jedan s drugim, pozitivni i negativni pol se međusobno raspoređujuvrlo kratka udaljenost. Prilikom primjene električnog polja, električni dvostruki sloj koji se formira blizu površine ugljika u elektrolitičkoj tekućini koristi se kao glavna struktura.
Prednost dizajna:
- Omogućava kapacitet u malom uređaju, nema potrebe za posebnim krugovima punjenja za kontrolu tokom pražnjenja u uređajima sa superpunjačem.
- Punjenje ili prekomjerno pražnjenje ne utječu negativno na vijek trajanja baterije kao kod tipičnih baterija.
- Tehnologija je izuzetno "čista" u smislu ekologije.
- Nema problema sa nestabilnim kontaktima poput normalnih baterija.
Nedostaci dizajna:
- Trajanje rada je ograničeno zbog upotrebe elektrolita u uređajima koji koriste superkondenzator.
- Elektrolit može iscuriti ako kondenzator nije pravilno održavan.
- U poređenju sa aluminijskim kondenzatorima, ovi kondenzatori imaju velike otpore i stoga se ne mogu koristiti u AC krugovima.
Koristeći gore opisane prednosti, električni kondenzatori se široko koriste u aplikacijama kao što su:
- Rezerviranje memorije za tajmere, programe, napajanje e-mobilnog uređaja, itd.
- Video i audio oprema.
- Rezervni izvori prilikom zamjene baterija za prijenosnu elektronsku opremu.
- Napajanje za opremu na solarnu energiju kao što su satovi i indikatori.
- Starteri za male i mobilne motore.
Redoks reakcije
Akumulator punjenja se nalazi na međusklopu između elektrode i elektrolita. Tokom procesa punjenja, elektroni se kreću od negativne elektrode do pozitivne elektrode duž vanjskog kola. Tokom pražnjenja, elektroni i ioni se kreću u suprotnom smjeru. Nema prijenosa punjenja u EDLC superkondenzatoru. Kod ovog tipa superkondenzatora, redoks reakcija se javlja na elektrodi, koja stvara naelektrisanje i prenosi naelektrisanje kroz dvostruke slojeve konstrukcije, gde se koristi jonistor.
Zbog redoks reakcije koja se javlja kod ovog tipa, postoji potencijal za nižu gustinu snage od EDLC-a jer su Faradaic sistemi sporiji od nefaradaic sistema. Kao opšte pravilo, pseudokapaktori daju veću specifičnu kapacitivnost i gustinu energije od EDLC-a zbog činjenice da su faradejskog sistema. Međutim, ispravan izbor superkondenzatora ovisi o primjeni i dostupnosti.
materijali na bazi grafena
Superkondenzator karakteriše sposobnost brzog punjenja, mnogo brže od tradicionalne baterije, ali nije u stanju da skladišti toliko energije kao baterija jer ima manju gustinu energije. Njihovo povećanje efikasnosti postiže se upotrebom grafena i ugljeničnih nanocevi. Oni će u budućnosti pomoći ionistima da u potpunosti zamjene elektrohemijske baterije. Nanotehnologija danas je izvor mnogihinovacije, posebno u e-mobilima.
Grafen povećava kapacitet superkondenzatora. Ovaj revolucionarni materijal sastoji se od listova čija debljina može biti ograničena debljinom atoma ugljika i čija je atomska struktura ultra gusta. Takve karakteristike mogu zamijeniti silicijum u elektronici. Između dvije elektrode postavljen je porozni separator. Međutim, varijacije u mehanizmu skladištenja i izbor materijala elektrode dovode do različitih klasifikacija superkondenzatora velikog kapaciteta:
- Elektrohemijski dvoslojni kondenzatori (EDLC), koji uglavnom koriste elektrode s visokim udjelom ugljika i pohranjuju svoju energiju brzom adsorbiranjem jona na sučelju elektroda/elektrolit.
- Psuedo-kondenzatori su bazirani na fagičnom procesu prijenosa naboja na ili blizu površine elektrode. U ovom slučaju, provodljivi polimeri i oksidi prelaznih metala ostaju elektrohemijski aktivni materijali, kao što su oni koji se nalaze u elektronskim satovima na baterije.
Fleksibilni polimerni uređaji
Superkondenzator dobija i skladišti energiju velikom brzinom formiranjem dvostrukih slojeva elektrohemijskog naboja ili površinskim redoks reakcijama, što rezultira velikom gustinom snage sa dugotrajnom cikličnom stabilnošću, niskim troškovima i zaštitom životne sredine. PDMS i PET su najčešće korišteni supstrati u implementaciji fleksibilnih superkondenzatora. U slučaju filma, PDMS može stvoriti fleksibilne iprozirni tankoslojni jonistor u satovima sa visokom cikličnom stabilnošću nakon 10.000 ciklusa savijanja.
Ugljične nanocijevi sa jednim zidom mogu se dodatno ugraditi u PDMS film kako bi se dodatno poboljšala mehanička, elektronska i termička stabilnost. Slično tome, provodljivi materijali kao što su grafen i CNT su također presvučeni PET filmom kako bi se postigla visoka fleksibilnost i električna provodljivost. Osim PDMS-a i PET-a, sve veći interes izazivaju i drugi polimerni materijali koji se sintetiziraju različitim metodama. Na primjer, lokalizirano pulsno lasersko zračenje je korišteno za brzu transformaciju primarne površine u električno provodljivu poroznu ugljičnu strukturu sa specificiranom grafikom.
Prirodni polimeri kao što su drvena vlakna i netkani papir se takođe mogu koristiti kao podloge, koje su fleksibilne i lagane. CNT se taloži na papir kako bi se formirala fleksibilna CNT papirna elektroda. Zbog velike fleksibilnosti papirne podloge i dobre distribucije CNT-a, specifični kapacitet i snaga i gustoća energije mijenjaju se za manje od 5% nakon savijanja tokom 100 ciklusa pri radijusu savijanja od 4,5 mm. Osim toga, zbog veće mehaničke čvrstoće i bolje kemijske stabilnosti, bakterijski nanocelulozni papir se također koristi za izradu fleksibilnih superkondenzatora kao što je walkman kasetofon.
performanse superkondenzatora
Definisano je u smisluelektrohemijska aktivnost i hemijska kinetička svojstva, i to: kinetika elektrona i jona (transport) unutar elektroda i efikasnost brzine prenosa naelektrisanja na elektrodu/elektrolit. Specifična površina, električna provodljivost, veličina pora i razlike su važni za visoke performanse kada se koriste ugljični materijali na bazi EDLC. Grafen je, sa svojom visokom električnom provodljivošću, velikom površinom i međuslojnom strukturom, privlačan za upotrebu u EDLC-u.
U slučaju pseudokondenzatora, iako pružaju superiorni kapacitet u poređenju sa EDLC-ovima, oni su i dalje ograničeni u gustini zbog male snage CMOS čipa. To je zbog slabe električne provodljivosti, koja ograničava brzo elektronsko kretanje. Osim toga, redoks proces koji pokreće proces punjenja/pražnjenja može oštetiti elektroaktivne materijale. Visoka električna provodljivost grafena i njegova odlična mehanička čvrstoća čine ga pogodnim kao materijal u pseudokondenzatorima.
Studije adsorpcije na grafenu su pokazale da se javlja uglavnom na površini grafenskih listova sa pristupom velikim porama (tj. međuslojna struktura je porozna, što omogućava lak pristup jonima elektrolita). Stoga treba izbjegavati aglomeraciju neporoznog grafena radi boljih performansi. Performanse se mogu dodatno poboljšati modifikacijom površine dodavanjem funkcionalnih grupa, hibridizacijom s električno vodljivim polimerima i formiranjem kompozita grafena/oksidametal.
Poređenje kondenzatora
Supercaps su idealni kada je potrebno brzo punjenje da bi se zadovoljile kratkoročne potrebe za napajanjem. Hibridna baterija zadovoljava obje potrebe i snižava napon za duži vijek trajanja. Tabela ispod prikazuje poređenje karakteristika i glavnih materijala u kondenzatorima.
| Električni dvoslojni kondenzator, oznaka jonistora | Aluminijumski elektrolitički kondenzator | Ni-cd baterija | Olovna baterija | |
| Koristite temperaturni raspon | -25 do 70°C | -55 do 125 °C | -20 do 60 °C | -40 do 60 °C |
| Elektrode | Aktivni ugljen | Aluminij | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Elektrolitička tečnost | Organski rastvarač | Organski rastvarač | KOH |
H2SO4 |
| Metoda elektromotorne sile | Korišćenje prirodnog električnog efekta dvostrukog sloja kao dielektrika | Korišćenje aluminijum oksida kao dielektrika | Upotreba hemijske reakcije | Upotreba hemijske reakcije |
| Zagađenje | Ne | Ne | CD | Pb |
| Broj ciklusa punjenja/pražnjenja | > 100.000 puta | > 100.000 puta | 500 puta | 200 do 1000 puta |
| Kapacitet po jedinici zapremine | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Karakteristika punjenja
Vrijeme punjenja 1-10 sekundi. Početno punjenje se može završiti vrlo brzo, a najviše punjenje će potrajati. Trebalo bi uzeti u obzir ograničenje udarne struje prilikom punjenja praznog superkondenzatora, jer će povući što je više moguće. Superkondenzator se ne može puniti i ne zahtijeva detekciju potpunog punjenja, struja jednostavno prestaje teći kada je puna. Poređenje performansi između kompresora za automobil i Li-ion.
| Funkcija | Ionistor | Li-Ion (općenito) |
| Vrijeme punjenja | 1-10 sekundi | 10-60 minuta |
| Pogledajte životni ciklus | 1 milion ili 30,000 | 500 i više |
| Napon | Od 2, 3 do 2, 75B | 3, 6 B |
| Specifična energija (W/kg) | 5 (tipično) | 120-240 |
| Specifična snaga (W/kg) | Do 10000 | 1000-3000 |
| Cijena po kWh | 10.000$ | 250-1,000 $ |
| Doživotno | 10-15 godina | 5 do 10 godina |
| temperatura punjenja | -40 do 65°C | 0 do 45 °C |
| temperatura ispuštanja | -40 do 65°C | -20 do 60°C |
Prednosti uređaja za punjenje
Vozilima je potrebno dodatno povećanje energije za ubrzanje, a tu dolaze kompresori. Imaju ograničenje ukupnog napunjenosti, ali su u stanju da ga prenesu vrlo brzo, što ih čini idealnim baterijama. Njihove prednosti u odnosu na tradicionalne baterije:
- Niska impedansa (ESR) povećava udarnu struju i opterećenje kada se poveže paralelno s baterijom.
- Veoma visok ciklus - pražnjenje traje od milisekundi do minuta.
- Pad napona u poređenju sa uređajem na baterije bez superkondenzatora.
- Visoka efikasnost od 97-98%, a DC-DC efikasnost u oba smjera je 80%-95% u većini aplikacija, kao npr.video rekorder sa jonistorima.
- U hibridnom električnom vozilu, efikasnost kružnog toka je 10% veća od one baterije.
- Radi dobro u veoma širokom temperaturnom opsegu, obično -40 C do +70 C, ali može biti od -50 C do +85 C, specijalne verzije dostupne do 125 C.
- Mala količina toplote koja se stvara tokom punjenja i pražnjenja.
- Dug životni vek sa visokom pouzdanošću, smanjujući troškove održavanja.
- Blaga degradacija tokom stotina hiljada ciklusa i traje do 20 miliona ciklusa.
- Oni gube ne više od 20% svog kapaciteta nakon 10 godina i imaju životni vijek od 20 godina ili više.
- Otporan na habanje.
- Ne utiče na duboko pražnjenje poput baterija.
- Povećana sigurnost u poređenju sa baterijama - nema opasnosti od prepunjavanja ili eksplozije.
- Ne sadrži opasne materijale za odlaganje na kraju životnog veka za razliku od mnogih baterija.
- U skladu sa ekološkim standardima, tako da nema komplikovanog odlaganja ili recikliranja.
Tehnologija ograničenja
Superkondenzator se sastoji od dva sloja grafena sa slojem elektrolita u sredini. Film je jak, izuzetno tanak i sposoban da u kratkom vremenu oslobodi veliku količinu energije, ali ipak postoje određeni neriješeni problemi koji koče tehnološki napredak u ovom pravcu. Nedostaci superkondenzatora u odnosu na punjive baterije:
- Mala gustoća energije - običnouzima od 1/5 do 1/10 energije elektrohemijske baterije.
- Linija pražnjenja - neuspješno korištenje punog energetskog spektra, ovisno o primjeni, nije sva energija dostupna.
- Kao i kod baterija, ćelije su niskog napona, potrebne su serijske veze i balansiranje napona.
- Samopražnjenje je često veće od baterija.
- Napon varira u zavisnosti od uskladištene energije - efikasno skladištenje i povrat energije zahteva sofisticiranu elektronsku kontrolu i opremu za prebacivanje.
- Ima najveću dielektričnu apsorpciju od svih vrsta kondenzatora.
- Gornja temperatura upotrebe je obično 70 C ili manje i rijetko prelazi 85 C.
- Većina sadrži tečni elektrolit koji smanjuje veličinu potrebnu za sprječavanje nenamjernog brzog pražnjenja.
- Visoka cijena električne energije po vatu.
Hybrid Storage
Poseban dizajn i ugrađena tehnologija energetske elektronike razvijeni su za proizvodnju kondenzatorskih modula sa novom strukturom. Budući da se njihovi moduli moraju proizvoditi korištenjem novih tehnologija, mogu se integrirati u panele karoserije automobila kao što su krov, vrata i poklopac prtljažnika. Osim toga, izumljene su nove tehnologije balansiranja energije koje smanjuju gubitke energije i veličinu kola za balansiranje energije u sistemima za skladištenje energije i uređaja.
Razvijen je i niz srodnih tehnologija, kao što su kontrola punjenja ipražnjenja, kao i priključcima na druge sisteme za skladištenje energije. Superkondenzatorski modul nazivnog kapaciteta 150F, nazivnog napona od 50V može se postaviti na ravne i zakrivljene površine površine 0,5 kvadratnih metara. m i debljine 4 cm. Primene primenljive na električna vozila i mogu se integrisati sa različitim delovima vozila i drugim slučajevima gde su potrebni sistemi za skladištenje energije.
Primjena i perspektive
U SAD, Rusiji i Kini postoje autobusi bez vučnih baterija, sav posao obavljaju jonistori. General Electric je razvio kamionet sa superkondenzatorom za zamjenu baterije, slično onome što se dogodilo u nekim raketama, igračkama i električnim alatima. Testovi su pokazali da superkondenzatori nadmašuju olovne baterije u vjetroturbinama, što je postignuto bez gustine energije superkondenzatora koja se približava gustini olovnih baterija.
Sada je jasno da će superkondenzatori zatrpati olovne baterije u narednih nekoliko godina, ali to je samo dio priče, jer se oni poboljšavaju brže od konkurencije. Dobavljači kao što su Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments i Skeleton Technologies rekli su da premašuju energetsku gustinu olovnih baterija sa svojim superkondenzatorima i superbakterijama, od kojih neki teoretski odgovaraju gustoći energije litijum-jona.
Međutim, jonistor u električnom vozilu je jedan od aspekata elektronike i elektrotehnike kojiignorisan od strane štampe, investitora, potencijalnih dobavljača i mnogih ljudi koji žive sa starom tehnologijom, uprkos brzom rastu tržišta vrednog više milijardi dolara. Na primjer, za kopnena, vodena i zračna vozila postoji oko 200 velikih proizvođača vučnih motora i 110 glavnih dobavljača vučnih baterija u poređenju sa nekoliko proizvođača superkondenzatora. Općenito, u svijetu ne postoji više od 66 velikih proizvođača ionistora, od kojih je većina fokusirala svoju proizvodnju na lakše modele za potrošačku elektroniku.
