Ionistor qayerda ishlatiladi? Ionistorlar turlari, ularning maqsadi, afzalliklari va kamchiliklari

Mundarija:

Ionistor qayerda ishlatiladi? Ionistorlar turlari, ularning maqsadi, afzalliklari va kamchiliklari
Ionistor qayerda ishlatiladi? Ionistorlar turlari, ularning maqsadi, afzalliklari va kamchiliklari
Anonim

Ionistorlar ikki qavatli elektrokimyoviy kondensatorlar yoki superkondensatorlardir. Ularning metall elektrodlari an'anaviy ravishda hindiston yong'og'i qobig'idan, lekin ko'pincha uglerod aerojelidan, boshqa nanokarbon yoki grafen nanotubkalaridan tayyorlangan yuqori darajada g'ovakli faollashtirilgan uglerod bilan qoplangan. Ushbu elektrodlar o'rtasida elektrodlarni bir-biridan ajratib turadigan gözenekli separator mavjud, spiralga o'ralganida, bularning barchasi elektrolitlar bilan singdiriladi. Ionistorning ba'zi innovatsion shakllari qattiq elektrolitga ega. Ular yuk mashinalari uchun uzluksiz quvvat manbalarida an'anaviy akkumulyatorlarni almashtiradilar va u yerda quvvat manbai sifatida super zaryadlovchidan foydalanadilar.

Ish printsipi

Ish printsipi
Ish printsipi

Ionistor ko'mir va elektrolitlar orasidagi interfeysda hosil bo'lgan qo'sh qatlam ta'siridan foydalanadi. Faollashgan uglerod qattiq holatda elektrod, suyuq holatda esa elektrolit sifatida ishlatiladi. Ushbu materiallar bir-biri bilan aloqa qilganda, ijobiy va salbiy qutblar bir-biriga nisbatan taqsimlanadijuda qisqa masofa. Elektr maydonini qo'llashda elektrolitik suyuqlikdagi uglerod yuzasiga yaqin joyda hosil bo'lgan elektr qo'sh qavat asosiy struktura sifatida ishlatiladi.

Dizayn afzalligi:

  1. Kichik qurilmaning sig'imini ta'minlaydi, ortiqcha zaryadlangan qurilmalarda zaryadsizlanish vaqtida nazorat qilish uchun maxsus zaryadlash davrlarini talab qilmaydi.
  2. Qayta zaryadlash yoki ortiqcha zaryadlash odatdagi batareyalardagi kabi batareyaning ishlash muddatiga salbiy ta'sir ko'rsatmaydi.
  3. Texnologiya ekologiya nuqtai nazaridan nihoyatda "toza".
  4. Oddiy batareyalar kabi barqaror boʻlmagan kontaktlarda muammo yoʻq.

Dizayn kamchiliklari:

  1. Ishlash muddati superkondensatordan foydalanadigan qurilmalarda elektrolitlar ishlatilgani uchun cheklangan.
  2. Kondensatorga toʻgʻri xizmat koʻrsatilmasa, elektrolit sizib chiqishi mumkin.
  3. Alyuminiy kondensatorlar bilan solishtirganda, bu kondensatorlar yuqori qarshilikka ega va shuning uchun oʻzgaruvchan tok zanjirlarida ishlatib boʻlmaydi.

Yuqorida tavsiflangan afzalliklardan foydalangan holda, elektr kondansatkichlar quyidagi kabi ilovalarda keng qo'llaniladi:

  1. Taymerlar, dasturlar, elektron mobil quvvat va hokazolar uchun xotira zaxiralanmoqda
  2. Video va audio jihozlar.
  3. Koʻchma elektron jihozlar uchun batareyalarni almashtirishda zaxira manbalari.
  4. Soatlar va indikatorlar kabi quyosh energiyasi bilan ishlaydigan qurilmalar uchun quvvat manbalari.
  5. Kichik va mobil dvigatellar uchun startlar.

Redoks reaktsiyalari

Oksidlanish-qaytarilish reaksiyalari
Oksidlanish-qaytarilish reaksiyalari

Zaryad akkumulyatori elektrod va elektrolitlar orasidagi interfeysda joylashgan. Zaryadlash jarayonida elektronlar tashqi kontaktlarning zanglashiga olib, salbiy elektroddan musbat elektrodga o'tadi. Raqamsizlanish jarayonida elektronlar va ionlar teskari yo'nalishda harakat qiladilar. EDLC superkondensatorida zaryad o'tkazilmaydi. Ushbu turdagi superkondensatorda elektrodda oksidlanish-qaytarilish reaktsiyasi sodir bo'lib, u zaryadlarni hosil qiladi va zaryadni konstruktsiyaning ikki qatlami orqali o'tkazadi, bu erda ionistor ishlatiladi.

Ushbu turda sodir boʻladigan redoks reaktsiyasi tufayli EDLCga qaraganda quvvat zichligi pastroq boʻlishi mumkin, chunki Faradaik tizimlar faradaik boʻlmagan tizimlarga qaraganda sekinroq. Umumiy qoida sifatida, psevdokapaktorlar faraday tizimiga tegishli bo'lganligi sababli EDLC-larga qaraganda yuqori o'ziga xos sig'im va energiya zichligini ta'minlaydi. Biroq, superkondensatorni to'g'ri tanlash dastur va mavjudligiga bog'liq.

Grafenga asoslangan materiallar

Grafen asosidagi materiallar
Grafen asosidagi materiallar

Superkondensator tez zaryadlash qobiliyati bilan ajralib turadi, an'anaviy akkumulyatorga qaraganda ancha tezroq, lekin u batareya kabi ko'p energiya to'play olmaydi, chunki u kamroq energiya zichligiga ega. Ularning samaradorligini oshirishga grafen va uglerod nanotubalaridan foydalanish orqali erishiladi. Ular kelajakda ionistorlarga elektrokimyoviy batareyalarni to'liq almashtirishga yordam beradi. Nanotexnologiya bugungi kunda ko'pchilikning manbai hisoblanadiinnovatsiyalar, ayniqsa e-mobilda.

Grafen superkondensatorlarning sig'imini oshiradi. Ushbu inqilobiy material qalinligi uglerod atomining qalinligi bilan cheklanishi mumkin bo'lgan va atom tuzilishi juda zich bo'lgan varaqlardan iborat. Bunday xususiyatlar elektronikada silikon o'rnini bosishi mumkin. Ikki elektrod orasiga g'ovakli ajratgich o'rnatilgan. Biroq, saqlash mexanizmidagi o'zgarishlar va elektrod materialini tanlash yuqori sig'imli superkondensatorlarning turli tasnifiga olib keladi:

  1. Ekki qavatli elektrokimyoviy kondansatörler (EDLC), ular asosan yuqori uglerodli elektrodlardan foydalanadi va elektrod/elektrolit interfeysida ionlarni tez adsorbsiyalash orqali oʻz energiyasini saqlaydi.
  2. Psuedo-kondansatkichlar elektrod yuzasida yoki uning yaqinida zaryadni uzatishning fagik jarayoniga asoslangan. Bunday holda, elektr o'tkazuvchan polimerlar va o'tish metall oksidlari elektrokimyoviy faol moddalar bo'lib qoladi, masalan, batareya bilan ishlaydigan elektron soatlarda topilganlar.

Moslashuvchan polimer qurilmalar

Polimerlarga asoslangan moslashuvchan qurilmalar
Polimerlarga asoslangan moslashuvchan qurilmalar

Superkondensator elektrokimyoviy zaryadning ikki qatlamini hosil qilish yoki sirt redoks reaktsiyalari orqali energiyani yuqori tezlikda oladi va saqlaydi, natijada uzoq muddatli tsiklik barqarorlik, arzon narxlardagi va atrof-muhitni muhofaza qilish bilan yuqori quvvat zichligi paydo bo'ladi. PDMS va PET moslashuvchan superkondensatorlarni amalga oshirishda eng ko'p ishlatiladigan substratlardir. Film bo'lsa, PDMS moslashuvchan va yaratishi mumkin10 000 moslashuvchan sikldan keyin yuqori siklik barqarorlikka ega soatlardagi shaffof yupqa plyonkali ionistorlar.

Bir devorli uglerod nanotubalari mexanik, elektron va termal barqarorlikni yanada yaxshilash uchun PDMS plyonkasiga qo'shilishi mumkin. Xuddi shunday, grafen va CNT kabi Supero'tkazuvchilar materiallar ham yuqori moslashuvchanlik va elektr o'tkazuvchanligiga erishish uchun PET plyonkasi bilan qoplangan. PDMS va PETga qo'shimcha ravishda, boshqa polimerik materiallar ham ortib borayotgan qiziqishni uyg'otmoqda va turli usullar bilan sintezlanadi. Masalan, birlamchi sirtni belgilangan grafiklarga ega boʻlgan elektr oʻtkazuvchan gʻovakli uglerod strukturasiga tezda aylantirish uchun mahalliylashtirilgan impulsli lazer nurlanishidan foydalanilgan.

Yog'och tolasi va qog'oz to'qilmagan materiallar kabi tabiiy polimerlar ham moslashuvchan va engil bo'lgan substrat sifatida ishlatilishi mumkin. CNT moslashuvchan CNT qog'oz elektrodini hosil qilish uchun qog'ozga yotqiziladi. Qog'oz substratining yuqori moslashuvchanligi va CNTlarning yaxshi taqsimlanishi tufayli, 4,5 mm egilish radiusida 100 tsikl uchun egilgandan so'ng, o'ziga xos sig'im va quvvat va energiya zichligi 5% dan kamroq o'zgaradi. Bundan tashqari, yuqori mexanik kuch va yaxshi kimyoviy barqarorlik tufayli bakterial nanotellyuloza qog'ozlari Walkman kassetali pleyer kabi moslashuvchan superkondensatorlarni ishlab chiqarish uchun ham qo'llaniladi.

Superkondensator unumdorligi

Superkondensatorlarning ishlashi
Superkondensatorlarning ishlashi

Bu shartlar bilan belgilanadielektrokimyoviy faollik va kimyoviy kinetik xususiyatlar, ya'ni: elektrodlar ichidagi elektron va ion kinetikasi (tashish) va elektrodga / elektrolitga zaryad o'tkazish tezligining samaradorligi. EDLC asosidagi uglerod materiallaridan foydalanganda yuqori ishlash uchun o'ziga xos sirt maydoni, elektr o'tkazuvchanligi, gözenek hajmi va farqlari muhim ahamiyatga ega. Grafen o'zining yuqori elektr o'tkazuvchanligi, katta sirt maydoni va qatlamlararo tuzilishi bilan EDLCda foydalanish uchun jozibador.

Pseudocapacitors bo'lsa, ular EDLC'larga nisbatan yuqori sig'imni ta'minlasa-da, CMOS chipining past quvvati tufayli ular hali ham zichlikda cheklangan. Bu tez elektron harakatni cheklaydigan zaif elektr o'tkazuvchanligi bilan bog'liq. Bundan tashqari, zaryadlash / tushirish jarayonini boshqaradigan redoks jarayoni elektroaktiv materiallarga zarar etkazishi mumkin. Grafenning yuqori elektr o'tkazuvchanligi va uning mukammal mexanik kuchi uni psevdokapasitorlarda material sifatida ishlatishga imkon beradi.

Grafendagi adsorbsiyani oʻrganish shuni koʻrsatdiki, u asosan grafen qatlamlari yuzasida katta boʻshliqlarga kirish imkoniyatiga ega (yaʼni, qatlamlararo strukturasi gʻovak boʻlib, elektrolitlar ionlariga oson kirish imkonini beradi). Shunday qilib, yaxshi ishlash uchun gözenekli bo'lmagan grafen aglomeratsiyasidan qochish kerak. Funktsional guruhlarni qo'shish, elektr o'tkazuvchan polimerlar bilan gibridlash va grafen/oksid kompozitlarini hosil qilish orqali sirtni o'zgartirish orqali unumdorlikni yanada yaxshilash mumkin.metall.

Kondensatorni taqqoslash

Kondensatorlarni taqqoslash
Kondensatorlarni taqqoslash

Supercaps qisqa muddatli quvvat ehtiyojlarini qondirish uchun tez zaryadlash zarur boʻlganda ideal. Gibrid batareya ikkala ehtiyojni ham qondiradi va uzoqroq ishlash uchun kuchlanishni pasaytiradi. Quyidagi jadvalda kondansatkichlardagi xarakteristikalar va asosiy materiallarning taqqoslanishi ko'rsatilgan.

Ekki qavatli elektr kondansatör, ionistor belgisi Alyuminiy elektrolitik kondansatör Ni-cd batareya Qoʻrgʻoshin muhrlangan batareya
Harorat oraligʻidan foydalanish -25 - 70°C -55 - 125 °C -20 - 60 °C -40 - 60 °C
Elektrodlar Faollashgan uglerod Alyuminiy (+) NiOOH (-) Cd

(+) PbO2 (-) Pb

Elektrolitik suyuqlik Organik erituvchi Organik erituvchi KOH

H2SO4

Elektromotor kuch usuli Dielektrik sifatida tabiiy ikki qatlamli elektr effektidan foydalanish Dielektrik sifatida alyuminiy oksididan foydalanish Kimyoviy reaksiya yordamida Kimyoviy reaksiya yordamida
Ifloslanish Yoʻq Yoʻq CD Pb
Zaryadlash/zaryadlash davrlari soni > 100 000 marta > 100 000 marta 500 marta 200-1000 marta
Har bir hajm birligi uchun sig'im 1 1/1000 100 100

Zaryadlash xususiyati

Zaryadlash vaqti 1-10 soniya. Dastlabki zaryad juda tez bajarilishi mumkin va yuqori zaryad qo'shimcha vaqtni oladi. Bo'sh superkondensatorni zaryad qilishda oqim oqimini cheklash haqida o'ylash kerak, chunki u imkon qadar ko'proq tortadi. Superkondensator qayta zaryadlanmaydi va to'liq zaryadni aniqlashni talab qilmaydi, oqim to'lganida shunchaki oqishni to'xtatadi. Avtomobil uchun super zaryadlovchi va Li-ion o'rtasidagi unumdorlikni taqqoslash.

Funksiya Ionistor Li-Ion (umumiy)
Zaryadlash vaqti 1-10 soniya 10-60 daqiqa
Tomosha qilish muddati 1 million yoki 30 000 500 va undan yuqori
Voltaj 2, 3 dan 2, 75 gachaB 3, 6 B
Maxsus energiya (Vt/kg) 5 (odatiy) 120-240
Maxsus quvvat (Vt/kg) 10000 tagacha 1000-3000
Bir kVt/soat narxi 10 000$ 250-1000$
Hayot 10-15 yil 5 yoshdan 10 yoshgacha
Zaryadlash harorati -40 - 65°C 0 - 45 °C
Chiqish harorati -40 - 65°C -20 - 60°C

Qurilmalarni quvvatlantirishning afzalliklari

Avtomobillar tezlashishi uchun qoʻshimcha energiya talab qiladi va bu yerda super zaryadlovchilar paydo boʻladi. Ular umumiy zaryad bo'yicha cheklovga ega, lekin ular uni juda tez o'tkazishga qodir, bu ularni ideal batareyaga aylantiradi. Ularning an'anaviy batareyalarga nisbatan afzalliklari:

  1. Kam empedans (ESR) batareyaga parallel ulanganda kuchlanish oqimi va yukni oshiradi.
  2. Juda yuqori sikl - zaryadsizlanishi millisekunddan daqiqagacha davom etadi.
  3. Superkondensatorsiz akkumulyatorli qurilmaga nisbatan kuchlanish pasayishi.
  4. Yuqori samaradorlik 97-98% va DC-DC samaradorligi har ikki yo'nalishda 80% -95% ni tashkil qiladi, masalanionistorli videoregistrator.
  5. Gibrid elektr transport vositasida aylanma samaradorlik akkumulyatornikidan 10% ga yuqori.
  6. Juda keng harorat oralig'ida yaxshi ishlaydi, odatda -40 C dan +70 C gacha, lekin -50 C dan +85 C gacha bo'lishi mumkin, maxsus versiyalari 125 C gacha mavjud.
  7. Zaryadlash va zaryadsizlantirish jarayonida oz miqdorda issiqlik hosil boʻladi.
  8. Uzoq ishlash muddati, yuqori ishonchliligi, texnik xizmat koʻrsatish xarajatlarini kamaytiradi.
  9. Yuz minglab sikllarda va 20 million tsiklgacha davom etadigan engil degradatsiya.
  10. Ular 10 yildan soʻng oʻz imkoniyatlarini 20% dan koʻp yoʻqotmaydi va 20 yil yoki undan koʻproq umr koʻradi.
  11. Yilishga chidamli.
  12. Batareyalar kabi chuqur zaryadsizlanishlarga ta'sir qilmaydi.
  13. Batareyalar bilan solishtirganda yuqori xavfsizlik - ortiqcha zaryad yoki portlash xavfi yo'q.
  14. Koʻpgina batareyalardan farqli oʻlaroq, foydalanish muddati tugagandan soʻng utilizatsiya qilinadigan xavfli moddalarni oʻz ichiga olmaydi.
  15. Atrof-muhit standartlariga mos keladi, shuning uchun utilizatsiya yoki qayta ishlashda hech qanday qiyinchilik yoʻq.

Cheklash texnologiyasi

Superkondensator o'rtada elektrolit qatlami bo'lgan ikki qatlamli grafendan iborat. Film kuchli, nihoyatda yupqa va qisqa vaqt ichida katta miqdorda energiya chiqarishga qodir, ammo shunga qaramay, bu yo'nalishda texnologik taraqqiyotni to'xtatib turadigan hal etilmagan muammolar mavjud. Superkapasitorning qayta zaryadlanuvchi batareyalarga nisbatan kamchiliklari:

  1. Kam energiya zichligi - odatdaelektrokimyoviy akkumulyator energiyasining 1/5 dan 1/10 gacha qismini oladi.
  2. Line deşarj - to'liq energiya spektridan foydalanmaslik, qo'llanilishiga qarab, barcha energiya mavjud emas.
  3. Batareyalarda boʻlgani kabi, hujayralar ham past kuchlanishli, ketma-ket ulanish va kuchlanishni muvozanatlash talab qilinadi.
  4. Oʻz-oʻzidan zaryadsizlanish koʻpincha batareyalardan yuqori boʻladi.
  5. Kuchlanish saqlangan energiyaga qarab oʻzgaradi - energiyani samarali saqlash va qayta tiklash murakkab elektron boshqaruv va kommutatsiya uskunalarini talab qiladi.
  6. Barcha turdagi kondensatorlar orasida eng yuqori dielektrik yutilishga ega.
  7. Ustki foydalanish harorati odatda 70 C yoki undan past va kamdan-kam hollarda 85 C dan oshadi.
  8. Koʻpchilik suyuq elektrolitni oʻz ichiga oladi, u bexosdan tez zaryadsizlanishining oldini olish uchun zarur boʻlgan hajmni kamaytiradi.
  9. Bir vatt uchun elektr energiyasining yuqori narxi.

Gibrid xotira

Yangi tuzilishga ega kondansatör modullarini ishlab chiqarish uchun quvvat elektronikasining maxsus dizayni va o'rnatilgan texnologiyasi ishlab chiqilgan. Ularning modullari yangi texnologiyalar yordamida ishlab chiqarilishi kerakligi sababli, ular tom, eshiklar va bagaj qopqog'i kabi avtomobil kuzov panellariga birlashtirilishi mumkin. Bundan tashqari, energiyani saqlash va qurilma tizimlarida energiya yo‘qotishlarini va energiya muvozanatlash davrlarining hajmini kamaytiradigan yangi energiya balanslash texnologiyalari ixtiro qilingan.

Zaryadlashni boshqarish va kabi bir qator tegishli texnologiyalar ham ishlab chiqilganzaryadsizlantirish, shuningdek, boshqa energiya saqlash tizimlariga ulanish. Nominal quvvati 150F, nominal kuchlanishi 50V bo'lgan superkondensator moduli sirt maydoni 0,5 kvadrat metr bo'lgan tekis va egri sirtlarga joylashtirilishi mumkin. m va qalinligi 4 sm. Ilovalar elektr transport vositalariga tegishli va avtomobilning turli qismlari va energiya saqlash tizimlari talab qilinadigan boshqa holatlar bilan birlashtirilishi mumkin.

Ilova va istiqbollar

Ilova va istiqbollar
Ilova va istiqbollar

AQSh, Rossiya va Xitoyda tortish batareyalari bo'lmagan avtobuslar bor, barcha ishlarni ionistorlar bajaradi. General Electric kompaniyasi ba'zi raketalar, o'yinchoqlar va elektr asboblarda sodir bo'lganiga o'xshash batareyani almashtirish uchun superkondansatkichli pikap ishlab chiqdi. Sinovlar shuni ko'rsatdiki, superkondensatorlar shamol turbinalarida qo'rg'oshin kislotali akkumulyatorlardan ustun turadi, bu superkondensator energiya zichligi qo'rg'oshinli akkumulyatorlarnikiga yaqinlashmasdan erishildi.

Endi Superkondensatorlar keyingi bir necha yil ichida qoʻrgʻoshin kislotali akkumulyatorlarni koʻmib tashlashi aniq, ammo bu hikoyaning faqat bir qismi, chunki ular raqobatchilardan tezroq yaxshilanmoqda. Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments va Skeleton Technologies kabi etkazib beruvchilar superkondensator va superbuglar bilan qo'rg'oshin-kislotali akkumulyatorlarning energiya zichligidan oshib ketishini aytishdi, ularning ba'zilari nazariy jihatdan litiy ionlarining energiya zichligiga mos keladi.

Ammo, elektr transport vositasidagi ionistor elektronika va elektrotexnikaning aspektlaridan biridir.matbuot, investorlar, potentsial yetkazib beruvchilar va ko'p milliard dollarlik bozorning tez o'sishiga qaramasdan, eski texnologiyalar bilan yashaydigan ko'plab odamlar tomonidan e'tiborga olinmaydi. Masalan, quruqlik, suv va havo transporti vositalari uchun bir nechta superkondensatorlar ishlab chiqaruvchilarga nisbatan 200 ga yaqin tortish motorlari va 110 ta yirik tortish batareyalari yetkazib beruvchilari mavjud. Umuman olganda, dunyoda 66 dan ortiq yirik ionistorlar ishlab chiqaruvchilar mavjud emas, ularning aksariyati ishlab chiqarishni maishiy elektronika uchun engilroq modellarga qaratgan.

Tavsiya: