Ionistorid on kahekihilised elektrokeemilised kondensaatorid või superkondensaatorid. Nende metallelektroodid on kaetud väga poorse aktiivsöega, mis on traditsiooniliselt valmistatud kookospähkli koortest, kuid enamasti süsinikaerogeelist, muudest nanosüsiniku või grafeeni nanotorudest. Nende elektroodide vahel on poorne eraldaja, mis hoiab elektroodid üksteisest eemal, spiraalile kerituna on see kõik elektrolüüdiga immutatud. Mõnel uuenduslikul ionistori vormil on tahke elektrolüüt. Need asendavad traditsioonilisi akusid katkematutes toiteallikates kuni veoautodeni, kus nad kasutavad toiteallikana ülelaadijat.
Tööpõhimõte
Ionistor kasutab kivisöe ja elektrolüüdi vahelisele liidesele moodustunud topeltkihi toimet. Aktiivsütt kasutatakse elektroodina tahkel kujul ja elektrolüüti vedelal kujul. Kui need materjalid on üksteisega kokkupuutes, jaotuvad positiivsed ja negatiivsed poolused üksteise suhtesväga lühike vahemaa. Elektrivälja rakendamisel kasutatakse põhistruktuurina elektrilist topeltkihti, mis moodustub elektrolüütilise vedeliku süsiniku pinna lähedal.
Disaini eelis:
- Pakub väikeses seadmes mahtuvust, ülelaaditud seadmete tühjenemise ajal juhtimiseks pole vaja spetsiaalseid laadimisahelaid.
- Taaslaadimine või ülelaadimine ei mõjuta negatiivselt aku kasutusaega nagu tavaliste akude puhul.
- Tehnoloogia on ökoloogiliselt äärmiselt "puhas".
- Ebastabiilsete kontaktidega nagu tavalised patareid probleeme pole.
Disaini vead:
- Tööaeg on piiratud, kuna superkondensaatorit kasutavates seadmetes kasutatakse elektrolüüte.
- Elektrolüüt võib lekkida, kui kondensaatorit korralikult ei hooldata.
- Võrreldes alumiiniumkondensaatoritega on neil kondensaatoritel suur takistus ja seetõttu ei saa neid vahelduvvooluahelates kasutada.
Eespool kirjeldatud eeliseid kasutades kasutatakse elektrikondensaatoreid laialdaselt järgmistes rakendustes:
- Mälu reserveerimine taimerite, programmide, e-mobiili toite jms jaoks.
- Video- ja heliseadmed.
- Varuallikad kaasaskantavate elektroonikaseadmete patareide vahetamisel.
- Päikeseenergial töötavate seadmete (nt kellad ja näidikud) toiteallikad.
- Väikeste ja mobiilsete mootorite starterid.
Redoksreaktsioonid
Laengu akumulaator asub elektroodi ja elektrolüüdi vahelisel liidesel. Laadimisprotsessi käigus liiguvad elektronid mööda välist vooluringi negatiivselt elektroodilt positiivsele elektroodile. Tühjenemise ajal liiguvad elektronid ja ioonid vastupidises suunas. EDLC superkondensaatoris laenguülekanne puudub. Seda tüüpi superkondensaatorite puhul toimub elektroodil redoksreaktsioon, mis tekitab laenguid ja kannab laengu läbi konstruktsiooni topeltkihtide, kus kasutatakse ionistorit.
Selles tüübis toimuva redoksreaktsiooni tõttu võib võimsustihedus olla väiksem kui EDLC puhul, kuna Faradaic süsteemid on aeglasemad kui mittefaradalised süsteemid. Üldreeglina pakuvad pseudokondensaatorid suuremat erimahtuvust ja energiatihedust kui EDLC-d, kuna need on faraday süsteemist. Superkondensaatori õige valik sõltub aga rakendusest ja saadavusest.
Grafeenipõhised materjalid
Superkondensaatorit iseloomustab kiire laadimisvõime, palju kiiremini kui tavalist akut, kuid see ei suuda salvestada sama palju energiat kui aku, kuna sellel on väiksem energiatihedus. Nende efektiivsuse tõus saavutatakse grafeeni ja süsiniknanotorude kasutamisega. Need aitavad tulevikus ionistoritel elektrokeemilisi patareisid täielikult välja vahetada. Nanotehnoloogia on tänapäeval paljude asjade allikasuuendused, eriti e-mobiilis.
Grafeen suurendab superkondensaatorite mahtuvust. See revolutsiooniline materjal koosneb lehtedest, mille paksust saab piirata süsinikuaatomi paksusega ja mille aatomstruktuur on ülitihe. Sellised omadused võivad asendada räni elektroonikas. Kahe elektroodi vahele asetatakse poorne separaator. Erinevused salvestusmehhanismis ja elektroodimaterjali valikus põhjustavad aga suure võimsusega superkondensaatorite erinevat klassifikatsiooni:
- Elektrokeemilised kahekihilised kondensaatorid (EDLC), mis kasutavad enamasti suure süsinikusisaldusega süsinikusisaldusega elektroode ja salvestavad oma energia, adsorbeerides kiiresti ioone elektroodi/elektrolüüdi liidesel.
- Psuedokondensaatorid põhinevad faagilisel laenguülekande protsessil elektroodi pinnal või selle läheduses. Sel juhul jäävad juhtivad polümeerid ja siirdemetallide oksiidid elektrokeemiliselt aktiivseteks materjalideks, nagu need, mida leidub patareitoitega elektroonilistes kellades.
Paindlikud polümeerseadmed
Superkondensaator võidab ja salvestab energiat suure kiirusega, moodustades elektrokeemilise laengu topeltkihi või pinna redoksreaktsioonide kaudu, mille tulemuseks on kõrge võimsustihedus koos pikaajalise tsüklilise stabiilsusega, madalate kuludega ja keskkonnakaitsega. PDMS ja PET on painduvate superkondensaatorite rakendamisel kõige sagedamini kasutatavad substraadid. Filmi puhul saab PDMS luua paindlikke jaläbipaistvad õhukese kilega ionistorid kellades, millel on kõrge tsükliline stabiilsus pärast 10 000 paindumistsüklit.
Mehaanilise, elektroonilise ja termilise stabiilsuse parandamiseks saab PDMS-kilesse veelgi lisada üheseinalisi süsiniknanotorusid. Samamoodi on juhtivad materjalid, nagu grafeen ja CNT-d, kaetud PET-kilega, et saavutada nii kõrget paindlikkust kui ka elektrijuhtivust. Lisaks PDMS-ile ja PET-ile äratavad kasvavat huvi ka teised polümeersed materjalid, mida sünteesitakse erinevatel meetoditel. Näiteks on kasutatud lokaliseeritud impulsslaserkiirgust, et muuta esmane pind kiiresti kindlaksmääratud graafikaga elektrit juhtivaks poorseks süsinikstruktuuriks.
Substraatidena saab kasutada ka looduslikke polümeere, nagu puitkiud ja paber lausriie, mis on paindlikud ja kerged. CNT kantakse paberile, moodustades elastse CNT paberelektroodi. Tänu paberisubstraadi suurele paindlikkusele ja CNT-de heale jaotusele muutuvad erimahtuvus ning võimsus ja energiatihedus pärast 100 tsüklit painutamist 4,5 mm painderaadiusega vähem kui 5%. Lisaks kasutatakse suurema mehaanilise tugevuse ja parema keemilise stabiilsuse tõttu bakteriaalset nanotselluloospaberit ka painduvate superkondensaatorite (nt Walkmani kassettmängija) valmistamiseks.
Superkondensaatori jõudlus
See on määratletud järgmiseltelektrokeemiline aktiivsus ja keemilised kineetilised omadused, nimelt: elektronide ja ioonide kineetika (transport) elektroodide sees ning elektroodile/elektrolüüdile laengu ülekandumise kiiruse efektiivsus. Spetsiifiline pind, elektrijuhtivus, pooride suurus ja erinevused on EDLC-põhiste süsinikmaterjalide kasutamisel suure jõudluse jaoks olulised. Grafeen oma suure elektrijuhtivuse, suure pindala ja vahekihi struktuuriga on EDLC-s kasutamiseks atraktiivne.
Pseudokondensaatorite puhul, kuigi need pakuvad EDLC-dega võrreldes paremat mahtuvust, piirab nende tihedust siiski CMOS-kiibi väike võimsus. Selle põhjuseks on halb elektrijuhtivus, mis piirab kiiret elektroonilist liikumist. Lisaks võib laadimis-/tühjenemisprotsessi käivitav redoksprotsess kahjustada elektroaktiivseid materjale. Grafeeni kõrge elektrijuhtivus ja suurepärane mehaaniline tugevus muudavad selle sobivaks materjaliks pseudokondensaatorites.
Grafeeni adsorptsiooniuuringud on näidanud, et see esineb peamiselt grafeenilehtede pinnal, millel on juurdepääs suurtele pooridele (st vahekihtstruktuur on poorne, võimaldades hõlpsat juurdepääsu elektrolüütide ioonidele). Seega tuleks parema jõudluse huvides vältida mittepoorset grafeeni aglomeratsiooni. Toimivust saab veelgi parandada pinna modifitseerimisega funktsionaalrühmade lisamise, elektrit juhtivate polümeeridega hübridiseerimise ja grafeeni/oksiidi komposiitide moodustamisegametall.
Kondensaatorite võrdlus
Superkorgid on ideaalsed, kui lühiajaliste energiavajaduste rahuldamiseks on vaja kiiret laadimist. Hübriidaku rahuldab nii vajadused kui ka alandab pinget pikemaks elueaks. Allolev tabel näitab kondensaatorite omaduste ja peamiste materjalide võrdlust.
| Elektriline kahekihiline kondensaator, ionistori tähis | Alumiiniumist elektrolüütkondensaator | Ni-cd aku | Piitega suletud aku | |
| Kasuta temperatuurivahemikku | -25 kuni 70°C | -55 kuni 125 °C | -20 kuni 60 °C | -40 kuni 60 °C |
| Elektroodid | Aktiivsüsi | Alumiinium | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Elektrolüütiline vedelik | Orgaaniline lahusti | Orgaaniline lahusti | KOH |
H2SO4 |
| Elektromootorjõu meetod | Loodusliku elektrilise kahekihilise efekti kasutamine dielektrikuna | Alumiiniumoksiidi kasutamine dielektrikuna | Keemilise reaktsiooni kasutamine | Keemilise reaktsiooni kasutamine |
| Saaste | Ei | Ei | CD | Pb |
| Laadimis-/tühjenemistsüklite arv | > 100 000 korda | > 100 000 korda | 500 korda | 200 kuni 1000 korda |
| Mahutavus mahuühiku kohta | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Laadimisomadused
Laadimisaeg 1–10 sekundit. Esialgse laadimise saab sooritada väga kiiresti ja ülemine laadimine võtab lisaaega. Tühja superkondensaatori laadimisel tuleks kaaluda käivitusvoolu piiramist, kuna see võtab nii palju kui võimalik. Superkondensaator ei ole laetav ega vaja täislaadimise tuvastamist, vool lakkab lihts alt täis saades voolamast. Autode ülelaaduri ja liitiumioonde jõudluse võrdlus.
| Funktsioon | Ionistor | Li-Ion (üldine) |
| Laadimisaeg | 1–10 sekundit | 10–60 minutit |
| Vaata elutsükkel | 1 miljon või 30 000 | 500 ja rohkem |
| Pinge | 2, 3 kuni 2, 75B | 3, 6 B |
| Erienergia (W/kg) | 5 (tavaline) | 120-240 |
| Erivõimsus (W/kg) | Kuni 10000 | 1000-3000 |
| Kulu kWh kohta | 10 000 $ | 250–1000 $ |
| Eluaeg | 10-15 aastat | 5 kuni 10 aastat vana |
| Laadimistemperatuur | -40 kuni 65°C | 0 kuni 45 °C |
| Tühjendustemperatuur | -40 kuni 65°C | -20 kuni 60°C |
Laadimisseadmete eelised
Sõidukid vajavad kiirendamiseks lisaenergiat ja siin tulevadki appi ülelaadijad. Neil on kogu laetuse piirang, kuid nad suudavad selle väga kiiresti üle kanda, muutes need ideaalseteks akudeks. Nende eelised traditsiooniliste akude ees:
- Madal impedants (ESR) suurendab akuga paralleelselt ühendamisel liigvoolu ja koormust.
- Väga kõrge tsükkel – tühjenemine võtab millisekunditest kuni minutiteni.
- Pingelangus võrreldes akutoitel ilma superkondensaatorita seadmega.
- Kõrge efektiivsus 97–98% ja alalis-alalisvoolu efektiivsus mõlemas suunas on 80–95% enamikus rakendustes, näiteksionistoritega videosalvesti.
- Hübriidelektrisõidukil on ringristmiku kasutegur 10% suurem kui akul.
- Töötab hästi väga laias temperatuurivahemikus, tavaliselt -40 C kuni +70 C, kuid võib olla vahemikus -50 C kuni +85 C, eriversioonid saadaval kuni 125 C.
- Laadimisel ja tühjendamisel tekib väike kogus soojust.
- Pikk eluiga suure töökindlusega, vähendades hoolduskulusid.
- Väike lagunemine sadade tuhandete tsüklite jooksul ja kestab kuni 20 miljonit tsüklit.
- Nad ei kaota 10 aasta pärast rohkem kui 20% oma mahust ja nende eluiga on 20 aastat või rohkem.
- Kulumimiskindel.
- Ei mõjuta sügavtühjenemist nagu akud.
- Suurem ohutus võrreldes akudega – pole ülelaadimise ega plahvatuse ohtu.
- Erinev alt paljudest akudest ei sisalda ohtlikke materjale, mida tuleks kasutusea lõppedes ära visata.
- Vastub keskkonnastandarditele, seega pole keerulist kõrvaldamist ega ringlussevõttu.
Restraint Technology
Superkondensaator koosneb kahest grafeenikihist, mille keskel on elektrolüüdikiht. Kile on tugev, üliõhuke ja suudab lühikese aja jooksul vabastada suurel hulgal energiat, kuid sellest hoolimata on teatud lahendamata probleeme, mis pidurdavad tehnoloogilist arengut selles suunas. Superkondensaatori puudused laetavate akude ees:
- Madal energiatihedus – tavaliseltvõtab 1/5 kuni 1/10 elektrokeemilise aku energiast.
- Liin tühjenemine – kogu energiaspektri ärakasutamine ei ole olenev alt rakendusest kogu energia saadaval.
- Nagu akude puhul, on elemendid madalpinge, vaja on jadaühendusi ja pinge tasakaalustamist.
- Isetühjenemine on sageli suurem kui akude oma.
- Pinge varieerub sõltuv alt salvestatud energiast – energia tõhus salvestamine ja taaskasutamine nõuab keerulisi elektroonilisi juhtimis- ja lülitusseadmeid.
- Kõik tüüpi kondensaatoritest on kõrgeim dielektriline neeldumine.
- Ülemine kasutustemperatuur on tavaliselt 70 C või alla selle ja ületab harva 85 C.
- Enamik sisaldab vedelat elektrolüüti, mis vähendab vajalikku suurust, et vältida tahtmatut kiiret tühjenemist.
- Kõrge elektrikulu vati kohta.
Hübriidsalvestusruum
Uue struktuuriga kondensaatorimoodulite tootmiseks on välja töötatud jõuelektroonika eridisain ja sisseehitatud tehnoloogia. Kuna nende moodulite valmistamisel tuleb kasutada uusi tehnoloogiaid, saab neid integreerida auto kerepaneelidesse nagu katus, uksed ja pakiruumi kaas. Lisaks on leiutatud uusi energia tasakaalustamise tehnoloogiaid, mis vähendavad energiakadusid ja energia tasakaalustusahelate suurust energiasalvestus- ja seadmesüsteemides.
Samuti on välja töötatud rida seotud tehnoloogiaid, näiteks laadimise juhtimine jatühjendamine, samuti ühendused teiste energiasalvestussüsteemidega. Superkondensaatori mooduli nimivõimsusega 150F, nimipingega 50V saab asetada tasasele ja kõverale pinnale, mille pindala on 0,5 ruutmeetrit. m ja 4 cm paksused. Rakendused elektrisõidukitele ja neid saab integreerida sõiduki erinevate osadega ja muudel juhtudel, kui on vaja energiasalvestussüsteeme.
Rakendus ja perspektiivid
USA-s, Venemaal ja Hiinas on bussid ilma veoakudeta, kogu töö teevad ära ionistorid. General Electric on aku asendamiseks välja töötanud superkondensaatoriga pikapi, mis sarnaneb mõne raketi, mänguasja ja elektritööriista puhul juhtunuga. Katsed on näidanud, et superkondensaatorid ületavad tuuleturbiinide plii-happeakusid, mis saavutati ilma, et superkondensaatorite energiatihedus oleks lähenenud pliiakude omale.
Nüüd on selge, et superkondensaatorid matavad järgmise paari aasta jooksul pliiakud, kuid see on vaid osa loost, kuna need paranevad konkurentidest kiiremini. Tarnijad, nagu Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments ja Skeleton Technologies, on öelnud, et ületavad pliiakude energiatihedust oma superkondensaatorite ja superbakteritega, millest mõned ühtivad teoreetiliselt liitiumioonide energiatihedusega.
Samas on elektrisõiduki ionistor üks elektroonika ja elektrotehnika aspekte, misajakirjandus, investorid, potentsiaalsed tarnijad ja paljud inimesed, kes elavad vana tehnoloogiaga, vaatamata mitme miljardi dollari suuruse turu kiirele kasvule, ignoreerisid. Näiteks maa-, vee- ja õhusõidukite puhul on umbes 200 suuremat veomootorite tootjat ja 110 peamist veoakude tarnijat, võrreldes mõne superkondensaatorite tootjaga. Üldiselt ei ole maailmas rohkem kui 66 suurt ionistoritootjat, kellest enamik on keskendunud tarbeelektroonika kergematele mudelitele.
