Ионистор – эки катмарлуу электрохимиялык конденсаторлор же суперконденсаторлор. Алардын металл электроддору, адатта, кокос кабыгынан жасалган, бирок көбүнчө көмүртек аэрогелинен, башка нанокөмүртек же графен нанотүтүкчөлөрүнөн жасалган өтө көзөнөктүү активдештирилген көмүр менен капталган. Бул электроддордун ортосунда электроддорду бири-биринен ажыратып турган тешиктүү сепаратор бар, спиральга оролгондо мунун баары электролит менен сиңирилген. Ионистордун кээ бир инновациялык формаларында катуу электролит бар. Алар жүк ташуучу унааларга чейин үзгүлтүксүз кубат булактарындагы салттуу батарейкаларды алмаштырышат, мында кубат булагы катары супер заряддагычты колдонушат.
Иштөө принциби
Ионистор көмүр менен электролиттин ортосундагы тилкеде пайда болгон кош катмардын аракетин колдонот. Активдүү көмүр электрод катары катуу формада, электролит суюк түрүндө колдонулат. Бул материалдар бири-бири менен байланышта болгондо, оң жана терс уюлдар бири-бирине салыштырмалуу бөлүштүрүлөтабдан кыска аралык. Электр талаасын колдонууда электролиттик суюктуктагы көмүртектин бетине жакын жерде пайда болгон кош электрдик катмар негизги түзүлүш катары колдонулат.
Дизайн артыкчылыгы:
- Кичинекей түзмөктө сыйымдуулукту камсыздайт, ашыкча заряддалган түзмөктөрдө кубаттоо учурунда көзөмөлдөө үчүн атайын заряддоо схемаларынын кереги жок.
- Кайра заряддоо же ашыкча кубаттоо кадимки батарейкалардагыдай батареянын иштөө мөөнөтүнө терс таасирин тийгизбейт.
- Технология экология жагынан өтө "таза".
- Кадимки батарейкалар сыяктуу туруксуз контакттарда көйгөйлөр жок.
Дизайн кемчиликтери:
- Иштин узактыгы суперконденсатор колдонгон түзмөктөрдө электролит колдонулгандыктан чектелген.
- Эгер конденсатор туура сакталбаса, электролит агып кетиши мүмкүн.
- Алюминий конденсаторлоруна салыштырмалуу бул конденсаторлордун каршылыктары жогору, ошондуктан AC чынжырларында колдонууга болбойт.
Жогоруда сүрөттөлгөн артыкчылыктарды колдонуу менен электр конденсаторлору төмөнкүдөй колдонмолордо кеңири колдонулат:
- Таймерлер, программалар, электрондук мобилдик кубат ж.б. үчүн эстутум сакталууда.
- Видео жана аудио жабдуулар.
- Көчмө электрондук жабдуулардын батарейкаларын алмаштырууда резервдик булактар.
- Сааттар жана индикаторлор сыяктуу күн энергиясы менен иштеген жабдуулар үчүн энергия булактары.
- Чакан жана мобилдик кыймылдаткычтар үчүн стартер.
Кычкылдануу реакциялары
Заряд аккумулятору электрод менен электролиттин ортосундагы интерфейсте жайгашкан. Заряддоо процессинде электрондор сырткы чынжыр боюнча терс электроддон оң электродго өтөт. Разряд учурунда электрондор жана иондор карама-каршы багытта кыймылдашат. EDLC суперконденсаторунда зарядды өткөрүү жок. Бул түрдөгү суперконденсатордо электроддо редокс реакциясы пайда болот, ал заряддарды жаратат жана ионистор колдонулган конструкциянын кош катмарлары аркылуу зарядды өткөрөт.
Ушул түрдөгү пайда болгон редокс реакциясынан улам, EDLCге караганда кубаттуулуктун тыгыздыгы төмөн болушу мүмкүн, анткени Фарадалык системалар фарадалык эмес системаларга караганда жайыраак. Жалпы эреже катары, псевдокапакторлор фарадей системасына киргендиктен, EDLCге караганда көбүрөөк өзгөчө сыйымдуулукту жана энергиянын тыгыздыгын камсыздайт. Бирок суперконденсаторду туура тандоо колдонмого жана жеткиликтүүлүккө жараша болот.
Графен негизиндеги материалдар
Суперконденсатор кадимки аккумуляторго караганда тез кубаттоо жөндөмү менен мүнөздөлөт, бирок ал энергиянын тыгыздыгы азыраак болгондуктан, батареядай көп энергияны сактай албайт. Алардын натыйжалуулугун жогорулатуу графен жана көмүртек нанотүтүктөрдү колдонуу аркылуу ишке ашат. Алар келечектеги ионисторлорго электрохимиялык батареяларды толук алмаштырууга жардам берет. Нанотехнология бүгүнкү күндө көптөгөн булагы болуп саналатинновациялар, өзгөчө e-mobile.
Графен суперконденсаторлордун сыйымдуулугун жогорулатат. Бул революциялык материал калыңдыгы көмүртек атомунун калыңдыгы менен чектелүүчү жана атомдук түзүлүшү өтө тыгыз болгон барактардан турат. Мындай мүнөздөмөлөр электроникадагы кремнийди алмаштыра алат. Эки электроддун ортосуна тешиктүү сепаратор орнотулган. Бирок, сактоо механизминдеги вариациялар жана электрод материалын тандоо жогорку сыйымдуулуктагы суперконденсаторлордун ар кандай классификацияларына алып келет:
- Электрохимиялык кош катмарлуу конденсаторлор (EDLC), алар көбүнчө жогорку көмүртектүү электроддорду колдонушат жана электрод/электролит интерфейсинде иондорду тез адсорбциялоо аркылуу өз энергиясын сакташат.
- Псуэдо-конденсаторлор электроддун бетинде же ага жакын жерде зарядды өткөрүүнүн фагиялык процессине негизделген. Бул учурда өткөргүч полимерлер жана өтмө металл оксиддери электрохимиялык активдүү материалдар бойдон кала берет, мисалы, батарея менен иштеген электрондук сааттарда табылгандар.
Ийкемдүү полимер түзмөктөр
Суперконденсатор электрохимиялык заряддын кош катмарларын түзүү же беттик редокс реакциялары аркылуу энергияны жогорку ылдамдыкта алат жана сактайт, натыйжада узак мөөнөттүү циклдик туруктуулук, арзан баада жана айлана-чөйрөнү коргоо менен жогорку кубаттуулуктун тыгыздыгы пайда болот. PDMS жана PET ийкемдүү суперконденсаторлорду ишке ашырууда эң көп колдонулган субстраттар. Тасма учурда, PDMS ийкемдүү жана түзө алат10 000 ийкемдүү циклден кийин жогорку циклдик туруктуулугу бар сааттардагы тунук жука пленка ионисторлору.
Бир дубалдуу көмүртектүү нанотүтүктөрдү андан ары механикалык, электрондук жана жылуулук туруктуулугун жакшыртуу үчүн PDMS тасмасына кошууга болот. Ошо сыяктуу эле, графен жана CNTs сыяктуу өткөргүч материалдар да жогорку ийкемдүүлүккө жана электр өткөрүмдүүлүккө жетүү үчүн PET пленкасы менен капталган. PDMS жана PET тышкары, башка полимердик материалдар да өсүп кызыгууну жаратууда жана ар кандай ыкмалар менен синтезделет. Мисалы, локализацияланган импульстук лазердик нурлануу негизги бетти белгиленген графика менен электр өткөргүчтүү көзөнөктүү көмүртек структурасына тез айландыруу үчүн колдонулган.
Жыгач буласы жана кагаз токулбаган материалдар сыяктуу табигый полимерлерди ийкемдүү жана жеңил болгон субстрат катары колдонсо болот. CNT ийкемдүү CNT кагаз электродду түзүү үчүн кагазга түшүрүлөт. Улам кагаз субстрат жогорку ийкемдүүлүгү жана CNTs жакшы бөлүштүрүү, 4,5 мм ийилген радиуста 100 цикл үчүн ийилгенден кийин өзгөчө сыйымдуулугу жана күчү жана энергия тыгыздыгы 5% дан аз өзгөрөт. Мындан тышкары, жогорку механикалык күч жана жакшыраак химиялык туруктуулуктан улам, бактериалдык наноцеллюлоза кагаздары Walkman кассеталык ойноткуч сыяктуу ийкемдүү суперконденсаторлорду жасоо үчүн да колдонулууда.
Суперконденсатор көрсөткүчү
Төмөнкүлөр менен аныкталатэлектрохимиялык активдүүлүгү жана химиялык кинетикалык касиеттери, тактап айтканда: электроддордун ичиндеги электрон жана ион кинетикасы (ташуу) жана заряддын электродго/электролитке өтүү ылдамдыгынын эффективдүүлүгү. Өзгөчө беттик аянты, электр өткөрүмдүүлүк, тешикчелердин өлчөмү жана айырмачылыктар EDLC негизинде көмүртек материалдарды колдонууда жогорку аткаруу үчүн маанилүү болуп саналат. Жогорку электр өткөргүчтүгү, чоң бетинин аянты жана катмарлар аралык түзүлүшү менен графен EDLCде колдонуу үчүн жагымдуу.
Псевдоконденсаторлордо, алар EDLCтерге салыштырмалуу жогорку сыйымдуулукту камсыз кылышса да, CMOS чипинин аз кубаттуулугу менен тыгыздыгы дагы эле чектелген. Бул тез электрондук кыймылды чектеген начар электр өткөрүмдүүлүк менен шартталган. Мындан тышкары, заряд/разряд процессин башкарган редокс процесси электроактивдүү материалдарга зыян келтириши мүмкүн. Графендин жогорку электр өткөрүмдүүлүгү жана анын мыкты механикалык бекемдиги аны псевдоконденсаторлордо материал катары колдонууга ылайыктуу кылат.
Графендеги адсорбцияны изилдөөлөр ал негизинен чоң тешикчелерге жетүү мүмкүнчүлүгү бар графен барактарынын бетинде пайда болоорун көрсөттү (б.а. катмарлар аралык структурасы электролит иондоруна оңой жетүүгө мүмкүндүк берген көзөнөктүү). Ошентип, жакшыраак иштөө үчүн көзөнөктүү эмес графен агломерациясынан оолак болуу керек. Функционалдык топко кошуу, электр өткөргүч полимерлер менен гибриддештирүү жана графен/оксиддик композиттерди түзүү аркылуу иштин майнаптуулугун андан ары жакшыртууга болот.металл.
Конденсаторлорду салыштыруу
Суперкапкалар кыска мөөнөттүү кубатка муктаждыктарды канааттандыруу үчүн тез кубаттоо талап кылынганда идеалдуу. Гибриддик аккумулятор эки муктаждыкты канааттандырат жана чыңалууну төмөндөтөт. Төмөнкү таблица конденсаторлордогу мүнөздөмөлөрдү жана негизги материалдарды салыштырууну көрсөтөт.
| Эки кабаттуу электр конденсатор, ионистордун белгиси | Алюминий электролиттик конденсатор | Ni-cd батарея | Коргошун менен жабылган батарея | |
| Температура диапазонун колдонуу | -25 – 70°C | -55 – 125 °C | -20 – 60 °C | -40 – 60 °C |
| Электроддор | Активдештирилген көмүр | Алюминий | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Электролиттик суюктук | Органикалык эриткич | Органикалык эриткич | KOH |
H2SO4 |
| Электр кыймылдаткыч күчү ыкмасы | Табигый электрдик кош катмар эффектин диэлектрик катары колдонуу | Алюминий оксидин диэлектрик катары колдонуу | Химиялык реакцияны колдонуу | Химиялык реакцияны колдонуу |
| Булгануу | Жок | Жок | CD | Pb |
| Заряддоо/разряд циклдарынын саны | > 100 000 жолу | > 100 000 жолу | 500 жолу | 200 – 1000 жолу |
| Көлөм бирдигинин кубаттуулугу | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Заряддоо мүнөздөмөсү
Заряддоо убактысы 1-10 секунд. Баштапкы зарядды абдан тез бүтүрсө болот жана жогорку заряддоо үчүн кошумча убакыт талап кылынат. Бош суперконденсаторду кубаттоодо кириш тогун чектөөнү эске алуу керек, анткени ал мүмкүн болушунча көп тартат. Суперконденсатор кайра заряддоого болбойт жана толук зарядды аныктоону талап кылбайт, ток толгондо жөн эле агып кетпейт. Унаа үчүн супер заряддагыч менен Li-ionдун өндүрүмдүүлүгүн салыштыруу.
| Функция | Ионистор | Li-Ion (жалпы) |
| Заряддоо убактысы | 1-10 секунд | 10-60 мүнөт |
| Жашоо циклин көрүү | 1 миллион же 30 000 | 500 жана андан жогору |
| Voltage | 2, 3тен 2, 75ке чейинB | 3, 6 B |
| Өзгөчө энергия (Вт/кг) | 5 (типтик) | 120-240 |
| Өзгөчө кубаттуулук (Вт/кг) | 10000ге чейин | 1000-3000 |
| Бир кВт сааттын баасы | 10 000$ | 250-1000 $ |
| Өмүр | 10-15 жаш | 5 жаштан 10 жашка чейин |
| Заряддоо температурасы | -40 – 65°C | 0 – 45 °C |
| Чыгуу температурасы | -40 – 65°C | -20 – 60°C |
Түзмөктөрдү заряддоонун артыкчылыктары
Унааларга ылдамдатуу үчүн кошумча энергия керектелет жана бул жерде супер заряддагычтар пайда болот. Алардын жалпы заряддын чеги бар, бирок алар аны абдан тез өткөрүп алышат, бул аларды идеалдуу батарейкага айландырат. Алардын салттуу батарейкалардан артыкчылыктары:
- Төмөн импеданс (ESR) батарейкага параллелдүү туташканда, токту жана жүктү жогорулатат.
- Өтө жогорку цикл - разряд миллисекунддан мүнөткө чейин созулат.
- Суперконденсатору жок батарейка менен иштеген түзмөккө салыштырмалуу чыңалуу төмөндөдү.
- Жогорку эффективдүүлүк 97-98% жана DC-DC эффективдүүлүгү эки багытта тең 80%-95% түзөт, мисалыионисторлору бар видео жазгыч.
- Гибриддик электр унаасында айланма жолдун эффективдүүлүгү аккумулятордукунан 10% жогору.
- Абдан кеңири температура диапазонунда жакшы иштейт, адатта -40 Cдан +70 Cге чейин, бирок -50 Cден +85 Cге чейин болушу мүмкүн, атайын версиялары 125 Cге чейин жеткиликтүү.
- Заряддоо жана кубаттоо учурунда аз өлчөмдө жылуулук пайда болот.
- Техникалык тейлөөгө чыгымдарды азайтып, жогорку ишенимдүүлүк менен узак цикл мөөнөтү.
- Жүз миңдеген циклдердин ичинде бир аз деградация жана 20 миллион циклге чейин созулат.
- Алар 10 жылдан кийин кубаттуулугун 20% жоготпойт жана 20 жыл же андан көп өмүр сүрүшөт.
- Эсүүгө жана эскирүүгө туруктуу.
- Батареялар сыяктуу терең разрядга таасирин тийгизбейт.
- Батареяларга салыштырмалуу коопсуздук жогорулатылган - ашыкча заряддоо же жарылуу коркунучу жок.
- Көптөгөн батарейкалардан айырмаланып, колдонуу мөөнөтү аяктагандан кийин утилдештириле турган коркунучтуу материалдарды камтыбайт.
- Айлана-чөйрөнү коргоо стандарттарына туура келет, ошондуктан эч кандай татаал утилдештирүү же кайра иштетүү болбойт.
Бастоо технологиясы
Суперконденсатор ортосунда электролит катмары бар графендин эки катмарынан турат. Плёнка күчтүү, өтө жука жана кыска убакыттын ичинде чоң көлөмдөгү энергияны бөлүп чыгарууга жөндөмдүү, бирок ошого карабастан, бул багытта технологиялык прогрессти артка тартып жаткан айрым чечилбеген көйгөйлөр бар. Суперконденсатордун кайра заряддалуучу батареяларга караганда кемчиликтери:
- Энергиянын тыгыздыгы төмөн - адаттаэлектрохимиялык батареянын энергиясынын 1/5тен 1/10уна чейин алат.
- Линиялык разряд - толук энергия спектрин колдонбоо, колдонууга жараша, бардык энергия жеткиликтүү эмес.
- Батареялардагыдай эле, клеткалар төмөн чыңалуу, сериялык туташуулар жана чыңалууну теңдөө талап кылынат.
- Өзүнөн-өзү разряд көбүнчө батареяларга караганда жогору.
- Чыңалуу сакталган энергияга жараша өзгөрөт - энергияны эффективдүү сактоо жана калыбына келтирүү үчүн татаал электрондук башкаруу жана коммутациялык жабдуулар керек.
- Баардык типтеги конденсаторлордун ичинен эң жогорку диэлектрикти сиңирүү.
- Жогорку колдонуу температурасы адатта 70 C же андан аз жана сейрек 85 C ашат.
- Көбүнчө суюк электролит камтылат, ал кокусунан тез разряддын алдын алуу үчүн зарыл болгон өлчөмдө азайтат.
- Бир ватт үчүн электр энергиясынын баасы жогору.
Гибриддик сактагыч
Жаңы түзүлүштөгү конденсатор модулдарын өндүрүү үчүн күч электроникасынын атайын дизайны жана камтылган технологиясы иштелип чыккан. Алардын модулдары жаңы технологияларды колдонуу менен өндүрүлүшү керек болгондуктан, алар чатыр, эшиктер жана багаждын капкагы сыяктуу унаанын кузовунун панелдерине бириктирилиши мүмкүн. Кошумчалай кетсек, энергияны сактоо жана түзмөк системаларында энергиянын жоготууларын жана энергияны тең салмактоо схемаларынын өлчөмүн азайтуучу жаңы энергия теңдештирүүчү технологиялар ойлоп табылган.
Ошондой эле заряддоону көзөмөлдөө жана сыяктуу бир катар тиешелүү технологиялар иштелип чыкканразряддоо, ошондой эле башка энергия сактоо системалары менен байланыштар. 150F номиналдуу кубаттуулугу менен суперконденсатор модулу, 50V номиналдык чыңалуу 0,5 чарчы метр бетинин аянты менен жалпак жана ийри беттерге жайгаштырылышы мүмкүн. м жана 4 см калың. Колдонмолор электр унааларына тиешелүү жана унаанын ар кандай бөлүктөрүнө жана энергияны сактоо тутумдары талап кылынган башка учурларда бириктирилиши мүмкүн.
Колдонуу жана перспективалар
АКШда, Россияда, Кытайда тартма аккумулятору жок автобустар бар, бардык жумуштарды ионисторлор аткарышат. General Electric кээ бир ракеталарда, оюнчуктарда жана электр шаймандарында болуп өткөндөй, батарейканы алмаштыруу үчүн суперконденсатор менен жүк ташуучу унааны иштеп чыкты. Сыноолор көрсөткөндөй, суперконденсаторлор шамал турбиналарындагы коргошун-кислота аккумуляторлорунан ашып кетет, бул суперконденсаторлордун энергия тыгыздыгы коргошун-кислота батареяларына жакындабай туруп жетишилген.
Азыр суперконденсаторлор коргошун-кислота батарейкаларын жакынкы бир нече жыл ичинде көмөрү айкын, бирок бул окуянын бир гана бөлүгү, анткени алар атаандаштыкка караганда тезирээк жакшырып жатышат. Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments жана Skeleton Technologies сыяктуу камсыздоочулар суперконденсаторлору жана супербатареялары менен коргошун-кислота аккумуляторлорунун энергия тыгыздыгынан ашып кеткенин айтышты, алардын айрымдары теориялык жактан литий иондорунун энергия тыгыздыгына дал келет.
Бирок, электр унаасындагы ионистор электроника менен электротехниканын аспектилеринин бири болуп саналат.пресса, инвесторлор, потенциалдуу жеткирүүчүлөр жана көп миллиарддаган долларлык рыноктун тез өсүшүнө карабастан, эски технология менен жашаган көптөгөн адамдар тарабынан көңүл бурулбайт. Мисалы, кургактагы, суудагы жана абадагы унаалар үчүн, суперконденсаторлорду бир нече өндүрүүчүлөргө салыштырмалуу, тартуу кыймылдаткычтарынын 200гө жакын негизги өндүрүүчүлөрү жана тартуучу батареялардын 110 негизги берүүчүлөрү бар. Жалпысынан дүйнөдө 66дан ашык ири ионистор өндүрүүчүлөр жок, алардын көпчүлүгү өндүрүшүн керектөөчү электроника үчүн жеңилирээк моделдерге багытташкан.
