Ионистор – екі қабатты электрохимиялық конденсаторлар немесе суперконденсаторлар. Олардың металл электродтары әдеттегідей кокос қабығынан жасалған, бірақ көбінесе көміртекті аэрогельден, басқа нанокөміртекті немесе графен нанотүтіктерінен жасалған жоғары кеуекті белсендірілген көмірмен қапталған. Бұл электродтардың арасында электродтарды бір-бірінен алшақ ұстайтын кеуекті сепаратор бар, спиральға орау кезінде мұның барлығы электролитпен сіңдірілген. Ионистордың кейбір инновациялық формаларында қатты электролит бар. Олар жүк көліктеріне дейін үздіксіз қуат көздеріндегі дәстүрлі аккумуляторларды ауыстырады, мұнда олар қуат көзі ретінде супер зарядтағышты пайдаланады.
Жұмыс принципі
Ионистор көмір мен электролит арасындағы интерфейсте пайда болған қос қабат әрекетін пайдаланады. Қатты күйде электрод ретінде белсендірілген көмір, сұйық күйде электролит ретінде қолданылады. Бұл материалдар бір-бірімен жанасқанда, оң және теріс полюстер бір-біріне қатысты тараладыөте қысқа қашықтық. Электр өрісін қолданғанда негізгі құрылым ретінде электролиттік сұйықтықтағы көміртегінің бетіне жақын жерде пайда болатын қос электрлік қабат пайдаланылады.
Дизайн артықшылығы:
- Шағын құрылғыдағы сыйымдылықты қамтамасыз етеді, аса зарядталған құрылғыларда зарядсыздану кезінде басқару үшін арнайы зарядтау тізбектерін қажет етпейді.
- Қайта зарядтау немесе шамадан тыс зарядтау әдеттегі батареялардағыдай батареяның қызмет ету мерзіміне кері әсер етпейді.
- Технология экология тұрғысынан өте «таза».
- Қалыпты батареялар сияқты тұрақсыз контактілерде ақаулар жоқ.
Дизайн кемшіліктері:
- Жұмыс ұзақтығы суперконденсаторды пайдаланатын құрылғыларда электролит қолданылуына байланысты шектелген.
- Егер конденсаторға дұрыс күтім жасалмаса, электролит ағып кетуі мүмкін.
- Алюминий конденсаторларымен салыстырғанда бұл конденсаторлардың кедергілері жоғары, сондықтан айнымалы ток тізбектерінде қолдануға болмайды.
Жоғарыда сипатталған артықшылықтарды пайдалана отырып, электр конденсаторлары келесідей қолданбаларда кеңінен қолданылады:
- Таймерлерге, бағдарламаларға, электрондық мобильді қуатқа және т.б. үшін жад сақталады.
- Бейне және аудиожабдық.
- Тасымалданатын электрондық жабдықтың батареяларын ауыстыру кезіндегі сақтық көшірме көздері.
- Сағаттар мен индикаторлар сияқты күннен қуат алатын жабдыққа арналған қуат көздері.
- Шағын және мобильді қозғалтқыштарға арналған стартер.
Тотығу-тотықсыздану реакциялары
Заряд аккумуляторы электрод пен электролит арасындағы интерфейсте орналасқан. Зарядтау процесі кезінде электрондар теріс электродтан оң электродқа сыртқы контур бойымен қозғалады. Разряд кезінде электрондар мен иондар қарама-қарсы бағытта қозғалады. EDLC суперконденсаторында зарядты тасымалдау жоқ. Суперконденсатордың бұл түрінде электродта тотығу-тотықсыздану реакциясы жүреді, ол зарядтарды тудырады және ионистор қолданылатын конструкцияның қос қабаттары арқылы зарядты тасымалдайды.
Осы түрдегі тотығу-тотықсыздану реакциясының арқасында EDLC-ге қарағанда қуат тығыздығы төмен болуы мүмкін, себебі Фарадалық жүйелер фарадалық емес жүйелерге қарағанда баяуырақ. Жалпы ереже бойынша псевдокапакторлар фарадей жүйесіне жататындықтан EDLC-ге қарағанда жоғары меншікті сыйымдылықты және энергия тығыздығын қамтамасыз етеді. Дегенмен, суперконденсаторды дұрыс таңдау қолданбаға және қолжетімділікке байланысты.
Графен негізіндегі материалдар
Суперконденсатор жылдам зарядтау мүмкіндігімен сипатталады, әдеттегі аккумуляторға қарағанда әлдеқайда жылдам, бірақ ол батарея сияқты көп энергияны сақтай алмайды, өйткені оның энергия тығыздығы төмен. Олардың тиімділігін арттыруға графен мен көміртекті нанотүтіктерді қолдану арқылы қол жеткізіледі. Олар болашақта ионисторларға электрохимиялық батареяларды толығымен ауыстыруға көмектеседі. Нанотехнология бүгінде көптің көзі болып табыладыинновациялар, әсіресе электрондық ұялы телефондар.
Графен суперконденсаторлардың сыйымдылығын арттырады. Бұл революциялық материал қалыңдығы көміртегі атомының қалыңдығымен шектелуі мүмкін және атом құрылымы өте тығыз болатын парақтардан тұрады. Мұндай сипаттамалар электроникадағы кремнийді алмастыра алады. Екі электрод арасына кеуекті сепаратор орналастырылған. Дегенмен, сақтау механизміндегі өзгерістер және электрод материалын таңдау сыйымдылығы жоғары суперконденсаторлардың әртүрлі жіктелуіне әкеледі:
- Көбінесе жоғары көміртекті электродтарды пайдаланатын және электрод/электролит интерфейсіндегі иондарды жылдам адсорбциялау арқылы энергиясын сақтайтын екі қабатты электрохимиялық конденсаторлар (EDLC).
- Псуэдо-конденсаторлар электрод бетінде немесе оның жанында зарядты тасымалдаудың фагиялық процесіне негізделген. Бұл жағдайда өткізгіш полимерлер мен өтпелі металл оксидтері батареямен жұмыс істейтін электронды сағаттардағылар сияқты электрохимиялық белсенді материалдар болып қалады.
Икемді полимер құрылғылар
Суперконденсатор электрохимиялық зарядтың қос қабаттарын қалыптастыру немесе беттік тотығу-тотықсыздану реакциялары арқылы энергияны жоғары жылдамдықпен алады және сақтайды, нәтижесінде ұзақ мерзімді циклдік тұрақтылықпен, төмен бағамен және қоршаған ортаны қорғаумен жоғары қуат тығыздығы пайда болады. PDMS және PET икемді суперконденсаторларды іске асыруда ең жиі қолданылатын субстраттар болып табылады. Фильм жағдайында PDMS икемді және жасай алады10 000 икемді циклден кейін жоғары циклдік тұрақтылығы бар сағаттардағы мөлдір жұқа пленка ионисторлары.
Бір қабырғалы көміртекті нанотүтіктерді механикалық, электронды және термиялық тұрақтылықты одан әрі жақсарту үшін PDMS пленкасына қосымша қосуға болады. Сол сияқты, графен және CNT сияқты өткізгіш материалдар жоғары икемділік пен электр өткізгіштікке қол жеткізу үшін PET пленкасымен қапталған. PDMS және PET-тен басқа, басқа полимерлі материалдар да өсіп келе жатқан қызығушылықты тудырады және әртүрлі әдістермен синтезделеді. Мысалы, локализацияланған импульстік лазерлік сәулелену бастапқы бетті көрсетілген графикасы бар электр өткізгіш кеуекті көміртекті құрылымға жылдам түрлендіру үшін қолданылған.
Ағаш талшығы мен қағаздан жасалған тоқыма емес материалдар сияқты табиғи полимерлер де икемді және жеңіл субстраттар ретінде пайдаланылуы мүмкін. CNT икемді CNT қағаз электродты қалыптастыру үшін қағазға қойылады. Қағаз субстратының жоғары икемділігіне және CNT жақсы таралуына байланысты 4,5 мм иілу радиусында 100 цикл бойы иілуден кейін меншікті сыйымдылық пен қуат пен энергия тығыздығы 5%-дан аз өзгереді. Бұған қоса, жоғары механикалық беріктік пен жақсы химиялық тұрақтылыққа байланысты бактериалды наноцеллюлоза қағаздары Walkman кассеталық ойнатқышы сияқты икемді суперконденсаторларды жасау үшін де пайдаланылады.
Суперконденсатор өнімділігі
Ол терминдермен анықталадыэлектрохимиялық белсенділік және химиялық кинетикалық қасиеттер, атап айтқанда: электродтар ішіндегі электрон және ион кинетикасы (тасымалдау) және электродқа/электролитке зарядтың өту жылдамдығының тиімділігі. EDLC негізіндегі көміртекті материалдарды пайдаланған кезде жоғары өнімділік үшін арнайы бетінің ауданы, электр өткізгіштігі, кеуектер өлшемі және айырмашылықтары маңызды. Жоғары электр өткізгіштігімен, үлкен бетінің ауданымен және қабат аралық құрылымымен графен EDLC-де пайдалану үшін тартымды.
Псевдоконденсаторлар жағдайында, олар EDLC-мен салыстырғанда жоғары сыйымдылықты қамтамасыз еткенімен, CMOS чипінің төмен қуатымен тығыздығы әлі де шектеледі. Бұл жылдам электронды қозғалысты шектейтін нашар электр өткізгіштікке байланысты. Сонымен қатар, зарядтау/разряд процесін басқаратын тотығу-тотықсыздану процесі электроактивті материалдарды зақымдауы мүмкін. Графеннің жоғары электр өткізгіштігі және оның тамаша механикалық беріктігі оны псевдоконденсаторлардағы материал ретінде жарамды етеді.
Графендегі адсорбцияны зерттеу оның негізінен үлкен кеуектерге қол жеткізуі бар графен парақтарының бетінде болатынын көрсетті (яғни, қабат аралық құрылымы кеуекті, электролит иондарына оңай қол жеткізуге мүмкіндік береді). Осылайша, жақсы өнімділік үшін кеуекті емес графен агломерациясынан аулақ болу керек. Өнімділікті функционалдық топты қосу арқылы бетті модификациялау, электр өткізгіш полимерлермен будандастыру және графен/оксид композиттерін қалыптастыру арқылы одан әрі жақсартуға болады.металл.
Конденсаторды салыстыру
Суперқаптар қысқа мерзімді қуат қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін жылдам зарядтау қажет болғанда өте қолайлы. Гибридті батарея екі қажеттілікті де қанағаттандырады және ұзақ қызмет ету үшін кернеуді төмендетеді. Төмендегі кестеде конденсаторлардағы сипаттамалар мен негізгі материалдарды салыстыру көрсетілген.
| Екі қабатты электрлік конденсатор, ионистор белгісі | Алюминий электролиттік конденсатор | Ni-cd батарея | Қорғасынмен жабылған батарея | |
| Температура ауқымын пайдалану | -25 - 70°C | -55 - 125 °C | -20 - 60 °C | -40 - 60 °C |
| Электроттар | Активтендірілген көмір | Алюминий | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Электролиттік сұйықтық | Органикалық еріткіш | Органикалық еріткіш | KOH |
H2SO4 |
| Электр қозғаушы күш әдісі | Табиғи электрлік қос қабатты эффектті диэлектрик ретінде пайдалану | Алюминий оксидін диэлектрик ретінде пайдалану | Химиялық реакцияны қолдану | Химиялық реакцияны қолдану |
| Ластану | Жоқ | Жоқ | CD | Pb |
| Зарядтау/разряд циклдерінің саны | > 100 000 рет | > 100 000 рет | 500 рет | 200-1000 рет |
| Дыбыс бірлігіне арналған сыйымдылық | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Зарядтау сипаттамасы
Зарядтау уақыты 1-10 секунд. Бастапқы зарядтау өте жылдам аяқталуы мүмкін және жоғарғы зарядтау қосымша уақытты алады. Бос суперконденсаторды зарядтау кезінде бастапқы токты шектеуді қарастыру керек, өйткені ол мүмкіндігінше көп тартады. Суперконденсатор қайта зарядталмайды және толық зарядты анықтауды қажет етпейді, ток толған кезде жай ғана ағуды тоқтатады. Көлікке арналған супер зарядтағыш пен литий-ионды өнімділікті салыстыру.
| Функция | Ионистор | Li-Ion (жалпы) |
| Зарядтау уақыты | 1-10 секунд | 10-60 минут |
| Өмірлік циклді көру | 1 миллион немесе 30 000 | 500 және одан жоғары |
| Кернеу | 2, 3-тен 2, 75-ке дейінB | 3, 6 B |
| Меншікті энергия (Вт/кг) | 5 (әдеттегі) | 120-240 |
| Меншікті қуат (Вт/кг) | 10000 дейін | 1000-3000 |
| Бір кВтсағ құны | 10 000$ | 250-1000 $ |
| Өмір бойы | 10-15 жас | 5 пен 10 жас |
| Зарядтау температурасы | -40 - 65°C | 0 - 45 °C |
| Тауар температурасы | -40 - 65°C | -20 - 60°C |
Зарядтау құрылғыларының артықшылықтары
Көліктер жылдамдату үшін қосымша қуат алуды қажет етеді және супер зарядтағыштар дәл осы жерде пайда болады. Оларда жалпы зарядта шектеу бар, бірақ олар оны өте жылдам тасымалдай алады, бұл оларды тамаша батареялар етеді. Олардың дәстүрлі батареялардан артықшылығы:
- Төмен кедергі (ESR) аккумуляторға параллель жалғанған кезде асқын ток және жүктемені арттырады.
- Өте жоғары цикл - разряд миллисекунд пен минутқа созылады.
- Суперконденсаторы жоқ аккумулятормен жұмыс істейтін құрылғымен салыстырғанда кернеудің төмендеуі.
- Жоғары тиімділік 97-98% және екі бағытта тұрақты тұрақты ток тиімділігі көптеген қолданбаларда 80%-95% құрайды, мысалыионисторлары бар бейнемагнитофон.
- Гибридті электр көлікте айналма жолдың тиімділігі батареяға қарағанда 10% жоғары.
- Өте кең температура диапазонында жақсы жұмыс істейді, әдетте -40 C пен +70 C, бірақ -50 C пен +85 C аралығында болуы мүмкін, арнайы нұсқалары 125 C дейін қолжетімді.
- Зарядтау және разрядтау кезінде түзілетін жылудың аз мөлшері.
- Қызмет көрсету шығындарын азайтатын жоғары сенімділікпен ұзақ цикл мерзімі.
- Жүздеген мың циклден астам және 20 миллион циклге дейін созылатын шамалы нашарлау.
- Олар 10 жылдан кейін сыйымдылықтарының 20%-дан аспайды және 20 жыл немесе одан да көп қызмет ету мерзіміне ие.
- Тозуға және тозуға төзімді.
- Батареялар сияқты терең разрядтарға әсер етпейді.
- Батареялармен салыстырғанда қауіпсіздік жоғарылатылды - шамадан тыс зарядтау немесе жарылыс қаупі жоқ.
- Құрамында көптеген батареяларға қарағанда, пайдалану мерзімі аяқталғаннан кейін жоюға болатын қауіпті материалдар жоқ.
- Қоршаған ортаны қорғау стандарттарына сәйкес келеді, сондықтан қоқысқа тастау немесе қайта өңдеу қиын болмайды.
Ұстау технологиясы
Суперконденсатор ортасында электролит қабаты бар графеннің екі қабатынан тұрады. Пленка күшті, өте жұқа және аз уақыт ішінде үлкен энергияны шығаруға қабілетті, бірақ соған қарамастан, бұл бағытта технологиялық прогресті тежейтін белгілі бір шешілмеген мәселелер бар. Қайта зарядталатын батареяларға қарағанда суперконденсатордың кемшіліктері:
- Энергия тығыздығы төмен - әдеттеэлектрохимиялық батарея энергиясының 1/5 пен 1/10 бөлігін алады.
- Желілік разряд - толық қуат спектрін пайдаланбау, қолданбаға байланысты барлық қуат қолжетімді емес.
- Батареялардағы сияқты ұяшықтар төмен кернеу, сериялық қосылымдар және кернеуді теңестіру қажет.
- Өздігінен разряд көбінесе батареялардан жоғары.
- Кернеу сақталған энергияға байланысты өзгереді - энергияны тиімді сақтау және қалпына келтіру күрделі электронды басқару және коммутациялық жабдықты қажет етеді.
- Конденсаторлардың барлық түрлерінің ішіндегі ең жоғары диэлектрлік сіңіру қабілетіне ие.
- Жоғарғы пайдалану температурасы әдетте 70 C немесе одан төмен және сирек 85 C-тан асады.
- Көпшілігінде абайсызда жылдам ағудың алдын алу үшін қажетті өлшемді азайтатын сұйық электролит бар.
- Бір ватт электр энергиясының жоғары құны.
Гибридті жад
Жаңа құрылымы бар конденсаторлық модульдерді шығару үшін қуат электроникасының арнайы дизайны мен енгізілген технологиясы әзірленді. Олардың модульдері жаңа технологияларды қолдану арқылы жасалуы керек болғандықтан, оларды шатыр, есіктер және жүксалғыш қақпағы сияқты автомобиль корпусының панельдеріне біріктіруге болады. Сонымен қатар, энергияны сақтау және құрылғы жүйелеріндегі энергия жоғалтуларын және энергияны теңестіру схемаларының өлшемін азайтатын жаңа энергия теңдестіру технологиялары ойлап табылды.
Зарядтауды басқару және сияқты бірқатар байланысты технологиялар да әзірлендіразрядтау, сондай-ақ басқа энергия сақтау жүйелеріне қосылу. Номиналды сыйымдылығы 150F, номиналды кернеуі 50В суперконденсатор модулін беті 0,5 шаршы метр тегіс және қисық беттерге орналастыруға болады. м және қалыңдығы 4 см. Қолданбалар электрлік көліктерге қолданылады және көліктің әртүрлі бөліктерімен және энергия сақтау жүйелері қажет басқа жағдайларда біріктірілуі мүмкін.
Қолдану және перспективалар
АҚШ-та, Ресейде, Қытайда тартқыш батареялары жоқ автобустар бар, барлық жұмысты ионисторлар жасайды. General Electric кейбір зымырандарда, ойыншықтарда және электр құралдарында болған жағдайға ұқсас аккумуляторды ауыстыру үшін суперконденсаторы бар пикап жасады. Сынақтар суперконденсаторлардың жел турбиналарында қорғасын-қышқылды аккумуляторлардан жоғары екенін көрсетті, бұл суперконденсатордың энергия тығыздығы қорғасын-қышқылды аккумуляторларға жақындамай-ақ қол жеткізілді.
Енді суперконденсаторлар алдағы бірнеше жылда қорғасын-қышқылды аккумуляторларды көметіні анық, бірақ бұл оқиғаның бір бөлігі ғана, өйткені олар бәсекелестерге қарағанда тезірек жақсаруда. Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments және Skeleton Technologies сияқты жеткізушілер суперконденсаторлары мен супербактериялары арқылы қорғасын-қышқылды аккумуляторлардың энергия тығыздығынан асып түсетінін айтты, олардың кейбіреулері теориялық тұрғыдан литий иондарының энергия тығыздығына сәйкес келеді.
Алайда, электрлік көліктегі ионистор электроника мен электротехниканың аспектілерінің бірі болып табылады.баспасөз, инвесторлар, әлеуетті жеткізушілер және көп миллиардтық нарықтың қарқынды өсуіне қарамастан, ескі технологиямен өмір сүретін көптеген адамдар елемейді. Мысалы, жердегі, судағы және әуе көліктері үшін суперконденсаторлардың бірнеше өндірушілерімен салыстырғанда тартым қозғалтқыштарының 200-ге жуық негізгі өндірушілері және тартым батареяларының 110 негізгі жеткізушілері бар. Жалпы, әлемде 66-дан астам ірі ионистор өндірушілері жоқ, олардың көпшілігі өз өндірісін тұрмыстық электроникаға арналған жеңілірек үлгілерге бағыттаған.
