Jonistor är elektrokemiska kondensatorer eller superkondensatorer med dubbla lager. Deras metallelektroder är belagda med mycket poröst aktivt kol, traditionellt tillverkat av kokosnötskal, men oftast av kolaerogel, andra nanokol eller grafennanorör. Mellan dessa elektroder finns en porös separator som håller isär elektroderna, när de lindas på en spiral är allt detta impregnerat med elektrolyt. Vissa innovativa former av jonistor har en fast elektrolyt. De ersätter traditionella batterier i avbrottsfri strömförsörjning upp till lastbilar, där de använder en kompressor som strömkälla.
Arbetsprincip
Jonistorn använder verkan av ett dubbelskikt som bildas vid gränsytan mellan kol och elektrolyt. Aktivt kol används som elektrod i fast form och elektrolyt i flytande form. När dessa material är i kontakt med varandra fördelas de positiva och negativa polerna i förhållande till varandra avmycket kort avstånd. När ett elektriskt fält appliceras används det elektriska dubbelskiktet som bildas nära ytan av kolet i den elektrolytiska vätskan som huvudstruktur.
Designfördel:
- Tillhandahåller kapacitans i en liten enhet, inget behov av speciella laddningskretsar för att styra under urladdning i överladdade enheter.
- Återladdning eller överurladdning påverkar inte batteriets livslängd negativt som med vanliga batterier.
- Teknik är extremt "ren" när det gäller ekologi.
- Inga problem med instabila kontakter som vanliga batterier.
Designfel:
- Driften är begränsad på grund av användningen av elektrolyt i enheter som använder en superkondensator.
- Elektrolyt kan läcka om kondensatorn inte underhålls på rätt sätt.
- Jämfört med aluminiumkondensatorer har dessa kondensatorer höga resistanser och kan därför inte användas i AC-kretsar.
Med de fördelar som beskrivs ovan används elektriska kondensatorer i stor utsträckning i applikationer som:
- Reservera minne för timers, program, e-mobilström, etc.
- Video- och ljudutrustning.
- Säkerhetskopieringskällor vid byte av batterier för bärbar elektronisk utrustning.
- Strömförsörjning för soldriven utrustning såsom klockor och indikatorer.
- Starter för små och mobila motorer.
Redox-reaktioner
Laddningsackumulatorn är placerad vid gränssnittet mellan elektroden och elektrolyten. Under laddningsprocessen rör sig elektroner från den negativa elektroden till den positiva elektroden längs den yttre kretsen. Under urladdning rör sig elektroner och joner i motsatt riktning. Det finns ingen laddningsöverföring i en EDLC-superkondensator. I denna typ av superkondensator sker en redoxreaktion vid elektroden, som genererar laddningar och för laddningen genom konstruktionens dubbla skikt, där en jonistor används.
På grund av redoxreaktionen som inträffar i denna typ, finns det en potential för lägre effekttäthet än EDLC eftersom Faradaic-system är långsammare än icke-faradaiska system. Som en allmän regel ger pseudokapaktorer högre specifik kapacitans och energitäthet än EDLC på grund av det faktum att de är av faraday-systemet. Men det korrekta valet av superkondensator beror på applikationen och tillgängligheten.
Grafenbaserade material
Superkondensatorn kännetecknas av förmågan att snabbt ladda, mycket snabbare än ett traditionellt batteri, men den kan inte lagra lika mycket energi som ett batteri eftersom den har lägre energitäthet. Deras effektivitetsökning uppnås genom användning av grafen och kolnanorör. De kommer i framtiden att hjälpa jonistorer att helt ersätta elektrokemiska batterier. Nanoteknik idag är källan till mångainnovationer, särskilt inom e-mobiler.
Graphene ökar kapacitansen för superkondensatorer. Detta revolutionerande material består av ark vars tjocklek kan begränsas av kolatomens tjocklek och vars atomstruktur är ultratät. Sådana egenskaper kan ersätta kisel i elektronik. En porös separator placeras mellan två elektroder. Variationer i lagringsmekanismen och valet av elektrodmaterial leder dock till olika klassificeringar av superkondensatorer med hög kapacitet:
- Electrochemical Double Layer Capacitors (EDLC), som mestadels använder elektroder med hög kolh alt och lagrar sin energi genom att snabbt adsorbera joner vid gränssnittet elektrod/elektrolyt.
- Psuedo-kondensatorer är baserade på den fagiska processen för laddningsöverföring vid eller nära elektrodytan. I det här fallet förblir ledande polymerer och övergångsmetalloxider elektrokemiskt aktiva material, såsom de som finns i batteridrivna elektroniska klockor.
Flexibla polymerenheter
Superkondensatorn vinner och lagrar energi i hög hastighet genom att bilda dubbla elektrokemiska laddningar eller genom ytredoxreaktioner, vilket resulterar i hög effekttäthet med långvarig cyklisk stabilitet, låg kostnad och miljöskydd. PDMS och PET är de mest använda substraten vid implementering av flexibla superkondensatorer. När det gäller film kan PDMS skapa flexibla ochtransparenta tunnfilmjonistorer i klockor med hög cyklisk stabilitet efter 10 000 flexcykler.
Enväggiga kolnanorör kan införlivas ytterligare i PDMS-filmen för att ytterligare förbättra mekanisk, elektronisk och termisk stabilitet. På liknande sätt är ledande material som grafen och CNT också belagda med PET-film för att uppnå både hög flexibilitet och elektrisk ledningsförmåga. Förutom PDMS och PET tilldrar sig även andra polymera material ett växande intresse och syntetiseras med olika metoder. Till exempel har lokaliserad pulsad laserstrålning använts för att snabbt omvandla den primära ytan till en elektriskt ledande porös kolstruktur med specificerad grafik.
Naturliga polymerer som träfiber och pappersfiberduk kan också användas som substrat, som är flexibla och lätta. CNT avsätts på papper för att bilda en flexibel CNT-papperselektrod. På grund av papperssubstratets höga flexibilitet och den goda fördelningen av CNT ändras den specifika kapacitansen och effekt- och energitätheten med mindre än 5 % efter böjning under 100 cykler vid en böjradie på 4,5 mm. Dessutom, på grund av högre mekanisk styrka och bättre kemisk stabilitet, används bakteriella nanocellulosapapper också för att tillverka flexibla superkondensatorer som walkman-kassettspelaren.
Supercapacitor performance
Det definieras i termer avelektrokemisk aktivitet och kemiska kinetiska egenskaper, nämligen: elektron- och jonkinetik (transport) inuti elektroderna och effektiviteten av hastigheten för laddningsöverföring till elektroden/elektrolyten. Specifik yta, elektrisk ledningsförmåga, porstorlek och skillnader är viktiga för hög prestanda vid användning av EDLC-baserade kolmaterial. Grafen, med sin höga elektriska ledningsförmåga, stora ytarea och mellanskiktsstruktur, är attraktiv för användning i EDLC.
I fallet med pseudokondensatorer, även om de ger överlägsen kapacitans jämfört med EDLC, är de fortfarande begränsade i densitet av den låga effekten hos CMOS-chippet. Detta beror på dålig elektrisk ledningsförmåga, vilket begränsar snabb elektronisk rörelse. Dessutom kan redoxprocessen som driver laddnings-/urladdningsprocessen skada elektroaktiva material. Den höga elektriska ledningsförmågan hos grafen och dess utmärkta mekaniska styrka gör den lämplig som material i pseudokondensatorer.
Studier av adsorption på grafen har visat att det förekommer huvudsakligen på ytan av grafenark med tillgång till stora porer (dvs. mellanskiktsstrukturen är porös, vilket ger enkel tillgång till elektrolytjoner). Således bör icke-porös grafenagglomerering undvikas för bättre prestanda. Prestandan kan förbättras ytterligare genom ytmodifiering genom tillägg av funktionella grupper, hybridisering med elektriskt ledande polymerer och genom bildning av grafen/oxidkompositermetall.
Kondensatorjämförelse
Supercaps är idealiska när snabbladdning krävs för att möta kortsiktiga strömbehov. Hybridbatteriet tillfredsställer båda behoven och sänker spänningen för längre livslängd. Tabellen nedan visar jämförelsen av egenskaper och huvudmaterial i kondensatorer.
| Elektrisk dubbelskiktskondensator, jonistbeteckning | Aluminiumelektrolytisk kondensator | Ni-cd-batteri | Blyförseglat batteri | |
| Använd temperaturintervall | -25 till 70°C | -55 till 125 °C | -20 till 60 °C | -40 till 60 °C |
| Elektroder | Aktivt kol | Aluminium | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Elektrolytisk vätska | organiskt lösningsmedel | organiskt lösningsmedel | KOH |
H2SO4 |
| elektromotorisk kraftmetod | Använder naturlig elektrisk dubbelskiktseffekt som dielektrikum | Användning av aluminiumoxid som dielektrikum | Att använda en kemisk reaktion | Att använda en kemisk reaktion |
| Föroreningar | No | No | CD | Pb |
| Antal laddnings-/urladdningscykler | > 100 000 gånger | > 100 000 gånger | 500 gånger | 200 till 1000 gånger |
| Kapacitet per volymenhet | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Laddningsegenskaper
Laddningstid 1-10 sekunder. Den initiala laddningen kan slutföras mycket snabbt och toppladdningen kommer att ta extra tid. Man bör överväga att begränsa startströmmen vid laddning av en tom superkondensator, eftersom den drar så mycket som möjligt. Superkondensatorn är inte uppladdningsbar och kräver ingen detektering av full laddning, strömmen slutar helt enkelt att flyta när den är full. Prestandajämförelse mellan kompressor för bil och Li-ion.
| Function | Ionistor | Li-Ion (allmänt) |
| Laddningstid | 1-10 sekunder | 10–60 minuter |
| Klockans livscykel | 1 miljon eller 30 000 | 500 och uppåt |
| Voltage | Från 2, 3 till 2, 75B | 3, 6 B |
| Specifik energi (W/kg) | 5 (typiskt) | 120-240 |
| Specifik effekt (W/kg) | Upp till 10 000 | 1000-3000 |
| Kostnad per kWh | $10 000 | 250-1 000 $ |
| Lifetime | 10-15 år | 5 till 10 år |
| Laddningstemperatur | -40 till 65°C | 0 till 45 °C |
| Utloppstemperatur | -40 till 65°C | -20 till 60°C |
Fördelar med laddningsenheter
Fordon behöver en extra energikick för att accelerera, och det är där superladdare kommer in. De har en gräns för den totala laddningen, men de kan överföra den mycket snabbt, vilket gör dem till idealiska batterier. Deras fördelar jämfört med traditionella batterier:
- Låg impedans (ESR) ökar överspänningsströmmen och belastningen när den är parallellkopplad med batteriet.
- Mycket hög cykel – urladdning tar millisekunder till minuter.
- Spänningsfall jämfört med batteridriven enhet utan superkondensator.
- Hög verkningsgrad på 97–98 %, och DC-DC-effektiviteten i båda riktningarna är 80–95 % i de flesta applikationer, som t.ex.videobandspelare med jonistorer.
- I ett elhybridfordon är effektiviteten i rondellen 10 % högre än för ett batteri.
- Fungerar över ett mycket brett temperaturområde, vanligtvis -40 C till +70 C, men kan vara från -50 C till +85 C, specialversioner tillgängliga upp till 125 C.
- Liten mängd värme som genereras under laddning och urladdning.
- Lång livslängd med hög tillförlitlighet, vilket minskar underhållskostnaderna.
- Lätt försämring över hundratusentals cykler och varar upp till 20 miljoner cykler.
- De förlorar inte mer än 20 % av sin kapacitet efter 10 år och har en livslängd på 20 år eller mer.
- Beständig mot slitage.
- Påverkar inte djupa urladdningar som batterier.
- Ökad säkerhet jämfört med batterier - ingen fara för överladdning eller explosion.
- Innehåller inga farliga material att kassera vid slutet av sin livslängd till skillnad från många batterier.
- Överensstämmer med miljöstandarder, så det finns ingen komplicerad kassering eller återvinning.
Restraint Technology
Superkondensatorn består av två lager grafen med ett elektrolytlager i mitten. Filmen är stark, extremt tunn och kapabel att frigöra en stor mängd energi på kort tid, men ändå finns det vissa olösta problem som håller tillbaka tekniska framsteg i denna riktning. Nackdelar med Supercapacitor jämfört med uppladdningsbara batterier:
- Låg energitäthet - vanligtvistar från 1/5 till 1/10 av energin hos ett elektrokemiskt batteri.
- Linjeurladdning - misslyckande med att använda hela energispektrumet, beroende på applikationen är inte all energi tillgänglig.
- Som med batterier har celler låg spänning, serieanslutningar och spänningsbalansering krävs.
- Självurladdning är ofta högre än batterier.
- Spänningen varierar med lagrad energi - effektiv lagring och återvinning av energi kräver sofistikerad elektronisk styr- och omkopplingsutrustning.
- Har den högsta dielektriska absorptionen av alla typer av kondensatorer.
- Den övre användningstemperaturen är vanligtvis 70 C eller lägre och överstiger sällan 85 C.
- De flesta innehåller en flytande elektrolyt som minskar storleken som behövs för att förhindra oavsiktlig snabb urladdning.
- Hög kostnad för el per watt.
Hybridlagring
Specialdesign och inbyggd teknik för kraftelektronik har utvecklats för att producera kondensatormoduler med ny struktur. Eftersom deras moduler måste tillverkas med hjälp av ny teknik, kan de integreras i bilkarosspaneler som taket, dörrarna och bagageluckan. Dessutom har nya energibalanseringstekniker uppfunnits som minskar energiförlusterna och storleken på energibalanseringskretsar i energilagrings- och enhetssystem.
En serie relaterade teknologier har också utvecklats, såsom laddningskontroll ochurladdning, samt anslutningar till andra energilagringssystem. En superkondensatormodul med en märkkapacitet på 150F, en märkspänning på 50V kan placeras på plana och krökta ytor med en yta på 0,5 kvadratmeter. m och 4 cm tjocka. Används för elfordon och kan integreras med olika delar av fordonet och andra fall där energilagringssystem krävs.
Ansökan och perspektiv
I USA, Ryssland och Kina finns bussar utan dragbatterier, allt arbete utförs av jonistorer. General Electric har utvecklat en pickup med en superkondensator för att ersätta batteriet, liknande det som har hänt i vissa raketer, leksaker och elverktyg. Tester har visat att superkondensatorer presterar bättre än blybatterier i vindturbiner, vilket uppnåddes utan att superkondensatorernas energitäthet närmade sig den hos blybatterier.
Det är nu klart att superkondensatorer kommer att gräva ner blybatterier under de närmaste åren, men det är bara en del av historien, eftersom de förbättras snabbare än konkurrenterna. Leverantörer som Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments och Skeleton Technologies har sagt att de överskrider energitätheten för blybatterier med sina superkondensatorer och superbugs, av vilka några teoretiskt matchar energitätheten hos litiumjoner.
Jonistorn i ett elfordon är dock en av de aspekter av elektronik och elteknik somignoreras av pressen, investerare, potentiella leverantörer och många människor som lever med gammal teknik, trots den snabba tillväxten på mångmiljardmarknaden. Till exempel för land-, vatten- och luftfordon finns det cirka 200 stora tillverkare av dragmotorer och 110 stora leverantörer av traktionsbatterier jämfört med ett fåtal tillverkare av superkondensatorer. Generellt sett finns det inte fler än 66 stora tillverkare av jonistorer i världen, varav de flesta har fokuserat sin produktion på lättare modeller för hemelektronik.
