İonistorlar ikiqat elektrokimyəvi kondansatörlər və ya superkondensatorlardır. Onların metal elektrodları yüksək məsaməli aktivləşdirilmiş karbonla örtülür, ənənəvi olaraq hindistan cevizi qabıqlarından hazırlanır, lakin əksər hallarda karbon aerojelindən, digər nanokarbon və ya qrafen nanoborucuqlarından hazırlanır. Bu elektrodlar arasında elektrodları bir-birindən ayıran məsaməli bir ayırıcı var, spiral üzərində sarıldığında bütün bunlar elektrolitlə hopdurulmuşdur. İonistorun bəzi yenilikçi formaları bərk elektrolitə malikdir. Onlar ənənəvi akkumulyatorları yük maşınlarına qədər fasiləsiz enerji təchizatı ilə əvəz edir, burada enerji mənbəyi kimi kompressordan istifadə edirlər.
İş prinsipi
İonistor kömür və elektrolit arasındakı interfeysdə əmələ gələn ikiqat təbəqənin təsirindən istifadə edir. Aktivləşdirilmiş karbon bərk formada elektrod, maye şəklində elektrolit kimi istifadə olunur. Bu materiallar bir-biri ilə təmasda olduqda müsbət və mənfi qütblər bir-birinə nisbətən paylanırçox qısa məsafə. Elektrik sahəsi tətbiq edilərkən əsas struktur kimi elektrolitik mayedə karbonun səthinə yaxın əmələ gələn ikiqat elektrik təbəqəsi istifadə olunur.
Dizayn üstünlüyü:
- Kiçik bir cihazda tutum təmin edir, həddindən artıq yüklənmiş cihazlarda boşalma zamanı nəzarət etmək üçün xüsusi doldurma dövrələrinə ehtiyac yoxdur.
- Yenidən doldurulması və ya həddindən artıq boşaldılması adi batareyalarda olduğu kimi batareyanın ömrünə mənfi təsir göstərmir.
- Texnologiya ekologiya baxımından son dərəcə "təmizdir".
- Normal batareyalar kimi qeyri-sabit kontaktlarda problem yoxdur.
Dizayn qüsurları:
- İşləmə müddəti superkondensatordan istifadə edən cihazlarda elektrolit istifadəsi səbəbindən məhduddur.
- Kondensator düzgün saxlanmazsa, elektrolit sıza bilər.
- Alüminium kondensatorlarla müqayisədə bu kondensatorlar yüksək müqavimətə malikdir və buna görə də AC dövrələrində istifadə edilə bilməz.
Yuxarıda təsvir edilən üstünlüklərdən istifadə edərək, elektrik kondansatörləri aşağıdakı kimi tətbiqlərdə geniş istifadə olunur:
- Taymerlər, proqramlar, e-mobil enerji və s. üçün yaddaş ehtiyatı saxlanılır.
- Video və audio avadanlığı.
- Daşınan elektron avadanlıq üçün batareyaları dəyişdirərkən ehtiyat mənbələr.
- Saat və göstəricilər kimi günəş enerjisi ilə işləyən avadanlıqlar üçün enerji təchizatı.
- Kiçik və mobil mühərriklər üçün starterlər.
Redoks reaksiyaları
Yük akkumulyatoru elektrod və elektrolit arasındakı interfeysdə yerləşir. Doldurma prosesi zamanı elektronlar xarici dövrə boyunca mənfi elektroddan müsbət elektroda keçir. Boşalma zamanı elektronlar və ionlar əks istiqamətdə hərəkət edirlər. EDLC superkondensatorunda heç bir yük transferi yoxdur. Bu tip superkondensatorda elektrodda ionistorun istifadə olunduğu konstruksiyanın ikiqat qatları vasitəsilə yüklər yaradan və yükü daşıyan redoks reaksiyası baş verir.
Bu tipdə baş verən redoks reaksiyasına görə, EDLC-dən daha aşağı güc sıxlığı potensialı var, çünki Faradaik sistemlər qeyri-faradaik sistemlərdən daha yavaşdır. Bir qayda olaraq, psevdokapaktorlar faraday sisteminə aid olduqları üçün EDLC-lərə nisbətən daha yüksək xüsusi tutum və enerji sıxlığı təmin edir. Bununla belə, superkondensatorun düzgün seçimi tətbiqdən və mövcudluqdan asılıdır.
Qrafen əsaslı materiallar
Superkondensator tez bir zamanda, ənənəvi akkumulyatordan çox daha sürətli doldurulma qabiliyyəti ilə xarakterizə olunur, lakin daha az enerji sıxlığına malik olduğu üçün batareya qədər enerji saxlaya bilmir. Onların səmərəliliyinin artırılması qrafen və karbon nanoborucuqlarının istifadəsi ilə əldə edilir. Onlar gələcəkdə ionistorlara elektrokimyəvi batareyaları tamamilə əvəz etməyə kömək edəcəklər. Nanotexnologiya bu gün çoxlarının mənbəyidirxüsusilə e-mobildə yeniliklər.
Qrafen superkondensatorların tutumunu artırır. Bu inqilabi material qalınlığı karbon atomunun qalınlığı ilə məhdudlaşdırıla bilən və atom quruluşu son dərəcə sıx olan təbəqələrdən ibarətdir. Bu cür xüsusiyyətlər elektronikada silikonu əvəz edə bilər. İki elektrod arasında məsaməli ayırıcı yerləşdirilir. Bununla belə, saxlama mexanizmindəki dəyişikliklər və elektrod materialının seçimi yüksək tutumlu superkondensatorların müxtəlif təsnifatlarına gətirib çıxarır:
- Əsasən yüksək karbonlu elektrodlardan istifadə edən və elektrod/elektrolit interfeysində ionları sürətlə adsorbsiya edərək enerjilərini saxlayan Elektrokimyəvi İkiqat Qatlı Kondansatörler (EDLC).
- Psuedo-kondansatorlar elektrod səthində və ya onun yaxınlığında yükün ötürülməsinin fagik prosesinə əsaslanır. Bu halda keçirici polimerlər və keçid metal oksidləri batareya ilə işləyən elektron saatlarda olanlar kimi elektrokimyəvi cəhətdən aktiv materiallar olaraq qalır.
Elastik polimer cihazları
Superkondensator ikiqat elektrokimyəvi yük təbəqələri yaratmaqla və ya səthi redoks reaksiyaları vasitəsilə enerjini yüksək sürətlə əldə edir və saxlayır, nəticədə uzunmüddətli dövri sabitlik, aşağı qiymət və ətraf mühitin qorunması ilə yüksək enerji sıxlığı əldə edilir. PDMS və PET çevik superkapasitorların həyata keçirilməsində ən çox istifadə olunan substratlardır. Film vəziyyətində, PDMS çevik və yarada bilər10.000 çevik dövrədən sonra yüksək tsiklik sabitliyə malik saatlarda şəffaf nazik film ionistorları.
Tək divarlı karbon nanoborular mexaniki, elektron və istilik sabitliyini daha da yaxşılaşdırmaq üçün PDMS filminə əlavə edilə bilər. Eynilə, həm yüksək elastikliyə, həm də elektrik keçiriciliyinə nail olmaq üçün qrafen və CNT kimi keçirici materiallar da PET filmlə örtülür. PDMS və PET ilə yanaşı, digər polimer materiallar da artan maraq doğurur və müxtəlif üsullarla sintez olunur. Məsələn, ilkin səthi müəyyən qrafiklərlə tez bir zamanda elektrik keçirici məsaməli karbon strukturuna çevirmək üçün lokallaşdırılmış impulslu lazer şüalanmasından istifadə edilmişdir.
Taxta lifi və kağız toxunmamış materiallar kimi təbii polimerlər də elastik və yüngül olan substratlar kimi istifadə edilə bilər. CNT çevik bir CNT kağız elektrodu yaratmaq üçün kağız üzərində yerləşdirilir. Kağız substratın yüksək elastikliyinə və CNT-lərin yaxşı paylanmasına görə, 4,5 mm əyilmə radiusunda 100 dövr üçün əyildikdən sonra xüsusi tutum və güc və enerji sıxlığı 5% -dən az dəyişir. Bundan əlavə, daha yüksək mexaniki möhkəmlik və daha yaxşı kimyəvi dayanıqlıq sayəsində bakterial nanoselüloz kağızları Walkman kaset pleyer kimi çevik superkapasitorlar hazırlamaq üçün də istifadə olunur.
Supercapacitor performansı
Şəklində müəyyən edilmişdirelektrokimyəvi aktivlik və kimyəvi kinetik xassələr, yəni: elektrodlar daxilində elektron və ion kinetikası (daşıma) və elektrod/elektrolitə yükün ötürülmə sürətinin səmərəliliyi. Xüsusi səth sahəsi, elektrik keçiriciliyi, məsamə ölçüsü və fərqlər EDLC əsaslı karbon materiallarından istifadə edərkən yüksək performans üçün vacibdir. Yüksək elektrik keçiriciliyi, geniş səth sahəsi və təbəqələrarası quruluşu ilə qrafen EDLC-də istifadə üçün cəlbedicidir.
Psevdokapasitorlar vəziyyətində, EDLC-lərlə müqayisədə üstün tutum təmin etmələrinə baxmayaraq, CMOS çipinin aşağı gücü ilə hələ də sıxlığı məhduddur. Bu, sürətli elektron hərəkəti məhdudlaşdıran zəif elektrik keçiriciliyi ilə bağlıdır. Bundan əlavə, yükləmə/boş altma prosesini idarə edən redoks prosesi elektroaktiv materiallara zərər verə bilər. Qrafenin yüksək elektrik keçiriciliyi və əla mexaniki gücü onu psevdokapasitorlarda material kimi uyğun edir.
Qrafen üzərində adsorbsiya tədqiqatları göstərdi ki, o, əsasən böyük məsamələrə çıxışı olan qrafen təbəqələrinin səthində baş verir (yəni, təbəqələrarası struktur elektrolit ionlarına asanlıqla daxil olmaq imkanı verən gözeneklidir). Beləliklə, daha yaxşı performans üçün məsaməli olmayan qrafen yığılmasından qaçınmaq lazımdır. Performans funksional qrupların əlavə edilməsi ilə səth modifikasiyası, elektrik keçirici polimerlərlə hibridləşdirmə və qrafen/oksid kompozitlərinin əmələ gəlməsi ilə daha da yaxşılaşdırıla bilər.metal.
Kondensator müqayisəsi
Supercaps qısamüddətli enerji ehtiyaclarını ödəmək üçün sürətli doldurma tələb olunduqda idealdır. Hibrid batareya həm ehtiyacları ödəyir, həm də daha uzun ömür üçün gərginliyi azaldır. Aşağıdakı cədvəl kondansatörlərdəki xüsusiyyətlərin və əsas materialların müqayisəsini göstərir.
| Elektrikli ikiqatlı kondansatör, ionistor təyinatı | Alüminium elektrolitik kondansatör | Ni-cd batareya | Qurğuşun möhürlənmiş batareya | |
| Temperatur diapazonundan istifadə edin | -25 - 70°C | -55 - 125 °C | -20 - 60 °C | -40 - 60 °C |
| Elektrodlar | Aktivləşdirilmiş karbon | Alüminium | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Elektrolitik maye | Üzvi həlledici | Üzvi həlledici | KOH |
H2SO4 |
| Elektromotor qüvvə üsulu | Dielektrik kimi təbii elektrik ikiqat effektindən istifadə | Dielektrik kimi alüminium oksiddən istifadə | Kimyəvi reaksiyadan istifadə | Kimyəvi reaksiyadan istifadə |
| Çirklənmə | Xeyr | Xeyr | CD | Pb |
| Yükləmə/boş altma dövrlərinin sayı | > 100.000 dəfə | > 100.000 dəfə | 500 dəfə | 200 - 1000 dəfə |
| Həcm vahidi üçün tutum | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Şarj xüsusiyyəti
Şarj etmə vaxtı 1-10 saniyə. İlkin yükləmə çox tez tamamlana bilər və üst yükləmə əlavə vaxt aparacaq. Boş bir superkondensatoru doldurarkən başlanğıc cərəyanının məhdudlaşdırılmasına diqqət yetirilməlidir, çünki o, mümkün qədər çox çəkəcəkdir. Superkondensator təkrar doldurula bilməz və tam yükün aşkar edilməsini tələb etmir, cərəyan dolu olduqda sadəcə axını dayandırır. Avtomobil üçün kompressor və Li-ion arasında performans müqayisəsi.
| Funksiya | İonistor | Li-Ion (ümumi) |
| Şarjetmə vaxtı | 1-10 saniyə | 10-60 dəqiqə |
| Həyat dövrünə baxın | 1 milyon və ya 30.000 | 500 və yuxarı |
| Gərginlik | 2, 3-dən 2, 75-ə qədərB | 3, 6 B |
| Xüsusi enerji (Vt/kq) | 5 (tipik) | 120-240 |
| Xüsusi güc (Vt/kq) | 10000-ə qədər | 1000-3000 |
| Bir kVtsaata görə xərc | 10.000$ | 250-1,000$ |
| Ömür boyu | 10-15 yaş | 5-10 yaş |
| Doldurma temperaturu | -40 - 65°C | 0 - 45 °C |
| Boş altma temperaturu | -40 - 65°C | -20 - 60°C |
Cihazları doldurmağın üstünlükləri
Avtomobillərin sürətlənməsi üçün əlavə enerji artımına ehtiyacı var və burada super yükləyicilər işə düşür. Onların ümumi yüklənmə limiti var, lakin onlar onu çox tez ötürə bilirlər və bu, onları ideal batareyalar edir. Ənənəvi batareyalarla müqayisədə onların üstünlükləri:
- Aşağı empedans (ESR) batareya ilə paralel qoşulduqda gərginlik cərəyanını və yükü artırır.
- Çox yüksək dövrə - boşalma millisaniyələrlə dəqiqələr çəkir.
- Superkapasitoru olmayan akkumulyatorla işləyən cihazla müqayisədə gərginlik azalması.
- Yüksək səmərəlilik 97-98% və hər iki istiqamətdə DC-DC səmərəliliyi əksər tətbiqlərdə 80%-95% təşkil edir, məsələn,ionistorlu videoregistrator.
- Hibrid elektrikli avtomobildə dairəvi səmərəlilik akkumulyatordan 10% yüksəkdir.
- Çox geniş temperatur diapazonunda yaxşı işləyir, adətən -40 C ilə +70 C, lakin -50 C ilə +85 C arasında ola bilər, 125 C-ə qədər olan xüsusi versiyalar mövcuddur.
- Yardım və boşalma zamanı yaranan az miqdarda istilik.
- Yüksək etibarlılıq ilə uzun dövriyyə müddəti, təmir xərclərini azaldır.
- Yüz minlərlə dövr ərzində cüzi deqradasiya və 20 milyon dövrə qədər davam edir.
- Onlar 10 ildən sonra tutumlarının 20%-dən çoxunu itirmirlər və 20 il və ya daha çox ömrü var.
- Aşınmağa və yıpranmağa davamlıdır.
- Batareyalar kimi dərin boşalmalara təsir etmir.
- Batareyalarla müqayisədə artan təhlükəsizlik - həddindən artıq doldurulma və ya partlama təhlükəsi yoxdur.
- Bir çox batareyalardan fərqli olaraq istifadə müddəti bitdikdə atılmalı olan heç bir təhlükəli material ehtiva etmir.
- Ekoloji standartlara uyğundur, ona görə də mürəkkəb utilizasiya və ya təkrar emal yoxdur.
Məhdud Texnologiya
Superkondensator ortada elektrolit təbəqəsi olan iki qrafen qatından ibarətdir. Film güclü, son dərəcə nazikdir və qısa müddətdə böyük miqdarda enerji buraxmağa qadirdir, lakin buna baxmayaraq, bu istiqamətdə texnoloji tərəqqiyə mane olan müəyyən həll olunmamış problemlər var. Superkondensatorun təkrar doldurulan batareyalarla müqayisədə çatışmazlıqları:
- Aşağı enerji sıxlığı - adətənelektrokimyəvi batareyanın enerjisinin 1/5-dən 1/10-unu alır.
- Xətt boşalması - tətbiqdən asılı olaraq tam enerji spektrindən istifadə edilməməsi, bütün enerji mövcud deyil.
- Batareyalarda olduğu kimi, elementlər aşağı gərginliklidir, ardıcıl qoşulmalar və gərginliyin balanslaşdırılması tələb olunur.
- Öz-özünə boşalma çox vaxt batareyalardan yüksək olur.
- Gərginlik yığılmış enerjiyə görə dəyişir - enerjinin səmərəli saxlanması və bərpası mürəkkəb elektron idarəetmə və keçid avadanlığı tələb edir.
- Bütün növ kondensatorlar arasında ən yüksək dielektrik absorbsiyasına malikdir.
- Yuxarı istifadə temperaturu adətən 70 C və ya daha azdır və nadir hallarda 85 C-dən çox olur.
- Əksərində təsadüfən sürətli boşalmanın qarşısını almaq üçün lazım olan ölçüsü azaldan maye elektrolit var.
- Vat başına elektrik enerjisinin yüksək qiyməti.
Hibrid Yaddaş
Yeni strukturlu kondansatör modulları istehsal etmək üçün güc elektronikasının xüsusi dizaynı və quraşdırılmış texnologiyası işlənib hazırlanmışdır. Onların modulları yeni texnologiyalardan istifadə edilməklə hazırlanmalı olduğundan, onlar dam, qapı və baqaj qapağı kimi avtomobilin kuzov panellərinə inteqrasiya oluna bilər. Bundan əlavə, enerji saxlama və cihaz sistemlərində enerji itkilərini və enerji balanslaşdırma sxemlərinin ölçüsünü azaldan yeni enerji balanslaşdırma texnologiyaları ixtira edilmişdir.
Şarjetmə nəzarəti və kimi bir sıra əlaqəli texnologiyalar da işlənib hazırlanmışdırboşalma, eləcə də digər enerji saxlama sistemlərinə qoşulma. Nominal gücü 150F, nominal gərginliyi 50V olan superkapasitor modulu 0,5 kvadratmetr səth sahəsi olan düz və əyri səthlərə yerləşdirilə bilər. m və 4 sm qalınlıq. Elektrikli nəqliyyat vasitələrinə tətbiq olunan tətbiqlər və avtomobilin müxtəlif hissələri və enerji saxlama sistemlərinin tələb olunduğu digər hallarda inteqrasiya oluna bilər.
Tətbiq və perspektivlər
ABŞ, Rusiya və Çində dartma batareyası olmayan avtobuslar var, bütün işləri ionistorlar görür. General Electric, bəzi raketlərdə, oyuncaqlarda və elektrik alətlərində baş verənlərə bənzər, akkumulyatoru əvəz etmək üçün superkondensatorlu yük maşını hazırlayıb. Testlər göstərdi ki, superkondensatorlar külək turbinlərində qurğuşun-turşu akkumulyatorlarını üstələyir və bu, superkondensatorun enerji sıxlığı qurğuşun-turbin akkumulyatorlarınınkinə yaxınlaşmadan əldə edilib.
İndi aydındır ki, superkondensatorlar növbəti bir neçə il ərzində qurğuşun-turşu akkumulyatorlarını basdıracaq, lakin bu, hekayənin yalnız bir hissəsidir, çünki onlar rəqabətdən daha sürətli inkişaf edir. Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments və Skeleton Technologies kimi təchizatçılar, bəziləri nəzəri olaraq litium ionlarının enerji sıxlığına uyğun gələn superkondensatorları və superböcəkləri ilə qurğuşun-turşu batareyalarının enerji sıxlığını aşdıqlarını söylədi.
Lakin elektrik avtomobilindəki ionistor elektronika və elektrik mühəndisliyinin aspektlərindən biridir.mətbuat, investorlar, potensial təchizatçılar və çox milyard dollarlıq bazarın sürətli böyüməsinə baxmayaraq köhnə texnologiya ilə yaşayan bir çox insan tərəfindən göz ardı edilir. Məsələn, quru, su və hava nəqliyyat vasitələri üçün bir neçə superkondensator istehsalçısı ilə müqayisədə 200-ə yaxın əsas dartma mühərriki istehsalçısı və 110 əsas dartma batareyası tədarükçüsü var. Ümumiyyətlə, dünyada 66-dan çox böyük ionistor istehsalçısı yoxdur, onların əksəriyyəti istehsalını məişət elektronikası üçün daha yüngül modellərə yönəldib.
