Ionistor ni capacitor za safu mbili za electrokemikali au supercapacitor. Electrodes zao za chuma zimepakwa kaboni iliyoamilishwa yenye vinyweleo vingi, iliyotengenezwa kwa kijadi kutoka kwa maganda ya nazi, lakini mara nyingi zaidi kutoka kwa airgel ya kaboni, nanocarbon nyingine au nanotubes za graphene. Kati ya electrodes hizi ni separator porous ambayo huweka electrodes mbali, wakati jeraha juu ya ond, yote haya ni impregnated na electrolyte. Aina zingine za ubunifu za ionistor zina elektroliti thabiti. Hubadilisha betri za kitamaduni kwenye vifaa vya umeme visivyoweza kukatika hadi kwenye lori, ambapo hutumia chaja kuu kama chanzo cha nishati.
Kanuni ya kazi
Ionistor hutumia kitendo cha safu mbili iliyoundwa kwenye kiolesura kati ya makaa ya mawe na elektroliti. Mkaa ulioamilishwa hutumiwa kama elektrodi katika umbo dhabiti, na elektroliti katika hali ya kioevu. Wakati nyenzo hizi zinawasiliana na kila mmoja, miti chanya na hasi inasambazwa kwa jamaa kwa kila mmojaumbali mfupi sana. Wakati wa kuweka sehemu ya umeme, safu mbili ya umeme inayounda karibu na uso wa kaboni kwenye kioevu cha kielektroniki hutumika kama muundo mkuu.
Faida ya muundo:
- Hutoa uwezo katika kifaa kidogo, hakuna haja ya saketi maalum za kuchaji ili kudhibiti wakati wa kutoa chaji kwenye vifaa vinavyochajiwa zaidi.
- Kuchaji tena au kutoa chaji kupita kiasi hakuathiri vibaya muda wa matumizi ya betri kama ilivyo kwa betri za kawaida.
- Teknolojia ni "safi" sana katika masuala ya ikolojia.
- Hakuna matatizo na anwani zisizo imara kama vile betri za kawaida.
Kasoro za muundo:
- Muda wa operesheni ni mdogo kutokana na matumizi ya elektroliti katika vifaa vinavyotumia supercapacitor.
- Electrolyte inaweza kuvuja ikiwa capacitor haitatunzwa vizuri.
- Ikilinganishwa na capacitor za alumini, capacitor hizi zina upinzani wa juu na kwa hivyo haziwezi kutumika katika saketi za AC.
Kwa kutumia faida zilizoelezwa hapo juu, vibano vya umeme hutumika sana katika programu kama vile:
- Kuhifadhi kumbukumbu kwa vipima muda, programu, nishati ya kielektroniki ya rununu, n.k.
- Vifaa vya video na sauti.
- Hifadhi vyanzo wakati wa kubadilisha betri kwa vifaa vya kielektroniki vinavyobebeka.
- Vifaa vya umeme kwa vifaa vinavyotumia sola kama vile saa na viashirio.
- Vianzishaji vya injini ndogo na zinazotembea.
maitikio ya redox
Kikusanya chaji kiko kwenye kiolesura kati ya elektrodi na elektroliti. Wakati wa mchakato wa malipo, elektroni huhamia kutoka kwa electrode hasi hadi electrode chanya kando ya mzunguko wa nje. Wakati wa kutokwa, elektroni na ions huhamia kinyume chake. Hakuna uhamisho wa malipo katika supercapacitor ya EDLC. Katika aina hii ya supercapacitor, mmenyuko wa redox hutokea kwenye electrode, ambayo hutoa malipo na kubeba malipo kupitia tabaka mbili za ujenzi, ambapo ionistor hutumiwa.
Kutokana na mmenyuko wa redoksi unaotokea katika aina hii, kuna uwezekano wa msongamano mdogo wa nishati kuliko EDLC kwa sababu mifumo ya Faradaic ni ya polepole kuliko mifumo isiyo ya faradaic. Kama kanuni ya jumla, pseudocapactors hutoa uwezo maalum wa juu na msongamano wa nishati kuliko EDLCs kutokana na ukweli kwamba wao ni wa mfumo wa faraday. Hata hivyo, chaguo sahihi la supercapacitor inategemea utumizi na upatikanaji.
Nyenzo za Graphene
Capacitor ina sifa ya uwezo wa kuchaji haraka, haraka zaidi kuliko betri ya kawaida, lakini haiwezi kuhifadhi nishati nyingi kama betri kwa sababu ina msongamano mdogo wa nishati. Ongezeko lao la ufanisi linapatikana kupitia matumizi ya graphene na nanotubes za kaboni. Watasaidia katika ionistors ya baadaye kuchukua nafasi kabisa ya betri za electrochemical. Nanoteknolojia leo ndio chanzo cha wengiubunifu, hasa katika simu ya mkononi.
Graphene huongeza uwezo wa supercapacitors. Nyenzo hii ya mapinduzi ina karatasi ambazo unene wake unaweza kupunguzwa na unene wa atomi ya kaboni na muundo wake wa atomiki ni mnene sana. Tabia kama hizo zinaweza kuchukua nafasi ya silicon katika vifaa vya elektroniki. Separator ya porous imewekwa kati ya electrodes mbili. Walakini, tofauti katika utaratibu wa kuhifadhi na uchaguzi wa nyenzo za elektrodi husababisha uainishaji tofauti wa supercapacitors za uwezo wa juu:
- Electrochemical Double Layer Capacitors (EDLC), ambazo hutumia zaidi elektrodi za kaboni nyingi na kuhifadhi nishati yake kwa kutangaza kwa haraka ayoni kwenye kiolesura cha elektrodi/elektroliti.
- Psuedo-capacitors zinatokana na mchakato wa phagic wa kuhamisha chaji kwenye au karibu na sehemu ya elektrodi. Katika hali hii, polima zinazopitisha umeme na oksidi za mpito za chuma husalia kuwa nyenzo amilifu ya kielektroniki, kama vile zile zinazopatikana katika saa za kielektroniki zinazoendeshwa na betri.
vifaa vinavyobadilika vya polima
The supercapacitor hupata na kuhifadhi nishati kwa kiwango cha juu kwa kuunda safu mbili za chaji ya kielektroniki au kupitia miitikio ya urekebishaji wa uso, hivyo kusababisha msongamano mkubwa wa nishati na uthabiti wa mzunguko wa muda mrefu, gharama ya chini na ulinzi wa mazingira. PDMS na PET ni substrates zinazotumiwa zaidi katika utekelezaji wa supercapacitors flexible. Kwa upande wa filamu, PDMS inaweza kuunda rahisi naviyoyozi vya uwazi vya filamu nyembamba kwenye saa zenye uthabiti wa hali ya juu wa mzunguko baada ya mizunguko 10,000 ya kunyumbulika.
Nanotube za kaboni zenye ukuta mmoja zinaweza kujumuishwa zaidi kwenye filamu ya PDMS ili kuboresha zaidi uthabiti wa kimitambo, kielektroniki na joto. Vile vile, nyenzo za upitishaji kama vile graphene na CNTs pia zimefunikwa na filamu ya PET ili kufikia unyumbufu wa juu na upitishaji wa umeme. Mbali na PDMS na PET, nyenzo nyingine za polymeric pia zinavutia maslahi ya kukua na huunganishwa na mbinu mbalimbali. Kwa mfano, miale ya leza iliyojanibishwa imetumika kubadilisha uso msingi kwa haraka kuwa muundo wa kaboni unaopitisha umeme na michoro maalum.
Polima asilia kama vile nyuzi za mbao na zisizo za karatasi pia zinaweza kutumika kama substrates, ambazo ni rahisi kunyumbulika na nyepesi. CNT imewekwa kwenye karatasi ili kuunda elektrodi ya karatasi ya CNT inayoweza kubadilika. Kwa sababu ya kubadilika kwa juu kwa substrate ya karatasi na usambazaji mzuri wa CNTs, uwezo maalum na nguvu na msongamano wa nishati hubadilika kwa chini ya 5% baada ya kupinda kwa mizunguko 100 kwenye eneo la bend la 4.5 mm. Zaidi ya hayo, kutokana na uimara wa hali ya juu wa kimitambo na uthabiti bora wa kemikali, karatasi za nanocellulose za bakteria pia zinatumiwa kutengeneza vidhibiti vinavyonyumbulika kama vile kicheza kaseti cha walkman.
Utendaji wa supercapacitor
Imefafanuliwa kulingana nashughuli za kielektroniki na mali za kinetic za kemikali, ambazo ni: kinetiki za elektroni na ioni (usafirishaji) ndani ya elektrodi na ufanisi wa kiwango cha uhamishaji wa malipo kwa elektrodi / elektroliti. Eneo maalum la uso, conductivity ya umeme, ukubwa wa pore na tofauti ni muhimu kwa utendaji wa juu wakati wa kutumia vifaa vya kaboni vya EDLC. Graphene, ikiwa na mshikamano wa juu wa umeme, eneo kubwa la uso na muundo wa interlayer, inavutia kwa matumizi katika EDLC.
Kwa upande wa pseudocapacitors, ingawa hutoa uwezo wa juu zaidi ikilinganishwa na EDLC, bado zina msongamano mdogo kwa nguvu ya chini ya chipu ya CMOS. Hii ni kutokana na conductivity mbaya ya umeme, ambayo hupunguza mwendo wa haraka wa elektroniki. Kwa kuongeza, mchakato wa redox unaoendesha mchakato wa malipo / uondoaji unaweza kuharibu nyenzo za umeme. Umeme wa hali ya juu wa graphene na nguvu zake bora za kiufundi huifanya kufaa kama nyenzo katika pseudocapacitors.
Tafiti za adsorption kwenye graphene zimeonyesha kuwa hutokea hasa kwenye uso wa laha za graphene zenye ufikiaji wa matundu makubwa (yaani, muundo wa interlayer una vinyweleo, unaoruhusu ufikiaji rahisi wa ayoni za elektroliti). Kwa hivyo, mkusanyiko wa graphene usio na vinyweleo unapaswa kuepukwa kwa utendakazi bora. Utendaji unaweza kuboreshwa zaidi kwa urekebishaji wa uso kwa kujumlisha kikundi cha utendaji, mseto na polima zinazopitisha umeme, na kwa kuunda composites ya graphene/oksidi.chuma.
Ulinganisho wa Capacitor
Kofia kuu ni bora wakati inapohitajika kuchaji haraka ili kukidhi mahitaji ya nishati ya muda mfupi. Betri ya mseto inakidhi mahitaji yote mawili na kupunguza voltage kwa maisha marefu. Jedwali hapa chini linaonyesha ulinganisho wa sifa na nyenzo kuu katika vidhibiti.
| Capacitor ya safu mbili ya umeme, muundo wa ionistor | Alumini electrolytic capacitor | Betri ni-cd | Betri iliyofungwa kwa risasi | |
| Tumia masafa ya halijoto | -25 hadi 70°C | -55 hadi 125 °C | -20 hadi 60 °C | -40 hadi 60 °C |
| Electrodes | Kaboni iliyoamilishwa | Alumini | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Kimiminiko cha kielektroniki | Kiyeyushi hai | Kiyeyushi hai | KOH |
H2SO4 |
| Mbinu ya nguvu ya umeme | Kutumia nguvu ya asili ya umeme ya safu mbili kama dielectric | Kutumia oksidi ya alumini kama dielectri | Kutumia mmenyuko wa kemikali | Kutumia mmenyuko wa kemikali |
| Uchafuzi | Hapana | Hapana | CD | Pb |
| Idadi ya malipo/mizunguko ya kutokwa | > mara 100,000 | > mara 100,000 | mara 500 | 200 hadi 1000 mara |
| Uwezo kwa kila kitengo cha sauti | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Tabia ya malipo
Muda wa kuchaji sekunde 1-10. Malipo ya awali yanaweza kukamilika haraka sana na malipo ya juu yatachukua muda wa ziada. Kuzingatia inapaswa kuzingatiwa kwa kupunguza sasa ya inrush wakati wa malipo ya supercapacitor tupu, kwani itachora iwezekanavyo. Supercapacitor haiwezi kuchajiwa tena na hauhitaji utambuzi kamili wa chaji, ya sasa huacha kutiririka ikijaa. Ulinganisho wa utendaji kati ya chaja kuu kwa gari na Li-ion.
| Function | Ionistor | Li-Ion (jumla) |
| Muda wa kuchaji | sekunde 1-10 | dakika 10-60 |
| Tazama mzunguko wa maisha | milioni 1 au 30,000 | 500 na juu |
| Voltge | Kutoka 2, 3 hadi 2, 75B | 3, 6 B |
| Nishati mahususi (W/kg) | 5 (kawaida) | 120-240 |
| Nguvu mahususi (W/kg) | Hadi 10000 | 1000-3000 |
| Gharama kwa kWh | $10,000 | 250-1,000 $ |
| Maisha | miaka 10-15 | miaka 5 hadi 10 |
| joto ya kuchaji | -40 hadi 65°C | 0 hadi 45 °C |
| Halijoto ya kutokeza | -40 hadi 65°C | -20 hadi 60°C |
Manufaa ya vifaa vya kuchaji
Magari yanahitaji nyongeza ya nishati ili kuongeza kasi, na hapo ndipo chaja kuu huingia. Wana kikomo cha malipo ya jumla, lakini wana uwezo wa kuhamisha haraka sana, na kuwafanya betri bora. Faida zake kuliko betri za kawaida:
- Kingazo cha chini (ESR) huongeza mwendo wa kasi na upakiaji inapounganishwa sambamba na betri.
- Mzunguko wa juu sana - kutokwa na maji huchukua milisekunde hadi dakika.
- Kupungua kwa voltage ikilinganishwa na kifaa kinachotumia betri bila supercapacitor.
- Ufanisi wa juu katika 97-98%, na ufanisi wa DC-DC katika pande zote mbili ni 80% -95% katika programu nyingi, kama vilekinasa sauti na ionistors.
- Katika gari la mseto la umeme, ufanisi wa mzunguko ni 10% kubwa kuliko ule wa betri.
- Hufanya kazi vizuri katika anuwai kubwa ya halijoto, kwa kawaida -40 C hadi +70 C, lakini inaweza kuwa kutoka -50 C hadi +85 C, matoleo maalum yanapatikana hadi 125 C.
- Kiasi kidogo cha joto kinachozalishwa wakati wa kuchaji na kumwaga.
- Maisha marefu ya mzunguko na kutegemewa kwa juu, kupunguza gharama za matengenezo.
- Kuharibika kidogo kwa mamia ya maelfu ya mizunguko na kudumu hadi mizunguko milioni 20.
- Wanapoteza si zaidi ya 20% ya uwezo wao baada ya miaka 10, na wanaishi miaka 20 au zaidi.
- Inastahimili kuvaa na kuchanika.
- Haiathiri umwagikaji mwingi kama vile betri.
- Ongezeko la usalama ikilinganishwa na betri - hakuna hatari ya kuchaji zaidi au mlipuko.
- Haina nyenzo hatari za kutupa mwisho wa maisha tofauti na betri nyingi.
- Inakubaliana na viwango vya mazingira, kwa hivyo hakuna utupaji au kuchakata tena.
Teknolojia ya Vizuizi
Capacitor ina tabaka mbili za graphene na safu ya elektroliti katikati. Filamu ni yenye nguvu, nyembamba sana na ina uwezo wa kutoa kiasi kikubwa cha nishati kwa muda mfupi, lakini hata hivyo, kuna matatizo fulani ambayo hayajatatuliwa ambayo yanazuia maendeleo ya teknolojia katika mwelekeo huu. Hasara za Supercapacitor juu ya Betri Zinazoweza Kuchajiwa:
- Msongamano mdogo wa nishati - kwa kawaidainachukua kutoka 1/5 hadi 1/10 ya nishati ya betri ya kielektroniki.
- Kutokwa kwa laini - kushindwa kutumia masafa kamili ya nishati, kulingana na programu, sio nishati yote inapatikana.
- Kama ilivyo kwa betri, seli zina volti ya chini, miunganisho ya mfululizo na kusawazisha voltage inahitajika.
- Kujiondoa mwenyewe mara nyingi huwa juu kuliko betri.
- Tegemeo hutofautiana kulingana na nishati iliyohifadhiwa - uhifadhi bora na urejeshaji wa nishati unahitaji udhibiti wa kisasa wa kielektroniki na vifaa vya kubadili.
- Ina ufyonzwaji wa juu zaidi wa dielectri kuliko aina zote za vibanishi.
- Kiwango cha juu cha joto cha matumizi kwa kawaida ni 70 C au chini ya hapo na mara chache huzidi 85 C.
- Nyingi nyingi huwa na elektroliti kioevu ambayo hupunguza ukubwa unaohitajika ili kuzuia kutokwa kwa haraka bila kukusudia.
- Gharama kubwa ya umeme kwa wati.
Hifadhi ya Mseto
Muundo maalum na teknolojia iliyopachikwa ya nishati ya kielektroniki imeundwa ili kutoa moduli za capacitor zenye muundo mpya. Kwa kuwa moduli zao lazima zitengenezwe kwa kutumia teknolojia mpya, zinaweza kuunganishwa kwenye paneli za mwili wa gari kama vile paa, milango na kifuniko cha shina. Zaidi ya hayo, teknolojia mpya za kusawazisha nishati zimevumbuliwa ambazo hupunguza upotevu wa nishati na saizi ya saketi za kusawazisha nishati katika hifadhi ya nishati na mifumo ya vifaa.
Msururu wa teknolojia zinazohusiana pia umetengenezwa, kama vile udhibiti wa kuchaji nakutokwa, pamoja na viunganisho kwa mifumo mingine ya kuhifadhi nishati. Moduli ya supercapacitor yenye uwezo uliokadiriwa wa 150F, voltage iliyokadiriwa ya 50V inaweza kuwekwa kwenye nyuso za gorofa na zilizopindika na eneo la mita za mraba 0.5. m na unene wa sentimita 4. Programu zinazotumika kwa magari ya umeme na zinaweza kuunganishwa na sehemu mbalimbali za gari na hali nyinginezo ambapo mifumo ya kuhifadhi nishati inahitajika.
Matumizi na mitazamo
Marekani, Urusi na China kuna mabasi yasiyo na betri za kuvuta, kazi zote zinafanywa na ionistors. General Electric imeunda lori la kubebea mizigo lenye supercapacitor kuchukua nafasi ya betri, sawa na ilivyotokea katika baadhi ya roketi, vifaa vya kuchezea na zana za nguvu. Majaribio yameonyesha kuwa supercapacitor hufanya kazi vizuri zaidi kuliko betri za asidi ya risasi katika mitambo ya upepo, ambayo ilifikiwa bila msongamano wa nishati ya supercapacitor kukaribia ule wa betri za asidi ya risasi.
Sasa ni wazi kwamba vidhibiti vikubwa vitazika betri za asidi ya risasi katika miaka michache ijayo, lakini hiyo ni sehemu tu ya hadithi, kwani zinaimarika kwa kasi zaidi kuliko shindano. Wasambazaji kama vile Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments na Skeleton Technologies wamesema wanazidi msongamano wa nishati ya betri za asidi-asidi na vidhibiti vyake vikubwa na mende kuu, ambazo baadhi yake zinalingana kinadharia na msongamano wa nishati wa ioni za lithiamu.
Hata hivyo, ionistor katika gari la umeme ni mojawapo ya vipengele vya kielektroniki na uhandisi wa umeme ambavyokupuuzwa na vyombo vya habari, wawekezaji, wasambazaji watarajiwa, na watu wengi wanaoishi na teknolojia ya zamani, licha ya ukuaji wa haraka wa soko la mabilioni ya dola. Kwa mfano, kwa magari ya ardhini, maji na hewa, kuna wazalishaji wakuu wa 200 wa motors za traction na wauzaji wakuu 110 wa betri za traction ikilinganishwa na wazalishaji wachache wa supercapacitors. Kwa ujumla, hakuna wazalishaji wakubwa zaidi ya 66 wa ionistors duniani, ambao wengi wao wamelenga uzalishaji wao kwenye mifano nyepesi ya umeme wa watumiaji.
