Ionistor: što je to i gdje se primjenjuje

Ionistori - novu klasu izvora po funkciji blizu moćnih kondenzatora, i zapravo - zauzimaju nišu između kondenzatora i konstantnih strujnih izvora

Povijesna pozadina

Godine 1957., inženjeri General Electrica razvili su rane inačice supercapacitors-a, ali nisu imali komercijalne aplikacije zbog njihove niske učinkovitosti. Godine 1966. standardno ulje slučajno je otkrio učinak dvoslojnog kondenzatora pri radu na gorivim ćelijama, što je omogućilo da superpostocitor djeluje učinkovito. Tvrtka nije komercijalizirala izum, ali je dobila licencu za NEC. Godine 1978. prodala je tu tehnologiju kao "superpotentator" za računala. U SSSR-u po prvi puta EDLC su uvedene 1978. godine u publikaciji časopisa Radio No 5 serije KI1-1s s kapacitetom od 0, 2 do 50, 0 F.

Prvi supercapacitors za moćnu opremu stvoreni su u 1982 PRI Ultracapacitor. Samo u 1990-im godinama napredovali su materijali i metode proizvodnje, što je dovelo do povećane produktivnosti i smanjenja troškova ionizatora. Oni se i dalje razvijaju i prenose u tehnologiju industrijske baterije pomoću posebnih elektroda i elektrolita.

Svrha elektroničkog uređaja

Ionistori (EDLC) su elektronički uređaji koji se koriste za pohranjivanje izuzetno velikih količina električnog naboja. Oni su također poznati kao supercapacitors, dual-layer kondenzatori ili ultracapacitors. Umjesto korištenja konvencionalne dielektrične, EDLC koristi mehanizam za pohranu električne energije - dvoslojni kapacitet. To znači da kombiniraju rad konvencionalnih kondenzatora s radom konvencionalnih baterija. Kapaciteti postignuti pomoću ove tehnologije mogu doseći 12.000 F. Za usporedbu, kapacitet cijele Zemlje je samo oko 710 μF, što je više od 15 milijuna puta manje od EDLC kapaciteta.

Dok konvencionalni elektrostatski kondenzator može imati visoki maksimalni radni napon, normalni maksimalni napon punjenja EDLC je između 2, 5 i 2, 7 volti. EDLC su polarni uređaji, tj. Oni moraju biti ispravno spojeni na krug, poput kondenzatora elektrolita. Električna svojstva ovih uređaja, posebno njihova brzina punjenja i pražnjenja, vrlo su obećavajuća za mnoge industrije gdje mogu potpuno zamijeniti baterije.

Izgradnja ionizatora i materijala

Razmotrimo što detaljnije takav ionistor. Dizajn EDLC je sličan dizajnu elektrolitičkih kondenzatora u tome što se sastoje od dvije folijske elektrode, elektrolita, separatora i folije. Separator je pričvršćen između elektroda, folija je presavijena ili presavijena u oblik, obično cilindrični ili pravokutni. Ovaj presavijeni oblik nalazi se u hermetički zatvorenom kućištu impregniranom elektrolitom. Elektrolit u EDLC izvedbi, kao i elektrode, razlikuje se od elektrolita koji se koristi u konvencionalnim elektrolitskim kondenzatorima.

Za održavanje električnog naboja, EDLC koristi porozne materijale kao razmaknice za pohranu iona u pore na atomskoj razini. Najčešći materijal u modernom EDLC je aktivni ugljen. Činjenica da ugljik nije dobar izolator dovodi do ograničenja maksimalnog radnog napona do 3 V.

Aktivirani ugljen nije idealan materijal: nosači naboja su usporedivi veličinom pora u materijalu, a neki od njih ne mogu prodrijeti u manje pore, što dovodi do propuštanja i smanjenja kapaciteta skladištenja.

Jedan od najzanimljivijih materijala koji se koristi u EDLC istraživanje je grafen. Ova supstanca, koja se sastoji od čistog ugljika, smještena u ravnoj ploči debljine samo jednog atoma. Izuzetno je porozna, djeluje poput ionske "spužve". Gustoća energije postignuta s grafenom u EDLC je usporediva s gustoćama energije dobivenim u baterijama.

Međutim, unatoč činjenici da su prototipovi EDLC grafena napravljeni kao dokaz budućeg koncepta, skupi su i teško ih je proizvesti u industrijskim količinama, a ta činjenica značajno smanjuje upotrebu ove tehnologije. Unatoč tome, EDLC od grafena je najzahtjevniji kandidat u budućoj tehnologiji iona.

Prednosti i nedostaci

Među prednostima uređaja su sljedeće:

1. Vrijeme punjenja. EDLC imaju vremena punjenja i pražnjenja usporediva s konvencionalnim kondenzatorima. Zbog slabog unutarnjeg otpora mogu se postići velike struje punjenja i pražnjenja. Da biste postigli potpuno napunjen položaj, baterija obično traje nekoliko sati. Na primjer, kao baterija mobitela, dok se EDLC može napuniti za manje od dvije minute.
2. Specifična snaga. Specifična snaga baterije ili EDLC mjera je koja se koristi za usporedbu različitih tehnologija s izlaznom snagom podijeljenom s ukupnom masom uređaja. EDLC ima specifičnu snagu od 5-10 puta veću od baterije. Na primjer, dok litij-ionske baterije imaju specifičnu snagu od 1-3 kW / kg, specifična snaga tipičnog EDLC je oko 10 kW / kg. Ova je značajka osobito važna za aplikacije koje zahtijevaju brzi resetiranje uređaja s memorijom.
3. Održivost i sigurnost ciklusa. EDLC baterije su sigurnije od uobičajenih baterija ako ih neispravno rukuje. Dok se baterije mogu eksplodirati zbog prekomjernog zagrijavanja u slučaju kratkog spoja, EDLC se ne zagrijava toliko zbog niskog unutarnjeg otpora.
4. EDLC se može napuniti i ispuštati milijunima puta i razlikovati se gotovo neograničeno životno trajanje, dok baterije imaju životni ciklus od 500 puta i niži. To čini EDLC vrlo korisno u aplikacijama gdje su potrebna česta pohrana i raspodjela energije.
5. Životni vijek EDLC-a je 10 do 20 godina, a kapacitet 10 godina smanjen je sa 100% na 80%.
6. Zbog niske ekvivalentne otpornosti, EDLC osigurava visoku gustoću snage i velike struje opterećenja kako bi se postigao gotovo trenutačno punjenje u sekundama. Značajke temperature također su jake, pružajući energiju pri temperaturama do -40 ° C.

EDLC imaju neke nedostatke:

1. Jedan nedostatak je relativno niska specifična energija. Specifična EDLC energija je mjeri ukupnu količinu energije, pohranjene u uređaju, podijeljene njezinom težinom. Dok litij-ionske baterije koje se obično koriste u mobitelima imaju specifičnu energiju od 100-200 Wh / kg, EDLC može pohraniti samo 5 W / kg. To znači da će EDLC, koji ima isti kapacitet kao i konvencionalna baterija, težiti 40 puta više.
2. Linearni ispusni napon. Na primjer, akumulator s nazivnim naponom od 2.7V, kada će napona blizu 2.7V i dalje biti napunjena s 50% napunjenosti. EDLC, koji je ocijenjen na 2.7V s 50% napunjenosti, proizvodi točno pola Maksimalna napunjenost iznosi 1,35 V. To znači da se izlazni napon spušta ispod minimalnog radnog napona uređaja koji djeluje na EDLC i mora se isključiti prije korištenja cijelog punjenja u kondenzatoru. Rješenje ovog problema je korištenje DC pretvarača. Međutim, ovaj pristup stvara nove poteškoće, poput učinkovitosti i buke.
3. Ne mogu se koristiti kao trajni izvor napajanja. Jedna stanica obično ima napon od 2,7 V i ako je potreban veći napon, stanice moraju biti spojene u seriju.
4. Trošak konvencionalnog EDLC je 20 puta veći od baterije Li-iona. Međutim, može se smanjiti zbog novih tehnologija i masovne proizvodnje ionionista.

Industrijska primjena

Budući da EDLC zauzima područje između baterija i kondenzatora, može se koristiti u širokom rasponu aplikacija. Tamo gdje se koristi ionist, može se pretpostaviti na temelju svoje svrhe. Jedna od zanimljivih namjena je skladištenje energije u dinamičkim kočionim sustavima u automobilskoj industriji. U upotrebi električni generator, koji pretvara kinetičku energiju u električnu energiju i pohranjuje ga u EDLC. Zatim se ta energija može ponovno upotrijebiti kako bi se osigurala snaga za ubrzanje.

Drugi primjer je aplikacija niske snage, gdje visoka propusnost nije obvezna, no važno je osigurati visoki životni ciklus ili brzo punjenje. Takve aplikacije su fotografska bljeskalica, MP3 playeri, statički uređaji za pohranu koji zahtijevaju izvor napajanja niskog napona za pohranu podataka i tako dalje.

Moguće buduće EDLC aplikacije su mobiteli, prijenosna računala, električna vozila i svi drugi uređaji koji se trenutno izvode na baterijama. Najuzbudljivija prednost, s praktične točke gledišta, je njihova vrlo brza brzina punjenja - to bi značilo punjenje električnog automobila u punjač nekoliko minuta dok se baterija ne napuni.

EDLC se koristi u mnogim aplikacijama za upravljanje energijom koji zahtijevaju veliki broj ciklusa brzog punjenja / pražnjenja kratkoročne potrebe u energiji. Neke od tih aplikacija koriste se u sljedećim područjima:

• stabilizacija napona u sustavima pokretanja / zaustavljanja;
• elektroničke brave vrata u slučaju kvarova;
• regenerativni sustavi kočenja;
• distribucijski čip;
• medicinska oprema;
• akumulatori energije;
• potrošačka elektronika;
• kuhinjski uređaji;
• backup podataka o satu u stvarnom vremenu;
• stanje čekanja;
• vjetroelektrana:
• energetsku učinkovitost i kontrolu frekvencije;
• daljinska snaga za senzore, LED diode, sklopke;
• rezervna memorija;
• napajanje paketa.

Upute za razvoj supercapacitera

Novi obećavajući razvoj ionistora:

• Supercapacitors grafene Skeleton Technology bit će ključni igrači EDLC-a. U novim ispitivanjima u transportnoj floti u Velikoj Britaniji koriste se za pretvaranje dizelskih automobila u hibride na račun snage s regenerativnog kočenja. Hibridni sustav je razvijen od strane Adgero i Skeleton Technologies UltraBoost. Tijekom kočenja uređaj postaje generator koji vraća kinetičku energiju, koji bi inače izgubljen u obliku tijela. U srcu ove tehnologije nalazi se banka od pet moćnih supercapacitors na temelju graphene, poznat kao SkelMod.
• ubiti Go, pokretanje u Velikoj Britaniji, pokreće novu vrstu punjača posebno za poslovne putnike. Upotrebljava grafenske supercapacitorove za punjenje telefona unutar pet minuta.
• Eaton nudi rješenja za supercapacitors veličinu novčića, velike stanice, male cilindrične ćelije i module. Na primjer, Supercapacitor XLR 48V modul omogućuje pohranu energije za energetske sustave s frekvencijskom punjenja / pražnjenja hibridnog ili električnih vozila, javni prijevoz, utovar i istovar opreme, teške mehanizacije i morskih sustava. XLR moduli sastoje od 18 osobe supercapacitors Eaton XL60, tako da daje 48 i 166 F 5 6 mA otpor za uključivanje u sustav zahtijeva do 750 V.

• Maxwell Technologies supercapacitors koriste se za pohranu energije s restorativnim kočenjem u sustavu podzemne željeznice u Pekingu. Kineski željeznički vozni park Corp. (CRRC - SRI) koristi Maxwell moduli 48 - V u dva seta za uštedu energije uređaja za regenerativnog kočenja sustava liniji br 8, urbano željeznička mreža koja se proteže sjever-jug preko kapitala Kine. Maxwellovi moduli od 48 V daju dug životni vijek do 10 godina i brzo punjenje / pražnjenje. Vishay nudi 220 EDLC ENYCAP s nazivnim naponom od 2,7 V. Može se koristiti u nekoliko primjena, uključujući rezervnu snagu, podršku za pulsnu snagu, uređaje za pohranu energije za prikupljanje energije, mikro UPS napajanja i oporavak energije.
• Linearna tehnologija nudi LTC3350, uređaj za napajanje u stanju čekanja koji može napuniti i nadzirati serijsku jedinicu do četiri supercapacitors. LTC3350 namijenjen za automobilsku i ostale transportne aplikacije, nudi sljedeće funkcije:

• Napunite energiju punjenjem banke na četiri superpojasnika u slučaju nestanka struje. Može raditi s ulaznim naponom od 4,5 do 35 V i više od 10 A napunjenom rezervnom snagom.
• Balansiranje i zaštita od prenapona za niz supercapacitors.
• Kontrolni napon, struja i temperatura u sustavu.
• Unutarnji balanseri kondenzatorskog napona koji eliminiraju potrebu za uravnoteženim otpornicima.

Developeri ionista pokušavaju ih stalno nadograditi i povećati specifični kapacitet. Očito, u budućnosti, baterije će u potpunosti zamijeniti supercapacitors. Rezultati istraživanja kalifornijskih znanstvenika pokazali su da novi tip ionskih izmjenjivača već više puta nadilazi svoje analoge u funkcionalnosti.