Ионист: што е тоа и каде се применува

Ionistors - нова класа на извори по функција во близина на моќни кондензатори, а всушност - окупирајќи ја нишата помеѓу кондензаторите и константните тековни извори

Историска позадина

Во 1957 година, раните верзии на supercapacitors беа развиени од страна на инженерите во General Electric, но тие немаа комерцијални апликации поради нивната мала ефикасност. Во 1966 година, Стандард Масло случајно го открил ефектот на двослоен кондензатор кога работел на горивни ќелии, што му овозможило на суперкапациторот ефективно да функционира. Компанијата не го комерцијализирала пронајдокот, туку добила лиценца за NEC. Во 1978 година таа ја продаде оваа технологија како "supercapacitor" за компјутери. Во СССР првиот EDLC беа презентирани во 1978 година во издание на списанието Радио Не Серија 5 KI1- 1c капацитет од 0, 2 до 50 0 Ф.

Првите суперкапациенти за моќна опрема беа создадени во 1982 година PRI Ultracapacitor. Само во деведесеттите години на минатиот век напредокот во материјалите и методите на производство, што доведе до зголемена продуктивност и намалување на цената на јонистите. Тие продолжуваат да се развиваат и преминуваат во индустриска технологија на батерии со користење на специјални електроди и електролити.

Цел на електронскиот уред

Јонистори (EDLC) се електронски уреди кои се користат за складирање на екстремно големи количини електричен полнеж. Тие се познати и како supercapacitors, двослојни кондензатори или ultracapacitors. Наместо да користи конвенционален диелектрик, EDLC користи механизам за складирање на електрична енергија - двослоен капацитет. Ова значи дека тие ја комбинираат работата на конвенционалните кондензатори со работењето на конвенционалните батерии. Капацитетите постигнати со користење на оваа технологија можат да достигнат 12.000 F. За споредба, капацитетот на целата Земја е само околу 710 μF, што е повеќе од 15 милиони пати помало од капацитетот на EDLC.

Додека конвенционалниот електростатски кондензатор може да има висок максимален работен напон, нормалниот максимален напон за полнење на EDLC е помеѓу 2, 5 и 2, 7 волти. EDLC се поларни уреди, односно тие мора да бидат поврзани на колото правилно, како електролитни кондензатори. Електричните својства на овие уреди, особено времето за брзо полнење и празнење, се многу ветувачки за многу индустрии каде што можат целосно да ги заменат батериите.

Ионистичка конструкција и материјали

Да разгледаме подетално што таков јонистор. Дизајнот на EDLC е сличен на дизајнот на електролитски кондензатори со тоа што тие се состојат од две фолиелектроди, електролит, сепаратор и фолија. Сепараторот е прицврстен помеѓу електродите, фолијата е преклопена или превиткана во форма, обично цилиндрична или правоаголна. Оваа преклопена форма се става во херметички затворен дом, импрегниран со електролит. Електролитот во дизајнот на EDLC, како и електродите, се разликува од електролитот кој се користи во конвенционалните електролитски кондензатори.

За да се задржи електрично полнење, EDLC користи порозни материјали како изолатори за складирање на јони во порите на атомско ниво. Најчестиот материјал во модерен EDLC е активиран јаглерод. Фактот дека јаглеродот не е добар изолатор води до ограничување на максималниот работен напон до 3 V.

Активиран јаглерод не е идеален материјал: носителите на полнење се споредливи со големината на порите во материјалот, а некои од нив не можат да навлезат во помали пори, што доведува до протекување и намалување на капацитетот за складирање.

Еден од најинтересните материјали користени во Истражувањето на EDLC е графин. Оваа супстанца, која се состои од чист јаглерод, се наоѓа во рамна состојба само еден атом дебел. Многу е порозна, делува како јонски "сунѓер". Густината на енергија постигната со графин во EDLC е споредлива со густината на енергија добиена во батериите.

Меѓутоа, и покрај фактот дека прототипите за EDF графен беа направени како доказ за идниот концепт, тие се скапи и тешки за производство во индустриски обем, и овој факт значително ја попречува употребата на оваа технологија. И покрај ова, EDLC од графин е најмногу ветувачки кандидат за иднината на технологијата на јонистите.

Предности и недостатоци

Меѓу предностите на уредот се следниве:

1. Време на плаќање. EDLC имаат време за полнење и празнење споредливо со конвенционалните кондензатори. Поради нискиот внатрешен отпор, може да се постигнат високи струи и празнења. За да се постигне целосно наполнета состојба, батеријата обично трае до неколку часа. На пример, како батерија на мобилен телефон, додека EDLC може да се наполни за помалку од две минути.
2. Специфична моќност. Специфичната енергија на батеријата или EDLC е мерка која се користи за споредување на различните технологии со излезна моќност поделена со вкупната маса на уредот. EDLC имаат специфична моќност од 5-10 пати поголема од онаа на батериите. На пример, додека литиум-јонските батерии имаат специфична моќност од 1-3 kW / kg, специфичната моќност на типичниот EDLC е околу 10 kW / kg. Оваа особина е особено важна кај апликациите кои бараат брзо ресетирање од уреди за складирање.
3. Одржливост и безбедност на циклусот. Батериите EDLC се побезбедни од конвенционалните батерии ако се неправилно ракувани. Додека батериите можат да експлодираат поради прекумерното загревање во случај на краток спој, EDLC не се загрева толку многу поради нискиот внатрешен отпор.
4. EDLC може да се полни и испразне милиони пати и да се разликуваат речиси неограничен живот, додека батериите имаат животниот циклус од 500 пати и помал. Ова го прави EDLC многу корисно во апликации каде се потребни чести складирања и распределба на моќ.
5. Животот на EDLC е 10 до 20 години, додека капацитетот за 10 години е намален од 100% до 80%.
6. Поради нивната ниска еквивалентна отпорност, EDLC обезбедува висока густина на моќност и високи оптоварувања за да се постигне речиси моментално полнење за неколку секунди. Температурните карактеристики се исто така силни, обезбедувајќи енергија на температури до -40 C °.

EDLC имаат некои недостатоци:

1. Еден недостаток е релативно ниската специфична енергија. Специфичната EDLC енергија е измерете ја вкупната количина на енергија, складирани во уредот, поделени со неговата тежина. Додека литиум-јонските батерии најчесто се користат во мобилните телефони имаат специфична енергија од 100-200 Wh / kg, EDLC може да складира само 5 W / kg. Ова значи дека EDLC, која има ист капацитет како конвенционална батерија, ќе тежи 40 пати повеќе.
2. Линеарен напон за празнење. На пример, батерија со номинален напон од 2.7V, кога напонот блиску до 2.7V сеуште ќе биде излезен со 50% полнење. EDLC, оценет на 2.7V со 50% полнење, произведува точно половина Максималниот полнеж е 1.35 V. Ова значи дека излезниот напон паѓа под минималниот работен напон на уредот што работи на EDLC и мора да се исклучи пред да го користи целиот полнеж во кондензаторот. Решението за овој проблем е да се користат DC конвертори. Сепак, овој пристап создава нови тешкотии, како што се ефикасноста и бучавата.
3. Тие не можат да се користат како постојан извор на енергија. Една ќелија обично има напон од 2,7 V и ако е потребен повисок напон, клетките мора да бидат поврзани серија.
4. Цената на конвенционалните EDLC е 20 пати повисока од онаа на Li-ion батериите. Сепак, тоа може да се намали поради новите технологии и масовното производство на јонистори.

Индустриска апликација

Бидејќи EDLC зафаќа површина помеѓу батериите и кондензаторите, тие можат да се користат во широк спектар на апликации. Кога се користи јонистор, може да се претпостави врз основа на неговата намена. Една од најинтересните употреби е складирањето на енергијата во динамичните системи за сопирање во автомобилската индустрија. Е во употреба електричен генератор, која ја претвора кинетичката енергија во електрична енергија и го складира во ЕДЦЛ. Потоа, оваа енергија може повторно да се искористи за да обезбеди моќ за забрзување.

Друг пример е апликациите со ниска моќност, каде што високиот капацитет не е задолжителен, но важно е да се обезбеди висок животен циклус или брзо полнење. Таквите апликации се фотографски блиц, MP3 плеери, статички уреди за складирање кои бараат нисконапонски извор на енергија за складирање на информации и така натаму.

Можни идни EDLC апликации се мобилните телефони, лаптопите, електричните возила и сите други уреди кои во моментов работат на батерии. Највозбудливата предност, од практична гледна точка, е нивната брза брзина на полнење - ова би значело полнење електричен автомобил во полначот неколку минути се додека батеријата не е целосно наполнета.

EDLC се користи во многу апликации за управување со енергија кои бараат голем број циклуси за брзо полнење / празнење краткорочни потреби во енергијата. Некои од овие апликации се користат во следниве области:

• напонска стабилизација во старт / стоп системи;
• електронски брави за врати во случај на дефекти на електрична енергија;
• регенеративни системи за сопирање;
• дистрибутивен чип;
• медицинска опрема;
• енергетски акумулатори;
• потрошувачка електроника;
• кујнски апарати;
• резервна копија на податоците од часовникот во реално време;
• режим на подготвеност;
• моќ на ветерот:
• енергетска ефикасност и контрола на фреквенцијата
• далечинска моќност за сензори, LED диоди, прекинувачи;
• резервна меморија;
• пакетно напојување.

Насоки за развој на supercapacitors

Нови ветувачки развој на јоните:

• Supercapacitors граден Скелетот технологија ќе бидат клучни играчи на EDLC. Во новите тестови во транспортната флота во Велика Британија, тие се користат за претворање на дизел-моторите во хибриди на сметка на моќноста од регенеративното сопирање. Хибридниот систем е развиен од Adgero и Skeleton Technologies наречен UltraBoost. За време на сопирањето, уредот станува генератор, враќајќи ја кинетичката енергија, која инаку би се изгубила во форма на тело. Во срцето на оваа технологија е банка од пет моќни суперкапацитори базирани на графин, познат како SkelMod.
• Zap Одете, стартување во Велика Британија, започнува нов тип на полнач специјално за бизнис патниците. Тој ги користи графенските суперкапикатори за да ги наполни телефоните во рок од пет минути.
• Итон нуди решенија за суперкапацити со големина на монета, големи клетки, мали цилиндрични ќелии и модули. На пример, нејзиниот Supercapacitor XLR 48V модул обезбедува енергија за складирање на моќни системи со фреквенција на полнење / испуштање во хибридни или електрични возила, јавен превоз, опрема за ракување, тешка опрема и офшор системи. XLR модулите се состојат од 18 одделни Eaton XL60 суперкапациенти дизајнирани да обезбедат 48, 6 V и 166 F со отпор од 5 mA за вклучување во системи кои бараат до 750 V.

• Маквел технолошките суперкарпикатори се користат за складирање на енергија со ресторативно сопирање во метро системот во Пекинг. Кинеската железница Ролинг берза Корп. (CRRC-SRI) ги користи Maxwell 48-V модулите во две групи регенеративни уреди за сопирање за заштеда на енергија за линијата No 8 на системот, градска железничка мрежа која се протега од север кон југ низ главниот град на Кина. Моделите на Maxwell од 48 V обезбедуваат долг работен век до 10 години и брзо полнење / празнење. Vishay нуди 220 EDLC ENYCAP со номинален напон од 2,7 V. Тоа може да се користи во неколку апликации, вклучувајќи резервната моќност, поддршка за пулсот уред за складирање на енергија енергија да се соберат енергија, микро снабдувањето со електрична енергија UPS-от и обновување на енергијата.
• Линеарната технологија нуди LTC3350, контролор за моќност на подготвеност кој може да наплаќа и следи сериска единица до четири суперкапацити. LTC3350 дизајниран за автомобилски и други транспортни апликации, ги нуди следните функции:

• Резервна моќност преку полнење на банката до четири супер-апарати во случај на прекин на електричната енергија. Може да работи со влезниот напон од 4,5 до 35 V и повеќе од 10 А задолжен за резервната моќност.
• Балансирање и заштита од пренапони за серија суперкапацитори.
• Контролен напон, струја и температура во системот.
• Внатрешни баланцери на кондензаторскиот напон, со што се елиминира потребата за балансирани отпорници.

Програмерите на јонистите се обидуваат постојано да ги надградуваат и да го зголемат специфичниот капацитет. Очигледно, во иднина батериите целосно ќе ги заменат суперкапацитетите. Резултатите од истражувањето на калифорниските научници покажаа дека новиот тип јонски разменувачи веќе неколку пати ги надминуваат неговите аналози во функционалноста.