Jonistorët janë kondensatorë elektrokimikë ose superkondensatorë me dy shtresa. Elektrodat e tyre metalike janë të veshura me karbon aktiv shumë poroz, të bërë tradicionalisht nga lëvozhgat e arrës së kokosit, por më shpesh nga aeroxheli i karbonit, nanotuba të tjerë nanokarboni ose grafeni. Midis këtyre elektrodave është një ndarës poroz që i mban elektrodat të ndara, kur plagosen në një spirale, e gjithë kjo është e ngopur me elektrolit. Disa forma novatore të jonistorit kanë një elektrolit të ngurtë. Ata zëvendësojnë bateritë tradicionale në furnizimin me energji të pandërprerë deri në kamionë, ku përdorin një superngarkues si burim energjie.
Parimi i punës
Jonistori përdor veprimin e një shtrese të dyfishtë të formuar në ndërfaqen midis qymyrit dhe elektrolitit. Karboni i aktivizuar përdoret si elektrodë në formë të ngurtë dhe elektrolit në formë të lëngshme. Kur këto materiale janë në kontakt me njëri-tjetrin, polet pozitive dhe negative shpërndahen në lidhje me njëri-tjetrin ngadistancë shumë e shkurtër. Kur aplikoni një fushë elektrike, shtresa elektrike e dyfishtë që formohet pranë sipërfaqes së karbonit në lëngun elektrolitik përdoret si strukturë kryesore.
Përparësia e dizajnit:
- Siguron kapacitet në një pajisje të vogël, nuk ka nevojë për qarqe të posaçme karikimi për t'u kontrolluar gjatë shkarkimit në pajisjet e mbingarkuara.
- Ringarkimi ose shkarkimi i tepërt nuk ndikon negativisht në jetëgjatësinë e baterisë si me bateritë tipike.
- Teknologjia është jashtëzakonisht "e pastër" në aspektin ekologjik.
- Nuk ka probleme me kontaktet e paqëndrueshme si bateritë normale.
Difektet e dizajnit:
- Kohëzgjatja e funksionimit është e kufizuar për shkak të përdorimit të elektrolitit në pajisjet që përdorin një superkondensator.
- Elektroliti mund të rrjedhë nëse kondensatori nuk mirëmbahet siç duhet.
- Krahasuar me kondensatorët e aluminit, këta kondensatorë kanë rezistencë të lartë dhe për këtë arsye nuk mund të përdoren në qarqet AC.
Duke përdorur avantazhet e përshkruara më sipër, kondensatorët elektrikë përdoren gjerësisht në aplikime të tilla si:
- Rezervimi i memories për kohëmatës, programe, energji celulare, etj.
- Pajisje video dhe audio.
- Burimet rezervë kur ndërroni bateritë për pajisjet elektronike portative.
- Furnizime me energji për pajisjet me energji diellore si orët dhe treguesit.
- Starterë për motorë të vegjël dhe të lëvizshëm.
Reaksionet redoks
Akumulatori i ngarkesës ndodhet në ndërfaqen midis elektrodës dhe elektrolitit. Gjatë procesit të karikimit, elektronet lëvizin nga elektroda negative në elektrodën pozitive përgjatë qarkut të jashtëm. Gjatë shkarkimit, elektronet dhe jonet lëvizin në drejtim të kundërt. Nuk ka asnjë transferim ngarkese në një superkondensator EDLC. Në këtë lloj superkondensatori, në elektrodë ndodh një reaksion redoks, i cili gjeneron ngarkesa dhe bart ngarkesën përmes shtresave të dyfishta të konstruksionit, ku përdoret një jonist.
Për shkak të reaksionit redoks që ndodh në këtë lloj, ekziston një potencial për densitet më të ulët të fuqisë se EDLC sepse sistemet Faradaike janë më të ngad alta se sistemet jo-faradike. Si rregull i përgjithshëm, pseudokapaktorët sigurojnë kapacitet specifik dhe densitet energjie më të lartë se EDLC për shkak të faktit se ato janë të sistemit faraday. Megjithatë, zgjedhja e saktë e superkondensatorit varet nga aplikimi dhe disponueshmëria.
Materiale me bazë grafen
Superkondensatori karakterizohet nga aftësia për të ngarkuar shpejt, shumë më shpejt se një bateri tradicionale, por nuk është në gjendje të ruajë aq energji sa një bateri, sepse ka një densitet më të ulët të energjisë. Rritja e efikasitetit të tyre arrihet përmes përdorimit të nanotubave të grafenit dhe karbonit. Ata do të ndihmojnë në të ardhmen jonistorët të zëvendësojnë plotësisht bateritë elektrokimike. Nanoteknologjia sot është burimi i shumë njerëzverisi, veçanërisht në e-mobil.
Grafeni rrit kapacitetin e superkondensatorëve. Ky material revolucionar përbëhet nga fletë, trashësia e të cilave mund të kufizohet nga trashësia e atomit të karbonit dhe struktura atomike e të cilave është ultra e dendur. Karakteristikat e tilla mund të zëvendësojnë silikonin në elektronikë. Një ndarës poroz vendoset midis dy elektrodave. Sidoqoftë, ndryshimet në mekanizmin e ruajtjes dhe zgjedhjen e materialit të elektrodës çojnë në klasifikime të ndryshme të superkondensatorëve me kapacitet të lartë:
- Kondensatorë elektrokimikë me dy shtresa (EDLC), të cilët përdorin kryesisht elektroda me karbon të lartë dhe ruajnë energjinë e tyre duke thithur me shpejtësi jonet në ndërfaqen e elektrodës/elektrolitit.
- Psuedo-kondensatorët bazohen në procesin fagjik të transferimit të ngarkesës në ose afër sipërfaqes së elektrodës. Në këtë rast, polimerët përçues dhe oksidet e metaleve kalimtare mbeten materiale aktive elektrokimike, të tilla si ato që gjenden në orët elektronike që funksionojnë me bateri.
Pajisje polimer fleksibël
Superkondensatori fiton dhe ruan energji me një shpejtësi të lartë duke formuar shtresa të dyfishta të ngarkesës elektrokimike ose nëpërmjet reaksioneve redoks sipërfaqësore, duke rezultuar në densitet të lartë të fuqisë me stabilitet ciklik afatgjatë, kosto të ulët dhe mbrojtje mjedisore. PDMS dhe PET janë substratet më të përdorura në zbatimin e superkondensatorëve fleksibël. Në rastin e filmit, PDMS mund të krijojë fleksibël dhejonistorë transparentë me film të hollë në orët me qëndrueshmëri të lartë ciklike pas 10,000 cikleve fleksibël.
Nanotubat karboni me një mur të vetëm mund të përfshihen më tej në filmin PDMS për të përmirësuar më tej stabilitetin mekanik, elektronik dhe termik. Në mënyrë të ngjashme, materialet përçuese si grafeni dhe CNT janë gjithashtu të veshura me film PET për të arritur fleksibilitet të lartë dhe përçueshmëri elektrike. Përveç PDMS dhe PET, edhe materiale të tjera polimerike po tërheqin interes në rritje dhe sintetizohen me metoda të ndryshme. Për shembull, rrezatimi lazer pulsues i lokalizuar është përdorur për të transformuar shpejt sipërfaqen parësore në një strukturë karboni poroze përçuese elektrike me grafikë të specifikuar.
Polimerët natyralë si fibrat e drurit dhe materialet jo të endura prej letre mund të përdoren gjithashtu si nënshtresa, të cilat janë fleksibël dhe të lehta. CNT depozitohet në letër për të formuar një elektrodë fleksibël letre CNT. Për shkak të fleksibilitetit të lartë të nënshtresës së letrës dhe shpërndarjes së mirë të CNT-ve, kapaciteti specifik dhe fuqia dhe dendësia e energjisë ndryshojnë me më pak se 5% pas përkuljes për 100 cikle në një rreze kthese prej 4,5 mm. Përveç kësaj, për shkak të forcës më të lartë mekanike dhe stabilitetit më të mirë kimik, letrat bakteriale nanoceluloze përdoren gjithashtu për të bërë superkondensatorë fleksibël si kasetofon Walkman.
Performanca e superkondensatorit
Përcaktohet në terma tëaktiviteti elektrokimik dhe vetitë kinetike kimike, përkatësisht: kinetika e elektroneve dhe joneve (transportimi) brenda elektrodave dhe efikasiteti i shpejtësisë së transferimit të ngarkesës në elektrodë/elektrolit. Sipërfaqja specifike, përçueshmëria elektrike, madhësia e poreve dhe ndryshimet janë të rëndësishme për performancë të lartë kur përdoren materiale karboni me bazë EDLC. Grafeni, me përçueshmërinë e tij të lartë elektrike, sipërfaqen e madhe dhe strukturën ndërshtresore, është tërheqës për përdorim në EDLC.
Në rastin e pseudokondensatorëve, megjithëse ato ofrojnë kapacitet më të lartë në krahasim me EDLC, ata janë ende të kufizuar në densitet nga fuqia e ulët e çipit CMOS. Kjo është për shkak të përçueshmërisë së dobët elektrike, e cila kufizon lëvizjen e shpejtë elektronike. Përveç kësaj, procesi redoks që drejton procesin e ngarkimit/shkarkimit mund të dëmtojë materialet elektroaktive. Përçueshmëria e lartë elektrike e grafenit dhe forca e tij e shkëlqyer mekanike e bëjnë atë të përshtatshëm si material në pseudokondensatorë.
Studimet e adsorbimit në grafen kanë treguar se ai ndodh kryesisht në sipërfaqen e fletëve të grafenit me akses në pore të mëdha (d.m.th., struktura ndërshtresore është poroze, duke lejuar qasje të lehtë në jonet e elektrolitit). Kështu, grumbullimi i grafenit jo poroz duhet të shmanget për performancë më të mirë. Performanca mund të përmirësohet më tej nga modifikimi i sipërfaqes me shtimin e grupit funksional, hibridizimin me polimere elektrikisht përçues dhe me formimin e kompozitave grafen/oksidmetal.
Krahasimi i kondensatorëve
Supercaps janë ideale kur kërkohet karikim i shpejtë për të përmbushur nevojat afatshkurtra të energjisë. Bateria hibride plotëson të dyja nevojat dhe ul tensionin për jetë më të gjatë. Tabela e mëposhtme tregon krahasimin e karakteristikave dhe materialeve kryesore në kondensatorë.
| Kondensator elektrik me dy shtresa, emërtimi i jonistorit | kondensator elektrolitik alumini | Bateri Ni-cd | Bateri e mbyllur me plumb | |
| Përdor diapazonin e temperaturës | -25 deri në 70°C | -55 deri në 125 °C | -20 deri në 60 °C | -40 deri në 60 °C |
| Elektroda | Karboni i aktivizuar | Alumin | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Lëng elektrolitik | Trets organik | Trets organik | KOH |
H2SO4 |
| Metoda e forcës elektromotore | Përdorimi i efektit elektrik natyral të dyfishtë si dielektrik | Përdorimi i oksidit të aluminit si dielektrik | Përdorimi i një reaksioni kimik | Përdorimi i një reaksioni kimik |
| Ndotja | Jo | Jo | CD | Pb |
| Numri i cikleve të karikimit/shkarkimit | > 100,000 herë | > 100,000 herë | 500 herë | 200 deri në 1000 herë |
| Kapaciteti për njësi vëllimi | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Karakteristika e tarifimit
Koha e karikimit 1-10 sekonda. Tarifa fillestare mund të përfundojë shumë shpejt dhe tarifimi më i lartë do të marrë kohë shtesë. Duhet t'i kushtohet vëmendje kufizimit të rrymës së hyrjes kur ngarkoni një superkondensator bosh, pasi ai do të tërheqë sa më shumë që të jetë e mundur. Superkondensatori nuk është i rikarikueshëm dhe nuk kërkon zbulim të plotë të ngarkesës, rryma thjesht ndalon të rrjedhë kur është plot. Krahasimi i performancës midis supermbushësit për makinë dhe Li-ion.
| Funksion | Ionistor | Li-Ion (e përgjithshme) |
| Koha e karikimit | 1-10 sekonda | 10-60 minuta |
| Shikoni ciklin jetësor | 1 milion ose 30,000 | 500 e lart |
| Tension | Nga 2, 3 në 2, 75B | 3, 6 B |
| Energji specifike (W/kg) | 5 (tipike) | 120-240 |
| Fuqia specifike (W/kg) | Deri në 10000 | 1000-3000 |
| Kosto për kWh | $10,000 | 250-1000 $ |
| Lifetime | 10-15 vjet | 5 deri në 10 vjeç |
| Temperatura e karikimit | -40 deri në 65°C | 0 deri në 45 °C |
| Temperatura e shkarkimit | -40 deri në 65°C | -20 deri në 60°C |
Përfitimet e pajisjeve të karikimit
Mjetet kanë nevojë për një nxitje shtesë energjie për t'u përshpejtuar, dhe këtu hyjnë superngarkuesit. Ata kanë një limit në ngarkesën totale, por janë në gjendje ta transferojnë atë shumë shpejt, duke i bërë ato bateri ideale. Përparësitë e tyre ndaj baterive tradicionale:
- Rezistenca e ulët (ESR) rrit rrymën e mbitensionit dhe ngarkesën kur lidhet paralelisht me baterinë.
- Cikël shumë i lartë - shkarkimi zgjat milisekonda në minuta.
- Rënia e tensionit në krahasim me pajisjen me bateri pa superkondensator.
- Efiçenca e lartë në 97-98%, dhe efikasiteti DC-DC në të dy drejtimet është 80%-95% në shumicën e aplikacioneve, si p.sh.videoregjistrues me jonistorë.
- Në një automjet hibrid elektrik, efikasiteti i rrethrrotullimit është 10% më i madh se ai i një baterie.
- Funksionon mirë në një gamë shumë të gjerë temperaturash, zakonisht -40 C deri +70 C, por mund të jetë nga -50 C në +85 C, versione speciale të disponueshme deri në 125 C.
- Sasi e vogël nxehtësie e krijuar gjatë karikimit dhe shkarkimit.
- Jetë e gjatë cikli me besueshmëri të lartë, duke reduktuar kostot e mirëmbajtjes.
- Degradim i lehtë gjatë qindra mijëra cikleve dhe që zgjat deri në 20 milionë cikle.
- Ata humbasin jo më shumë se 20% të kapacitetit të tyre pas 10 vjetësh dhe kanë një jetëgjatësi prej 20 vjetësh ose më shumë.
- Rezistent ndaj konsumit.
- Nuk ndikon në shkarkimet e thella si bateritë.
- Rritja e sigurisë në krahasim me bateritë - pa rrezik mbingarkimi ose shpërthimi.
- Nuk përmban materiale të rrezikshme për t'u hedhur në fund të jetës, ndryshe nga shumë bateri.
- Përputhet me standardet mjedisore, kështu që nuk ka asgjësim ose riciklim të komplikuar.
Teknologji e frenimit
Superkondensatori përbëhet nga dy shtresa grafeni me një shtresë elektrolite në mes. Filmi është i fortë, jashtëzakonisht i hollë dhe i aftë për të çliruar një sasi të madhe energjie në një kohë të shkurtër, por megjithatë, ka disa probleme të pazgjidhura që po pengojnë përparimin teknologjik në këtë drejtim. Disavantazhet e superkondensatorit ndaj baterive të rikarikueshme:
- Densitet i ulët i energjisë - zakonishtmerr nga 1/5 deri në 1/10 të energjisë së një baterie elektrokimike.
- Shkarkimi i linjës - dështimi për të përdorur spektrin e plotë të energjisë, në varësi të aplikacionit, jo e gjithë energjia është e disponueshme.
- Ashtu si me bateritë, qelizat janë të tensionit të ulët, kërkohen lidhje serike dhe balancimi i tensionit.
- Vetëshkarkimi është shpesh më i lartë se bateritë.
- Tensioni ndryshon me energjinë e ruajtur - ruajtja dhe rikuperimi efikas i energjisë kërkon kontroll të sofistikuar elektronik dhe pajisje komutuese.
- Ka absorbimin më të lartë dielektrik nga të gjitha llojet e kondensatorëve.
- Temperatura e sipërme e përdorimit është zakonisht 70 C ose më pak dhe rrallë i kalon 85 C.
- Shumica përmbajnë një elektrolit të lëngshëm që zvogëlon madhësinë e nevojshme për të parandaluar shkarkimin e shpejtë të paqëllimshëm.
- Kosto e lartë e energjisë elektrike për vat.
Hybrid Magazinimi
Dizajni special dhe teknologjia e integruar e elektronikës së energjisë janë zhvilluar për të prodhuar module kondensatorësh me strukturë të re. Meqenëse modulet e tyre duhet të prodhohen duke përdorur teknologji të reja, ato mund të integrohen në panelet e trupit të makinës si çatia, dyert dhe kapaku i bagazhit. Përveç kësaj, janë shpikur teknologji të reja të balancimit të energjisë që reduktojnë humbjet e energjisë dhe madhësinë e qarqeve të balancimit të energjisë në sistemet e ruajtjes së energjisë dhe pajisjeve.
Janë zhvilluar gjithashtu një seri teknologjish të lidhura, si kontrolli i karikimit dheshkarkimin, si dhe lidhjet me sisteme të tjera të ruajtjes së energjisë. Një modul superkondensator me një kapacitet nominal 150F, një tension nominal prej 50V mund të vendoset në sipërfaqe të sheshta dhe të lakuar me një sipërfaqe prej 0,5 metra katrorë. m dhe 4 cm të trasha. Aplikime të aplikueshme për automjetet elektrike dhe mund të integrohen me pjesë të ndryshme të automjetit dhe raste të tjera ku kërkohen sisteme të ruajtjes së energjisë.
Aplikim dhe perspektiva
Në SHBA, Rusi dhe Kinë ka autobusë pa bateri tërheqëse, e gjithë puna bëhet nga jonistorët. General Electric ka zhvilluar një kamionçinë me një superkondensator për të zëvendësuar baterinë, e ngjashme me atë që ka ndodhur në disa raketa, lodra dhe vegla elektrike. Testet kanë treguar se superkondensatorët kanë performancë më të mirë se bateritë me acid plumbi në turbinat e erës, gjë që u arrit pa densitetin e energjisë së superkondensatorit që i afrohej asaj të baterive me acid plumbi.
Tani është e qartë se superkondensatorët do të groposin bateritë me acid plumbi gjatë viteve të ardhshme, por kjo është vetëm një pjesë e historisë, pasi ato po përmirësohen më shpejt se konkurrenca. Furnizuesit si Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments dhe Skeleton Technologies kanë thënë se e tejkalojnë densitetin e energjisë së baterive me acid plumbi me superkondensatorët dhe superbakteret e tyre, disa prej të cilëve teorikisht përputhen me densitetin e energjisë të joneve të litiumit.
Megjithatë, jonistori në një automjet elektrik është një nga aspektet e elektronikës dhe inxhinierisë elektrike qëinjoruar nga shtypi, investitorët, furnitorët e mundshëm dhe shumë njerëz që jetojnë me teknologjinë e vjetër, pavarësisht rritjes së shpejtë të tregut shumë miliardë dollarësh. Për shembull, për automjetet tokësore, ujore dhe ajrore, ka rreth 200 prodhues të mëdhenj të motorëve tërheqës dhe 110 furnizues kryesorë të baterive tërheqëse në krahasim me disa prodhues të superkondensatorëve. Në përgjithësi, nuk ka më shumë se 66 prodhues të mëdhenj të jonistorëve në botë, shumica e të cilëve e kanë fokusuar prodhimin e tyre në modele më të lehta për elektronikën e konsumit.
