Ionistor jsou dvouvrstvé elektrochemické kondenzátory nebo superkondenzátory. Jejich kovové elektrody jsou potaženy vysoce porézním aktivním uhlím, tradičně vyráběným ze skořápek kokosových ořechů, ale nejčastěji z uhlíkového aerogelu, jiných nanokarbonových nebo grafenových nanotrubiček. Mezi těmito elektrodami je porézní separátor, který drží elektrody od sebe, při navinutí do spirály je to vše napuštěno elektrolytem. Některé inovativní formy ionistoru mají pevný elektrolyt. Nahrazují tradiční baterie v nepřerušitelných zdrojích energie až po nákladní automobily, kde jako zdroj energie používají nabíječku.
Funkční princip
Ionistor využívá působení dvojité vrstvy vytvořené na rozhraní mezi uhlím a elektrolytem. Aktivní uhlí se používá jako elektroda v pevné formě a elektrolyt v kapalné formě. Když jsou tyto materiály ve vzájemném kontaktu, kladné a záporné póly jsou vzájemně rozděleny pomocívelmi krátká vzdálenost. Při aplikaci elektrického pole se jako hlavní struktura používá elektrická dvojitá vrstva, která se tvoří blízko povrchu uhlíku v elektrolytické kapalině.
Výhoda designu:
- Poskytuje kapacitu v malém zařízení, není potřeba speciálních nabíjecích obvodů pro ovládání během vybíjení v přeplňovaných zařízeních.
- Nabíjení nebo nadměrné vybíjení nemá nepříznivý vliv na životnost baterie jako u typických baterií.
- Technologie je extrémně „čistá“z hlediska ekologie.
- Žádné problémy s nestabilními kontakty jako u běžných baterií.
Konstrukční nedostatky:
- Doba provozu je omezena kvůli použití elektrolytu v zařízeních, která používají superkondenzátor.
- Pokud kondenzátor není správně udržován, může dojít k úniku elektrolytu.
- Ve srovnání s hliníkovými kondenzátory mají tyto kondenzátory vysoký odpor, a proto je nelze použít ve střídavých obvodech.
S využitím výše popsaných výhod jsou elektrické kondenzátory široce používány v aplikacích, jako jsou:
- Rezervace paměti pro časovače, programy, napájení e-mobilu atd.
- Video a audio zařízení.
- Záložní zdroje při výměně baterií v přenosných elektronických zařízeních.
- Napájecí zdroje pro solární zařízení, jako jsou hodiny a indikátory.
- Startéry pro malé a mobilní motory.
Redoxní reakce
Akumulátor náboje se nachází na rozhraní mezi elektrodou a elektrolytem. Během procesu nabíjení se elektrony pohybují od záporné elektrody ke kladné elektrodě podél vnějšího obvodu. Během vybíjení se elektrony a ionty pohybují opačným směrem. V superkondenzátoru EDLC nedochází k žádnému přenosu náboje. U tohoto typu superkondenzátoru dochází na elektrodě k redoxní reakci, která generuje náboje a přenáší náboj přes dvojité vrstvy konstrukce, kde je použit ionistor.
Vzhledem k redoxní reakci, která se u tohoto typu vyskytuje, existuje potenciál pro nižší hustotu výkonu než u EDLC, protože Faradaické systémy jsou pomalejší než nefaradaické systémy. Obecným pravidlem je, že pseudokapaktory poskytují vyšší specifickou kapacitu a hustotu energie než EDLC díky skutečnosti, že jsou z faradayova systému. Správná volba superkondenzátoru však závisí na aplikaci a dostupnosti.
Materiály na bázi grafenu
Superkondenzátor se vyznačuje schopností rychle se nabíjet, mnohem rychleji než tradiční baterie, ale není schopen uložit tolik energie jako baterie, protože má nižší hustotu energie. Jejich zvýšení účinnosti je dosaženo použitím grafenových a uhlíkových nanotrubic. V budoucnu pomohou ionistory zcela nahradit elektrochemické baterie. Nanotechnologie je dnes zdrojem mnohainovace, zejména v e-mobilech.
Graphene zvyšuje kapacitu superkondenzátorů. Tento revoluční materiál se skládá z plátů, jejichž tloušťka může být omezena tloušťkou atomu uhlíku a jejichž atomová struktura je ultrahustá. Takové vlastnosti mohou nahradit křemík v elektronice. Mezi dvě elektrody je umístěn porézní separátor. Rozdíly v mechanismu uložení a výběr materiálu elektrod však vedou k různým klasifikacím vysokokapacitních superkondenzátorů:
- Elektrochemické dvouvrstvé kondenzátory (EDLC), které většinou používají uhlíkové elektrody s vysokým obsahem uhlíku a ukládají svou energii rychlou adsorpcí iontů na rozhraní elektroda/elektrolyt.
- Psuedokondenzátory jsou založeny na fagickém procesu přenosu náboje na povrchu elektrody nebo v jeho blízkosti. V tomto případě vodivé polymery a oxidy přechodných kovů zůstávají elektrochemicky aktivními materiály, jako jsou ty, které se nacházejí v elektronických hodinkách na baterie.
Flexibilní polymerová zařízení
Superkondenzátor získává a ukládá energii vysokou rychlostí vytvářením elektrochemických dvojvrstev náboje nebo povrchovými redoxními reakcemi, což má za následek vysokou hustotu výkonu s dlouhodobou cyklickou stabilitou, nízkou cenu a ochranu životního prostředí. PDMS a PET jsou nejčastěji používané substráty při implementaci flexibilních superkondenzátorů. V případě filmu může PDMS vytvářet flexibilní atransparentní tenkovrstvé ionistory v hodinkách s vysokou cyklickou stabilitou po 10 000 ohybových cyklech.
Jednostěnné uhlíkové nanotrubice mohou být dále začleněny do filmu PDMS pro další zlepšení mechanické, elektronické a tepelné stability. Podobně jsou vodivé materiály, jako je grafen a CNT, také potaženy PET filmem, aby se dosáhlo vysoké flexibility a elektrické vodivosti. Kromě PDMS a PET přitahují rostoucí zájem i další polymerní materiály, které jsou syntetizovány různými metodami. Například lokalizované pulzní laserové záření bylo použito k rychlé přeměně primárního povrchu na elektricky vodivou porézní uhlíkovou strukturu se specifikovanou grafikou.
Přírodní polymery, jako jsou dřevěná vlákna a papírové netkané textilie, lze také použít jako substráty, které jsou flexibilní a lehké. CNT se nanese na papír, aby se vytvořila flexibilní papírová elektroda CNT. Díky vysoké flexibilitě papírového substrátu a dobré distribuci CNT se měrná kapacita a hustota výkonu a energie po ohýbání po 100 cyklech při poloměru ohybu 4,5 mm mění o méně než 5 %. Kromě toho se díky vyšší mechanické pevnosti a lepší chemické stabilitě používají bakteriální nanocelulózové papíry také k výrobě flexibilních superkondenzátorů, jako je například přehrávač kazet walkman.
Výkon superkondenzátoru
Je definován v termínechelektrochemická aktivita a chemické kinetické vlastnosti, jmenovitě: elektronová a iontová kinetika (transport) uvnitř elektrod a účinnost rychlosti přenosu náboje na elektrodu/elektrolyt. Specifický povrch, elektrická vodivost, velikost pórů a rozdíly jsou důležité pro vysoký výkon při použití uhlíkových materiálů na bázi EDLC. Grafen se svou vysokou elektrickou vodivostí, velkým povrchem a strukturou mezivrstvy je atraktivní pro použití v EDLC.
V případě pseudokondenzátorů, přestože poskytují lepší kapacitu ve srovnání s EDLC, jsou stále omezeny v hustotě nízkým výkonem čipu CMOS. To je způsobeno špatnou elektrickou vodivostí, která omezuje rychlý elektronický pohyb. Kromě toho může redoxní proces, který řídí proces nabíjení/vybíjení, poškodit elektroaktivní materiály. Vysoká elektrická vodivost grafenu a jeho vynikající mechanická pevnost jej předurčují jako materiál v pseudokondenzátorech.
Studie adsorpce na grafenu ukázaly, že se vyskytuje hlavně na povrchu grafenových plátů s přístupem k velkým pórům (tj. mezivrstvová struktura je porézní, což umožňuje snadný přístup k iontům elektrolytu). Pro lepší výkon je tedy třeba se vyhnout aglomeraci neporézního grafenu. Výkon lze dále zlepšit úpravou povrchu přidáním funkčních skupin, hybridizací s elektricky vodivými polymery a vytvořením kompozitů grafen/oxidkov.
Porovnání kondenzátorů
Supercaps jsou ideální, když je vyžadováno rychlé nabíjení ke splnění krátkodobých potřeb energie. Hybridní baterie uspokojuje obě potřeby a snižuje napětí pro delší životnost. Níže uvedená tabulka ukazuje srovnání charakteristik a hlavních materiálů v kondenzátorech.
| Elektrický dvouvrstvý kondenzátor, označení ionistor | Hliníkový elektrolytický kondenzátor | Ni-cd baterie | Uzavřená olověná baterie | |
| Použít teplotní rozsah | -25 až 70 °C | -55 až 125 °C | -20 až 60 °C | -40 až 60 °C |
| Elektrody | Aktivní uhlí | Hliník | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Elektrolytická kapalina | Organické rozpouštědlo | Organické rozpouštědlo | KOH |
H2SO4 |
| Metoda elektromotorické síly | Použití přirozeného elektrického dvouvrstvého efektu jako dielektrika | Použití oxidu hlinitého jako dielektrika | Použití chemické reakce | Použití chemické reakce |
| Pollution | Ne | Ne | CD | Pb |
| Počet cyklů nabití/vybití | > 100 000krát | > 100 000krát | 500krát | 200 až 1000krát |
| Kapacita na jednotku objemu | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
charakteristika nabíjení
Doba nabíjení 1-10 sekund. Počáteční nabití lze dokončit velmi rychle a horní nabití zabere více času. Je třeba zvážit omezení náběhového proudu při nabíjení prázdného superkondenzátoru, protože odebere co nejvíce. Superkondenzátor není dobíjecí a nevyžaduje detekci plného nabití, při nabití jednoduše přestane téct proud. Srovnání výkonu mezi kompresorem pro auto a Li-ion.
| Funkce | Ionistor | Li-Ion (obecně) |
| Doba nabíjení | 1–10 sekund | 10–60 minut |
| Životní cyklus hodinek | 1 milion nebo 30 000 | 500 a více |
| Napětí | Od 2, 3 do 2, 75B | 3, 6 B |
| Specifická energie (W/kg) | 5 (typické) | 120–240 |
| Specifický výkon (W/kg) | Až 10 000 | 1000–3000 |
| Cena za kWh | $10 000 | 250–1 000 $ |
| Lifetime | 10–15 let | 5 až 10 let |
| Teplota nabíjení | -40 až 65°C | 0 až 45 °C |
| Výtlačná teplota | -40 až 65°C | -20 až 60 °C |
Výhody nabíjecích zařízení
Vozidla potřebují ke zrychlení dodatečný přísun energie, a to je místo, kde přichází na řadu kompresory. Mají limit na celkové nabití, ale dokážou ho přenést velmi rychle, takže jsou ideální baterie. Jejich výhody oproti tradičním bateriím:
- Nízká impedance (ESR) zvyšuje rázový proud a zátěž při paralelním zapojení s baterií.
- Velmi vysoký cyklus – vybíjení trvá milisekundy až minuty.
- Pokles napětí v porovnání se zařízením napájeným baterií bez superkondenzátoru.
- Vysoká účinnost při 97–98 % a účinnost DC-DC v obou směrech je 80 % až 95 % ve většině aplikací, jako je např.videorekordér s ionistory.
- U hybridního elektrického vozidla je účinnost kruhového objezdu o 10 % vyšší než u baterie.
- Funguje dobře ve velmi širokém teplotním rozsahu, typicky -40 C až +70 C, ale může být od -50 C do +85 C, speciální verze jsou k dispozici až do 125 C.
- Malé množství tepla generované během nabíjení a vybíjení.
- Dlouhá životnost s vysokou spolehlivostí, snížení nákladů na údržbu.
- Nepatrná degradace během stovek tisíc cyklů a trvající až 20 milionů cyklů.
- Po 10 letech neztrácejí více než 20 % své kapacity a mají životnost 20 let nebo více.
- Odolné proti opotřebení.
- Neovlivňuje hluboké vybití jako baterie.
- Větší bezpečnost ve srovnání s bateriemi – žádné nebezpečí přebití nebo výbuchu.
- Neobsahuje žádné nebezpečné materiály k likvidaci na konci životnosti na rozdíl od mnoha baterií.
- Vyhovuje ekologickým standardům, takže odpadá složitá likvidace nebo recyklace.
Restraint Technology
Superkondenzátor se skládá ze dvou vrstev grafenu s vrstvou elektrolytu uprostřed. Fólie je pevná, extrémně tenká a schopná uvolnit velké množství energie v krátkém čase, ale přesto existují určité nevyřešené problémy, které brzdí technologický pokrok v tomto směru. Nevýhody superkondenzátoru oproti dobíjecím bateriím:
- Nízká hustota energie – obvyklebere 1/5 až 1/10 energie elektrochemické baterie.
- Vedení výboje – nevyužití celého energetického spektra, v závislosti na aplikaci není k dispozici veškerá energie.
- Stejně jako u baterií jsou články nízkonapěťové, je nutné sériové připojení a vyvážení napětí.
- Samovolné vybíjení je často vyšší než u baterií.
- Napětí se mění s uloženou energií – efektivní skladování a obnova energie vyžaduje sofistikované elektronické ovládání a spínací zařízení.
- Má nejvyšší dielektrickou absorpci ze všech typů kondenzátorů.
- Horní teplota použití je obvykle 70 C nebo méně a zřídka přesahuje 85 C.
- Většina z nich obsahuje tekutý elektrolyt, který zmenšuje velikost potřebnou k zabránění nechtěnému rychlému vybití.
- Vysoké náklady na elektřinu na watt.
Hybridní úložiště
Speciální design a vestavěná technologie výkonové elektroniky byla vyvinuta pro výrobu kondenzátorových modulů s novou strukturou. Protože jejich moduly musí být vyrobeny pomocí nových technologií, mohou být integrovány do panelů karoserie, jako je střecha, dveře a víko kufru. Kromě toho byly vynalezeny nové technologie vyrovnávání energie, které snižují energetické ztráty a velikost obvodů pro vyrovnávání energie v systémech skladování energie a zařízení.
Byla také vyvinuta řada souvisejících technologií, jako je řízení nabíjení avybíjení, stejně jako připojení k dalším systémům skladování energie. Superkondenzátorový modul s jmenovitou kapacitou 150F, jmenovitým napětím 50V lze umístit na rovné a zakřivené povrchy o ploše 0,5 m2. m a 4 cm tloušťky. Aplikace použitelné pro elektrická vozidla a mohou být integrovány s různými částmi vozidla a dalšími případy, kdy jsou vyžadovány systémy pro skladování energie.
Aplikace a perspektivy
V USA, Rusku a Číně jezdí autobusy bez trakčních baterií, veškerou práci dělají ionistory. General Electric vyvinula pickup se superkondenzátorem pro výměnu baterie, podobně jako se to stalo u některých raket, hraček a elektrického nářadí. Testy ukázaly, že superkondenzátory překonávají olověné baterie ve větrných turbínách, čehož bylo dosaženo, aniž by se hustota energie superkondenzátoru blížila hustotě energie olověných baterií.
Nyní je jasné, že superkondenzátory během několika příštích let pohřbí olověné baterie, ale to je jen část příběhu, protože se zlepšují rychleji než konkurence. Dodavatelé jako Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments a Skeleton Technologies uvedli, že svými superkondenzátory a superbugy překračují energetickou hustotu olověných baterií, z nichž některé teoreticky odpovídají energetické hustotě iontů lithia.
Ionistor v elektrickém vozidle je však jedním z aspektů elektroniky a elektrotechniky, kterýignorován tiskem, investory, potenciálními dodavateli a mnoha lidmi, kteří žijí se starou technologií, navzdory rychlému růstu multimiliardového trhu. Například pro pozemní, vodní a vzdušná vozidla existuje asi 200 hlavních výrobců trakčních motorů a 110 hlavních dodavatelů trakčních baterií ve srovnání s několika málo výrobci superkondenzátorů. Obecně platí, že na světě není více než 66 velkých výrobců ionistorů, z nichž většina zaměřila svou výrobu na lehčí modely pro spotřební elektroniku.
