Wo wird der Ionistor eingesetzt? Arten von Ionistoren, ihr Zweck, Vor- und Nachteile

2024 Autor: Trinity Chesterton | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-16 14:54

Ionistor sind elektrochemische Doppelschichtkondensatoren oder Superkondensatoren. Ihre Metallelektroden sind mit hochporöser Aktivkohle beschichtet, die traditionell aus Kokosnussschalen hergestellt wird, meistens jedoch aus Kohlenstoff-Aerogel, anderen Nanokohlenstoff- oder Graphen-Nanoröhren. Zwischen diesen Elektroden befindet sich ein poröser Separator, der die Elektroden voneinander entfernt hält, wenn er auf eine Spirale gewickelt wird, all dies ist mit Elektrolyt imprägniert. Einige innovative Formen von Ionistoren haben einen festen Elektrolyten. Sie ersetzen traditionelle Batterien in unterbrechungsfreien Stromversorgungen bis hin zu LKWs, wo sie einen Kompressor als Energiequelle nutzen.

Funktionsprinzip

Der Ionistor nutzt die Wirkung einer Doppelschicht, die sich an der Grenzfläche zwischen Kohle und Elektrolyt bildet. Aktivkohle wird als Elektrode in fester Form und Elektrolyt in flüssiger Form verwendet. Wenn diese Materialien miteinander in Kontakt sind, werden die positiven und negativen Pole relativ zueinander dadurch verteiltsehr kurze Distanz. Beim Anlegen eines elektrischen Feldes wird die elektrische Doppelschicht, die sich nahe der Oberfläche des Kohlenstoffs in der Elektrolytflüssigkeit bildet, als Hauptstruktur verwendet.

Designvorteil:

Bietet Kapazität in einem kleinen Gerät, keine Notwendigkeit für spezielle Ladesch altkreise zur Steuerung während des Entladens in aufgeladenen Geräten.
Wiederaufladen oder Tiefentladung beeinträchtigt die Lebensdauer der Batterie nicht wie bei typischen Batterien.
Technik ist ökologisch extrem "sauber".
Keine Probleme mit instabilen Kontakten wie bei normalen Batterien.

Designfehler:

Die Betriebsdauer ist aufgrund der Verwendung von Elektrolyt in Geräten, die einen Superkondensator verwenden, begrenzt.
Elektrolyt kann auslaufen, wenn der Kondensator nicht ordnungsgemäß gewartet wird.
Im Vergleich zu Aluminiumkondensatoren haben diese Kondensatoren hohe Widerstände und können daher nicht in Wechselstromkreisen verwendet werden.

Unter Ausnutzung der oben beschriebenen Vorteile werden elektrische Kondensatoren häufig in Anwendungen eingesetzt wie:

Speicher reservieren für Timer, Programme, E-Mobilstrom etc.
Video- und Audiogeräte.
Ersatzquellen beim Austausch von Batterien für tragbare elektronische Geräte.
Netzteile für solarbetriebene Geräte wie Uhren und Blinker.
Starter für kleine und mobile Motoren.

Redoxreaktionen

Der Ladungsspeicher befindet sich an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt. Während des Ladevorgangs bewegen sich Elektronen entlang des äußeren Stromkreises von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Während der Entladung bewegen sich Elektronen und Ionen in die entgegengesetzte Richtung. In einem EDLC-Superkondensator findet keine Ladungsübertragung statt. Bei dieser Art von Superkondensatoren findet an der Elektrode eine Redoxreaktion statt, die Ladungen erzeugt und die Ladung durch die Doppelschichten der Konstruktion trägt, wo ein Ionistor verwendet wird.

Aufgrund der Redoxreaktion, die bei diesem Typ auftritt, besteht die Möglichkeit einer geringeren Leistungsdichte als bei EDLC, da faradaysche Systeme langsamer sind als nicht-faradaysche Systeme. In der Regel bieten Pseudokondensatoren eine höhere spezifische Kapazität und Energiedichte als EDLCs, da sie dem Faraday-System angehören. Die richtige Wahl des Superkondensators hängt jedoch von der Anwendung und der Verfügbarkeit ab.

Graphenbasierte Materialien

Der Superkondensator zeichnet sich durch die Fähigkeit aus, schnell aufgeladen zu werden, viel schneller als eine herkömmliche Batterie, aber er kann nicht so viel Energie wie eine Batterie speichern, da er eine geringere Energiedichte hat. Ihre Effizienzsteigerung wird durch den Einsatz von Graphen und Carbon Nanotubes erreicht. Sie werden in Zukunft Ionistoren helfen, elektrochemische Batterien vollständig zu ersetzen. Nanotechnologie ist heute die Quelle vielerInnovationen, insbesondere im Bereich E-Mobile.

Graphen erhöht die Kapazität von Superkondensatoren. Dieses revolutionäre Material besteht aus Platten, deren Dicke durch die Dicke des Kohlenstoffatoms begrenzt werden kann und deren atomare Struktur ultradicht ist. Solche Eigenschaften können Silizium in der Elektronik ersetzen. Zwischen zwei Elektroden wird ein poröser Separator platziert. Variationen im Speichermechanismus und der Wahl des Elektrodenmaterials führen jedoch zu unterschiedlichen Klassifizierungen von Hochleistungs-Superkondensatoren:

Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (EDLC), die meistens Kohlenstoffelektroden mit hohem Kohlenstoffgeh alt verwenden und ihre Energie speichern, indem sie schnell Ionen an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche adsorbieren.
Pseudo-Kondensatoren basieren auf dem phagischen Prozess der Ladungsübertragung an oder nahe der Elektrodenoberfläche. In diesem Fall bleiben leitfähige Polymere und Übergangsmetalloxide elektrochemisch aktive Materialien, wie sie in batteriebetriebenen elektronischen Uhren zu finden sind.

Flexible Polymergeräte

Der Superkondensator gewinnt und speichert Energie mit hoher Geschwindigkeit durch Bildung elektrochemischer Ladungsdoppelschichten oder durch Oberflächenredoxreaktionen, was zu einer hohen Leistungsdichte mit langfristiger zyklischer Stabilität, niedrigen Kosten und Umweltschutz führt. PDMS und PET sind die am häufigsten verwendeten Substrate bei der Implementierung flexibler Superkondensatoren. Im Falle von Filmen kann PDMS flexibel und flexibel erstellentransparente Dünnschicht-Ionistoren in Uhren mit hoher Zyklenfestigkeit nach 10.000 Biegezyklen.

Einwandige Kohlenstoffnanoröhren können weiter in den PDMS-Film eingearbeitet werden, um die mechanische, elektronische und thermische Stabilität weiter zu verbessern. In ähnlicher Weise werden auch leitfähige Materialien wie Graphen und CNTs mit PET-Folie beschichtet, um sowohl eine hohe Flexibilität als auch eine elektrische Leitfähigkeit zu erreichen. Neben PDMS und PET stoßen auch andere polymere Materialien auf wachsendes Interesse und werden mit verschiedenen Methoden synthetisiert. Beispielsweise wurde eine lokalisierte gepulste Laserbestrahlung verwendet, um die Primäroberfläche schnell in eine elektrisch leitfähige poröse Kohlenstoffstruktur mit bestimmten Grafiken umzuwandeln.

Natürliche Polymere wie Holzfasern und Papiervliese können ebenfalls als Substrate verwendet werden, die flexibel und leicht sind. Das CNT wird auf Papier abgeschieden, um eine flexible CNT-Papierelektrode zu bilden. Aufgrund der hohen Flexibilität des Papiersubstrats und der guten Verteilung von CNTs ändern sich die spezifische Kapazität sowie die Leistungs- und Energiedichte nach 100 Biegezyklen bei einem Biegeradius von 4,5 mm um weniger als 5 %. Darüber hinaus werden bakterielle Nanozellulosepapiere aufgrund der höheren mechanischen Festigkeit und der besseren chemischen Stabilität auch zur Herstellung flexibler Superkondensatoren wie des Walkman-Kassettenspielers verwendet.

Leistung des Superkondensators

Es wird in Bezug auf definiertelektrochemische Aktivität und chemische kinetische Eigenschaften, nämlich: Elektronen- und Ionenkinetik (Transport) innerhalb der Elektroden und die Effizienz der Ladungstransferrate zur Elektrode/dem Elektrolyten. Spezifische Oberfläche, elektrische Leitfähigkeit, Porengröße und Unterschiede sind wichtig für eine hohe Leistung bei der Verwendung von Kohlenstoffmaterialien auf EDLC-Basis. Graphen ist mit seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, großen Oberfläche und Zwischenschichtstruktur attraktiv für die Verwendung in EDLC.

Im Fall von Pseudokondensatoren bieten sie zwar eine überlegene Kapazität im Vergleich zu EDLCs, ihre Dichte ist jedoch durch die geringe Leistung des CMOS-Chips begrenzt. Dies ist auf eine schlechte elektrische Leitfähigkeit zurückzuführen, die eine schnelle elektronische Bewegung begrenzt. Außerdem kann der Redoxprozess, der den Lade-/Entladeprozess antreibt, elektroaktive Materialien beschädigen. Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Graphen und seine hervorragende mechanische Festigkeit machen es als Material in Pseudokondensatoren geeignet.

Studien zur Adsorption auf Graphen haben gezeigt, dass sie hauptsächlich auf der Oberfläche von Graphenschichten mit Zugang zu großen Poren auftritt (dh die Zwischenschichtstruktur ist porös, was einen leichten Zugang zu Elektrolytionen ermöglicht). Daher sollte eine nicht-poröse Graphen-Agglomeration für eine bessere Leistung vermieden werden. Die Leistung kann weiter verbessert werden durch Oberflächenmodifikation durch Hinzufügen funktioneller Gruppen, Hybridisierung mit elektrisch leitfähigen Polymeren und durch Bildung von Graphen/Oxid-KompositenMetall.

Kondensatorvergleich

Supercaps sind ideal, wenn schnelles Laden erforderlich ist, um den kurzfristigen Strombedarf zu decken. Die Hybridbatterie erfüllt beide Anforderungen und senkt die Spannung für eine längere Lebensdauer. Die folgende Tabelle zeigt den Vergleich der Eigenschaften und Hauptmaterialien in Kondensatoren.

	Elektrischer Doppelschichtkondensator, Ionistorbezeichnung	Aluminium-Elektrolytkondensator	Ni-Cd-Akku	Bleibatterie
Temperaturbereich verwenden	-25 bis 70°C	-55 bis 125 °C	-20 bis 60 °C	-40 bis 60 °C
Elektroden	Aktivkohle	Aluminium	(+) NiOOH (-) Cd	(+) PbO_{2 (-) Pb}
Elektrolytische Flüssigkeit	Organisches Lösungsmittel	Organisches Lösungsmittel	KOH	H₂SO₄
Elektromotorisches Kraftverfahren	Verwendung des natürlichen elektrischen Doppelschichteffekts als Dielektrikum	Verwendung von Aluminiumoxid als Dielektrikum	Unter Verwendung einer chemischen Reaktion	Unter Verwendung einer chemischen Reaktion
Umweltverschmutzung	Nein	Nein	CD	Pb
Anzahl Lade-/Entladezyklen	> 100.000 Mal	> 100.000 Mal	500 mal	200 bis 1000 Mal
Kapazität pro Volumeneinheit	1	1/1000	100	100

Ladekennlinie

Ladezeit 1-10 Sekunden. Die anfängliche Aufladung kann sehr schnell abgeschlossen werden und die obere Aufladung wird zusätzliche Zeit in Anspruch nehmen. Beim Laden eines leeren Superkondensators sollte darauf geachtet werden, den Einsch altstrom zu begrenzen, da dieser so viel wie möglich zieht. Der Superkondensator ist nicht wiederaufladbar und erfordert keine Vollladungserkennung, der Strom fließt einfach nicht mehr, wenn er voll ist. Leistungsvergleich zwischen Kompressor für Auto und Li-ion.

Funktion	Ionistor	Li-Ion (allgemein)
Ladezeit	1-10 Sekunden	10-60 Minuten
Lebenszyklus beobachten	1 Million oder 30.000	500 und höher
Spannung	Von 2, 3 bis 2, 75B	3, 6 B
Spezifische Energie (W/kg)	5 (typisch)	120-240
Spezifische Leistung (W/kg)	Bis zu 10000	1000-3000
Kosten pro kWh	$10.000	250-1.000 $
Lebenslang	10-15 Jahre	5 bis 10 Jahre alt
Ladetemperatur	-40 bis 65°C	0 bis 45 °C
Entladetemperatur	-40 bis 65°C	-20 bis 60°C

Vorteile von Ladegeräten

Fahrzeuge brauchen einen zusätzlichen Energieschub, um zu beschleunigen, und hier kommen Supercharger ins Spiel. Sie haben eine Begrenzung der Gesamtladung, können diese aber sehr schnell übertragen, was sie zu idealen Batterien macht. Ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Batterien:

Niedrige Impedanz (ESR) erhöht Stoßstrom und Last, wenn parallel zur Batterie gesch altet.
Sehr hoher Zyklus - Entladung dauert Millisekunden bis Minuten.
Spannungsabfall im Vergleich zu einem batteriebetriebenen Gerät ohne Superkondensator.
Hohe Effizienz bei 97-98% und DC-DC-Effizienz in beiden Richtungen beträgt 80%-95% in den meisten Anwendungen, wie zVideorecorder mit Ionistoren.
In einem Hybrid-Elektrofahrzeug ist die Kreisverkehreffizienz 10 % höher als die einer Batterie.
Funktioniert gut über einen sehr weiten Temperaturbereich, typischerweise -40 C bis +70 C, kann aber auch von -50 C bis +85 C reichen, Sonderversionen bis 125 C erhältlich.
Während des Ladens und Entladens entsteht eine geringe Wärmemenge.
Lange Lebensdauer mit hoher Zuverlässigkeit, Reduzierung der Wartungskosten.
Leichte Verschlechterung über Hunderttausende von Zyklen und bis zu 20 Millionen Zyklen.
Sie verlieren nach 10 Jahren nicht mehr als 20 % ihrer Kapazität und haben eine Lebensdauer von 20 Jahren oder mehr.
Verschleißfest.
Beeinflusst Tiefentladungen wie Batterien nicht.
Erhöhte Sicherheit gegenüber Batterien - keine Überladungs- oder Explosionsgefahr.
Enthält im Gegensatz zu vielen Batterien keine gefährlichen Materialien, die am Ende der Lebensdauer entsorgt werden müssen.
Erfüllt die Umweltstandards, daher entfällt die umständliche Entsorgung oder Wiederverwertung.

Rückh altetechnik

Der Superkondensator besteht aus zwei Graphenschichten mit einer Elektrolytschicht in der Mitte. Der Film ist stark, extrem dünn und in der Lage, in kurzer Zeit viel Energie freizusetzen, aber dennoch gibt es einige ungelöste Probleme, die den technologischen Fortschritt in diese Richtung hemmen. Nachteile von Superkondensatoren gegenüber wiederaufladbaren Batterien:

Niedrige Energiedichte - normalerweisebenötigt 1/5 bis 1/10 der Energie einer elektrochemischen Batterie.
Leitungsentladung - Nichtnutzung des vollen Energiespektrums, je nach Anwendung steht nicht die gesamte Energie zur Verfügung.
Wie bei Batterien sind Zellen Niederspannung, serielle Verbindungen und Spannungsausgleich sind erforderlich.
Selbstentladung ist oft höher als bei Batterien.
Die Spannung variiert mit der gespeicherten Energie - eine effiziente Speicherung und Rückgewinnung von Energie erfordert hochentwickelte elektronische Steuerungs- und Sch altgeräte.
Hat die höchste dielektrische Absorption aller Arten von Kondensatoren.
Die obere Gebrauchstemperatur beträgt normalerweise 70 °C oder weniger und übersteigt selten 85 °C.
Die meisten enth alten einen flüssigen Elektrolyten, der die erforderliche Größe reduziert, um eine versehentliche schnelle Entladung zu verhindern.
Hohe Stromkosten pro Watt.

Hybridspeicher

Spezielles Design und eingebettete Technologie der Leistungselektronik wurden entwickelt, um Kondensatormodule mit neuer Struktur herzustellen. Da ihre Module mit neuen Technologien hergestellt werden müssen, können sie in Karosserieteile wie Dach, Türen und Kofferraumdeckel integriert werden. Darüber hinaus wurden neue Energieausgleichstechnologien erfunden, die Energieverluste und die Größe von Energieausgleichskreisen in Energiespeicher- und Gerätesystemen reduzieren.

Eine Reihe verwandter Technologien wurde ebenfalls entwickelt, wie z. B. Ladesteuerung undEntladung sowie Anbindung an andere Energiespeichersysteme. Ein Superkondensatormodul mit einer Nennkapazität von 150 F und einer Nennspannung von 50 V kann auf flachen und gekrümmten Oberflächen mit einer Fläche von 0,5 Quadratmetern platziert werden. m und 4 cm dick. Anwendungen für Elektrofahrzeuge und können in verschiedene Teile des Fahrzeugs und andere Fälle integriert werden, in denen Energiespeichersysteme erforderlich sind.

Anwendung und Perspektiven

In den USA, Russland und China gibt es Busse ohne Traktionsbatterien, alle Arbeiten werden von Ionistoren erledigt. General Electric hat einen Pickup mit einem Superkondensator entwickelt, um die Batterie zu ersetzen, ähnlich wie bei einigen Raketen, Spielzeugen und Elektrowerkzeugen. Tests haben gezeigt, dass Superkondensatoren Blei-Säure-Batterien in Windkraftanlagen übertreffen, was erreicht wurde, ohne dass sich die Energiedichte der Superkondensatoren der von Blei-Säure-Batterien annäherte.

Es ist jetzt klar, dass Superkondensatoren Blei-Säure-Batterien in den nächsten Jahren begraben werden, aber das ist nur ein Teil der Geschichte, da sie sich schneller verbessern als die Konkurrenz. Anbieter wie Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments und Skeleton Technologies haben erklärt, dass sie mit ihren Superkondensatoren und Superbugs, von denen einige theoretisch die Energiedichte von Lithium-Ionen erreichen, die Energiedichte von Blei-Säure-Batterien übertreffen.

Der Ionistor in einem Elektrofahrzeug ist jedoch einer der Aspekte der Elektronik und Elektrotechnik, dievon der Presse, Investoren, potenziellen Lieferanten und vielen Menschen, die mit alter Technologie leben, ignoriert, trotz des schnellen Wachstums des Multi-Milliarden-Dollar-Marktes. Beispielsweise gibt es für Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge etwa 200 große Hersteller von Traktionsmotoren und 110 große Lieferanten von Traktionsbatterien im Vergleich zu einigen wenigen Herstellern von Superkondensatoren. Im Allgemeinen gibt es weltweit nicht mehr als 66 große Hersteller von Ionistoren, von denen die meisten ihre Produktion auf leichtere Modelle für die Unterh altungselektronik konzentriert haben.