Ionistor: ce este și unde se aplică

Ionistorii - o nouă clasă de surse prin funcție aproape de condensatori puternici, și de fapt - ocupând o nișă între condensatori și surse de curent constant

Istoricul istoric

În 1957, versiunile inițiale ale supercapacitorilor au fost dezvoltate de inginerii de la General Electric, dar nu au avut aplicații comerciale datorită eficienței lor scăzute. În 1966, Standard Oil a descoperit accidental efectul unui condensator cu două straturi atunci când lucra la celulele de combustie, ceea ce a permis supercapacitorului să funcționeze eficient. Compania nu a comercializat invenția, dar a primit o licență pentru NEC. În 1978 a vândut această tehnologie ca un "supercapacitor" pentru computere. În URSS pentru prima dată, EDLC au fost introduse în 1978 în publicația jurnalului Radio nr. 5 din seria KI1-1s cu o capacitate de la 0, 2 la 50, 0 F.

Primii supercapacitori pentru echipamentul puternic au fost create în 1982 PRI Ultracapacitor. Numai în anii 1990 sa înregistrat progrese în materie de materiale și metode de producție, ceea ce a dus la creșterea productivității și la reducerea costului ioniștilor. Ei continuă să se dezvolte și să treacă în tehnologia bateriilor industriale folosind electrozi și electroliți speciali.

Scopul dispozitivului electronic

Ionistorii (EDLC) sunt dispozitive electronice care sunt utilizate pentru a stoca cantități extrem de mari de încărcare electrică. Ele sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de supercapacitoare, condensatoare cu strat dublu sau ultracapacitoare. În loc să utilizeze un dielectric convențional, EDLC utilizează un mecanism de stocare a energiei electrice - o capacitate de două straturi. Aceasta înseamnă că acestea combină funcționarea condensatoarelor convenționale cu funcționarea bateriilor convenționale. Capacitățile realizate utilizând această tehnologie pot ajunge la 12.000 F. Pentru comparație, capacitatea întregului Pământ este de aproximativ 710 μF, care este mai mult de 15 milioane de ori mai mică decât capacitatea EDLC.

În timp ce un condensator electrostatic convențional poate avea o tensiune de funcționare maximă ridicată, tensiunea maximă normală de încărcare a EDLC este între 2, 5 și 2, 7 volți. EDLC sunt dispozitive polar, adică trebuie conectate corect la circuit, cum ar fi condensatoarele de electroliți. Proprietățile electrice ale acestor dispozitive, în special timpul de încărcare și descărcare rapidă, sunt foarte promițătoare pentru multe industrii în care pot înlocui complet bateriile.

Construcții și materiale de ioniști

Să analizăm în detaliu ce un astfel de ionistor. Designul EDLC este similar cu designul condensatoarelor electrolitice prin aceea că ele constau din două electrozi folie, electrolit, separator și folie. Separatorul este fixat între electrozii, folia este pliată sau pliată într-o formă, de obicei cilindrică sau dreptunghiulară. Această formă pliată este plasată într-o carcasă închisă ermetic, impregnată cu un electrolit. Electrolitul din proiectarea EDLC, precum și electrozii, diferă de electrolitul utilizat în condensatoarele electrolitice convenționale.

Pentru a menține încărcătura electrică, EDLC folosește materiale poroase ca distanțiere pentru a stoca ionii în pori la nivelul atomic. Cel mai obișnuit material din EDLC modern este carbonul activat. Faptul că carbonul nu este un izolator bun duce la o limitare a tensiunii maxime de funcționare la 3 V.

carbon activat nu este un material ideal: purtătorii de sarcină sunt comparabile cu pori în material, iar unele dintre ele nu pot pătrunde în pori mai mici, ceea ce duce la scurgeri de informații și o capacitate de stocare redusă.

Una dintre cele mai interesante materiale folosite în Studiul EDLC este grafen. Această substanță, constând din carbon pur, situată într-o foaie plată cu un singur atom gros. Este extrem de poros, acționează ca un "burete" ionic. Densitatea energetică obținută cu grafen în EDLC este comparabilă cu densitățile de energie obținute în baterii.

Cu toate acestea, în ciuda faptului că prototipurile de grafenie EDLC au fost făcute ca dovadă a conceptului viitor, ele sunt costisitoare și dificil de fabricat în volume industriale, ceea ce împiedică în mod semnificativ utilizarea acestei tehnologii. În ciuda acestui fapt, EDLC de la grafen este cel mai promițător candidat în viitoarea tehnologie a ioniștilor.

Avantaje și dezavantaje

Printre avantajele dispozitivului se numără următoarele:

1. Timpul de încărcare. EDLC au timpi de încărcare și descărcare comparabili cu condensatorii convenționali. Datorită rezistenței interne scăzute, se pot obține curenți mari de încărcare și descărcare. Pentru a ajunge la starea complet încărcată, bateria durează de obicei până la câteva ore. De exemplu, ca o baterie de telefon mobil, în timp ce EDLC poate fi încărcat în mai puțin de două minute.
2. Putere specifică. Puterea specifică a bateriei sau EDLC este o măsură utilizată pentru a compara diferite tehnologii cu puterea de ieșire împărțită la masa totală a dispozitivului. EDLC au o putere specifică de 5-10 ori mai mare decât cea a bateriilor. De exemplu, în timp ce bateriile litiu-ion au o putere specifică de 1-3 kW / kg, puterea specifică a unei EDLC tipice este de aproximativ 10 kW / kg. Această caracteristică este deosebit de importantă în aplicațiile care necesită o resetare rapidă a alimentării de la dispozitive de stocare.
3. Viabilitatea și siguranța ciclului. Bateriile EDLC sunt mai sigure decât bateriile convenționale dacă sunt manipulate necorespunzător. În timp ce bateriile pot exploda datorită încălzirii excesive în cazul unui scurtcircuit, EDLC nu se încălzește atât de mult datorită rezistenței interne scăzute.
4. EDLC poate fi încărcat și descărcat de milioane de ori și diferă aproape nelimitat de viață, în timp ce bateriile au un ciclu de viață de 500 ori și mai mic. Acest lucru face ca EDLC să fie foarte util în aplicații în care sunt necesare depozitarea frecventă și alocarea de energie.
5. Durata de viață a EDLC este de 10 până la 20 de ani, în timp ce capacitatea de 10 ani este redusă de la 100% la 80%.
6. Datorită rezistenței lor reduse echivalente, EDLC asigură o densitate ridicată a puterii și curenți mari de sarcină pentru a atinge o încărcare aproape instantanee în câteva secunde. Caracteristicile de temperatură sunt de asemenea puternice, oferind energie la temperaturi de până la -40 ° C.

EDLC au unele deficiențe:

1. Un dezavantaj este energia specifică relativ scăzută. Energia specifică EDLC este măsurați cantitatea totală de energie, stocate în aparat, împărțite la greutatea sa. În timp ce bateriile litiu-ion utilizate frecvent în telefoanele mobile au o energie specifică de 100-200 Wh / kg, EDLC poate stoca doar 5 W / kg. Aceasta înseamnă că EDLC, care are aceeași capacitate ca o baterie convențională, va cântări de 40 de ori mai mult.
2. Tensiunea de descărcare liniară. De exemplu, cu o tensiune nominală a bateriei este de 2,7 V, atunci când, la o încărcare de 50% va fi în continuare tensiunea de ieșire aproape de 2,7V EDLC, timp de până la 2,7 V la o încărcare de 50%, produce exact jumătate din ei încărcare maximă - 1,35 V. Acest lucru înseamnă că tensiunea de ieșire scade sub dispozitivul de tensiune minimă de operare care funcționează la EDLC, și trebuie să fie deconectat înainte de a utiliza toate taxa în condensator. Soluția la această problemă este folosirea convertoarelor DC. Cu toate acestea, această abordare creează noi dificultăți, cum ar fi eficiența și zgomotul.
3. Ele nu pot fi folosite ca sursă de energie permanentă. O celulă are de obicei o tensiune de 2,7 V și dacă este necesară o tensiune mai mare, celulele trebuie conectate în serie.
4. Costul EDLC convențional este de 20 de ori mai mare decât cel al bateriilor Li-ion. Cu toate acestea, aceasta poate fi redusă datorită noilor tehnologii și producției în masă a ioniștilor.

Aplicatii industriale

Deoarece EDLC ocupă o zonă între baterii și condensatori, acestea pot fi utilizate într-o mare varietate de aplicații. În cazul în care se utilizează un ionistor, se poate presupune în funcție de scopul său. Una dintre utilizările interesante este stocarea energiei în sistemele de frânare dinamice din industria automobilelor. Este în uz generator electric, care convertește energia cinetică în energie electrică și o stochează în EDLC. Ulterior, această energie poate fi refolosită pentru a furniza energie pentru accelerare.

Un alt exemplu este aplicațiile cu putere redusă, în cazul în care debitul mare nu este obligatoriu, dar este important să se asigure un ciclu ridicat de viață sau o reîncărcare rapidă. Astfel de aplicații sunt flash-ul fotografic, playerele MP3, dispozitivele de stocare statică care necesită o sursă de alimentare de joasă tensiune pentru stocarea informațiilor și așa mai departe.

Posibile viitoare aplicații EDLC sunt telefoanele mobile, laptopurile, vehiculele electrice și toate celelalte dispozitive care funcționează în prezent pe baterii. Cel mai interesant avantaj, din punct de vedere practic, este viteza de încărcare foarte rapidă - aceasta ar însemna încărcarea unei mașini electrice în încărcător timp de câteva minute până când acumulatorul este complet încărcat.

EDLC este utilizat în multe aplicații de gestionare a energiei care necesită un număr mare de cicluri rapide de încărcare / descărcare pentru nevoi pe termen scurt în energie. Unele dintre aceste aplicații sunt utilizate în următoarele domenii:

• stabilizarea tensiunii în sistemele de pornire / oprire;
• încuietori electronice uși în caz de defecțiuni de alimentare;
• sisteme de frânare regenerative;
• cip de distribuție;
• echipament medical;
• acumulatoare de energie;
• electronice de consum;
• aparate de bucatarie;
• backup de date de ceas în timp real;
• energie în standby;
• energie eoliană:
• eficiența energetică și controlul frecvenței;
• putere de la distanță pentru senzori, LED-uri, întrerupătoare;
• memorie de rezervă;
• alimentarea cu energie prin pachete.

Direcții de dezvoltare a supercapacitorilor

Noi dezvoltări promițătoare ale ioniștilor:

• Supercapacitors graphene Skeleton Technology vor fi jucătorii-cheie ai EDLC. În testele noi din flota de transport din Marea Britanie, acestea sunt folosite pentru a transforma autovehiculele diesel în hibride în detrimentul puterii de la frânarea regenerativă. Sistemul hibrid este dezvoltat de Adgero și Skeleton Technologies numit UltraBoost. În timpul frânării, dispozitivul devine un generator, restabilind energia cinetică, care altfel ar fi pierdut sub forma unui corp. În centrul acestei tehnologii se află o bancă formată din cinci supercapacitatori puternici bazați pe grafen, cunoscut sub numele de SkelMod.
• zap Go, un start-up în Marea Britanie, lansează un nou tip de încărcător special pentru călătorii de afaceri. El folosește supercapacitoarele graphene pentru a încărca telefoanele în cinci minute.
• Eaton oferă soluții pentru supercapacitoare cu dimensiunea unei monede, celule mari, celule mici și module cilindrice. De exemplu, modulul Supercapacitor XLR 48V asigură stocarea energiei pentru sisteme puternice cu încărcare / descărcare de frecvență în vehicule hibride sau electrice, în transportul public, în echipamentele de manipulare, în echipamente grele și în sisteme offshore. Modulele XLR sunt alcătuite din 18 supercapacitoare separate Eaton XL60 proiectate să asigure o rezistență de 5 mA la 48, 6 V și 166 F pentru a fi incluse în sisteme care necesită până la 750 V.

• Supercapacitorii Maxwell Technologies sunt utilizați pentru a stoca energia cu frânare restaurativă în sistemul de metrou din Beijing. Material rulant feroviar chinez Corp. (CRRC-SRI) folosește modulele Maxwell 48-V în două seturi de dispozitive de frânare regenerative de economisire a energiei pentru linia nr. 8 a sistemului, o rețea feroviară urbană care se deplasează de la nord la sud prin capitala Chinei. Modulele Maxwell de 48 V asigură o durată de viață îndelungată de până la 10 ani și o încărcare / descărcare rapidă. Vishay oferă 220 EDLC ENYCAP cu o tensiune nominală de 2,7 V. Se poate utiliza în mai multe aplicații, inclusiv putere de rezervă, suport puls, dispozitive de stocare a energiei pentru colectarea energiei, surse de alimentare micro UPS și recuperare de energie.
• Tehnologia lineară oferă LTC3350, un controler de alimentare în așteptare care poate încărca și monitoriza unitatea de serie până la patru supercapacitoare. LTC3350 conceput pentru aplicații de transport auto și alte tipuri de transport, oferă următoarele funcții:

• Capacitate de rezervă prin încărcarea băncii la patru supercapacitoare în cazul unei căderi de tensiune. Acesta poate funcționa cu tensiunea de intrare de la 4.5 la 35 V și mai mult de 10 A de încărcare de putere de rezervă.
• Echilibrare și protecție de la supratensiune pentru o serie de supercapacitoare.
• Tensiune de control, curent și temperatură în sistem.
• Balancatorii interne ai tensiunii condensatorului, care elimină necesitatea unor rezistențe echilibrate.

Dezvoltatorii ioniștilor încearcă să le actualizeze în mod constant și să sporească capacitatea specifică. Evident, în viitor, bateriile vor înlocui complet supercapacitorii. Rezultatele cercetărilor oamenilor de știință din California au arătat că un nou tip de schimbători de ioni depășesc deja analogii de mai multe ori în funcționalitate.