Ионисторыг хаана ашигладаг вэ? Ионисторуудын төрөл, тэдгээрийн зорилго, давуу болон сул талууд

2024 Зохиолч: Trinity Chesterton | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2024-01-16 15:04

Ионистор нь хоёр давхар цахилгаан химийн конденсатор эсвэл суперконденсатор юм. Тэдний металл электродууд нь ихэвчлэн наргил модны самрын бүрхүүлээр хийгдсэн өндөр сүвэрхэг идэвхжүүлсэн нүүрсээр бүрсэн байдаг боловч ихэнхдээ нүүрстөрөгчийн аэрогель, бусад нанокарбон эсвэл графен нано гуурсаас бүрддэг. Эдгээр электродуудын хооронд электродуудыг хол байлгадаг сүвэрхэг тусгаарлагч байдаг бөгөөд спираль дээр ороох үед энэ бүхэн электролитээр шингэсэн байдаг. Ионисторын зарим шинэлэг хэлбэрүүд нь хатуу электролиттэй байдаг. Тэд ердийн батерейг ачааны машин хүртэлх тасралтгүй тэжээлийн эх үүсвэрээр сольж, супер цэнэглэгчийг тэжээлийн эх үүсвэр болгон ашигладаг.

Ажлын зарчим

Ионистор нь нүүрс ба электролитийн хоорондох зааг дээр үүссэн давхар давхаргын үйлдлийг ашигладаг. Идэвхжүүлсэн нүүрсийг хатуу хэлбэрээр электрод, шингэн хэлбэрээр электролит болгон ашигладаг. Эдгээр материалууд бие биентэйгээ харьцах үед эерэг ба сөрөг туйлууд өөр хоорондоо харьцангуйгаар тархдагмаш богино зай. Цахилгаан талбарыг хэрэглэх үед электролитийн шингэн дэх нүүрстөрөгчийн гадаргуугийн ойролцоо үүсдэг цахилгаан давхар давхаргыг үндсэн бүтэц болгон ашигладаг.

Дизайн давуу тал:

1. Бага оврын төхөөрөмжид багтаамжийг хангадаг бөгөөд хэт цэнэглэгдсэн төхөөрөмжүүдийг цэнэглэх үед хянахын тулд тусгай цэнэглэх хэлхээ шаардлагагүй.
2. Цэнэглэх эсвэл хэт цэнэглэх нь ердийн батерейных шиг батерейны ашиглалтад сөргөөр нөлөөлдөггүй.
3. Технологи нь экологийн хувьд туйлын "цэвэр".
4. Ердийн батерей шиг тогтворгүй контактуудад асуудал байхгүй.

Дизайн дутагдал:

1. Супер конденсатор ашигладаг төхөөрөмжид электролит ашигласан тул ашиглалтын хугацаа хязгаарлагдмал.
2. Конденсаторыг зөв арчлаагүй тохиолдолд электролит гоожиж болзошгүй.
3. Хөнгөн цагааны конденсатортай харьцуулахад эдгээр конденсаторууд нь өндөр эсэргүүцэлтэй тул хувьсах гүйдлийн хэлхээнд ашиглах боломжгүй.

Дээр дурдсан давуу талуудыг ашиглан цахилгаан конденсаторуудыг дараах хэрэглээнд өргөн ашигладаг:

1. Таймер, программ, цахим гар утасны тэжээл гэх мэт санах ойг нөөцөлж байна.
2. Видео болон аудио төхөөрөмж.
3. Зөөврийн электрон төхөөрөмжийн батерейг солих үед нөөц эх үүсвэр.
4. Цаг, заагч зэрэг нарны эрчим хүчээр ажилладаг төхөөрөмжүүдийн тэжээлийн хангамж.
5. Жижиг болон хөдөлгөөнт хөдөлгүүрт зориулсан стартер.

Усан исэлдүүлэх урвал

Цэнэглэх аккумлятор нь электрод ба электролитийн хоорондох интерфейс дээр байрладаг. Цэнэглэх явцад электронууд гаднах хэлхээний дагуу сөрөг электродоос эерэг электрод руу шилждэг. Цэнэглэх үед электрон ба ионууд эсрэг чиглэлд хөдөлдөг. EDLC суперконденсаторт цэнэгийн шилжүүлэг байхгүй. Энэ төрлийн суперконденсаторын хувьд электрод дээр исэлдэлтийн урвал явагддаг бөгөөд энэ нь цэнэгийг үүсгэж, ионистор ашигладаг барилгын давхар давхаргуудаар цэнэгийг дамжуулдаг.

Энэ төрлийн исэлдэлтийн урвалын улмаас Фарадаик системүүд нь фарадаик бус системүүдээс удаан байдаг тул EDLC-ээс бага эрчим хүчний нягтралтай байх магадлалтай. Дүрмээр бол псевдокапакторууд нь фарадей системтэй тул EDLC-ээс илүү өндөр хувийн багтаамж, эрчим хүчний нягтралыг өгдөг. Гэсэн хэдий ч суперконденсаторыг зөв сонгох нь хэрэглээ болон бэлэн байдлаас хамаарна.

Графен дээр суурилсан материал

Супер конденсатор нь ердийн батерейг бодвол хурдан цэнэглэгдэх чадвартайгаараа онцлог боловч эрчим хүчний нягтрал багатай тул батерей шиг их хэмжээний эрчим хүч хуримтлуулах боломжгүй юм. Тэдний үр ашгийг графен болон нүүрстөрөгчийн нано гуурс ашиглах замаар нэмэгдүүлдэг. Тэд ирээдүйд ионисторуудад цахилгаан химийн батерейг бүрэн солиход туслах болно. Өнөөдөр нано технологи нь олон зүйлийн эх сурвалж болж байнаинноваци, ялангуяа цахим мобайл.

Графен нь суперконденсаторуудын багтаамжийг нэмэгдүүлдэг. Энэхүү хувьсгалт материал нь зузаан нь нүүрстөрөгчийн атомын зузаанаар хязгаарлагдах боломжтой, атомын бүтэц нь хэт нягт байдаг хуудаснаас бүрддэг. Ийм шинж чанар нь электроникийн цахиурыг орлуулж чаддаг. Хоёр электродын хооронд сүвэрхэг тусгаарлагчийг байрлуулна. Гэсэн хэдий ч хадгалах механизмын өөрчлөлт ба электродын материалын сонголт нь өндөр хүчин чадалтай суперконденсаторуудыг өөр өөр ангилалд хүргэдэг:

1. Электрохимийн давхар давхаргын конденсаторууд (EDLC) ихэвчлэн өндөр нүүрстөрөгчийн электродуудыг ашигладаг бөгөөд электрод/электролитийн интерфэйс дэх ионуудыг хурдан шингээж эрчим хүчээ хадгалдаг.
2. Псуэдо-конденсаторууд нь электродын гадаргуу дээр эсвэл түүний ойролцоо цэнэглэгддэг фагик процесс дээр суурилдаг. Энэ тохиолдолд дамжуулагч полимер болон шилжилтийн металлын исэл нь батарейгаар ажилладаг электрон цагнуудад байдаг шиг цахилгаан химийн идэвхтэй материал хэвээр үлдэнэ.

Уян хатан полимер төхөөрөмж

Супер конденсатор нь цахилгаан химийн цэнэгийн давхар давхаргыг үүсгэх эсвэл гадаргуугийн исэлдэлтийн урвалаар эрчим хүчийг өндөр хурдтайгаар олж авч, хуримтлуулдаг бөгөөд ингэснээр урт хугацааны мөчлөгийн тогтвортой байдал, хямд өртөг, байгаль орчныг хамгаалах өндөр эрчим хүчний нягтралыг бий болгодог. PDMS болон PET нь уян хатан суперконденсаторуудыг хэрэгжүүлэхэд хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг субстрат юм. Киноны хувьд PDMS нь уян хатан ба10,000 флексийн циклийн дараа өндөр тогтворжилттой цагны тунгалаг нимгэн хальсан ионисторууд.

Нэг ханатай нүүрстөрөгчийн нано гуурсыг цаашид механик, электрон болон дулааны тогтвортой байдлыг сайжруулахын тулд PDMS хальсанд нэмж оруулах боломжтой. Үүний нэгэн адил графен болон CNT гэх мэт дамжуулагч материалыг PET хальсаар бүрж, өндөр уян хатан чанар, цахилгаан дамжуулах чанарыг хоёуланг нь олж авдаг. PDMS болон PET-ээс гадна бусад полимер материалууд нь өсөн нэмэгдэж буй сонирхлыг татаж, янз бүрийн аргаар нэгтгэж байна. Жишээлбэл, үндсэн гадаргууг цахилгаан дамжуулагч сүвэрхэг нүүрстөрөгчийн бүтэц болгон хувиргахад орон нутгийн импульсийн лазер туяаг ашигласан.

Модны утас, цаасан нэхмэл бус материал зэрэг байгалийн полимерийг уян хатан, хөнгөн жинтэй субстрат болгон ашиглаж болно. CNT нь уян хатан CNT цаасан электрод үүсгэхийн тулд цаасан дээр хадгалагддаг. Цаасан дэвсгэрийн уян хатан чанар өндөр, CNT-ийн сайн тархалтаас шалтгаалан 4.5 мм-ийн гулзайлтын радиуст 100 мөчлөгийн турш гулзайлтын дараа хувийн багтаамж, хүч, эрчим хүчний нягтрал 5% -иас бага өөрчлөгддөг. Нэмж дурдахад механик хүч чадал өндөр, химийн тогтвортой байдал нь илүү сайн учраас бактерийн наноцеллюлоз цаасыг Walkman кассет тоглуулагч зэрэг уян хатан суперконденсатор хийхэд ашиглаж байна.

Суперконденсаторын гүйцэтгэл

Үүгээр тодорхойлогддогэлектрохимийн үйл ажиллагаа ба химийн кинетик шинж чанарууд, тухайлбал: электрод доторх электрон ба ионы кинетик (тээвэрлэлт) ба электрод/электролит руу цэнэгийн шилжүүлгийн хурдны үр ашиг. EDLC дээр суурилсан нүүрстөрөгчийн материалыг ашиглахад өндөр гүйцэтгэлтэй байхын тулд гадаргуугийн тодорхой талбай, цахилгаан дамжуулах чанар, нүхний хэмжээ, ялгаа нь чухал юм. Өндөр цахилгаан дамжуулах чанар, том гадаргуугийн талбай, давхарга хоорондын бүтэц бүхий графен нь EDLC-д хэрэглэхэд сонирхолтой юм.

Псевдоконденсаторуудын хувьд EDLC-тэй харьцуулахад илүү өндөр багтаамжтай ч CMOS чипийн бага хүчин чадлаар нягтралаараа хязгаарлагдмал хэвээр байна. Энэ нь цахилгаан дамжуулах чанар муутай холбоотой бөгөөд хурдан электрон хөдөлгөөнийг хязгаарладаг. Нэмж дурдахад, цэнэглэх / цэнэггүй болгох процессыг удирддаг редокс процесс нь цахилгаан идэвхтэй материалыг гэмтээж болно. Графены өндөр цахилгаан дамжуулах чанар, маш сайн механик бат бөх чанар нь түүнийг псевдоконденсаторын материал болгон ашиглахад тохиромжтой.

Графен дээрх шингээлтийн судалгаагаар энэ нь голчлон том нүх сүвтэй (өөрөөр хэлбэл, давхарга хоорондын бүтэц нь сүвэрхэг бөгөөд электролитийн ионуудад хялбар нэвтрэх боломжийг олгодог) графен хуудасны гадаргуу дээр үүсдэг болохыг харуулсан. Тиймээс илүү сайн ажиллахын тулд сүвэрхэг бус графен бөөгнөрөлөөс зайлсхийх хэрэгтэй. Гүйцэтгэлийг функциональ бүлэг нэмэх замаар гадаргууг өөрчлөх, цахилгаан дамжуулагч полимерээр эрлийзжүүлэх, графен/оксидын нийлмэл материал үүсгэх замаар сайжруулж болно.металл.

Конденсаторын харьцуулалт

Богино хугацааны эрчим хүчний хэрэгцээг хангахын тулд хурдан цэнэглэх шаардлагатай үед Supercaps тохиромжтой. Гибрид батерей нь хэрэгцээг хоёуланг нь хангаж, урт хугацааны туршид хүчдэлийг бууруулдаг. Доорх хүснэгтэд конденсаторын шинж чанар болон үндсэн материалын харьцуулалтыг харуулав.

	Цахилгаан давхар давхар конденсатор, ионисторын тэмдэглэгээ	Хөнгөн цагаан электролитийн конденсатор	Ni-cd зай	Хар тугалга битүүмжилсэн зай
Температурын хязгаарыг ашиглах	-25-аас 70°C	-55-аас 125 °C	-20-аас 60 °C	-40-аас 60 °C
Электродууд	Идэвхжүүлсэн нүүрс	Хөнгөн цагаан	(+) NiOOH (-) Cd	(+) PbO2 (-) Pb
Электролитийн шингэн	Органик уусгагч	Органик уусгагч	KOH	H2SO4
Цахилгаан хөдөлгөх хүчний арга	Байгалийн цахилгаан давхар давхаргын эффектийг диэлектрик болгон ашиглах	Хөнгөн цагааны ислийг диэлектрик болгон ашиглах нь	Химийн урвал ашиглах	Химийн урвал ашиглах
Бохирдол	Үгүй	Үгүй	CD	Pb
Цэнэглэх/цэнэглэх циклийн тоо	> 100,000 удаа	> 100,000 удаа	500 удаа	200-аас 1000 удаа
Эзлэхүүний нэгжийн багтаамж	1	1/1000	100	100

Цэнэглэх шинж чанар

Цэнэглэх хугацаа 1-10 секунд. Анхны цэнэглэлтийг маш хурдан дуусгах боломжтой бөгөөд дээд цэнэглэхэд нэмэлт хугацаа шаардагдана. Хоосон суперконденсаторыг цэнэглэх үед гүйдлийн гүйдлийг хязгаарлах талаар анхаарч үзэх хэрэгтэй, учир нь энэ нь аль болох ихийг татах болно. Суперконденсатор нь цэнэглэгддэггүй бөгөөд бүрэн цэнэгийг илрүүлэх шаардлагагүй, гүйдэл дүүрсэн үед зүгээр л урсахаа болино. Машинд зориулсан супер цэнэглэгч болон Li-ion хоёрын гүйцэтгэлийн харьцуулалт.

Функц	Ионистор	Ли-ион (ерөнхий)
Цэнэглэх хугацаа	1-10 секунд	10-60 минут
Үзэх амьдралын мөчлөг	1 сая эсвэл 30,000	500 ба түүнээс дээш
Хүчдэл	2, 3-аас 2, 75 хүртэлB	3, 6 B
Тодорхой энерги (Вт/кг)	5 (ердийн)	120-240
Тодорхой хүч (Вт/кг)	10000 хүртэл	1000-3000
Нэг кВт.ц зардал	10,000$	250-1,000$
Насан туршийн	10-15 жил	5-аас 10 настай
Цэнэглэх температур	-40-аас 65°C	0-аас 45 °C
Цутгах температур	-40-аас 65°C	-20-аас 60°C

Төхөөрөмжийг цэнэглэхийн ашиг тус

Тээврийн хэрэгслийг хурдасгахын тулд нэмэлт эрчим хүчийг нэмэгдүүлэх шаардлагатай бөгөөд супер цэнэглэгч нь энд ирдэг. Тэд нийт цэнэгийн хязгаартай боловч үүнийг маш хурдан шилжүүлж чаддаг тул хамгийн тохиромжтой батерейнууд болдог. Тэдний уламжлалт батерейгаас давуу тал:

1. Батарейтай зэрэгцээ холбогдсон үед бага эсэргүүцэл (ESR) нь гүйдэл болон ачааллыг нэмэгдүүлдэг.
2. Маш өндөр мөчлөгтэй - цэнэг алдалт нь миллисекундээс хэдэн минут болдог.
3. Супер конденсаторгүй батарейгаар ажилладаг төхөөрөмжтэй харьцуулахад хүчдэлийн уналт.
4. Өндөр үр ашиг 97-98%, DC-DC үр ашиг нь хоёр чиглэлд 80%-95% байдаг.ионистортой видео бичигч.
5. Эрлийз цахилгаан тээврийн хэрэгслийн эргэлтийн үр ашиг нь батарейгаас 10%-иар их байдаг.
6. Ихэвчлэн -40С-аас +70С-ийн маш өргөн температурт сайн ажилладаг, гэхдээ -50С-аас +85С-ийн хооронд байж болно, 125С хүртэл тусгай хувилбарууд байдаг.
7. Цэнэглэх болон цэнэглэх явцад бага хэмжээний дулаан үүсдэг.
8. Өндөр найдвартай ажиллагаатай, засвар үйлчилгээний зардлыг бууруулдаг урт хугацааны мөчлөг.
9. Хэдэн зуун мянган мөчлөгт бага зэрэг муудаж, 20 сая хүртэлх мөчлөг үргэлжилнэ.
10. Тэд 10 жилийн дараа хүчин чадлынхаа 20%-иас ихгүй хувийг алддаг ба 20 ба түүнээс дээш жил насалдаг.
11. Элэгдэлтэнд тэсвэртэй.
12. Батерей шиг гүн цэнэггүй болоход нөлөөлдөггүй.
13. Батерейтай харьцуулахад аюулгүй байдал нэмэгдсэн - хэт цэнэглэх, дэлбэрч болзошгүй.
14. Олон батерейнаас ялгаатай нь ашиглалтын хугацаа дууссаны дараа хаях аюултай материал агуулаагүй.
15. Байгаль орчны стандартад нийцсэн тул устгах, дахин боловсруулахад төвөгтэй зүйл байхгүй.

Хязгаарлалтын технологи

Супер конденсатор нь голд нь электролитийн давхаргатай графены хоёр давхаргаас бүрдэнэ. Кино нь бат бөх, маш нимгэн бөгөөд богино хугацаанд их хэмжээний энерги ялгаруулах чадвартай боловч энэ чиглэлд технологийн дэвшлийг саатуулж байгаа тодорхой шийдэгдээгүй асуудлууд бий. Цэнэглэдэг батерейтай харьцуулахад суперконденсаторын сул тал:

1. Эрчим хүчний нягтрал бага - ихэвчлэнцахилгаан химийн батерейны энергийн 1/5-аас 1/10-ийг авдаг.
2. Шугамын цэнэг - хэрэглээнээс хамааран эрчим хүчний бүх спектрийг ашиглахгүй байх.
3. Батерейны нэгэн адил эсүүд нь бага хүчдэлтэй, цуваа холболт болон хүчдэлийн тэнцвэржүүлэх шаардлагатай.
4. Өөрөө цэнэглэх нь ихэвчлэн батерейгаас өндөр байдаг.
5. Хүчдэл нь хуримтлуулсан эрчим хүчээс хамаарч өөр өөр байдаг - эрчим хүчийг үр ашигтай хадгалах, сэргээхэд нарийн электрон удирдлага, сэлгэн залгах төхөөрөмж шаардлагатай.
6. Бүх төрлийн конденсаторуудаас хамгийн өндөр диэлектрик шингээх чадвартай.
7. Ашиглалтын дээд температур нь ихэвчлэн 70С ба түүнээс бага байдаг ба 85С-ээс хэтрэх нь ховор.
8. Ихэнх нь санамсаргүйгээр хурдан урсахаас сэргийлэхэд шаардагдах хэмжээг багасгах шингэн электролит агуулдаг.
9. Нэг ватт цахилгаан эрчим хүчний өндөр өртөг.

Эрлийз хадгалах

Цахилгаан электроникийн тусгай дизайн, суулгагдсан технологийг шинэ бүтэцтэй конденсаторын модулиуд үйлдвэрлэхэд зориулж боловсруулсан. Тэдний модулиуд нь шинэ технологиор хийгдсэн байх ёстой тул дээвэр, хаалга, их биений таг зэрэг машины их биений хавтанд нэгтгэгдэж болно. Үүнээс гадна эрчим хүчний хадгалалт болон төхөөрөмжийн систем дэх эрчим хүчний алдагдлыг багасгах, эрчим хүчний тэнцвэржүүлэх хэлхээний хэмжээг багасгах эрчим хүчний тэнцвэржүүлэх шинэ технологи зохион бүтээгдсэн.

Цэнэглэх удирдлага гэх мэт холбогдох технологиудыг мөн боловсруулсанцэнэглэх, түүнчлэн бусад эрчим хүч хадгалах системтэй холбох. 150F-ийн нэрлэсэн хүчин чадалтай, 50В-ын нэрлэсэн хүчдэлтэй суперконденсаторын модулийг 0.5 квадрат метр гадаргуутай хавтгай ба муруй гадаргуу дээр байрлуулж болно. м ба 4 см зузаантай. Цахилгаан тээврийн хэрэгсэлд хэрэглэх боломжтой бөгөөд тээврийн хэрэгслийн төрөл бүрийн эд анги болон эрчим хүч хадгалах систем шаардлагатай бусад тохиолдолд нэгтгэж болно.

Хэрэглээ ба хэтийн төлөв

АНУ, Орос, Хятадад зүтгүүрийн батарейгүй автобус байдаг, бүх ажлыг ионистор хийдэг. Женерал Электрик компани зарим пуужин, тоглоом, цахилгаан хэрэгсэлд тохиолдсонтой адил батарейг солих супер конденсатор бүхий пикап машин бүтээжээ. Салхин үүсгүүрт суперконденсаторууд нь хар тугалга-хүчлийн батерейгаас илүү ажилладаг болохыг туршилтаар харуулсан бөгөөд энэ нь суперконденсаторын эрчим хүчний нягтрал хар тугалганы хүчлийн батерейны эрчим хүчний нягтралд ойртохгүйгээр хийгдсэн.

Ирэх хэдэн жилийн хугацаанд суперконденсаторууд хар тугалганы хүчлийн батерейг булшлах нь тодорхой болсон ч энэ нь өрсөлдөөнөөс илүү хурдан сайжирч байгаа тул түүхийн зөвхөн нэг хэсэг юм. Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments, Skeleton Technologies зэрэг ханган нийлүүлэгчид суперконденсатор болон супербатарейгаараа хар тугалга-хүчлийн батерейны эрчим хүчний нягтыг давж, зарим нь онолын хувьд литийн ионуудын эрчим хүчний нягттай таарч байна гэж мэдэгджээ.

Гэсэн хэдий ч цахилгаан тээврийн хэрэгслийн ионистор нь электроник болон цахилгааны инженерийн нэг тал юм.олон тэрбум долларын зах зээлийн хурдацтай өсөлтийг үл харгалзан хэвлэл, хөрөнгө оруулагчид, боломжит ханган нийлүүлэгчид, хуучин технологиор амьдардаг олон хүмүүс үл тоомсорлодог. Жишээлбэл, хуурай газар, ус, агаарын тээврийн хэрэгслийн хувьд суперконденсатор үйлдвэрлэдэг цөөхөн үйлдвэрлэгчтэй харьцуулахад зүтгүүрийн мотор үйлдвэрлэдэг 200, зүтгүүрийн батерейны томоохон нийлүүлэгчид 110 орчим байдаг. Ерөнхийдөө дэлхий дээр 66-аас илүү том ионистор үйлдвэрлэгч байдаггүй бөгөөд ихэнх нь хэрэглээний цахилгаан барааны хөнгөн загварт үйлдвэрлэлээ чиглүүлсэн.