Йонистор: какво е то и къде се прилага

Йонистор - нов клас източници по функции, близки до мощни кондензатори, и всъщност - заемащ ниша между кондензаторите и източниците на постоянен ток

Исторически контекст

През 1957 г. ранните версии на суперкомпютрите са разработени от инженери от General Electric, но нямат търговски приложения поради ниската им ефективност. През 1966 г. Standard Oil случайно открива ефекта на двупластов кондензатор при работа с горивни клетки, което позволява на суперкомпютъра да функционира ефективно. Компанията не комерсиализира изобретението, но получи лиценз за NEC. През 1978 г. тя продава тази технология като "суперконцентратор" за компютри. В СССР за първи път EDLC бяха въведени през 1978 г. в публикуването на списание Радио № 5 от поредицата KI1-1s с капацитет от 0, 2 до 50, 0 F.

Първите суперкондактори за мощно оборудване бяха създадени през 1982 г. PRI Ultracapacitor. Едва през 90-те години напредъкът в материалите и методите на производство води до повишаване на производителността и намаляване на цената на йонистите. Те продължават да се развиват и преминават в технологията на батериите, използвайки специални електроди и електролит.

Цел на електронното устройство

Йонисторите (EDLC) са електронни устройства, които се използват за съхраняване на изключително големи количества електрически заряд. Те са известни също като суперкапакатори, двуслойни кондензатори или ултракондензатори. Вместо да използва конвенционален диелектрик, EDLC използва механизъм за съхраняване на електрическата енергия - двуслоен капацитет. Това означава, че те комбинират работата на конвенционалните кондензатори с работата на традиционните батерии. Възможностите, постигнати с тази технология, могат да достигнат 12 000 Е. За сравнение капацитетът на цялата Земя е само около 710 μF, което е повече от 15 милиона пъти по-малък от капацитета на EDLC.

Докато конвенционалният електростатичен кондензатор може да има високо максимално работно напрежение, нормалното максимално зареждащо напрежение на EDLC е между 2, 5 и 2, 7 волта. EDLC са полярни устройства, т.е. те трябва да бъдат свързани правилно към веригата, като електролитни кондензатори. Електрическите свойства на тези устройства, особено тяхното бързо зареждане и освобождаване от отговорност, са много обещаващи за много отрасли, където те могат напълно да заменят батериите.

Строителство и материали на йонистори

Нека разгледаме по-подробно какво такъв йонистор. Дизайнът на EDLC е подобен на проектирането на електролитни кондензатори, тъй като те се състоят от два фолийни електрода, електролит, сепаратор и фолио. Сепараторът е захванат между електродите, фолиото е сгъната или сгъната във форма, обикновено цилиндрична или правоъгълна. Тази сгъната форма се поставя в херметически затворен корпус, импрегниран с електролит. Електролитът в дизайна на EDLC, както и електродите, се различава от електролита, използван в конвенционалните електролитни кондензатори.

За да се поддържа електрически заряд, EDLC използва порьозни материали като разделители за съхраняване на йони в порите на атомно ниво. Най-често срещаният материал в модерната EDLC е активен въглен. Фактът, че въглеродът не е добър изолатор, води до ограничаване на максималното работно напрежение до 3 V.

Активният въглерод не е идеален материал: носителите на заряд са сравними по размер с порите в материала и някои от тях не могат да проникнат в по-малки пори, което води до течове и намаляване на капацитета за съхранение.

Един от най - интересните материали, използвани в Изследването на EDLC е графен. Това вещество, състоящо се от чист въглерод, намиращо се в плосък лист с дебелина само един атом. Той е изключително порьозен, действа като йонна "гъба". Енергийната плътност, постигната с графен в EDLC, е сравнима с енергийните плътности, получени в батериите.

Все пак, въпреки факта, че прототипи EDLC графена са направени като доказателство за концепцията на бъдещето, те са скъпи и трудни за производство в промишлени обеми и това значително затруднява използването на тази технология. Въпреки това, EDLC от графен е най-обещаващият кандидат в бъдещата технология на йонистите.

Предимства и недостатъци

Сред предимствата на устройството са следните:

1. Време на зареждане. EDLC имат време за зареждане и разреждане, сравними с конвенционалните кондензатори. Поради ниското вътрешно съпротивление, могат да се постигнат високи токове на зареждане и изпускане. За да достигнете напълно заредено състояние, батерията обикновено отнема до няколко часа. Например, като батерия на мобилен телефон, докато EDLC може да бъде заредена за по-малко от две минути.
2. Специално захранване. Специфичната мощност на батерията или EDLC е мярка, използвана за сравняване на различни технологии с изходната мощност, разделена на общата маса на устройството. EDLC имат специфична мощност от 5-10 пъти по-голяма от тази на батериите. Например, докато литиево-йонните батерии имат специфична мощност от 1-3 kW / kg, специфичната мощност на типична EDLC е около 10 kW / kg. Тази функция е особено важна за приложения, които изискват бързо захранване от устройства за съхранение.
3. Жизнеспособност и безопасност на цикъла. Батериите EDLC са по-безопасни от обикновените батерии, ако те не се обработват правилно. Докато батериите могат да експлодират поради прекомерно нагряване в случай на късо съединение, EDLC не се нагрява толкова много поради ниското вътрешно съпротивление.
4. EDLC може да се зарежда и разрежда милиони пъти и да се различава почти неограничено, докато батериите имат жизнен цикъл 500 пъти и по-ниски. Това прави EDLC много полезен в приложения, където се изисква често съхранение и разпределение на мощността.
5. Продължителността на живот на EDLC е от 10 до 20 години, а капацитетът от 10 години се намалява от 100% на 80%.
6. Поради ниското си еквивалентно съпротивление, EDLC осигурява висока плътност на мощността и високи натоварващи токове, за да се постигне почти мигновено зареждане за секунди. Температурните характеристики също са силни, осигурявайки енергия при температури до -40 ° C.

EDLC са някои недостатъци:

1. Един недостатък е сравнително ниската специфична енергия. Специфичната енергия на EDLC е измерване на общото количество енергия, съхранявано в устройството, разделено на теглото му. Докато литиево-йонните батерии, които обикновено се използват в клетъчните телефони, имат специфична енергия от 100-200 Wh / kg, EDLC може да съхранява само 5 W / kg. Това означава, че EDLC, който има същия капацитет като обикновена батерия, ще тежи 40 пъти повече.
2. Линейно изпускателно напрежение. Например, батерия с номинално напрежение 2.7V, когато напрежението близо до 2.7V все още ще бъде изведено при 50% зареждане. EDLC, оценен на 2.7V с 50% зареждане, произвежда точно половината от Максималното зареждане е 1.35 V. Това означава, че изходното напрежение падне под минималното работно напрежение на устройството, работещо на EDLC и трябва да се изключи, преди да се използва цялото зареждане в кондензатора. Решаването на този проблем е да се използват DC конвертори. Този подход обаче създава нови трудности, като ефективност и шум.
3. Те не могат да бъдат използвани като постоянен източник на енергия. Една клетка обикновено има напрежение от 2.7V и ако се изисква по-високо напрежение, клетките трябва да бъдат свързани в серия.
4. Цената на конвенционалните EDLC е 20 пъти по-висока от тази на литиево-йонните батерии. Въпреки това, той може да бъде намален благодарение на новите технологии и масово производство на йонистори.

Промишлено приложение

Тъй като EDLC заема площ между батерии и кондензатори, те могат да бъдат използвани в голямо разнообразие от приложения. Когато се използва йонистор, може да се приеме въз основа на неговата цел. Едно от интересните приложения е съхранението на енергия в динамичните спирачни системи в автомобилната индустрия. Използва се електрически генератор, който преобразува кинетичната енергия в електрическа енергия и я съхранява в EDLC. Впоследствие тази енергия може да се използва отново, за да се осигури енергия за ускоряване.

Друг пример е приложенията с ниска мощност, при които високата производителност не е задължителна, но е важно да се осигури висок жизнен цикъл или бързо зареждане. Такива приложения са фотографска светкавица, MP3 плейъри, статични устройства за съхранение, които изискват източник на ниско напрежение за съхранение на информация и т.н.

Възможни бъдещи приложения за EDLC са клетъчни телефони, лаптопи, електрически автомобили и всички други устройства, които понастоящем работят с батерии. Най-вълнуващото предимство от практическа гледна точка е тяхната много бърза скорост на зареждане - това означава зареждане на електрическа кола в зарядното устройство за няколко минути, докато батерията бъде напълно заредена.

EDLC се използва в много приложения за управление на захранването, изискващи голям брой бързи цикли за зареждане / разреждане краткосрочни нужди в енергията. Някои от тези приложения се използват в следните области:

• стабилизация на напрежението в системи старт / стоп;
• електронни брави в случай на отказ на електрозахранване;
• регенеративни спирачни системи;
• чип за разпространение;
• медицинско оборудване;
• енергийни акумулатори;
• потребителска електроника;
• кухненски уреди;
• архивиране на часовника данни в реално време;
• в режим на готовност;
• вятърна енергия:
• енергийна ефективност и контрол на честотата;
• дистанционно захранване за сензори, светодиоди, превключватели;
• резервна памет;
• пакетно захранване.

Насоки за разработване на суперкомпютри

Ново обещаващо развитие на йонисторите:

• Supercapacitors graphene Skeleton Technology ще бъдат ключовите играчи на EDLC. В нови тестове в транспортния флот в Обединеното кралство те се използват за превръщането на дизеловите автомобили в хибриди за сметка на мощността от регенеративно спиране. Хибридната система е разработена от Adgero и Skeleton Technologies наречен UltraBoost. По време на спирането устройството става генератор, възстановявайки кинетичната енергия, която иначе би била загубена под формата на тяло. В сърцето на тази технология е банка от пет мощни суперкапаратори, базирани на графени, известни като SkelMod.
• раз-два Go, стартиране във Великобритания, стартира нов тип зарядно специално за бизнес пътници. Той използва свръхкапацитети от графена за зареждане на телефони в рамките на пет минути.
• Eaton предлага решения за суперкомпютри с размер на монета, големи клетки, малки цилиндрични клетки и модули. Например, тя суперкондензатор XLR 48V модул осигурява съхранение на енергия за енергийни системи с честота зареждане / разреждане на хибридни или електрически превозни средства, обществен транспорт, товарене и разтоварване оборудване, тежко оборудване и морски системи. XLR модули се състоят от 18 индивидуално суперкондензатори Eaton XL60, предназначена да осигури 48 и 166 6 F 5 mA с устойчивост за включване в системи изисква до 750 V.

• Maxwell Technologies Supercapacitors се използват за съхраняване на енергия с възстановителни спирачки в метрото в Пекин. Китайски железопътен подвижен състав Corp. (CRRC-SRI) използва модули Maxwell 48-V в два комплекта енергоспестяващи регенеративни спирачни устройства за линия № 8 на системата, градска железопътна мрежа, която минава от север на юг през столицата на Китай. Модулите 48 V на Maxwell осигуряват дълъг живот до 10 години и бързо зареждане / разреждане. Vishay предлага 220 EDLC ENYCAP с номинално напрежение от 2,7 V. Той може да се използва в няколко приложения, включително резервна мощност, импулсна мощност поддръжка, устройства за съхранение на енергия за събиране на енергия, микро UPS захранвания и възстановяване на енергията.
• Линейната технология предлага LTC3350, контролер в режим на готовност, който може да зарежда и следи серийния модул до четири суперкондензатори. LTC3350, проектиран за автомобилни и други транспортни приложения, предлага следните функции:

• Архивиране на захранването чрез зареждане на банката на четири суперконвертора в случай на прекъсване на захранването. Той може да работи с входно напрежение от 4.5 до 35 V и повече от 10 A зареждане на резервно захранване.
• Балансиране и защита от пренапрежение за поредица от суперкомпютри.
• Контролно напрежение, ток и температура в системата.
• Вътрешни баланситори на напрежението на кондензатора, което елиминира нуждата от балансирани резистори.

Разработчиците на йонистите се опитват непрекъснато да ги модернизират и да увеличават специфичния капацитет. Очевидно, в бъдеще батериите ще заменят напълно суперкомпютрите. Резултатите от изследванията на калифорнийските учени са показали, че нов тип йонообменници вече надминават аналозите си няколко пъти в функционалност.