Ionistor

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 22 mars 2022; kontroller kräver 2 redigeringar .

En jonistor (superkondensator, ultrakondensator, elektrokemisk kondensator med dubbla lager) är en elektrokemisk anordning, en kondensator med en organisk eller oorganisk elektrolyt , där "plattorna" är ett dubbelt elektriskt lager vid gränssnittet mellan elektroden och elektrolyten . Enligt dess egenskaper upptar den en mellanposition mellan en kondensator och en kemisk strömkälla .

Koncept

På grund av det faktum att tjockleken på det elektriska dubbelskiktet (det vill säga avståndet mellan "plattorna" på kondensatorn) är extremt litet på grund av användningen av elektrolyter, och området för plattornas porösa material är kolossal är energin som lagras av jonistorn högre jämfört med konventionella kondensatorer av samma storlek. Dessutom gör användningen av ett elektriskt dubbelskikt istället för ett konventionellt dielektrikum det möjligt att kraftigt öka elektrodens yta. Den typiska kapacitansen för en jonistor är några farad vid en nominell spänning på 2-10 volt.

Skapande historia

Den första dubbelskiktskondensatorn på porösa kolelektroder patenterades 1957 av General Electric [1] . Eftersom den exakta mekanismen inte var klar vid den tidpunkten, antogs det att energi lagrades i porerna på elektroderna, vilket ledde till bildandet av "en exceptionellt hög laddningslagringskapacitet" . Lite senare, 1966, patenterade Standard Oil of Ohio , Cleveland (SOHIO), USA ett element som lagrade energi i ett dubbelt lager [2] .

Inför en låg försäljningsvolym licensierade SOHIO den 1971 till NEC , som framgångsrikt marknadsförde produkten under namnet "Supercapacitor" (Supercapacitor). 1978 lanserade Panasonic "Gold Capacitor", "Gold Cap", som fungerar på samma princip. Dessa kondensatorer hade ett relativt högt internt motstånd som begränsade uteffekten och användes i strömkretsar för volatile memory ( SRAM ) .

Ionistorer i Sovjetunionen tillkännagavs i radiotidningen nr 5 1978. Dessa var KI1-1 jonistorer och de hade en kapacitet från 0,1 till 50 F, beroende på storleken.

De första jonistorerna med låg intern resistans för användning i högeffektskretsar utvecklades av PRI 1982. Dessa jonistorer dök upp på marknaden under namnet "PRI Ultracapacitor".

Typer av jonistorer

  1. Jonistorer med idealiskt polariserbara kolelektroder ("ideal" jonistor, jonkondensator). De använder inte elektrokemiska reaktioner, de fungerar på grund av jonöverföring mellan elektroderna. Vissa elektrolytalternativ: 30 % KOH vattenlösning ; 38 % vattenlösning av H2SO4 ; organiska elektrolyter [3] .
  2. Jonistorer med en perfekt polariserbar kolelektrod och en icke-polariserbar eller svagt polariserbar katod eller anod ("hybrid" jonistorer).
    En elektrokemisk reaktion sker vid en elektrod. Alternativ: Ag (-) och fast elektrolyt RbAg 4 I 5 ; 30 % vattenlösning av KOH och NiOOH (+) [3] .
  3. Pseudokondensatorer är jonistorer som använder reversibla elektrokemiska processer på ytan av elektroderna . De har en hög specifik kapacitet. Elektrokemiskt schema: (-) Ni(H) / 30 % vattenhaltig KOH / NiOOH (+); (-) С(Н) / 38 % vattenlösning av Н 2 SO 4 / PbSO 4 ( PbO 2 ) (+) [3] .

Jämförelser

Med tillkomsten av jonistorer blev det möjligt att använda kondensatorer i elektriska kretsar inte bara som ett omvandlingselement, utan också som en spänningskälla. Används ofta som ersättning för batterier för att lagra information om produktparametrar i frånvaro av extern ström. Sådana element har både flera fördelar och ett antal nackdelar jämfört med konventionella kemiska strömkällor  - galvaniska celler och batterier :

Nackdelar

Fördelar

Material

Elektroder tillverkas vanligtvis genom att använda porösa material såsom aktivt kol eller skummade metaller; och dessa metaller väljs i enlighet med typen av elektrolyt. Den totala ytan av ett sådant poröst material är många gånger större än för ett liknande, men med en slät yta, vilket gjorde det möjligt att lagra laddningen i en lämplig volym.

Energitäthet

Energitätheten hos jonistorer är fortfarande flera gånger mindre än batteriernas kapacitet. Till exempel är energitätheten för en BCAP3000 jonist (3000 F, 2,7 V) som väger 0,51 kg 21,4 kJ/kg (6 Wh/kg). Detta är 7,6 gånger mindre än energitätheten för blyelektrolytiska batterier, 25 gånger mindre än litiumpolymerbatterier , men tio gånger mer än energitätheten för en elektrolytisk kondensator .

Effekttätheten hos en jonist beror på det inre motståndet. I de senaste modellerna av jonistorer är det interna motståndet ganska litet, vilket gör det möjligt att få effekt jämförbar med den för ett batteri.

2008 utvecklade indiska forskare en prototypjonistor baserad på grafenelektroder med en specifik energikapacitet på upp till 32 Wh/kg, jämförbar med den för blybatterier (30–40 Wh/kg) [5] .

Under 2011 utvecklade koreanska forskare under ledning av professor Choi Jung-wook en superkondensator tillverkad av grafen och kväve, som ger dubbelt så stor kapacitet jämfört med konventionella energikällor av samma klass. Förbättringen av batteriets elektriska egenskaper uppnåddes genom tillsats av kväve [6] .

Användning

Fordon

Tung och kollektivtrafik

Elektriska bussar som drivs av jonistorer kallas " capabuses ". För närvarande produceras kapabuser av Hyundai Motor , Trolza , Belkommunmash , LIAZ, NEFAZ och andra [7] .

Hyundai Motor capabuses är vanliga bussar med en elektrisk drivning som drivs av jonistorer ombord. Enligt designerna från Hyundai Motor kommer en sådan buss att laddas vid vartannat eller var tredje stopp, och stopptiden är tillräcklig för att ladda bussjonistorerna. Hyundai Motor positionerar sin kapabus som en ekonomisk ersättning för en trolleybuss (inget behov av att bygga ett kontaktnät) eller en diesel (och till och med vätgas) buss (el är fortfarande billigare än diesel eller vätgas).

Trolzas kapabusar är tekniskt sett "stavlösa trolleybussar". Det vill säga, strukturellt är detta en trolleybuss, men utan kraftstavar från kontaktnätet och följaktligen med elektrisk strömförsörjning från jonistorer.

Men jonistorer är särskilt lovande som ett sätt att implementera ett autonomt körsystem för konventionella trolleybussar. En trolleybuss utrustad med jonistorer närmar sig en buss när det gäller manövrerbarhet . I synnerhet kan en sådan trolleybus:

  • gå igenom separata korta delar av rutten som inte är utrustade med ett kontaktnät (inklusive, om nödvändigt, flytta till en omväg när det är omöjligt att förflytta sig längs ruttens vanliga rutten på någon del av rutten);
  • att passera platserna för brott på kontaktnätets linje;
  • förmågan att kringgå hinder även när längden på de strömsamlande stavarna inte tillåter det (i det här fallet kommer föraren av en trolleybuss utrustad med jonistorer helt enkelt att sänka de strömsamlande stavarna och gå runt hindret, varefter han kommer att höj de strömuppsamlande stavarna igen och fortsätt att röra dig i normalt läge);
  • det finns inget behov av att utveckla ett kontaktnät i depån och på vändringarna vid sluthållplatserna - i depån och på vändringarna manövrerar trolleybussar utrustade med jonistorer med strömupptagningsstavarna sänkta.

Sålunda närmar sig trolleybussystemet, som använder trolleybussar utrustade med jonistorer, det vanliga bussystemet vad gäller flexibilitet.

Sedan maj 2017 har de första vitryska elbussarna Belkommunmash E433 Vitovt Max Electro [8] använts i Minsk . Elbussar laddas vid tre laddningsstationer som finns vid linjernas slutpunkter. Laddning med en ström på 500 ampere varar 5-8 minuter. En tom elbuss åker 20 km på en laddning. Jonistorer tillverkas av Chengdu Sinju Silk Road Development LLC i den kinesisk-vitryska industriparken Great Stone .

Automotive

Yo-mobile  , ett bilprojekt utvecklat i Ryska federationen, använde en superkondensator som det huvudsakliga medlet för att lagra elektrisk energi. Dessa superkondensatorer i sig var inte masstillverkade och utvecklades parallellt med bilen.

Autoracing

KERS - systemet som används i Formel 1 använder jonistorer.

Konsumentelektronik

De används för huvud- och reservkraft i ficklampor , ficklampor , fickspelare och automatiska verktygsmätare -  var du än behöver för att snabbt ladda enheten. Laserdetektorn för bröstcancer på jonistorer laddas på 2,5 minuter och fungerar i 1 minut [9] .

Biltillbehörsbutiker säljer jonistorer med en kapacitet på cirka 1F, utformade för att driva bilradioapparater (och utrustning som drivs från cigarettändaruttaget) med tändningen avstängd och under motorstart (på många bilar är alla andra konsumenter avstängda medan startmotorn är avstängd körs), samt att jämna ut strömstötar vid toppbelastningar, till exempel för drift av kraftfulla högtalare.

Utsikter för utveckling

Enligt uttalanden från MIT- anställda 2006 [10] kan jonistorer snart ersätta konventionella batterier . Dessutom genomfördes 2009 tester på ett batteri baserat på en jonistor, där järnnanopartiklar fördes in i det porösa materialet . Det resulterande dubbla elektriska lagret passerade elektroner dubbelt så snabbt på grund av skapandet av en tunneleffekt . En grupp forskare från University of Texas i Austin har utvecklat ett nytt material, som är poröst bulkkol. Kolet som erhölls på detta sätt hade egenskaperna hos en superkondensator. Behandlingen av materialet som beskrivs ovan med kaliumhydroxid ledde till skapandet av ett stort antal små porer i kol, som i kombination med elektrolyten kunde lagra en kolossal elektrisk laddning [11] .

För närvarande har en av de nödvändiga delarna av kondensatorn skapats - en solid nanokompositelektrolyt med litiumjonledningsförmåga. Utvecklingen av elektroder för kondensatorn pågår. En av uppgifterna är att minska jonistorens storlek på grund av den interna strukturen [12] .

Forskare vid Center for Nanotechnology vid University of Central Florida (UCF) utvecklade en flexibel jonistor 2016, bestående av miljontals nanometertrådar belagda med ett skal av tvådimensionella dikalkogenider. En sådan superkondensator tål mer än 30 tusen laddningscykler [13] .

Under 2019 utvecklade ryska forskare från Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) ett nytt sätt att ersätta kolatomer med kväveatomer i superkondensatorernas kristallgitter, vilket möjliggör en sexfaldig ökning av deras kapacitet, samt öka stabiliteten i laddningen -urladdningscykler. Den uppfunna metoden för plasmabehandling av kolnanoväggar i jonistorernas strukturella gitter ersätter upp till 3% av kolatomerna med kväveatomer. Den specifika kapaciteten hos nanoväggen efter sådan behandling når 600 F/g [14] . Forskarna förklarade, modellerade och beskrev också mekanismen för inkorporering av kväveatomer i kolgittret. Denna studie banar väg för skapandet av flexibla tunnfilmssuperkondensatorer baserade på kolnanoväggar [15] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ HI Becker: Low voltage electrolytic capacitor , US-patent 2800616 Arkiverad 24 augusti 2014 på Wayback Machine
  2. ↑ RA Rightmire, "Electrical energy storage apparatus", US Patent 3288641 Arkiverad 24 augusti 2014 på Wayback Machine
  3. ↑ 1 2 3 V. Kuznetsov, O. Pankina, N. Machkovskaya, E. Shuvalov, I. Vostrikov. Elektriska dubbelskiktskondensatorer (jonistorer): utveckling och produktion. Arkiverad 5 februari 2012 på Wayback Machine Components and Technologies nr. 6, 2005.
  4. ↑ Ionistors hänvisar till Amatörradioelektronik . Hämtad 13 februari 2010. Arkiverad från originalet 20 juni 2009.
  5. ↑ SRCVivekchand; Chandra Sekhar Rout, KSSubrahmanyam, A.Govindaraj och CNRao. Grafenbaserade elektrokemiska superkondensatorer  (neopr.)  // J. Chem. Sci., Indian Academy of Sciences. - 2008. - T. 120, januari 2008 . — S. 9−13 .
  6. ↑ Koreanska forskare har utvecklat en grafen superkondensator för elfordon / Hardware News / 3DNews - Daily Digital Digest . Hämtad 6 maj 2013. Arkiverad från originalet 16 mars 2014.
  7. ↑ projekt, Fabrik . Elbussar  (ryska) , Belkommunmash . Arkiverad från originalet den 8 augusti 2017. Hämtad 22 december 2017.
  8. ↑ "Bakom ratten känner jag mig som en liten" stjärna ". Hur de första vitryska elbussarna testas i Minsk  (ryska) . Arkiverad den 23 december 2017. Öppnad 22 december 2017.
  9. ↑ CiteSeerX - TurboCap: En batterilös, supercapacitor-baserad strömförsörjning för Mini-FDPM . Hämtad 12 januari 2012. Arkiverad från originalet 19 oktober 2012.
  10. ↑ MIT utvecklar kol "mini-batteri" . Hämtad 28 augusti 2013. Arkiverad från originalet 16 november 2013.
  11. ↑ Superkondensatorer hjälper till att förbättra batterierna Arkiverad 20 maj 2011 på Wayback Machine  :: Overclockers.ru
  12. ↑ Forskare från ICTTM SB RAS har för avsikt att skapa en superkondensatorarkivkopia daterad 4 september 2014 på Wayback Machine
  13. ↑ Forskare har föreslagit en metod för att skapa flexibla superkondensatorer som kan ladda en smartphone helt på några sekunder
  14. ↑ Nikolay V. Suetin, Iskander S. Akhatov, Elena V. Zenova, Alexander A. Pavlov, Sergei V. Vavilov. N-dopade kolnanoväggar för strömkällor  //  Vetenskapliga rapporter. — 2019-04-30. — Vol. 9 , iss. 1 . — S. 6716 . — ISSN 2045-2322 . - doi : 10.1038/s41598-019-43001-3 . Arkiverad från originalet den 17 juni 2022.
  15. ↑ Forskare har hittat ett sätt att öka kapaciteten hos energikällor för bärbar elektronik . TASS . Hämtad 25 maj 2019. Arkiverad från originalet 23 maj 2019.

Länkar

Artikeln "Let's go on a capacitor" (först publicerad i tidningen "Young Technician" för december 1990 ) ger ett recept för att göra en jonistor (där kallades den "IONICS") med egna händer för en båtmodell med en motor .

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger