Ionistor

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2022. március 22-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 2 szerkesztést igényelnek .

Az ionisztor (szuperkondenzátor, ultrakondenzátor, kétrétegű elektrokémiai kondenzátor) egy elektrokémiai eszköz, egy szerves vagy szervetlen elektrolittal rendelkező kondenzátor , amelyben a „lemezek” kettős elektromos réteget alkotnak az elektróda és az elektrolit határfelületén . Jellemzői szerint a kondenzátor és a kémiai áramforrás között köztes helyet foglal el .

Koncepció

Tekintettel arra, hogy az elektromos kettős réteg vastagsága (azaz a kondenzátor „lemezei” közötti távolság) rendkívül kicsi az elektrolitok felhasználása miatt, és a lemezek porózus anyagainak területe kolosszális, az ionisztor által tárolt energia nagyobb az azonos méretű hagyományos kondenzátorokhoz képest. Ezenkívül egy elektromos kettős réteg használata a hagyományos dielektrikum helyett lehetővé teszi az elektróda felületének nagymértékű növelését. Az ionisztorok tipikus kapacitása néhány farad 2-10 V névleges feszültség mellett.

Létrehozási előzmények

Az első kétrétegű, porózus szénelektródákon lévő kondenzátort 1957-ben szabadalmaztatta a General Electric [1] . Mivel a pontos mechanizmus akkor még nem volt világos, feltételezték, hogy az elektródák pórusaiban energia raktározódik, ami "kivételesen nagy töltéstároló kapacitás" kialakulásához vezetett . Kicsit később, 1966-ban a Standard Oil of Ohio , Cleveland (SOHIO, USA ) szabadalmaztatott egy elemet, amely kettős rétegben tárolja az energiát [2] .

Az alacsony értékesítési volumen miatt a SOHIO 1971-ben engedélyezte a NEC -nek , amely sikeresen forgalmazta a terméket "Supercapacitor" (Supercapacitor) néven. 1978-ban a Panasonic piacra dobta a "Gold Capacitor"-t, "Gold Cap"-t, amely ugyanezen az elven működik. Ezek a kondenzátorok viszonylag nagy belső ellenállással rendelkeztek, ami korlátozta a kimenő teljesítményt, és illékony memória ( SRAM ) áramkörökben használták őket.

A Szovjetunió ionisztorait a Rádió 5. számában hirdették meg 1978-ban. Ezek KI1-1 ionisztorok voltak, kapacitásuk mérettől függően 0,1-50 F volt.

Az első kis belső ellenállású, nagy teljesítményű áramkörökben használható ionisztorokat a PRI fejlesztette ki 1982-ben. Ezek az ionisztorok "PRI Ultracapacitor" néven jelentek meg a piacon.

Az ionisztorok típusai

  1. Ideálisan polarizálható szénelektródákkal rendelkező ionisztorok ("ideális" ionisztor, ionkondenzátor). Nem alkalmaznak elektrokémiai reakciókat, az elektródák közötti ionátvitel miatt működnek. Néhány elektrolit opció: 30%-os KOH vizes oldat ; 38%-os vizes H 2 SO 4 oldat ; szerves elektrolitok [3] .
  2. Ionisztorok tökéletesen polarizálható szénelektródával és nem polarizálható vagy gyengén polarizálható katóddal vagy anóddal ("hibrid" ionisztorok).
    Az egyik elektródán elektrokémiai reakció megy végbe. Opciók: Ag (-) és szilárd elektrolit RbAg 4 I 5 ; KOH és NiOOH 30%-os vizes oldata (+) [3] .
  3. A pszeudokondenzátorok olyan ionisztorok, amelyek az elektródák felületén reverzibilis elektrokémiai folyamatokat alkalmaznak . Nagy fajlagos kapacitással rendelkeznek. Elektrokémiai séma: (-) Ni(H)/30%-os vizes KOH/NiOOH (+); (-) С(Н) / Н 2 SO 4 / PbSO 4 ( PbO 2 ) (+) 38%-os vizes oldata [3] .

Összehasonlítások

Az ionisztorok megjelenésével lehetővé vált a kondenzátorok elektromos áramkörökben történő alkalmazása nemcsak átalakító elemként, hanem feszültségforrásként is. Széles körben használják akkumulátorok helyettesítésére a termékparaméterekre vonatkozó információk tárolására külső áramforrás hiányában. Az ilyen elemeknek számos előnye és hátránya is van a hagyományos kémiai áramforrásokkal  - galvanikus cellákkal és akkumulátorokkal - szemben :

Hátrányok

Előnyök

Anyagok

Az elektródákat általában porózus anyagok, például aktív szén vagy habosított fémek felhasználásával készítik; és ezeket a fémeket az elektrolit típusának megfelelően választják ki. Egy ilyen porózus anyag teljes felülete sokszorosa egy hasonló, de sima felületű anyagénak, ami lehetővé tette a töltés megfelelő térfogatban történő tárolását.

Energiasűrűség

Az ionisztorok energiasűrűsége még mindig többszöröse az akkumulátorok képességeinek. Például egy 0,51 kg tömegű BCAP3000 ionisztor (3000 F, 2,7 V) energiasűrűsége 21,4 kJ/kg (6 Wh/kg). Ez 7,6-szor kisebb, mint az ólom-elektrolit akkumulátorok energiasűrűsége , 25-ször kisebb, mint a lítium-polimer akkumulátoroké , de tízszer nagyobb, mint egy elektrolitkondenzátoré .

Az ionisztor teljesítménysűrűsége a belső ellenállástól függ. Az ionisztorok legújabb modelljeiben a belső ellenállás meglehetősen kicsi, ami lehetővé teszi az akkumulátor teljesítményéhez hasonló teljesítmény elérését.

2008- ban indiai kutatók kifejlesztettek egy grafénelektródákon alapuló ionisztor prototípust , amelynek fajlagos energiakapacitása akár 32 Wh/kg is lehet, ami hasonló az ólom-savas akkumulátorokéhoz (30-40 Wh/kg) [5] .

2011 -ben koreai tudósok Choi Jung-wook professzor vezetésével grafén és nitrogén felhasználásával készült szuperkondenzátort fejlesztettek ki, amely kétszer akkora kapacitást biztosít, mint az azonos osztályú hagyományos energiaforrások. Az akkumulátor elektromos tulajdonságainak javítását nitrogén hozzáadásával sikerült elérni [6] .

Használat

Járművek

Nehéz- és tömegközlekedés

Az ionisztorral hajtott elektromos buszokat " kapabusoknak " nevezik. Jelenleg a capabusokat a Hyundai Motor , a Trolza , a Belkommunmash , a LIAZ, a NEFAZ és mások gyártják [7] .

A Hyundai Motor kapaszkodói közönséges buszok, elektromos meghajtással, fedélzeti ionisztorokkal. A Hyundai Motor tervezőinek elképzelése szerint egy ilyen buszt minden második vagy minden harmadik megállóhelyen töltenek, és a megállás időtartama elegendő a busz ionisztorainak feltöltéséhez. A Hyundai Motor a trolibusz gazdaságos helyettesítőjeként pozicionálja (nem kell kontakthálózatot kiépíteni) vagy dízel (sőt, hidrogén) buszt (az áram továbbra is olcsóbb, mint a dízel vagy a hidrogén üzemanyag).

A Trolza capabusai műszakilag „rúd nélküli trolibuszok”. Vagyis szerkezetileg ez egy trolibusz, de az érintkezési hálózatból származó táprúd nélkül, és ennek megfelelően ionisztoros áramellátással.

Az ionisztorok azonban különösen ígéretesek a hagyományos trolibuszok autonóm futórendszerének megvalósítására. Az ionisztorokkal felszerelt trolibusz manőverezhetőség szempontjából megközelíti a buszt . Egy ilyen trolibusz különösen:

  • az útvonal különálló, kapcsolati hálózattal nem ellátott rövid szakaszain menjen keresztül (beleértve, ha szükséges, kerülőútra mozduljon el, ha az útvonal valamely szakaszán az útvonal szokásos útvonalán nem lehet haladni);
  • áthaladni a kapcsolati hálózat vonalának törési helyein;
  • az akadályok megkerülésének képessége akkor is, ha az áramgyűjtő rudak hossza ezt nem teszi lehetővé (ebben az esetben az ionisztorokkal felszerelt trolibusz vezetője egyszerűen leereszti az áramgyűjtő rudakat és megkerüli az akadályt, ami után ismét emelje fel az áramgyűjtő rudakat, és folytassa a mozgást normál üzemmódban);
  • nincs szükség kontakthálózat kialakítására a depóban és a végállomásokon a kanyarodó gyűrűkön - a depóban és a kanyarodó gyűrűkön az ionisztorral felszerelt trolibuszok leeresztett áramgyűjtő rudak mellett manővereznek.

Így a trolibuszrendszer az ionisztorral felszerelt trolibuszokat alkalmazva rugalmasságban megközelíti a megszokott buszrendszert.

2017 májusa óta Minszkben használják az első fehérorosz elektromos buszokat, a Belkommunmash E433 Vitovt Max Electro [8] . Az elektromos buszok töltése az útvonalak végpontjain található három töltőállomáson történik. A töltés 500 amperes áramerősséggel 5-8 percig tart. Egy üres elektromos busz 20 km-t tesz meg egy töltéssel. Az ionisztorokat a Chengdu Sinju Silk Road Development LLC gyártja a Great Stone kínai-fehérorosz ipari parkban .

Autóipar

Az Orosz Föderációban kifejlesztett Yo-mobile  autóprojekt szuperkondenzátort használt az elektromos energia tárolásának fő eszközeként. Magukat a szuperkondenzátorokat nem sorozatban gyártották, és az autóval párhuzamosan fejlesztették ki.

Autóverseny

A Forma-1 -ben használt KERS rendszer ionisztorokat használ.

Szórakoztató elektronika

Zseblámpákban , zseblámpákban , zseblejátszókban és automata közüzemi fogyasztásmérőkben fő- és tartalék tápellátásra szolgálnak  – bárhol, ahol gyorsan kell tölteni az eszközt. A mellrák lézeres detektora az ionisztorokon 2,5 perc alatt töltődik fel, és 1 percig működik [9] .

Az autótartozékok boltjai körülbelül 1 F kapacitású ionisztorokat árulnak, amelyeket arra terveztek, hogy az autórádiókat (és a szivargyújtó aljzatból táplált berendezéseket) lekapcsolt gyújtás mellett és a motor indítása közben táplálják (sok autóban az összes többi fogyasztó ki van kapcsolva, amíg az indító működik futás), valamint a csúcsterhelések túlfeszültségének kiegyenlítésére, például nagy teljesítményű hangszórók működéséhez.

A fejlődés kilátásai

Az MIT alkalmazottainak 2006 -os nyilatkozatai szerint [10] az ionisztorok hamarosan lecserélhetik a hagyományos akkumulátorokat . Ezenkívül 2009-ben teszteket végeztek egy ionisztor alapú akkumulátorral, amelyben vas nanorészecskéket vittek be a porózus anyagba . Az így létrejövő kettős elektromos réteg kétszer gyorsabban engedte át az elektronokat az alagúthatás létrejötte miatt . Az austini Texasi Egyetem tudósainak egy csoportja új anyagot fejlesztett ki, amely porózus ömlesztett szén. Az így nyert szén szuperkondenzátor tulajdonságaival rendelkezett. A fent leírt anyag kálium-hidroxiddal történő kezelése nagyszámú apró pórus kialakulásához vezetett a szénben, amelyek az elektrolittal kombinálva kolosszális elektromos töltést tudtak tárolni [11] .

Jelenleg a kondenzátor egyik szükséges részét létrehozták - egy szilárd nanokompozit elektrolitot lítium-ion vezetőképességgel. A kondenzátor elektródáinak fejlesztése folyamatban van. Az egyik feladat az ionisztor méretének csökkentése a belső szerkezet miatt [12] .

A Közép-Floridai Egyetem Nanotechnológiai Központjának (UCF) tudósai 2016-ban rugalmas ionisztort fejlesztettek ki, amely több millió nanométeres huzalból áll, amelyeket kétdimenziós dikalkogenid héjjal vontak be. Egy ilyen szuperkondenzátor több mint 30 ezer töltési ciklust képes kibírni [13] .

2019-ben a Szkolkovói Tudományos és Technológiai Intézet (Skoltech) orosz tudósai új módszert fejlesztettek ki a szénatomok nitrogénatomokkal való helyettesítésére a szuperkondenzátorok kristályrácsában, amely lehetővé teszi kapacitásuk hatszoros növelését, valamint növeli a töltés stabilitását. -kisütési ciklusok. Az ionisztorok szerkezeti rácsának szén nanofalainak plazmakezelésének feltalált módszere a szénatomok legfeljebb 3%-át nitrogénatomokkal helyettesíti. A nanofal fajlagos kapacitása ilyen kezelés után eléri a 600 F/g-ot [14] . A tudósok elmagyarázták, modellezték és leírták a nitrogénatomok szénrácsba való beépülésének mechanizmusát is. Ez a tanulmány megnyitja az utat a szén nanofalakon alapuló, rugalmas vékonyfilm szuperkondenzátorok létrehozásához [15] .

Lásd még

Jegyzetek

  1. HI Becker: Alacsony feszültségű elektrolitkondenzátor , US-Patent 2800616 Archiválva : 2014. augusztus 24. a Wayback Machine -nél
  2. RA Rightmire, "Electrical energy storage apparatus", US 3288641 szabadalom archiválva : 2014. augusztus 24. a Wayback Machine -nél
  3. 1 2 3 V. Kuznyecov, O. Pankina, N. Mackovszkaja, E. Shuvalov, I. Vosztrikov. Elektromos kétrétegű kondenzátorok (ionisztorok): fejlesztés és gyártás. Archiválva : 2012. február 5. a Wayback Machine Components and Technologies 2005. évi 6. számában.
  4. Ionistorok Hivatkozások Amatőr rádióelektronika . Letöltve: 2010. február 13. Az eredetiből archiválva : 2009. június 20.
  5. SRCVivekchand; Chandra Sekhar Rout, KSSubrahmanyam, A. Govindaraj és CNRao. Grafén alapú elektrokémiai szuperkondenzátorok  (neopr.)  // J. Chem. Sci., Indiai Tudományos Akadémia. - 2008. - T. 120, 2008. január . — P. 9−13 .
  6. Koreai tudósok kifejlesztettek egy grafén szuperkondenzátort elektromos járművekhez / Hardverhírek / 3DNews - Daily Digital Digest . Letöltve: 2013. május 6. Az eredetiből archiválva : 2014. március 16..
  7. projektek, Gyár . Elektromos buszok  (orosz) , Belkommunmash . Archiválva az eredetiből 2017. augusztus 8-án. Letöltve: 2017. december 22.
  8. "A volán mögött úgy érzem magam, mint egy kis" csillag ". Hogyan tesztelik az első fehérorosz elektromos buszokat Minszkben  (orosz nyelven) . Archivált : 2017. december 23. Hozzáférés: 2017. december 22.
  9. CiteSeerX - TurboCap: Akkumulátor nélküli, szuperkondenzátor alapú tápegység Mini-FDPM-hez . Letöltve: 2012. január 12. Az eredetiből archiválva : 2012. október 19..
  10. Az MIT szén „miniakkumulátort” fejleszt . Letöltve: 2013. augusztus 28. Az eredetiből archiválva : 2013. november 16..
  11. ↑ A szuperkondenzátorok segítenek az akkumulátorok javításában . Archiválva : 2011. május 20. a Wayback Machine -nél  :: Overclockers.ru
  12. Az ICTTM SB RAS tudósai egy szuperkondenzátort szándékoznak létrehozni , 2014. szeptember 4-i archív másolatot a Wayback Machine -en
  13. ↑ A tudósok módszert javasoltak rugalmas szuperkondenzátorok létrehozására , amelyek másodpercek alatt képesek teljesen feltölteni egy okostelefont
  14. Nyikolaj V. Szuetin, Iskander S. Akhatov, Elena V. Zenova, Alekszandr A. Pavlov, Szergej V. Vavilov. N-adalékolt szén nanofalak áramforrásokhoz  //  Tudományos jelentések. — 2019-04-30. — Vol. 9 , iss. 1 . — 6716. o . — ISSN 2045-2322 . - doi : 10.1038/s41598-019-43001-3 . Archiválva az eredetiből 2022. június 17-én.
  15. A tudósok megtalálták a módját, hogy növeljék a hordozható elektronika energiaforrásainak kapacitását . TASS . Letöltve: 2019. május 25. Az eredetiből archiválva : 2019. május 23.

Linkek

A "Menjünk kondenzátorra" cikk (először a "Young Technician" folyóiratban jelent meg 1990 decemberében ) receptet ad egy ionisztor (ott "IONICS" néven) saját kezű készítéséhez egy motoros hajómodellhez. .