Ionistor (superkondenzátor, ultrakondenzátor, dvouvrstvý elektrochemický kondenzátor) je elektrochemické zařízení, kondenzátor s organickým nebo anorganickým elektrolytem , jehož „desky“ jsou na rozhraní mezi elektrodou a elektrolytem dvojitou elektrickou vrstvou . Podle svých charakteristik zaujímá mezipolohu mezi kondenzátorem a zdrojem chemického proudu .
Vzhledem k tomu, že tloušťka elektrické dvojité vrstvy (tj. vzdálenost mezi „desky“ kondenzátoru) je extrémně malá kvůli použití elektrolytů a plocha porézních materiálů desek je kolosální, energie uložená v ionistoru je vyšší ve srovnání s konvenčními kondenzátory stejné velikosti. Kromě toho použití elektrické dvojité vrstvy namísto konvenčního dielektrika umožňuje výrazně zvětšit povrch elektrody. Typická kapacita ionistoru je několik farad při jmenovitém napětí 2-10 voltů.
První dvouvrstvý kondenzátor na porézních uhlíkových elektrodách byl patentován v roce 1957 firmou General Electric [1] . Protože přesný mechanismus nebyl v té době jasný, předpokládalo se, že energie byla uložena v pórech na elektrodách, což vedlo k vytvoření „výjimečně vysoké kapacity pro ukládání náboje“ . O něco později, v roce 1966, Standard Oil of Ohio , Cleveland (SOHIO), USA patentoval prvek, který ukládal energii do dvojité vrstvy [2] .
Tváří v tvář nízkému objemu prodeje poskytlo SOHIO v roce 1971 licenci společnosti NEC , která produkt úspěšně uvedla na trh pod názvem „Supercapacitor“ (Supercapacitor). V roce 1978 Panasonic uvedl na trh „Gold Capacitor“, „Gold Cap“, který funguje na stejném principu. Tyto kondenzátory měly relativně vysoký vnitřní odpor , který omezoval výstupní výkon a byly používány v energetických obvodech s nestálou pamětí ( SRAM ) .
Ionistory v SSSR byly oznámeny v Radio magazínu č. 5 v roce 1978. Jednalo se o ionistory KI1-1 a měly kapacitu od 0,1 do 50 F, v závislosti na velikosti.
První ionistory s nízkým vnitřním odporem pro použití ve vysoce výkonných obvodech vyvinula PRI v roce 1982. Tyto ionistory se na trhu objevily pod názvem „PRI Ultracapacitor“.
S příchodem ionistorů bylo možné použít kondenzátory v elektrických obvodech nejen jako převodní prvek, ale také jako zdroj napětí. Široce se používá jako náhrada baterií pro ukládání informací o parametrech produktu při absenci externího napájení. Takové prvky mají oproti běžným chemickým zdrojům proudu - galvanickým článkům a bateriím několik výhod i řadu nevýhod :
Elektrody se obvykle vyrábějí za použití porézních materiálů, jako je aktivní uhlí nebo pěnové kovy; a tyto kovy se volí podle typu elektrolytu. Celková plocha takového porézního materiálu je mnohonásobně větší než u podobného, ale s hladkým povrchem, což umožnilo uložit náboj ve vhodném objemu.
Hustota energie ionistorů je stále několikanásobně menší než schopnosti baterií. Například hustota energie ionistoru BCAP3000 (3000 F, 2,7 V) o hmotnosti 0,51 kg je 21,4 kJ/kg (6 Wh/kg). To je 7,6krát menší než hustota energie olověných elektrolytických baterií, 25krát menší než u lithium-polymerových baterií , ale desetkrát větší než hustota energie elektrolytického kondenzátoru .
Výkonová hustota ionistoru závisí na vnitřním odporu. U nejnovějších modelů ionistorů je vnitřní odpor poměrně malý, což umožňuje získat výkon srovnatelný s výkonem baterie.
V roce 2008 indičtí vědci vyvinuli prototyp ionistoru na bázi grafenových elektrod se specifickou energetickou kapacitou až 32 Wh/kg, srovnatelnou s olověnými akumulátory (30–40 Wh/kg) [5] .
V roce 2011 korejští vědci pod vedením profesora Choi Jung-wooka vyvinuli superkondenzátor vyrobený za použití grafenu a dusíku, který poskytuje dvojnásobnou kapacitu ve srovnání s konvenčními zdroji energie stejné třídy. Zlepšení elektrických vlastností baterie bylo dosaženo přidáním dusíku [6] .
Elektrobusy poháněné ionistory se nazývají „ capabusy “. V současné době vyrábí capabusy Hyundai Motor , Trolza , Belkommunmash , LIAZ, NEFAZ a další [7] .
Kapabusy Hyundai Motor jsou běžné autobusy s elektrickým pohonem poháněným palubními ionistory. V pojetí konstruktérů z Hyundai Motor bude takový autobus nabíjen na každé druhé nebo každé třetí zastávce a doba trvání zastávky stačí k dobití ionistorů autobusu. Hyundai Motor umístí svůj capabus jako ekonomickou náhradu za trolejbus (není třeba pokládat kontaktní síť) nebo dieselový (a dokonce vodíkový) autobus (elektřina je stále levnější než nafta nebo vodíkové palivo).
Capabusy Trolza jsou technicky „beztyčové trolejbusy“. To znamená, že konstrukčně se jedná o trolejbus, ale bez napájecích tyčí z kontaktní sítě a tedy s elektrickým napájením z ionistorů.
Ale ionistory jsou obzvláště slibné jako prostředek implementace autonomního systému jízdy pro konvenční trolejbusy. Trolejbus vybavený ionistory se ovladatelností blíží autobusu . Takový trolejbus může zejména:
Tím se trolejbusový systém využívající trolejbusy vybavené ionistory flexibilitou přibližuje obvyklému autobusovému systému.
Od května 2017 se v Minsku používají první běloruské elektrobusy Belkommunmash E433 Vitovt Max Electro [8] . Elektrobusy se dobíjejí na třech dobíjecích stanicích umístěných na koncových bodech tras. Nabíjení proudem 500 ampér trvá 5-8 minut. Prázdný elektrobus ujede na jedno nabití 20 km. Ionistory vyrábí společnost Chengdu Sinju Silk Road Development LLC v čínsko-běloruském průmyslovém parku Great Stone .
Automobilový průmyslYo-mobile , automobilový projekt vyvinutý v Ruské federaci, používal jako hlavní prostředek pro ukládání elektrické energie superkondenzátor. Tyto superkondenzátory samy o sobě nebyly sériově vyráběny a byly vyvíjeny souběžně s automobilem.
Automobilové závodySystém KERS používaný ve Formuli 1 využívá ionistory.
Používají se pro hlavní a záložní napájení svítilen , kapesních přehrávačů a automatických elektroměrů - všude tam , kde potřebujete rychle nabít zařízení. Laserový detektor rakoviny prsu na ionistory se nabije za 2,5 minuty a funguje 1 minutu [9] .
Prodejny autopříslušenství prodávají ionistory s kapacitou asi 1F, určené k napájení autorádií (a zařízení napájených ze zásuvky zapalovače cigaret) při vypnutém zapalování a při startování motoru (u mnoha vozů jsou všechny ostatní spotřebiče vypnuty, když je startér vypnutý). běží), stejně jako pro vyhlazení přepětí při špičkovém zatížení, například pro provoz výkonných reproduktorů.
Podle prohlášení zaměstnanců MIT v roce 2006 [10] mohou ionistory brzy nahradit konvenční baterie . Kromě toho byly v roce 2009 provedeny testy baterie na bázi ionistoru, ve které byly do porézního materiálu zaváděny nanočástice železa . Výsledná dvojitá elektrická vrstva procházela elektrony dvakrát rychleji kvůli vytvoření tunelového efektu . Skupina vědců z Texaské univerzity v Austinu vyvinula nový materiál, kterým je porézní objemný uhlík. Takto získaný uhlík měl vlastnosti superkondenzátoru. Ošetření výše popsaného materiálu hydroxidem draselným vedlo k vytvoření velkého množství drobných pórů v uhlíku, které byly v kombinaci s elektrolytem schopny uchovat kolosální elektrický náboj [11] .
V současné době je vytvořena jedna z nezbytných částí kondenzátoru - pevný nanokompozitní elektrolyt s vodivostí lithium iontů. Probíhá vývoj elektrod pro kondenzátor. Jedním z úkolů je zmenšení velikosti ionistoru díky vnitřní struktuře [12] .
Vědci z Centra pro nanotechnologie na University of Central Florida (UCF) vyvinuli v roce 2016 flexibilní ionistor, který se skládá z milionů nanometrových drátů potažených pláštěm dvourozměrných dichalkogenidů. Takový superkondenzátor vydrží více než 30 tisíc nabíjecích cyklů [13] .
V roce 2019 ruští vědci ze Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) vyvinuli nový způsob, jak nahradit atomy uhlíku atomy dusíku v krystalové mřížce superkondenzátorů, což umožňuje šestinásobné zvýšení jejich kapacity a také zvýšení stability náboje. - vybíjecí cykly. Vynalezený způsob plazmového ošetření uhlíkových nanostěn strukturní mřížky ionistorů nahrazuje až 3 % atomů uhlíku atomy dusíku. Specifická kapacita nanostěny po takovém ošetření dosahuje 600 F/g [14] . Vědci také vysvětlili, vymodelovali a popsali mechanismus inkorporace atomů dusíku do uhlíkové mřížky. Tato studie připravuje cestu pro vytvoření flexibilních tenkovrstvých superkondenzátorů založených na uhlíkových nanostěnách [15] .
Článek "Pojďme na kondenzátor" (poprvé publikovaný v časopise "Mladý technik" v prosinci 1990 ) poskytuje recept na výrobu ionistoru (tam se to jmenovalo "IONIKA") vlastníma rukama pro model lodi s motorem .
![]() | |
---|---|
V bibliografických katalozích |