Ionistor

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 22. března 2022; kontroly vyžadují 2 úpravy .

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 .

Koncept

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.

Historie vytvoření

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“.

Typy ionistorů

  1. Ionistory s ideálně polarizovatelnými uhlíkovými elektrodami ("ideální" ionistor, iontový kondenzátor). Nevyužívají elektrochemické reakce, fungují díky přenosu iontů mezi elektrodami. Některé možnosti elektrolytů: 30% vodný roztok KOH ; 38 % vodný roztok H2S04 ; organické elektrolyty [3] .
  2. Ionistory s dokonale polarizovatelnou uhlíkovou elektrodou a nepolarizovatelnou nebo slabě polarizovatelnou katodou nebo anodou ("hybridní" ionistory).
    Na jedné elektrodě dochází k elektrochemické reakci. Možnosti: Ag (-) a pevný elektrolyt RbAg 4 I 5 ; 30% vodný roztok KOH a NiOOH (+) [3] .
  3. Pseudokondenzátory jsou ionistory, které využívají reverzibilní elektrochemické procesy na povrchu elektrod . Mají vysokou specifickou kapacitu. Elektrochemické schéma: (-) Ni(H) / 30% vodný KOH / NiOOH (+); (-) С(Н) / 38% vodný roztok Н 2 SO 4 / PbSO 4 ( PbO 2 ) (+) [3] .

Srovnání

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 :

Nevýhody

Výhody

Materiály

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

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] .

Použití

Vozidla

Těžká a veřejná doprava

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:

  • projíždět samostatnými krátkými úseky trasy, které nejsou vybaveny kontaktní sítí (včetně, je-li to nutné, přejít na objížďku, když se na některém úseku trasy nelze pohybovat po běžné trase trasy);
  • projít místy přerušení vedení kontaktní sítě;
  • schopnost objíždět překážky, i když to délka jímacích tyčí neumožňuje (v tomto případě řidič trolejbusu vybaveného ionistory jednoduše spustí jímací tyče a objede překážku, načež pojede znovu zvedněte tyče pro sběr proudu a pokračujte v pohybu v normálním režimu);
  • není potřeba budovat kontaktní síť ve vozovně a na obratištích na konečných zastávkách - ve vozovně a na obratech manévrují trolejbusy vybavené ionistory se spuštěnými tyčemi pro sběr proudu.

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 průmysl

Yo-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 závody

Systém KERS používaný ve Formuli 1 využívá ionistory.

Spotřební elektronika

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.

Perspektivy rozvoje

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] .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ HI Becker: Nízkonapěťový elektrolytický kondenzátor , US-Patent 2800616 Archivováno 24. srpna 2014 na Wayback Machine
  2. ↑ RA Rightmire, "Elektrický zásobník energie", US Patent 3288641 Archivováno 24. srpna 2014 na Wayback Machine
  3. ↑ 1 2 3 V. Kuzněcov, O. Pankina, N. Machkovskaja, E. Šuvalov, I. Vostrikov. Elektrické dvouvrstvé kondenzátory (ionistory): vývoj a výroba. Archivováno 5. února 2012 na Wayback Machine Components and Technologies č. 6, 2005.
  4. ↑ Ionistory Reference Radioamatérská elektronika . Získáno 13. února 2010. Archivováno z originálu 20. června 2009.
  5. ↑ SRCVivekchand; Chandra Sekhar Rout, KSSubrahmanyam, A. Govindaraj a CNRRao. Elektrochemické superkondenzátory na bázi grafenu  (neopr.)  // J. Chem. Sci., Indická akademie věd. - 2008. - T. 120, leden 2008 . — S. 9−13 .
  6. ↑ Korejští vědci vyvinuli grafenový superkondenzátor pro elektrická vozidla / Hardware News / 3DNews - Daily Digital Digest . Získáno 6. 5. 2013. Archivováno z originálu 16. 3. 2014.
  7. ↑ projekty, továrna . Elektrobusy  (ruské) , Belkommunmash . Archivováno z originálu 8. srpna 2017. Staženo 22. prosince 2017.
  8. ↑ "Za volantem se cítím jako malá" hvězda ". Jak se testují první běloruské elektrobusy v Minsku  (Rusko) . Archivováno 23. prosince 2017. Zpřístupněno 22. prosince 2017.
  9. ↑ CiteSeerX - TurboCap: Bezbateriový napájecí zdroj na bázi superkondenzátoru pro Mini-FDPM . Získáno 12. ledna 2012. Archivováno z originálu 19. října 2012.
  10. ↑ MIT vyvíjí uhlíkovou „minibaterii“ . Získáno 28. srpna 2013. Archivováno z originálu 16. listopadu 2013.
  11. ↑ Superkondenzátory pomáhají zlepšit baterie Archivováno 20. května 2011 na Wayback Machine  :: Overclockers.ru
  12. ↑ Vědci z ICTTM SB RAS mají v úmyslu vytvořit superkondenzátor Archivní kopii ze 4. září 2014 na Wayback Machine
  13. ↑ Vědci navrhli metodu pro vytvoření flexibilních superkondenzátorů , které dokážou plně nabít smartphone během několika sekund
  14. ↑ Nikolaj V. Suetin, Iskander S. Akhatov, Elena V. Zenova, Alexander A. Pavlov, Sergej V. Vavilov. N-dopované uhlíkové nanostěny pro zdroje energie  //  Vědecké zprávy. — 2019-04-30. — Sv. 9 , iss. 1 . — S. 6716 . — ISSN 2045-2322 . - doi : 10.1038/s41598-019-43001-3 . Archivováno z originálu 17. června 2022.
  15. ↑ Vědci našli způsob, jak zvýšit kapacitu zdrojů energie pro přenosnou elektroniku . TASS . Staženo 25. 5. 2019. Archivováno z originálu 23. 5. 2019.

Odkazy

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 .

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích