İyonistör, çift katmanlı elektrokimyasal kapasitörler veya süper kapasitörlerdir. Metal elektrotları, geleneksel olarak hindistancevizi kabuklarından, ancak çoğu zaman karbon aerojel, diğer nanokarbon veya grafen nanotüplerden yapılan oldukça gözenekli aktif karbon ile kaplanmıştır. Bu elektrotlar arasında elektrotları ayrı tutan gözenekli bir ayırıcı vardır, bir spiral üzerine sarıldığında tüm bunlar elektrolit ile emprenye edilir. İyonistörün bazı yenilikçi biçimleri katı bir elektrolite sahiptir. Güç kaynağı olarak bir süper şarj cihazı kullandıkları kamyonlara kadar kesintisiz güç kaynaklarında geleneksel pilleri değiştirirler.
Çalışma prensibi
İyonistör, kömür ve elektrolit arasındaki arayüzde oluşan çift tabakanın etkisini kullanır. Aktif karbon katı halde elektrot, sıvı halde elektrolit olarak kullanılır. Bu malzemeler birbiriyle temas ettiğinde pozitif ve negatif kutuplar birbirine göreli olarak dağılır.çok kısa mesafe. Bir elektrik alanı uygularken, ana yapı olarak elektrolitik sıvıdaki karbonun yüzeyine yakın oluşan elektriksel çift tabaka kullanılır.
Tasarım avantajı:
- Küçük bir cihazda kapasitans sağlar, süper şarjlı cihazlarda deşarj sırasında kontrol etmek için özel şarj devrelerine gerek yoktur.
- Şarj etmek veya aşırı deşarj etmek, tipik pillerde olduğu gibi pil ömrünü olumsuz etkilemez.
- Teknoloji, ekoloji açısından son derece "temiz".
- Normal piller gibi dengesiz temaslarda sorun olmaz.
Tasarım kusurları:
- Süper kapasitör kullanan cihazlarda elektrolit kullanımı nedeniyle çalışma süresi sınırlıdır.
- Kondansatörün bakımı düzgün yapılmazsa elektrolit sızıntısı olabilir.
- Alüminyum kapasitörlerle karşılaştırıldığında, bu kapasitörler yüksek dirençlere sahiptir ve bu nedenle AC devrelerinde kullanılamaz.
Yukarıda açıklanan avantajları kullanarak, elektrik kapasitörleri aşağıdaki gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır:
- Zamanlayıcılar, programlar, e-mobil güç vb. için bellek ayırma.
- Video ve ses ekipmanı.
- Taşınabilir elektronik cihazlar için pilleri değiştirirken kaynakları yedekleyin.
- Saatler ve göstergeler gibi güneş enerjisiyle çalışan ekipmanlar için güç kaynakları.
- Küçük ve mobil motorlar için marş motorları.
Redoks reaksiyonları
Yük akümülatörü, elektrot ve elektrolit arasındaki arayüzde bulunur. Şarj işlemi sırasında elektronlar, dış devre boyunca negatif elektrottan pozitif elektrota doğru hareket eder. Boşalma sırasında elektronlar ve iyonlar zıt yönde hareket eder. Bir EDLC süper kapasitörde yük transferi yoktur. Bu tip süper kapasitörde, elektrotta, şarj üreten ve yükü bir iyonistörün kullanıldığı yapının çift katmanları boyunca taşıyan bir redoks reaksiyonu meydana gelir.
Bu tipte meydana gelen redoks reaksiyonu nedeniyle, EDLC'den daha düşük güç yoğunluğu potansiyeli vardır çünkü Faradaik sistemler faradaik olmayan sistemlerden daha yavaştır. Genel bir kural olarak, sahte kapasitörler, faraday sistemine ait olmaları nedeniyle EDLC'lerden daha yüksek özgül kapasitans ve enerji yoğunluğu sağlar. Ancak, doğru süper kapasitör seçimi uygulamaya ve kullanılabilirliğe bağlıdır.
Grafen bazlı malzemeler
Süper kapasitör, geleneksel bir pilden çok daha hızlı bir şekilde hızlı şarj etme yeteneği ile karakterize edilir, ancak daha düşük bir enerji yoğunluğuna sahip olduğu için bir pil kadar enerji depolayamaz. Verimlilik artışı, grafen ve karbon nanotüplerin kullanımıyla sağlanır. Gelecekteki iyonlaştırıcılarda elektrokimyasal pillerin tamamen değiştirilmesine yardımcı olacaklar. Nanoteknoloji bugün birçokyenilikler, özellikle e-mobil.
Grafen, süper kapasitörlerin kapasitansını artırır. Bu devrim niteliğindeki malzeme, kalınlığı karbon atomunun kalınlığıyla sınırlandırılabilen ve atomik yapısı ultra yoğun olan levhalardan oluşur. Bu tür özellikler elektronikte silikonun yerini alabilir. İki elektrot arasına gözenekli bir ayırıcı yerleştirilir. Bununla birlikte, depolama mekanizmasındaki farklılıklar ve elektrot malzemesinin seçimi, yüksek kapasiteli süper kapasitörlerin farklı sınıflandırmalarına yol açar:
- Çoğunlukla yüksek karbonlu karbon elektrotları kullanan ve enerjilerini elektrot/elektrolit arayüzündeki iyonları hızla adsorbe ederek depolayan Elektrokimyasal Çift Katmanlı Kapasitörler (EDLC).
- Sahte kapasitörler, elektrot yüzeyinde veya yakınında fajik yük aktarımı sürecine dayanır. Bu durumda, iletken polimerler ve geçiş metali oksitleri, pille çalışan elektronik saatlerde bulunanlar gibi elektrokimyasal olarak aktif malzemeler olarak kalır.
Esnek polimer cihazlar
Süper kapasitör, elektrokimyasal yük çift katmanları oluşturarak veya yüzey redoks reaksiyonları yoluyla yüksek oranda enerji kazanır ve depolar, bu da uzun vadeli döngüsel kararlılık, düşük maliyet ve çevre koruması ile yüksek güç yoğunluğu sağlar. PDMS ve PET, esnek süper kapasitörlerin uygulanmasında en yaygın olarak kullanılan substratlardır. Film durumunda, PDMS esnek ve10.000 esnek döngüden sonra yüksek döngüsel kararlılığa sahip saatlerde şeffaf ince film iyonlaştırıcılar.
Tek duvarlı karbon nanotüpler, mekanik, elektronik ve termal kararlılığı daha da iyileştirmek için PDMS filmine daha fazla dahil edilebilir. Benzer şekilde, grafen ve CNT'ler gibi iletken malzemeler de hem yüksek esneklik hem de elektriksel iletkenlik elde etmek için PET film ile kaplanmıştır. PDMS ve PET'e ek olarak, diğer polimerik malzemeler de artan ilgiyi çekmekte ve çeşitli yöntemlerle sentezlenmektedir. Örneğin, birincil yüzeyi belirtilen grafiklerle elektriksel olarak iletken gözenekli bir karbon yapısına hızlı bir şekilde dönüştürmek için lokalize darbeli lazer ışıması kullanılmıştır.
Ahşap elyafı ve kağıt dokunmamış kumaşlar gibi doğal polimerler, esnek ve hafif olan alt tabakalar olarak da kullanılabilir. CNT, esnek bir CNT kağıt elektrotu oluşturmak için kağıt üzerinde biriktirilir. Kağıt alt tabakasının yüksek esnekliği ve CNT'lerin iyi dağılımı nedeniyle, 4,5 mm'lik bir bükülme yarıçapında 100 döngü için büküldükten sonra spesifik kapasitans ve güç ve enerji yoğunluğu %5'ten daha az değişir. Ek olarak, daha yüksek mekanik mukavemet ve daha iyi kimyasal kararlılık nedeniyle, bakteriyel nanoselüloz kağıtları, walkman kaset çalar gibi esnek süper kapasitörler yapmak için de kullanılmaktadır.
Süper kapasitör performansı
Şunun terimleriyle tanımlanırelektrokimyasal aktivite ve kimyasal kinetik özellikler, yani: elektrotların içindeki elektron ve iyon kinetiği (taşıma) ve elektrot/elektrolite yük aktarım hızının verimliliği. EDLC bazlı karbon malzemeler kullanılırken yüksek performans için spesifik yüzey alanı, elektriksel iletkenlik, gözenek boyutu ve farklılıklar önemlidir. Grafen, yüksek elektriksel iletkenliği, geniş yüzey alanı ve ara katman yapısı ile EDLC'de kullanım için çekicidir.
Psödokapasitörler söz konusu olduğunda, EDLC'lere kıyasla üstün kapasitans sağlasalar da, CMOS çipinin düşük gücü nedeniyle yoğunlukları hala sınırlıdır. Bunun nedeni, hızlı elektronik hareketi sınırlayan zayıf elektrik iletkenliğidir. Ayrıca, şarj/deşarj sürecini yürüten redoks işlemi, elektroaktif malzemelere zarar verebilir. Grafenin yüksek elektrik iletkenliği ve mükemmel mekanik mukavemeti, onu psödokapasitörlerde malzeme olarak uygun hale getirir.
Grafen üzerindeki adsorpsiyon çalışmaları, büyük gözeneklere erişimi olan grafen levhaların yüzeyinde meydana geldiğini göstermiştir (yani, ara katman yapısı gözeneklidir, elektrolit iyonlarına kolay erişim sağlar). Bu nedenle, daha iyi performans için gözeneksiz grafen aglomerasyonundan kaçınılmalıdır. Performans, fonksiyonel grup ilavesiyle yüzey modifikasyonu, elektriksel olarak iletken polimerlerle hibridizasyon ve grafen/oksit kompozitlerinin oluşumu ile daha da geliştirilebilir.metal.
Kapasitör karşılaştırması
Süper kapaklar, kısa süreli güç ihtiyaçlarını karşılamak için hızlı şarj gerektiğinde idealdir. Hibrit akü hem ihtiyaçları karşılar hem de daha uzun ömür için voltajı düşürür. Aşağıdaki tablo, kapasitörlerdeki özelliklerin ve ana malzemelerin karşılaştırmasını göstermektedir.
| Elektrikli çift katmanlı kapasitör, iyonistör tanımı | Alüminyum elektrolitik kapasitör | Ni-cd pil | Kurşun sızdırmaz pil | |
| Sıcaklık aralığını kullanın | -25 ila 70°C | -55 ila 125 °C | -20 ila 60 °C | -40 ila 60 °C |
| Elektrotlar | Aktif karbon | Alüminyum | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Elektrolitik sıvı | Organik çözücü | Organik çözücü | KOH |
H2SO4 |
| Elektromotor kuvvet yöntemi | Dielektrik olarak doğal elektriksel çift katman efektini kullanma | Dielektrik olarak alüminyum oksit kullanmak | Kimyasal bir reaksiyon kullanmak | Kimyasal bir reaksiyon kullanmak |
| Kirlilik | Hayır | Hayır | CD | Pb |
| Şarj/deşarj döngüsü sayısı | > 100.000 kez | > 100.000 kez | 500 kere | 200 ila 1000 kez |
| Hacim birimi başına kapasite | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Şarj özelliği
Şarj süresi 1-10 saniye. İlk şarj çok hızlı bir şekilde tamamlanabilir ve en yüksek şarj fazladan zaman alacaktır. Boş bir süper kapasitör şarj edilirken, mümkün olduğu kadar fazla çekeceğinden, ani akımı sınırlamaya dikkat edilmelidir. Süper kapasitör şarj edilemez ve tam şarj algılaması gerektirmez, akım dolduğunda akmayı durdurur. Araba için süper şarj cihazı ve Li-ion arasındaki performans karşılaştırması.
| İşlev | İyonistör | Li-Ion (genel) |
| Şarj süresi | 1-10 saniye | 10-60 dakika |
| Yaşam döngüsünü izleyin | 1 milyon veya 30.000 | 500 ve üzeri |
| Voltaj | 2, 3'ten 2'ye, 75B | 3, 6 B |
| Özgül enerji (W/kg) | 5 (tipik) | 120-240 |
| Özgül güç (W/kg) | 10000'e kadar | 1000-3000 |
| KWh başına maliyet | 10.000$ | 250-1.000 $ |
| Ömür boyu | 10-15 yıl | 5 ila 10 yaş arası |
| Şarj sıcaklığı | -40 ila 65°C | 0 ila 45 °C |
| Deşarj sıcaklığı | -40 ila 65°C | -20 ila 60°C |
Cihazları şarj etmenin faydaları
Araçların hızlanmak için ekstra bir enerji takviyesine ihtiyacı vardır ve süper şarj cihazlarının devreye girdiği yer burasıdır. Toplam şarjda bir limitleri var, ancak çok hızlı bir şekilde aktarabiliyorlar ve bu da onları ideal piller yapıyor. Geleneksel pillere göre avantajları:
- Düşük empedans (ESR), aküye paralel bağlandığında aşırı gerilim akımını ve yükü artırır.
- Çok yüksek döngü - deşarj milisaniyelerle dakikalar arasında sürer.
- Süper kapasitörsüz pille çalışan cihaza kıyasla voltaj düşüşü.
- %97-98'de yüksek verimlilik ve her iki yönde DC-DC verimliliği, örneğin aşağıdaki gibi çoğu uygulamada %80-95'tir.iyonlaştırıcılı video kaydedici.
- Hibrit bir elektrikli araçta, döner kavşak verimliliği bir akününkinden %10 daha fazladır.
- Genellikle -40 C ila +70 C gibi çok geniş bir sıcaklık aralığında iyi çalışır, ancak -50 C ila +85 C arasında olabilir, 125 C'ye kadar özel versiyonlar mevcuttur.
- Şarj ve deşarj sırasında üretilen az miktarda ısı.
- Yüksek güvenilirlikle uzun çevrim ömrü, bakım maliyetlerini düşürür.
- Yüz binlerce döngüde ve 20 milyon döngüye kadar süren hafif bozulma.
- 10 yıl sonra kapasitelerinin %20'sinden fazlasını kaybetmezler ve 20 yıl veya daha fazla ömürleri vardır.
- Yıpranmaya ve yırtılmaya karşı dayanıklıdır.
- Piller gibi derin deşarjları etkilemez.
- Pillere kıyasla daha yüksek güvenlik - aşırı şarj veya patlama tehlikesi yok.
- Birçok pilin aksine, kullanım ömrü sonunda atılacak hiçbir tehlikeli madde içermez.
- Çevre standartlarına uygundur, bu nedenle karmaşık bir imha veya geri dönüşüm yoktur.
Kısıtlama Teknolojisi
Süper kapasitör, ortasında bir elektrolit tabakası olan iki grafen tabakasından oluşur. Film güçlü, son derece ince ve kısa sürede büyük miktarda enerji salma yeteneğine sahip, ancak yine de bu yönde teknolojik ilerlemeyi engelleyen bazı çözülmemiş sorunlar var. Süper Kapasitörün Şarj Edilebilir Pillere Göre Dezavantajları:
- Düşük enerji yoğunluğu - genelliklebir elektrokimyasal pilin enerjisinin 1/5 ila 1/10'unu alır.
- Hat deşarjı - uygulamaya bağlı olarak tüm enerji spektrumunun kullanılamaması, tüm enerjinin mevcut olmaması.
- Pillerde olduğu gibi, hücreler düşük voltajlıdır, seri bağlantı ve voltaj dengeleme gereklidir.
- Kendi kendine deşarj genellikle pillerden daha yüksektir.
- Gerilim, depolanan enerjiye göre değişir - enerjinin verimli şekilde depolanması ve geri kazanılması, gelişmiş elektronik kontrol ve anahtarlama ekipmanı gerektirir.
- Tüm kapasitör türleri arasında en yüksek dielektrik absorpsiyonuna sahiptir.
- Üst kullanım sıcaklığı genellikle 70 C veya daha düşüktür ve nadiren 85 C'yi geçer.
- Çoğu, yanlışlıkla hızlı boşalmayı önlemek için gereken boyutu az altan bir sıvı elektrolit içerir.
- Watt başına yüksek elektrik maliyeti.
Hibrit Depolama
Yeni yapıya sahip kapasitör modülleri üretmek için güç elektroniğinin özel tasarımı ve gömülü teknolojisi geliştirilmiştir. Modüllerinin yeni teknolojiler kullanılarak üretilmesi gerektiğinden, tavan, kapılar ve bagaj kapağı gibi araç gövde panellerine entegre edilebilirler. Ayrıca, enerji depolama ve cihaz sistemlerinde enerji kayıplarını ve enerji dengeleme devrelerinin boyutunu az altan yeni enerji dengeleme teknolojileri icat edilmiştir.
Şarj kontrolü veboş altma ve diğer enerji depolama sistemlerine bağlantılar. Anma kapasitesi 150F, anma gerilimi 50V olan bir süperkapasitör modülü, 0,5 metrekare yüzey alanına sahip düz ve kavisli yüzeylere yerleştirilebilir. m ve 4 cm kalınlığında Elektrikli araçlara uygulanabilen ve aracın çeşitli parçalarına ve enerji depolama sistemlerinin gerekli olduğu diğer durumlara entegre edilebilen uygulamalardır.
Uygulama ve bakış açıları
ABD, Rusya ve Çin'de çekiş aküsüz otobüsler var, tüm işler iyonlaştırıcılar tarafından yapılıyor. General Electric, bazı roketlerde, oyuncaklarda ve elektrikli aletlerde olduğu gibi, pili değiştirmek için süper kapasitörlü bir kamyonet geliştirdi. Testler, süper kapasitörlerin, süper kapasitör enerji yoğunluğu kurşun-asit pillerinkine yaklaşmadan elde edilen rüzgar türbinlerindeki kurşun-asit pillerden daha iyi performans gösterdiğini göstermiştir.
Süper kapasitörlerin önümüzdeki birkaç yıl içinde kurşun-asit pilleri gömeceği artık açık, ancak rekabetten daha hızlı geliştikleri için bu hikayenin sadece bir parçası. Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments ve Skeleton Technologies gibi tedarikçiler, bazıları teorik olarak lityum iyonlarının enerji yoğunluğuyla eşleşen süper kapasitörleri ve süper böcekleri ile kurşun-asit pillerin enerji yoğunluğunu aştıklarını söylediler.
Ancak, elektrikli bir araçtaki iyonlaştırıcı, elektronik ve elektrik mühendisliğinin en önemli yönlerinden biridir.milyarlarca dolarlık pazarın hızlı büyümesine rağmen basın, yatırımcılar, potansiyel tedarikçiler ve eski teknoloji ile yaşayan birçok insan tarafından görmezden geliniyor. Örneğin, kara, su ve hava araçları için, birkaç süper kapasitör üreticisine kıyasla yaklaşık 200 büyük cer motoru üreticisi ve 110 büyük cer pili tedarikçisi vardır. Genel olarak, dünyada çoğu üretimlerini tüketici elektroniği için daha hafif modellere odaklamış 66'dan fazla büyük iyonistör üreticisi yoktur.
