Ionistori

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 22. maaliskuuta 2022 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 2 muokkausta .

Ionistori (superkondensaattori, ultrakondensaattori, kaksikerroksinen sähkökemiallinen kondensaattori) on sähkökemiallinen laite, kondensaattori , jossa on orgaaninen tai epäorgaaninen elektrolyytti , jonka "levyt" ovat kaksinkertainen sähköinen kerros elektrodin ja elektrolyytin rajapinnassa . Ominaisuuksiensa mukaan se on väliasemassa kondensaattorin ja kemiallisen virtalähteen välillä .

Konsepti

Johtuen siitä, että sähköisen kaksoiskerroksen paksuus (eli kondensaattorin "levyjen" välinen etäisyys) on erittäin pieni elektrolyyttien käytön vuoksi ja levyjen huokoisten materiaalien pinta-ala on valtava, ionistorin varastoima energia on suurempi verrattuna tavanomaisiin samankokoisiin kondensaattoreihin. Lisäksi sähköisen kaksoiskerroksen käyttö tavanomaisen eristeen sijaan mahdollistaa elektrodin pinta-alan suurentamisen huomattavasti. Tyypillinen ionistorin kapasitanssi on muutama faradi nimellisjännitteellä 2-10 volttia.

Luontihistoria

General Electric patentoi vuonna 1957 ensimmäisen kaksikerroksisen kondensaattorin huokoisissa hiilielektrodeissa [1] . Koska tarkka mekanismi ei ollut tuolloin selvä, oletettiin, että energiaa varastoitiin elektrodien huokosiin, mikä johti "poikkeuksellisen suuren varauksen varastointikapasiteetin" muodostumiseen . Hieman myöhemmin, vuonna 1966, Standard Oil of Ohio , Cleveland (SOHIO), USA patentoi elementin, joka varastoi energiaa kaksikerroksiseen [2] .

Alhaisen myyntimäärän vuoksi SOHIO lisensi sen vuonna 1971 NEC :lle , joka markkinoi tuotetta menestyksekkäästi nimellä "Supercapacitor" (Supercapacitor). Vuonna 1978 Panasonic toi markkinoille "Gold Capacitor", "Gold Cap", joka toimii samalla periaatteella. Näillä kondensaattoreilla oli suhteellisen korkea sisäinen vastus , joka rajoitti lähtötehoa, ja niitä käytettiin haihtuvien muistien ( SRAM ) virtapiireissä .

Ionistorit Neuvostoliitossa julkistettiin Radio-lehdessä nro 5 vuonna 1978. Nämä olivat KI1-1 ionistoreita ja niiden kapasiteetti oli 0,1 - 50 F koosta riippuen.

PRI kehitti vuonna 1982 ensimmäiset alhaisen sisäisen resistanssin omaavat ionistorit käytettäväksi suuritehoisissa piireissä. Nämä ionistorit ilmestyivät markkinoille nimellä "PRI Ultracapacitor".

Ionistorityypit

  1. Ionistorit, joissa on ihanteellisesti polarisoituvat hiilielektrodit ("ihanteellinen" ionistori, ionikondensaattori). Ne eivät käytä sähkökemiallisia reaktioita, ne toimivat elektrodien välisen ioninsiirron vuoksi. Jotkut elektrolyyttivaihtoehdot: 30 % KOH :n vesiliuos ; 38 -prosenttinen H2S04 : n vesiliuos ; orgaaniset elektrolyytit [3] .
  2. Ionistorit, joissa on täysin polarisoituva hiilielektrodi ja ei-polarisoituva tai heikosti polarisoituva katodi tai anodi ("hybridi-ionistorit").
    Sähkökemiallinen reaktio tapahtuu yhdellä elektrodilla. Vaihtoehdot: Ag (-) ja kiinteä elektrolyytti RbAg 4 I 5 ; KOH:n ja NiOOH :n 30 % vesiliuos (+) [3] .
  3. Pseudokondensaattorit ovat ionistoreita, jotka käyttävät palautuvia sähkökemiallisia prosesseja elektrodien pinnalla . Niillä on korkea ominaiskapasiteetti. Sähkökemiallinen kaavio: (-) Ni(H) / 30 % vesipitoinen KOH / NiOOH (+); (-) С(Н) / 38 % Н 2 SO 4 / PbSO 4 ( PbO 2 ) (+) [3] vesiliuos .

Vertailut

Ionistorien myötä tuli mahdolliseksi käyttää kondensaattoreita sähköpiireissä paitsi muuntavana elementtinä myös jännitelähteenä. Käytetään laajasti paristojen korvikkeena tuotteen parametrien tietojen tallentamiseen ulkoisen virtalähteen puuttuessa. Tällaisilla elementeillä on sekä useita etuja että useita haittoja verrattuna tavanomaisiin kemiallisiin virtalähteisiin  - galvaanisiin kennoihin ja akkuihin :

Haitat

Edut

Materiaalit

Elektrodit valmistetaan yleensä käyttämällä huokoisia materiaaleja, kuten aktiivihiiltä tai vaahdotettuja metalleja; ja nämä metallit valitaan elektrolyytin tyypin mukaan. Tällaisen huokoisen materiaalin kokonaispinta-ala on monta kertaa suurempi kuin vastaavan, mutta tasaisen pinnan, mikä mahdollisti varauksen varastoinnin sopivassa tilavuudessa.

Energiatiheys

Ionistorien energiatiheys on edelleen useita kertoja pienempi kuin akkujen ominaisuudet. Esimerkiksi 0,51 kg painavan BCAP3000-ionistorin (3000 F, 2,7 V) energiatiheys on 21,4 kJ/kg (6 Wh/kg). Tämä on 7,6 kertaa vähemmän kuin lyijyelektrolyyttiakkujen energiatiheys , 25 kertaa vähemmän kuin litiumpolymeeriakut , mutta kymmenen kertaa enemmän kuinelektrolyyttikondensaattorin energiatiheys .

Ionistorin tehotiheys riippuu sisäisestä resistanssista. Uusimmissa ionistorimalleissa sisäinen vastus on melko pieni, mikä mahdollistaa akun tehoa vastaavan tehon saamisen.

Intialaiset tutkijat kehittivät vuonna 2008 grafeenielektrodeihin perustuvan ionisterin prototyypin , jonka ominaisenergiakapasiteetti on jopa 32 Wh/kg, mikä on verrattavissa lyijyakkujen (30–40 Wh/kg) vastaavaan [5] .

Professori Choi Jung-wookin johtamat korealaiset tiedemiehet kehittivät vuonna 2011 superkondensaattorin, joka on valmistettu käyttämällä grafeenia ja typpeä ja joka tarjoaa kaksinkertaisen kapasiteetin verrattuna saman luokan tavanomaisiin energialähteisiin. Akun sähköisten ominaisuuksien parantaminen saavutettiin lisäämällä typpeä [6] .

Käyttö

Ajoneuvot

Raskas ja julkinen liikenne

Ionistorilla toimivia sähköbusseja kutsutaan " kapabuseiksi ". Tällä hetkellä kapabuseja valmistavat Hyundai Motor , Trolza , Belkommunmash , LIAZ, NEFAZ ja muut [7] .

Hyundai Motorin kapasiteetit ovat tavallisia linja-autoja, joissa on sähköinen vetovoiman sisäänrakennetuilla ionistoreilla. Hyundai Motorin suunnittelijoiden suunnitelmien mukaan tällaista bussia ladataan joka toisella tai joka kolmannella pysäkillä, ja pysähdyksen kesto riittää lataamaan bussin ionistorit. Hyundai Motor sijoittaa kapabussinsa taloudelliseksi korvaajaksi johdinautolle (kosketusverkkoa ei tarvitse rakentaa) tai diesel- (ja jopa vety)bussille (sähkö on silti halvempaa kuin diesel tai vetypolttoaine).

Trolzan kapabussit ovat teknisesti "varrettomia johdinautoja". Eli rakenteellisesti tämä on johdinauto, mutta ilman virtasauvoja kosketusverkosta ja vastaavasti sähkönsyötöllä ionistoreilta.

Mutta ionistorit ovat erityisen lupaavia keinona toteuttaa autonominen kulkujärjestelmä perinteisille johdinautoille. Ionistorilla varustettu johdinbussi lähestyy ohjattavuuden suhteen linja -autoa . Erityisesti tällainen johdinauto voi:

  • kulkea erillisiä lyhyitä reitin osia, joita ei ole varustettu kontaktiverkolla (mukaan lukien tarvittaessa siirtyminen kiertotielle, kun jollain reitin osuudella on mahdotonta liikkua reitin säännöllistä reittiä pitkin);
  • ohittaa yhteysverkon linjan katkeamispaikat;
  • kyky ohittaa esteitä, vaikka virrankeräystankojen pituus ei salli sitä (tässä tapauksessa ionistoreilla varustetun johdinauton kuljettaja yksinkertaisesti laskee virrankeräystangot ja kiertää esteen, minkä jälkeen hän nosta uudelleen virrankeräyssauvat ja jatka liikkumista normaalitilassa);
  • varikolla ja päätepysäkkeillä kääntörenkailla ei ole tarvetta kehittää kontaktiverkostoa - varikolla ja kääntörenkailla ionistoreilla varustetut johdinbussit liikkuvat virranottotangot alhaalla.

Siten johdinautojärjestelmä, jossa käytetään ionistoreilla varustettuja johdinbusseja, lähestyy joustavuuden suhteen tavanomaista linja-autojärjestelmää.

Toukokuusta 2017 lähtien ensimmäiset valkovenäläiset sähkölinja-autot Belkommunmash E433 Vitovt Max Electro [8] ovat olleet käytössä Minskissä . Sähköbussien lataus tapahtuu kolmella latauspisteellä, jotka sijaitsevat reittien päätepisteissä. Lataus kestää 500 ampeerin virralla 5-8 minuuttia. Tyhjä sähköbussi ajaa yhdellä latauksella 20 km. Ionistorit valmistaa Chengdu Sinju Silk Road Development LLC kiinalais-valko-Venäjän teollisuuspuistossa Great Stonessa .

Autot

Yo-mobile  , Venäjän federaatiossa kehitetty autoprojekti, käytti superkondensaattoria pääasiallisena sähköenergian varastointivälineenä. Näitä superkondensaattoreita itsessään ei valmistettu massatuotantona, ja niitä kehitettiin rinnakkain auton kanssa.

Autokilpailut

Formula 1 :ssä käytetty KERS -järjestelmä käyttää ionistoreita.

Kulutuselektroniikka

Niitä käytetään pää- ja varavirtalähteenä taskulampuissa , taskulampuissa , taskusoittimissa ja automaattisissa sähkömittareissa  - missä tahansa tarvitset laitteen nopeaa latausta. Ionistorien rintasyövän lasertunnistin latautuu 2,5 minuutissa ja toimii 1 minuutin [9] .

Autotarvikeliikkeet myyvät ionistoreita, joiden kapasiteetti on noin 1 F ja jotka on suunniteltu antamaan virtaa autoradioille (ja tupakansytyttimestä saaville laitteille) sytytysvirran ollessa pois päältä ja moottorin käynnistyksen aikana (monissa autoissa kaikki muut kuluttajat sammutetaan käynnistimen ollessa päällä käynnissä), sekä tasoittaa tehopiikkejä huippukuormituksilla, esimerkiksi tehokkaiden kaiuttimien käyttöä varten.

Kehitysnäkymät

MIT :n työntekijöiden vuonna 2006 antamien lausuntojen mukaan [10] ionistorit saattavat pian korvata perinteiset akut . Lisäksi vuonna 2009 tehtiin testejä ionistoripohjaiselle akulle, jossa huokoiseen materiaaliin lisättiin raudan nanopartikkeleita . Tuloksena oleva kaksinkertainen sähkökerros läpäisi elektroneja kaksi kertaa nopeammin tunneliefektin luomisen vuoksi . Ryhmä tutkijoita Texasin yliopistosta Austinista on kehittänyt uuden materiaalin, joka on huokoista bulkkihiiltä. Tällä tavalla saadulla hiilellä oli superkondensaattorin ominaisuuksia. Yllä kuvatun materiaalin käsittely kaliumhydroksidilla johti siihen, että hiileen muodostui suuri määrä pieniä huokosia, jotka yhdessä elektrolyytin kanssa pystyivät varastoimaan valtavan sähkövarauksen [11] .

Tällä hetkellä on luotu yksi kondensaattorin välttämättömistä osista - kiinteä nanokomposiittielektrolyytti , jolla on litiumionijohtavuus. Kondensaattorin elektrodien kehitys on käynnissä. Yksi tehtävistä on pienentää ionistorin kokoa sisäisestä rakenteesta johtuen [12] .

Keski-Floridan yliopiston nanoteknologiakeskuksen (UCF) tutkijat kehittivät vuonna 2016 joustavan ionistorin, joka koostuu miljoonista nanometrilangoista, jotka on päällystetty kaksiulotteisten dikalkogenidien kuorella. Tällainen superkondensaattori kestää yli 30 tuhatta latausjaksoa [13] .

Vuonna 2019 venäläiset tutkijat Skolkovon tiede- ja teknologiainstituutista (Skoltech) kehittivät uuden tavan korvata hiiliatomit typpiatomeilla superkondensaattorien kidehilassa, mikä mahdollistaa niiden kapasiteetin kuusinkertaisen lisäämisen sekä lisää varauksen vakautta. -purkausjaksot. Keksitty menetelmä ionistorien rakenteellisen hilan hiilen nanoseinien plasmakäsittelyyn korvaa jopa 3 % hiiliatomeista typpiatomeilla. Nanoseinämän ominaiskapasiteetti tällaisen käsittelyn jälkeen saavuttaa 600 F/g [14] . Tiedemiehet myös selittivät, mallinsivat ja kuvasivat mekanismia, jolla typpiatomit liittyvät hiilihilaan. Tämä tutkimus tasoittaa tietä joustavien ohutkalvosuperkondensaattoreiden luomiselle, jotka perustuvat hiilinanoseinämiin [15] .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ HI Becker: Low Voltage electrolytic capacitor , US-patentti 2800616 Arkistoitu 24. elokuuta 2014 Wayback Machinessa
  2. ↑ RA Rightmire, "Electrical energy storage apparatus", US-patentti 3288641 Arkistoitu 24. elokuuta 2014 Wayback Machinessa
  3. ↑ 1 2 3 V. Kuznetsov, O. Pankina, N. Machkovskaya, E. Shuvalov, I. Vostrikov. Sähköiset kaksikerroksiset kondensaattorit (ionistorit): kehitys ja tuotanto. Arkistoitu 5. helmikuuta 2012, Wayback Machine Components and Technologies No. 6, 2005.
  4. ↑ Ionistorit Viitteet Amateur Radio Electronics . Haettu 13. helmikuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 20. kesäkuuta 2009.
  5. ↑ SRCVivekchand; Chandra Sekhar Rout, KSSubrahmanyam, A. Govindaraj ja CNRao. Grafeenipohjaiset sähkökemialliset superkondensaattorit  (neopr.)  // J. Chem. Sci., Intian tiedeakatemia. - 2008. - T. 120, tammikuu 2008 . — s. 9-13 .
  6. ↑ Korealaiset tutkijat ovat kehittäneet grafeenisuperkondensaattorin sähköajoneuvoihin / Hardware News / 3DNews - Daily Digital Digest . Haettu 6. toukokuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 16. maaliskuuta 2014.
  7. ↑ projektit, tehdas . Sähköbussit  (venäjäksi) , Belkommunmash . Arkistoitu alkuperäisestä 8. elokuuta 2017. Haettu 22. joulukuuta 2017.
  8. ↑ "Ratin takana tunnen olevani kuin pieni" tähti ". Kuinka ensimmäisiä Valko-Venäjän sähköbusseja testataan Minskissä  (venäjäksi) . Arkistoitu 23. joulukuuta 2017. Käytetty 22. joulukuuta 2017.
  9. ↑ CiteSeerX - TurboCap: akkuton superkondensaattoripohjainen virtalähde Mini-FDPM:lle . Haettu 12. tammikuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 19. lokakuuta 2012.
  10. ↑ MIT kehittää hiili"miniakkua" . Haettu 28. elokuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 16. marraskuuta 2013.
  11. ↑ Superkondensaattorit auttavat parantamaan akkuja Arkistoitu 20. toukokuuta 2011 Wayback Machinessa  :: Overclockers.ru
  12. ↑ ICTTM SB RAS:n tutkijat aikovat luoda superkondensaattorin arkistokopion, joka on päivätty 4. syyskuuta 2014 Wayback Machinessa
  13. ↑ Tutkijat ovat ehdottaneet menetelmää joustavien superkondensaattoreiden luomiseksi , jotka voivat ladata älypuhelimen täyteen sekunneissa
  14. ↑ Nikolai V. Suetin, Iskander S. Akhatov, Elena V. Zenova, Aleksanteri A. Pavlov, Sergei V. Vavilov. N-seostetut hiilinano-seinät virtalähteille  //  Tieteelliset raportit. – 30.04.2019. — Voi. 9 , iss. 1 . — s. 6716 . — ISSN 2045-2322 . - doi : 10.1038/s41598-019-43001-3 . Arkistoitu alkuperäisestä 17. kesäkuuta 2022.
  15. ↑ Tutkijat ovat löytäneet tavan lisätä kannettavan elektroniikan energialähteiden kapasiteettia . TASS . Haettu 25. toukokuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 23. toukokuuta 2019.

Linkit

Artikkeli "Käytetään kondensaattorilla" (julkaistu ensimmäisen kerran "Young Technician" -lehdessä joulukuussa 1990 ) tarjoaa reseptin ionistorin (siellä sitä kutsuttiin "IONICS") valmistamiseksi omin käsin moottorilla varustetulle venemallille .

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa