Ionistor

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 22. marts 2022; checks kræver 2 redigeringer .

En ionistor (superkondensator, ultrakondensator, dobbeltlags elektrokemisk kondensator) er en elektrokemisk enhed, en kondensator med en organisk eller uorganisk elektrolyt , hvor "pladerne" er et dobbelt elektrisk lag ved grænsefladen mellem elektroden og elektrolytten . Ifølge dens egenskaber indtager den en mellemposition mellem en kondensator og en kemisk strømkilde .

Koncept

På grund af det faktum, at tykkelsen af ​​det elektriske dobbeltlag (det vil sige afstanden mellem "pladerne" på kondensatoren) er ekstremt lille på grund af brugen af ​​elektrolytter, og arealet af pladernes porøse materialer er kolossal, er energien lagret af ionistoren højere sammenlignet med konventionelle kondensatorer af samme størrelse. Derudover gør brugen af ​​et elektrisk dobbeltlag i stedet for et konventionelt dielektrikum det muligt i høj grad at øge elektrodens overfladeareal. Den typiske kapacitans for en ionistor er nogle få farad ved en nominel spænding på 2-10 volt.

Oprettelseshistorie

Den første dobbeltlagskondensator på porøse kulelektroder blev patenteret i 1957 af General Electric [1] . Da den nøjagtige mekanisme ikke var klar på det tidspunkt, blev det antaget, at energi var lagret i porerne på elektroderne, hvilket førte til dannelsen af ​​"en usædvanlig høj ladningslagringskapacitet" . Lidt senere, i 1966, patenterede Standard Oil of Ohio , Cleveland (SOHIO), USA et grundstof, der lagrede energi i et dobbeltlag [2] .

Stillet over for en lav salgsvolumen licenserede SOHIO det i 1971 til NEC , som med succes markedsførte produktet under navnet "Supercapacitor" (Supercapacitor). I 1978 lancerede Panasonic "Gold Capacitor", "Gold Cap", som fungerer efter samme princip. Disse kondensatorer havde en relativt høj intern modstand , der begrænsede udgangseffekten og blev brugt i volatile memory ( SRAM ) strømkredsløb .

Ionistorer i USSR blev annonceret i radiomagasinet nr. 5 i 1978. Disse var KI1-1 ionistorer, og de havde en kapacitet fra 0,1 til 50 F, afhængigt af størrelsen.

De første ionistorer med lav intern modstand til brug i højeffektkredsløb blev udviklet af PRI i 1982. Disse ionistorer dukkede op på markedet under navnet "PRI Ultracapacitor".

Typer af ionistorer

  1. Ionistorer med ideelt polariserbare carbonelektroder ("ideal" ionistor, ionisk kondensator). De bruger ikke elektrokemiske reaktioner, de virker på grund af ionoverførsel mellem elektroderne. Nogle elektrolytmuligheder: 30% KOH vandig opløsning ; 38 % vandig opløsning af H2S04 ; organiske elektrolytter [3] .
  2. Ionistorer med en perfekt polariserbar kulstofelektrode og en ikke-polariserbar eller svagt polariserbar katode eller anode ("hybride" ionistorer).
    En elektrokemisk reaktion sker ved en elektrode. Valgmuligheder: Ag (-) og fast elektrolyt RbAg 4 I 5 ; 30 % vandig opløsning af KOH og NiOOH (+) [3] .
  3. Pseudokondensatorer er ionistorer, der anvender reversible elektrokemiske processer på overfladen af ​​elektroderne . De har en høj specifik kapacitet. Elektrokemisk skema: (-) Ni(H) / 30% vandig KOH / NiOOH (+); (-) С(Н) / 38 % vandig opløsning af Н 2 SO 4 / PbSO 4 ( PbO 2 ) (+) [3] .

Sammenligninger

Med fremkomsten af ​​ionistorer blev det muligt at bruge kondensatorer i elektriske kredsløb ikke kun som et konverteringselement, men også som en spændingskilde. Udbredt som erstatning for batterier til at gemme information om produktparametre i mangel af ekstern strøm. Sådanne elementer har både flere fordele og en række ulemper i forhold til konventionelle kemiske strømkilder  - galvaniske celler og batterier :

Ulemper

Fordele

Materialer

Elektroder fremstilles normalt ved at bruge porøse materialer såsom aktivt kul eller opskummede metaller; og disse metaller er udvalgt i overensstemmelse med typen af ​​elektrolyt. Det samlede overfladeareal af et sådant porøst materiale er mange gange større end et lignende, men med en glat overflade, hvilket gjorde det muligt at opbevare ladningen i et passende volumen.

Energitæthed

Ionistorers energitæthed er stadig flere gange mindre end batteriernes kapacitet. For eksempel er energitætheden af ​​en BCAP3000-ionistor (3000 F, 2,7 V), der vejer 0,51 kg, 21,4 kJ/kg (6 Wh/kg). Dette er 7,6 gange mindre end energitætheden for blyelektrolytiske batterier, 25 gange mindre end lithiumpolymerbatterier , men ti gange mere end energitætheden af ​​en elektrolytisk kondensator .

Effekttætheden af ​​en ionist afhænger af den indre modstand. I de nyeste modeller af ionistorer er den indre modstand ret lille, hvilket gør det muligt at opnå strøm svarende til et batteris.

I 2008 udviklede indiske forskere en prototype-ionistor baseret på grafenelektroder med en specifik energikapacitet på op til 32 Wh/kg, sammenlignelig med den for bly-syre-batterier (30-40 Wh/kg) [5] .

I 2011 udviklede koreanske videnskabsmænd ledet af professor Choi Jung-wook en superkondensator lavet ved hjælp af grafen og nitrogen, der giver dobbelt så stor kapacitet sammenlignet med konventionelle energikilder af samme klasse. Forbedringen af ​​batteriets elektriske egenskaber blev opnået ved at tilsætte nitrogen [6] .

Brug

Køretøjer

Tung og offentlig transport

Elektriske busser drevet af ionistorer kaldes " capabusser ". I øjeblikket produceres kapabusser af Hyundai Motor , Trolza , Belkommunmash , LIAZ, NEFAZ og andre [7] .

Hyundai Motor capabuses er almindelige busser med et elektrisk drev drevet af indbyggede ionistorer. Som udtænkt af designerne fra Hyundai Motor vil en sådan bus blive opladet ved hvert andet eller hvert tredje stop, og stoppets varighed er nok til at genoplade busionistorerne. Hyundai Motor placerer sin capabus som en økonomisk erstatning for en trolleybus (ingen grund til at etablere et kontaktnetværk) eller en diesel (og endda brint) bus (elektricitet er stadig billigere end diesel eller brintbrændstof).

Trolzas kapabusser er teknisk set "stangløse trolleybusser". Det vil sige, strukturelt er dette en trolleybus, men uden strømstænger fra kontaktnetværket og følgelig med elektrisk strømforsyning fra ionistorer.

Men ionistorer er især lovende som et middel til at implementere et autonomt køresystem for konventionelle trolleybusser. En trolleybus udstyret med ionistorer nærmer sig en bus med hensyn til manøvredygtighed . Især en sådan trolleybus kan:

  • gå gennem separate korte sektioner af ruten, der ikke er udstyret med et kontaktnetværk (herunder om nødvendigt at flytte til en omvej, når det er umuligt at bevæge sig langs rutens almindelige rute på en del af ruten);
  • at passere stederne for brud på linjen i kontaktnetværket;
  • evnen til at omgå forhindringer, selv når længden af ​​de strømopsamlende stænger ikke tillader det (i dette tilfælde vil føreren af ​​en trolleybus udstyret med ionistorer simpelthen sænke de strømsamlende stænger og gå rundt om forhindringen, hvorefter han vil hæv igen de strømsamlende stænger og fortsæt med at bevæge dig i normal tilstand);
  • der er ikke behov for at udvikle et kontaktnet i depotet og på drejeringene ved de endelige stop - i depotet og på drejeringene manøvrerer trolleybusser udstyret med ionistorer med strømopsamlende stænger sænket.

Således nærmer trolleybussystemet sig ved hjælp af trolleybusser udstyret med ionistorer det sædvanlige bussystem med hensyn til fleksibilitet.

Siden maj 2017 er de første hviderussiske elektriske busser Belkommunmash E433 Vitovt Max Electro [8] blevet brugt i Minsk . Elbusser oplades på tre ladestandere placeret ved strækningernes endepunkter. Opladning med en strøm på 500 ampere varer 5-8 minutter. En tom elbus kører 20 km på én opladning. Ionistorer er fremstillet af Chengdu Sinju Silk Road Development LLC i den kinesisk-hviderussiske industripark Great Stone .

Automotive

Yo-mobile  , et bilprojekt udviklet i Den Russiske Føderation, brugte en superkondensator som det vigtigste middel til lagring af elektrisk energi. Disse superkondensatorer i sig selv var ikke masseproducerede og blev udviklet parallelt med bilen.

Auto racing

KERS - systemet, der bruges i Formel 1 , bruger ionistorer.

Forbrugerelektronik

De bruges til hoved- og reservestrøm i lommelygter , lommelygter , lommeafspillere og automatiske forsyningsmålere -  uanset hvor du har brug for hurtigt at oplade enheden. Laserdetektoren for brystkræft på ionistorer oplades på 2,5 minutter og virker i 1 minut [9] .

Biltilbehørsbutikker sælger ionistorer med en kapacitet på omkring 1F, designet til at drive bilradioer (og udstyr, der drives fra cigarettænderen) med tændingen slukket og under motorstart (på mange biler er alle andre forbrugere slukkede, mens starteren er kører), samt at udjævne strømstød ved spidsbelastninger, for eksempel til betjening af kraftige højttalere.

Udsigter for udvikling

Ifølge udtalelser fra MIT -ansatte i 2006 [10] kan ionistorer snart erstatte konventionelle batterier . Derudover blev der i 2009 udført test på et batteri baseret på en ionistor, hvor jernnanopartikler blev indført i det porøse materiale . Det resulterende dobbelte elektriske lag passerede elektroner dobbelt så hurtigt på grund af skabelsen af ​​en tunneleffekt . En gruppe videnskabsmænd fra University of Texas i Austin har udviklet et nyt materiale, som er porøst bulkkulstof. Kulstoffet opnået på denne måde havde egenskaberne som en superkondensator. Behandlingen af ​​materialet beskrevet ovenfor med kaliumhydroxid førte til skabelsen af ​​et stort antal bittesmå porer i kulstof, som i kombination med elektrolytten var i stand til at lagre en kolossal elektrisk ladning [11] .

På nuværende tidspunkt er en af ​​de nødvendige dele af kondensatoren blevet skabt - en solid nanokompositelektrolyt med lithiumionledningsevne. Udviklingen af ​​elektroder til kondensatoren er i gang. En af opgaverne er at reducere størrelsen af ​​ionistoren på grund af den indre struktur [12] .

Forskere ved Center for Nanotechnology ved University of Central Florida (UCF) udviklede en fleksibel ionistor i 2016, bestående af millioner af nanometertråde belagt med en skal af todimensionelle dichalcogenider. En sådan superkondensator kan modstå mere end 30 tusinde opladningscyklusser [13] .

I 2019 udviklede russiske videnskabsmænd fra Skolkovo Institut for Videnskab og Teknologi (Skoltech) en ny måde at erstatte kulstofatomer med nitrogenatomer i krystalgitteret af superkondensatorer, hvilket tillader en seksdobling af deres kapacitet, samt øger stabiliteten i ladet -udledningscyklusser. Den opfundne metode til plasmabehandling af kulstof-nanovægge i det strukturelle gitter af ionistorer erstatter op til 3% af kulstofatomer med nitrogenatomer. Den specifikke kapacitet af nanovæggen efter en sådan behandling når 600 F/g [14] . Forskerne forklarede, modellerede og beskrev også mekanismen for inkorporering af nitrogenatomer i kulstofgitteret. Denne undersøgelse baner vejen for skabelsen af ​​fleksible tynd-film superkondensatorer baseret på kulstof nanovægge [15] .

Se også

Noter

  1. ↑ HI Becker: Low voltage electrolytic capacitor , US-patent 2800616 Arkiveret 24. august 2014 på Wayback Machine
  2. ↑ RA Rightmire, "Electrical energy storage apparatus", US Patent 3288641 Arkiveret 24. august 2014 på Wayback Machine
  3. ↑ 1 2 3 V. Kuznetsov, O. Pankina, N. Machkovskaya, E. Shuvalov, I. Vostrikov. Elektriske dobbeltlagskondensatorer (ionistorer): udvikling og produktion. Arkiveret 5. februar 2012 på Wayback Machine Components and Technologies nr. 6, 2005.
  4. ↑ Ionistors Referencer Amatørradioelektronik . Hentet 13. februar 2010. Arkiveret fra originalen 20. juni 2009.
  5. ↑ SRCVivekchand; Chandra Sekhar Rout, KSSubrahmanyam, A.Govindaraj og CNRao. Grafenbaserede elektrokemiske superkondensatorer  (neopr.)  // J. Chem. Sci., Indian Academy of Sciences. - 2008. - T. 120, januar 2008 . — S. 9−13 .
  6. ↑ Koreanske videnskabsmænd har udviklet en grafen superkondensator til elektriske køretøjer / Hardware News / 3DNews - Daily Digital Digest . Hentet 6. maj 2013. Arkiveret fra originalen 16. marts 2014.
  7. ↑ projekter, Fabrik . Elektriske busser  (russisk) , Belkommunmash . Arkiveret fra originalen den 8. august 2017. Hentet 22. december 2017.
  8. ↑ "Bag rattet føler jeg mig som en lille" stjerne ". Sådan testes de første hviderussiske elektriske busser i Minsk  (russisk) . Arkiveret den 23. december 2017. Åbnet den 22. december 2017.
  9. ↑ CiteSeerX - TurboCap: En batteriløs, supercapacitor-baseret strømforsyning til Mini-FDPM . Hentet 12. januar 2012. Arkiveret fra originalen 19. oktober 2012.
  10. ↑ MIT udvikler kulstof "mini-batteri" . Hentet 28. august 2013. Arkiveret fra originalen 16. november 2013.
  11. ↑ Superkondensatorer hjælper med at forbedre batterier Arkiveret 20. maj 2011 på Wayback Machine  :: Overclockers.ru
  12. ↑ Forskere fra ICTTM SB RAS har til hensigt at skabe en supercapacitor- arkivkopi dateret 4. september 2014 på Wayback Machine
  13. ↑ Forskere har foreslået en metode til at skabe fleksible superkondensatorer , der kan oplade en smartphone fuldt ud på få sekunder
  14. ↑ Nikolay V. Suetin, Iskander S. Akhatov, Elena V. Zenova, Alexander A. Pavlov, Sergei V. Vavilov. N-dopet kulstof nanovægge til strømkilder  //  Videnskabelige rapporter. - 30-04-2019. — Bd. 9 , iss. 1 . — S. 6716 . — ISSN 2045-2322 . - doi : 10.1038/s41598-019-43001-3 . Arkiveret fra originalen den 17. juni 2022.
  15. ↑ Forskere har fundet en måde at øge kapaciteten af ​​energikilder til bærbar elektronik . TASS . Hentet 25. maj 2019. Arkiveret fra originalen 23. maj 2019.

Links

Artiklen "Lad os gå på en kondensator" (først offentliggjort i magasinet "Young Technician" for december 1990 ) giver en opskrift på at lave en ionistor (der blev den kaldt "IONICS") med dine egne hænder til en bådmodel med en motor .

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger