Ionistor sono condensatori elettrochimici a doppio strato o supercondensatori. I loro elettrodi metallici sono rivestiti con carbone attivo altamente poroso, tradizionalmente costituito da gusci di cocco, ma il più delle volte da aerogel di carbonio, altri nanotubi di nanocarbonio o grafene. Tra questi elettrodi c'è un separatore poroso che tiene separati gli elettrodi, quando avvolto su una spirale, tutto questo è impregnato di elettrolita. Alcune forme innovative di ionistore hanno un elettrolita solido. Sostituiscono le batterie tradizionali nei gruppi di continuità fino ai camion, dove utilizzano un compressore come fonte di alimentazione.
Principio di funzionamento
Lo ionistor utilizza l'azione di un doppio strato formato all'interfaccia tra carbone ed elettrolita. Il carbone attivo viene utilizzato come elettrodo in forma solida e l'elettrolita in forma liquida. Quando questi materiali sono in contatto tra loro, i poli positivo e negativo sono distribuiti l'uno rispetto all' altro dadistanza molto breve. Quando si applica un campo elettrico, come struttura principale viene utilizzato il doppio strato elettrico che si forma vicino alla superficie del carbonio nel liquido elettrolitico.
Vantaggio di design:
- Fornisce capacità in un piccolo dispositivo, senza bisogno di circuiti di carica speciali da controllare durante la scarica in dispositivi sovralimentati.
- La ricarica o lo scaricamento eccessivo non influiscono negativamente sulla durata della batteria come con le batterie tipiche.
- La tecnologia è estremamente "pulita" in termini di ecologia.
- Nessun problema con contatti instabili come le normali batterie.
Difetti di progettazione:
- La durata del funzionamento è limitata a causa dell'uso di elettrolita nei dispositivi che utilizzano un supercondensatore.
- L'elettrolita potrebbe fuoriuscire se il condensatore non viene mantenuto correttamente.
- Rispetto ai condensatori in alluminio, questi condensatori hanno resistenze elevate e quindi non possono essere utilizzati nei circuiti CA.
Utilizzando i vantaggi sopra descritti, i condensatori elettrici sono ampiamente utilizzati in applicazioni quali:
- Riserva di memoria per timer, programmi, alimentazione e-mobile, ecc.
- Apparecchiature video e audio.
- Fonti di backup durante la sostituzione delle batterie per apparecchiature elettroniche portatili.
- Alimentatori per apparecchiature ad energia solare come orologi e indicatori.
- Avviatori per motori piccoli e mobili.
Reazioni redox
L'accumulatore di carica si trova all'interfaccia tra l'elettrodo e l'elettrolita. Durante il processo di carica, gli elettroni si spostano dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo lungo il circuito esterno. Durante la scarica, elettroni e ioni si muovono nella direzione opposta. Non c'è trasferimento di carica in un supercondensatore EDLC. In questo tipo di supercondensatore, si verifica una reazione redox all'elettrodo, che genera cariche e trasporta la carica attraverso i doppi strati della costruzione, dove viene utilizzato uno ionistor.
A causa della reazione redox che si verifica in questo tipo, esiste un potenziale per una densità di potenza inferiore rispetto all'EDLC perché i sistemi faradaici sono più lenti dei sistemi non faradaici. Come regola generale, gli pseudocondensatori forniscono una capacità specifica e una densità di energia più elevate rispetto agli EDLC a causa del fatto che sono del sistema di Faraday. Tuttavia, la scelta corretta del supercondensatore dipende dall'applicazione e dalla disponibilità.
Materiali a base di grafene
Il supercondensatore è caratterizzato dalla capacità di caricarsi rapidamente, molto più velocemente di una batteria tradizionale, ma non è in grado di immagazzinare tanta energia quanto una batteria perché ha una densità di energia inferiore. Il loro aumento di efficienza è ottenuto attraverso l'uso di grafene e nanotubi di carbonio. Aiuteranno in futuro gli ionizzatori a sostituire completamente le batterie elettrochimiche. La nanotecnologia oggi è la fonte di moltiinnovazioni, soprattutto nell'e-mobile.
Grafene aumenta la capacità dei supercondensatori. Questo materiale rivoluzionario è costituito da fogli il cui spessore può essere limitato dallo spessore dell'atomo di carbonio e la cui struttura atomica è ultradensa. Tali caratteristiche possono sostituire il silicio nell'elettronica. Un separatore poroso è posto tra due elettrodi. Tuttavia, le variazioni nel meccanismo di stoccaggio e la scelta del materiale degli elettrodi portano a classificazioni diverse dei supercondensatori ad alta capacità:
- Condensatori elettrochimici a doppio strato (EDLC), che utilizzano principalmente elettrodi di carbonio ad alto tenore di carbonio e immagazzinano la loro energia assorbendo rapidamente ioni nell'interfaccia elettrodo/elettrolita.
- Gli pseudo-condensatori si basano sul processo fagico di trasferimento di carica sulla superficie dell'elettrodo o in prossimità di essa. In questo caso, i polimeri conduttivi e gli ossidi di metalli di transizione rimangono materiali elettrochimicamente attivi, come quelli che si trovano negli orologi elettronici a batteria.
Dispositivi polimerici flessibili
Il supercondensatore guadagna e immagazzina energia ad alta velocità formando doppi strati di cariche elettrochimiche o attraverso reazioni redox superficiali, risultando in un'elevata densità di potenza con stabilità ciclica a lungo termine, basso costo e protezione ambientale. PDMS e PET sono i substrati più comunemente usati nell'implementazione di supercondensatori flessibili. Nel caso del film, PDMS può creare flessibili eionizzatori trasparenti a film sottile in orologi con elevata stabilità ciclica dopo 10.000 cicli di flessione.
I nanotubi di carbonio a parete singola possono essere ulteriormente incorporati nel film PDMS per migliorare ulteriormente la stabilità meccanica, elettronica e termica. Allo stesso modo, anche i materiali conduttivi come il grafene e i CNT sono rivestiti con pellicola PET per ottenere sia un'elevata flessibilità che una conduttività elettrica. Oltre a PDMS e PET, anche altri materiali polimerici stanno attirando un crescente interesse e sono sintetizzati con vari metodi. Ad esempio, l'irradiazione laser pulsata localizzata è stata utilizzata per trasformare rapidamente la superficie primaria in una struttura di carbonio poroso elettricamente conduttivo con grafica specificata.
Polimeri naturali come fibre di legno e tessuti non tessuti di carta possono essere utilizzati anche come substrati, che sono flessibili e leggeri. Il CNT viene depositato su carta per formare un elettrodo di carta CNT flessibile. A causa dell'elevata flessibilità del supporto di carta e della buona distribuzione dei CNT, la capacità specifica, la potenza e la densità di energia cambiano di meno del 5% dopo la piegatura per 100 cicli con un raggio di curvatura di 4,5 mm. Inoltre, grazie alla maggiore resistenza meccanica e alla migliore stabilità chimica, le carte batteriche in nanocellulosa vengono utilizzate anche per realizzare supercondensatori flessibili come il lettore di cassette walkman.
Prestazioni del supercondensatore
È definito in termini diattività elettrochimica e proprietà cinetiche chimiche, ovvero: cinetica di elettroni e ioni (trasporto) all'interno degli elettrodi ed efficienza della velocità di trasferimento della carica all'elettrodo/elettrolita. L'area superficiale specifica, la conduttività elettrica, la dimensione dei pori e le differenze sono importanti per prestazioni elevate quando si utilizzano materiali di carbonio a base di EDLC. Il grafene, con la sua elevata conduttività elettrica, ampia superficie e struttura interstrato, è interessante per l'uso in EDLC.
Nel caso degli pseudocondensatori, sebbene forniscano una capacità superiore rispetto agli EDLC, sono comunque limitati in densità dalla bassa potenza del chip CMOS. Ciò è dovuto alla scarsa conduttività elettrica, che limita il movimento elettronico veloce. Inoltre, il processo redox che guida il processo di carica/scarica può danneggiare i materiali elettroattivi. L'elevata conducibilità elettrica del grafene e la sua eccellente resistenza meccanica lo rendono adatto come materiale negli pseudocondensatori.
Gli studi sull'adsorbimento sul grafene hanno dimostrato che si verifica principalmente sulla superficie dei fogli di grafene con accesso a grandi pori (cioè, la struttura dell'interstrato è porosa, consentendo un facile accesso agli ioni elettroliti). Pertanto, l'agglomerazione di grafene non poroso dovrebbe essere evitata per prestazioni migliori. Le prestazioni possono essere ulteriormente migliorate modificando la superficie mediante aggiunta di gruppi funzionali, ibridazione con polimeri elettricamente conduttivi e formazione di compositi grafene/ossidometallo.
Confronto condensatori
I Supercaps sono l'ideale quando è necessaria una ricarica rapida per soddisfare le esigenze di alimentazione a breve termine. La batteria ibrida soddisfa entrambe le esigenze e abbassa la tensione per una maggiore durata. La tabella seguente mostra il confronto delle caratteristiche e dei materiali principali nei condensatori.
| Condensatore elettrico a doppio strato, designazione ionistore | Condensatore elettrolitico in alluminio | Batteria Ni-cd | Batteria sigillata al piombo | |
| Usa l'intervallo di temperatura | Da -25 a 70°C | Da -55 a 125 °C | Da -20 a 60 °C | Da -40 a 60 °C |
| Elettrodi | Carbone attivo | Alluminio | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Liquido elettrolitico | Solvente organico | Solvente organico | KOH |
H2SO4 |
| Metodo della forza elettromotrice | Usare l'effetto elettrico naturale a doppio strato come dielettrico | Usare l'ossido di alluminio come dielettrico | Usare una reazione chimica | Usare una reazione chimica |
| Inquinamento | No | No | CD | Pb |
| Numero di cicli di carica/scarica | > 100.000 volte | > 100.000 volte | 500 volte | Da 200 a 1000 volte |
| Capacità per unità di volume | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Caratteristica di carica
Tempo di ricarica 1-10 secondi. L'addebito iniziale può essere completato molto rapidamente e l'addebito superiore richiederà più tempo. È necessario prendere in considerazione la limitazione della corrente di spunto durante la carica di un supercondensatore vuoto, poiché assorbirà il più possibile. Il supercondensatore non è ricaricabile e non richiede il rilevamento della carica completa, la corrente smette semplicemente di fluire quando è piena. Confronto delle prestazioni tra compressore per auto e ioni di litio.
| Funzione | Ionistor | Li-Ion (generale) |
| Tempo di ricarica | 1-10 secondi | 10-60 minuti |
| Guarda il ciclo di vita | 1 milione o 30.000 | 500 e oltre |
| Tensione | Da 2, 3 a 2, 75SI | 3, 6 B |
| Energia specifica (W/kg) | 5 (tipico) | 120-240 |
| Potenza specifica (W/kg) | Fino a 10000 | 1000-3000 |
| Costo per kWh | $10.000 | 250-1.000 $ |
| Vita | 10-15 anni | Da 5 a 10 anni |
| Temperatura di carica | Da -40 a 65°C | 0 a 45 °C |
| Temperatura di scarico | Da -40 a 65°C | Da -20 a 60°C |
Vantaggi dei dispositivi di ricarica
I veicoli hanno bisogno di una carica di energia extra per accelerare, ed è qui che entrano in gioco i compressori. Hanno un limite alla carica totale, ma sono in grado di trasferirla molto rapidamente, rendendole batterie ideali. I loro vantaggi rispetto alle batterie tradizionali:
- La bassa impedenza (ESR) aumenta la corrente di picco e il carico quando è collegato in parallelo alla batteria.
- Ciclo molto alto: la scarica richiede da millisecondi a minuti.
- Calo di tensione rispetto a un dispositivo alimentato a batteria senza supercondensatore.
- Alta efficienza al 97-98% e l'efficienza CC-CC in entrambe le direzioni è dell'80%-95% nella maggior parte delle applicazioni, comevideoregistratore con ionizzatori.
- In un veicolo elettrico ibrido, l'efficienza rotatoria è del 10% superiore a quella di una batteria.
- Funziona bene in un intervallo di temperatura molto ampio, tipicamente da -40 C a +70 C, ma può variare da -50 C a +85 C, versioni speciali disponibili fino a 125 C.
- Piccola quantità di calore generata durante la carica e lo scaricamento.
- Lungo ciclo di vita con elevata affidabilità, riducendo i costi di manutenzione.
- Leggero degrado su centinaia di migliaia di cicli e durata fino a 20 milioni di cicli.
- Non perdono più del 20% della loro capacità dopo 10 anni e hanno una durata di 20 anni o più.
- Resistente all'usura.
- Non influisce sulle scariche profonde come le batterie.
- Maggiore sicurezza rispetto alle batterie - nessun pericolo di sovraccarico o esplosione.
- Non contiene materiali pericolosi da sm altire a fine vita a differenza di molte batterie.
- Conforme agli standard ambientali, quindi non c'è nessun complicato sm altimento o riciclaggio.
Tecnologia di ritenuta
Il supercondensatore è costituito da due strati di grafene con uno strato di elettrolita nel mezzo. Il film è forte, estremamente sottile e capace di rilasciare una grande quantità di energia in un breve lasso di tempo, ma ci sono comunque alcuni problemi irrisolti che frenano il progresso tecnologico in questa direzione. Svantaggi del supercondensatore rispetto alle batterie ricaricabili:
- Bassa densità di energia - di solitorichiede da 1/5 a 1/10 dell'energia di una batteria elettrochimica.
- Scarica di linea - mancato utilizzo dell'intero spettro energetico, a seconda dell'applicazione, non tutta l'energia è disponibile.
- Come per le batterie, le celle sono a bassa tensione, sono necessari collegamenti seriali e bilanciamento della tensione.
- L'autoscarica è spesso superiore alle batterie.
- La tensione varia con l'energia immagazzinata: lo stoccaggio e il recupero efficienti dell'energia richiedono un controllo elettronico sofisticato e apparecchiature di commutazione.
- Ha il più alto assorbimento dielettrico di tutti i tipi di condensatori.
- La temperatura di utilizzo superiore è solitamente di 70 C o meno e raramente supera gli 85 C.
- La maggior parte contiene un elettrolita liquido che riduce le dimensioni necessarie per prevenire la scarica rapida involontaria.
- Alto costo dell'elettricità per watt.
Archiviazione ibrida
Il design speciale e la tecnologia embedded dell'elettronica di potenza sono stati sviluppati per produrre moduli di condensatori con una nuova struttura. Poiché i loro moduli devono essere prodotti utilizzando nuove tecnologie, possono essere integrati nei pannelli della carrozzeria dell'auto come il tetto, le portiere e il cofano del bagagliaio. Inoltre, sono state inventate nuove tecnologie di bilanciamento dell'energia che riducono le perdite di energia e le dimensioni dei circuiti di bilanciamento dell'energia negli accumulatori di energia e nei sistemi di dispositivi.
Sono state sviluppate anche una serie di tecnologie correlate, come il controllo della carica escarico, nonché collegamenti ad altri sistemi di accumulo di energia. Un modulo supercondensatore con una capacità nominale di 150F, una tensione nominale di 50V può essere posizionato su superfici piane e curve con una superficie di 0,5 metri quadrati. m e 4 cm di spessore Applicazioni applicabili a veicoli elettrici e integrabili con varie parti del veicolo e altri casi in cui sono richiesti sistemi di accumulo di energia.
Applicazione e prospettive
Negli Stati Uniti, in Russia e in Cina ci sono autobus senza batterie di trazione, tutto il lavoro è svolto da ionizzatori. General Electric ha sviluppato un camioncino con un supercondensatore per sostituire la batteria, simile a quanto è successo in alcuni razzi, giocattoli e utensili elettrici. I test hanno dimostrato che i supercondensatori superano le batterie al piombo nelle turbine eoliche, risultato ottenuto senza che la densità di energia del supercondensatore si avvicini a quella delle batterie al piombo.
Ora è chiaro che i supercondensatori seppelliranno le batterie al piombo nei prossimi anni, ma questa è solo una parte della storia, poiché stanno migliorando più velocemente della concorrenza. Fornitori come Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments e Skeleton Technologies hanno affermato di superare la densità di energia delle batterie al piombo con i loro supercondensatori e superbatteri, alcuni dei quali teoricamente corrispondono alla densità di energia degli ioni di litio.
Tuttavia, lo ionistor in un veicolo elettrico è uno degli aspetti dell'elettronica e dell'ingegneria elettrica cheignorato dalla stampa, dagli investitori, dai potenziali fornitori e da molte persone che vivono con la vecchia tecnologia, nonostante la rapida crescita del mercato multimiliardario. Ad esempio, per i veicoli terrestri, nautici e aerei, ci sono circa 200 principali produttori di motori di trazione e 110 principali fornitori di batterie di trazione rispetto a pochi produttori di supercondensatori. In generale, non ci sono più di 66 grandi produttori di ionizzatori nel mondo, la maggior parte dei quali ha concentrato la propria produzione su modelli più leggeri per l'elettronica di consumo.
