Ionistor: co je to a kde se používá

Ionistory - nová třída zdrojů podle funkce blízko silných kondenzátorů a ve skutečnosti - zabírající mezeru mezi kondenzátory a zdroji konstantního proudu

Historické pozadí

V roce 1957 byly počáteční verze superkondenzátorů vyvinuty inženýry v General Electric, ale kvůli jejich nízké účinnosti neměly komerční využití. V roce 1966 standardní olej náhodou zjistil vliv dvouvrstvého kondenzátoru při práci na palivových článcích, což umožnilo efektivní funkci supercapacitoru. Společnost společnost komercializovala vynález, ale získala licenci pro společnost NEC. V roce 1978 prodávala tuto technologii jako "supercapacitor" pro počítače. V SSSR poprvé byly EDLC zavedeny v roce 1978 v publikaci časopisu č. 5 série KI1-1 s kapacitou od 0, 2 do 50, 0 F.

První superkondenzátory pro výkonné zařízení byly vytvořeny v roce 1982 PRI Ultracapacitor. Teprve v 90. letech došlo k pokroku v materiálech a výrobních metodách, což vedlo ke zvýšení produktivity a snížení nákladů ionistů. Pokračují ve vývoji a procházejí technologií průmyslových baterií pomocí speciálních elektrod a elektrolytu.

Účel elektronického zařízení

Ionistory (EDLC) jsou elektronická zařízení, která se používají k ukládání extrémně velkých množství elektrického náboje. Jsou také známé jako supercapacitors, dvouvrstvé kondenzátory nebo ultracapacitors. Namísto použití konvenčního dielektrika používá EDLC mechanismus pro ukládání elektrické energie - dvouvrstvou kapacitu. To znamená, že kombinují činnost konvenčních kondenzátorů s provozem běžných baterií. Kapacity dosažené touto technologií mohou dosáhnout 12 000 F. Pro srovnání, kapacita celé Země je pouze asi 710 μF, což je více než 15 milionů krát menší než kapacita EDLC.

Zatímco běžný elektrostatický kondenzátor může mít vysoké maximální provozní napětí, normální maximální nabíjecí napětí EDLC je mezi 2, 5 a 2, 7 voltů. EDLC jsou polární zařízení, tj. Musí být správně zapojeny do obvodu, jako jsou elektrolytické kondenzátory. Elektrické vlastnosti těchto zařízení, zejména jejich rychlý dobíjení a dobíjení, jsou velmi slibné pro mnoho průmyslových odvětví, kde mohou zcela vyměnit baterie.

Konstrukce ionizátorů a materiály

Podívejme se podrobněji na to, co takový ionizátor. Konstrukce EDLC je podobná konstrukci elektrolytických kondenzátorů v tom, že se skládají ze dvou fóliových elektrod, elektrolytu, separátoru a fólie. Separátor je upnut mezi elektrodami, fólie je složena nebo složena do tvaru, obvykle válcového nebo obdélníkového. Tato složená forma je umístěna v hermeticky utěsněném pouzdře impregnovaném elektrolytem. Elektrolyt v konstrukci EDLC, stejně jako elektrody, se liší od elektrolytu používaného v konvenčních elektrolytických kondenzátorech.

Pro udržení elektrického náboje používá EDLC porézní materiály jako rozpěry pro uložení iontů v pórech na atomové úrovni. Nejběžnějším materiálem v moderní EDLC je aktivovaný uhlík. Skutečnost, že uhlík není dobrý izolátor, vede k omezení maximálního provozního napětí na 3 V.

Aktivní uhlík není ideálním materiálem: nosiče nábojů jsou ve srovnání s póry v materiálu srovnatelné a některé z nich nemohou proniknout do menších pórů, což vede k únikům a k poklesu skladovací kapacity.

Jeden z nejzajímavějších materiálů používaných v roce 2007 Výzkum EDLC je grafen. Tato látka, která se skládá z čistého uhlíku, je umístěna v plochém archu jen o jeden tlustý atom. Je velmi pórovitý, působí jako iontová "houba". Hustota energie dosažená pomocí graphenu v EDLC je srovnatelná s hustotou energie získanou v bateriích.

Navzdory skutečnosti, že prototypy grafů EDLC byly provedeny jako důkaz budoucí koncepce, jsou drahé a obtížně vyráběné v průmyslových objemech a tato skutečnost významně brzdí použití této technologie. Navzdory tomu je EDLC od grafenu nejslibnějším kandidátem v budoucí technologii ionistů.

Výhody a nevýhody

Mezi výhody tohoto zařízení patří:

1. Čas nabíjení. EDLC mají doby nabíjení a vybíjení srovnatelné s konvenčními kondenzátory. Díky nízkému vnitřnímu odporu lze dosáhnout vysokého nabití a výboje. Chcete-li dosáhnout plně nabitého stavu, baterie obvykle trvá až několik hodin. Například jako baterie mobilního telefonu, zatímco EDLC může být nabíjen za méně než dvě minuty.
2. Specifické napájení. Specifický výkon akumulátoru nebo EDLC je měřítkem používaným k porovnání různých technologií o výstupní výkon děleno celkovou hmotností zařízení. EDLC mají specifický výkon 5 až 10krát vyšší než výkon baterií. Například, zatímco lithium-iontové baterie mají specifický výkon 1-3 kW / kg, specifický výkon typické EDLC je asi 10 kW / kg. Tato funkce je důležitá zejména v aplikacích, které vyžadují rychlý reset ze zařízení pro ukládání dat.
3. Životnost a bezpečnost cyklu. Baterie EDLC jsou bezpečnější než běžné baterie, pokud jsou nesprávně zpracovány. Zatímco baterie mohou explodovat kvůli nadměrnému ohřevu v případě zkratu, EDLC se kvůli nízkému vnitřnímu odporu příliš nezahřívá.
4. EDLC lze nabíjet a vybít miliónykrát a lišit se téměř neomezenou životností, zatímco baterie mají životnost 500x a méně. Díky tomu je EDLC velmi užitečné v aplikacích, kde je vyžadováno časté ukládání a přidělování výkonu.
5. Životnost EDLC je 10 až 20 let, zatímco kapacita po dobu 10 let je snížena ze 100% na 80%.
6. Vzhledem k jejich nízké ekvivalentní odolnosti zajišťuje EDLC vysokou hustotu výkonu a vysoký zatěžovací proud, aby dosáhl téměř okamžitého nabití v sekundách. Teplotní charakteristiky jsou také silné a poskytují energii při teplotách až -40 ° C.

EDLC má některé nedostatky:

1. Jednou nevýhodou je relativně nízká specifická energie. Specifická energie EDLC je měřit celkové množství energie, uložené v zařízení, dělené jeho hmotností. Zatímco lithium-iontové baterie běžně používané v mobilních telefonech mají specifickou energii 100-200 Wh / kg, EDLC může ukládat pouze 5 W / kg. To znamená, že EDLC, který má stejnou kapacitu jako běžná baterie, bude vážit 40krát více.
2. Lineární výbojové napětí. Např. Baterie s jmenovitým napětím 2,7 V, pokud bude napětí stále blízké 2,7 V při 50% nabíjení. Hodnota EDLC při jmenovitém napětí 2,7 V s 50% nábojem produkuje přesně polovinu Maximální nabíjení je 1,35 V. To znamená, že výstupní napětí klesne pod minimální provozní napětí zařízení pracujícího na EDLC a musí se vypnout před použitím celého náboje v kondenzátoru. Řešením tohoto problému je použití DC měničů. Tento přístup však vytváří nové obtíže, jako je účinnost a hluk.
3. Nemohou být používány jako trvalý zdroj energie. Jedna buňka má obvykle napětí 2,7 V a je-li vyžadováno vyšší napětí, buňky musí být zapojeny do série.
4. Náklady na konvenční EDLC jsou 20krát vyšší než náklady na lithium-iontové baterie. Může se však snížit díky novým technologiím a hromadné výrobě iontů.

Průmyslová aplikace

Vzhledem k tomu, že EDLC zaujímá prostor mezi bateriemi a kondenzátory, mohou být použity v nejrůznějších aplikacích. Tam, kde je použit ionizátor, lze předpokládat na základě jeho účelu. Jedním z zajímavých způsobů využití je skladování energie v dynamických brzdových systémech v automobilovém průmyslu. Používá se elektrický generátor, který přeměňuje kinetickou energii na elektrickou energii a uloží ji do EDLC. Následně může být tato energie opět použita k získání energie pro zrychlení.

Dalším příkladem jsou aplikace s nízkým výkonem, kde vysoká propustnost není povinná, ale je důležité zajistit vysoký životnost nebo rychlé nabití. Takovými aplikacemi jsou fotografický blesk, přehrávače MP3, statické paměťové zařízení, které vyžadují nízké napětí pro ukládání informací a tak dále.

Možnými budoucími aplikacemi EDLC jsou mobilní telefony, notebooky, elektrické vozy a všechna ostatní zařízení, která jsou v současné době používána na bateriích. Nejzajímavější výhodou z praktického hlediska je jejich velmi rychlá rychlost nabíjení - to by znamenalo nabíjení elektrického vozu v nabíječce několik minut, dokud nebude baterie plně nabitá.

EDLC se používá v mnoha aplikacích řízení spotřeby, které vyžadují velký počet rychlých cyklů nabíjení / vybíjení krátkodobé potřeby v energii. Některé z těchto aplikací se používají v následujících oblastech:

• stabilizace napětí v systémech start / stop;
• elektronické dveřní zámky v případě výpadků proudu;
• regenerační brzdové systémy;
• distribuční čip;
• zdravotnické vybavení;
• energetické akumulátory;
• spotřební elektronika;
• kuchyňské spotřebiče;
• zálohování dat v reálném čase;
• záložní napájení;
• větrná energie:
• energetická účinnost a řízení frekvence;
• dálkové napájení snímačů, LED, spínačů;
• záložní paměť;
• paketové napájení.

Pokyny pro vývoj supercapacitorů

Nový slibný vývoj ionizátorů:

• Supercapacitors graphene Skeleton Technology budou klíčovými hráči EDLC. V nových testech ve vozovém parku ve Velké Británii se používají k přeměně dieselových vozidel na hybridní vozidla na úkor výkonu z regeneračního brzdění. Hybridní systém je vyvinut společností Adgero a Skeleton Technologies UltraBoost. Během brzdění se zařízení stává generátorem a obnovuje kinetickou energii, která by jinak byla ztracena ve formě těla. Jádrem této technologie je banka pěti silných superkondenzátorů založených na grafenu, známých jako SkelMod.
• Zap Go, start-up ve Velké Británii, spouští nový typ nabíječky speciálně pro obchodní cestující. Používá graphene supercapacitors k nabíjení telefonů během pěti minut.
• Eaton nabízí řešení pro superkondenzátory velikosti mince, velkých buněk, malých válcových článků a modulů. Například Supercapacitor XLR 48V modul umožňuje ukládání energie na energetických systémů s frekvenčním nabíjení / vybíjení hybrid nebo elektrických vozidel, veřejné dopravy, nakládací a vykládací zařízení, těžké techniky a mořských systémů. XLR moduly se skládají z 18 jedince superkondenzátory Eaton XL60, navrženy tak, aby 48 a 166 6F 5 mA s odporem pro zařazení v systémech vyžadujících do 750 V.

• Nadkapacitní zařízení Maxwell Technologies se používají k ukládání energie s regeneračním brzdením v systému metra v Pekingu. Čínská železniční kolejová vozidla Corp. (CRRC - SRI) používá Maxwell moduly 48 - V ve dvou sadách úsporných zařízení pro regenerativní brzdění linky č 8, městské železniční sítě, která vede na sever-jih v hlavním městě Číny. Moduly Maxwell 48 V poskytují dlouhou životnost až 10 let a rychlé nabíjení / vybíjení. Vishay nabízí 220 EDLC ENYCAP s jmenovitým napětím 2,7 V. Může být použito v několika aplikacích, včetně zálohovacího výkonu, pulzního napájení, zařízení pro ukládání energie pro sběr energie, napájecí zdroje micro UPS a využití energie.
• Lineární technologie nabízí LTC3350, záložní regulátor výkonu, který umožňuje nabíjet a monitorovat sériovou jednotku až čtyřmi superkondenzátory. LTC3350, určený pro automobilovou a další dopravní aplikace, nabízí následující funkce:

• Zálohovat napájení nabíjením banky na čtyři supercapacitors v případě výpadku napájení. Může pracovat se vstupním napětím od 4,5 do 35 V a více než 10 A zálohováním záložního napájení.
• Vyvažování a ochrana z přepětí pro řadu superkondenzátorů.
• Řídící napětí, proud a teplota v systému.
• Interní balancery napětí kondenzátoru, které eliminují potřebu vyvážených odporů.

Vývojáři ionizistů se snaží neustále vylepšovat a zvyšovat specifické kapacity. V budoucnu budou baterie zcela nahrazovat superkondenzátory. Výsledky výzkumu kalifornských vědců ukázaly, že nový typ iontoměničů již několikrát převyšuje jeho analogy ve funkčnosti.