Ionistor: čo je a kde sa používa

Ionistory - nová trieda zdrojov podľa funkcie blízko silných kondenzátorov a v skutočnosti - zaberajúci medzeru medzi kondenzátormi a zdrojmi konštantného prúdu

Historické pozadie

V roku 1957 boli prvé verzie superkondenzátorov vyvinuté inžiniermi spoločnosti General Electric, ale v dôsledku ich nízkej efektívnosti nemali komerčné aplikácie. V roku 1966 štandardný olej náhodne zistil vplyv dvojvrstvového kondenzátora pri práci na palivových článkoch, čo umožnilo efektívne fungovanie supercapacitoru. Spoločnosť nevyužívala vynález, ale získala licenciu pre spoločnosť NEC. V roku 1978 predala túto technológiu ako "supercapacitor" pre počítače. V ZSSR po prvýkrát boli EDLC zavedené v roku 1978 v publikácii časopisu č. 5 série KI1-1 s kapacitou od 0, 2 do 50, 0 F.

Prví superkondenzátory pre výkonné zariadenia boli vytvorené v roku 1982 PRI Ultracapacitor. Iba v deväťdesiatych rokoch minulého storočia došlo k pokroku v materiáloch a výrobných metódach, čo viedlo k zvýšeniu produktivity a zníženiu nákladov na ionizmus. Pokračujú vo vývoji a prechádzať do technológie priemyselných batérií pomocou špeciálnych elektród a elektrolytu.

Účel elektronického zariadenia

Ionistory (EDLC) sú elektronické zariadenia, ktoré sa používajú na ukladanie extrémne veľkého množstva elektrického náboja. Sú tiež známe ako superkondenzátory, dvojvrstvové kondenzátory alebo ultracapacitory. Namiesto použitia konvenčného dielektrika používa EDLC mechanizmus na ukladanie elektrickej energie - dvojvrstvovú kapacitu. To znamená, že kombinujú prácu konvenčných kondenzátorov s prácou bežných batérií. Kapacita dosiahnuť použitím tejto techniky môže dosiahnuť 12000 F. Pre porovnanie, kapacita celej Zemi je len asi 710 mikrofaradech, viac ako 15 miliónov krát menej EDLC kapacitné.

Zatiaľ čo konvenčný elektrostatický kondenzátor môže mať vysoké maximálne prevádzkové napätie, normálne maximálne nabíjacie napätie EDLC je medzi 2, 5 a 2, 7 voltov. EDLC sú polárne zariadenia, to znamená, že musia byť správne pripojené k okruhu, ako napríklad kondenzátory elektrolytu. Elektrické vlastnosti týchto zariadení, najmä ich rýchle nabíjanie a vyprázdňovanie, sú veľmi sľubné pre mnohé odvetvia, kde môžu úplne nahradiť batérie.

Konštrukcia a materiály pre iónistory

Pozrime sa podrobnejšie na to, čo takýto ionizátor. Konštrukcia EDLC je podobná konštrukcii elektrolytických kondenzátorov v tom, že pozostávajú z dvoch fóliových elektród, elektrolytu, separátora a fólie. Oddeľovač je upnutý medzi elektródami, fólia je zložená alebo zložená do tvaru, zvyčajne valcového alebo obdĺžnikového. Táto zložená forma je umiestnená v hermeticky utesnenom puzdre impregnovanom elektrolytom. Elektrolyt v konštrukcii EDLC, rovnako ako elektródy, sa líši od elektrolytu použitého v konvenčných elektrolytických kondenzátoroch.

Na udržanie elektrického náboja používa EDLC porézne materiály ako dištančné vložky na uloženie iónov v póroch na atómovej úrovni. Najčastejším materiálom v modernej EDLC je aktívne uhlie. Skutočnosť, že uhlík nie je dobrý izolátor, vedie k obmedzeniu maximálneho prevádzkového napätia na 3 V.

Aktívne uhlie nie je ideálny materiál: nosiče náboja sú porovnateľné čo do veľkosti s pórmi v materiáli, a niektoré z nich nemôže preniknúť do menších pórov, čo vedie k netesnosti a zníženie skladovacie kapacity.

Jeden z najzaujímavejších materiálov používaných v roku 2006 Výskum EDLC je grafén. Táto látka pozostávajúca z čistého uhlíka, ktorá sa nachádza v plochých vrstvách s hrúbkou iba jedného atómu. Je extrémne pórovitý, pôsobí ako iónová "špongia". Hustota energie dosiahnutá s grapénom v EDLC je porovnateľná s hustotou energie dosiahnutou v batériách.

Avšak napriek tomu, že prototypy EDLC grafénu boli urobené ako dôkaz budúceho konceptu, sú nákladné a ťažko sa vyrábajú v priemyselných objemoch a táto skutočnosť značne brzdí používanie tejto technológie. Napriek tomu je EDLC z grafenu najsľubnejším kandidátom v budúcej technológii ionizistov.

Výhody a nevýhody

Medzi výhody prístroja patria:

1. Čas nabíjania. EDLC majú doby nabíjania a vybíjania porovnateľné s konvenčnými kondenzátormi. Z dôvodu nízkeho vnútorného odporu je možné dosiahnuť vysoké nabíjacie a výbojové prúdy. Ak chcete dosiahnuť úplne nabitý stav, batéria zvyčajne trvá niekoľko hodín. Napríklad ako batéria mobilného telefónu, zatiaľ čo EDLC je možné nabíjať za menej ako dve minúty.
2. Špecifické napájanie. Špecifický výkon batérie alebo EDLC je mierou používanou na porovnanie rôznych technológií výstupným výkonom vydeleným celkovou hmotnosťou zariadenia. EDLC má špecifický výkon 5 až 10 krát väčší ako výkon batérií. Napríklad, zatiaľ čo lítium-iónové batérie majú špecifický výkon 1-3 kW / kg, špecifický výkon typickej EDLC je približne 10 kW / kg. Táto funkcia je obzvlášť dôležitá v aplikáciách, ktoré vyžadujú rýchly úbytok energie z úložných zariadení.
3. Životaschopnosť a bezpečnosť cyklu. Batérie EDLC sú bezpečnejšie ako bežné batérie, ak sú nesprávne zaobchádzané. Zatiaľ čo batérie môžu explodovať v dôsledku nadmerného vykurovania v prípade skratu, EDLC sa kvôli nízkymu vnútornému odporu nezhrieva toľko.
4. EDLC je možné nabíjať a vybíjať milióny krát a líšiť takmer neobmedzenú životnosť, zatiaľ čo batérie majú životný cyklus 500 krát a menej. To robí EDLC veľmi užitočným v aplikáciách, kde sa vyžadujú časté skladovanie a prideľovanie energie.
5. Životnosť EDLC je 10 až 20 rokov, zatiaľ čo kapacita na 10 rokov je znížená zo 100% na 80%.
6. Vďaka svojej nízkej ekvivalentnej odolnosti poskytuje EDLC vysokú hustotu výkonu a vysoké zaťažovacie prúdy na dosiahnutie takmer okamžitého nabíjania v sekundách. Teplotné charakteristiky sú tiež silné a poskytujú energiu pri teplotách až -40 ° C.

EDLC má niektoré nedostatky:

1. Jednou nevýhodou je relatívne nízka špecifická energia. Špecifická energia EDLC je zmerajte celkové množstvo energie, uložené v zariadení, rozdelené podľa jeho hmotnosti. Zatiaľ čo lítium-iónové batérie bežne používané v mobilných telefónoch majú špecifickú energiu 100 až 200 Wh / kg, EDLC môže ukladať iba 5 W / kg. To znamená, že EDLC, ktorý má rovnakú kapacitu ako bežná batéria, bude vážiť 40 krát viac.
2. Lineárne výbojové napätie. Napríklad pri menovitom napätí batérie je 2,7 V, keď u 50% manipulačný poplatok bude aj naďalej výstupné napätie v blízkosti 2.7V EDLC po dobu až 2,7 V na 50% manipulačný poplatok, produkuje presne polovicu svojho maximálny poplatok - 1,35 V. to znamená, že výstupné napätie klesne pod minimálnu zariadení napájacieho napätia pracujúcim pri EDLC, a to musí byť odpojený pred použitím všetky náboje v kondenzátore. Riešením tohto problému je použitie konvertorov DC. Tento prístup však spôsobuje nové ťažkosti, ako je efektívnosť a hluk.
3. Nemôžu byť použité ako trvalý zdroj energie. Jedna bunka má zvyčajne napätie 2,7 V a pri vyššom napätí musia byť bunky zapojené do série.
4. Náklady na bežnú EDLC sú 20-krát vyššie ako náklady na lítium-iónové batérie. Môže sa však znížiť v dôsledku nových technológií a hromadnej výroby ionizátorov.

Priemyselná aplikácia

Pretože EDLC zaberá oblasť medzi batériami a kondenzátormi, môžu sa používať v širokej škále aplikácií. Tam, kde sa používa ionizátor, možno predpokladať jeho účel. Jedným z zaujímavých spôsobov je skladovanie energie v dynamických brzdových systémoch v automobilovom priemysle. Používa sa elektrický generátor, ktorý konvertuje kinetickú energiu na elektrickú energiu a uloží ju do EDLC. Následne sa táto energia môže opätovne použiť na poskytnutie energie na zrýchlenie.

Ďalším príkladom sú aplikácie s nízkym výkonom, kde vysoká priepustnosť nie je povinná, ale je dôležité zabezpečiť vysoký životný cyklus alebo rýchle nabíjanie. Takéto aplikácie sú fotografický blesk, MP3 prehrávače, statické pamäťové zariadenia, ktoré vyžadujú nízky napájací zdroj na ukladanie informácií atď.

Možnými budúcimi aplikáciami EDLC sú mobilné telefóny, prenosné počítače, elektrické vozidlá a všetky ostatné zariadenia, ktoré v súčasnosti beží na batériách. Najväčšou výhodou z praktického hľadiska je ich veľmi rýchla rýchlosť dobíjania - to by znamenalo nabíjanie elektrického vozidla v nabíjačke niekoľko minút, kým nebude batéria úplne nabitá.

EDLC sa používa v mnohých aplikáciách riadenia spotreby, ktoré si vyžadujú veľký počet rýchlych cyklov nabíjania / vybíjania krátkodobé potreby v energii. Niektoré z týchto aplikácií sa používajú v nasledujúcich oblastiach:

• stabilizácia napätia v systémoch štart / stop;
• elektronické zámky dverí v prípade výpadku prúdu;
• rekuperačné brzdové systémy;
• distribučný čip;
• zdravotnícke zariadenia;
• energetické akumulátory;
• spotrebná elektronika;
• kuchynské spotrebiče;
• zálohovanie dát hodín v reálnom čase;
• pohotovostný režim;
• veterná energia:
• energetická účinnosť a kontrola frekvencie;
• diaľkové napájanie pre senzory, LED diódy, spínače;
• záložná pamäť;
• paketové napájanie.

Návod na vývoj supercapacitorov

Nový sľubný vývoj ionizátorov:

• Supercapacitors graphene Skeleton Technology budú kľúčovými hráčmi EDLC. V nových testoch v dopravnej flotile v Spojenom kráľovstve sa používajú na premenu dieselových vozidiel na hybridné vozidlá na úkor výkonu z regeneratívneho brzdenia. Hybridný systém je vyvinutý spoločnosťami Adgero a Skeleton Technologies UltraBoost. Počas brzdenia sa zariadenie stáva generátorom, ktorý obnovuje kinetickú energiu, ktorá by sa inak stratila vo forme tela. V centre tejto technológie je banka piatich silných superkondenzátorov založených na grafene, známy ako SkelMod.
• Zap Go, začínajúci vo Veľkej Británii, spúšťa nový typ nabíjačky špeciálne pre obchodných cestujúcich. Používa graphene supercapacitors na nabíjanie telefónov do piatich minút.
• Spoločnosť Eaton ponúka riešenia pre superkondenzátory s veľkosťou mince, veľkými článkami, malými valcovými článkami a modulmi. Napríklad Supercapacitor XLR 48V modul umožňuje ukladanie energie na energetických systémov s frekvenčným nabíjanie / vybíjanie hybrid alebo elektrických vozidiel, verejnej dopravy, nakladacie a vykladacie zariadenia, ťažkej techniky a morských systémov. XLR moduly sa skladajú z 18 jedinca superkondenzátory Eaton XL60, navrhnuté tak, aby 48 a 166 6F 5 mA s odporom pre zaradenie v systémoch vyžadujúcich do 750 V.

• Supercapacitory Maxwell Technologies sa používajú na skladovanie energie s regeneračným brzdením v systéme metra v Pekingu. Čínska železničná železničná spoločnosť Corp. (CRRC-SRI) používa moduly Maxwell 48-V v dvoch súpravách energeticky úsporných regeneračných brzdových zariadení pre čiaru č. 8 systému, mestskú železničnú sieť, ktorá vedie zo severu na juh cez hlavné mesto Číny. Moduly Maxwell 48 V poskytujú dlhú životnosť až 10 rokov a rýchle nabíjanie / vybíjanie. Vishay ponúka 220 EDLC ENYCAP s menovitým napätím 2,7 V. To môže byť použitý v rôznych aplikáciách, vrátane záložné napájanie, podpora pre pulzný uchovávanie energie energie zariadenia pre zhromažďovanie energie, mikro napájacích zdrojov UPS a energetické využitie.
• Lineárna technológia ponúka LTC3350, záložný regulátor napájania, ktorý dokáže načítať a monitorovať sériovú jednotku až do štyroch superkapacitátorov. LTC3350, určený pre automobilové a iné dopravné aplikácie, ponúka nasledujúce funkcie:

• Zálohovanie napájaním nabíjaním banky v prípade výpadku napájania na štyri supercapacitory. Môže pracovať so vstupným napätím od 4,5 do 35 V a viac ako 10 A nabíjania záložného napájania.
• Vyvažovanie a ochrana z prepätia pre rad superkondenzátorov.
• Riadiace napätie, prúd a teplota v systéme.
• Vnútorné vyvažovače kondenzátorového napätia, ktoré eliminujú potrebu vyvážených odporov.

Vývojári ionizistov sa snažia neustále vylepšovať a zvyšovať špecifickú kapacitu. Samozrejme, v budúcnosti batérie úplne nahradia superkondenzátory. Výsledky výskumu kalifornských vedcov ukázali, že nový typ iónomeničov už niekoľko funkcií prekračuje svoje analógy.