Ionistor là các tụ điện hoặc siêu tụ điện hai lớp. Các điện cực kim loại của chúng được phủ một lớp than hoạt tính có độ xốp cao, theo truyền thống được làm từ gáo dừa, nhưng thường là từ carbon aerogel, các ống nano carbon hoặc graphene khác. Giữa các điện cực này là một ngăn cách xốp để giữ cho các điện cực cách xa nhau, khi quấn theo hình xoắn ốc, tất cả những thứ này đều được tẩm chất điện phân. Một số hình thức sáng tạo của ionistor có chất điện ly rắn. Họ thay thế pin truyền thống trong bộ nguồn liên tục cho đến xe tải, nơi họ sử dụng bộ tăng áp làm nguồn điện.
Nguyên tắc làm việc
Ionistor sử dụng tác động của một lớp kép được hình thành ở mặt phân cách giữa than và chất điện phân. Than hoạt tính được sử dụng làm điện cực ở dạng rắn và chất điện phân ở dạng lỏng. Khi các vật liệu này tiếp xúc với nhau, các cực dương và cực âm được phân bố tương đối với nhau bằngkhoảng cách rất ngắn. Khi đặt một điện trường, lớp kép điện hình thành gần bề mặt của cacbon trong chất lỏng điện phân được sử dụng làm cấu trúc chính.
Ưu điểm về thiết kế:
- Cung cấp điện dung trong một thiết bị nhỏ, không cần mạch sạc đặc biệt để kiểm soát trong quá trình phóng điện trong thiết bị siêu nạp.
- Việc sạc lại hoặc xả quá mức không ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ của pin như với các loại pin thông thường.
- Công nghệ cực kỳ "sạch" về mặt sinh thái.
- Không gặp vấn đề với tiếp điểm không ổn định như pin thông thường.
Lỗi thiết kế:
- Thời lượng hoạt động bị giới hạn do sử dụng chất điện phân trong các thiết bị sử dụng siêu tụ điện.
- Chất điện phân có thể bị rò rỉ nếu tụ điện không được bảo dưỡng đúng cách.
- So với tụ nhôm, những tụ điện này có điện trở cao và do đó không thể sử dụng trong mạch xoay chiều.
Với những ưu điểm được mô tả ở trên, tụ điện được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như:
- Dự trữ bộ nhớ cho bộ hẹn giờ, chương trình, năng lượng di động điện tử, v.v.
- Thiết bị video và âm thanh.
- Nguồn dự phòng khi thay pin cho thiết bị điện tử cầm tay.
- Nguồn cung cấp cho các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời như đồng hồ và đèn báo.
- Khởi động cho động cơ nhỏ và di động.
Phản ứng oxy hóa khử
Bộ tích điện nằm ở mặt phân cách giữa điện cực và chất điện phân. Trong quá trình tích điện, các êlectron chuyển từ điện cực âm sang điện cực dương dọc theo mạch ngoài. Trong quá trình phóng điện, các electron và ion chuyển động ngược chiều. Không có sự chuyển giao điện tích trong một siêu tụ điện EDLC. Trong loại siêu tụ điện này, phản ứng oxy hóa khử xảy ra ở điện cực, tạo ra điện tích và mang điện tích qua các lớp kép của cấu trúc, nơi sử dụng ionistor.
Do phản ứng oxy hóa khử xảy ra trong loại này, có khả năng mật độ công suất thấp hơn EDLC vì hệ thống Faradaic chậm hơn hệ thống không faradaic. Theo nguyên tắc chung, tụ điện giả cung cấp mật độ năng lượng và điện dung riêng cao hơn EDLC do thực tế là chúng thuộc hệ faraday. Tuy nhiên, sự lựa chọn chính xác của siêu tụ điện phụ thuộc vào ứng dụng và tính khả dụng.
Vật liệu làm từ Graphene
Siêu tụ điện có đặc điểm là có khả năng sạc nhanh, nhanh hơn nhiều so với pin truyền thống, nhưng nó không có khả năng tích trữ nhiều năng lượng như pin dự phòng vì nó có mật độ năng lượng thấp hơn. Việc tăng hiệu quả của chúng đạt được thông qua việc sử dụng graphene và ống nano carbon. Chúng sẽ giúp thay thế hoàn toàn pin điện hóa trong tương lai. Công nghệ nano ngày nay là nguồn gốc của nhiềuđổi mới, đặc biệt là trong di động điện tử.
Graphene làm tăng điện dung của siêu tụ điện. Vật liệu mang tính cách mạng này bao gồm các tấm có độ dày có thể bị giới hạn bởi độ dày của nguyên tử cacbon và có cấu trúc nguyên tử siêu dày đặc. Những đặc điểm như vậy có thể thay thế silicon trong điện tử. Một tấm ngăn cách xốp được đặt giữa hai điện cực. Tuy nhiên, các thay đổi trong cơ chế lưu trữ và lựa chọn vật liệu điện cực dẫn đến các phân loại siêu tụ điện dung lượng cao khác nhau:
- Tụ điện hai lớp điện hóa (EDLC), chủ yếu sử dụng điện cực cacbon cacbon cao và lưu trữ năng lượng của chúng bằng cách hấp phụ nhanh các ion tại giao diện điện cực / chất điện phân.
- Tụ điệnPsuedo dựa trên quá trình phagic của quá trình truyền điện tích tại hoặc gần bề mặt điện cực. Trong trường hợp này, các polyme dẫn điện và các oxit kim loại chuyển tiếp vẫn là các vật liệu hoạt động điện hóa, chẳng hạn như các vật liệu được tìm thấy trong đồng hồ điện tử chạy bằng pin.
Thiết bị polyme linh hoạt
Siêu tụ điện thu được và tích trữ năng lượng ở tốc độ cao bằng cách hình thành các lớp kép điện hóa hoặc thông qua các phản ứng oxy hóa khử bề mặt, dẫn đến mật độ năng lượng cao với độ ổn định theo chu kỳ lâu dài, chi phí thấp và bảo vệ môi trường. PDMS và PET là các chất nền được sử dụng phổ biến nhất trong việc chế tạo siêu tụ điện linh hoạt. Trong trường hợp phim, PDMS có thể tạo ra sự linh hoạt vàbộ định hình màng mỏng trong suốt trong đồng hồ với độ ổn định chu kỳ cao sau 10.000 chu kỳ uốn cong.
Các ống nano carbon một thành có thể được kết hợp thêm vào màng PDMS để cải thiện hơn nữa độ ổn định cơ học, điện tử và nhiệt. Tương tự, các vật liệu dẫn điện như graphene và CNTs cũng được phủ bằng màng PET để đạt được độ mềm dẻo và độ dẫn điện cao. Ngoài PDMS và PET, các vật liệu cao phân tử khác cũng đang thu hút sự quan tâm ngày càng tăng và được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau. Ví dụ: chiếu xạ laser xung cục bộ đã được sử dụng để nhanh chóng biến đổi bề mặt sơ cấp thành cấu trúc carbon xốp dẫn điện với hình ảnh cụ thể.
Các polyme tự nhiên như sợi gỗ và giấy không dệt cũng có thể được sử dụng làm chất nền, linh hoạt và nhẹ. CNT được lắng đọng trên giấy để tạo thành một điện cực giấy CNT linh hoạt. Do tính linh hoạt cao của nền giấy và sự phân bố tốt của CNTs, mật độ năng lượng và công suất riêng thay đổi dưới 5% sau khi uốn 100 chu kỳ ở bán kính uốn cong 4,5 mm. Ngoài ra, do độ bền cơ học cao hơn và độ ổn định hóa học tốt hơn, giấy nanocellulose vi khuẩn cũng đang được sử dụng để chế tạo các siêu tụ điện linh hoạt như máy nghe nhạc băng walkman.
Hiệu suất siêu tụ điện
Nó được định nghĩa theo nghĩa củahoạt động điện hóa và các tính chất động học hóa học, cụ thể là: động học electron và ion (vận chuyển) bên trong điện cực và hiệu suất của tốc độ truyền điện tích đến điện cực / chất điện phân. Diện tích bề mặt cụ thể, độ dẫn điện, kích thước lỗ và sự khác biệt rất quan trọng để có hiệu suất cao khi sử dụng vật liệu carbon gốc EDLC. Graphene, với độ dẫn điện cao, diện tích bề mặt lớn và cấu trúc lớp xen kẽ, rất hấp dẫn để sử dụng trong EDLC.
Trong trường hợp tụ điện giả, mặc dù chúng cung cấp điện dung vượt trội so với EDLC, nhưng chúng vẫn bị giới hạn về mật độ bởi công suất thấp của chip CMOS. Điều này là do tính dẫn điện kém, hạn chế chuyển động nhanh của điện tử. Ngoài ra, quá trình oxy hóa khử thúc đẩy quá trình sạc / xả có thể làm hỏng các vật liệu hoạt động điện. Tính dẫn điện cao của graphene và độ bền cơ học tuyệt vời của nó khiến nó thích hợp làm vật liệu trong tụ điện giả.
Các nghiên cứu về sự hấp phụ trên graphene đã chỉ ra rằng nó xảy ra chủ yếu trên bề mặt của các tấm graphene có khả năng tiếp cận các lỗ rỗng lớn (nghĩa là, cấu trúc lớp xen kẽ là xốp, cho phép dễ dàng tiếp cận các ion điện ly). Do đó, nên tránh sự kết tụ graphene không xốp để có hiệu suất tốt hơn. Hiệu suất có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách sửa đổi bề mặt bằng cách bổ sung nhóm chức năng, lai với polyme dẫn điện và bằng cách hình thành vật liệu tổng hợp graphene / oxitkim loại.
So sánh tụ điện
Supercaps là lý tưởng khi cần sạc nhanh để đáp ứng nhu cầu điện năng ngắn hạn. Pin hybrid đáp ứng cả hai nhu cầu và giảm điện áp để có tuổi thọ cao hơn. Bảng dưới đây cho thấy sự so sánh các đặc điểm và vật liệu chính trong tụ điện.
| Tụ điện hai lớp, ký hiệu ionistor | Tụ điện nhôm | Pin Ni-cd | Pin hàn chì | |
| Sử dụng phạm vi nhiệt độ | -25 đến 70 ° C | -55 đến 125 ° C | -20 đến 60 ° C | -40 đến 60 ° C |
| Điện cực | Than hoạt tính | Nhôm | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2(-) Pb |
| Chất lỏng điện phân | Dung môi hữu cơ | Dung môi hữu cơ | KOH |
H2SO4 |
| Phương pháp sức điện động | Sử dụng hiệu ứng hai lớp điện tự nhiên làm chất điện môi | Sử dụng nhôm oxit làm chất điện môi | Sử dụng phản ứng hóa học | Sử dụng phản ứng hóa học |
| Ô nhiễm | Không | Không | CD | Pb |
| Số chu kỳ sạc / xả | > 100.000 lần | > 100.000 lần | 500 lần | 200 đến 1000 lần |
| Dung lượng trên mỗi đơn vị âm lượng | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Đặc tính phí
Thời gian sạc 1-10 giây. Khoản phí ban đầu có thể được hoàn thành rất nhanh chóng và lần sạc hàng đầu sẽ mất thêm thời gian. Cần cân nhắc để hạn chế dòng khởi động khi sạc siêu tụ điện rỗng, vì nó sẽ hút càng nhiều càng tốt. Siêu tụ điện không thể sạc lại và không yêu cầu phát hiện sạc đầy, dòng điện chỉ đơn giản là ngừng chảy khi đầy. So sánh hiệu suất giữa bộ siêu nạp cho ô tô và Li-ion.
| Chức năng | Ionistor | Li-Ion (chung) |
| Thời gian sạc | 1-10 giây | 10-60 phút |
| Xem vòng đời | 1 triệu hoặc 30.000 | 500 trở lên |
| Điện áp | Từ 2, 3 đến 2, 75B | 3, 6 B |
| Năng lượng riêng (W / kg) | 5 (điển hình) | 120-240 |
| Công suất riêng (W / kg) | Lên đến 10000 | 1000-3000 |
| Giá mỗi kWh | $ 10.000 | 250-1.000 $ |
| Trọn đời | 10-15 năm | 5 đến 10 tuổi |
| Nhiệt độ sạc | -40 đến 65 ° C | 0 đến 45 ° C |
| Nhiệt độ xả | -40 đến 65 ° C | -20 đến 60 ° C |
Lợi ích của việc sạc thiết bị
Xe cần tăng thêm năng lượng để tăng tốc, và đó là lúc bộ siêu nạp ra đời. Chúng có giới hạn về tổng lần sạc, nhưng chúng có thể chuyển nó rất nhanh, khiến chúng trở thành những viên pin lý tưởng. Ưu điểm của chúng so với các loại pin truyền thống:
- Trở kháng thấp (ESR) tăng cường độ dòng điện và tải khi kết nối song song với pin.
- Chu kỳ rất cao - thời gian xả từ mili giây đến phút.
- Giảm điện áp so với thiết bị chạy bằng pin không có siêu tụ điện.
- Hiệu suất cao ở mức 97-98% và hiệu suất DC-DC ở cả hai hướng là 80% -95% trong hầu hết các ứng dụng, chẳng hạn nhưmáy quay video với ionistors.
- Trong xe điện hybrid, hiệu suất đường vòng lớn hơn 10% so với hiệu suất của pin.
- Hoạt động tốt trong phạm vi nhiệt độ rất rộng, thường từ -40 C đến +70 C, nhưng có thể từ -50 C đến +85 C, các phiên bản đặc biệt có sẵn lên đến 125 C.
- Lượng nhiệt nhỏ sinh ra trong quá trình sạc và xả.
- Vòng đời dài với độ tin cậy cao, giảm chi phí bảo trì.
- Giảm nhẹ qua hàng trăm nghìn chu kỳ và kéo dài đến 20 triệu chu kỳ.
- Chúng mất đi không quá 20% công suất sau 10 năm và có tuổi thọ từ 20 năm trở lên.
- Chống mài mòn.
- Không ảnh hưởng đến việc phóng điện sâu như pin.
- Tăng độ an toàn so với pin - không có nguy cơ sạc quá mức hoặc cháy nổ.
- Không chứa vật liệu độc hại để thải bỏ khi hết tuổi thọ không giống như nhiều loại pin.
- Tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường, vì vậy không có việc xử lý hoặc tái chế phức tạp.
Công nghệ Kiềm chế
Siêu tụ điện bao gồm hai lớp graphene với một lớp điện phân ở giữa. Màng rất mạnh, cực kỳ mỏng và có khả năng giải phóng một lượng lớn năng lượng trong một khoảng thời gian ngắn, nhưng tuy nhiên, có một số vấn đề chưa được giải quyết đang cản trở tiến bộ công nghệ theo hướng này. Nhược điểm của Siêu tụ điện so với Pin sạc:
- Mật độ năng lượng thấp - thườngmất từ 1/5 đến 1/10 năng lượng của pin điện hóa.
- Phóng điện dòng - không sử dụng được phổ năng lượng đầy đủ, tùy thuộc vào ứng dụng, không phải tất cả năng lượng đều có sẵn.
- Cũng như pin, các tế bào có điện áp thấp, cần kết nối nối tiếp và cân bằng điện áp.
- Tự xả thường cao hơn pin.
- Điện áp thay đổi theo năng lượng dự trữ - việc lưu trữ và phục hồi năng lượng hiệu quả đòi hỏi thiết bị điều khiển và chuyển mạch điện tử tinh vi.
- Có độ hấp thụ điện môi cao nhất trong tất cả các loại tụ điện.
- Nhiệt độ sử dụng trên thường là 70 độ C trở xuống và hiếm khi vượt quá 85 độ C.
- Hầu hết đều chứa chất điện phân lỏng làm giảm kích thước cần thiết để tránh phóng điện nhanh không chủ ý.
- Chi phí điện trên mỗi watt cao.
Lưu trữ hỗn hợp
Thiết kế đặc biệt và công nghệ nhúng của điện tử công suất đã được phát triển để sản xuất các mô-đun tụ điện với cấu trúc mới. Do các mô-đun của chúng phải được sản xuất bằng công nghệ mới nên chúng có thể được tích hợp vào các tấm thân xe như mui, cửa và nắp cốp. Ngoài ra, các công nghệ cân bằng năng lượng mới đã được phát minh để giảm tổn thất năng lượng và kích thước của các mạch cân bằng năng lượng trong các hệ thống thiết bị và lưu trữ năng lượng.
Một loạt công nghệ liên quan cũng đã được phát triển, chẳng hạn như kiểm soát sạc vàphóng điện, cũng như kết nối với các hệ thống lưu trữ năng lượng khác. Một môđun siêu tụ điện có công suất định mức là 150F, hiệu điện thế định mức là 50V có thể đặt trên các mặt phẳng và mặt cong có diện tích bề mặt là 0,5 mét vuông. dày m và 4 cm. Các ứng dụng áp dụng cho xe điện và có thể được tích hợp với các bộ phận khác nhau của xe và các trường hợp khác cần hệ thống lưu trữ năng lượng.
Ứng dụng và quan điểm
Ở Mỹ, Nga và Trung Quốc có xe buýt không dùng pin đầu kéo, tất cả công việc đều do những người theo chủ nghĩa vận động thực hiện. General Electric đã phát triển một chiếc xe bán tải với một siêu tụ điện để thay thế pin, tương tự như những gì đã xảy ra trong một số tên lửa, đồ chơi và dụng cụ điện. Các thử nghiệm cho thấy siêu tụ điện hoạt động tốt hơn pin axit chì trong tuabin gió, điều này đạt được mà không cần mật độ năng lượng của siêu tụ điện gần bằng với pin axit chì.
Rõ ràng là siêu tụ điện sẽ chôn vùi pin axit-chì trong vài năm tới, nhưng đó chỉ là một phần của câu chuyện, vì chúng đang cải thiện nhanh hơn đối thủ. Các nhà cung cấp như Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments và Skeleton Technologies đã cho biết họ vượt quá mật độ năng lượng của pin axit-chì với các siêu tụ điện và siêu tụ điện, một số trong số đó về mặt lý thuyết phù hợp với mật độ năng lượng của các ion lithium.
Tuy nhiên, ionistor trong một chiếc xe điện là một trong những khía cạnh của điện tử và kỹ thuật điệnbị báo chí, các nhà đầu tư, các nhà cung cấp tiềm năng và nhiều người đang sống với công nghệ cũ phớt lờ, bất chấp tốc độ phát triển nhanh chóng của thị trường hàng tỷ đô la. Ví dụ, đối với các phương tiện đường bộ, đường thủy và đường hàng không, có khoảng 200 nhà sản xuất động cơ kéo lớn và 110 nhà cung cấp pin kéo chính so với một số ít nhà sản xuất siêu tụ điện. Nhìn chung, không có hơn 66 nhà sản xuất đồ chơi điện tử lớn trên thế giới, hầu hết đều tập trung sản xuất vào các mẫu nhẹ hơn cho thiết bị điện tử tiêu dùng.
