היכן משמש היוניסטור? סוגי יוניסטורים, מטרתם, היתרונות והחסרונות

2024 מְחַבֵּר: Trinity Chesterton | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-16 14:58

Ionistor הם קבלים אלקטרוכימיים או קבלים על שכבה כפולה. אלקטרודות המתכת שלהם מצופות בפחם פעיל נקבובי מאוד, עשוי באופן מסורתי מקליפות קוקוס, אך לרוב מננו-ג'ל פחמן, ננו-פחמן או גרפן אחרים. בין האלקטרודות הללו נמצא מפריד נקבובי שמרחיק את האלקטרודות בנפרד, כאשר מפותלים על ספירלה, כל זה ספוג באלקטרוליט. לכמה צורות חדשניות של יוניסטור יש אלקטרוליט מוצק. הם מחליפים סוללות מסורתיות באל-פסק עד למשאיות, שם הם משתמשים במגדש על כמקור כוח.

עקרון העבודה

היוניסטור משתמש בפעולה של שכבה כפולה הנוצרת בממשק בין פחם לאלקטרוליט. פחם פעיל משמש כאלקטרודה בצורה מוצקה, ואלקטרוליט בצורה נוזלית. כאשר חומרים אלו נמצאים במגע זה עם זה, הקטבים החיובי והשלילי מחולקים ביחס זה לזה על ידימרחק קצר מאוד. בעת הפעלת שדה חשמלי, השכבה הכפולה החשמלית הנוצרת ליד פני הפחמן בנוזל האלקטרוליטי משמשת כמבנה הראשי.

יתרון עיצוב:

1. מספק קיבול במכשיר קטן, אין צורך במעגלי טעינה מיוחדים לשליטה במהלך הפריקה במכשירים מוגדשים.
2. טעינה או פריקת יתר אינם משפיעים לרעה על חיי הסוללה כמו בסוללות טיפוסיות.
3. הטכנולוגיה היא "נקייה" ביותר מבחינת אקולוגיה.
4. אין בעיות עם אנשי קשר לא יציבים כמו סוללות רגילות.

פגמי עיצוב:

1. משך הפעולה מוגבל עקב השימוש באלקטרוליט במכשירים המשתמשים בקבל-על.
2. אלקטרוליט עלול לדלוף אם הקבל אינו מתוחזק כראוי.
3. בהשוואה לקבלי אלומיניום, קבלים אלה הם בעלי התנגדות גבוהה ולכן לא ניתן להשתמש בהם במעגלי AC.

באמצעות היתרונות שתוארו לעיל, קבלים חשמליים נמצאים בשימוש נרחב ביישומים כגון:

1. שימור זיכרון לטיימרים, תוכניות, כוח לניידים אלקטרוניים וכו'.
2. ציוד וידאו ואודיו.
3. מקורות גיבוי בעת החלפת סוללות לציוד אלקטרוני נייד.
4. ספקי כוח לציוד המופעל באמצעות שמש כגון שעונים ומחוונים.
5. מתחילים למנועים קטנים וניידים.

תגובות Redox

צובר המטען ממוקם בממשק בין האלקטרודה לאלקטרוליט. במהלך תהליך הטעינה, אלקטרונים נעים מהאלקטרודה השלילית אל האלקטרודה החיובית לאורך המעגל החיצוני. במהלך פריקה, אלקטרונים ויונים נעים בכיוון ההפוך. אין העברת מטען בקבל-על EDLC. בסוג זה של קבלי-על מתרחשת תגובת חיזור באלקטרודה, אשר יוצרת מטענים ונושאת את המטען דרך השכבות הכפולות של הקונסטרוקציה, שם נעשה שימוש ביוניסטור.

עקב תגובת החיזור שמתרחשת בסוג זה, קיים פוטנציאל לצפיפות הספק נמוכה יותר מ-EDLC מכיוון שמערכות פאראדיות איטיות יותר ממערכות שאינן פאראדיות. ככלל, פסאודו-קפקטורים מספקים קיבול וצפיפות אנרגיה ספציפיים גבוהים יותר מאשר EDLCs בשל העובדה שהם ממערכת Farday. עם זאת, הבחירה הנכונה של קבל-על תלויה באפליקציה ובזמינות.

חומרים מבוססי גרפן

קבל-העל מתאפיין ביכולת להיטען במהירות, הרבה יותר מהר מסוללה מסורתית, אך הוא אינו מסוגל לאגור אנרגיה רבה כמו סוללה כי יש לו צפיפות אנרגיה נמוכה יותר. הגדלת היעילות שלהם מושגת באמצעות שימוש בננו-צינוריות גרפן ופחמן. הם יעזרו בעתיד לאוניסטורים להחליף לחלוטין סוללות אלקטרוכימיות. ננוטכנולוגיה כיום היא המקור של רביםחידושים, במיוחד ב-e-mobile.

גרפן מגדיל את הקיבול של קבלי-על. החומר המהפכני הזה מורכב מיריעות שאת עובין ניתן להגביל על ידי עובי אטום הפחמן והמבנה האטומי שלהן צפוף במיוחד. מאפיינים כאלה יכולים להחליף סיליקון באלקטרוניקה. מפריד נקבובי ממוקם בין שתי אלקטרודות. עם זאת, שינויים במנגנון האחסון ובחירת חומר האלקטרודה מובילים לסיווגים שונים של קבלי-על בעלי קיבולת גבוהה:

1. קבלים אלקטרוכימיים כפולים שכבתית (EDLC), שמשתמשים בעיקר באלקטרודות פחמן עתירות פחמן ואוגרים את האנרגיה שלהם על ידי ספיגה מהירה של יונים בממשק האלקטרודה/אלקטרוליט.
2. קבלים פסואדו מבוססים על התהליך הפאגי של העברת מטען על או ליד משטח האלקטרודה. במקרה זה, פולימרים מוליכים ותחמוצות מתכות מעבר נשארים חומרים פעילים מבחינה אלקטרוכימית, כמו אלה שנמצאים בשעונים אלקטרוניים המופעלים על ידי סוללות.

מכשירי פולימר גמישים

קבל העל צובר ואוגר אנרגיה בקצב גבוה על ידי יצירת שכבות כפולות של מטען אלקטרוכימי או באמצעות תגובות חיזור משטחיות, וכתוצאה מכך צפיפות הספק גבוהה עם יציבות מחזורית ארוכת טווח, עלות נמוכה והגנה על הסביבה. PDMS ו-PET הם המצעים הנפוצים ביותר ביישום של קבלי-על גמישים. במקרה של סרט, PDMS יכול ליצור גמיש ויוניסטורי סרט דק שקוף בשעונים עם יציבות מחזורית גבוהה לאחר 10,000 מחזורי גמישות.

ניתן לשלב עוד יותר צינורות פחמן עם דופן אחת בסרט ה-PDMS כדי לשפר עוד יותר את היציבות המכנית, האלקטרונית והתרמית. באופן דומה, חומרים מוליכים כמו גרפן ו-CNT מצופים גם בסרט PET כדי להשיג גם גמישות גבוהה וגם מוליכות חשמלית. בנוסף ל-PDMS ו-PET, חומרים פולימריים אחרים גם מושכים עניין הולך וגובר והם מסונתזים בשיטות שונות. לדוגמה, הקרנת לייזר פועמת מקומית שימשה כדי להפוך במהירות את המשטח הראשוני למבנה פחמן נקבובי מוליך חשמלית עם גרפיקה מוגדרת.

פולימרים טבעיים כגון סיבי עץ ונייר לא ארוגים יכולים לשמש גם כמצעים, שהם גמישים וקלי משקל. ה-CNT מופקד על נייר ליצירת אלקטרודת נייר CNT גמישה. בשל הגמישות הגבוהה של מצע הנייר וההפצה הטובה של CNTs, הקיבול הספציפי וצפיפות ההספק והאנרגיה משתנים בפחות מ-5% לאחר כיפוף במשך 100 מחזורים ברדיוס עיקול של 4.5 מ מ. בנוסף, בשל חוזק מכני גבוה יותר ויציבות כימית טובה יותר, נעשה שימוש בניירות ננו-צלולוזה חיידקיים גם לייצור קבלי-על גמישים כגון נגן קלטות הווקמן.

ביצועי קבל-על

זה מוגדר במונחים שלפעילות אלקטרוכימית ותכונות קינטיות כימיות, כלומר: קינטיקה של אלקטרונים ויונים (הובלה) בתוך האלקטרודות ויעילות קצב העברת המטען לאלקטרודה/אלקטרוליט. שטח פנים ספציפי, מוליכות חשמלית, גודל נקבוביות והבדלים חשובים לביצועים גבוהים בעת שימוש בחומרי פחמן מבוססי EDLC. הגרפן, עם המוליכות החשמלית הגבוהה, שטח הפנים הגדול והמבנה הבין-שכבתי שלו, אטרקטיבי לשימוש ב-EDLC.

במקרה של פסאודו-קבלים, למרות שהם מספקים קיבול מעולה בהשוואה ל-EDLCs, הם עדיין מוגבלים בצפיפות על ידי ההספק הנמוך של שבב CMOS. זה נובע ממוליכות חשמלית ירודה, המגבילה תנועה אלקטרונית מהירה. בנוסף, תהליך החיזור המניע את תהליך הטעינה/הפריקה עלול לפגוע בחומרים אלקטרואקטיביים. המוליכות החשמלית הגבוהה של הגרפן וחוזקו המכני המעולה הופכים אותו למתאים כחומר בפסאודו-קבלים.

מחקרים של ספיחה על גרפן הראו שהיא מתרחשת בעיקר על פני השטח של יריעות גרפן עם גישה לנקבוביות גדולות (כלומר, מבנה השכבות נקבובי, מה שמאפשר גישה נוחה ליוני אלקטרוליטים). לפיכך, יש להימנע מאגירת גרפן לא נקבוביות לביצועים טובים יותר. ניתן לשפר עוד יותר את הביצועים על ידי שינוי פני השטח על ידי הוספת קבוצות פונקציונליות, הכלאה עם פולימרים מוליכים חשמלית ועל ידי יצירת חומרים מרוכבים של גרפן/אוקסידמתכת.

השוואת קבלים

Supercaps הם אידיאליים כאשר נדרשת טעינה מהירה כדי לענות על צורכי חשמל לטווח קצר. הסוללה ההיברידית מספקת את שני הצרכים ומפחיתה את המתח לחיים ארוכים יותר. הטבלה שלהלן מציגה את ההשוואה בין מאפיינים וחומרים עיקריים בקבלים.

	קבלים דו-שכבתיים חשמליים, ייעוד יוניסטור	קבל אלקטרוליטי מאלומיניום	Ni-cd battery	סוללה אטומה עופרת
השתמש בטווח טמפרטורות	-25 עד 70°C	-55 עד 125°C	-20 עד 60°C	-40 עד 60°C
אלקטרודות	פחמן פעיל	אלומיניום	(+) NiOOH (-) Cd	(+) PbO2 (-) Pb
נוזל אלקטרוליטי	ממס אורגני	ממס אורגני	KOH	H2SO4
שיטת כוח חשמלי	שימוש באפקט שכבה חשמלי טבעי כדיאלקטרי	שימוש בתחמוצת אלומיניום כדיאלקטרי	באמצעות תגובה כימית	באמצעות תגובה כימית
זיהום	No	No	CD	Pb
מספר מחזורי טעינה/פריקה	> 100,000 פעמים	> 100,000 פעמים	500 פעמים	200 עד 1000 פעמים
קיבולת ליחידת נפח	1	1/1000	100	100

מאפיין טעינה

זמן טעינה 1-10 שניות. ניתן להשלים את הטעינה הראשונית במהירות רבה והטעינה העליונה תיקח זמן נוסף. יש לשקול להגביל את זרם הכניסה בעת טעינת קבל-על ריק, שכן הוא ישאב כמה שיותר. קבל העל אינו נטען ואינו דורש זיהוי טעינה מלאה, הזרם פשוט מפסיק לזרום כשהוא מלא. השוואת ביצועים בין מגדש-על לרכב ל-Li-ion.

פונקציה	Ionistor	Li-Ion (כללי)
זמן טעינה	1-10 שניות	10-60 דקות
מחזור החיים של השעון	1 מיליון או 30,000	500 ומעלה
Voltage	מ-2, 3 עד 2, 75B	3, 6 B
אנרגיה ספציפית (W/kg)	5 (אופייני)	120-240
הספק ספציפי (W/kg)	עד 10000	1000-3000
עלות לקוט"ש	$10,000	250-1,000 $
Lifetime	10-15 שנים	בני 5 עד 10
טמפרטורת טעינה	-40 עד 65°C	0 עד 45°C
טמפרטורת פריקה	-40 עד 65°C	-20 עד 60°C

היתרונות של טעינת מכשירים

רכבים צריכים תוספת אנרגיה נוספת כדי להאיץ, וכאן נכנסים מגדשי העל. יש להם הגבלה על הטעינה הכוללת, אבל הם מסוגלים להעביר אותו מהר מאוד, מה שהופך אותם לסוללות אידיאליות. היתרונות שלהם על פני סוללות מסורתיות:

1. עכבה נמוכה (ESR) מגבירה את זרם הנחשולים והעומס כאשר מחוברים במקביל לסוללה.
2. מחזור גבוה מאוד - פריקה נמשכת אלפיות שניות עד דקות.
3. ירידה במתח בהשוואה למכשיר המופעל על סוללה ללא קבל-על.
4. יעילות גבוהה ב-97-98%, ויעילות DC-DC בשני הכיוונים היא 80%-95% ברוב היישומים, כגוןמקליט וידאו עם ionistors.
5. ברכב חשמלי היברידי, יעילות הכיכר גדולה ב-10% מזו של סוללה.
6. עובד הרבה על טווח טמפרטורות רחב מאוד, בדרך כלל -40 C עד +70 C, אבל יכול להיות מ-50 C עד +85 C, גרסאות מיוחדות זמינות עד 125 C.
7. כמות קטנה של חום שנוצרת במהלך טעינה ופריקה.
8. חיי מחזור ארוכים עם אמינות גבוהה, הפחתת עלויות התחזוקה.
9. הידרדרות קלה על פני מאות אלפי מחזורים ונמשכים עד 20 מיליון מחזורים.
10. הם מאבדים לא יותר מ-20% מהיכולת שלהם לאחר 10 שנים, ויש להם תוחלת חיים של 20 שנים או יותר.
11. עמיד בפני בלאי.
12. לא משפיע על פריקות עמוקות כמו סוללות.
13. בטיחות מוגברת בהשוואה לסוללות - אין סכנה של טעינת יתר או פיצוץ.
14. לא מכיל חומרים מסוכנים להשלכה בסוף החיים בניגוד לסוללות רבות.
15. תואם לתקנים סביבתיים, כך שאין סילוק או מיחזור מסובך.

טכנולוגיית ריסון

קבל העל מורכב משתי שכבות של גרפן עם שכבת אלקטרוליט באמצע. הסרט חזק, דק במיוחד ומסוגל לשחרר כמות גדולה של אנרגיה בזמן קצר, אבל בכל זאת, ישנן בעיות מסוימות לא פתורות המעכבות את ההתקדמות הטכנולוגית בכיוון הזה. החסרונות של קבל-על על פני סוללות נטענות:

1. צפיפות אנרגיה נמוכה - בדרך כלללוקח מ-1/5 עד 1/10 מהאנרגיה של סוללה אלקטרוכימית.
2. פריקת קו - אי שימוש בכל ספקטרום האנרגיה, בהתאם ליישום, לא כל האנרגיה זמינה.
3. כמו בסוללות, התאים הם במתח נמוך, נדרשים חיבורים טוריים ואיזון מתח.
4. הפריקה העצמית לרוב גבוהה יותר מסוללות.
5. מתח משתנה בהתאם לאנרגיה המאוחסנת - אחסון ושחזור יעילים של אנרגיה דורשים ציוד בקרה ומתג אלקטרוני מתוחכם.
6. בעל הספיגה הדיאלקטרית הגבוהה ביותר מכל סוגי הקבלים.
7. טמפרטורת השימוש העליונה היא בדרך כלל 70 C או פחות ולעיתים נדירות עולה על 85 C.
8. רובם מכילים אלקטרוליט נוזלי שמקטין את הגודל הדרוש כדי למנוע פריקה מהירה בשוגג.
9. עלות גבוהה של חשמל לוואט.

אחסון היברידי

עיצוב מיוחד וטכנולוגיה משובצת של אלקטרוניקת כוח פותחו כדי לייצר מודולי קבלים עם מבנה חדש. מכיוון שהמודולים שלהם חייבים להיות מיוצרים באמצעות טכנולוגיות חדשות, ניתן לשלב אותם בפאנלים לרכב כגון הגג, הדלתות ומכסה תא המטען. בנוסף, הומצאו טכנולוגיות חדשות לאיזון אנרגיה המפחיתות את הפסדי האנרגיה ואת גודל מעגלי איזון האנרגיה במערכות אחסון אנרגיה ומכשירים.

פותחה גם סדרה של טכנולוגיות קשורות, כגון בקרת טעינה ופריקה, כמו גם חיבורים למערכות אגירת אנרגיה אחרות. מודול קבל-על בקיבולת מדורגת של 150F, מתח נקוב של 50V ניתן למקם על משטחים שטוחים ומעוקלים בשטח פנים של 0.5 מ"ר. עובי מ' ו-4 ס"מ. יישומים הרלוונטיים לכלי רכב חשמליים וניתנים לשילוב עם חלקים שונים של הרכב ומקרים אחרים בהם נדרשות מערכות אחסון אנרגיה.

יישום ונקודות מבט

בארה ב, רוסיה וסין יש אוטובוסים ללא סוללות משיכה, כל העבודה נעשית על ידי יוניסטורים. ג'נרל אלקטריק פיתחה טנדר עם קבל-על להחלפת הסוללה, בדומה למה שקרה בכמה רקטות, צעצועים וכלים חשמליים. בדיקות הראו כי קבלי-על מתגברים על סוללות עופרת-חומצה בטורבינות רוח, דבר שהושג ללא צפיפות אנרגית קבל-על שהתקרבה לזו של סוללות-עופרת-חומצה.

עכשיו ברור שקבלי-על יקברו סוללות חומצת עופרת במהלך השנים הקרובות, אבל זה רק חלק מהסיפור, שכן הם משתפרים מהר יותר מהמתחרים. ספקים כמו אלביט מערכות, גרפן אנרג'י, ננוטק אינסטרומנטס ושלד טכנולוגיות אמרו שהם חורגים מצפיפות האנרגיה של סוללות עופרת עם קבלי-העל וה-סופר-bugs שלהן, שחלקם תואמים באופן תיאורטי את צפיפות האנרגיה של יוני ליתיום.

עם זאת, היוניסטור ברכב חשמלי הוא אחד ההיבטים של הנדסת אלקטרוניקה וחשמלעיתונות, משקיעים, ספקים פוטנציאליים ואנשים רבים שחיים עם טכנולוגיה ישנה מתעלמים מהעיתונות, למרות הצמיחה המהירה של שוק מיליארדי הדולר. לדוגמה, עבור כלי רכב יבשתיים, מים ואוויריים, ישנם כ-200 יצרנים גדולים של מנועי גרירה ו-110 ספקים גדולים של סוללות גרירה בהשוואה ליצרנים בודדים של קבלי-על. באופן כללי, ישנם לא יותר מ-66 יצרנים גדולים של יוניסטורים בעולם, שרובם התמקדו בייצורם בדגמים קלים יותר לאלקטרוניקה צריכה.