Ionistor: kaj je to in kje se uporablja

Ionistorji - nov razred virov po funkciji blizu močnih kondenzatorjev, in v resnici - ki zasedajo nišo med kondenzatorji in stalnimi trenutnimi viri

Zgodovinsko ozadje

Leta 1957 so inženirji podjetja General Electric razvili zgodnje različice superapacitors, vendar zaradi nizke učinkovitosti niso imeli komercialnih aplikacij. Leta 1966 je Standard Oil po nesreči odkril učinek dvoslojnega kondenzatorja pri delu na gorivne celice, kar je omogočilo, da supercapacitor deluje učinkovito. Podjetje ni komercializiralo izuma, ampak je prejelo licenco za NEC. Leta 1978 je to tehnologijo prodal kot "supercapacitor" za računalnike. V ZSSR so prvič EDL uvedli leta 1978 v publikaciji revije Radio No 5 serije KI1-1s s kapaciteto od 0, 2 do 50, 0 F.

Prvi supercapacitors za močno opremo so nastali leta 1982 PRI Ultracapacitor. Šele v devetdesetih letih je napredoval v materialih in proizvodnih metodah, kar je privedlo do večje produktivnosti in zmanjšanja stroškov ionizatorjev. Še naprej se razvijajo in prehajajo v industrijsko baterijsko tehnologijo z uporabo posebnih elektrod in elektrolita.

Namen elektronske naprave

Ionistorji (EDLC) so elektronske naprave, ki se uporabljajo za shranjevanje zelo velikih količin električnega naboja. Prav tako so znani kot supercapacitors, dvoslojni kondenzatorji ali ultracapacitors. Namesto uporabe običajnega dielektrika EDLC uporablja mehanizem za shranjevanje električne energije - dvoslojno kapacitivnost. To pomeni, da združujejo delovanje konvencionalnih kondenzatorjev z delovanjem običajnih baterij. Kapaciteta doseči z uporabo te tehnike lahko doseže 12.000 F. Za primerjavo, zmogljivost celotnega Zemlji je le približno 710 JlF, več kot 15 milijonov krat manj EDLC kapacitivnost.

Medtem ko lahko konvencionalni elektrostatični kondenzator ima visoko največjo delovno napetost, je običajna maksimalna napetost polnjenja EDLC med 2, 5 in 2, 7 voltov. EDLC so polarne naprave, torej morajo biti pravilno vezane na vezje, npr. Kondenzatorji elektrolita. Električne lastnosti teh naprav, še posebej njihova hitra polnjenja in čas praznjenja, so zelo obetavne za številne panoge, kjer lahko popolnoma zamenjajo baterije.

Gradnja ionov in materiali

Kaj podrobneje razmislimo? takšen ionist. EDLC zasnova podobno zasnovo elektrolitskih kondenzatorjev je, da je sestavljen iz dveh folij elektrode, elektrolit, separator in folijo. Separator je vpet med elektrodama, folija je prepognjena ali zložena v obliko, običajno cilindrično ali pravokotno. To zloženo obliko namestimo v hermetično zaprto ohišje, impregnirano z elektrolitom. EDLC elektrolit strukturo in elektrode razlikuje od uporabljenega elektrolita v običajnih elektrolitski kondenzator.

Za vzdrževanje električnega naboja EDLC uporablja porozne materiale kot distančnike za shranjevanje ionov v pore na atomski ravni. Najpogostejši material v sodobnem EDLC je aktivni ogljik. Dejstvo, da ogljik ni dober izolator, omejuje največjo obratovalno napetost na 3 V.

Aktivno oglje ni idealen material: nosilci polnjenja so po velikosti primerljivi s porami v materialu, nekateri pa ne morejo prodreti v manjše pore, kar vodi do puščanja in zmanjšanja skladiščne kapacitete.

Eden izmed najbolj zanimivih materialov, ki se uporabljajo v Raziskave EDLC so grafene. Ta snov, sestavljena iz čistega ogljika, se nahaja v ploščatih listih le en atom. Je zelo porozen, deluje kot ionska "gobica". Energijska gostota, dosežena z grafinom v EDLC, je primerljiva z gostoto energije, pridobljeno v baterijah.

Vendar pa kljub temu, da prototipi EDLC grafena so bila kot dokaz koncepta prihodnosti, so drage in jih je težko pripraviti v industrijskih količinah, in to precej ovira uporabo te tehnologije. Kljub temu je EDLC iz grafena najbolj obetaven kandidat v prihodnji tehnologiji ionov.

Prednosti in slabosti

Med prednostmi naprave so naslednje:

1. Čas zaračunavanja. EDLC ima čas polnjenja in praznjenja primerljiv z običajnimi kondenzatorji. Zaradi nizke notranje upornosti lahko dosežemo visoke napetosti in izpustne tokove. Da bi dosegli polno napolnjeno stanje, baterija običajno traja do nekaj ur. Na primer, kot baterija za mobilne telefone, medtem ko se EDLC lahko zaračuna v manj kot dveh minutah.
2. Posebna moč. Specifična EDLC ali baterija je merilo za primerjavo različnih tehnologij za proizvodnjo električne energije, deljena s skupno težo naprave. EDLC ima posebno moč 5 do 10 krat večjo od moči baterij. Na primer, medtem ko je litij - ion imajo baterije specifično moč 1-3 kW / kg gostota moči tipičen EDLC je okoli 10 kW / kg. Ta funkcija je še posebej pomembna pri aplikacijah, ki zahtevajo hitro ponastavitev moči iz naprav za shranjevanje.
3. Zmožnost in varnost cikla. Akumulatorji EDLC so varnejši od običajnih baterij, če jih nepravilno upravljate. Medtem ko lahko baterije eksplodirajo zaradi prekomernega segrevanja v primeru kratkega stika, se EDLC zaradi nizkega notranjega upora ne segreje toliko.
4. EDLC je mogoče napolniti in odvajati milijonekrat in se razlikuje skoraj neomejeno življenjsko dobo, medtem ko imajo baterije življenjski cikel 500-krat in nižje. Zaradi tega je EDLC zelo uporaben pri aplikacijah, kjer je potrebno pogosto skladiščenje in dodeljevanje moči.
5. Življenjska doba EDLC je od 10 do 20 let, medtem ko se zmogljivost za 10 let zmanjša s 100% na 80%.
6. Zaradi svoje nizke upornosti enakovredno EDLC zagotavljajo visoko gostoto moči in visoke obremenitve tokov doseči bistveno trenutne stroške v nekaj sekundah. Temperaturne značilnosti so tudi močne, zagotavljajo energijo pri temperaturah do -40 ° C.

EDLC je nekatere pomanjkljivosti:

1. Ena pomanjkljivost je sorazmerno nizka specifična energija. Specifična energija EDLC je izmerite skupno količino energije, shranjeno v napravi, deljeno s svojo težo. Medtem ko litij-ionske baterije, ki se pogosto uporabljajo v mobilnih telefonih, imajo specifično energijo 100-200 Wh / kg, lahko EDLC shranjuje le 5 W / kg. To pomeni, da bo EDLC, ki ima enako zmogljivost kot običajna baterija, tehtal 40-krat več.
2. Linearna napetost praznjenja. Na primer, baterija z nazivno napetostjo 2,7 V, ko se napetost blizu 2,7 V še vedno pri 50% polnjenju. EDLC, ki je ocenjen na 2,7 V z 50% polnjenjem, proizvaja točno polovico Največja napolnjenost je 1,35 V. To pomeni, da izhodna napetost pade pod najmanjšo delovno napetost naprave, ki deluje na EDLC, in jo mora zapreti pred uporabo celotnega polnjenja v kondenzatorju. Rešitev tega problema je uporaba DC pretvornikov. Vendar pa ta pristop ustvarja nove težave, kot so učinkovitost in hrup.
3. Ne morejo jih uporabljati kot stalni vir energije. Ena celica ima običajno napetost 2,7 V in če je potrebna višja napetost, morajo biti celice priključene v seriji.
4. Stroški konvencionalne EDLC so 20-krat višji od stroškov Li-ionskih baterij. Vendar pa se lahko zmanjša zaradi novih tehnologij in množične proizvodnje ionizatorjev.

Industrijska uporaba

Ker EDLC zaseda območje med baterijami in kondenzatorji, jih je mogoče uporabljati v različnih aplikacijah. Kadar se uporablja ionizator, se lahko domneva na podlagi njegovega namena. Ena izmed zanimivih uporab je shranjevanje energije v dinamičnih zavornih sistemih v avtomobilski industriji. Je v uporabi električni generator, ki pretvarja kinetično energijo v električno energijo in jo shrani v EDLC. Nato se lahko ta energija ponovno uporabi za zagotovitev moči za pospešek.

Drug primer so aplikacije z nizko porabo energije, kjer visok pretok ni obvezen, vendar je pomembno, da zagotovite visok življenjski cikel ali hitro polnjenje. Takšne aplikacije so fotografska bliskavica, MP3-predvajalniki, statični pomnilniški sistemi, ki zahtevajo nizkotonski napetostni vir za shranjevanje informacij in tako naprej.

Možne prihodnje aplikacije EDLC so mobilni telefoni, prenosni računalniki, električna vozila in vse druge naprave, ki trenutno delujejo na baterijah. Najbolj zanimivo prednost, s praktičnega vidika, je njihova zelo hitro, hitro osveževanje - to bi pomenilo možnost za polnjenje polnilnika električni avto za nekaj minut, preden je akumulator popolnoma napolnjen.

EDLC se uporablja pri številnih aplikacijah za upravljanje porabe, ki zahtevajo veliko število ciklov hitrega polnjenja / praznjenja kratkoročne potrebe v energiji. Nekatere od teh aplikacij se uporabljajo na naslednjih področjih:

• napetostna stabilizacija v sistemih za zagon / zaustavitev;
• elektronske ključavnice v primeru izpada napajanja;
• Regenerativni zavorni sistemi;
• distribucijski čip;
• medicinska oprema;
• akumulatorji energije;
• potrošniška elektronika;
• kuhinjski aparati;
• varnostno kopiranje podatkov v realnem času;
• pripravljenost;
• moč vetra:
• energetska učinkovitost in nadzor frekvence;
• daljinsko napajanje senzorjev, LED, stikala;
• rezervni pomnilnik;
• paketno napajanje.

Navodila za razvoj supercapacitors

Novi obetavni razvoj ionizatorjev:

• Supercapacitors grafen Skeleton Technology bodo ključni akterji EDLC. Pri novih testih v prometni floti v Združenem kraljestvu se uporabljajo za pretvorbo dizelskih avtomobilov v hibride na račun moči regenerativnega zaviranja. Hibridni sistem razvijajo Adgero in Skeleton Technologies UltraBoost. Med zaviranjem naprava postane generator, okreva kinetično energijo, ki bi se sicer izgubila v obliki telesa. Osnova te tehnologije je banka petih visoke moči superkondenzator osnovi grafena, znan kot SkelMod.
• Zap Pojdi, začetek v Združenem kraljestvu, začenja novo vrsto polnilnika posebej za poslovne potnike. Za napajanje telefonov v petih minutah uporablja grafene supercapacitors.
• Eaton ponuja rešitev za supercapacitors velikosti kovanca, velikih celic, majhnih valjastih celic in modulov. Na primer, superkondenzator XLR 48V modul omogoča shranjevanje energije za energetske sisteme s frekvenčnim zadolžen / praznjenjem hibridna ali električnih vozil, javnega prevoza, polnjenje in praznjenje opreme, težka oprema in morskih sistemih. XLR moduli so sestavljeni iz 18 posameznih supercapacitors Eaton XL60, zasnovan tako, da zagotavlja 48 in 166 6 F 5 mA z odpornostjo za vključitev v sisteme, ki zahtevajo do 750 V.

• Maxwell Technologies Supercapacitors se uporabljajo za shranjevanje energije, zmanjšanje zaviranje v sistem podzemne železnice v Pekingu. Kitajski železniški vozni park Corp. (CRRC - SRI) uporablja Maxwell moduli 48 - V v dveh sklopih naprav varčevanja z energijo za regenerativno zaviranje sistema linijo št 8, urbano železniško omrežje, ki poteka od severa proti jugu čez prestolnici Kitajske. Maxwell moduli 48 zagotavljajo dolgo življenjsko dobo do 10 let, in hitro polnjenje / praznjenje. Vishay ponuja 220 EDLC ENYCAP z nazivno napetostjo 2,7 V. Uporablja se lahko v več aplikacijah, vključno z varnostno napetostjo, podporo za pulzno napajanje, napravami za shranjevanje energije za zbiranje energije, mikro napajalnikom UPS in obnovitvijo energije.
• Linearna tehnologija ponuja LTC3350, krmilnik moči v stanju pripravljenosti, ki lahko napaja in nadzoruje serijsko enoto do štirih superkapacitorjev. LTC3350, zasnovan za avtomobilske in druge transportne aplikacije, ponuja naslednje funkcije:

• Rezervno napajanje z zaračunavanjem banko supercapacitors štiri v primeru izpada električne energije. Lahko deluje z vhodno napetostjo od 4,5 do 35 V in več kot 10 A napajanjem rezervne moči.
• Uravnoteženje in zaščita od prenapetosti za serijo superapacitors.
• Nadzorna napetost, tok in temperatura v sistemu.
• Notranji balanci napetosti kondenzatorja, ki odpravljajo potrebo po uravnoteženih uporov.

Razvijalci ionizatorjev poskušajo nenehno nadgraditi in povečati specifične zmogljivosti. Očitno je, da bodo v prihodnosti baterije popolnoma nadomestile supercapacitors. Rezultati raziskav kalifornijskih znanstvenikov so pokazali, da novi tip ionskih izmenjevalcev že večkrat presega njegove analoge v funkcionalnosti.