Els Ionistor són condensadors o supercondensadors electroquímics de doble capa. Els seus elèctrodes metàl·lics estan recoberts de carbó activat altament porós, fet tradicionalment amb closques de coco, però sovint amb aerogel de carboni, altres nanotubs de nanocarboni o grafè. Entre aquests elèctrodes hi ha un separador porós que manté els elèctrodes separats, quan s'enrotllen en espiral, tot això s'impregna d'electròlit. Algunes formes innovadores d'ionistors tenen un electròlit sòlid. Substitueixen les bateries tradicionals en fonts d'alimentació ininterrompuda fins a camions, on utilitzen un sobrealimentador com a font d'alimentació.
Principi de funcionament
L'ionistor utilitza l'acció d'una doble capa formada a la interfície entre el carbó i l'electròlit. El carbó activat s'utilitza com a elèctrode en forma sòlida i electròlit en forma líquida. Quan aquests materials estan en contacte entre ells, els pols positiu i negatiu es distribueixen entre si perdistància molt curta. Quan s'aplica un camp elèctric, la doble capa elèctrica que es forma prop de la superfície del carboni del líquid electrolític s'utilitza com a estructura principal.
Avantatge del disseny:
- Ofereix capacitat en un dispositiu petit, sense necessitat de circuits de càrrega especials per controlar durant la descàrrega en dispositius sobrecarregats.
- La recàrrega o la sobre-descàrrega no afecta negativament la durada de la bateria com passa amb les bateries típiques.
- La tecnologia és extremadament "neta" pel que fa a l'ecologia.
- Sense problemes amb contactes inestables com les bateries normals.
Defectes de disseny:
- La durada del funcionament està limitada a causa de l'ús d'electròlits en dispositius que utilitzen un supercondensador.
- L'electròlit pot filtrar-se si el condensador no es manté correctament.
- En comparació amb els condensadors d'alumini, aquests condensadors tenen resistències elevades i, per tant, no es poden utilitzar en circuits de CA.
Amb els avantatges descrits anteriorment, els condensadors elèctrics s'utilitzen àmpliament en aplicacions com ara:
- Reserva de memòria per a temporitzadors, programes, energia mòbil electrònic, etc.
- Equip de vídeo i àudio.
- Fonts de seguretat en substituir les bateries d'equips electrònics portàtils.
- Fonts d'alimentació per a equips d'energia solar, com ara rellotges i indicadors.
- Arrencaments per a motors petits i mòbils.
Reaccions redox
L'acumulador de càrrega es troba a la interfície entre l'elèctrode i l'electròlit. Durant el procés de càrrega, els electrons es mouen de l'elèctrode negatiu a l'elèctrode positiu al llarg del circuit exterior. Durant la descàrrega, els electrons i els ions es mouen en sentit contrari. No hi ha transferència de càrrega en un supercondensador EDLC. En aquest tipus de supercondensador, es produeix una reacció redox a l'elèctrode, que genera càrregues i transporta la càrrega a través de les dobles capes de la construcció, on s'utilitza un ionistor.
A causa de la reacció redox que es produeix en aquest tipus, hi ha un potencial per a una densitat de potència més baixa que l'EDLC perquè els sistemes faradàics són més lents que els sistemes no faradàics. Com a regla general, els pseudocapacitors proporcionen una capacitat específica i una densitat d'energia més altes que els EDLC a causa del fet que són del sistema de Faraday. Tanmateix, l'elecció correcta del supercondensador depèn de l'aplicació i la disponibilitat.
Materials a base de grafè
El supercondensador es caracteritza per la capacitat de carregar-se ràpidament, molt més ràpid que una bateria tradicional, però no és capaç d'emmagatzemar tanta energia com una bateria perquè té una menor densitat d'energia. El seu augment d'eficiència s'aconsegueix mitjançant l'ús de grafè i nanotubs de carboni. Ajudaran en el futur als ionistors a substituir completament les bateries electroquímiques. La nanotecnologia avui és la font de moltesinnovacions, especialment en el mòbil electrònic.
El grafè augmenta la capacitat dels supercondensadors. Aquest material revolucionari està format per làmines el gruix de les quals es pot limitar pel gruix de l'àtom de carboni i l'estructura atòmica de les quals és ultradensa. Aquestes característiques poden substituir el silici a l'electrònica. Es col·loca un separador porós entre dos elèctrodes. Tanmateix, les variacions en el mecanisme d'emmagatzematge i l'elecció del material de l'elèctrode donen lloc a diferents classificacions de supercondensadors d' alta capacitat:
- Condensadors electroquímics de doble capa (EDLC), que utilitzen principalment elèctrodes de carboni alt en carboni i emmagatzemen la seva energia mitjançant l'adsorció ràpida d'ions a la interfície elèctrode/electròlit.
- Els pseudocondensadors es basen en el procés fàgic de transferència de càrrega a la superfície de l'elèctrode o a prop. En aquest cas, els polímers conductors i els òxids de metalls de transició continuen sent materials electroquímicament actius, com els que es troben als rellotges electrònics que funcionen amb piles.
Dispositius de polímers flexibles
El supercondensador guanya i emmagatzema energia a un ritme elevat mitjançant la formació de capes dobles de càrrega electroquímica o mitjançant reaccions redox superficials, donant lloc a una alta densitat de potència amb estabilitat cíclica a llarg termini, baix cost i protecció del medi ambient. PDMS i PET són els substrats més utilitzats en la implementació de supercondensadors flexibles. En el cas de la pel·lícula, PDMS pot crear flexible iIonistors transparents de pel·lícula fina en rellotges amb alta estabilitat cíclica després de 10.000 cicles de flexió.
Els nanotubs de carboni d'una sola paret es poden incorporar encara més a la pel·lícula PDMS per millorar encara més l'estabilitat mecànica, electrònica i tèrmica. De la mateixa manera, els materials conductors com el grafè i els CNT també estan recoberts amb pel·lícula PET per aconseguir una gran flexibilitat i conductivitat elèctrica. A més del PDMS i el PET, altres materials polimèrics també atrauen un interès creixent i es sintetitzen mitjançant diversos mètodes. Per exemple, la irradiació làser polsada localitzada s'ha utilitzat per transformar ràpidament la superfície primària en una estructura de carboni porosa elèctricament conductora amb gràfics especificats.
Els polímers naturals com la fibra de fusta i els teixits no teixits de paper també es poden utilitzar com a substrats, que són flexibles i lleugers. El CNT es diposita sobre paper per formar un elèctrode de paper CNT flexible. A causa de l' alta flexibilitat del substrat de paper i la bona distribució dels CNT, la capacitat específica i la potència i la densitat d'energia canvien en menys d'un 5% després de doblegar-se durant 100 cicles amb un radi de corbat de 4,5 mm. A més, a causa de la major resistència mecànica i una millor estabilitat química, també s'utilitzen papers de nanocel·lulosa bacteriana per fabricar supercondensadors flexibles com el reproductor de cassets walkman.
Rendiment del supercondensador
Es defineix en termes deactivitat electroquímica i propietats cinètiques químiques, a saber: cinètica d'electrons i ions (transport) dins dels elèctrodes i eficiència de la velocitat de transferència de càrrega a l'elèctrode/electròlit. La superfície específica, la conductivitat elèctrica, la mida dels porus i les diferències són importants per a un alt rendiment quan s'utilitzen materials de carboni basats en EDLC. El grafè, amb la seva alta conductivitat elèctrica, la seva gran superfície i l'estructura entre capes, és atractiu per utilitzar-lo en EDLC.
En el cas dels pseudocondensadors, tot i que proporcionen una capacitat superior en comparació amb els EDLC, encara estan limitats en densitat per la baixa potència del xip CMOS. Això es deu a la mala conductivitat elèctrica, que limita el moviment electrònic ràpid. A més, el procés redox que impulsa el procés de càrrega/descàrrega pot danyar els materials electroactius. L' alta conductivitat elèctrica del grafè i la seva excel·lent resistència mecànica el fan adequat com a material en pseudocondensadors.
Els estudis d'adsorció al grafè han demostrat que es produeix principalment a la superfície de les làmines de grafè amb accés a porus grans (és a dir, l'estructura entre capes és porosa, permetent un fàcil accés als ions electròlits). Per tant, s'ha d'evitar l'aglomeració de grafè no porós per a un millor rendiment. El rendiment es pot millorar encara més mitjançant la modificació de la superfície mitjançant l'addició de grups funcionals, la hibridació amb polímers elèctricament conductors i la formació de compostos de grafè/òxid.metall.
Comparació de condensadors
Les supercaps són ideals quan es requereix una càrrega ràpida per satisfer les necessitats d'energia a curt termini. La bateria híbrida satisfà ambdues necessitats i redueix la tensió per a una vida útil més llarga. La taula següent mostra la comparació de característiques i materials principals dels condensadors.
| Condensador elèctric de doble capa, designació d'ionistor | Condensador electrolític d'alumini | Bateria Ni-cd | Bateria segellada amb plom | |
| Utilitza el rang de temperatures | -25 a 70 °C | -55 a 125 °C | -20 a 60 °C | -40 a 60 °C |
| Electrodes | Carbó activat | Alumini | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Líquid electrolític | Dissolvent orgànic | Dissolvent orgànic | KOH |
H2SO4 |
| Mètode de força electromotriu | Utilització de l'efecte de doble capa elèctric natural com a dielèctric | Utilització d'òxid d'alumini com a dielèctric | Utilitzar una reacció química | Utilitzar una reacció química |
| Contaminació | No | No | CD | Pb |
| Nombre de cicles de càrrega/descàrrega | > 100.000 vegades | > 100.000 vegades | 500 vegades | 200 a 1000 vegades |
| Capacitat per unitat de volum | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Característica de càrrega
Temps de càrrega 1-10 segons. La càrrega inicial es pot completar molt ràpidament i la càrrega superior necessitarà més temps. S'ha de tenir en compte la limitació del corrent d'entrada quan es carrega un supercondensador buit, ja que consumirà el màxim possible. El supercondensador no és recarregable i no requereix detecció de càrrega completa, el corrent simplement deixa de fluir quan està ple. Comparació de rendiment entre el sobrealimentador per a cotxe i el Li-ion.
| Funció | Ionistor | Li-Ion (general) |
| Temps de càrrega | 1-10 segons | 10-60 minuts |
| Cicle de vida del rellotge | 1 milió o 30.000 | 500 i més |
| Tensió | De 2, 3 a 2, 75B | 3, 6 B |
| Energia específica (W/kg) | 5 (típic) | 120-240 |
| Potència específica (W/kg) | Fins a 10.000 | 1000-3000 |
| Cost per kWh | $10.000 | 250-1.000 $ |
| Toda la vida | 10-15 anys | 5 a 10 anys |
| Temperatura de càrrega | -40 a 65 °C | 0 a 45 °C |
| Temperatura de descàrrega | -40 a 65 °C | -20 a 60 °C |
Avantatges dels dispositius de càrrega
Els vehicles necessiten un augment d'energia addicional per accelerar, i aquí és on entren els sobrealimentadors. Tenen un límit a la càrrega total, però són capaços de transferir-la molt ràpidament, fent-les bateries ideals. Els seus avantatges respecte a les bateries tradicionals:
- La baixa impedància (ESR) augmenta el corrent i la càrrega quan es connecta en paral·lel amb la bateria.
- Cicle molt alt: la descàrrega triga de mil·lisegons a minuts.
- Caiguda de tensió en comparació amb un dispositiu alimentat amb bateria sense supercondensador.
- Alta eficiència al 97-98% i l'eficiència DC-DC en ambdues direccions és del 80%-95% a la majoria d'aplicacions, com aragravadora de vídeo amb ionistors.
- En un vehicle elèctric híbrid, l'eficiència de la rotonda és un 10% més gran que la d'una bateria.
- Funciona bé en un rang de temperatures molt ampli, normalment de -40 °C a +70 °C, però pot ser de -50 °C a +85 °C, versions especials disponibles fins a 125 °C.
- Peu de calor generada durant la càrrega i la descàrrega.
- Cicle de vida llarg amb alta fiabilitat, reduint els costos de manteniment.
- Degradació lleu durant centenars de milers de cicles i que duren fins a 20 milions de cicles.
- No perden més del 20% de la seva capacitat després de 10 anys i tenen una vida útil de 20 anys o més.
- Resistent al desgast.
- No afecta les descàrregues profundes com les bateries.
- Més seguretat en comparació amb les bateries: no hi ha perill de sobrecàrrega ni d'explosió.
- No conté materials perillosos per eliminar-los al final de la seva vida útil, a diferència de moltes bateries.
- Compleix amb les normes mediambientals, de manera que no hi ha cap eliminació ni reciclatge complicats.
Tecnologia de restricció
El supercondensador consta de dues capes de grafè amb una capa d'electròlits al mig. La pel·lícula és forta, extremadament fina i capaç d'alliberar una gran quantitat d'energia en poc temps, però, tanmateix, hi ha certs problemes sense resoldre que frenen el progrés tecnològic en aquesta direcció. Desavantatges del supercondensador respecte a les bateries recarregables:
- Baixa densitat d'energia - normalmentconsumeix entre 1/5 i 1/10 de l'energia d'una bateria electroquímica.
- Descàrrega de línia: no s'utilitza tot l'espectre d'energia, depenent de l'aplicació, no tota l'energia està disponible.
- Com passa amb les bateries, les cèl·lules són de baixa tensió, calen connexions en sèrie i equilibri de voltatge.
- L'autodescàrrega és sovint més gran que les bateries.
- La tensió varia segons l'energia emmagatzemada: l'emmagatzematge i la recuperació eficients de l'energia requereixen equips de commutació i control electrònic sofisticats.
- Té l'absorció dielèctrica més alta de tots els tipus de condensadors.
- La temperatura d'ús superior sol ser de 70 C o menys i rarament supera els 85 C.
- La majoria contenen un electròlit líquid que redueix la mida necessària per evitar una descàrrega ràpida inadvertida.
- Cost elevat de l'electricitat per watt.
Emmagatzematge híbrid
S'han desenvolupat un disseny especial i una tecnologia integrada d'electrònica de potència per produir mòduls de condensadors amb una nova estructura. Com que els seus mòduls s'han de fabricar amb noves tecnologies, es poden integrar en panells de carrosseria de cotxes com el sostre, les portes i la tapa del maleter. A més, s'han inventat noves tecnologies d'equilibri energètic que redueixen les pèrdues d'energia i la mida dels circuits d'equilibri energètic en sistemes d'emmagatzematge d'energia i dispositius.
També s'han desenvolupat una sèrie de tecnologies relacionades, com ara el control de càrrega idescàrrega, així com connexions a altres sistemes d'emmagatzematge d'energia. Un mòdul supercondensador amb una capacitat nominal de 150F, una tensió nominal de 50V es pot col·locar en superfícies planes i corbes amb una superfície de 0,5 metres quadrats. mi 4 cm de gruix. Aplicacions aplicables a vehicles elèctrics i que es poden integrar amb diverses parts del vehicle i altres casos on es requereixin sistemes d'emmagatzematge d'energia.
Aplicació i perspectives
Als EUA, Rússia i la Xina hi ha autobusos sense bateries de tracció, tot el treball el fan ionistors. General Electric ha desenvolupat una camioneta amb un supercondensador per substituir la bateria, de manera similar al que ha passat en alguns coets, joguines i eines elèctriques. Les proves han demostrat que els supercondensadors superen les bateries de plom-àcid a les turbines eòliques, cosa que es va aconseguir sense que la densitat d'energia dels supercondensadors s'aproximés a la de les bateries de plom-àcid..
Ara està clar que els supercondensadors enterraran les bateries de plom-àcid durant els propers anys, però això només és una part de la història, ja que estan millorant més ràpidament que la competència. Proveïdors com Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments i Skeleton Technologies han dit que superen la densitat d'energia de les bateries de plom-àcid amb els seus supercondensadors i superbacteris, alguns dels quals teòricament coincideixen amb la densitat d'energia dels ions de liti.
No obstant això, l'ionistor d'un vehicle elèctric és un dels aspectes de l'electrònica i l'enginyeria elèctrica queignorat per la premsa, inversors, proveïdors potencials i moltes persones que viuen amb tecnologia antiga, malgrat el ràpid creixement del mercat multimilionari. Per exemple, per als vehicles terrestres, aquàtics i aeris, hi ha uns 200 fabricants principals de motors de tracció i 110 proveïdors principals de bateries de tracció en comparació amb alguns fabricants de supercondensadors. En general, no hi ha més de 66 grans fabricants d'ionistors al món, la majoria dels quals han centrat la seva producció en models més lleugers per a electrònica de consum.
