أين يستخدم الأيونيستور؟ أنواع المؤيِّنات والغرض منها ومزاياها وعيوبها

2024 مؤلف: Trinity Chesterton | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-16 14:51

الأيونات هي مكثفات كهروكيميائية مزدوجة الطبقة أو مكثفات فائقة. أقطابها المعدنية مغطاة بالكربون المنشط عالي المسامية ، المصنوع تقليديًا من قشور جوز الهند ، ولكن في أغلب الأحيان من الهلام الهوائي الكربوني ، أو الكربونات النانوية الأخرى أو الأنابيب النانوية الجرافين. يوجد بين هذه الأقطاب الكهربائية فاصل مسامي يبقي الأقطاب متباعدة ، وعند الجرح على لولب ، يتم تشريب كل هذا بالكهرباء. تحتوي بعض الأشكال المبتكرة من الأيونات على إلكتروليت صلب. إنهم يستبدلون البطاريات التقليدية في إمدادات الطاقة غير المنقطعة حتى الشاحنات ، حيث يستخدمون شاحنًا فائقًا كمصدر للطاقة.

مبدأ العمل

يستخدم المؤين عمل طبقة مزدوجة تكونت عند السطح الفاصل بين الفحم والكهارل. يستخدم الكربون المنشط كقطب كهربائي في شكل صلب ، وكهارل في شكل سائل. عندما تكون هذه المواد على اتصال مع بعضها البعض ، يتم توزيع القطبين الموجب والسالب بالنسبة لبعضهما البعض بواسطةمسافة قصيرة جدا. عند تطبيق مجال كهربائي ، يتم استخدام الطبقة المزدوجة الكهربائية التي تتشكل بالقرب من سطح الكربون في السائل الإلكتروليتي كهيكل رئيسي.

ميزة التصميم:

1. توفر سعة في جهاز صغير ، لا حاجة لدارات شحن خاصة للتحكم أثناء التفريغ في الأجهزة فائقة الشحن.
2. إعادة الشحن أو التفريغ الزائد لا يؤثر سلبًا على عمر البطارية كما هو الحال مع البطاريات النموذجية.
3. التكنولوجيا "نظيفة" للغاية من حيث البيئة.
4. لا توجد مشاكل مع جهات الاتصال غير المستقرة مثل البطاريات العادية.

عيوب التصميم:

1. مدة العملية محدودة بسبب استخدام المنحل بالكهرباء في الأجهزة التي تستخدم مكثف فائق.
2. قد يتسرب المنحل بالكهرباء إذا لم تتم صيانة المكثف بشكل صحيح.
3. بالمقارنة مع مكثفات الألمنيوم ، فإن هذه المكثفات ذات مقاومة عالية وبالتالي لا يمكن استخدامها في دوائر التيار المتردد.

باستخدام المزايا الموضحة أعلاه ، تُستخدم المكثفات الكهربائية على نطاق واسع في تطبيقات مثل:

1. حجز الذاكرة للمؤقتات ، والبرامج ، وطاقة المحمول الإلكتروني ، وما إلى ذلك.
2. معدات الفيديو والصوت.
3. مصادر النسخ الاحتياطي عند استبدال البطاريات للأجهزة الإلكترونية المحمولة.
4. إمدادات الطاقة للمعدات التي تعمل بالطاقة الشمسية مثل الساعات والمؤشرات.
5. مبتدئين للمحركات الصغيرة والمتنقلة.

تفاعلات الأكسدة والاختزال

يقع مجمع الشحن في الواجهة بين القطب الكهربائي والإلكتروليت. أثناء عملية الشحن ، تنتقل الإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب على طول الدائرة الخارجية. أثناء التفريغ ، تتحرك الإلكترونات والأيونات في الاتجاه المعاكس. لا يوجد تحويل للشحن في مكثف EDLC الفائق. في هذا النوع من المكثفات الفائقة ، يحدث تفاعل الأكسدة والاختزال في القطب ، والذي يولد الشحنات ويحمل الشحنة عبر الطبقات المزدوجة للبناء ، حيث يتم استخدام أيونيستور.

بسبب تفاعل الأكسدة والاختزال الذي يحدث في هذا النوع ، هناك احتمال لحدوث كثافة طاقة أقل من EDLC لأن أنظمة Faradaic أبطأ من الأنظمة غير الفارادية. كقاعدة عامة ، توفر العوامل الزائفة سعة وكثافة طاقة نوعية أعلى من EDLCs نظرًا لحقيقة أنها تنتمي إلى نظام faraday. ومع ذلك ، فإن الاختيار الصحيح للمكثف الفائق يعتمد على التطبيق والتوافر.

المواد القائمة على الجرافين

يتميز المكثف الفائق بالقدرة على الشحن بسرعة ، أسرع بكثير من البطارية التقليدية ، لكنه غير قادر على تخزين قدر من الطاقة مثل البطارية لأن كثافة الطاقة فيها أقل. يتم تحقيق زيادة كفاءتها من خلال استخدام الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين. سوف يساعدون في المستقبل المؤين لاستبدال البطاريات الكهروكيميائية بالكامل. تعد تقنية النانو اليوم مصدرًا للكثيرينالابتكارات ، وخاصة في مجال المحمول الإلكتروني.

يزيد الجرافين من سعة المكثفات الفائقة. تتكون هذه المادة الثورية من صفائح يمكن تحديد سمكها بسماكة ذرة الكربون والتي يكون تركيبها الذري شديد الكثافة. يمكن أن تحل هذه الخصائص محل السيليكون في الإلكترونيات. يتم وضع فاصل مسامي بين قطبين. ومع ذلك ، فإن الاختلافات في آلية التخزين واختيار مادة القطب تؤدي إلى تصنيفات مختلفة للمكثفات الفائقة عالية السعة:

1. المكثفات الكهروكيميائية ذات الطبقة المزدوجة (EDLC) ، والتي تستخدم في الغالب أقطابًا كهربائية عالية الكربون وتخزن طاقتها عن طريق امتصاص الأيونات بسرعة في واجهة القطب / المنحل بالكهرباء.
2. تعتمد مكثفات Psuedo على العملية البلعومية لنقل الشحنة عند أو بالقرب من سطح القطب. في هذه الحالة ، تظل البوليمرات الموصلة وأكاسيد المعادن الانتقالية من المواد النشطة كهروكيميائياً ، مثل تلك الموجودة في الساعات الإلكترونية التي تعمل بالبطاريات.

أجهزة البوليمر المرنة

يكتسب المكثف الفائق الطاقة ويخزنها بمعدل مرتفع عن طريق تكوين طبقات مزدوجة الشحنة الكهروكيميائية أو من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال السطحية ، مما ينتج عنه كثافة طاقة عالية مع استقرار دوري طويل الأجل وتكلفة منخفضة وحماية البيئة. PDMS و PET هما الركائز الأكثر استخدامًا في تنفيذ المكثفات الفائقة المرنة. في حالة الفيلم ، يمكن لـ PDMS إنشاء ملفات مرنة والأيونات ذات الأغشية الرقيقة الشفافة في الساعات ذات الثبات الدوري العالي بعد 10000 دورة مرنة.

يمكن دمج الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار بشكل أكبر في فيلم PDMS لزيادة تحسين الاستقرار الميكانيكي والإلكتروني والحراري. وبالمثل ، فإن المواد الموصلة مثل الجرافين و CNTs مطلية أيضًا بفيلم PET لتحقيق كل من المرونة العالية والتوصيل الكهربائي. بالإضافة إلى PDMS و PET ، تجذب المواد البوليمرية الأخرى أيضًا اهتمامًا متزايدًا ويتم تصنيعها بطرق مختلفة. على سبيل المثال ، تم استخدام تشعيع الليزر النبضي المحلي لتحويل السطح الأساسي بسرعة إلى هيكل كربون مسامي موصل كهربائيًا برسومات محددة.

يمكن أيضًا استخدام البوليمرات الطبيعية مثل ألياف الخشب والأقمشة غير المنسوجة الورقية كركائز مرنة وخفيفة الوزن. يتم ترسيب CNT على الورق لتشكيل قطب كهربائي مرن من الورق CNT. نظرًا للمرونة العالية لركيزة الورق والتوزيع الجيد لأنابيب الكربون النانوية ، تتغير السعة المحددة والطاقة وكثافة الطاقة بنسبة أقل من 5٪ بعد الانحناء لمدة 100 دورة عند نصف قطر انحناء 4.5 مم. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لقوة ميكانيكية أعلى واستقرار كيميائي أفضل ، تُستخدم أوراق النانوسليلوز البكتيرية أيضًا لصنع مكثفات فائقة مرنة مثل مشغل كاسيت ووكمان.

أداء مكثف فائق

يتم تعريفه من حيثالنشاط الكهروكيميائي والخصائص الحركية الكيميائية ، وهي: حركية الإلكترون والأيونات (النقل) داخل الأقطاب الكهربائية وكفاءة معدل نقل الشحنة إلى القطب / الإلكتروليت. تعتبر مساحة السطح المحددة والتوصيل الكهربائي وحجم المسام والاختلافات مهمة للأداء العالي عند استخدام مواد الكربون القائمة على EDLC. يعتبر الجرافين ، مع الموصلية الكهربائية العالية ، ومساحة السطح الكبيرة وبنية الطبقة البينية ، جذابًا للاستخدام في EDLC.

في حالة المكثفات الزائفة ، على الرغم من أنها توفر سعة فائقة مقارنةً بـ EDLCs ، إلا أنها لا تزال محدودة في الكثافة بسبب الطاقة المنخفضة لشريحة CMOS. ويرجع ذلك إلى ضعف التوصيل الكهربائي ، مما يحد من الحركة الإلكترونية السريعة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤدي عملية الأكسدة والاختزال التي تدفع عملية الشحن / التفريغ إلى إتلاف المواد النشطة كهربيًا. الموصلية الكهربائية العالية للجرافين وقوته الميكانيكية الممتازة تجعله مناسبًا كمادة في المكثفات الزائفة.

أظهرت دراسات الامتصاص على الجرافين أنه يحدث بشكل أساسي على سطح صفائح الجرافين مع إمكانية الوصول إلى المسام الكبيرة (على سبيل المثال ، بنية الطبقة البينية مسامية ، مما يتيح سهولة الوصول إلى أيونات الإلكتروليت). وبالتالي ، يجب تجنب تكتل الجرافين غير المسامي للحصول على أداء أفضل. يمكن تحسين الأداء بشكل أكبر عن طريق تعديل السطح عن طريق إضافة مجموعة وظيفية ، والتهجين باستخدام البوليمرات الموصلة للكهرباء ، وعن طريق تكوين مركبات الجرافين / الأكسيدمعدن

مقارنة المكثفات

تعتبر Supercaps مثالية عندما يكون الشحن السريع مطلوبًا لتلبية احتياجات الطاقة على المدى القصير. تلبي البطارية الهجينة كلاً من الاحتياجات وتخفض الجهد الكهربائي لحياة أطول. يوضح الجدول أدناه مقارنة الخصائص والمواد الرئيسية في المكثفات.

	مكثف كهربائي مزدوج الطبقة ، تسمية أيوني	مكثف الالومنيوم كهربائيا	بطارية Ni-cd	بطارية الرصاص مختومة
استخدم نطاق درجة الحرارة	-25 إلى 70 درجة مئوية	-55 إلى 125 درجة مئوية	-20 إلى 60 درجة مئوية	-40 إلى 60 درجة مئوية
أقطاب	الكربون المنشط	الألومنيوم	(+) NiOOH (-) Cd	(+) PbO2(-) Pb
سائل كهربائيا	مذيب عضوي	مذيب عضوي	KOH	H2SO4
طريقة القوة الدافعة الكهربائية	استخدام تأثير الطبقة المزدوجة الكهربائية كعازل كهربائي	استخدام أكسيد الألومنيوم كمادة عازلة	باستخدام تفاعل كيميائي	باستخدام تفاعل كيميائي
التلوث	لا	لا	قرص مضغوط	الرصاص
عدد دورات الشحن / التفريغ	> 100،000 مرة	> 100،000 مرة	500 مرة	200 إلى 1000 مرة
السعة لكل وحدة حجم	1	1/1000	100	100

خاصية الشحن

وقت الشحن من 1 إلى 10 ثوانٍ. يمكن إتمام الشحن الأولي بسرعة كبيرة وسيستغرق الشحن الأعلى وقتًا إضافيًا. يجب النظر في الحد من تدفق التيار عند شحن مكثف فائق فارغ ، حيث أنه سوف يسحب أكبر قدر ممكن. المكثف الفائق غير قابل لإعادة الشحن ولا يتطلب الكشف عن الشحن الكامل ، حيث يتوقف التيار ببساطة عن التدفق عندما يكون ممتلئًا. مقارنة الأداء بين شاحن فائق للسيارة و Li-ion.

الوظيفة	ايونيستور	Li-Ion (عام)
وقت الشحن	1-10 ثواني	10-60 دقيقة
شاهد دورة الحياة	1 مليون أو 30000	500 وما فوق
الجهد	من 2، 3 إلى 2، 75ب	3، 6 ب
طاقة محددة (وات / كجم)	5 (بشكل نموذجي)	120-240
قوة محددة (W / kg)	يصل إلى 10000	1000-3000
التكلفة لكل كيلوواط ساعة	10000 دولار	250-1000 $
مدى الحياة	10-15 سنة	من 5 إلى 10 سنوات
درجة حرارة الشحن	-40 إلى 65 درجة مئوية	0 إلى 45 درجة مئوية
درجة حرارة التفريغ	-40 إلى 65 درجة مئوية	-20 إلى 60 درجة مئوية

فوائد شحن الأجهزة

تحتاج المركبات إلى دفعة إضافية من الطاقة لتسريعها ، وهنا يأتي دور الشواحن الفائقة. لديهم حد للشحنة الإجمالية ، لكنهم قادرون على نقلها بسرعة كبيرة ، مما يجعلها بطاريات مثالية. مزاياها على البطاريات التقليدية:

1. مقاومة منخفضة (ESR) تزيد من زيادة التيار والحمل عند التوصيل بالتوازي مع البطارية.
2. دورة عالية جدًا - يستغرق التفريغ ملي ثانية إلى دقائق.
3. انخفاض الجهد مقارنة بالجهاز الذي يعمل بالبطارية بدون مكثف فائق.
4. كفاءة عالية عند 97-98٪ ، وكفاءة DC-DC في كلا الاتجاهين 80٪ -95٪ في معظم التطبيقات ، مثلمسجل فيديو مع المؤيونات.
5. في السيارة الكهربائية الهجينة ، تكون كفاءة الدوران أكبر بنسبة 10٪ من كفاءة البطارية.
6. يعمل جيدًا في نطاق درجات حرارة واسع جدًا ، عادةً -40 درجة مئوية إلى +70 درجة مئوية ، ولكن يمكن أن تتراوح من -50 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية ، إصدارات خاصة متاحة حتى 125 درجة مئوية.
7. كمية صغيرة من الحرارة المتولدة أثناء الشحن والتفريغ.
8. دورة حياة طويلة مع موثوقية عالية ، مما يقلل من تكاليف الصيانة.
9. تدهور طفيف على مدى مئات الآلاف من الدورات ويستمر حتى 20 مليون دورة.
10. يفقدون ما لا يزيد عن 20٪ من طاقتهم بعد 10 سنوات ، ويبلغ عمرهم 20 عامًا أو أكثر.
11. مقاومة للبلى
12. لا يؤثر على التفريغ العميق مثل البطاريات.
13. زيادة السلامة مقارنة بالبطاريات - لا يوجد خطر من الشحن الزائد أو الانفجار.
14. لا يحتوي على مواد خطرة للتخلص منها في نهاية العمر الافتراضي على عكس العديد من البطاريات.
15. يتوافق مع المعايير البيئية ، لذلك لا يوجد تخلص أو إعادة تدوير معقد.

تقنية ضبط النفس

يتكون المكثف الفائق من طبقتين من الجرافين مع طبقة إلكتروليت في المنتصف. الفيلم قوي ورقيق للغاية وقادر على إطلاق كمية كبيرة من الطاقة في فترة زمنية قصيرة ، ولكن مع ذلك ، هناك بعض المشكلات التي لم يتم حلها والتي تعيق التقدم التكنولوجي في هذا الاتجاه. عيوب المكثف الفائق على البطاريات القابلة لإعادة الشحن:

1. كثافة طاقة منخفضة - عادةيأخذ من 1/5 إلى 1/10 من طاقة بطارية كهروكيميائية.
2. تفريغ الخط - فشل في استخدام طيف الطاقة الكامل ، اعتمادًا على التطبيق ، لا تتوفر كل الطاقة.
3. كما هو الحال مع البطاريات ، الخلايا ذات جهد كهربي منخفض ، والتوصيلات التسلسلية وموازنة الجهد مطلوبة.
4. التفريغ الذاتي غالبًا ما يكون أعلى من البطاريات.
5. يختلف الجهد باختلاف الطاقة المخزنة - التخزين الفعال للطاقة واستعادة الطاقة يتطلب معدات تحكم وتحويل إلكترونية متطورة.
6. لديها أعلى امتصاص للعزل الكهربائي لجميع أنواع المكثفات.
7. درجة حرارة الاستخدام العليا عادة 70 درجة مئوية أو أقل ونادراً ما تتجاوز 85 درجة مئوية
8. تحتوي معظمها على سائل إلكتروليت يقلل الحجم المطلوب لمنع التفريغ السريع غير المقصود.
9. ارتفاع تكلفة الكهرباء لكل واط

تخزين هجين

تم تطوير تصميم خاص وتقنية مدمجة لإلكترونيات الطاقة لإنتاج وحدات مكثف بهيكل جديد. نظرًا لأنه يجب تصنيع وحداتها باستخدام تقنيات جديدة ، فيمكن دمجها في ألواح هيكل السيارة مثل السقف والأبواب وغطاء صندوق الأمتعة. بالإضافة إلى ذلك ، تم اختراع تقنيات جديدة لموازنة الطاقة تقلل من فقد الطاقة وحجم دوائر موازنة الطاقة في أنظمة تخزين الطاقة والأجهزة.

تم أيضًا تطوير سلسلة من التقنيات ذات الصلة ، مثل التحكم في الشحن والتفريغ ، وكذلك التوصيلات بأنظمة تخزين الطاقة الأخرى. وحدة مكثف فائق بسعة مقدرة 150 فهرنهايت ، يمكن وضع فولطية مصنفة 50 فولت على الأسطح المستوية والمنحنية بمساحة 0.5 متر مربع. م و 4 سم. التطبيقات المطبقة على السيارات الكهربائية ويمكن دمجها مع أجزاء مختلفة من السيارة وحالات أخرى تتطلب أنظمة تخزين الطاقة.

التطبيق ووجهات النظر

يوجد في الولايات المتحدة الأمريكية وروسيا والصين حافلات بدون بطاريات جر ، ويتم تنفيذ جميع الأعمال بواسطة الأيونيستورات. طورت شركة جنرال إلكتريك شاحنة صغيرة مزودة بمكثف فائق لاستبدال البطارية ، على غرار ما حدث في بعض الصواريخ والألعاب والأدوات الكهربائية. أظهرت الاختبارات أن المكثفات الفائقة تتفوق على بطاريات الرصاص الحمضية في توربينات الرياح ، والتي تم تحقيقها بدون كثافة طاقة فائقة المكثف تقترب من بطاريات الرصاص الحمضية.

من الواضح الآن أن المكثفات الفائقة ستدفن بطاريات الرصاص الحمضية خلال السنوات القليلة المقبلة ، ولكن هذا جزء فقط من القصة ، لأنها تتحسن بشكل أسرع من المنافسة. قال موردون مثل Elbit Systems و Graphene Energy و Nanotech Instruments و Skeleton Technologies إنهم يتجاوزون كثافة الطاقة لبطاريات الرصاص الحمضية بمكثفاتها الفائقة والجراثيم الفائقة ، والتي يتطابق بعضها نظريًا مع كثافة طاقة أيونات الليثيوم.

ومع ذلك ، فإن الأيونات في السيارة الكهربائية هي أحد جوانب الإلكترونيات والهندسة الكهربائيةتتجاهلها الصحافة والمستثمرون والموردون المحتملون والعديد من الأشخاص الذين يعيشون مع التكنولوجيا القديمة ، على الرغم من النمو السريع لسوق بمليارات الدولارات. على سبيل المثال ، بالنسبة للمركبات البرية والمائية والجوية ، يوجد حوالي 200 مصنع رئيسي لمحركات الجر و 110 موردي رئيسي لبطاريات الجر مقارنة بعدد قليل من الشركات المصنعة للمكثفات الفائقة. بشكل عام ، لا يوجد أكثر من 66 من كبار مصنعي الأيونات في العالم ، معظمهم ركزوا إنتاجهم على الموديلات الأخف للإلكترونيات الاستهلاكية.