Co to są superkondensatory

Jonistory, superkondensatory, ultrakondensatory - historia tworzenia i rozwoju technologii

7 czerwca 1962 r. Robert Reitmayer, chemik z American Standard Oil Company (SOHIO) w Cleveland, Ohio, złożył wniosek patentowy opisujący mechanizm magazynowania energii elektrycznej w kondensatorze dwuwarstwowym.

Jeśli w konwencjonalny kondensator Ponieważ płyty aluminiowe były tradycyjnie izolowane warstwą dielektryczną, w przykładzie wykonania zaproponowanym przez wynalazcę nacisk położono bezpośrednio na materiał płyt. Elektrody musiały mieć inną przewodność: jedna elektroda musiała mieć przewodność jonową, a druga - elektroniczną.

Tak więc w procesie ładowania kondensatora nastąpiłoby rozdzielenie elektronów i dodatnich centrów w przewodniku elektronicznym oraz oddzielenie kationów i anionów w przewodniku jonowym.

Proponowano, aby przewodnik elektroniczny był wykonany z porowatego węgla, wówczas przewodnikiem jonowym może być wodny roztwór kwasu siarkowego. W takim przypadku ładunek byłby przechowywany na interfejsie tych specjalnych przewodów (ta sama podwójna warstwa). Różnica potencjałów tych pierwszych jonizatorów może osiągnąć wartość 1 wolta, a pojemność - jednostki faradów, ponieważ teraz odległość między płytkami była mniejsza niż 5 nanometrów.

W 1971 r. Licencja została przeniesiona na japońską firmę NEC, która w tym czasie zajmowała się wszystkimi obszarami komunikacji elektronicznej. Japończycy z powodzeniem promowali technologię na rynku elektroniki o nazwie „Superkondensator”.

Siedem lat później, w 1978 roku, Panasonic z kolei wypuścił Złoty Kondensator, który również odniósł sukces na tym rynku. Sukces został zapewniony przez wygodę użycia jonizatorów do zasilania pamięci ulotnej SRAM. Jonizatory te miały jednak wysoką rezystancję wewnętrzną, co ograniczało zdolność do szybkiego pozyskiwania energii, a zatem znacznie zawęziło zakres zastosowań.

W 1982 r. Specjaliści z American Pinnacle Research Institute (PRI) z siedzibą w Los Gatos w Kalifornii, pracujący nad ulepszeniem materiałów elektrod i elektrolitów, opracowali jonizatory o bardzo wysokiej gęstości energetycznej, które pojawiły się na rynku pod nazwą „PRI Ultracapacitor” .

Po 10 latach, w 1992 roku, Maxwell Laboratories (który później zmienił nazwę na Maxwell Technologies, San Diego, Kalifornia, USA) zaczął opracowywać technologię PRI o nazwie „Boost Caps”. Celem było teraz stworzenie kondensatorów o dużej pojemności i niskiej rezystancji, aby móc zasilać potężne urządzenia elektryczne.

Ryc. 1. Superkondensator ELECTRIC SAMWHA DH5U308W60138TH

W 1999 r. Tajwańska firma UltraCap Technologies Corp. Zaczęła także współpracować z PRI, który do tego czasu opracował ceramikę elektrodową o bardzo dużej powierzchni, a do 2001 r. Uruchomiono pierwszy tajwański ultrakondensator o dużej pojemności. Od tego momentu aktywny rozwój technologii rozpoczął się w wielu instytutach badawczych na świecie.

Na rynku rosyjskim są również gracze, więc firma Ultracapacitors Phoenix (UKF LLC) jest firmą inżynieryjną specjalizującą się w projektowaniu, rozwoju, produkcji i praktycznym zastosowaniu rozwiązań i systemów opartych na superkondensatorach / jonizatorach. Firma współpracuje z najlepszymi światowymi producentami i aktywnie przejmuje ich doświadczenie.

Zastosowanie jonistów

Jonistory na jednostki farad zostały dobrze zasłużone jako zapasowe źródła zasilania w wielu urządzeniach.Począwszy od mocy timerów telewizorów i kuchenek mikrofalowych, a skończywszy na skomplikowanych urządzeniach medycznych. Z reguły jonizatory są instalowane na kartach pamięci.

Podczas wymiany baterii w filmie lub kamerze jonistor obsługuje moc obwodów pamięci odpowiedzialnych za ustawienia, to samo dotyczy centrów muzycznych, komputerów i innych podobnych urządzeń. Telefony elektroniczne liczniki energii elektrycznej, systemy alarmowe bezpieczeństwa, elektroniczne przyrządy pomiarowe i urządzenia medyczne - superkondensatory znalazły zastosowanie wszędzie.

Ryc. 2. Superkondensatory (jonizatory)

Małe jonizatory elektrolitów organicznych mają maksymalne napięcie około 2,5 wolta. Aby uzyskać wyższe dopuszczalne napięcia, jonizatory są podłączone do akumulatorów, koniecznie za pomocą rezystorów bocznikowych.

Zalety jonizatorów obejmują: duża szybkość rozładowania, odporność na setki tysięcy cykli ładowania w porównaniu z akumulatorami, niska waga w porównaniu do kondensatorów elektrolitycznych, niska toksyczność, tolerancja rozładowania do zera.

Ryc. 3. Bezprzerwowy zasilacz superkondensatorów

Ryc. 4. Moduły samochodowe superkondensatora

Perspektywy

Przy opracowywaniu jonizatorów ich specyficzna pojemność rośnie coraz bardziej, i najprawdopodobniej prędzej czy później doprowadzi to do całkowitej wymiany akumulatorów na superkondensatory w wielu dziedzinach technicznych.

Ostatnie badania przeprowadzone przez zespół naukowców z University of California w Riverside wykazały, że nowy typ jonistoru oparty jest na porowatej strukturze, na której osadzają się cząsteczki tlenku rutenu grafenponad dwa razy lepszy od swoich najlepszych odpowiedników.

Naukowcy odkryli, że pory „pianki grafenowej” mają nanosize odpowiednie do przechowywania cząstek tlenków metali przejściowych. Superkondensatory z tlenkiem rutenu są obecnie najbardziej obiecującą opcją. Bezpiecznie pracują na elektrolicie wodnym, zapewniają wzrost zmagazynowanej energii i zwiększają dopuszczalne natężenie o współczynnik dwa razy w porównaniu z najlepszymi jonizatorami dostępnymi na rynku.

Przechowują więcej energii na każdy centymetr sześcienny swojej objętości, dlatego wskazane byłoby zastąpienie ich akumulatorami. Przede wszystkim mówimy o elektronice do noszenia i wszczepiania, ale w przyszłości nowość może być również oparta na osobistych pojazdach elektrycznych.

Grafen osadza się warstwa po warstwie na cząstkach niklu, który działa jako nośnik dla nanorurek węglowych, które wraz z grafenem tworzą porowatą strukturę węglową. Cząstki tlenku rutenu o średnicy mniejszej niż 5 nm wnikają do otrzymanych nanoporów tego ostatniego z roztworu wodnego. Specyficzna pojemność jonistora oparta na powstałej strukturze wynosi 503 faradów na gram, co odpowiada mocy właściwej 128 kW / kg.

Ryc. 4. Ładowarka na superkondensatorze grafenowym

Możliwość skalowania tej struktury już położyła fundament i położyła podwaliny pod stworzenie idealnych sposobów magazynowania energii. Jonistory na bazie „pianki grafenowej” pomyślnie przeszły pierwsze testy, w których wykazały zdolność do ładowania ponad osiem tysięcy razy bez pogorszenia.