یونیستور کجا استفاده می شود؟ انواع یونیستورها، هدف، مزایا و معایب آنها

2024 نویسنده: Trinity Chesterton | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-16 14:56

یونیستور خازن های الکتروشیمیایی دو لایه یا ابرخازن هستند. الکترودهای فلزی آنها با کربن فعال بسیار متخلخل پوشیده شده است که به طور سنتی از پوسته نارگیل ساخته می شود، اما اغلب از کربن آئروژل، نانولوله های نانو کربن دیگر یا گرافن. بین این الکترودها یک جداکننده متخلخل وجود دارد که الکترودها را از هم دور نگه می‌دارد، وقتی روی یک مارپیچ پیچیده می‌شود، همه اینها با الکترولیت آغشته می‌شوند. برخی از اشکال نوآورانه یونیستور دارای الکترولیت جامد هستند. آنها باتری های سنتی را در منبع تغذیه اضطراری تا کامیون ها جایگزین می کنند، جایی که از سوپرشارژر به عنوان منبع تغذیه استفاده می کنند.

اصل کار

یونیستور از عمل یک لایه دوگانه استفاده می کند که در سطح مشترک بین زغال سنگ و الکترولیت تشکیل شده است. کربن فعال به عنوان الکترود به صورت جامد و الکترولیت به صورت مایع استفاده می شود. هنگامی که این مواد با یکدیگر در تماس هستند، قطب های مثبت و منفی نسبت به یکدیگر توسط توزیع می شوندفاصله بسیار کوتاه هنگام اعمال میدان الکتریکی، لایه دوگانه الکتریکی که در نزدیکی سطح کربن در مایع الکترولیتی تشکیل می‌شود، به عنوان ساختار اصلی استفاده می‌شود.

مزیت طراحی:

1. خازن را در یک دستگاه کوچک فراهم می کند، بدون نیاز به مدارهای شارژ ویژه برای کنترل در حین تخلیه در دستگاه های سوپرشارژ.
2. شارژ یا تخلیه بیش از حد بر عمر باتری مانند باتری‌های معمولی تأثیر منفی نمی‌گذارد.
3. تکنولوژی از نظر اکولوژیکی بسیار "پاک" است.
4. هیچ مشکلی با مخاطبین ناپایدار مانند باتری های معمولی وجود ندارد.

ایرادات طراحی:

1. مدت کار به دلیل استفاده از الکترولیت در دستگاه هایی که از ابرخازن استفاده می کنند محدود است.
2. اگر خازن به درستی نگهداری نشود، ممکن است الکترولیت نشت کند.
3. در مقایسه با خازن های آلومینیومی، این خازن ها مقاومت بالایی دارند و بنابراین نمی توان آنها را در مدارهای AC استفاده کرد.

با استفاده از مزایایی که در بالا توضیح داده شد، خازن های الکتریکی به طور گسترده در کاربردهایی مانند: استفاده می شوند.

1. رزرو حافظه برای تایمرها، برنامه‌ها، برق موبایل و غیره.
2. تجهیزات تصویری و صوتی.
3. منابع پشتیبان هنگام تعویض باتری برای تجهیزات الکترونیکی قابل حمل.
4. منابع تغذیه تجهیزات خورشیدی مانند ساعت و نشانگر.
5. استارتر برای موتورهای کوچک و متحرک.

واکنش های ردوکس

تجمع کننده بار در سطح مشترک بین الکترود و الکترولیت قرار دارد. در طول فرآیند شارژ، الکترون ها از الکترود منفی به الکترود مثبت در طول مدار بیرونی حرکت می کنند. در هنگام تخلیه، الکترون ها و یون ها در جهت مخالف حرکت می کنند. هیچ انتقال شارژ در ابرخازن EDLC وجود ندارد. در این نوع ابرخازن‌ها، یک واکنش ردوکس در الکترود اتفاق می‌افتد، که بار تولید می‌کند و بار را از طریق لایه‌های دوتایی ساختار، جایی که از یک یونیستور استفاده می‌شود، حمل می‌کند.

با توجه به واکنش ردوکس که در این نوع رخ می دهد، پتانسیل چگالی توان کمتری نسبت به EDLC وجود دارد زیرا سیستم های فارادیک کندتر از سیستم های غیر فارادیک هستند. به عنوان یک قاعده کلی، شبه خازن ها به دلیل اینکه از سیستم فارادی هستند، ظرفیت ویژه و چگالی انرژی بالاتری نسبت به EDLC ها ارائه می دهند. با این حال، انتخاب صحیح ابرخازن به کاربرد و در دسترس بودن بستگی دارد.

مواد مبتنی بر گرافن

این ابرخازن با توانایی شارژ سریع بسیار سریعتر از باتری های سنتی مشخص می شود، اما قادر به ذخیره انرژی به اندازه باتری نیست زیرا چگالی انرژی کمتری دارد. افزایش کارایی آنها از طریق استفاده از گرافن و نانولوله های کربنی حاصل می شود. آنها در آینده به یونیستورها کمک خواهند کرد تا به طور کامل باتری های الکتروشیمیایی را جایگزین کنند. نانوتکنولوژی امروزه منبع بسیاری از افراد استنوآوری ها، به ویژه در موبایل های الکترونیکی.

گرافن ظرفیت ابرخازن ها را افزایش می دهد. این ماده انقلابی متشکل از ورق هایی است که ضخامت آنها را می توان با ضخامت اتم کربن محدود کرد و ساختار اتمی آن فوق متراکم است. چنین ویژگی هایی می تواند جایگزین سیلیکون در الکترونیک شود. یک جداکننده متخلخل بین دو الکترود قرار می گیرد. با این حال، تغییرات در مکانیسم ذخیره سازی و انتخاب مواد الکترود منجر به طبقه بندی های مختلف ابرخازن های با ظرفیت بالا می شود:

1. خازن های دولایه الکتروشیمیایی (EDLC)، که بیشتر از الکترودهای کربن بالا استفاده می کنند و انرژی خود را با جذب سریع یون ها در رابط الکترود/الکترولیت ذخیره می کنند.
2. خازن های کاذب بر اساس فرآیند فاژیک انتقال بار در سطح الکترود یا نزدیک آن هستند. در این مورد، پلیمرهای رسانا و اکسیدهای فلزات واسطه، مواد فعال الکتروشیمیایی باقی می مانند، مانند مواردی که در ساعت های الکترونیکی با باتری کار می کنند.

دستگاه های پلیمری انعطاف پذیر

ابرخازن با تشکیل لایه‌های دوتایی بار الکتروشیمیایی یا از طریق واکنش‌های ردوکس سطحی انرژی را با سرعت بالا به دست می‌آورد و ذخیره می‌کند، که در نتیجه چگالی توان بالا با پایداری چرخه‌ای طولانی‌مدت، هزینه کم و حفاظت از محیط‌زیست ایجاد می‌کند. PDMS و PET رایج ترین بسترهای مورد استفاده در اجرای ابرخازن های انعطاف پذیر هستند. در مورد فیلم، PDMS می تواند انعطاف پذیر ویونیستورهای لایه نازک شفاف در ساعت‌ها با پایداری چرخه‌ای بالا پس از 10000 چرخه فلکس.

نانولوله های کربنی تک جداره را می توان بیشتر در فیلم PDMS گنجاند تا پایداری مکانیکی، الکترونیکی و حرارتی را بهبود بخشد. به طور مشابه، مواد رسانا مانند گرافن و نانولوله‌های کربنی نیز با فیلم PET پوشانده می‌شوند تا هم انعطاف‌پذیری و هم رسانایی الکتریکی بالا داشته باشند. علاوه بر PDMS و PET، سایر مواد پلیمری نیز مورد توجه فزاینده ای قرار گرفته اند و با روش های مختلف سنتز می شوند. برای مثال، تابش لیزر پالسی موضعی برای تبدیل سریع سطح اولیه به ساختار کربن متخلخل رسانای الکتریکی با گرافیک مشخص استفاده شده است.

پلیمرهای طبیعی مانند الیاف چوب و منسوجات نبافته کاغذی نیز می توانند به عنوان زیرلایه استفاده شوند که انعطاف پذیر و سبک هستند. CNT بر روی کاغذ رسوب می کند تا یک الکترود کاغذ CNT انعطاف پذیر را تشکیل دهد. به دلیل انعطاف پذیری بالای بستر کاغذ و توزیع خوب نانولوله های کربنی، ظرفیت خازنی و توان و چگالی انرژی ویژه پس از خمش به مدت 100 سیکل در شعاع خمشی 4.5 میلی متر کمتر از 5 درصد تغییر می کند. علاوه بر این، به دلیل استحکام مکانیکی بالاتر و پایداری شیمیایی بهتر، از کاغذهای نانوسلولز باکتریایی نیز برای ساخت ابرخازن‌های انعطاف‌پذیر مانند دستگاه پخش کاست واکمن استفاده می‌شود.

عملکرد ابرخازن

بر حسب تعریف می شودفعالیت الکتروشیمیایی و خواص جنبشی شیمیایی، یعنی: سینتیک الکترون و یون (انتقال) در داخل الکترودها و بازده سرعت انتقال بار به الکترود/الکترولیت. سطح ویژه، هدایت الکتریکی، اندازه منافذ و تفاوت ها برای عملکرد بالا در هنگام استفاده از مواد کربنی مبتنی بر EDLC مهم هستند. گرافن، با رسانایی الکتریکی بالا، سطح بزرگ و ساختار بین لایه ای، برای استفاده در EDLC جذاب است.

در مورد شبه خازن ها، اگرچه ظرفیت خازنی برتری در مقایسه با EDLC ها ارائه می دهند، اما همچنان به دلیل قدرت کم تراشه CMOS چگالی محدودی دارند. این به دلیل هدایت الکتریکی ضعیف است که حرکت سریع الکترونیکی را محدود می کند. علاوه بر این، فرآیند ردوکس که فرآیند شارژ/دشارژ را هدایت می‌کند، می‌تواند به مواد الکتریکی آسیب برساند. رسانایی الکتریکی بالای گرافن و استحکام مکانیکی عالی آن، آن را به عنوان ماده ای در شبه خازن ها مناسب می کند.

مطالعات جذب روی گرافن نشان داده است که عمدتاً روی سطح ورقه‌های گرافن با دسترسی به منافذ بزرگ رخ می‌دهد (یعنی ساختار بین لایه‌ای متخلخل است و امکان دسترسی آسان به یون‌های الکترولیت را فراهم می‌کند). بنابراین، برای عملکرد بهتر باید از تجمع گرافن غیر متخلخل اجتناب شود. عملکرد را می توان با اصلاح سطح با افزودن گروه عاملی، هیبریداسیون با پلیمرهای رسانای الکتریکی و با تشکیل کامپوزیت های گرافن/اکسید بهبود بخشید.فلز.

مقایسه خازن

Supercaps زمانی ایده آل است که برای پاسخگویی به نیازهای کوتاه مدت انرژی به شارژ سریع نیاز باشد. باتری هیبریدی هم نیازها را برآورده می کند و هم ولتاژ را برای طول عمر بیشتر کاهش می دهد. جدول زیر مقایسه ویژگی ها و مواد اصلی در خازن ها را نشان می دهد.

	خازن دو لایه الکتریکی، نامگذاری یونیستور	خازن الکترولیتی آلومینیومی	باتری Ni-cd	باتری سرب مهر و موم شده
استفاده از محدوده دما	-25 تا 70°C	-55 تا 125 درجه سانتی گراد	-20 تا 60 °C	-40 تا 60 °C
الکترود	کربن فعال	آلومینیوم	(+) NiOOH (-) سی دی	(+) PbO2 (-) Pb
مایع الکترولیتی	حلال آلی	حلال آلی	KOH	H2SO4
روش نیروی محرکه الکتریکی	استفاده از جلوه دو لایه الکتریکی طبیعی به عنوان دی الکتریک	استفاده از اکسید آلومینیوم به عنوان دی الکتریک	استفاده از واکنش شیمیایی	استفاده از واکنش شیمیایی
آلودگی	نه	نه	CD	Pb
تعداد چرخه شارژ/دشارژ	> 100000 بار	> 100000 بار	500 بار	200 تا 1000 بار
ظرفیت در واحد حجم	1	1/1000	100	100

ویژگی شارژ

زمان شارژ 1-10 ثانیه. شارژ اولیه را می توان خیلی سریع تکمیل کرد و شارژ بالای آن زمان بیشتری می برد. هنگام شارژ یک ابرخازن خالی باید به محدود کردن جریان هجومی توجه کرد، زیرا تا حد امکان جذب می شود. ابرخازن قابل شارژ نیست و نیازی به تشخیص شارژ کامل ندارد، جریان به سادگی در صورت پر شدن متوقف می شود. مقایسه عملکرد بین سوپرشارژر ماشین و Li-ion.

عملکرد	یونیستور	Li-Ion (عمومی)
زمان شارژ	1-10 ثانیه	10-60 دقیقه
چرخه عمر تماشا	1 میلیون یا 30000	500 و بالاتر
ولتاژ	از ۲، ۳ تا ۲، ۷۵B	3, 6 B
انرژی ویژه (W/kg)	5 (معمولی)	120-240
قدرت ویژه (W/kg)	تا 10000	1000-3000
هزینه هر کیلووات ساعت	$10,000	250-1000 $
طول عمر	10-15 سال	5 تا 10 سال
دمای شارژ	-40 تا 65°C	0 تا 45 درجه سانتی گراد
دمای تخلیه	-40 تا 65°C	-20 تا 60°C

مزایای شارژ دستگاه

وسایل نقلیه برای شتاب گرفتن نیاز به تقویت انرژی اضافی دارند و اینجاست که سوپرشارژرها وارد می شوند. آنها محدودیتی در کل شارژ دارند، اما می توانند آن را خیلی سریع انتقال دهند و آنها را به باتری های ایده آل تبدیل کنند. مزایای آنها نسبت به باتری های سنتی:

1. امپدانس پایین (ESR) جریان موج و بار را هنگام اتصال موازی با باتری افزایش می دهد.
2. چرخه بسیار بالا - تخلیه میلی ثانیه تا دقیقه طول می کشد.
3. افت ولتاژ در مقایسه با دستگاه با باتری بدون ابرخازن.
4. راندمان بالا در 97-98٪، و راندمان DC-DC در هر دو جهت 80٪ -95٪ در اکثر برنامه ها، مانندضبط ویدیو با یونیستور.
5. در خودروهای الکتریکی هیبریدی، راندمان دورگرد ۱۰ درصد بیشتر از باتری است.
6. در یک محدوده دمایی بسیار وسیع به خوبی کار می کند، معمولاً -40 درجه سانتیگراد تا 70+ درجه سانتیگراد، اما می تواند از -50 درجه سانتیگراد تا +85 درجه سانتیگراد باشد، نسخه های ویژه تا 125 درجه سانتیگراد در دسترس هستند.
7. مقدار کمی گرمای تولید شده در هنگام شارژ و تخلیه.
8. عمر چرخه طولانی با قابلیت اطمینان بالا، کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری.
9. تخریب جزئی در طی صدها هزار چرخه و ماندگاری تا ۲۰ میلیون چرخه.
10. آنها بعد از 10 سال بیش از 20٪ ظرفیت خود را از دست نمی دهند و طول عمر آنها 20 سال یا بیشتر است.
11. مقاوم در برابر سایش و پارگی.
12. بر تخلیه عمیق مانند باتری تأثیر نمی گذارد.
13. افزایش ایمنی در مقایسه با باتری - بدون خطر شارژ بیش از حد یا انفجار.
14. بر خلاف بسیاری از باتری‌ها فاقد مواد خطرناکی است که در پایان عمر دور ریخته شوند.
15. مطابق با استانداردهای زیست محیطی است، بنابراین هیچ دفع یا بازیافت پیچیده ای وجود ندارد.

فناوری مهار

ابرخازن از دو لایه گرافن با یک لایه الکترولیت در وسط تشکیل شده است. این فیلم قوی، بسیار نازک است و می تواند انرژی زیادی را در مدت زمان کوتاهی آزاد کند، اما با این وجود، مشکلات حل نشده خاصی وجود دارد که مانع از پیشرفت تکنولوژی در این مسیر می شود. معایب ابرخازن نسبت به باتری های قابل شارژ:

1. چگالی انرژی کم - معمولااز 1/5 تا 1/10 انرژی یک باتری الکتروشیمیایی می گیرد.
2. تخلیه خط - عدم استفاده از طیف انرژی کامل، بسته به کاربرد، تمام انرژی در دسترس نیست.
3. مانند باتری ها، سلول ها ولتاژ پایینی دارند، اتصالات سریال و متعادل کردن ولتاژ مورد نیاز است.
4. خود تخلیه اغلب بیشتر از باتری است.
5. ولتاژ با انرژی ذخیره شده تغییر می کند - ذخیره سازی کارآمد و بازیابی انرژی به تجهیزات کنترل الکترونیکی و سوئیچینگ پیچیده نیاز دارد.
6. دارای بالاترین جذب دی الکتریک در بین انواع خازن ها.
7. دمای استفاده بالا معمولاً 70 درجه سانتیگراد یا کمتر است و به ندرت از 85 درجه سانتیگراد بیشتر می شود.
8. اکثر آنها حاوی یک الکترولیت مایع هستند که اندازه مورد نیاز برای جلوگیری از تخلیه سریع ناخواسته را کاهش می دهد.
9. هزینه بالای برق در هر وات.

ذخیره سازی هیبریدی

طراحی ویژه و فناوری جاسازی شده الکترونیک قدرت برای تولید ماژول های خازن با ساختار جدید توسعه یافته است. از آنجایی که ماژول های آنها باید با استفاده از فناوری های جدید تولید شوند، می توان آنها را در پانل های بدنه خودرو مانند سقف، درها و درب صندوق عقب ادغام کرد. علاوه بر این، فناوری‌های جدید متعادل‌سازی انرژی اختراع شده‌اند که تلفات انرژی و اندازه مدارهای متعادل کننده انرژی را در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی و دستگاه کاهش می‌دهد.

یک سری فناوری های مرتبط نیز توسعه یافته اند، مانند کنترل شارژ وتخلیه و همچنین اتصال به سایر سیستم های ذخیره انرژی. یک ماژول ابرخازن با ظرفیت نامی 150 فارنهایت، ولتاژ نامی 50 ولت را می توان بر روی سطوح صاف و منحنی با مساحت 0.5 متر مربع قرار داد. متر و 4 سانتی متر ضخامت. کاربردهای قابل استفاده برای وسایل نقلیه الکتریکی و قابل ادغام با قسمت های مختلف خودرو و سایر مواردی که سیستم های ذخیره انرژی مورد نیاز است.

کاربرد و دیدگاه

در ایالات متحده آمریکا، روسیه و چین اتوبوس هایی بدون باتری کششی وجود دارد، تمام کارها توسط یونیستورها انجام می شود. جنرال الکتریک یک کامیون وانت با ابرخازن برای جایگزینی باتری ساخته است، مشابه آنچه در برخی از موشک ها، اسباب بازی ها و ابزارهای برقی اتفاق افتاده است. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که ابرخازن‌ها عملکرد بهتری نسبت به باتری‌های سرب-اسید در توربین‌های بادی دارند، که بدون نزدیک شدن چگالی انرژی ابرخازن به باتری‌های سرب-اسید به دست آمد.

اکنون واضح است که ابرخازن‌ها باتری‌های سرب اسیدی را در چند سال آینده دفن خواهند کرد، اما این تنها بخشی از داستان است، زیرا آنها سریع‌تر از رقبا در حال بهبود هستند. تامین‌کنندگانی مانند Elbit Systems، Graphene Energy، Nanotech Instruments و Skeleton Technologies گفته‌اند که آنها از چگالی انرژی باتری‌های سرب اسیدی با ابرخازن‌ها و ابرباگ‌های خود فراتر رفته‌اند، که برخی از آنها از نظر تئوری با چگالی انرژی یون‌های لیتیوم مطابقت دارند.

با این حال، یونیستور در یک وسیله نقلیه الکتریکی یکی از جنبه های الکترونیک و مهندسی برق است کهبا وجود رشد سریع بازار چند میلیارد دلاری، توسط مطبوعات، سرمایه گذاران، تامین کنندگان بالقوه و بسیاری از افرادی که با فناوری قدیمی زندگی می کنند، نادیده گرفته شده است. به عنوان مثال، برای وسایل نقلیه زمینی، آبی و هوایی، حدود 200 سازنده عمده موتورهای کششی و 110 تامین کننده عمده باتری های کششی در مقایسه با چند تولید کننده ابرخازن وجود دارد. به طور کلی، بیش از 66 تولید کننده بزرگ یونیستور در جهان وجود ندارد که اکثر آنها تولید خود را بر روی مدل های سبک تر برای لوازم الکترونیکی مصرفی متمرکز کرده اند.