Ionistor são capacitores eletroquímicos de dupla camada ou supercapacitores. Seus eletrodos de metal são revestidos com carvão ativado altamente poroso, tradicionalmente feito de cascas de coco, mas na maioria das vezes de aerogel de carbono, outros nanotubos de nanocarbono ou grafeno. Entre esses eletrodos há um separador poroso que mantém os eletrodos separados, quando enrolados em espiral, tudo isso é impregnado com eletrólito. Algumas formas inovadoras de ionistor têm um eletrólito sólido. Eles substituem as baterias tradicionais em fontes de alimentação ininterruptas até caminhões, onde usam um supercarregador como fonte de energia.
Princípio de funcionamento
O ionistor utiliza a ação de uma dupla camada formada na interface entre carvão e eletrólito. O carvão ativado é usado como eletrodo na forma sólida e eletrólito na forma líquida. Quando esses materiais estão em contato uns com os outros, os pólos positivo e negativo são distribuídos um em relação ao outro pordistância muito curta. Ao aplicar um campo elétrico, a dupla camada elétrica que se forma perto da superfície do carbono no líquido eletrolítico é usada como estrutura principal.
Vantagem do design:
- Fornece capacitância em um dispositivo pequeno, sem necessidade de circuitos de carregamento especiais para controlar durante a descarga em dispositivos supercarregados.
- Recarregar ou descarregar em excesso não afeta negativamente a vida útil da bateria, como acontece com as baterias comuns.
- A tecnologia é extremamente "limpa" em termos de ecologia.
- Sem problemas com contatos instáveis como baterias normais.
Falhas de design:
- A duração da operação é limitada devido ao uso de eletrólito em dispositivos que utilizam um supercapacitor.
- O eletrólito pode vazar se o capacitor não for devidamente mantido.
- Comparados aos capacitores de alumínio, esses capacitores possuem alta resistência e, portanto, não podem ser usados em circuitos CA.
Usando as vantagens descritas acima, os capacitores elétricos são amplamente utilizados em aplicações como:
- Reservando memória para temporizadores, programas, energia e-mobile, etc.
- Equipamento de vídeo e áudio.
- Fontes de backup ao substituir baterias para equipamentos eletrônicos portáteis.
- Fontes de alimentação para equipamentos movidos a energia solar, como relógios e indicadores.
- Acionadores de partida para motores pequenos e móveis.
Reações Redox
O acumulador de carga está localizado na interface entre o eletrodo e o eletrólito. Durante o processo de carregamento, os elétrons se movem do eletrodo negativo para o eletrodo positivo ao longo do circuito externo. Durante a descarga, elétrons e íons se movem na direção oposta. Não há transferência de carga em um supercapacitor EDLC. Nesse tipo de supercapacitor, ocorre uma reação redox no eletrodo, que gera cargas e transporta a carga pelas duplas camadas da construção, onde é utilizado um ionistor.
Devido à reação redox que ocorre neste tipo, existe um potencial para densidade de potência menor que o EDLC porque os sistemas faradaicos são mais lentos que os sistemas não faradaicos. Como regra geral, os pseudocapatores fornecem capacitância específica e densidade de energia maiores do que os EDLCs devido ao fato de serem do sistema faraday. No entanto, a escolha correta do supercapacitor depende da aplicação e disponibilidade.
Materiais à base de grafeno
O supercapacitor é caracterizado pela capacidade de carregar rapidamente, muito mais rápido que uma bateria tradicional, mas não é capaz de armazenar tanta energia quanto uma bateria, pois possui uma densidade de energia menor. Seu aumento de eficiência é alcançado através do uso de grafeno e nanotubos de carbono. Eles ajudarão nos futuros ionistores a substituir completamente as baterias eletroquímicas. A nanotecnologia hoje é a fonte de muitosinovações, especialmente em e-mobile.
Grafeno aumenta a capacitância dos supercapacitores. Este material revolucionário consiste em folhas cuja espessura pode ser limitada pela espessura do átomo de carbono e cuja estrutura atômica é ultradensa. Tais características podem substituir o silício na eletrônica. Um separador poroso é colocado entre dois eletrodos. No entanto, variações no mecanismo de armazenamento e na escolha do material do eletrodo levam a diferentes classificações de supercapacitores de alta capacidade:
- Capacitores eletroquímicos de dupla camada (EDLC), que usam principalmente eletrodos de carbono com alto teor de carbono e armazenam sua energia pela rápida adsorção de íons na interface eletrodo/eletrólito.
- Os pseudocapacitores são baseados no processo fágico de transferência de carga na superfície do eletrodo ou próximo a ela. Nesse caso, polímeros condutores e óxidos de metais de transição permanecem como materiais eletroquimicamente ativos, como os encontrados em relógios eletrônicos movidos a bateria.
Dispositivos de polímeros flexíveis
O supercapacitor ganha e armazena energia em alta taxa, formando duplas camadas de carga eletroquímica ou por meio de reações redox de superfície, resultando em alta densidade de potência com estabilidade cíclica de longo prazo, baixo custo e proteção ambiental. PDMS e PET são os substratos mais utilizados na implementação de supercapacitores flexíveis. No caso do filme, o PDMS pode criarionistores de película fina transparente em relógios com alta estabilidade cíclica após 10.000 ciclos flexíveis.
Nanotubos de carbono de parede simples podem ser incorporados ao filme PDMS para melhorar ainda mais a estabilidade mecânica, eletrônica e térmica. Da mesma forma, materiais condutores, como grafeno e CNTs, também são revestidos com filme PET para obter alta flexibilidade e condutividade elétrica. Além do PDMS e do PET, outros materiais poliméricos também vêm despertando interesse crescente e são sintetizados por diversos métodos. Por exemplo, a irradiação de laser pulsado localizado foi usada para transformar rapidamente a superfície primária em uma estrutura de carbono poroso eletricamente condutora com gráficos especificados.
Polímeros naturais como fibra de madeira e nãotecidos de papel também podem ser usados como substratos, que são flexíveis e leves. O CNT é depositado em papel para formar um eletrodo de papel CNT flexível. Devido à alta flexibilidade do substrato de papel e à boa distribuição dos NTCs, a capacitância específica e a potência e densidade de energia mudam em menos de 5% após a dobra por 100 ciclos em um raio de dobra de 4,5 mm. Além disso, devido à maior resistência mecânica e melhor estabilidade química, papéis de nanocelulose bacteriana também estão sendo usados para fazer supercapacitores flexíveis, como o toca-fitas walkman.
Desempenho do supercapacitor
É definido em termos deactividade electroquímica e propriedades cinéticas químicas, nomeadamente: cinética electrónica e iónica (transporte) no interior dos eléctrodos e a eficiência da taxa de transferência de carga para o eléctrodo/electrólito. Área de superfície específica, condutividade elétrica, tamanho dos poros e diferenças são importantes para um alto desempenho ao usar materiais de carbono à base de EDLC. O grafeno, com sua alta condutividade elétrica, grande área de superfície e estrutura entre camadas, é atraente para uso em EDLC.
No caso dos pseudocapacitores, embora forneçam capacitância superior em comparação aos EDLCs, eles ainda são limitados em densidade pela baixa potência do chip CMOS. Isso se deve à baixa condutividade elétrica, que limita o movimento eletrônico rápido. Além disso, o processo redox que conduz o processo de carga/descarga pode danificar materiais eletroativos. A alta condutividade elétrica do grafeno e sua excelente resistência mecânica o tornam adequado como material em pseudocapacitores.
Estudos de adsorção em grafeno mostraram que ela ocorre principalmente na superfície de folhas de grafeno com acesso a poros grandes (ou seja, a estrutura intercamada é porosa, permitindo fácil acesso aos íons eletrolíticos). Assim, a aglomeração de grafeno não poroso deve ser evitada para um melhor desempenho. O desempenho pode ser melhorado ainda mais pela modificação da superfície por adição de grupos funcionais, hibridização com polímeros eletricamente condutores e pela formação de compostos de grafeno/óxidometal.
Comparação de capacitor
Supercaps são ideais quando o carregamento rápido é necessário para atender às necessidades de energia de curto prazo. A bateria híbrida atende a ambas as necessidades e reduz a tensão para uma vida útil mais longa. A tabela abaixo mostra a comparação de características e materiais principais em capacitores.
| Capacitor elétrico de dupla camada, designação de ionistor | Capacitor eletrolítico de alumínio | Bateria Ni-cd | Bateria selada com chumbo | |
| Usar faixa de temperatura | -25 a 70°C | -55 a 125 °C | -20 a 60 °C | -40 a 60 °C |
| Eletrodos | Carvão ativado | Alumínio | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Líquido eletrolítico | solvente orgânico | solvente orgânico | KOH |
H2SO4 |
| Método da força eletromotriz | Usando o efeito de dupla camada elétrica natural como dielétrico | Usando óxido de alumínio como dielétrico | Usando uma reação química | Usando uma reação química |
| Poluição | Não | Não | CD | Pb |
| Número de ciclos de carga/descarga | > 100.000 vezes | > 100.000 vezes | 500 vezes | 200 a 1000 vezes |
| Capacidade por unidade de volume | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Característica de carga
Tempo de carregamento 1-10 segundos. A carga inicial pode ser concluída muito rapidamente e a carga superior levará mais tempo. Deve-se considerar a limitação da corrente de energização ao carregar um supercapacitor vazio, pois ele consumirá o máximo possível. O supercapacitor não é recarregável e não requer detecção de carga total, a corrente simplesmente para de fluir quando cheia. Comparação de desempenho entre supercharger para carro e Li-ion.
| Função | Ionistor | Li-Ion (geral) |
| Tempo de carregamento | 1-10 segundos | 10-60 minutos |
| Ciclo de vida do relógio | 1 milhão ou 30.000 | 500 e acima |
| Tensão | De 2, 3 a 2, 75B | 3, 6 B |
| Energia específica (W/kg) | 5 (típico) | 120-240 |
| Potência específica (W/kg) | Até 10000 | 1000-3000 |
| Custo por kWh | $10.000 | 250-1.000 $ |
| Vida Vitalícia | 10-15 anos | 5 a 10 anos |
| Temperatura de carregamento | -40 a 65°C | 0 a 45 °C |
| Temperatura de descarga | -40 a 65°C | -20 a 60°C |
Benefícios dos dispositivos de carregamento
Os veículos precisam de um impulso extra de energia para acelerar, e é aí que entram os superchargers. Eles têm um limite na carga total, mas são capazes de transferi-lo muito rapidamente, tornando-os baterias ideais. Suas vantagens sobre as baterias tradicionais:
- Baixa impedância (ESR) aumenta a corrente de pico e a carga quando conectado em paralelo com a bateria.
- Ciclo muito alto - a descarga leva de milissegundos a minutos.
- Queda de tensão em comparação com um dispositivo alimentado por bateria sem supercapacitor.
- Alta eficiência em 97-98%, e eficiência DC-DC em ambas as direções é 80%-95% na maioria das aplicações, comogravador de vídeo com ionistores.
- Em um veículo elétrico híbrido, a eficiência da rotatória é 10% maior que a de uma bateria.
- Funciona bem em uma ampla faixa de temperatura, normalmente -40 C a +70 C, mas pode ser de -50 C a +85 C, versões especiais disponíveis até 125 C.
- Pequena quantidade de calor gerada durante o carregamento e descarregamento.
- Longa vida útil com alta confiabilidade, reduzindo os custos de manutenção.
- Ligeira degradação ao longo de centenas de milhares de ciclos e com duração de até 20 milhões de ciclos.
- Eles não perdem mais de 20% de sua capacidade após 10 anos e têm uma vida útil de 20 anos ou mais.
- Resistente ao desgaste.
- Não afeta descargas profundas como baterias.
- Aumento da segurança em comparação com as baterias - sem perigo de sobrecarga ou explosão.
- Não contém materiais perigosos para serem descartados no fim da vida útil, ao contrário de muitas baterias.
- Em conformidade com os padrões ambientais, portanto, não há descarte ou reciclagem complicados.
Tecnologia de Restrição
O supercapacitor consiste em duas camadas de grafeno com uma camada de eletrólito no meio. O filme é forte, extremamente fino e capaz de liberar uma grande quantidade de energia em um curto espaço de tempo, mas, no entanto, existem alguns problemas não resolvidos que impedem o progresso tecnológico nessa direção. Desvantagens do supercapacitor sobre baterias recarregáveis:
- Baixa densidade de energia - geralmenteconsome de 1/5 a 1/10 da energia de uma bateria eletroquímica.
- Descarga de linha - não utilização de todo o espectro de energia, dependendo da aplicação, nem toda a energia está disponível.
- Assim como as baterias, as células são de baixa tensão, são necessárias conexões seriais e balanceamento de tensão.
- A autodescarga geralmente é maior que as baterias.
- A tensão varia com a energia armazenada - o armazenamento e a recuperação eficientes de energia requerem um controle eletrônico sofisticado e equipamentos de comutação.
- Tem a maior absorção dielétrica de todos os tipos de capacitores.
- A temperatura de uso superior é geralmente 70 C ou menos e raramente excede 85 C.
- A maioria contém um eletrólito líquido que reduz o tamanho necessário para evitar uma descarga rápida inadvertida.
- Alto custo de eletricidade por watt.
Armazenamento Híbrido
Design especial e tecnologia embarcada de eletrônica de potência foram desenvolvidos para produzir módulos capacitores com nova estrutura. Como seus módulos devem ser fabricados com novas tecnologias, eles podem ser integrados aos painéis da carroceria, como teto, portas e tampa do porta-malas. Além disso, foram inventadas novas tecnologias de balanceamento de energia que reduzem as perdas de energia e o tamanho dos circuitos de balanceamento de energia em sistemas de armazenamento e dispositivos de energia.
Uma série de tecnologias relacionadas também foi desenvolvida, como controle de carregamento edescarga, bem como ligações a outros sistemas de armazenamento de energia. Um módulo supercapacitor com capacidade nominal de 150F, uma tensão nominal de 50V pode ser colocado em superfícies planas e curvas com uma área de superfície de 0,5 metros quadrados. m e 4 cm de espessura. Aplicações aplicáveis a veículos elétricos e podem ser integradas com várias partes do veículo e outros casos onde são necessários sistemas de armazenamento de energia.
Aplicação e perspectivas
Nos EUA, Rússia e China existem ônibus sem baterias de tração, todo o trabalho é feito por ionistores. A General Electric desenvolveu uma caminhonete com supercapacitor para substituir a bateria, semelhante ao que aconteceu em alguns foguetes, brinquedos e ferramentas elétricas. Testes mostraram que os supercapacitores superam as baterias de chumbo-ácido em turbinas eólicas, o que foi alcançado sem que a densidade de energia do supercapacitor se aproximasse daquela das baterias de chumbo-ácido.
Agora está claro que os supercapacitores vão enterrar as baterias de chumbo-ácido nos próximos anos, mas isso é apenas parte da história, pois eles estão melhorando mais rápido que a concorrência. Fornecedores como Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments e Skeleton Technologies disseram que excedem a densidade de energia das baterias de chumbo-ácido com seus supercapacitores e superbactérias, alguns dos quais teoricamente correspondem à densidade de energia dos íons de lítio.
No entanto, o ionistor em um veículo elétrico é um dos aspectos da eletrônica e engenharia elétrica queignorado pela imprensa, investidores, potenciais fornecedores e muitas pessoas que vivem com tecnologia antiga, apesar do rápido crescimento do mercado multibilionário. Por exemplo, para veículos terrestres, aquáticos e aéreos, existem cerca de 200 grandes fabricantes de motores de tração e 110 grandes fornecedores de baterias de tração em comparação com alguns fabricantes de supercapacitores. Em geral, não existem mais de 66 grandes fabricantes de ionistores no mundo, a maioria dos quais tem focado sua produção em modelos mais leves para eletrônicos de consumo.
