Ionistor adalah kapasitor elektrokimia lapisan ganda atau superkapasitor. Elektroda logam mereka dilapisi dengan karbon aktif berpori tinggi, yang secara tradisional terbuat dari tempurung kelapa, tetapi paling sering dari karbon aerogel, nanokarbon lain atau nanotube graphene. Di antara elektroda ini adalah pemisah berpori yang membuat elektroda terpisah, ketika dililitkan pada spiral, semua ini diresapi dengan elektrolit. Beberapa bentuk ionistor inovatif memiliki elektrolit padat. Mereka mengganti baterai tradisional dengan catu daya tak terputus hingga truk, di mana mereka menggunakan supercharger sebagai sumber daya.
Prinsip kerja
Ionistor menggunakan aksi lapisan ganda yang terbentuk pada antarmuka antara batubara dan elektrolit. Karbon aktif digunakan sebagai elektroda dalam bentuk padat, dan elektrolit dalam bentuk cair. Ketika bahan-bahan ini bersentuhan satu sama lain, kutub positif dan negatif didistribusikan relatif satu sama lain oleh:jarak yang sangat pendek. Saat menerapkan medan listrik, lapisan ganda listrik yang terbentuk di dekat permukaan karbon dalam cairan elektrolit digunakan sebagai struktur utama.
Kelebihan desain:
- Menyediakan kapasitansi dalam perangkat kecil, tidak perlu sirkuit pengisian khusus untuk mengontrol selama pemakaian di perangkat supercharged.
- Pengisian ulang atau pengosongan yang berlebihan tidak mempengaruhi masa pakai baterai seperti baterai biasa.
- Teknologi sangat "bersih" dalam hal ekologi.
- Tidak ada masalah dengan kontak yang tidak stabil seperti baterai biasa.
Kekurangan desain:
- Durasi operasi terbatas karena penggunaan elektrolit pada perangkat yang menggunakan superkapasitor.
- Elektrolit dapat bocor jika kapasitor tidak dirawat dengan baik.
- Dibandingkan dengan kapasitor aluminium, kapasitor ini memiliki resistansi yang tinggi dan oleh karena itu tidak dapat digunakan di sirkuit AC.
Menggunakan kelebihan yang dijelaskan di atas, kapasitor listrik banyak digunakan dalam aplikasi seperti:
- Menyimpan memori untuk timer, program, daya e-mobile, dll.
- Peralatan video dan audio.
- Sumber cadangan saat mengganti baterai untuk peralatan elektronik portabel.
- Pasokan listrik untuk peralatan bertenaga surya seperti jam dan indikator.
- Pemula untuk mesin kecil dan seluler.
Reaksi redoks
Akumulator muatan terletak pada antarmuka antara elektroda dan elektrolit. Selama proses pengisian, elektron berpindah dari elektroda negatif ke elektroda positif di sepanjang sirkuit luar. Selama pelepasan, elektron dan ion bergerak ke arah yang berlawanan. Tidak ada transfer biaya dalam superkapasitor EDLC. Dalam jenis superkapasitor ini, reaksi redoks terjadi pada elektroda, yang menghasilkan muatan dan membawa muatan melalui lapisan ganda konstruksi, di mana ionistor digunakan.
Akibat reaksi redoks yang terjadi pada tipe ini, terdapat potensi densitas daya yang lebih rendah daripada EDLC karena sistem Faradaik lebih lambat daripada sistem non-farada. Sebagai aturan umum, pseudocapactor memberikan kapasitansi spesifik dan kepadatan energi yang lebih tinggi daripada EDLC karena fakta bahwa mereka berasal dari sistem faraday. Namun, pilihan superkapasitor yang tepat tergantung pada aplikasi dan ketersediaannya.
Materi berbasis graphene
Superkapasitor dicirikan oleh kemampuan untuk mengisi daya dengan cepat, jauh lebih cepat daripada baterai tradisional, tetapi tidak mampu menyimpan energi sebanyak baterai karena memiliki kepadatan energi yang lebih rendah. Peningkatan efisiensi mereka dicapai melalui penggunaan graphene dan nanotube karbon. Mereka akan membantu ionistor di masa depan untuk sepenuhnya menggantikan baterai elektrokimia. Nanoteknologi saat ini adalah sumber dari banyakinovasi, khususnya di e-mobile.
Grafena meningkatkan kapasitansi superkapasitor. Bahan revolusioner ini terdiri dari lembaran yang ketebalannya dapat dibatasi oleh ketebalan atom karbon dan yang struktur atomnya sangat padat. Karakteristik tersebut dapat menggantikan silikon dalam elektronik. Sebuah pemisah berpori ditempatkan antara dua elektroda. Namun, variasi dalam mekanisme penyimpanan dan pemilihan bahan elektroda menyebabkan klasifikasi yang berbeda dari superkapasitor berkapasitas tinggi:
- Electrochemical Double Layer Capacitors (EDLC), yang sebagian besar menggunakan elektroda karbon tinggi dan menyimpan energinya dengan mengadsorpsi ion secara cepat pada antarmuka elektroda/elektrolit.
- Psuedo-kapasitor didasarkan pada proses fagik dari transfer muatan pada atau di dekat permukaan elektroda. Dalam hal ini, polimer konduktif dan oksida logam transisi tetap menjadi bahan yang aktif secara elektrokimia, seperti yang ditemukan pada jam tangan elektronik yang dioperasikan dengan baterai.
Perangkat polimer fleksibel
Superkapasitor memperoleh dan menyimpan energi pada kecepatan tinggi dengan membentuk lapisan ganda muatan elektrokimia atau melalui reaksi redoks permukaan, menghasilkan kepadatan daya tinggi dengan stabilitas siklus jangka panjang, biaya rendah, dan perlindungan lingkungan. PDMS dan PET adalah substrat yang paling umum digunakan dalam implementasi superkapasitor fleksibel. Dalam hal film, PDMS dapat membuat fleksibel danionistor film tipis transparan pada jam tangan dengan stabilitas siklus tinggi setelah 10.000 siklus fleksibel.
Tabung nano karbon berdinding tunggal dapat dimasukkan lebih lanjut ke dalam film PDMS untuk lebih meningkatkan stabilitas mekanis, elektronik, dan termal. Demikian pula, bahan konduktif seperti graphene dan CNT juga dilapisi dengan film PET untuk mencapai fleksibilitas tinggi dan konduktivitas listrik. Selain PDMS dan PET, bahan polimer lainnya juga menarik minat yang berkembang dan disintesis dengan berbagai metode. Misalnya, iradiasi laser berdenyut lokal telah digunakan untuk dengan cepat mengubah permukaan primer menjadi struktur karbon berpori konduktif secara elektrik dengan grafik tertentu.
Polimer alami seperti serat kayu dan kertas bukan tenunan juga dapat digunakan sebagai substrat yang fleksibel dan ringan. CNT disimpan di atas kertas untuk membentuk elektroda kertas CNT yang fleksibel. Karena fleksibilitas tinggi dari substrat kertas dan distribusi CNT yang baik, kapasitansi spesifik dan daya dan kepadatan energi berubah kurang dari 5% setelah menekuk selama 100 siklus pada radius tikungan 4,5 mm. Selain itu, karena kekuatan mekanik yang lebih tinggi dan stabilitas kimia yang lebih baik, kertas nanoselulosa bakteri juga digunakan untuk membuat superkapasitor fleksibel seperti pemutar kaset walkman.
Kinerja superkapasitor
Didefinisikan dalam istilahaktivitas elektrokimia dan sifat kinetika kimia, yaitu: kinetika elektron dan ion (transportasi) di dalam elektroda dan efisiensi laju perpindahan muatan ke elektroda/elektrolit. Luas permukaan spesifik, konduktivitas listrik, ukuran pori dan perbedaan penting untuk kinerja tinggi saat menggunakan bahan karbon berbasis EDLC. Grafena, dengan konduktivitas listrik yang tinggi, luas permukaan yang besar dan struktur interlayer, menarik untuk digunakan dalam EDLC.
Dalam kasus pseudocapacitors, meskipun mereka memberikan kapasitansi superior dibandingkan dengan EDLC, mereka masih dibatasi dalam kepadatan oleh daya rendah dari chip CMOS. Ini karena konduktivitas listrik yang buruk, yang membatasi gerak elektronik yang cepat. Selain itu, proses redoks yang mendorong proses charge/discharge dapat merusak bahan elektroaktif. Konduktivitas listrik yang tinggi dari graphene dan kekuatan mekaniknya yang sangat baik membuatnya cocok sebagai bahan dalam pseudocapacitors.
Studi adsorpsi pada graphene telah menunjukkan bahwa itu terjadi terutama pada permukaan lembaran graphene dengan akses ke pori-pori besar (yaitu, struktur interlayer berpori, memungkinkan akses mudah ke ion elektrolit). Dengan demikian, aglomerasi graphene yang tidak berpori harus dihindari untuk kinerja yang lebih baik. Kinerja dapat lebih ditingkatkan dengan modifikasi permukaan dengan penambahan gugus fungsi, hibridisasi dengan polimer konduktif listrik, dan dengan pembentukan komposit graphene/oksidalogam.
Perbandingan kapasitor
Supercaps ideal saat pengisian cepat diperlukan untuk memenuhi kebutuhan daya jangka pendek. Baterai hybrid memenuhi kedua kebutuhan dan menurunkan voltase untuk masa pakai yang lebih lama. Tabel di bawah ini menunjukkan perbandingan karakteristik dan bahan utama kapasitor.
| Kapasitor lapis ganda listrik, penunjukan ionistor | Aluminium kapasitor elektrolitik | Baterai Ni-cd | Baterai tersegel timah | |
| Gunakan rentang suhu | -25 hingga 70 °C | -55 hingga 125 °C | -20 hingga 60 °C | -40 hingga 60 °C |
| Elektroda | Karbon aktif | Aluminium | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| cairan elektrolit | Pelarut organik | Pelarut organik | KOH |
H2SO4 |
| Metode gaya gerak listrik | Menggunakan efek lapisan ganda listrik alami sebagai dielektrik | Menggunakan aluminium oksida sebagai dielektrik | Menggunakan reaksi kimia | Menggunakan reaksi kimia |
| Polusi | Tidak | Tidak | CD | Pb |
| Jumlah siklus pengisian/pengosongan | > 100.000 kali | > 100.000 kali | 500 kali | 200 hingga 1000 kali |
| Kapasitas per unit volume | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Karakteristik pengisian daya
Waktu pengisian daya 1-10 detik. Pengisian awal dapat diselesaikan dengan sangat cepat dan pengisian teratas akan membutuhkan waktu tambahan. Pertimbangan harus diberikan untuk membatasi arus masuk saat mengisi superkapasitor kosong, karena akan menarik sebanyak mungkin. Superkapasitor tidak dapat diisi ulang dan tidak memerlukan deteksi muatan penuh, arus berhenti mengalir ketika penuh. Perbandingan performa antara supercharger untuk mobil dan Li-ion.
| Fungsi | Ionistor | Li-Ion (umum) |
| Waktu pengisian daya | 1-10 detik | 10-60 menit |
| Tonton siklus hidup | 1 juta atau 30.000 | 500 dan lebih tinggi |
| Tegangan | Dari 2, 3 ke 2, 75B | 3, 6 B |
| Energi spesifik (W/kg) | 5 (khas) | 120-240 |
| Daya spesifik (W/kg) | Hingga 10.000 | 1000-3000 |
| Biaya per kWh | $10,000 | 250-1.000 $ |
| Seumur Hidup | 10-15 tahun | 5 hingga 10 tahun |
| Suhu pengisian daya | -40 hingga 65 °C | 0 hingga 45 °C |
| Suhu debit | -40 hingga 65 °C | -20 hingga 60 °C |
Manfaat mengisi daya perangkat
Kendaraan membutuhkan dorongan energi ekstra untuk berakselerasi, dan di situlah supercharger berperan. Mereka memiliki batasan pada muatan total, tetapi mereka dapat mentransfernya dengan sangat cepat, menjadikannya baterai yang ideal. Keunggulannya dibandingkan baterai tradisional:
- Impedansi rendah (ESR) meningkatkan arus lonjakan dan beban saat dihubungkan secara paralel dengan baterai.
- Siklus sangat tinggi - pengosongan membutuhkan milidetik hingga menit.
- Tegangan turun dibandingkan dengan perangkat bertenaga baterai tanpa superkapasitor.
- Efisiensi tinggi pada 97-98%, dan efisiensi DC-DC di kedua arah adalah 80%-95% di sebagian besar aplikasi, sepertiperekam video dengan ionistor.
- Dalam kendaraan listrik hibrida, efisiensi bundaran 10% lebih besar daripada baterai.
- Bekerja dengan baik pada rentang suhu yang sangat luas, biasanya -40 C hingga +70 C, tetapi dapat juga dari -50 C hingga +85 C, versi khusus tersedia hingga 125 C.
- Sedikit panas yang dihasilkan selama pengisian dan pemakaian.
- Hidup siklus panjang dengan keandalan tinggi, mengurangi biaya perawatan.
- Degradasi ringan selama ratusan ribu siklus dan bertahan hingga 20 juta siklus.
- Mereka kehilangan tidak lebih dari 20% dari kapasitas mereka setelah 10 tahun, dan memiliki umur 20 tahun atau lebih.
- Tahan terhadap keausan.
- Tidak memengaruhi pelepasan muatan dalam seperti baterai.
- Keamanan yang lebih baik dibandingkan dengan baterai - tidak ada bahaya pengisian yang berlebihan atau ledakan.
- Tidak mengandung bahan berbahaya untuk dibuang di akhir masa pakai tidak seperti kebanyakan baterai.
- Sesuai dengan standar lingkungan, sehingga tidak ada pembuangan atau daur ulang yang rumit.
Teknologi Pengekangan
Superkapasitor terdiri dari dua lapisan graphene dengan lapisan elektrolit di tengahnya. Film ini kuat, sangat tipis dan mampu melepaskan sejumlah besar energi dalam waktu singkat, namun demikian, ada beberapa masalah yang belum terselesaikan yang menghambat kemajuan teknologi ke arah ini. Kekurangan Superkapasitor dibandingkan Baterai Isi Ulang:
- Kepadatan energi rendah - biasanyamembutuhkan 1/5 hingga 1/10 energi baterai elektrokimia.
- Line discharge - kegagalan untuk menggunakan spektrum energi penuh, tergantung pada aplikasinya, tidak semua energi tersedia.
- Seperti halnya baterai, sel bertegangan rendah, koneksi serial dan penyeimbang tegangan diperlukan.
- Pengosongan otomatis seringkali lebih tinggi daripada baterai.
- Tegangan bervariasi dengan energi yang disimpan - penyimpanan dan pemulihan energi yang efisien memerlukan kontrol elektronik dan peralatan switching yang canggih.
- Memiliki daya serap dielektrik tertinggi dari semua jenis kapasitor.
- Suhu penggunaan atas biasanya 70 C atau kurang dan jarang melebihi 85 C.
- Sebagian besar mengandung elektrolit cair yang mengurangi ukuran yang dibutuhkan untuk mencegah pelepasan cepat yang tidak disengaja.
- Biaya listrik per watt tinggi.
Penyimpanan Hibrida
Desain khusus dan teknologi tertanam dari elektronika daya telah dikembangkan untuk menghasilkan modul kapasitor dengan struktur baru. Karena modulnya harus diproduksi menggunakan teknologi baru, modul ini dapat diintegrasikan ke dalam panel bodi mobil seperti atap, pintu, dan tutup bagasi. Selain itu, teknologi penyeimbang energi baru telah ditemukan yang mengurangi kehilangan energi dan ukuran sirkuit penyeimbang energi dalam penyimpanan energi dan sistem perangkat.
Serangkaian teknologi terkait juga telah dikembangkan, seperti kontrol pengisian daya danpemakaian, serta koneksi ke sistem penyimpanan energi lainnya. Modul superkapasitor dengan kapasitas pengenal 150F, tegangan pengenal 50V dapat ditempatkan pada permukaan datar dan melengkung dengan luas permukaan 0,5 meter persegi. m dan 4 cm. Aplikasi berlaku untuk kendaraan listrik dan dapat diintegrasikan dengan berbagai bagian kendaraan dan kasus lain di mana sistem penyimpanan energi diperlukan.
Aplikasi dan perspektif
Di AS, Rusia, dan Cina ada bus tanpa baterai traksi, semua pekerjaan dilakukan oleh ionistor. General Electric telah mengembangkan truk pikap dengan superkapasitor untuk menggantikan baterai, serupa dengan yang terjadi di beberapa roket, mainan, dan perkakas listrik. Pengujian telah menunjukkan bahwa superkapasitor mengungguli baterai timbal-asam dalam turbin angin, yang dicapai tanpa kepadatan energi superkapasitor yang mendekati baterai timbal-asam.
Sekarang jelas bahwa superkapasitor akan mengubur baterai timbal-asam selama beberapa tahun ke depan, tetapi itu hanya sebagian dari cerita, karena mereka meningkat lebih cepat daripada pesaing. Pemasok seperti Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments, dan Skeleton Technologies telah mengatakan bahwa mereka melebihi kepadatan energi baterai timbal-asam dengan superkapasitor dan superbugnya, beberapa di antaranya secara teoritis cocok dengan kepadatan energi ion lithium.
Namun, ionistor dalam kendaraan listrik adalah salah satu aspek elektronik dan teknik listrik yangdiabaikan oleh pers, investor, pemasok potensial, dan banyak orang yang hidup dengan teknologi lama, meskipun pasar multi-miliar dolar tumbuh pesat. Misalnya, untuk kendaraan darat, air dan udara, ada sekitar 200 produsen utama motor traksi dan 110 pemasok utama baterai traksi dibandingkan dengan beberapa produsen superkapasitor. Secara umum, tidak lebih dari 66 produsen ionistor besar di dunia, yang sebagian besar memfokuskan produksi mereka pada model yang lebih ringan untuk elektronik konsumen.
