Was sind Superkondensatoren?

Ionistoren, Superkondensatoren, Ultrakondensatoren - die Geschichte der Entstehung und Entwicklung von Technologie

Am 7. Juni 1962 reichte Robert Reitmayer, Chemiker bei der American Standard Oil Company (SOHIO) in Cleveland, Ohio, eine Patentanmeldung ein, in der der Mechanismus zum Speichern elektrischer Energie in einem Doppelschichtkondensator beschrieben wurde.

Wenn in herkömmlicher Kondensator Da Aluminiumplatten traditionell mit einer dielektrischen Schicht isoliert waren, wurde in der vom Erfinder vorgeschlagenen Ausführungsform der Schwerpunkt direkt auf das Material der Platten gelegt. Die Elektroden mussten eine unterschiedliche Leitfähigkeit haben: Eine Elektrode musste eine Ionenleitfähigkeit haben und die andere - elektronisch.

Beim Laden eines Kondensators würde es also zu einer Trennung von Elektronen und positiven Zentren im elektronischen Leiter und zu einer Trennung von Kationen und Anionen im Ionenleiter kommen.

Es wurde vorgeschlagen, dass der elektronische Leiter aus porösem Kohlenstoff besteht, dann könnte der Ionenleiter eine wässrige Lösung von Schwefelsäure sein. In diesem Fall würde die Ladung an der Grenzfläche dieser speziellen Leiter (dieselbe Doppelschicht) gespeichert. Die Potentialdifferenz dieser ersten Ionistoren konnte einen Wert von 1 Volt und die Kapazitätseinheiten von Farad erreichen, da der Abstand zwischen den Platten jetzt weniger als 5 Nanometer betrug.

1971 wurde die Lizenz an das japanische Unternehmen NEC übertragen, das zu diesem Zeitpunkt in allen Bereichen der elektronischen Kommunikation tätig war. Den Japanern gelang es, Technologie auf dem genannten Elektronikmarkt bekannt zu machen "Superkondensator".

Sieben Jahre später, 1978, veröffentlichte Panasonic seinerseits die „Gold Cap“, die auch auf diesem Markt erfolgreich war. Der Erfolg wurde durch die Bequemlichkeit der Verwendung von Ionistoren zur Versorgung des flüchtigen SRAM-Speichers sichergestellt. Diese Ionistoren hatten jedoch einen hohen Innenwiderstand, was die Fähigkeit zur schnellen Energieentnahme einschränkte und daher den Anwendungsbereich stark einschränkte.

1982 entwickelten Spezialisten des American Pinnacle Research Institute (PRI) in Los Gatos, Kalifornien, die an der Verbesserung von Elektroden- und Elektrolytmaterialien arbeiteten, Ionisatoren mit extrem hoher Energiedichte, die unter dem Namen „PRI Ultracapacitor“ auf den Markt kamen. .

Nach 10 Jahren, 1992, begannen die Maxwell Laboratories (später in Maxwell Technologies, San Diego, Kalifornien, USA, umbenannt) mit der Entwicklung der PRI-Technologie "Boost Caps". Ziel war es nun, Hochleistungskondensatoren mit geringem Widerstand zu entwickeln, um leistungsstarke elektrische Geräte mit Strom versorgen zu können.

Abb. 1. SAMWHA ELECTRIC Superkondensator DH5U308W60138TH

1999 wurde das taiwanesische Unternehmen UltraCap Technologies Corp. Sie begann auch mit PRI zusammenzuarbeiten, die bis dahin eine extrem großflächige Elektrodenkeramik entwickelt hatte, und 2001 wurde Taiwans erster Ultrakondensator mit hoher Kapazität auf den Markt gebracht. Von diesem Moment an begann die aktive Entwicklung der Technologie in vielen Forschungsinstituten der Welt.

Es gibt auch Akteure auf dem russischen Markt, daher ist das Unternehmen Ultracapacitors Phoenix (UKF LLC) ein Ingenieurbüro, das sich auf das Design, die Entwicklung, die Produktion und die praktische Anwendung von Lösungen und Systemen auf der Basis von Superkondensatoren / Ionisatoren spezialisiert hat. Das Unternehmen arbeitet eng mit den besten Herstellern der Welt zusammen und übernimmt aktiv deren Erfahrung.

Die Verwendung von Ionistoren

Ionistoren pro Farad-Einheit haben in vielen Geräten die wohlverdiente Verwendung als Backup-Stromquelle erhalten.Beginnend mit der Leistung der Timer von Fernsehgeräten und Mikrowellenherden bis hin zu komplexen medizinischen Geräten. Ionistoren sind in der Regel auf Speicherkarten installiert.

Wenn Sie den Akku in einem Video oder einer Kamera wechseln, unterstützt der Ionistor die Stromversorgung der für die Einstellungen verantwortlichen Speicherschaltungen. Gleiches gilt für Musikzentren, Computer und ähnliche Geräte. Telefone elektronische Stromzähler, Sicherheitsalarmsysteme, elektronische Messinstrumente und medizinische Geräte - Superkondensatoren haben überall Anwendung gefunden.

Abb. 2. Superkondensatoren (Ionistoren)

Kleine organische Elektrolytionisten haben eine maximale Spannung von etwa 2,5 Volt. Um höhere zulässige Spannungen zu erhalten, werden die Ionistoren in Batterien angeschlossen, wobei notwendigerweise Shunt-Widerstände verwendet werden.

Die Vorteile von Ionistoren umfassen: hohe Lade- / Entladerate, Beständigkeit gegen Hunderttausende von Ladezyklen im Vergleich zu Batterien, geringes Gewicht im Vergleich zu Elektrolytkondensatoren, geringe Toxizität, Entladungstoleranz gegen Null.

Abb. 3. Unterbrechungsfreie Stromversorgung der Superkondensatoren

Abb. 4. Superkondensator-Automodule

Perspektiven

Bei der Entwicklung von Ionistoren nimmt ihre spezifische Kapazität immer mehr zu, und aller Wahrscheinlichkeit nach wird dies früher oder später dazu führen, dass Batterien in vielen technischen Bereichen vollständig durch Superkondensatoren ersetzt werden.

Jüngste Studien eines Wissenschaftlerteams der University of California in Riverside haben gezeigt, dass ein neuartiger Ionistortyp auf einer porösen Struktur basiert, auf der Rutheniumoxidpartikel abgeschieden werden Graphenfast zweimal seinen besten Kollegen überlegen.

Forscher haben herausgefunden, dass die Poren von „Graphenschaum“ Nanogrößen aufweisen, die zum Halten von Partikeln aus Übergangsmetalloxiden geeignet sind. Rutheniumoxid-Superkondensatoren sind jetzt die vielversprechendste Option. Sie können sicher mit einem wässrigen Elektrolyten betrieben werden, erhöhen die gespeicherte Energie und erhöhen die zulässige Stromstärke um den Faktor zwei im Vergleich zu den besten auf dem Markt erhältlichen Ionistoren.

Sie speichern mehr Energie für jeden Kubikzentimeter ihres Volumens, daher wäre es ratsam, die Batterien durch sie zu ersetzen. Zunächst geht es um tragbare und implantierbare Elektronik, aber in Zukunft kann die Neuheit auch auf persönlichen Elektrofahrzeugen basieren.

Graphen wird Schicht für Schicht auf Nickelpartikeln abgeschieden, die als Träger für Kohlenstoffnanoröhren dienen, die zusammen mit Graphen eine poröse Kohlenstoffstruktur bilden. Rutheniumoxidpartikel mit einem Durchmesser von weniger als 5 nm dringen aus einer wässrigen Lösung in die erhaltenen Nanoporen der letzteren ein. Die spezifische Kapazität des Ionistors basierend auf der resultierenden Struktur beträgt 503 Farad pro Gramm, was einer spezifischen Leistung von 128 kW / kg entspricht.

Abb. 4. Ladegerät an einem Graphen-Superkondensator

Die Fähigkeit, diese Struktur zu skalieren, hat bereits den Grundstein gelegt und den Grundstein für die Schaffung der idealen Mittel zur Speicherung von Energie gelegt. Ionistoren auf der Basis von "Graphenschaum" haben die ersten Tests erfolgreich bestanden, bei denen sie die Fähigkeit zeigten, sich mehr als achttausend Mal ohne Verschlechterung aufzuladen.