Ionistor sont des condensateurs électrochimiques à double couche ou des supercondensateurs. Leurs électrodes métalliques sont recouvertes de charbon actif hautement poreux, traditionnellement fabriqué à partir de coques de noix de coco, mais le plus souvent à partir d'aérogel de carbone, d'autres nanotubes de nanocarbone ou de graphène. Entre ces électrodes se trouve un séparateur poreux qui maintient les électrodes à distance, lorsqu'il est enroulé sur une spirale, tout cela est imprégné d'électrolyte. Certaines formes innovantes d'ionistor ont un électrolyte solide. Ils remplacent les batteries traditionnelles dans les alimentations sans coupure jusqu'aux camions, où ils utilisent un compresseur comme source d'alimentation.
Principe de fonctionnement
L'ionistor utilise l'action d'une double couche formée à l'interface entre le charbon et l'électrolyte. Le charbon actif est utilisé comme électrode sous forme solide et comme électrolyte sous forme liquide. Lorsque ces matériaux sont en contact les uns avec les autres, les pôles positif et négatif sont répartis l'un par rapport à l'autre partrès courte distance. Lors de l'application d'un champ électrique, la double couche électrique qui se forme près de la surface du carbone dans le liquide électrolytique est utilisée comme structure principale.
Avantage de conception:
- Fournit une capacité dans un petit appareil, pas besoin de circuits de charge spéciaux pour contrôler pendant la décharge dans les appareils suralimentés.
- La recharge ou la décharge excessive n'affecte pas la durée de vie de la batterie comme avec les batteries typiques.
- La technologie est extrêmement "propre" en termes d'écologie.
- Pas de problèmes avec des contacts instables comme les batteries normales.
Défauts de conception:
- La durée de fonctionnement est limitée en raison de l'utilisation d'électrolyte dans les appareils qui utilisent un supercondensateur.
- L'électrolyte peut fuir si le condensateur n'est pas correctement entretenu.
- Comparés aux condensateurs en aluminium, ces condensateurs ont des résistances élevées et ne peuvent donc pas être utilisés dans les circuits AC.
Grâce aux avantages décrits ci-dessus, les condensateurs électriques sont largement utilisés dans des applications telles que:
- Réservation de mémoire pour les minuteries, les programmes, l'alimentation de l'e-mobile, etc.
- Équipement vidéo et audio.
- Sources de sauvegarde lors du remplacement des piles pour les équipements électroniques portables.
- Alimentation pour les équipements solaires tels que les horloges et les indicateurs.
- Démarreurs pour petits moteurs mobiles.
Réactions redox
L'accumulateur de charge est situé à l'interface entre l'électrode et l'électrolyte. Pendant le processus de charge, les électrons se déplacent de l'électrode négative à l'électrode positive le long du circuit externe. Pendant la décharge, les électrons et les ions se déplacent dans la direction opposée. Il n'y a pas de transfert de charge dans un supercondensateur EDLC. Dans ce type de supercondensateur, une réaction redox se produit au niveau de l'électrode, qui génère des charges et transporte la charge à travers les doubles couches de la construction, où un ionistor est utilisé.
En raison de la réaction redox qui se produit dans ce type, il existe un potentiel de densité de puissance inférieure à celle de l'EDLC car les systèmes faradiques sont plus lents que les systèmes non faradiques. En règle générale, les pseudocondensateurs fournissent une capacité spécifique et une densité d'énergie plus élevées que les EDLC en raison du fait qu'ils sont du système Faraday. Cependant, le choix correct du supercondensateur dépend de l'application et de la disponibilité.
Matériaux à base de graphène
Le supercondensateur se caractérise par sa capacité à se recharger rapidement, bien plus vite qu'une batterie traditionnelle, mais il n'est pas capable de stocker autant d'énergie qu'une batterie car il a une densité d'énergie plus faible. Leur augmentation d'efficacité est obtenue grâce à l'utilisation de graphène et de nanotubes de carbone. Ils aideront dans le futur les ionistors à remplacer complètement les batteries électrochimiques. La nanotechnologie est aujourd'hui à l'origine de nombreuxinnovations, notamment dans l'e-mobile.
Le graphène augmente la capacité des supercondensateurs. Ce matériau révolutionnaire est constitué de feuilles dont l'épaisseur peut être limitée par l'épaisseur de l'atome de carbone et dont la structure atomique est ultra-dense. De telles caractéristiques peuvent remplacer le silicium dans l'électronique. Un séparateur poreux est placé entre deux électrodes. Cependant, les variations dans le mécanisme de stockage et le choix du matériau des électrodes conduisent à différentes classifications des supercondensateurs de grande capacité:
- Condensateurs électrochimiques à double couche (EDLC), qui utilisent principalement des électrodes à haute teneur en carbone et stockent leur énergie en adsorbant rapidement les ions à l'interface électrode/électrolyte.
- Les pseudo-condensateurs sont basés sur le processus phagique de transfert de charge à ou près de la surface de l'électrode. Dans ce cas, les polymères conducteurs et les oxydes de métaux de transition restent des matériaux électrochimiquement actifs, comme ceux que l'on trouve dans les montres électroniques à piles.
Dispositifs polymères flexibles
Le supercondensateur gagne et stocke de l'énergie à un taux élevé en formant des doubles couches de charge électrochimique ou par des réactions redox de surface, ce qui se traduit par une densité de puissance élevée avec une stabilité cyclique à long terme, un faible coût et une protection de l'environnement. Le PDMS et le PET sont les substrats les plus couramment utilisés dans la mise en œuvre des supercondensateurs flexibles. Dans le cas du film, PDMS peut créer desionistors transparents à couche mince dans les montres avec une stabilité cyclique élevée après 10 000 cycles de flexion.
Des nanotubes de carbone à paroi unique peuvent être davantage incorporés dans le film PDMS pour améliorer encore la stabilité mécanique, électronique et thermique. De même, les matériaux conducteurs tels que le graphène et les CNT sont également recouverts d'un film PET pour obtenir à la fois une flexibilité et une conductivité électrique élevées. Outre le PDMS et le PET, d'autres matériaux polymères suscitent également un intérêt croissant et sont synthétisés par diverses méthodes. Par exemple, une irradiation laser pulsée localisée a été utilisée pour transformer rapidement la surface primaire en une structure de carbone poreuse électriquement conductrice avec des graphiques spécifiés.
Les polymères naturels tels que la fibre de bois et les non-tissés en papier peuvent également être utilisés comme substrats, qui sont flexibles et légers. Le NTC est déposé sur du papier pour former une électrode souple en papier CNT. En raison de la grande flexibilité du substrat papier et de la bonne répartition des NTC, la capacité spécifique et la densité de puissance et d'énergie changent de moins de 5% après flexion pendant 100 cycles à un rayon de courbure de 4,5 mm. De plus, en raison d'une résistance mécanique plus élevée et d'une meilleure stabilité chimique, les papiers de nanocellulose bactérienne sont également utilisés pour fabriquer des supercondensateurs flexibles tels que le lecteur de cassette walkman.
Performance des supercondensateurs
Il est défini en termes del'activité électrochimique et les propriétés cinétiques chimiques, à savoir: la cinétique (transport) des électrons et des ions à l'intérieur des électrodes et l'efficacité du taux de transfert de charge vers l'électrode/l'électrolyte. La surface spécifique, la conductivité électrique, la taille des pores et les différences sont importantes pour des performances élevées lors de l'utilisation de matériaux en carbone à base d'EDLC. Le graphène, avec sa conductivité électrique élevée, sa grande surface et sa structure intercalaire, est attrayant pour une utilisation dans EDLC.
Dans le cas des pseudocondensateurs, bien qu'ils offrent une capacité supérieure par rapport aux EDLC, ils sont toujours limités en densité par la faible puissance de la puce CMOS. Cela est dû à une mauvaise conductivité électrique, qui limite les mouvements électroniques rapides. De plus, le processus redox qui pilote le processus de charge/décharge peut endommager les matériaux électroactifs. La conductivité électrique élevée du graphène et son excellente résistance mécanique en font un matériau idéal pour les pseudocondensateurs.
Des études d'adsorption sur le graphène ont montré qu'elle se produit principalement à la surface des feuilles de graphène avec accès à de grands pores (c'est-à-dire que la structure intercouche est poreuse, permettant un accès facile aux ions électrolytes). Ainsi, l'agglomération de graphène non poreux doit être évitée pour de meilleures performances. Les performances peuvent être encore améliorées par la modification de surface par l'ajout de groupes fonctionnels, l'hybridation avec des polymères électriquement conducteurs et par la formation de composites graphène/oxydemétal.
Comparaison des condensateurs
Les supercondensateurs sont idéaux lorsqu'une charge rapide est nécessaire pour répondre aux besoins d'alimentation à court terme. La batterie hybride répond aux deux besoins et abaisse la tension pour une durée de vie plus longue. Le tableau ci-dessous montre la comparaison des caractéristiques et des principaux matériaux des condensateurs.
| Condensateur électrique double couche, désignation ionistor | Condensateur électrolytique en aluminium | Batterie Ni-cd | Batterie scellée au plomb | |
| Utiliser la plage de température | -25 à 70°C | -55 à 125 °C | -20 à 60 °C | -40 à 60 °C |
| Électrodes | Charbon actif | Aluminium | (+) NiOOH (-) Cd |
(+) PbO2 (-) Pb |
| Liquide électrolytique | Solvant organique | Solvant organique | KOH |
H2SO4 |
| Méthode de la force électromotrice | Utilisation de l'effet double couche électrique naturel comme diélectrique | Utilisation d'oxyde d'aluminium comme diélectrique | Utiliser une réaction chimique | Utiliser une réaction chimique |
| Pollution | Non | Non | CD | Pb |
| Nombre de cycles de charge/décharge | > 100 000 fois | > 100 000 fois | 500 fois | 200 à 1000 fois |
| Capacité par unité de volume | 1 | 1/1000 | 100 | 100 |
Caractéristiques de charge
Temps de charge 1-10 secondes. La charge initiale peut être effectuée très rapidement et la charge maximale prendra plus de temps. Il convient de veiller à limiter le courant d'appel lors de la charge d'un supercondensateur vide, car il en tirera le plus possible. Le supercondensateur n'est pas rechargeable et ne nécessite pas de détection de charge complète, le courant cesse simplement de circuler lorsqu'il est plein. Comparaison des performances entre le compresseur pour voiture et le Li-ion.
| Fonction | Ionistor | Li-Ion (général) |
| Temps de charge | 1-10 secondes | 10-60 minutes |
| Cycle de vie de la montre | 1 million ou 30 000 | 500 et plus |
| Tension | Du 2, 3 au 2, 75B | 3, 6 B |
| Énergie spécifique (W/kg) | 5 (typique) | 120-240 |
| Puissance spécifique (W/kg) | Jusqu'à 10000 | 1000-3000 |
| Coût par kWh | $10,000 | 250-1 000 $ |
| À vie | 10-15 ans | 5 à 10 ans |
| Température de charge | -40 à 65°C | 0 à 45 °C |
| Température de décharge | -40 à 65°C | -20 à 60°C |
Avantages des chargeurs
Les véhicules ont besoin d'un regain d'énergie supplémentaire pour accélérer, et c'est là qu'interviennent les compresseurs. Ils ont une limite sur la charge totale, mais ils sont capables de la transférer très rapidement, ce qui en fait des batteries idéales. Leurs avantages par rapport aux batteries traditionnelles:
- La faible impédance (ESR) augmente le courant de surtension et la charge lorsqu'il est connecté en parallèle avec la batterie.
- Cycle très élevé - la décharge prend de quelques millisecondes à quelques minutes.
- Chute de tension par rapport à un appareil alimenté par batterie sans supercondensateur.
- Haute efficacité à 97-98 %, et l'efficacité DC-DC dans les deux sens est de 80 % à 95 % dans la plupart des applications, telles quemagnétoscope avec ionistors.
- Dans un véhicule électrique hybride, l'efficacité des ronds-points est 10 % supérieure à celle d'une batterie.
- Fonctionne bien sur une très large plage de températures, généralement de -40 C à +70 C, mais peut aller de -50 C à +85 C, versions spéciales disponibles jusqu'à 125 C.
- Petite quantité de chaleur générée pendant la charge et la décharge.
- Longue durée de vie avec une grande fiabilité, réduisant les coûts de maintenance.
- Légère dégradation sur des centaines de milliers de cycles et pouvant durer jusqu'à 20 millions de cycles.
- Ils ne perdent pas plus de 20 % de leur capacité après 10 ans et ont une durée de vie de 20 ans ou plus.
- Résistant à l'usure.
- N'affecte pas les décharges profondes comme les batteries.
- Sécurité accrue par rapport aux batteries - aucun risque de surcharge ou d'explosion.
- Ne contient aucune matière dangereuse à éliminer en fin de vie contrairement à de nombreuses batteries.
- Conforme aux normes environnementales, il n'y a donc pas d'élimination ou de recyclage compliqué.
Technologie de retenue
Le supercondensateur se compose de deux couches de graphène avec une couche d'électrolyte au milieu. Le film est solide, extrêmement fin et capable de libérer une grande quantité d'énergie en peu de temps, mais néanmoins, certains problèmes non résolus freinent les progrès technologiques dans cette direction. Inconvénients du supercondensateur par rapport aux batteries rechargeables:
- Faible densité d'énergie - généralementprend de 1/5 à 1/10 de l'énergie d'une batterie électrochimique.
- Décharge de ligne - incapacité à utiliser le spectre d'énergie complet, selon l'application, toute l'énergie n'est pas disponible.
- Comme pour les batteries, les cellules sont à basse tension, des connexions série et un équilibrage de tension sont nécessaires.
- L'autodécharge est souvent supérieure à celle des batteries.
- La tension varie en fonction de l'énergie stockée - un stockage et une récupération efficaces de l'énergie nécessitent un équipement de commande et de commutation électronique sophistiqué.
- A l'absorption diélectrique la plus élevée de tous les types de condensateurs.
- La température d'utilisation supérieure est généralement de 70 C ou moins et dépasse rarement 85 C.
- La plupart contiennent un électrolyte liquide qui réduit la taille nécessaire pour éviter une décharge rapide par inadvertance.
- Coût élevé de l'électricité par watt.
Stockage hybride
La conception spéciale et la technologie embarquée de l'électronique de puissance ont été développées pour produire des modules de condensateurs avec une nouvelle structure. Comme leurs modules doivent être fabriqués à l'aide de nouvelles technologies, ils peuvent être intégrés dans des panneaux de carrosserie tels que le toit, les portes et le couvercle du coffre. De plus, de nouvelles technologies d'équilibrage d'énergie ont été inventées qui réduisent les pertes d'énergie et la taille des circuits d'équilibrage d'énergie dans les systèmes de stockage d'énergie et d'appareils.
Une série de technologies connexes ont également été développées, telles que le contrôle de charge etdécharge, ainsi que des connexions à d'autres systèmes de stockage d'énergie. Un module de supercondensateur d'une capacité nominale de 150F, une tension nominale de 50V peut être placé sur des surfaces planes et courbes d'une surface de 0,5 mètre carré. m et 4 cm d'épaisseur. Applications applicables aux véhicules électriques et peuvent être intégrées à diverses parties du véhicule et à d'autres cas où des systèmes de stockage d'énergie sont nécessaires.
Application et perspectives
Aux États-Unis, en Russie et en Chine, il existe des bus sans batteries de traction, tout le travail est effectué par des ionistors. General Electric a développé une camionnette avec un supercondensateur pour remplacer la batterie, similaire à ce qui s'est passé dans certaines fusées, jouets et outils électriques. Des tests ont montré que les supercondensateurs surpassent les batteries au plomb dans les éoliennes, ce qui a été réalisé sans que la densité d'énergie des supercondensateurs ne se rapproche de celle des batteries au plomb.
Il est maintenant clair que les supercondensateurs enterreront les batteries au plomb au cours des prochaines années, mais ce n'est qu'une partie de l'histoire, car ils s'améliorent plus rapidement que la concurrence. Des fournisseurs tels qu'Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments et Skeleton Technologies ont déclaré qu'ils dépassaient la densité d'énergie des batteries au plomb avec leurs supercondensateurs et superbactéries, dont certaines correspondent théoriquement à la densité d'énergie des ions lithium.
Cependant, l'ionistor d'un véhicule électrique est l'un des aspects de l'électronique et de l'électrotechnique quiignoré par la presse, les investisseurs, les fournisseurs potentiels et de nombreuses personnes qui vivent avec l'ancienne technologie, malgré la croissance rapide du marché de plusieurs milliards de dollars. Par exemple, pour les véhicules terrestres, nautiques et aériens, il existe environ 200 grands fabricants de moteurs de traction et 110 grands fournisseurs de batteries de traction contre quelques fabricants de supercondensateurs. En général, il n'y a pas plus de 66 grands fabricants d'ionistors dans le monde, dont la plupart ont concentré leur production sur des modèles plus légers destinés à l'électronique grand public.
