Un ionistor (supercondensador, ultracondensador, condensador electroquímico de doble capa) es un dispositivo electroquímico, un condensador con un electrolito orgánico o inorgánico , cuyas "placas" son una doble capa eléctrica en la interfaz entre el electrodo y el electrolito . Según sus características, ocupa una posición intermedia entre un condensador y una fuente de corriente química .
Debido a que el grosor de la doble capa eléctrica (es decir, la distancia entre las "placas" del condensador) es extremadamente pequeña debido al uso de electrolitos, y el área de los materiales porosos de las placas es colosal, la energía almacenada por el ionistor es mayor en comparación con los condensadores convencionales del mismo tamaño. Además, el uso de una doble capa eléctrica en lugar de un dieléctrico convencional permite aumentar considerablemente la superficie del electrodo. La capacitancia típica de un ionistor es de unos pocos faradios a un voltaje nominal de 2 a 10 voltios.
El primer condensador de doble capa sobre electrodos de carbono poroso fue patentado en 1957 por General Electric [1] . Dado que el mecanismo exacto no estaba claro en ese momento, se asumió que la energía se almacenaba en los poros de los electrodos, lo que llevó a la formación de "una capacidad de almacenamiento de carga excepcionalmente alta" . Un poco más tarde, en 1966, la Standard Oil de Ohio , Cleveland (SOHIO), EE . UU., patentó un elemento que almacenaba energía en una doble capa [2] .
Ante un bajo volumen de ventas, en 1971 SOHIO lo licenció a NEC , que comercializó con éxito el producto bajo el nombre de "Supercapacitor" (Supercapacitor). En 1978, Panasonic lanzó el "Condensador dorado", "Capuchón dorado", que funciona según el mismo principio. Estos condensadores tenían una resistencia interna relativamente alta que limitaba la potencia de salida y se usaban en circuitos de potencia de memoria volátil ( SRAM ) .
Los ionistas en la URSS se anunciaron en la revista Radio No. 5 en 1978. Estos eran ionistores KI1-1 y tenían una capacidad de 0.1 a 50 F, dependiendo del tamaño.
Los primeros ionistores con baja resistencia interna para uso en circuitos de alta potencia fueron desarrollados por PRI en 1982. Estos ionistores aparecieron en el mercado bajo el nombre de "PRI Ultracapacitor".
Con el advenimiento de los ionistores, se hizo posible usar capacitores en circuitos eléctricos no solo como elemento convertidor, sino también como fuente de voltaje. Ampliamente utilizado como reemplazo de las baterías para almacenar información sobre los parámetros del producto en ausencia de alimentación externa. Dichos elementos tienen varias ventajas y una serie de desventajas sobre las fuentes de corriente química convencionales : pilas galvánicas y baterías :
Los electrodos generalmente se fabrican utilizando materiales porosos como carbón activado o metales espumados; y estos metales se seleccionan de acuerdo con el tipo de electrolito. El área de superficie total de un material poroso de este tipo es muchas veces mayor que la de un material similar, pero con una superficie lisa, lo que permitió almacenar la carga en un volumen apropiado.
La densidad de energía de los ionistores sigue siendo varias veces menor que la capacidad de las baterías. Por ejemplo, la densidad de energía de un ionistor BCAP3000 (3000 F, 2,7 V) que pesa 0,51 kg es de 21,4 kJ/kg (6 Wh/kg). Esto es 7,6 veces menos que la densidad de energía de las baterías electrolíticas de plomo, 25 veces menos que las baterías de polímero de litio , pero diez veces más que la densidad de energía de un condensador electrolítico .
La densidad de potencia de un ionistor depende de la resistencia interna. En los últimos modelos de ionistores, la resistencia interna es bastante pequeña, lo que permite obtener una potencia comparable a la de una batería.
En 2008, investigadores indios desarrollaron un prototipo de ionistor basado en electrodos de grafeno con una capacidad de energía específica de hasta 32 Wh/kg, comparable a la de las baterías de plomo-ácido (30-40 Wh/kg) [5] .
En 2011, científicos coreanos dirigidos por el profesor Choi Jung-wook desarrollaron un supercondensador fabricado con grafeno y nitrógeno, que proporciona el doble de capacidad en comparación con las fuentes de energía convencionales de la misma clase. La mejora de las propiedades eléctricas de la batería se logró mediante la adición de nitrógeno [6] .
Los autobuses eléctricos alimentados por ionistores se denominan " capabuses ". Actualmente, los capabuses son producidos por Hyundai Motor , Trolza , Belkommunmash , LIAZ, NEFAZ y otros [7] .
Los capabuses de Hyundai Motor son autobuses ordinarios con un accionamiento eléctrico alimentado por ionistores a bordo. Tal como lo concibieron los diseñadores de Hyundai Motor, dicho autobús se cargará en cada segunda o cada tercera parada, y la duración de la parada es suficiente para recargar los ionistores del autobús. Hyundai Motor posiciona su capabus como un reemplazo económico para un trolebús (sin necesidad de establecer una red de contactos) o un autobús diésel (e incluso hidrógeno) (la electricidad sigue siendo más barata que el diésel o el combustible de hidrógeno).
Los capabuses de Trolza son técnicamente "trolebuses sin varillas". Es decir, estructuralmente, este es un trolebús, pero sin barras de alimentación de la red de contacto y, en consecuencia, con suministro de energía eléctrica de ionistores.
Pero los ionistores son especialmente prometedores como medio para implementar un sistema de funcionamiento autónomo para trolebuses convencionales. Un trolebús equipado con ionistores se acerca a un autobús en términos de maniobrabilidad . En particular, dicho trolebús puede:
Así, el sistema de trolebuses, que utiliza trolebuses equipados con ionistores, se acerca al sistema de autobuses habitual en términos de flexibilidad.
Desde mayo de 2017, se utilizan en Minsk los primeros autobuses eléctricos bielorrusos Belkommunmash E433 Vitovt Max Electro [8] . Los autobuses eléctricos se cargan en tres estaciones de carga ubicadas en los puntos finales de las rutas. La carga con una corriente de 500 amperios dura de 5 a 8 minutos. Un autobús eléctrico vacío recorre 20 km con una sola carga. Los ionistores son fabricados por Chengdu Sinju Silk Road Development LLC en el parque industrial chino-bielorruso Great Stone .
AutomociónYo-mobile , un proyecto de automóvil desarrollado en la Federación Rusa, utilizó un supercondensador como medio principal para almacenar energía eléctrica. Estos supercondensadores en sí mismos no se produjeron en masa y se desarrollaron en paralelo con el automóvil.
Carreras de autosEl sistema KERS utilizado en la Fórmula 1 utiliza ionistores.
Se utilizan como energía principal y de respaldo en linternas , linternas , reproductores de bolsillo y medidores de servicios públicos automáticos , donde sea que necesite cargar rápidamente el dispositivo. El detector láser de cáncer de mama sobre ionistores se carga en 2,5 minutos y funciona durante 1 minuto [9] .
Las tiendas de accesorios para automóviles venden ionistores con una capacidad de aproximadamente 1F, diseñados para alimentar radios de automóviles (y equipos alimentados desde el enchufe del encendedor de cigarrillos) con el encendido apagado y durante el arranque del motor (en muchos automóviles, todos los demás consumidores se apagan mientras el motor de arranque está encendido). en funcionamiento), así como para suavizar picos de tensión en picos de carga, por ejemplo, para el funcionamiento de altavoces potentes.
Según declaraciones de empleados del MIT en 2006 [10] , es posible que los ionistores pronto reemplacen a las baterías convencionales . Además, en 2009 se realizaron pruebas con una batería basada en un ionistor, en la que se introdujeron nanopartículas de hierro en el material poroso . La doble capa eléctrica resultante pasó electrones dos veces más rápido debido a la creación de un efecto túnel . Un grupo de científicos de la Universidad de Texas en Austin ha desarrollado un nuevo material, que es carbono poroso a granel. El carbono así obtenido tenía las propiedades de un supercondensador. El tratamiento del material descrito anteriormente con hidróxido de potasio condujo a la creación de una gran cantidad de diminutos poros en el carbono que, en combinación con el electrolito, pudieron almacenar una carga eléctrica colosal [11] .
En la actualidad, se ha creado una de las partes necesarias del condensador: un electrolito nanocompuesto sólido con conductividad de iones de litio. El desarrollo de electrodos para el condensador está en marcha. Una de las tareas es reducir el tamaño del ionistor debido a la estructura interna [12] .
Los científicos del Centro de Nanotecnología de la Universidad de Florida Central (UCF) desarrollaron un ionistor flexible en 2016, que consta de millones de cables nanométricos recubiertos con una capa de dicalcogenuros bidimensionales. Tal supercondensador puede soportar más de 30 mil ciclos de carga [13] .
En 2019, científicos rusos del Instituto de Ciencia y Tecnología Skolkovo (Skoltech) desarrollaron una nueva forma de reemplazar los átomos de carbono con átomos de nitrógeno en la red cristalina de los supercondensadores, lo que permite multiplicar por seis su capacidad, así como aumentar la estabilidad en la carga. -ciclos de descarga. El método inventado de tratamiento con plasma de nanoparedes de carbono de la red estructural de ionistores reemplaza hasta el 3% de los átomos de carbono con átomos de nitrógeno. La capacidad específica de la nanopared después de dicho tratamiento alcanza los 600 F/g [14] . Los científicos también explicaron, modelaron y describieron el mecanismo de incorporación de átomos de nitrógeno en la red de carbono. Este estudio allana el camino para la creación de supercondensadores flexibles de película delgada basados en nanoparedes de carbono [15] .
El artículo "Vamos a un condensador" (publicado por primera vez en la revista "Young Technician" en diciembre de 1990 ) proporciona una receta para hacer un ionistor (allí se llamaba "IONICS") con sus propias manos para un modelo de barco con motor. .
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