Ionistor adalah kapasitor yang pelatnya merupakan lapisan listrik ganda antara elektroda dan elektrolit. Nama lain dari perangkat ini adalah superkapasitor, ultrakapasitor, kapasitor elektrokimia dua lapis atau ionix. Ia mempunyai kapasitas yang besar sehingga memungkinkan untuk digunakan sebagai sumber arus.

Perangkat superkapasitor

Prinsip pengoperasian ionistor mirip dengan kapasitor konvensional, tetapi perangkat ini berbeda dalam bahan yang digunakan. Bahan berpori digunakan sebagai pelapis pada elemen tersebut - karbon aktif, yang merupakan konduktor yang baik, atau logam berbusa. Hal ini memungkinkan luasnya ditingkatkan berkali-kali lipat dan, karena kapasitansi kapasitor berbanding lurus dengan luas elektroda, maka kapasitansinya meningkat pada tingkat yang sama. Selain itu, elektrolit digunakan sebagai dielektrik, seperti pada kapasitor elektrolitik, yang mengurangi jarak antara pelat dan meningkatkan kapasitansi. Parameter yang paling umum adalah beberapa farad pada tegangan 5-10V.

Jenis ionistor

Ada beberapa jenis perangkat tersebut:

• Dengan elektroda karbon aktif yang dapat terpolarisasi sempurna. Reaksi elektrokimia tidak terjadi pada unsur-unsur tersebut. Larutan natrium hidroksida (30% KOH), asam sulfat (38% H2SO4) atau elektrolit organik digunakan sebagai elektrolit;
• Elektroda karbon aktif yang terpolarisasi sempurna digunakan sebagai satu pelat. Elektroda kedua lemah atau tidak terpolarisasi (anoda atau katoda, tergantung desain);
• Kapasitor semu. Pada perangkat ini, reaksi elektrokimia reversibel terjadi pada permukaan pelat. Mereka mempunyai kapasitas yang besar.

Keuntungan dan kerugian ionistor

Perangkat tersebut digunakan sebagai pengganti baterai atau akumulator. Dibandingkan dengan mereka, elemen-elemen tersebut memiliki kelebihan dan kekurangan.

Kekurangan superkapasitor:

• arus pelepasan rendah pada elemen umum, dan desain tanpa kelemahan ini sangat mahal;
• tegangan pada keluaran perangkat turun selama pengosongan;
• jika terjadi korsleting pada elemen berkapasitas tinggi dengan resistansi internal rendah, kontak akan terbakar;
• penurunan tegangan dan laju pelepasan yang diizinkan dibandingkan dengan kapasitor konvensional;
• arus self-discharge yang lebih tinggi dibandingkan pada baterai.

Keuntungan ultrakapasitor:

• kecepatan, arus pengisian dan pengosongan yang lebih tinggi daripada baterai;
• daya tahan - saat diuji setelah 100.000 siklus pengisian/pengosongan, tidak ada penurunan parameter yang tercatat;
• resistansi internal yang tinggi di sebagian besar desain, mencegah self-discharge dan kegagalan jika terjadi korsleting;
• umur panjang;
• lebih sedikit volume dan berat;
• bipolaritas - pabrikan menandai "+" dan "-", tetapi ini adalah polaritas muatan yang diterapkan selama pengujian produksi;
• berbagai suhu pengoperasian dan ketahanan terhadap beban mekanis yang berlebihan.

Kepadatan Energi

Kemampuan menyimpan energi dalam superkapasitor 8 kali lebih kecil dibandingkan baterai timbal, dan 25 kali lebih kecil dibandingkan baterai litium. Kepadatan energi bergantung pada resistansi internal: semakin rendah, semakin tinggi kapasitas energi spesifik perangkat. Perkembangan terkini para ilmuwan memungkinkan terciptanya elemen yang kemampuannya menyimpan energi sebanding dengan baterai timbal.

Pada tahun 2008, sebuah ionistor dibuat di India, yang pelatnya terbuat dari graphene. Intensitas energi unsur ini adalah 32 (Wh)/kg. Sebagai perbandingan, kapasitas energi aki mobil adalah 30-40 (Wh)/kg. Pengisian daya yang dipercepat pada perangkat ini memungkinkannya digunakan pada kendaraan listrik.

Pada tahun 2011, desainer Korea menciptakan perangkat yang, selain graphene, juga menggunakan nitrogen. Unsur ini memberikan intensitas energi spesifik dua kali lipat.

Referensi. Graphene adalah lapisan karbon, tebal 1 atom.

Penerapan ionistor

Sifat kelistrikan superkapasitor digunakan dalam berbagai bidang teknologi.

Transportasi umum

Bus listrik yang menggunakan ionistor sebagai pengganti baterai diproduksi oleh Hyundai Motor, Trolza, Belkommunmash dan beberapa lainnya.

Bus-bus ini secara struktural mirip dengan bus troli tanpa palang dan tidak memerlukan jaringan kontak. Pengisian ulangnya dilakukan di halte saat turun dan naik penumpang atau di titik akhir rute dalam 5-10 menit.

Bus troli yang dilengkapi ionistor mampu melewati jalur kontak yang putus dan kemacetan lalu lintas serta tidak memerlukan kabel di depo dan tempat parkir di titik akhir rute.

Mobil listrik

Masalah utama kendaraan listrik adalah waktu pengisian yang lama. Ultrakapasitor dengan arus pengisian tinggi dan waktu pengisian singkat memungkinkan pengisian ulang saat berhenti sebentar.

Di Rusia, Yo-mobile telah dikembangkan yang menggunakan ionistor yang dibuat khusus sebagai baterainya.

Selain itu, memasang superkapasitor secara paralel dengan baterai memungkinkan Anda meningkatkan arus yang dikonsumsi oleh motor listrik selama penyalaan dan akselerasi. Sistem ini digunakan di KERS, di mobil Formula 1.

Elektronik konsumen

Perangkat ini digunakan dalam lampu kilat foto dan perangkat lain yang menganggap kemampuan pengisian dan pengosongan daya dengan cepat lebih penting daripada ukuran dan berat perangkat. Misalnya, detektor kanker mengisi daya dalam 2,5 menit dan beroperasi selama 1 menit. Ini cukup untuk melakukan penelitian dan mencegah situasi di mana perangkat tidak dapat dioperasikan karena baterai habis.

Di toko mobil Anda dapat membeli ionistor dengan kapasitas 1 farad untuk digunakan secara paralel dengan radio mobil. Mereka memuluskan fluktuasi tegangan saat mesin dihidupkan.

ionistor buatan sendiri

Jika mau, Anda bisa membuat superkapasitor dengan tangan Anda sendiri. Perangkat semacam itu akan memiliki parameter yang lebih buruk dan tidak akan bertahan lama (sampai elektrolitnya mengering), tetapi akan memberikan gambaran tentang pengoperasian perangkat tersebut secara umum.

Untuk membuat ionistor dengan tangan Anda sendiri, Anda memerlukan:

• tembaga atau aluminium foil;
• garam meja;
• karbon aktif dari apotek;
• kapas;
• kabel fleksibel untuk kabel;
• kotak plastik untuk kasingnya.

Prosedur pembuatan ultrakapasitor adalah sebagai berikut:

• potong dua lembar kertas timah sedemikian besar sehingga muat di bagian bawah kotak;
• solder kabel ke kertas timah;
• basahi batu bara dengan air, giling menjadi bubuk dan keringkan;
• siapkan larutan garam 25%;
• campur bubuk batu bara dengan larutan garam hingga menjadi pasta;
• basahi kapas dengan larutan garam;
• oleskan pasta dalam lapisan tipis dan rata pada kertas timah;
• membuat "sandwich": kertas timah dengan arang di atas, lapisan tipis kapas, kertas timah dengan arang di bawah;
• tempatkan struktur di dalam kotak.

Tegangan yang diizinkan dari perangkat tersebut adalah 0,5 V. Jika terlampaui, proses elektrolisis dimulai, dan ionistor berubah menjadi baterai gas.

Menarik. Jika Anda merakit beberapa struktur seperti itu, tegangan operasi akan meningkat, tetapi kapasitasnya akan turun.

Ionistor merupakan perangkat listrik yang menjanjikan, berkat tingkat pengisian dan pengosongannya yang tinggi, dapat menggantikan baterai konvensional.

Video

Desas-desus seputar pembangunan "Battery Gigafactory" oleh Elon Musk untuk produksi baterai lithium-ion belum mereda, ketika sebuah pesan muncul tentang sebuah peristiwa yang secara signifikan dapat menyesuaikan rencana "miliarder revolusioner".
Ini adalah siaran pers terbaru dari perusahaan. Sunvault Energy Inc., yang bersama-sama dengan Perusahaan Listrik Edison berhasil menciptakan superkapasitor graphene terbesar di dunia dengan kapasitas 10 ribu (!) Farad.
Angka ini begitu fenomenal sehingga menimbulkan keraguan di kalangan ahli dalam negeri - di bidang teknik kelistrikan bahkan 20 Mikrofarad (yaitu 0,02 Milifarad), itu sudah banyak. Namun tidak ada keraguan bahwa direktur Sunvault Energy adalah Bill Richardson, mantan gubernur New Mexico dan mantan Menteri Energi AS.

Bill Richardson adalah orang yang terkenal dan dihormati: dia menjabat sebagai duta besar AS untuk PBB, bekerja selama beberapa tahun di lembaga pemikir Kissinger dan McLarty, dan bahkan dinominasikan untuk Hadiah Nobel atas keberhasilannya dalam membebaskan orang Amerika yang ditangkap oleh militan. di berbagai “hot spot” perdamaian. Pada tahun 2008, ia adalah salah satu calon presiden Amerika Serikat dari Partai Demokrat, tetapi kalah dari Barack Obama.

Saat ini, Sunvault berkembang pesat, setelah menciptakan usaha patungan dengan Edison Power Company yang disebut Supersunvault, dan dewan direksi perusahaan baru tersebut tidak hanya mencakup ilmuwan (salah satu direkturnya adalah ahli biokimia, yang lain adalah ahli onkologi yang giat), tetapi juga juga orang-orang terkenal dengan kecerdasan bisnis yang baik. Saya perhatikan bahwa hanya dalam dua bulan terakhir perusahaan telah meningkatkan kapasitas superkapasitornya sepuluh kali lipat - dari seribu menjadi 10.000 Farad, dan berjanji untuk meningkatkannya lebih jauh lagi sehingga energi yang terkumpul di kapasitor cukup untuk memberi daya pada seluruh rumah. Artinya, Sunvault siap berperan langsung sebagai pesaing Elon Musk yang berencana memproduksi superbaterai tipe Powerwall dengan kapasitas sekitar 10 kWh.

Manfaat teknologi graphene dan akhir dari Gigafactory. Di sini kita perlu mengingat perbedaan utama antara kapasitor dan baterai - jika kapasitor diisi dan dikosongkan dengan cepat, tetapi mengumpulkan sedikit energi, maka baterai - sebaliknya. Catatankeuntungan utama dari superkapasitor graphene.

1. V Pengisian cepat

2. — kapasitor mengisi daya sekitar 100-1000 kali lebih cepat daripada baterai. Murahnya

3. : jika baterai litium-ion konvensional berharga sekitar $500 per 1 kWh akumulasi energi, maka superkapasitor hanya berharga $100, dan pada akhir tahun pembuatnya berjanji untuk mengurangi biayanya menjadi $40. Berdasarkan komposisinya, ini adalah karbon biasa - salah satu unsur kimia paling umum di Bumi.. Superkapasitor graphene baru tidak hanya memukau dengan kapasitasnya yang luar biasa, yang melebihi sampel yang diketahui sekitar seribu kali lipat, tetapi juga dengan kekompakannya - ukurannya sebesar buku kecil, yaitu seratus kali lebih kompak daripada kapasitor 1 Farad. saat ini digunakan.

4. Keamanan dan keramahan lingkungan. Mereka jauh lebih aman daripada baterai, yang memanas, mengandung bahan kimia berbahaya, dan kadang-kadang bahkan meledak. Graphene sendiri merupakan zat yang dapat terurai secara hayati, yaitu mudah hancur di bawah sinar matahari dan tidak merusak lingkungan. Ini secara kimia tidak aktif dan tidak membahayakan lingkungan.

5. Kesederhanaan teknologi baru untuk memproduksi graphene. Wilayah yang luas dan investasi modal, banyaknya pekerja, zat beracun dan berbahaya yang digunakan dalam proses teknologi baterai lithium-ion - semua ini sangat kontras dengan kesederhanaan luar biasa dari teknologi baru. Faktanya adalah bahwa graphene (yaitu, film karbon monoatomik tertipis) diproduksi di Sunvault... menggunakan CD biasa yang di atasnya dituangkan sebagian suspensi grafit. Kemudian disk dimasukkan ke dalam drive DVD biasa dan dibakar dengan laser menggunakan program khusus - dan lapisan graphene sudah siap! Dilaporkan bahwa penemuan ini terjadi secara tidak sengaja - oleh mahasiswa Maher El-Kadi, yang bekerja di laboratorium ahli kimia Richard Kaner. Dia kemudian membakar disk tersebut menggunakan software LightScribe untuk menghasilkan lapisan graphene.
Selain itu, seperti yang dikatakan CEO Sunvault Gary Monahan pada konferensi Wall Street, perusahaan tersebut sedang berupaya untuk melakukannya perangkat penyimpanan energi graphene dapat diproduksi dengan pencetakan konvensional pada printer 3D- dan ini akan membuat produksinya tidak hanya murah, tetapi juga praktis universal. Dan jika dikombinasikan dengan panel surya yang murah (saat ini biayanya turun menjadi $1,3 per W), superkapasitor graphene akan memberikan jutaan orang peluang untuk memperoleh kemandirian energi dengan sepenuhnya memutuskan sambungan dari jaringan pasokan listrik, dan terlebih lagi - menjadi pemasok listrik. diri mereka sendiri dan, dengan menghancurkan monopoli “alami”.
Jadi, tidak ada keraguan: graphene superkapasitor adalah terobosan revolusioner di bidang penyimpanan energi dan . Dan ini adalah berita buruk bagi Elon Musk - pembangunan pabrik di Nevada akan menelan biaya sekitar $5 miliar, yang akan sulit diperoleh kembali bahkan tanpa pesaing seperti itu. Tampaknya meskipun pembangunan pabrik di Nevada sudah berlangsung dan kemungkinan besar akan selesai, tiga pabrik lainnya yang direncanakan Musk kemungkinan besar tidak akan selesai.

Memasuki pasar? Tidak secepat yang kita inginkan.

Sifat revolusioner dari teknologi tersebut jelas terlihat. Hal lain yang tidak jelas - kapan akan memasuki pasar? Saat ini, proyek Gigafactory lithium-ion Elon Musk yang besar dan mahal tampak seperti dinosaurus industrialisme. Namun, betapapun revolusioner, penting, dan ramah lingkungannya sebuah teknologi baru, bukan berarti teknologi tersebut akan sampai kepada kita dalam satu atau dua tahun. Dunia modal tidak dapat menghindari guncangan finansial, namun cukup berhasil menghindari guncangan teknologi. Dalam kasus seperti ini, perjanjian di balik layar antara investor besar dan pemain politik akan ikut berperan. Patut diingat bahwa Sunvault adalah sebuah perusahaan yang berlokasi di Kanada, dan dewan direksinya mencakup orang-orang yang, meskipun memiliki koneksi luas dalam elit politik Amerika Serikat, masih belum menjadi bagian dari inti petrodolarnya, yang mana mereka lebih atau tidak kurang jelas perlawanannya tampaknya sudah dimulai.
Yang paling penting bagi kami adalah Peluang yang ditawarkan oleh teknologi energi baru: kemandirian energi untuk negara, dan di masa depan - untuk setiap warga negaranya. Tentu saja, superkapasitor graphene lebih merupakan teknologi transisi “hibrida”; tidak memungkinkan pembangkitan energi secara langsung teknologi magneto-gravitasi, yang berjanji untuk sepenuhnya mengubah paradigma ilmiah itu sendiri dan penampilan seluruh dunia. Akhirnya ada teknologi keuangan revolusioner, yang sebenarnya dianggap tabu oleh mafia petrodolar global. Namun, ini merupakan terobosan yang sangat mengesankan, dan menjadi lebih menarik lagi karena hal ini terjadi di “sarang binatang petrodolar” – di Amerika Serikat.
Enam bulan yang lalu saya menulis tentang keberhasilan orang Italia dalam teknologi fusi dingin, tetapi selama ini kami belajar tentang teknologi LENR yang mengesankan dari perusahaan Amerika SolarTrends, dan tentang terobosan Gaya-Rosch Jerman, dan sekarang tentang teknologi yang sesungguhnya. teknologi revolusioner perangkat penyimpanan graphene. Bahkan daftar pendek ini menunjukkan bahwa masalahnya bukan pada ketidakmampuan pemerintah kita atau negara lain untuk mengurangi tagihan yang kita terima untuk gas dan listrik, dan bahkan dalam perhitungan tarif yang tidak transparan.
Akar kejahatannya adalah ketidaktahuan mereka yang membayar tagihan dan keengganan mereka yang mengeluarkannya untuk mengubah apapun . Hanya bagi masyarakat awam, energi adalah listrik. Pada kenyataannya, energi diri adalah kekuatan.

Publikasi ilmiah Science melaporkan terobosan teknologi yang dilakukan oleh para ilmuwan Australia di bidang pembuatan superkapasitor.

Karyawan Monash University yang berlokasi di Melbourne berhasil mengubah teknologi produksi superkapasitor berbahan graphene sedemikian rupa sehingga produk yang dihasilkan lebih menarik secara komersial dibandingkan analog yang sudah ada sebelumnya.

Para ahli telah lama membicarakan tentang kualitas magis superkapasitor berbasis graphene, dan uji laboratorium telah berulang kali secara meyakinkan membuktikan fakta bahwa superkapasitor tersebut lebih baik daripada superkapasitor konvensional. Kapasitor dengan awalan "super" seperti itu diharapkan oleh para pencipta elektronik modern, perusahaan mobil dan bahkan pembangun sumber listrik alternatif, dll.

Siklus hidup yang sangat panjang, serta kemampuan superkapasitor untuk mengisi daya dalam jangka waktu sesingkat mungkin, memungkinkan para perancang menggunakannya untuk memecahkan masalah kompleks saat merancang berbagai perangkat. Namun hingga saat itu, kemajuan kapasitor graphene terhalang oleh energi spesifiknya yang rendah dan... Rata-rata, sebuah ionistor atau superkapasitor memiliki indikator energi spesifik sekitar 5–8 Wh/kg, yang, dengan latar belakang pelepasan yang cepat, membuat produk graphene bergantung pada kebutuhan untuk sering menyediakan pengisian ulang.

Pegawai Departemen Riset Manufaktur Material Australia dari Melbourne, dipimpin oleh Profesor Dan Lee, berhasil meningkatkan kepadatan energi spesifik kapasitor graphene sebanyak 12 kali lipat. Sekarang angka untuk kapasitor baru adalah 60 W*h/kg, dan ini sudah menjadi alasan untuk membicarakan revolusi teknis di bidang ini. Para penemu berhasil mengatasi masalah pengosongan cepat superkapasitor graphene, memastikan bahwa pengosongannya sekarang lebih lambat daripada baterai standar.

Sebuah penemuan teknologi membantu para ilmuwan mencapai hasil yang mengesankan: mereka mengambil film gel graphene adaptif dan membuat elektroda yang sangat kecil darinya. Para penemu mengisi ruang antara lembaran graphene dengan cairan elektrolit sehingga terbentuk jarak subnanometer di antara keduanya. Elektrolit ini juga terdapat pada kapasitor konvensional, yang berfungsi sebagai penghantar listrik. Di sini tidak hanya menjadi konduktor, tetapi juga menjadi penghalang kontak lembaran graphene satu sama lain. Langkah inilah yang memungkinkan tercapainya kepadatan kapasitor yang lebih tinggi dengan tetap mempertahankan struktur berpori.

Elektroda kompak itu sendiri dibuat menggunakan teknologi yang sudah tidak asing lagi bagi produsen kertas yang kita semua kenal. Metode ini cukup murah dan sederhana, sehingga kita bisa optimis terhadap kemungkinan produksi komersial superkapasitor baru.

Para jurnalis segera meyakinkan dunia bahwa umat manusia telah menerima insentif untuk mengembangkan perangkat elektronik yang benar-benar baru. Penemunya sendiri, melalui mulut Profesor Lee, berjanji akan membantu superkapasitor graphene dengan sangat cepat menempuh jalur dari laboratorium ke pabrik.

Suka atau tidak, era mobil listrik semakin dekat. Dan saat ini, hanya satu teknologi yang menghambat terobosan dan pengambilalihan pasar oleh kendaraan listrik, teknologi penyimpanan energi listrik, dan lain-lain. Terlepas dari semua pencapaian para ilmuwan dalam bidang ini, sebagian besar mobil listrik dan hibrida memiliki baterai lithium-ion dalam desainnya, yang memiliki sisi positif dan negatif, dan dapat memberikan mobil satu kali pengisian daya hanya untuk jarak pendek, cukup hanya untuk perjalanan dalam batas kota. Semua produsen mobil terkemuka di dunia memahami masalah ini dan mencari cara untuk meningkatkan efisiensi kendaraan listrik, yang akan meningkatkan jarak berkendara dengan sekali pengisian baterai.

Salah satu cara untuk meningkatkan efisiensi mobil listrik adalah dengan mengumpulkan dan menggunakan kembali energi yang berubah menjadi panas saat mobil direm dan saat mobil melaju di permukaan jalan yang tidak rata. Metode untuk mengembalikan energi tersebut telah dikembangkan, namun efisiensi pengumpulan dan penggunaan kembali sangat rendah karena rendahnya kecepatan pengoperasian baterai. Waktu pengereman biasanya diukur dalam hitungan detik, yang terlalu cepat untuk baterai yang memerlukan waktu berjam-jam untuk diisi. Oleh karena itu, untuk mengumpulkan energi “cepat”, diperlukan pendekatan dan perangkat penyimpanan lain, yang kemungkinan besar berperan sebagai kapasitor berkapasitas tinggi, yang disebut superkapasitor.

Sayangnya, superkapasitor belum siap digunakan; meskipun faktanya superkapasitor dapat diisi dan dikosongkan dengan cepat, kapasitasnya masih relatif rendah. Selain itu, keandalan superkapasitor juga masih menyisakan banyak hal yang diinginkan; bahan yang digunakan dalam elektroda superkapasitor terus-menerus rusak akibat siklus pengisian-pengosongan yang berulang. Dan ini hampir tidak dapat diterima mengingat fakta bahwa selama masa pakai mobil listrik, jumlah siklus operasi superkapasitor harus jutaan kali lipat.

Santhakumar Kannappan dan sekelompok rekannya dari Institut Sains dan Teknologi, Gwangju, Korea, memiliki solusi untuk masalah di atas, yang didasarkan pada salah satu bahan paling menakjubkan di zaman kita - graphene. Peneliti Korea telah mengembangkan dan memproduksi prototipe superkapasitor berbasis graphene yang sangat efisien, yang parameter kapasitifnya tidak kalah dengan baterai lithium-ion, tetapi mampu mengumpulkan dan melepaskan muatan listriknya dengan sangat cepat. Selain itu, bahkan prototipe superkapasitor graphene dapat menahan puluhan ribu siklus operasi tanpa kehilangan karakteristiknya.
Trik untuk mencapai hasil yang mengesankan adalah dengan memperoleh bentuk khusus graphene, yang memiliki luas permukaan efektif yang sangat besar. Para peneliti membuat bentuk graphene ini dengan mencampurkan partikel graphene oksida dengan hidrazin dalam air dan menghancurkan semuanya menggunakan ultrasound. Serbuk graphene yang dihasilkan dikemas dalam pelet berbentuk cakram dan dikeringkan pada suhu 140 derajat Celcius dan tekanan 300 kg/cm selama lima jam.

Bahan yang dihasilkan ternyata sangat berpori; satu gram bahan graphene tersebut memiliki luas efektif yang sama dengan luas lapangan basket. Selain itu, sifat berpori dari bahan ini memungkinkan cairan elektrolitik ionik EBIMF 1 M mengisi seluruh volume bahan secara penuh, yang menyebabkan peningkatan kapasitas listrik superkapasitor.

Pengukuran karakteristik superkapasitor eksperimental menunjukkan kapasitas listriknya sekitar 150 Farad per gram, kerapatan penyimpanan energi 64 watt per kilogram, dan rapat arus listrik 5 ampere per gram. Semua karakteristik ini sebanding dengan baterai lithium-ion, yang kepadatan penyimpanan energinya berkisar antara 100 hingga 200 watt per kilogram. Namun superkapasitor ini memiliki satu keuntungan besar: mereka dapat mengisi penuh atau melepaskan seluruh muatan yang tersimpan hanya dalam 16 detik. Dan kali ini merupakan waktu charge-discharge tercepat hingga saat ini.

Serangkaian karakteristik yang mengesankan ini, ditambah teknologi manufaktur superkapasitor graphene yang sederhana, dapat membenarkan klaim para peneliti, yang menulis bahwa “perangkat penyimpanan energi superkapasitor graphene mereka sekarang siap untuk produksi massal dan dapat muncul di mobil listrik generasi mendatang. ”

Sekelompok ilmuwan dari Rice University telah mengadaptasi metode yang mereka kembangkan untuk memproduksi graphene menggunakan laser untuk membuat elektroda superkapasitor.

Sejak penemuannya, graphene, suatu bentuk karbon yang kisi kristalnya tebal secara monotom, antara lain telah dianggap sebagai alternatif elektroda karbon aktif yang digunakan dalam superkapasitor, kapasitor dengan kapasitansi tinggi dan arus bocor rendah. Namun waktu dan penelitian telah menunjukkan bahwa elektroda graphene tidak bekerja lebih baik daripada elektroda karbon aktif mikropori, dan hal ini menyebabkan penurunan antusiasme dan terbatasnya sejumlah penelitian.

Namun demikian, elektroda graphene memiliki beberapa keunggulan yang tidak dapat disangkal dibandingkan dengan elektroda karbon berpori.

Superkapasitor graphene dapat beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi, dan fleksibilitas graphene memungkinkan pembuatan perangkat penyimpanan energi yang sangat tipis dan fleksibel berdasarkan itu, yang cocok untuk digunakan dalam elektronik yang dapat dipakai dan fleksibel.

Kedua keunggulan superkapasitor graphene tersebut mendorong penelitian lebih lanjut oleh sekelompok ilmuwan dari Rice University. Mereka mengadaptasi metode produksi graphene berbantuan laser yang mereka kembangkan untuk membuat elektroda superkapasitor.

“Apa yang dapat kami capai sebanding dengan superkapasitor mikro yang tersedia di pasar elektronik,” kata James Tour, ilmuwan yang memimpin tim peneliti. “Dengan menggunakan metode kami, kami dapat memproduksi superkapasitor yang memiliki bentuk spasial apa pun. Saat kami perlu mengemas elektroda graphene ke dalam area yang cukup kecil, kami cukup melipatnya seperti selembar kertas.”

Untuk menghasilkan elektroda graphene, para ilmuwan menggunakan metode laser(grafem yang diinduksi laser, LIG), di mana sinar laser yang kuat diarahkan ke target yang terbuat dari bahan polimer yang murah.

Parameter sinar laser dipilih sedemikian rupa sehingga membakar semua elemen polimer kecuali karbon, yang dibentuk dalam bentuk film graphene berpori. Grafena berpori ini telah terbukti memiliki luas permukaan efektif yang cukup besar, menjadikannya bahan yang ideal untuk elektroda superkapasitor.

Apa yang membuat temuan tim Rice University begitu menarik adalah kemudahan memproduksi graphene berpori.

“Elektroda graphene sangat sederhana untuk dibuat. Hal ini tidak memerlukan ruangan yang bersih dan prosesnya menggunakan laser industri konvensional, yang berhasil bekerja di lantai pabrik dan bahkan di luar ruangan,” kata James Tour.

Selain kemudahan produksinya, superkapasitor graphene telah menunjukkan karakteristik yang sangat mengesankan. Perangkat penyimpanan energi ini telah bertahan ribuan siklus pengisian-pengosongan tanpa kehilangan kapasitas listrik. Selain itu, kapasitansi listrik dari superkapasitor tersebut hampir tidak berubah setelah superkapasitor fleksibel dideformasi 8 ribu kali berturut-turut.

“Kami telah menunjukkan bahwa teknologi yang kami kembangkan dapat menghasilkan superkapasitor tipis dan fleksibel yang dapat menjadi komponen elektronik fleksibel atau sumber daya untuk perangkat elektronik yang dapat dikenakan yang dapat dipasang langsung pada pakaian atau barang sehari-hari,” kata James Tour.

Superkapasitor atau ionistor adalah alat untuk menyimpan massa energi; akumulasi muatan terjadi pada batas antara elektroda dan elektrolit. Volume energi yang berguna disimpan sebagai muatan tipe statis. Proses akumulasi bermuara pada interaksi dengan tegangan konstan ketika ionistor menerima perbedaan potensial pada pelatnya. Implementasi teknologi, serta gagasan untuk menciptakan perangkat semacam itu, muncul relatif baru-baru ini, tetapi mereka berhasil mendapatkan penggunaan eksperimental untuk memecahkan sejumlah masalah tertentu. Bagian tersebut dapat menggantikan sumber arus yang berasal dari bahan kimia, menjadi cadangan atau sarana utama catu daya pada jam tangan, kalkulator, dan berbagai sirkuit mikro.

Desain dasar kapasitor terdiri dari pelat, bahannya adalah foil, dibatasi oleh bahan pemisah kering. Ionistor terdiri dari sejumlah kapasitor dengan pengisi daya tipe elektrokimia. Elektrolit khusus digunakan untuk produksinya. Penutup bisa terdiri dari beberapa jenis. Karbon aktif digunakan untuk pembuatan lapisan skala besar. Oksida logam dan bahan polimer dengan konduktivitas tinggi juga dapat digunakan. Untuk mencapai kerapatan kapasitif yang dibutuhkan, disarankan untuk menggunakan bahan karbon yang sangat berpori. Selain itu, pendekatan ini memungkinkan Anda membuat ionistor dengan biaya yang sangat rendah. Bagian tersebut termasuk dalam kategori kapasitor DLC, yang mengumpulkan muatan dalam kompartemen ganda yang terbentuk pada pelat.

Solusi desain, ketika ionistor digabungkan dengan basis elektrolit air, ditandai dengan resistansi elemen internal yang rendah, sedangkan batas tegangan pengisian adalah 1 V. Penggunaan konduktor organik menjamin tingkat tegangan sekitar 2...3 V dan peningkatan resistensi.

Sirkuit elektronik beroperasi dengan kebutuhan energi yang lebih tinggi. Solusi dari permasalahan ini adalah dengan memperbanyak jumlah power point yang digunakan. Ionistor dipasang tidak hanya satu, tetapi sebanyak 3-4 buah, sehingga memberikan jumlah muatan yang dibutuhkan.

Dibandingkan dengan baterai nikel-logam hidrida, ionistor mampu menampung sepersepuluh cadangan energi, sementara tegangannya turun secara linier, tidak termasuk zona pelepasan bidang. Faktor-faktor ini mempengaruhi kemampuan untuk mempertahankan muatan penuh dalam ionistor. Tingkat pengisian daya secara langsung bergantung pada tujuan teknologi elemen.

Seringkali, ionistor digunakan untuk memberi daya pada chip memori dan disertakan dalam rangkaian filter dan filter penghalusan. Mereka juga dapat dikombinasikan dengan berbagai jenis baterai untuk mengatasi konsekuensi lonjakan arus yang tiba-tiba: ketika arus rendah disuplai, ionistor diisi ulang, jika tidak maka akan melepaskan sebagian energi, sehingga mengurangi beban keseluruhan.

Satu sendok makan karbon aktif dari apotek, beberapa tetes air asin, piring timah, dan toples plastik berisi film fotografi. Itu cukup untuk dilakukan ionistor buatan sendiri, kapasitor listrik yang kapasitansinya kira-kira sama dengan kapasitansi listrik ... bola bumi. toples Leyden.

Ada kemungkinan bahwa salah satu surat kabar Amerika menulis tentang alat semacam itu pada tahun 1777: “... Dr. Franklin telah menemukan mesin seukuran kotak tusuk gigi, yang mampu mengubah Katedral St. Paul di London menjadi segenggam abu. ” Namun, hal pertama yang pertama.

Umat ​​​​manusia telah menggunakan listrik selama kurang lebih dua abad, namun fenomena kelistrikan telah diketahui manusia selama ribuan tahun dan sudah lama tidak mempunyai arti praktis. Baru pada awal abad ke-18, ketika sains menjadi hiburan yang modis, ilmuwan Jerman Otto von Guericke menciptakan mesin “elektroforik” khusus untuk melakukan eksperimen publik, yang dengannya ia menerima listrik dalam jumlah yang belum pernah terjadi sebelumnya.

Mesin itu terdiri dari bola kaca, yang digosokkan pada sepotong kulit saat diputar. Efek dari karyanya luar biasa: percikan api berderak, kekuatan listrik yang tak terlihat merobek syal wanita dan membuat rambut berdiri tegak. Masyarakat sangat terkejut dengan kemampuan tubuh mengakumulasi muatan listrik.

Pada tahun 1745, fisikawan Belanda dari Leiden Pieter van Musschenbroek (1692 - 1761) menuangkan air ke dalam toples kaca, memasukkan seutas kawat ke dalamnya, seperti bunga di dalam vas, dan, dengan hati-hati menggenggamnya dengan telapak tangan, membawanya ke mesin elektrofor. Botol itu mengumpulkan begitu banyak listrik sehingga percikan terang keluar dari potongan kawat dengan “raungan yang memekakkan telinga”. Kali berikutnya ilmuwan itu menyentuh kawat dengan jarinya, dia menerima pukulan yang membuatnya kehilangan kesadaran; Jika bukan karena asisten Kuneus yang datang tepat waktu, masalah ini bisa berakhir menyedihkan.

Dengan demikian, sebuah perangkat diciptakan yang dapat mengumpulkan muatan jutaan kali lebih banyak daripada perangkat mana pun yang dikenal pada saat itu. Itu disebut "toples Leyden". Itu semacam kapasitor, salah satu pelatnya adalah telapak tangan pelaku eksperimen, dielektriknya adalah dinding kaca, dan pelat kedua adalah air.

Berita tentang penemuan ini menyebar ke seluruh Eropa yang tercerahkan. Guci Leyden pun langsung digunakan untuk mendidik raja Perancis Louis XV. Pertunjukan dimulai. Dalam salah satu eksperimen yang tercatat dalam sejarah, arus listrik dialirkan melalui rantai penjaga yang berpegangan tangan. Ketika aliran listrik melanda, semua orang melompat menjadi satu, seolah-olah mereka akan terbang di udara. Dalam percobaan lain, arus dialirkan melalui rantai 700 biksu...

Eksperimen dengan toples Leyden di Amerika mengambil arah yang lebih praktis. Pada tahun 1747, mereka dimulai oleh salah satu pendiri Amerika Serikat, Benjamin Franklin yang telah disebutkan. Dia mendapat ide untuk membungkus toples dengan kertas timah, dan kapasitasnya meningkat berkali-kali lipat, dan pekerjaan menjadi lebih aman. Dalam percobaannya, Franklin membuktikan bahwa pelepasan listrik dapat menghasilkan panas dan menaikkan kolom air raksa dalam termometer. Dan dengan mengganti toples dengan piring kaca yang dilapisi kertas timah, Franklin menerima kapasitor datar, berkali-kali lebih ringan daripada toples Leyden yang ia perbaiki.

Sejarah tidak menyebutkan apa pun tentang perangkat yang mampu menyimpan begitu banyak energi sehingga, seperti yang ditulis surat kabar, perangkat tersebut dapat digunakan untuk "mengubah Katedral St. Paul menjadi tumpukan abu", tetapi ini tidak berarti bahwa B. Franklin tidak dapat menciptakannya. .

Dan inilah saatnya untuk kembali ke bagaimana melakukannya ionistor buatan sendiri. Jika Anda sudah menyimpan semua yang Anda butuhkan, turunkan pelat timah ke bagian bawah kaleng film, setelah menyolder sepotong kawat berinsulasi ke dalamnya. Tempatkan bantalan kertas saring di atasnya, tuangkan lapisan karbon aktif di atasnya dan, setelah menuangkan air asin, tutupi “sandwich” Anda dengan elektroda lain.

Diagram operasi ionistor.

Anda punya kapasitor elektrokimia - ionistor. Menariknya, di dalam pori-pori partikel karbon aktif muncul apa yang disebut lapisan listrik ganda - dua lapisan muatan listrik dengan tanda berbeda yang terletak berdekatan satu sama lain, yaitu sejenis kapasitor elektrokimia. Jarak antar lapisan dihitung dalam angstrom (1 angstrom - 10-9 m). Dan kapasitansi suatu kapasitor, seperti diketahui, semakin besar, semakin kecil jarak antar pelatnya.

Oleh karena itu, cadangan energi per satuan volume pada lapisan ganda lebih besar dibandingkan dengan bahan peledak paling kuat. Ini dia toples Leyden!

Ionistor bekerja sebagai berikut. Dengan tidak adanya tegangan eksternal, kapasitasnya dapat diabaikan. Namun di bawah pengaruh tegangan yang diterapkan ke kutub kapasitor, lapisan batubara yang berdekatan menjadi bermuatan. Ion-ion yang bertanda berlawanan dalam larutan bergegas menuju partikel batubara dan membentuk lapisan listrik ganda di permukaannya.

Kapasitor elektrokimia industri (ionistor). Casing logam seukuran kancing menampung dua lapisan karbon aktif, dipisahkan oleh spacer berpori.

Skema bagaimana melakukannya ionistor buatan sendiri.

Diagram ionistor buatan sendiri yang terbuat dari toples plastik dan karbon aktif:

1 - elektroda atas;

2 - kabel penghubung;

3,5 - lapisan karbon aktif basah;

4 - paking pemisah berpori;

6 - elektroda bawah;

7 - tubuh.

Jika suatu beban dihubungkan ke kutub kapasitor, maka muatan yang berlawanan dari permukaan bagian dalam partikel batubara akan mengalir sepanjang kabel menuju satu sama lain, dan ion-ion yang terletak di pori-porinya akan keluar.

Itu saja. sekarang Anda mengerti bagaimana melakukannya ionistor buatan sendiri.

Ionistor modern mempunyai kapasitas puluhan dan ratusan farad. Saat habis, mereka mampu mengembangkan tenaga yang besar dan sangat tahan lama. Dari segi cadangan energi per satuan massa dan satuan volume, ionistor masih kalah dengan baterai. Namun jika karbon aktif diganti dengan tabung nano karbon tertipis atau zat penghantar listrik lainnya, intensitas energi ionistor bisa menjadi sangat besar.

Benjamin Franklin hidup di masa ketika nanoteknologi belum terpikirkan, tetapi bukan berarti nanoteknologi tidak digunakan. Seperti yang dilaporkan oleh pemenang Hadiah Nobel bidang kimia Robert Curie, ketika membuat bilah dari baja Damaskus, para pengrajin zaman dahulu, tanpa menyadarinya, menggunakan metode nanoteknologi. Baja damask kuno selalu tetap tajam dan tahan lama berkat komposisi khusus karbon dalam struktur logamnya.

Beberapa jenis bahan nano, seperti batang tanaman hangus yang mengandung nanotube, dapat digunakan oleh Franklin untuk membuat superkapasitor. Berapa banyak dari Anda yang memahami apa itu? toples Leyden, dan siapa yang akan mencoba melakukannya?

Superkapasitor bisa disebut sebagai perkembangan paling cemerlang dalam beberapa tahun terakhir. Dibandingkan dengan kapasitor konvensional, dengan dimensi yang sama, mereka berbeda dalam kapasitas tiga kali lipat lebih besar. Untuk ini, kapasitor menerima awalan - "super". Mereka dapat melepaskan sejumlah besar energi dalam waktu singkat.

Mereka tersedia dalam berbagai ukuran dan bentuk: dari yang sangat kecil, yang dipasang pada permukaan perangkat, yang ukurannya tidak lebih besar dari koin, hingga yang berbentuk silinder dan prismatik yang sangat besar. Tujuan utamanya adalah untuk menduplikasi sumber utama (baterai) jika terjadi penurunan tegangan.

Sistem elektronik dan kelistrikan modern yang boros energi menuntut pasokan listrik yang tinggi. Peralatan yang bermunculan (mulai dari kamera digital hingga perangkat genggam elektronik dan transmisi kendaraan listrik) perlu menyimpan dan memasok energi yang diperlukan.

Pengembang modern memecahkan masalah ini dengan dua cara:

• Menggunakan baterai yang mampu menghantarkan pulsa arus tinggi
• Dengan menghubungkan secara paralel ke baterai sebagai asuransi untuk superkapasitor, mis. solusi "hibrida".

Dalam kasus terakhir, superkapasitor bertindak sebagai sumber listrik ketika tegangan baterai turun. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa baterai memiliki kepadatan energi yang tinggi dan kepadatan daya yang rendah, sedangkan superkapasitor, sebaliknya, dicirikan oleh kepadatan energi yang rendah tetapi kepadatan daya yang tinggi, yaitu. mereka memberikan arus pelepasan ke beban. Dengan menghubungkan superkapasitor secara paralel dengan baterai, Anda dapat menggunakannya dengan lebih efisien dan karenanya memperpanjang masa pakainya.

Di mana superkapasitor digunakan?

Video: Uji superkapasitor 116.6F 15V (6* 700F 2.5V), sebagai pengganti baterai starter di dalam mobil

Dalam sistem elektronik otomotif mereka digunakan untuk menghidupkan mesin., sehingga mengurangi beban pada baterai. Mereka juga memungkinkan untuk mengurangi berat dengan mengurangi diagram pengkabelan. Mereka banyak digunakan pada mobil hibrida, di mana generator dikendalikan oleh mesin pembakaran internal, dan motor listrik (atau motor) menggerakkan mobil, mis. Superkapasitor (cache energi) digunakan sebagai sumber arus selama akselerasi dan pergerakan, dan “diisi ulang” selama pengereman. Penggunaannya menjanjikan tidak hanya pada mobil penumpang, tetapi juga pada transportasi perkotaan, karena kapasitor jenis baru dapat mengurangi konsumsi bahan bakar hingga 50% dan mengurangi emisi gas berbahaya ke lingkungan hingga 90%.

Saya belum bisa mengganti baterai superkapasitor sepenuhnya, tapi ini hanya masalah waktu saja. Menggunakan superkapasitor sebagai pengganti baterai sama sekali tidak bagus. Jika ahli nanoteknologi dari QUT University mengikuti jalan yang benar, maka dalam waktu dekat hal ini akan menjadi kenyataan. Panel bodi yang berisi superkapasitor generasi terbaru akan mampu berperan sebagai baterai. Karyawan universitas ini berhasil menggabungkan keunggulan baterai lithium-ion dan superkapasitor dalam sebuah perangkat baru. Superkapasitor baru yang tipis, ringan dan kuat terdiri dari elektroda karbon dengan elektrolit yang terletak di antara keduanya. Produk baru tersebut, menurut para ilmuwan, dapat dipasang di mana saja di tubuh.

Berkat torsi tinggi (torsi awal), mereka dapat meningkatkan karakteristik awal pada suhu rendah dan memperluas kemampuan sistem tenaga sekarang. Kemanfaatan penggunaannya dalam sistem tenaga dijelaskan oleh fakta bahwa waktu pengisian/pengosongannya adalah 5-60 detik. Selain itu, mereka dapat digunakan dalam sistem distribusi beberapa perangkat mesin: solenoida, sistem penyesuaian kunci pintu dan posisi kaca jendela.

Superkapasitor DIY

Anda bisa membuat superkapasitor dengan tangan Anda sendiri. Karena desainnya terdiri dari elektrolit dan elektroda, Anda perlu memutuskan bahannya. Tembaga, baja tahan karat atau kuningan cukup cocok untuk elektroda. Anda dapat mengambil, misalnya, koin lima kopeck kuno. Anda juga membutuhkan bubuk karbon (Anda dapat membeli karbon aktif di apotek dan menggilingnya). Air biasa bisa digunakan sebagai elektrolit, di mana Anda perlu melarutkan garam meja (100:25). Solusinya dicampur dengan bubuk arang hingga membentuk konsistensi dempul. Sekarang harus diaplikasikan dalam lapisan beberapa milimeter ke kedua elektroda.

Yang tersisa hanyalah memilih paking yang memisahkan elektroda, melalui pori-pori di mana elektrolit akan lewat dengan bebas, tetapi bubuk karbon akan tertahan. Fiberglass atau karet busa cocok untuk keperluan ini.

Elektroda – 1,5; lapisan karbon-elektrolit – 2.4; paking – 3.

Anda dapat menggunakan kotak plastik sebagai casing, setelah sebelumnya membuat lubang di dalamnya untuk kabel yang disolder ke elektroda. Setelah menghubungkan kabel ke baterai, kami menunggu desain “ionix” untuk mengisi daya, dinamakan demikian karena konsentrasi ion yang berbeda akan terbentuk pada elektroda. Lebih mudah untuk memeriksa muatan menggunakan voltmeter.

Ada cara lain. Misalnya menggunakan kertas timah (kertas timah - bungkus coklat), potongan timah dan kertas minyak, yang bisa Anda buat sendiri dengan memotong dan merendam potongan kertas tisu dalam parafin yang sudah dilelehkan, tetapi tidak sampai mendidih, selama beberapa menit. Lebar strip harus lima puluh milimeter, dan panjangnya dua ratus hingga tiga ratus milimeter. Setelah mengeluarkan potongan parafin, Anda perlu mengikis parafin dengan sisi pisau yang tumpul.

Kertas yang direndam parafin dilipat menjadi bentuk akordeon (seperti pada gambar). Di kedua sisi, lembaran staniol dimasukkan ke dalam celah, berukuran 45x30 milimeter. Setelah benda kerja disiapkan, dilipat lalu disetrika dengan setrika hangat. Ujung staniol yang tersisa dihubungkan satu sama lain dari luar. Untuk melakukan ini, Anda dapat menggunakan pelat karton dan pelat kuningan dengan klip timah, yang kemudian konduktornya disolder sehingga kapasitor dapat disolder selama pemasangan.

Kapasitansi kapasitor bergantung pada jumlah daun staniol. Misalnya, sama dengan seribu pikofarad jika menggunakan sepuluh lembar tersebut, dan dua ribu jika jumlahnya digandakan. Teknologi ini cocok untuk pembuatan kapasitor dengan kapasitas hingga lima ribu pikofarad.

Jika diperlukan kapasitas yang besar, maka Anda perlu memiliki kapasitor kertas mikrofarad bekas, yaitu gulungan pita yang terdiri dari potongan kertas minyak, di antaranya diletakkan potongan kertas staniol.

Untuk menentukan panjang strip, gunakan rumus:

l = 0,014 C/a, dimana kapasitansi kapasitor yang dibutuhkan dalam pF adalah C; lebar garis dalam cm – a: panjang dalam cm – 1.

Setelah melepaskan strip dengan panjang yang diperlukan dari kapasitor lama, potong kertas timah 10 mm di semua sisi untuk mencegah pelat kapasitor saling terhubung.

Kaset itu perlu digulung lagi, tetapi pertama-tama dengan menyolder kabel yang terdampar ke setiap strip kertas timah. Strukturnya ditutupi dengan kertas tebal di atasnya, dan dua kabel pemasangan (keras) disegel ke tepi kertas yang menonjol, di mana ujung kapasitor disolder di bagian dalam selongsong kertas (lihat gambar). Langkah terakhir adalah mengisi struktur dengan parafin.

Keuntungan superkapasitor karbon

Karena perkembangan kendaraan listrik di seluruh dunia saat ini tidak dapat diabaikan, para ilmuwan sedang berupaya mengatasi masalah terkait pengisian tercepat kendaraan tersebut. Banyak ide yang muncul, namun hanya sedikit yang dipraktikkan. Di Tiongkok, misalnya, rute transportasi perkotaan yang tidak biasa telah diluncurkan di kota Ningbo. Bus yang berjalan di atasnya ditenagai motor listrik, namun pengisiannya hanya membutuhkan waktu sepuluh detik. Di atasnya, ia menempuh jarak lima kilometer dan sekali lagi, saat turun/menjemput penumpang, ia berhasil mengisi ulang tenaga.

Ini menjadi mungkin berkat penggunaan kapasitor jenis baru - karbon.

Kapasitor karbon Mereka dapat menahan sekitar satu juta siklus pengisian ulang dan bekerja dengan sempurna dalam kisaran suhu dari minus empat puluh hingga plus enam puluh lima derajat. Mereka mengembalikan hingga 80% energi melalui pemulihan.

Mereka mengantarkan era baru dalam manajemen daya, mengurangi waktu pengosongan dan pengisian daya hingga nanodetik, serta mengurangi bobot kendaraan. Untuk keunggulan ini kita dapat menambahkan biaya rendah, karena produksinya tidak menggunakan logam tanah jarang dan ramah lingkungan.