المكثفات الفائقة بدلاً من البطاريات: الجهاز ، مقارنة الميزات ، فوائد الاستخدام ، المراجعات

2024 مؤلف: Erin Ralphs | [email protected]. آخر تعديل: 2024-02-19 12:00

تم استكشاف فكرة السعة النوعية العالية في الستينيات ، ولكن اليوم هناك موجة جديدة من الاهتمام المتزايد بهذه التقنية ، بسبب المزيج الفريد لخصائص الأداء للمنتج النهائي. اليوم ، بناءً على هذه التقنية ، يتم إنتاج تعديلات مختلفة للمكثفات الفائقة والمكثفات الفائقة ، والتي يمكن اعتبارها بطارية طاقة كاملة. توضح مفاهيم المكثف الفائق الموضحة أدناه أن المنافسة المستقبلية مع حزم البطاريات التقليدية (البطاريات) ليست رائعة.

ما هو المكثف الفائق؟

في جوهرها ، هذه بطارية كهروكيميائية مُحسَّنة ، مصنوعة في شكل مكثف مضغوط. حتى مع مقارنة سريعة للجهاز مع نموذجيبطارية للسيارة ، يمكنك إبراز الاختلاف الواضح في الحجم ، ومن الناحية العملية ، ستظهر الفوائد أيضًا على السطح في شكل عمر خدمة أطول وقوة. بمعنى آخر ، يمكن استخدام المكثفات الفائقة بدلاً من البطاريات ، على الرغم من وجود بعض التحفظات بسبب القيود من حيث تراكم إمكانات الطاقة. لا تزال هذه الفروق الدقيقة تحدث بسبب النقص في التطور التكنولوجي للمؤيونات ، ومع ذلك ، فإن الوضع يتغير تحت ضغط السوق مع متطلباته المتزايدة للبطاريات.

تصميم وتصميم المنتج

يتكون أساس هذا المكثف من قطبين ، يتم وضع الوسط الإلكتروليتي بينهما تقليديًا. يمكن ملاحظة الاختلافات عن البطارية في بنية المواد المستخدمة في تصنيع الأقطاب الكهربائية ، والتي تكون ألواحها مغطاة بالكربون المنشط المسامي. بالنسبة للإلكتروليت ، يمكن استخدام الخلائط العضوية وغير العضوية بهذه السعة. من الناحية الهيكلية ، يبرز أيضًا الحل التقني للعزل في هيكل المكثفات الفائقة. بدلاً من ألواح الألومنيوم ذات البطاريات ذات الطبقة العازلة ، يتم استخدام المكونات ذات الخصائص المثلى للتوصيل الأيوني والإلكتروني. إذا واصلنا مفهوم الاستخدام المحتمل لمكثف فائق كبطارية ، فيمكن أن يعمل الكربون المسامي كموصل إلكتروني ، ويمكن أن يعمل محلول حامض الكبريتيك كموصل أيوني. بهذه الطريقة ، يمكن توفير طبقة فصل شحنة مثالية بين الأقطاب الكهربائية دون التضمين الإضافي للعوازل الضخمة.

أنواع مختلفة من المكثفات الفائقة

بالفعل اليوم ، هناك عدة اتجاهات في تطوير المؤيِّنات. أكثر أنواع الأجهزة بروزاً وواعداً:

• مكثفات طبقة مزدوجة. يستخدم النموذج القياسي الذي يستخدم الأقطاب الكهربائية المذكورة أعلاه المصنوعة من مادة موصلة للكهرباء ، وفاصل خاص كمحلول إلكتروليت. يحدث تراكم إمكانات الطاقة نتيجة فصل الشحنة على الأقطاب الكهربائية.
• مكثفات زائفة. يمكن أن تكون البطارية القابلة لإعادة الشحن المصنوعة من هذا النوع من المكثفات الفائقة حلاً ناجحًا للغاية ، لأنها توفر طرقًا أكثر تقدمًا لتخزين الطاقة. أولاً ، يتم تفعيل مبدأ آلية فاراداي المرتبطة بعمليات تراكم الطاقة في البطاريات التقليدية. وثانيًا ، يتم أيضًا الحفاظ على المخطط الأساسي للتفاعل الإلكتروستاتيكي بين الأقطاب في طبقة كهربائية مزدوجة.
• المكثفات الهجينة. مفهوم وسيط يجمع بين السمات الإيجابية الفردية للبطاريات والمكثفات. تستخدم هذه الأجهزة عادةً مجموعة من الأقطاب الكهربائية المصنوعة من أكاسيد مختلطة وبوليمرات مخدرة. يرتبط مزيد من التطوير لهذا الاتجاه باستخدام المواد المركبة المكملة بحاملات الكربون والبوليمرات الموصلة.

الميزات الرئيسية

اليوم من الصعب الحديث عن مؤشرات الأداء الراسخة للمؤيِّنات ، لأنيتم تحسين التكنولوجيا باستمرار ، وتعديلها لتحسين مصادر التيار الكهروكيميائية. ولكن إذا أخذنا متوسط البيانات حول الخصائص الرئيسية للمكثفات الفائقة ، فستبدو المؤشرات المحددة على النحو التالي:

• وقت الشحن - من 1 إلى 10 ثوانٍ
• عدد دورات الشحن حوالي 1 مليون ، وهو ما يعادل 30000 ساعة.
• الجهد في الخلية الكتلية - يتراوح من 2.3 إلى 2.75 فولت.
• كثافة الطاقة - القيمة القياسية 5 Wh / kg.
• الطاقة - حوالي 10000 واط / كجم.
• متانة - تصل إلى 15 سنة.
• درجة حرارة التشغيل -40 درجة مئوية إلى 65 درجة مئوية

مقارنة بالبطاريات التقليدية

المعلمات المميزة الرئيسية هي معدل تراكم الطاقة ودرجة رجوع الشحنة الكهربائية. نظرًا لاستخدام طبقة مزدوجة من الجهد الكهربائي بالقرب من المكثف الفائق ذي الأبعاد المتشابهة ، تزداد مساحة سطح العمل للأقطاب الكهربائية. أي يمكننا التحدث عن الجمع بين أفضل خصائص البطارية والمكثف على هذا النحو. إذا قارنا توزيع تيارات البطارية والمكثف الفائق بالحمل ، فسيكون توحيد أحجام التيار المستهلك متطابقًا بشكل عام ، ولكن مع تصحيحين. أثناء تشغيل البطارية ، من الممكن تحويل أكبر تيار نحو العنصر الموجود في الجزء السفلي من الكتلة ، وفي حالة المؤينات ، من حيث المبدأ ، ستكون الإمكانات أقل بسبب الجهد المنخفض. تتضمن الاختلافات المهمة أيضًا الاختلاف في مورد العمل - تعمل المكثفات الفائقة في الوقت المناسب تقريبًا بنسبة 25-30 ٪ ، ناهيك عنمعدل أعلى لدورات العمل القابلة للتنفيذ.

مزايا تشغيل المكثفات الفائقة

إذا نظرنا بشكل عام إلى الآثار الإيجابية لاستخدام المكثفات الفائقة بدلاً من البطاريات ، فستظهر الصفات التالية في المقدمة:

• تسمح كثافة الطاقة العالية للمكثفات الفائقة باستخدامها في الأجهزة الإلكترونية كمصدر طاقة قصير المدى.
• سلامة البيئة. بالطبع ، لا تزال المكونات الكهروكيميائية محفوظة في التصميم ، لكن آثارها السامة تتناقص باستمرار.
• إمكانية استخدام الطاقة من مصادر متجددة - الرياح والشمس والماء والأرض.
• توسيع فرص التكامل الهيكلي للبطاريات - على سبيل المثال ، لصيانة محطات الطاقة المعقدة ، والآلات الكهربائية الهجينة ، والمركبات التي تعمل بوقود الهيدروجين ، وما إلى ذلك.

تجدر الإشارة إلى بعض مزايا المكثف الفائق مقارنة بالمكثف التقليدي. يوجد القليل منهم ، ولكن السعة الكبيرة لتخزين الطاقة مهمة بشكل أساسي. وفقًا لهذا المؤشر ، لا يمكن لجميع تعديلات المؤيِّنات أن تتنافس مع البطاريات ، ومع ذلك ، بالمقارنة مع المكثفات في معلمة السعة الكهربائية ، فإنها تفوز بثقة.

مراجعات إيجابية للمكثفات الفائقة

يتم إجراء الاختبار والتطبيق الجزئي للمكثفات الفائقة اليوم في مجموعة متنوعة من الصناعات. كما تظهر المراجعات حول تشغيل هذه الأجهزة ، فإنها تؤكد تصريحات الشركات المصنعة حول الارتفاعالموثوقية والسلامة البيئية والقدرة العالية. ما هو مهم بشكل خاص من وجهة نظر مقارنة المكثفات الفائقة والبطاريات ، الأول لا يتطلب الكثير لخلق ظروف خاصة أثناء المناولة المادية. هذا يرجع جزئيًا إلى نفس السمية المنخفضة للمكونات ، ولكن إلى حد كبير ، فإن بيئة العمل ترجع إلى درجة الحماية العالية للحالة. أي أن المستخدم لا يحتاج إلى توفير أجهزة خاصة لصيانة المكثفات الفائقة في ظروف مغلقة. الوزن الخفيف والأبعاد المحسّنة تجعل من السهل أيضًا إجراء عمليات الصيانة الروتينية.

مراجعات سلبية للمكثفات الفائقة

هناك أيضًا نقاط ضعف في هذا النوع من المكثفات ، والتي تتجلى أيضًا بوضوح في الممارسة. على وجه الخصوص ، يشير المستخدمون إلى كثافة الطاقة المنخفضة والأداء المنخفض ومستوى الجهد غير الكافي دائمًا ، مما يجعل من الضروري استخدام عدة عناصر لخدمة وحدة مستهلك مستهدفة واحدة. من نواحٍ عديدة ، تمنع أوجه القصور هذه استخدام المكثفات الفائقة بدلاً من البطاريات اليوم ، على الرغم من أن التطور التكنولوجي ، مرة أخرى ، من المرجح أن يحل هذه المشكلات.

آفاق تطوير المكثفات

وفقًا لخبراء ومطوري البطاريات ، في المستقبل القريب ، سيتم استخدام مكثفات الجيل الجديد في كل مكان. سيصبح هذا ممكنًا بسبب الزيادة النشطة في السعة المحددة للأجهزة. انه يستحق ذلكإضافة وتحسين الخصائص التقنية والهيكلية للمكثفات الفائقة ، والتي تتعلق في المقام الأول بالأبعاد والوزن. في الوقت نفسه ، يتم تنظيم اختبارات المؤينين بقوة تصل إلى 2.5 ميغاواط اليوم. في المستقبل يمكن استخدام هذه الأنظمة في صيانة شبكات النقل والمنشآت الصناعية والمجمعات السكنية.

الخلاصة

يعتبر مفهوم المكثف الفائق هو الحل الأمثل في المواقف التي توجد فيها حاجة قصيرة الأجل لإمداد الطاقة بشحن مباشر. هذا تناقض جزئيًا مع فكرة البطاريات الكهروكيميائية ، التي تركز على صيانة الطاقة على المدى الطويل بمعلمات معينة. ولكن هل من الممكن استخدام مكثف فائق بدلاً من البطارية في السيارة ، بالنظر إلى هذه الميزة التشغيلية؟ مع درجة عالية من الاحتمال ، ستستخدم اهتمامات السيارات المتقدمة مكثفات عالية السعة ، ولكن فقط في الإصدارات الهجينة الخاصة التي تجمع بين الصفات الإيجابية للمكثفات الفائقة على هذا النحو والمكونات الكهروكيميائية التقليدية. على سبيل المثال ، تُستخدم هذه الحلول اليوم في شكل مزيج من بنية كهروكيميائية حمض الرصاص ومكثف فائق.