ابرخازن به جای باتری: دستگاه، مقایسه ویژگی ها، مزایای استفاده، بررسی ها

2024 نویسنده: Erin Ralphs | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-02-19 15:02

ایده یک ظرفیت خازن ویژه بالا در دهه 1960 مورد بررسی قرار گرفت، اما امروزه موج جدیدی از افزایش علاقه به این فناوری وجود دارد که دلیل آن ترکیب منحصر به فرد ویژگی های عملکرد محصول نهایی است. امروزه بر اساس این فناوری، اصلاحات مختلفی از ابرخازن ها و فوق خازن ها تولید می شود که به خوبی می توان آنها را به عنوان یک باتری تمام عیار قدرت در نظر گرفت. مفاهیم ابرخازن که در زیر نشان داده شده است نشان می دهد که رقابت آینده آنها با بسته های باتری معمولی (باتری) چندان خارق العاده نیست.

ابرخازن چیست؟

در اصل، این یک باتری الکتروشیمیایی بهینه است که به شکل یک خازن فشرده ساخته شده است. حتی با یک مقایسه گذرا از دستگاه با یک معمولیباتری برای یک ماشین، می توانید تفاوت آشکار در اندازه را برجسته کنید و در عمل، مزایای آن نیز به صورت عمر مفید و قدرت بیشتر ظاهر می شود. به عبارت دیگر، می توان از ابرخازن ها به جای باتری استفاده کرد، البته با محدودیت هایی به دلیل محدودیت در انباشت پتانسیل انرژی. چنین تفاوت های ظریف هنوز هم به دلیل نقص توسعه فناوری یونیستورها وجود دارد، با این حال، وضعیت تحت فشار بازار با نیازهای رو به رشد آن برای باتری ها در حال تغییر است.

طراحی و طراحی محصول

اساس این خازن توسط دو الکترود تشکیل شده است که به طور سنتی محیط الکترولیتی بین آنها قرار می گیرد. تفاوت هایی با باتری را می توان در ساختار مواد برای ساخت الکترودها مشاهده کرد که صفحات آن با کربن فعال متخلخل پوشیده شده است. در مورد الکترولیت، می توان از مخلوط های آلی و معدنی در این ظرفیت استفاده کرد. از نظر ساختاری، راه حل فنی عایق در ساختار ابرخازن ها نیز خودنمایی می کند. به جای صفحات آلومینیومی باتری با لایه دی الکتریک، از قطعات با خواص بهینه هدایت یونی و الکترونیکی استفاده می شود. اگر مفهوم استفاده احتمالی از ابرخازن به عنوان باتری را ادامه دهیم، کربن متخلخل به خوبی می تواند به عنوان یک رسانای الکترونیکی عمل کند و محلول اسید سولفوریک می تواند به عنوان یک هادی یونی عمل کند. به این ترتیب، می‌توان یک لایه جداسازی بار بهینه بین الکترودها بدون گنجاندن عایق‌های حجیم فراهم کرد.

انواع ابرخازن

در حال حاضر، چندین جهت در توسعه یونیستورها وجود دارد. قابل توجه ترین و امیدوارکننده ترین انواع دستگاه های زیر است:

• خازن های دولایه. مدل استاندارد که از الکترودهای فوق الذکر ساخته شده از مواد رسانای الکتریکی استفاده می کند و از جداکننده مخصوص به عنوان الکترولیت استفاده می شود. تجمع پتانسیل انرژی در نتیجه جداسازی بار روی الکترودها اتفاق می افتد.
• شبه خازن. باتری قابل شارژ ساخته شده از این نوع ابرخازن می تواند راه حل بسیار موفقی باشد، زیرا راه های پیشرفته تری برای ذخیره انرژی ارائه می دهد. در مرحله اول، اصل مکانیسم فارادی مرتبط با فرآیندهای انباشت انرژی در باتری های معمولی فعال می شود. و ثانیاً، طرح اساسی برهمکنش الکترواستاتیکی بین الکترودها در یک لایه الکتریکی دوگانه نیز حفظ شده است.
• خازن های هیبریدی. یک مفهوم میانی که ویژگی های مثبت فردی باتری ها و خازن ها را ترکیب می کند. چنین دستگاه هایی معمولاً از ترکیبی از الکترودهای ساخته شده از اکسیدهای مخلوط و پلیمرهای دوپ شده استفاده می کنند. توسعه بیشتر این جهت با استفاده از مواد کامپوزیت تکمیل شده با حامل های کربن و پلیمرهای رسانا همراه است.

ویژگی های کلیدی

امروز صحبت کردن در مورد شاخص های عملکرد ثابت شده یونیستورها دشوار است، زیرافناوری به طور مداوم در حال بهبود است و برای بهبود منابع جریان الکتروشیمیایی تنظیم می شود. اما اگر میانگین داده‌های ویژگی‌های اصلی ابرخازن‌ها را در نظر بگیریم، شاخص‌های خاص به این شکل خواهند بود:

• زمان شارژ - 1 تا 10 ثانیه
• تعداد چرخه های شارژ حدود 1 میلیون است که معادل 30000 ساعت است.
• ولتاژ در سلول بلوک - محدوده از 2.3 تا 2.75 V.
• شدت انرژی - مقدار استاندارد 5 Wh/kg.
• قدرت - حدود 10000 وات بر کیلوگرم.
• دوام - تا 15 سال.
• دمای عملیاتی -40 درجه سانتیگراد تا 65 درجه سانتیگراد.

مقایسه با باتری های معمولی

پارامترهای اصلی متمایزکننده سرعت انباشت انرژی و درجه بازگشت بار الکتریکی است. به دلیل استفاده از دو لایه پتانسیل الکتریکی در نزدیکی ابرخازن با ابعاد مشابه، مساحت سطح کار الکترودها افزایش می یابد. یعنی می توان در مورد ترکیب بهترین ویژگی های باتری و خازن به عنوان مثال صحبت کرد. اگر توزیع جریان های باتری و ابرخازن را با بار مقایسه کنیم، یکنواختی حجم های جریان مصرفی به طور کلی یکسان خواهد بود، اما با دو اصلاح. در حین کارکرد باتری می توان بیشترین جریان را به سمت المنتی که در قسمت پایین بلوک قرار دارد جابجا کرد و در مورد یونیستورها اصولاً به دلیل ولتاژ پایین پتانسیل کمتر خواهد بود. همچنین، تفاوت های قابل توجهی شامل تفاوت در منبع کار است - ابرخازن ها تقریباً 25-30٪ بیشتر در زمان خدمت می کنند، ناگفته نماند.نرخ بالاتر چرخه های کاری قابل انجام.

مزایای کارکرد ابرخازن

اگر به طور کلی اثرات مثبت استفاده از ابرخازن‌ها به جای باتری را در نظر بگیریم، ویژگی‌های زیر نمایان می‌شوند:

• چگالی انرژی بالای ابرخازن ها به آنها اجازه می دهد تا در دستگاه های الکترونیکی به عنوان منبع انرژی کوتاه مدت استفاده شوند.
• ایمنی محیط زیست. البته، اجزای الکتروشیمیایی هنوز در طراحی حفظ می شوند، اما اثرات سمی آنها دائما در حال کاهش است.
• امکان استفاده از انرژی از منابع تجدیدپذیر - باد، خورشید، آب و زمین.
• گسترش فرصت ها برای یکپارچگی ساختاری باتری ها - به عنوان مثال، برای تعمیر و نگهداری نیروگاه های پیچیده، ماشین های الکتریکی هیبریدی، وسایل نقلیه با سوخت هیدروژن، و غیره.

شایان ذکر است برخی از مزایای ابرخازن در رابطه با خازن معمولی. تعداد کمی از آنها وجود دارد، اما ظرفیت بزرگ برای ذخیره انرژی اساساً مهم است. با توجه به این شاخص، همه اصلاحات یونیستورها نمی توانند با باتری ها رقابت کنند، اما در مقایسه با خازن ها در پارامتر ظرفیت الکتریکی، آنها با اطمینان برنده می شوند.

بررسی های مثبت ابرخازن ها

آزمایش و کاربرد جزئی ابرخازن‌ها امروزه در صنایع مختلف انجام می‌شود. همانطور که بررسی های مربوط به عملکرد این دستگاه ها نشان می دهد، آنها اظهارات سازنده ها را در مورد بالا تایید می کنندقابلیت اطمینان، ایمنی محیطی و ظرفیت بالا. آنچه از نظر مقایسه ابرخازن‌ها و باتری‌ها اهمیت ویژه‌ای دارد، این است که اولی‌ها برای ایجاد شرایط خاص در حین جابجایی فیزیکی چندان خواستار نیستند. این تا حدودی به دلیل سمیت کم اجزاء است، اما تا حد زیادی، ارگونومی عملکرد به دلیل درجه بالای محافظت از کیس است. یعنی کاربر نیازی به تهیه دستگاه های خاصی برای نگهداری ابرخازن ها در شرایط آب بندی ندارد. وزن کم و ابعاد بهینه نیز انجام عملیات تعمیر و نگهداری معمول را آسان تر می کند.

بررسی های منفی ابرخازن ها

در این نوع خازن ها نیز ضعف هایی وجود دارد که در عمل نیز به وضوح نمایان می شود. به طور خاص، کاربران به چگالی انرژی پایین، عملکرد کم و سطح ولتاژ کافی آن‌ها اشاره می‌کنند که استفاده از چندین عنصر را برای خدمت به یک واحد مصرف‌کننده هدف ضروری می‌سازد. از بسیاری جهات، این کاستی‌ها امروزه مانع استفاده از ابرخازن‌ها به‌جای باتری می‌شوند، اگرچه، باز هم، توسعه فناوری به احتمال زیاد این مشکلات را حل می‌کند.

چشم انداز توسعه خازن

طبق گفته کارشناسان و توسعه دهندگان باتری، در آینده ای نزدیک از خازن های نسل جدید در همه جا استفاده خواهد شد. این امر به دلیل افزایش فعال ظرفیت خاص دستگاه ها امکان پذیر خواهد شد. ارزشش را داردافزودن و بهبود ویژگی های فنی و ساختاری ابرخازن ها، که در درجه اول به ابعاد و وزن مربوط می شود. در عین حال، آزمایش یونیستورها با قدرت تا 2.5 مگاوات در حال حاضر در حال سازماندهی است. در آینده می توان از چنین سیستم هایی در نگهداری شبکه های حمل و نقل، تاسیسات صنعتی و مجتمع های مسکونی استفاده کرد.

نتیجه گیری

مفهوم ابرخازن به عنوان راه حل بهینه در شرایطی که نیاز کوتاه مدت به منبع تغذیه با شارژ زنده وجود دارد در نظر گرفته می شود. تا حدی، این با ایده باتری های الکتروشیمیایی تضاد دارد که بر روی نگهداری طولانی مدت نیرو با پارامترهای خاص متمرکز هستند. اما آیا با توجه به این ویژگی عملیاتی می توان از ابرخازن به جای باتری در خودرو استفاده کرد؟ با احتمال زیاد، کنسرت‌های خودکار پیشرفته از خازن‌های با ظرفیت بالا استفاده می‌کنند، اما فقط در نسخه‌های هیبریدی خاص که ویژگی‌های مثبت ابرخازن‌ها و اجزای الکتروشیمیایی سنتی را ترکیب می‌کنند. به عنوان مثال، امروزه چنین محلول هایی به شکل ترکیبی از ساختار سرب-اسید الکتروشیمیایی و ابرخازن استفاده می شود.