خازن ­های دولایه الکتریکی: ابرخازن ها (Supercapacitors)

05:00200

علی­رغم شباهت ظاهری به باتری­ها٬ خازن ­ها به شیوه ­های متفاوتی طراحی و استفاده می­شوند. خازن یک وسیله ذخیره انرژی است که بر خلاف باتری یک میدان الکتریکی بین دو صفحه هادی موازی ایجاد می­کند. با حرکت الکترون­ها از یک صفحه به صفحه دیگر٬ یک انرژی پتانسیل به وجود می ­آید که می­تواند در یک مدار مرتبط مورد استفاده قرار بگیرد. تجمع انرژی با عنوان شارژ کردن شناخته می­شود و خازن­ها معمولا با کمیت٬ تراکم و نرخ شارژ سنجیده می­شوند.

یک خازن دولایه الکتریکی یا ابرخازن می­تواند انرژی را با تراکمی که به صورت نمایی از خازن های استاندارد بالاتر است ذخیره و شارژ کند. برای مقایسه٬ ذخیره انرژی یک خازن نوعی با میکرو یا نانوفاراد سنجیده می­شود٬ در حالی­که در یک سوپرخازن با فاراد سنجیده میشود. برای درک تفاوت­های طراحی٬ کاربرد٬ و هزینه٬ بهتر است به برخی مشخصات متمایز یک خازن دولایه الکتریکی نگاهی بیندازیم.

طراحی ابرخازن

ظرفیت انرژی یک خازن با مقدار بار ذخیره شده و پتانسیل شارژ بین صفحات آن تعیین می­شود. پتانسیل شارژ به شدت تحت تاثیر کیفیت ماده­ای است که میدان الکتریکی را حفظ می­کند و دی الکتریک نامیده می­شود. در یک خازن دولایه الکتریکی٬ دی الکتریک معمولا در یک ماده کربنی با سطح زیاد معلق است که باعث می­شود محیط دی الکتریک فوق العاده نازک باشد. سطح زیاد و محیط نازک منجر به پتانسیل شارژ بالا با ظرفیت خازنی بالا در یک دستگاه نسبتا کوچک می شوند که نام ابرخازن هم از همین امر نشات گرفته است.

با این که لایه ها در یک خازن دولایه از لحاظ الکتریکی هادی هستند٬ تحمل ولتاژ پایینی دارند (معمولا در حد ۱ ولت). دربرداشتن یک الکترولیت ارگانیک می تواند پذیرش ولتاٰژ را افزایش دهد چرا که می تواند چندین ابرخازن را در یک آرایه سریالی به هم مرتبط کند. ماده استفاده شده در دی الکتریک هم می تواند روی کارایی خازن تاثیر بگذارد. به عنوان مثال٬ کربن فعال سطح بیشتری در مقایسه با آلومینیوم دارد که به طور معمول در خازن های استاندارد استفاده می­شود. تحقیقات برای توسعه مواد دی الکتریک جدیدتر و کارآمدتر در دست انجام است.

آیا ابرخازن­ها راه حل هستند؟

تولیدکنندگانی که گزینه­ های مختلف تامین انرژی الکتریکی را ارزیابی می­کنند باید نقاط قوت و ضعف مختص فرمت دولایه را بررسی کنند. نسبت چگالی انرژی ابرخازن معمولا بین ۰.۵ تا ۱۰ وات ساعت بر کیلوگرم است (ولتاژ نامی به وزن) که به طور چشمگیری بالاتر از یک خازن استاندارد است. با این که این چگالی انرژی در مقایسه با باتری­ های خط اصلی مانند لیتیوم-یون نسبتا کم است٬ چگالی توان ابرخازن از سطح چگالی توان نظایر آن بسیار بالاتر است. چگالی توان روی نرخ شارژ/دشارژ الکتریکی یک دستگاه احتمالی است٬ به این معنی که ابرخازن­ ها می­توانند انرژی را سریعتر از بیشتر باتری­ها تولید و توزیع کنند.

همچنین٬ ابرخازن­ ها زمانی که حد ظرفیتشان پر می­شود٬ شارژ کردن را متوقف می­کنند٬ که نیاز به واحدهای تشخیصی برای جلوگیری از شارژ بیش از حد را رفع می­کند. جدای از چگالی توان عالی٬ یک ابرخازن بازده چرخه بالایی دارد و در طول عمرش می­تواند میلیون­ها چرخه شارژ را طی کند.

هرچند چگالی انرژی پایین و تحمل ولتاژ پایین کارایی یک خازن دولایه به عنوان یک واحد ذخیره­ ساز محدود می­کند٬ مگراینکه به صورت سریال به یک گروه از خازن­ها متصل شده باشد. ازاین گذشته٬ روش دشارژ خطی ابرخازن معمولا از رسیدن به شارژ کامل جلوگیری میکند که منجر به اتلاف انرژی کم اما زیانبار می­شود. نرخ بالای دشارژ خودی (اتلاف انرژی ناشی از واکنش­ های شیمیایی داخلی) هم یک مساله مشابه است. کنترل کننده ­های ابرخازن و تجهیزات کلیدزنی الکترونیکی هم می­توانند پیچیده باشند که نیازمند کارگرانی با مهارت­های تخصصی است.

صنایعی که از ابرخازن­ها استفاده می کنند

با اینکه در ابتدا به عنوان دستگاه ­های راه ­انداز برای موتورهای ریلی و مخزنی استفاده می­شدند٬ در حال حاضر٬ ابرخازن ­ها در وسایل خانگی یافت می­شوند. هرچند٬ یک بازار در حال رشد برای این محصول در صنعت حمل و نقل وجود دارد. بسیاری از کارخانه ­های خودرو از خازن دو لایه برای محافظت قطعات خاصی از موتور در برابر نوسانات ولتاژ استفاده می­کنند. ابرخازن­ ها به خاطر نرخ شارژ سریعی که دارند برای مکانیسم ­های ترمز ترانزیت جمعی و سلول­های سوختی قابل حمل برای خودروهای هیبریدی/الکتریکی کارآمد هستند.

ابر خازن ها همچنین به عنوان پشتیبان از باتری های اصلی به منظور اتصال کوتاه قطعی برق یا صاف کردن جریان الکتریکی عمل می کنند. اگر ابرخازن موازی یک ترمینال باتری نصب شود٬ می­تواند منبع تغذیه باتری را تقویت کند. این تقویت می­تواند عملکرد را در دوره­ هایی که تقاضا افزایش می­یابد افزایش داده و به حفظ سطح ثابت خروجی الکتریکی کمک کند.

آینده ابرخازن­ها

درحالیکه ابرخازن ­های امروزی گستره کاربردی محدودی دارند٬ پیشرفت در طراحی می­تواند کاربری محصولات را توسعه دهد. برای مثال٬ محققان در حال توسعه و آزمایش با صورت­های جدیدتری از مواد دی الکتریک٬ مانند نانولوله های کربنی٬ پلیپرول و باریوم تیتانات هستند که ممکن است ظرفیت خازنی و چگالی انرژی را بهبود بخشند.مفهوم ترکیب ابرخازن­ ها با منابع انرژی جایگزین برای جایگزینی باتری خودرو در جنبش سبز فعلی به موضوع جذابی تبدیل شده است و بسیاری از سیستم های حمل و نقل عمومی آزمایشاتی را برای اتوبوسها و قطارهای خازنی ایجاد کرده­اند. اگر این طرح­ها به نتایج موفقی دست یابند٬ خازن دولایه الکتریکی ممکن است به کارایی بیشتری دست یابد و نقش بیشتری در صنعت انرژی ایفا کند.


73 نوشته

بدون دیدگاه

پاسخ دهید

فیلدهای مورد نیاز با * علامت گذاری شده اند