المكثف الفائق

المكثف الفائق ( SC ) ، والذي يسمى أيضًا بالمكثف الفائق ، هو مكثف عالي السعة ، مع قيمة سعته أعلى بكثير من المكثفات الأخرى ولكن مع حدود جهد أقل. إنه يسد الفجوة بين المكثفات الإلكتروليتية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن . عادةً ما يخزن 10 إلى 100 مرة طاقة أكبر لكل وحدة حجم أو كتلة من المكثفات الإلكتروليتية ، ويمكنه قبول الشحن وتوصيله بشكل أسرع بكثير من البطاريات ، ويتحمل العديد من دورات الشحن والتفريغ أكثر من البطاريات القابلة لإعادة الشحن . ^[2]

تُستخدم المكثفات الفائقة في التطبيقات التي تتطلب العديد من دورات الشحن / التفريغ السريعة ، بدلاً من تخزين الطاقة المضغوط طويل المدى - في السيارات والحافلات والقطارات والرافعات والمصاعد ، حيث تُستخدم في الكبح المتجدد أو تخزين الطاقة على المدى القصير أو الانفجار- وضع توصيل الطاقة. ^[3] تُستخدم الوحدات الأصغر حجمًا كاحتياطي للطاقة لذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM).

على عكس المكثفات العادية ، لا تستخدم المكثفات الفائقة العازل الصلب التقليدي ، بل تستخدم السعة الكهروستاتيكية ثنائية الطبقة والسعة الكهروكيميائية الزائفة ، [ 4 ^] وكلاهما يساهم في السعة الكلية للمكثف ، مع بعض الاختلافات:

• تستخدم المكثفات الكهروستاتيكية ثنائية الطبقة ( EDLCs ) أقطابًا كربونية أو مشتقات ذات سعة كهروستاتيكية مزدوجة الطبقة أعلى بكثير من السعة الكهروكيميائية الكاذبة ، مما يحقق فصل الشحنة في طبقة هيلمهولتز المزدوجة عند السطح البيني بين سطح القطب الموصّل والإلكتروليت . يكون فصل الشحنة في حدود بضعة أنجستروم (0.3–0.8  نانومتر ) ، أصغر بكثير من المكثف التقليدي.
• تستخدم المكثفات الكهروكيميائية الزائفة أكسيد فلز أو أقطاب بوليمر موصلة بكمية عالية من السعة الكهروكيميائية الكاذبة بالإضافة إلى سعة الطبقة المزدوجة. يتم تحقيق السعة الكاذبة عن طريق نقل شحنة الإلكترون الفارادي مع تفاعلات الأكسدة والاختزال أو الإقحام أو الامتصاص الكهربائي .
• تستخدم المكثفات الهجينة ، مثل مكثف أيون الليثيوم ، أقطابًا كهربائية ذات خصائص مختلفة: أحدهما يظهر في الغالب السعة الكهروستاتيكية والآخر غالبًا السعة الكهروكيميائية.

يشكل المنحل بالكهرباء وصلة أيونية موصلة بين القطبين والتي تميزهما عن المكثفات الإلكتروليتية التقليدية حيث توجد دائمًا طبقة عازلة ، وما يسمى بالكهرباء ، على سبيل المثال ، MnO ₂ أو بوليمر موصل ، هو في الواقع جزء من القطب الثاني (ال الكاثود ، أو بشكل صحيح القطب الموجب). يتم استقطاب المكثفات الفائقة عن طريق التصميم باستخدام أقطاب كهربائية غير متماثلة ، أو بالنسبة للأقطاب الكهربائية المتماثلة ، بواسطة جهد مطبق أثناء التصنيع.

التاريخ

تطوير نماذج الطبقة المزدوجة والسعة الزائفة (انظر الطبقة المزدوجة (السطح البيني) ).

تطور المكونات

في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي ، بدأ مهندسو جنرال إلكتريك تجربة أقطاب كربون مسامية في تصميم المكثفات ، بدءًا من تصميم خلايا الوقود والبطاريات القابلة لإعادة الشحن . الفحم المنشط هو موصل كهربائي وهو شكل "إسفنجي" مسامي للغاية من الكربون مع مساحة سطح محددة عالية . في عام 1957 ، طور H. Becker "مكثف كهربائيا منخفض الجهد مع أقطاب كربون مسامية". ^{[5] [6] [7]}كان يعتقد أن الطاقة مخزنة كشحنة في مسام الكربون كما هو الحال في مسام الرقائق المحفورة للمكثفات الإلكتروليتية. ولأن آلية الطبقة المزدوجة لم تكن معروفة من قبله في ذلك الوقت ، فقد كتب في براءة الاختراع: "من غير المعروف بالضبط ما يحدث في المكون إذا تم استخدامه لتخزين الطاقة ، لكنه يؤدي إلى سعة عالية للغاية. "

لم تتابع شركة جنرال إلكتريك هذا العمل على الفور. في عام 1966 ، طور باحثون في Standard Oil of Ohio (SOHIO) نسخة أخرى من المكون باسم "جهاز تخزين الطاقة الكهربائية" ، أثناء العمل على تصاميم خلايا الوقود التجريبية. ^{[8] [9]} لم يتم وصف طبيعة تخزين الطاقة الكهروكيميائية في براءة الاختراع هذه. حتى في عام 1970 ، تم تسجيل المكثف الكهروكيميائي الحاصل على براءة اختراع من قبل Donald L. Boos كمكثف إلكتروليتي مع إلكترودات الكربون المنشط. ^[10]

استخدمت المكثفات الكهروكيميائية المبكرة ورقتي ألومنيوم مغطيتين بالكربون المنشط - الأقطاب الكهربائية - التي تم نقعها في إلكتروليت وفصلها عن طريق عازل مسامي رقيق. أعطى هذا التصميم مكثفًا بسعة بترتيب واحد فاراد ، أعلى بكثير من المكثفات الإلكتروليتية من نفس الأبعاد. يظل هذا التصميم الميكانيكي الأساسي أساس معظم المكثفات الكهروكيميائية.

لم تقم شركة SOHIO بتسويق اختراعها تجاريًا ، حيث قامت بترخيص التكنولوجيا لشركة NEC ، التي قامت أخيرًا بتسويق النتائج على أنها "مكثفات فائقة" في عام 1978 ، لتوفير طاقة احتياطية لذاكرة الكمبيوتر. ^[9]

بين عامي 1975 و 1980 ، أجرى برايان إيفانز كونواي أعمالًا أساسية وتطويرية مكثفة على المكثفات الكهروكيميائية بأكسيد الروثينيوم . في عام 1991 وصف الفرق بين سلوك "المكثف الفائق" و "البطارية" في تخزين الطاقة الكهروكيميائية. في عام 1999 ، عرّف مصطلح "المكثف الفائق" للإشارة إلى الزيادة في السعة المرصودة بواسطة تفاعلات الأكسدة والاختزال السطحية مع نقل شحنة فارادي بين الأقطاب الكهربائية والأيونات. ^{[11] [12]} قام "المكثف الفائق" بتخزين الشحنة الكهربائية جزئيًا في طبقة هيلمهولتز المزدوجة وجزئيًا كنتيجة لتفاعلات فارادا مع "السعة الكاذبة" لنقل الإلكترونات والبروتونات بين الإلكترود والإلكتروليت.الإقحام والامتصاص الكهربائي (الامتزاز على السطح). من خلال بحثه ، وسع كونواي بشكل كبير معرفة المكثفات الكهروكيميائية.

توسع السوق ببطء. تغير ذلك في حوالي عام 1978 عندما قامت باناسونيك بتسويق علامتها التجارية Goldcaps. ^[13] أصبح هذا المنتج مصدر طاقة ناجحًا لتطبيقات النسخ الاحتياطي للذاكرة. ^[9] المسابقة بدأت بعد سنوات فقط. في عام 1987 دخلت ELNA "Dynacap" السوق. ^[14] يتمتع الجيل الأول من EDLC بمقاومة داخلية عالية نسبيًا مما حد من تيار التفريغ. تم استخدامها للتطبيقات الحالية المنخفضة مثل تشغيل شرائح SRAM أو النسخ الاحتياطي للبيانات.

في نهاية الثمانينيات ، زادت مواد الإلكترود المحسّنة من قيم السعة. في الوقت نفسه ، أدى تطوير الإلكتروليتات ذات الموصلية الأفضل إلى خفض مقاومة السلسلة المكافئة (ESR) مما أدى إلى زيادة تيارات الشحن / التفريغ. تم تطوير أول مكثف فائق ذو مقاومة داخلية منخفضة في عام 1982 للتطبيقات العسكرية من خلال معهد أبحاث Pinnacle (PRI) ، وتم تسويقه تحت الاسم التجاري "PRI Ultracapacitor". في عام 1992 ، استحوذت Maxwell Laboratories (لاحقًا Maxwell Technologies ) على هذا التطوير. اعتمد ماكسويل مصطلح Ultracapacitor من PRI وأطلق عليه اسم "Boost Caps" ^[15] للتأكيد على استخدامها لتطبيقات الطاقة.

نظرًا لأن محتوى الطاقة في المكثفات يزداد مع زيادة مربع الجهد ، كان الباحثون يبحثون عن طريقة لزيادة جهد انهيار المنحل بالكهرباء . في عام 1994 باستخدام أنود مكثف التنتالوم الكهربائي عالي الجهد بجهد 200 فولت ، طور ديفيد أ. إيفانز "مكثف كهروكيميائي هجين كهربائي". ^{[16] [17]} تجمع هذه المكثفات بين خصائص المكثفات الإلكتروليتيكية والكهروكيميائية. يجمعون بين القوة العازلة العالية للأنود من مكثف إلكتروليتي مع السعة العالية لكاثود أكسيد معدني كاذب ( أكسيد الروثينيوم (IV))من مكثف كهروكيميائي ، ينتج عنه مكثف كهروكيميائي هجين. كانت مكثفات إيفانز ، المصممة كابتري ، ^[18] تحتوي على محتوى طاقة يزيد بمقدار 5 أضعاف عن مكثف التنتالوم الكهربائي من نفس الحجم. ^[19] تكاليفها المرتفعة اقتصرت على استخدامات عسكرية محددة.

تشمل التطورات الأخيرة مكثفات الليثيوم أيون . تم إطلاق هذه المكثفات الهجينة بواسطة FDK التابع لشركة Fujitsu في عام 2007. ^[20] وهي تجمع بين قطب كربون إلكتروستاتيكي مع قطب كهروكيميائي ليثيوم أيون مخدر مسبقًا. هذا المزيج يزيد من قيمة السعة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن عملية التنشيط المسبق تقلل من إمكانات الأنود وتؤدي إلى جهد خرج عالي للخلية ، مما يزيد من الطاقة المحددة.

تعمل أقسام الأبحاث النشطة في العديد من الشركات والجامعات ^[21] على تحسين الخصائص مثل الطاقة المحددة ، والطاقة المحددة ، واستقرار الدورة وتقليل تكاليف الإنتاج.

تصميم

التصميم الأساسي

تتكون المكثفات الكهروكيميائية (المكثفات الفائقة) من قطبين مفصولين بغشاء منفذ للأيونات ( فاصل ) ، وإلكتروليت يربط أيونيًا بين القطبين. عندما يتم استقطاب الأقطاب بواسطة جهد مطبق ، تشكل الأيونات الموجودة في الإلكتروليت طبقات كهربائية مزدوجة ذات قطبية معاكسة لقطبية القطب. على سبيل المثال ، ستحتوي الأقطاب الكهربائية المستقطبة إيجابيًا على طبقة من الأيونات السالبة في واجهة القطب / الإلكتروليت جنبًا إلى جنب مع طبقة موازنة الشحنة من الأيونات الموجبة التي تمتص على الطبقة السالبة. والعكس صحيح بالنسبة للقطب ذي الاستقطاب السلبي.

بالإضافة إلى ذلك ، اعتمادًا على مادة القطب وشكل السطح ، قد تتخلل بعض الأيونات الطبقة المزدوجة لتصبح أيونات ممتصة بشكل خاص وتساهم في السعة الكاذبة في السعة الكلية للمكثف الفائق.

توزيع السعة

يشكل القطبان الكهربائيان دائرة سلسلة من مكثفين فرديين C ₁ و C ₂ . يتم الحصول على إجمالي السعة الكلية _C بواسطة الصيغة

${\ displaystyle C _ {\ text {total}} = {\ frac {C_ {1} \ cdot C_ {2}} {C_ {1} + C_ {2}}}}$

قد تحتوي المكثفات الفائقة على أقطاب كهربائية متماثلة أو غير متماثلة. يشير التناظر إلى أن كلا القطبين لهما نفس قيمة السعة ، مما ينتج عنه سعة إجمالية تبلغ نصف قيمة كل قطب كهربائي واحد (إذا كان C ₁  =  C ₂ ، فإن _إجمالي C  =  C ₁ ). بالنسبة للمكثفات غير المتماثلة ، يمكن اعتبار السعة الكلية مثل السعة الكهربائية ذات السعة الأصغر (إذا كان C ₁ >> C ₂ ، إذن C _إجمالي  C  C ₂ ).

مبادئ التخزين

تستخدم المكثفات الكهروكيميائية تأثير الطبقة المزدوجة لتخزين الطاقة الكهربائية ؛ ومع ذلك ، لا تحتوي هذه الطبقة المزدوجة على عازل صلب تقليدي لفصل الشحنات. يوجد مبدآن للتخزين في الطبقة المزدوجة الكهربائية للأقطاب الكهربية التي تساهم في السعة الكلية لمكثف كهروكيميائي: ^[22]

• سعة مزدوجة الطبقة ، تخزين إلكتروستاتيكي للطاقة الكهربائية يتحقق بفصل الشحنة في طبقة هيلمهولتز المزدوجة. ^[23]
• السعة الكاذبة ، التخزين الكهروكيميائي للطاقة الكهربائية التي يتم تحقيقها عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال الفارادية مع نقل الشحنة. ^[15]

لا يمكن فصل السعاتين إلا عن طريق تقنيات القياس. إن مقدار الشحنة المخزنة لكل وحدة جهد في مكثف كهروكيميائي هو في الأساس دالة لحجم القطب ، على الرغم من أن مقدار السعة لكل مبدأ تخزين يمكن أن يختلف اختلافًا كبيرًا.

السعة الكهربائية مزدوجة الطبقة

يحتوي كل مكثف كهروكيميائي على قطبين ، مفصولين ميكانيكيًا بفاصل ، وهما متصلان أيونيًا ببعضهما البعض عبر الإلكتروليت . المنحل بالكهرباء عبارة عن خليط من الأيونات الموجبة والسالبة المذابة في مذيب مثل الماء. في كل من سطوح القطب الكهربي ينشأ منطقة يلامس فيها السائل المنحل بالكهرباء السطح المعدني الموصل للقطب الكهربي. تشكل هذه الواجهة حدًا مشتركًا بين مرحلتين مختلفتين من المادة ، مثل سطح قطب كهربي صلب غير قابل للذوبان وإلكتروليت سائل مجاور . تحدث في هذه الواجهة ظاهرة خاصة جدًا لتأثير الطبقة المزدوجة . ^[24]

يؤدي تطبيق جهد على مكثف كهروكيميائي إلى توليد قطبين كهربائيين في المكثف لطبقات كهربائية مزدوجة . تتكون هذه الطبقات المزدوجة من طبقتين من الشحنات: طبقة إلكترونية في الهيكل الشبكي السطحي للإلكترود ، والأخرى ، ذات القطبية المعاكسة ، تنبثق من الأيونات الذائبة والمذابة في الإلكتروليت . يتم فصل الطبقتين بواسطة طبقة أحادية من جزيئات المذيب ، على سبيل المثال ، للماء كمذيب بواسطة جزيئات الماء ، تسمى طائرة هيلمهولتز الداخلية (IHP). تلتصق جزيئات المذيبات بالامتزاز الفيزيائيعلى سطح القطب وفصل الأيونات المستقطبة بشكل معاكس عن بعضها البعض ، ويمكن جعلها مثالية كعزل جزيئي. في هذه العملية ، لا يوجد نقل للشحنة بين القطب الكهربائي والإلكتروليت ، وبالتالي فإن القوى التي تسبب الالتصاق ليست روابط كيميائية ، بل قوى فيزيائية ، على سبيل المثال ، القوى الكهروستاتيكية. الجزيئات الممتصة مستقطبة ، ولكن بسبب نقص نقل الشحنة بين الإلكتروليت والإلكترود ، لم تتعرض لأي تغيرات كيميائية.

يتطابق مقدار الشحنة في القطب مع حجم الشحنات المضادة في مستوى هيلمهولتز الخارجي (OHP). تخزن هذه الظاهرة ذات الطبقة المزدوجة الشحنات الكهربائية كما هو الحال في المكثف التقليدي. تشكل شحنة الطبقة المزدوجة مجالًا كهربائيًا ثابتًا في الطبقة الجزيئية لجزيئات المذيب في IHP الذي يتوافق مع قوة الجهد المطبق.

تعمل الطبقة المزدوجة تقريبًا كطبقة عازلة في مكثف تقليدي ، وإن كان بسماكة جزيء واحد. وبالتالي ، يمكن استخدام الصيغة القياسية لمكثفات الألواح التقليدية لحساب سعتها: ^[25]

${\ displaystyle C = \ varepsilon {\ frac {A} {d}}}$.

وفقًا لذلك ، تكون السعة C أكبر في المكثفات المصنوعة من المواد ذات السماحية العالية ε ، ومساحات سطح لوحة القطب الكبيرة A ومسافة صغيرة بين الألواح d . نتيجة لذلك ، تتمتع المكثفات ذات الطبقة المزدوجة بقيم سعة أعلى بكثير من المكثفات التقليدية ، والتي تنشأ من مساحة السطح الكبيرة للغاية لأقطاب الكربون المنشط والمسافة الرفيعة للغاية للطبقة المزدوجة بترتيب بضع أنجستروم ( 0.3-0.8 نانومتر) ، من أجل طول ديباي . ^{[15] [23]}

يتمثل العيب الرئيسي في أقطاب الكربون للـ SCs ذات الطبقة المزدوجة في قيم صغيرة من السعة الكمومية ^{[ بحاجة لمصدر ]} والتي تعمل في سلسلة ^[26] مع سعة شحنة الفضاء الأيونية. لذلك ، يمكن ربط زيادة كثافة السعة في الطوائف المنبوذة بزيادة السعة الكمية للهياكل النانوية لإلكترود الكربون. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

كمية الشحنة المخزنة لكل وحدة جهد في مكثف كهروكيميائي هي في الأساس دالة لحجم القطب. يكون التخزين الكهروستاتيكي للطاقة في الطبقات المزدوجة خطيًا فيما يتعلق بالشحنة المخزنة ، ويتوافق مع تركيز الأيونات الممتصة. أيضًا ، بينما يتم نقل الشحنة في المكثفات التقليدية عبر الإلكترونات ، ترتبط السعة في المكثفات ذات الطبقة المزدوجة بسرعة الحركة المحدودة للأيونات في الإلكتروليت والهيكل المسامي المقاوم للأقطاب الكهربائية. نظرًا لعدم حدوث أي تغييرات كيميائية داخل القطب أو الإلكتروليت ، فإن شحن الطبقات المزدوجة الكهربائية وتفريغها من حيث المبدأ أمر غير محدود. يقتصر عمر المكثفات الفائقة الحقيقية على تأثيرات تبخر الإلكتروليت.

السعة الكهروكيميائية الزائفة

يؤدي تطبيق جهد على أطراف المكثف الكهروكيميائي إلى تحريك أيونات الإلكتروليت إلى القطب المستقطب المعاكس ويشكل طبقة مزدوجة تعمل فيها طبقة واحدة من جزيئات المذيب كفاصل. يمكن أن تنشأ السعة الكاذبة عندما تنتشر الأيونات الممتصة على وجه التحديد من الإلكتروليت في الطبقة المزدوجة. تخزن هذه السعة الكاذبة الطاقة الكهربائية عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال الفارادا القابلة للانعكاس على سطح أقطاب كهربائية مناسبة في مكثف كهروكيميائي بطبقة مزدوجة كهربائية . ^{[11] [22] [23] [27] [28]} السعة الكاذبة مصحوبة بنقل شحنة الإلكترون بين يأتي الإلكتروليت والقطب الكهربي من أيون منزوع الذوبان والممتاز حيث يشارك إلكترون واحد فقط لكل وحدة شحن. ينشأ نقل الشحنة الفارادا هذا من خلال تسلسل سريع للغاية من عمليات الأكسدة والاختزال أو عمليات الامتصاص الكهربائي القابلة للانعكاس . الأيون الممتز ليس له تفاعل كيميائي مع ذرات القطب (لا تنشأ روابط كيميائية ^[29] ) حيث يتم فقط نقل الشحنة.

يتم نقل الإلكترونات المشاركة في عمليات الفارادا إلى أو من حالات إلكترون التكافؤ ( المدارات ) لكاشف قطب الأكسدة والاختزال. يدخلون القطب السالب ويتدفقون عبر الدائرة الخارجية إلى القطب الموجب حيث تكونت طبقة مزدوجة ثانية مع عدد متساوٍ من الأنيونات. لا يتم نقل الإلكترونات التي تصل إلى القطب الموجب إلى الأنيونات المكونة للطبقة المزدوجة ، وبدلاً من ذلك تظل في أيونات المعادن الانتقالية المتأينة بشدة و "المتعطشة للإلكترون" على سطح القطب. على هذا النحو ، فإن السعة التخزينية للسعة الكاذبة الفارادية محدودة بكمية محدودة من الكاشف في السطح المتاح.

لا تحدث السعة الكاذبة الفارادية إلا مع سعة طبقة مزدوجة ثابتة ، وقد يتجاوز حجمها قيمة سعة الطبقة المزدوجة لنفس مساحة السطح حسب العامل 100 ، اعتمادًا على طبيعة وبنية القطب ، لأن كل السعة الكاذبة تحدث التفاعلات فقط مع الأيونات منزوعة الذوبان ، والتي تكون أصغر بكثير من الأيونات المذابة مع غلافها المذاب. ^{[11] [27]} كمية السعة الكاذبة لها وظيفة خطية ضمن حدود ضيقة تحددها درجة الاعتماد المحتملة للتغطية السطحية للأنيونات الممتصة.

تعتمد قدرة الأقطاب الكهربائية على تحقيق تأثيرات السعة الكاذبة عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال أو الإقحام أو الامتصاص الكهربائي بقوة على التقارب الكيميائي لمواد الإلكترود مع الأيونات الممتصة على سطح القطب وكذلك على هيكل وأبعاد مسام القطب. المواد التي تظهر سلوك الأكسدة والاختزال لاستخدامها كأقطاب كهربائية في المكثفات الكاذبة هي أكاسيد معدنية انتقالية مثل RuO ₂ أو IrO ₂ أو MnO ₂ التي يتم إدخالها عن طريق المنشطات في مادة القطب الموصلة مثل الكربون النشط ، وكذلك البوليمرات الموصلة مثل بوليانيلين أو مشتقات البوليثيوفين تغطي مادة القطب.

كمية الشحنة الكهربائية المخزنة في السعة الكاذبة تتناسب خطيًا مع الجهد المطبق . وحدة السعة الكاذبة هي فاراد .

التوزيع المحتمل

المكثفات التقليدية (المعروفة أيضًا باسم المكثفات الكهروستاتيكية) ، مثل المكثفات الخزفية ومكثفات الأفلام ، تتكون من قطبين مفصولين بمادة عازلة . عند الشحن ، يتم تخزين الطاقة في مجال كهربائي ثابت يتخلل العازل بين الأقطاب الكهربائية. تزداد الطاقة الإجمالية مع كمية الشحنة المخزنة ، والتي بدورها ترتبط خطيًا بالجهد (الجهد) بين الألواح. الحد الأقصى لفرق الجهد بين الألواح (الجهد الأقصى) محدود بواسطة شدة مجال انهيار العازل . ينطبق نفس التخزين الثابت أيضًا على المكثفات الإلكتروليتيةحيث يتناقص معظم الجهد على طبقة الأكسيد الرقيقة بالقطب الموجب . يفسر الإلكتروليت السائل المقاوم إلى حد ما ( الكاثود ) انخفاضًا طفيفًا في إمكانات المكثفات الإلكتروليتية "الرطبة" ، في حين أن المكثفات الإلكتروليتية ذات المنحل بالكهرباء البوليمر الموصلة الصلبة هذا الانخفاض في الجهد لا يكاد يذكر.

في المقابل ، تتكون المكثفات الكهروكيميائية (المكثفات الفائقة) من قطبين مفصولين بغشاء منفذ للأيونات (فاصل) ومتصلين كهربائياً عبر إلكتروليت. يحدث تخزين الطاقة داخل الطبقات المزدوجة لكلا القطبين كخليط من سعة طبقة مزدوجة وسعة زائفة. عندما يكون لكلا القطبين نفس المقاومة تقريبًا ( المقاومة الداخلية) ، تنخفض إمكانات المكثف بشكل متماثل على كلتا الطبقتين ، حيث يتحقق انخفاض الجهد عبر مقاومة السلسلة المكافئة (ESR) للإلكتروليت. بالنسبة للمكثفات الفائقة غير المتماثلة مثل المكثفات الهجينة ، يمكن أن يكون انخفاض الجهد بين الأقطاب الكهربائية غير متماثل. الحد الأقصى للإمكانات عبر المكثف (الجهد الأقصى) محدود بجهد تحلل الإلكتروليت.

يعتبر تخزين الطاقة الكهروستاتيكية والكهروكيميائية في المكثفات الفائقة خطيًا فيما يتعلق بالشحنة المخزنة ، تمامًا كما هو الحال في المكثفات التقليدية. الجهد بين أطراف المكثف خطي فيما يتعلق بكمية الطاقة المخزنة. يختلف تدرج الجهد الخطي هذا عن البطاريات الكهروكيميائية القابلة لإعادة الشحن ، حيث يظل الجهد بين الأطراف مستقلاً عن كمية الطاقة المخزنة ، مما يوفر جهدًا ثابتًا نسبيًا.

مقارنة مع تقنيات التخزين الأخرى

تتنافس المكثفات الفائقة مع المكثفات الإلكتروليتية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن ، وخاصة بطاريات الليثيوم أيون . يقارن الجدول التالي المعلمات الرئيسية لعائلات المكثفات الفائقة الثلاثة الرئيسية مع المكثفات الإلكتروليتية والبطاريات.

معلمات أداء المكثفات الفائقة
مقارنة بالمكثفات الإلكتروليتية وبطاريات الليثيوم أيون

معامل	مكثفات الالومنيوم الالكتروليتية	المكثفات الفائقة			بطاريات ليثيوم أيون
		مكثفات مزدوجة الطبقة (ذاكرة احتياطية)	المكثفات الكاذبة	هجين (ليثيوم أيون)
نطاق درجة الحرارة ، درجة مئوية  (درجة مئوية)	−40 ... +125 درجة مئوية	−40 ... +70 درجة مئوية	−20 ... +70 درجة مئوية	−20 ... +70 درجة مئوية	−20 ... +60 درجة مئوية
الشحنة القصوى ، فولت  (V)	4 ... 630 فولت	1.2 ... 3.3 فولت	2.2 ... 3.3 فولت	2.2 ... 3.8 فولت	2.5 ... 4.2 فولت
دورات إعادة الشحن ، بالآلاف (ك)	<غير محدود	100 ك ... 1000 ك	100 ك ... 1000 ك	20 ك ... 100 ك	0.5 ك ... 10 ك
السعة الفاراد (  F)	≤ 2.7 فهرنهايت	0.1 ... 470 ف	100 ... 12000 ف	300 ... 3300 ف	-
طاقة محددة ، واط / ساعة لكل كيلوغرام (Wh / kg)	0.01 ... 0.3 واط / كغم	1.5 ... 3.9 واط / كغم	4 ... 9 واط / كغم	10 ... 15 واط / كغم	100 ... 265 واط / كغم
القدرة النوعية ، واط لكل جرام  (W / g)	> 100 واط / جم	2 ... 10 واط / غرام	3 ... 10 واط / ز	3 ... 14 واط / ز	0.3 ... 1.5 واط / ز
وقت التفريغ الذاتي في درجة حرارة الغرفة.	قصير (أيام)	متوسط ​​(أسابيع)	متوسط ​​(أسابيع)	طويل (شهر)	طويل (شهر)
كفاءة (٪)	99٪	95٪	95٪	90٪	90٪
الحياة العملية في درجة حرارة الغرفة ، سنوات (ذ)	> 20 ذ	5 ... 10 ذ	5 ... 10 ذ	5 ... 10 ذ	3 ... 5 ذ

تتميز المكثفات الإلكتروليتية بدورات شحن / تفريغ غير محدودة تقريبًا ، وقوة عازلة عالية (تصل إلى 550 فولت) واستجابة جيدة للتردد كمفاعل تيار متناوب (AC) في نطاق التردد المنخفض. يمكن أن تخزن المكثفات الفائقة طاقة أكثر من 10 إلى 100 مرة من المكثفات الإلكتروليتية ، لكنها لا تدعم تطبيقات التيار المتردد.

فيما يتعلق بالبطاريات القابلة لإعادة الشحن ، تتميز المكثفات الفائقة بتيارات ذروة أعلى ، وتكلفة منخفضة لكل دورة ، ولا يوجد خطر من الشحن الزائد ، وقابلية انعكاس جيدة ، وإلكتروليت غير قابل للتآكل ، وسمية منخفضة للمواد. توفر البطاريات تكلفة شراء أقل وجهدًا ثابتًا تحت التفريغ ، ولكنها تتطلب تحكمًا إلكترونيًا معقدًا ومعدات تبديل ، مع ما يترتب على ذلك من فقدان الطاقة وخطر الشرارة في حالة قصيرة. ^{[ التوضيح مطلوب ]}

الأنماط

تُصنع المكثفات الفائقة بأنماط مختلفة ، مثل المسطحة بزوج واحد من الأقطاب الكهربائية ، أو الجرح في علبة أسطوانية ، أو مكدسة في علبة مستطيلة. نظرًا لأنها تغطي نطاقًا واسعًا من قيم السعة ، يمكن أن يختلف حجم العلب.

• أنماط مختلفة من المكثفات الفائقة
• 

  النمط المسطح لمكثف فائق يستخدم للمكونات المتنقلة

• 

  نمط شعاعي لمكثف فائق من نوع ليثيوم أيون لتركيب ثنائي الفينيل متعدد الكلور يستخدم للتطبيقات الصناعية

تفاصيل البناء

• تفاصيل بناء المكثفات الفائقة الجرح والمكدسة مع أقطاب الكربون المنشط
• 

  البناء التخطيطي لمكثف الجرح الفائق
  1. المحطات ، 2. فتحة الأمان ، 3. قرص الختم ، 4. علبة الألمنيوم ، 5. القطب الموجب ، 6. الفاصل ، 7. القطب الكهربائي ، 8. المجمع ، 9. قطب الكربون ، 10. قطب سالب

• 

  بناء تخطيطي لمكثف فائق مع أقطاب كهربائية مكدسة
  1. قطب موجب ، 2. قطب سالب ، 3. فاصل

يتم تصنيع المكثفات الفائقة برقائق معدنية (مجمعات تيار) ، كل واحدة مغطاة بمادة قطب كهربي مثل الكربون المنشط ، والتي تعمل كوصلة طاقة بين مادة القطب الكهربائي والمحطات الخارجية للمكثف. على وجه التحديد لمادة القطب هي مساحة سطح كبيرة جدا. في هذا المثال ، يتم حفر الكربون المنشط كهربائيًا ، بحيث تكون مساحة سطح المادة أكبر بحوالي 100000 مرة من السطح الأملس. يتم فصل الأقطاب الكهربائية عن طريق غشاء منفذ للأيونات (فاصل) يستخدم كعازل لحماية الأقطاب الكهربائية من قصر الدوائر. يتم لف هذا البناء أو طيه لاحقًا في شكل أسطواني أو مستطيل ويمكن تكديسه في علبة من الألومنيوم أو مبيت مستطيل قابل للتكيف. يتم بعد ذلك تشريب الخلية بمحلول إلكتروليت سائل أو لزج من النوع العضوي أو المائي. يدخل المنحل بالكهرباء ، وهو موصل أيوني ، إلى مسام الأقطاب الكهربائية ويعمل كوصلة موصلة بين الأقطاب الكهربائية عبر الفاصل. أخيرًا ، يتم إغلاق السكن بإحكام لضمان سلوك مستقر طوال العمر المحدد.

أنواع

يتم تخزين الطاقة الكهربائية في المكثفات الفائقة من خلال مبدأين للتخزين ، السعة المزدوجة الطبقة الثابتة والسعة الكهروكيميائية الزائفة ؛ ويعتمد توزيع نوعي السعة على مادة وبنية الأقطاب الكهربائية. هناك ثلاثة أنواع من المكثفات الفائقة بناءً على مبدأ التخزين: ^{[15] [23]}

• المكثفات ثنائية الطبقة ( EDLCs ) - مع أقطاب الكربون المنشط أو المشتقات ذات السعة الكهروستاتيكية المزدوجة الطبقة أعلى بكثير من السعة الكهروكيميائية الزائفة
• المكثفات الكاذبة  - مع أكسيد فلز انتقالي أو أقطاب بوليمر موصلة ذات قدرة كاذبة كهروكيميائية عالية
• المكثفات الهجينة  - ذات الأقطاب الكهربائية غير المتماثلة ، يُظهر أحدها في الغالب السعة الكهروستاتيكية والآخر في الغالب السعة الكهروكيميائية ، مثل مكثفات الليثيوم أيون

نظرًا لأن كل من السعة المزدوجة الطبقة والسعة الزائفة يساهمان بشكل لا ينفصل في القيمة الإجمالية للسعة للمكثف الكهروكيميائي ، لا يمكن إعطاء وصف صحيح لهذه المكثفات إلا تحت المصطلح العام. تم اقتراح مفاهيم البطارية الفائقة والبطارية الفائقة مؤخرًا لتمثيل تلك الأجهزة الهجينة بشكل أفضل والتي تتصرف مثل المكثف الفائق والبطارية القابلة لإعادة الشحن ، على التوالي. ^[30]

يتم تحديد قيمة السعة للمكثف الفائق من خلال مبدأين للتخزين:

• سعة طبقة مزدوجة  - تخزين إلكتروستاتيكي للطاقة الكهربائية يتم تحقيقه عن طريق فصل الشحنة في طبقة هيلمهولتز المزدوجة عند السطح البيني بين سطح قطب موصل ومحلول إلكتروليت . يكون فصل مسافة الشحن في الطبقة المزدوجة في حدود بضعة أنجستروم (0.3–0.8  نانومتر ) وهو ثابت في الأصل. ^[15]
• السعة الكاذبة  - التخزين الكهروكيميائي للطاقة الكهربائية ، الذي يتم تحقيقه عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال أو الامتصاص الكهربائي أو الإقحام على سطح القطب بواسطة الأيونات الممتصة على وجه التحديد ، مما ينتج عنه نقل شحنة فارادي قابل للانعكاس على القطب. ^[15]

تساهم كل من السعة المزدوجة الطبقة والسعة الزائفة بشكل لا ينفصم في القيمة الإجمالية للسعة للمكثف الفائق. ^[22] ومع ذلك ، فإن النسبة بين الاثنين يمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا ، اعتمادًا على تصميم الأقطاب الكهربائية وتكوين الإلكتروليت. يمكن أن تزيد السعة الكاذبة من قيمة السعة بمقدار عشر مرات على قيمة الطبقة المزدوجة في حد ذاتها. ^{[11] [27]}

المكثفات الكهربائية مزدوجة الطبقة (EDLC) هي مكثفات كهروكيميائية يتم فيها تخزين الطاقة في الغالب عن طريق سعة مزدوجة الطبقة. في الماضي ، كانت جميع المكثفات الكهروكيميائية تسمى "مكثفات مزدوجة الطبقة". يرى الاستخدام المعاصر مكثفات مزدوجة الطبقة ، جنبًا إلى جنب مع المكثفات الزائفة ، كجزء من عائلة أكبر من المكثفات الكهروكيميائية ^{[11] [27]} تسمى المكثفات الفائقة. تُعرف أيضًا بالمكثفات الفائقة.

المواد

تأتي خصائص المكثفات الفائقة من تفاعل موادها الداخلية. على وجه الخصوص ، يحدد مزيج مادة القطب ونوع المنحل بالكهرباء الوظيفة والخصائص الحرارية والكهربائية للمكثفات.

أقطاب كهربائية

تكون الأقطاب الكهربائية ذات المكثفات الفائقة عمومًا عبارة عن أغلفة رقيقة مطبقة ومتصلة كهربائيًا بمجمع تيار معدني موصل . يجب أن تتمتع الأقطاب الكهربائية بموصلية جيدة ، واستقرار درجة حرارة عالية ، واستقرار كيميائي طويل الأمد ( خمول ) ، ومقاومة عالية للتآكل ، ومساحات سطح عالية لكل وحدة حجم وكتلة. المتطلبات الأخرى تشمل الصداقة البيئية والتكلفة المنخفضة.

كمية الطبقة المزدوجة وكذلك السعة الكاذبة المخزنة لكل وحدة جهد في المكثف الفائق هي في الغالب دالة لمساحة سطح القطب. لذلك ، تصنع الأقطاب الكهربائية الفائقة المكثف عادةً من مادة إسفنجية مسامية ذات مساحة سطحية عالية للغاية ، مثل الكربون المنشط . بالإضافة إلى ذلك ، فإن قدرة مادة القطب الكهربائي على إجراء عمليات نقل شحنة فارادايك تعزز السعة الكلية.

بشكل عام ، كلما كانت مسام القطب الكهربائي أصغر ، زادت السعة والطاقة النوعية . ومع ذلك ، فإن المسام الأصغر تزيد من مقاومة السلسلة المكافئة (ESR) وتقلل من قوة معينة . تتطلب التطبيقات ذات التيارات العالية الذروة مسامًا أكبر وخسائر داخلية منخفضة ، بينما تحتاج التطبيقات التي تتطلب طاقة محددة عالية إلى مسام صغيرة.

الأقطاب الكهربائية لـ EDLCs

مادة القطب الأكثر استخدامًا للمكثفات الفائقة هي الكربون في مظاهر مختلفة مثل الكربون المنشط (AC) ، قماش ألياف الكربون (AFC) ، الكربون المشتق من الكربيد (CDC) ، ^{[31] [32]} الهلام الهوائي الكربوني ، الجرافيت ( الجرافين ) والجرافان [ ^33] والأنابيب النانوية الكربونية (CNTs). ^{[22] [34] [35]}

تُظهر الأقطاب الكهربائية القائمة على الكربون في الغالب سعة طبقة مزدوجة ثابتة ، على الرغم من أن كمية صغيرة من السعة الكاذبة قد تكون موجودة أيضًا اعتمادًا على توزيع حجم المسام. تتراوح أحجام المسام في الكربون عادةً من المسام الدقيقة (أقل من 2 نانومتر) إلى المسام المتوسطة ( 2-50 نانومتر) ، ^[36] ولكن المسام الدقيقة فقط (<2 نانومتر) تساهم في السعة الكاذبة. مع اقتراب حجم المسام من حجم غلاف المحلول ، يتم استبعاد جزيئات المذيب وتملأ الأيونات غير المذابة المسام فقط (حتى للأيونات الكبيرة) ، مما يزيد من كثافة التعبئة الأيونية وقدرة التخزين بواسطة faradaic H
₂إقحام. ^[22]

الكربون المنشط

كان الكربون المنشط أول مادة تم اختيارها لأقطاب EDLC. على الرغم من أن الموصلية الكهربائية الخاصة بها تقارب 0.003٪ من المعادن ( 1250 إلى 2000 S / m ) ، إلا أنها كافية للمكثفات الفائقة. ^{[23] [15]}

الكربون المنشط هو شكل مسامي للغاية من الكربون مع مساحة سطح محددة عالية - التقريب الشائع هو أن 1 جرام (0.035 أوقية) (كمية بحجم ممحاة القلم الرصاص) تبلغ مساحتها حوالي 1000 إلى 3000 متر مربع (11000 إلى 32000 قدم مربع) ^{[34] [36]} - بحجم 4 إلى 12 ملعب تنس . الشكل السائب المستخدم في الأقطاب الكهربائية منخفض الكثافة مع وجود العديد من المسام ، مما يعطي سعة عالية من طبقتين.

الكربون المنشط الصلب ، والذي يُطلق عليه أيضًا اسم الكربون غير المتبلور الموحد (CAC) ، هو أكثر مواد القطب استخدامًا للمكثفات الفائقة وقد يكون أرخص من مشتقات الكربون الأخرى. ^[37] يتم إنتاجه من مسحوق الكربون المنشط المضغوط إلى الشكل المطلوب ، مكونًا كتلة ذات توزيع واسع لأحجام المسام. ينتج عن القطب الذي تبلغ مساحة سطحه حوالي 1000 م ² / جم سعة نموذجية مزدوجة الطبقة تبلغ حوالي 10 ميكرو فاراد / سم ² وسعة محددة تبلغ 100 فهرنهايت / جم.

اعتبارًا من عام 2010 ، ^[update]تستخدم جميع المكثفات الفائقة التجارية تقريبًا مسحوق الكربون المنشط المصنوع من قشور جوز الهند. ^[38] تنتج قشور جوز الهند الكربون المنشط بمسام دقيقة أكثر من الفحم المصنوع من الخشب. ^[36]

ألياف الكربون المنشط

يتم إنتاج ألياف الكربون المنشط (ACF) من الكربون المنشط ويبلغ قطرها النموذجي 10 ميكرومتر. يمكن أن يكون لها مسام صغيرة ذات توزيع ضيق للغاية بحجم المسام يمكن التحكم فيه بسهولة. مساحة سطح ACF المنسوجة في نسيج حوالي2500 م ² / ز . تشمل مزايا أقطاب ACF مقاومة كهربائية منخفضة على طول محور الألياف واتصال جيد بالمجمع. ^[34]

بالنسبة للكربون المنشط ، تظهر أقطاب ACF في الغالب سعة مزدوجة الطبقة مع كمية صغيرة من السعة الكاذبة بسبب المسامات الدقيقة الخاصة بها.

ايروجيل الكربون

الهلام الهلامي الكربوني هو مادة اصطناعية خفيفة للغاية مسامية للغاية مشتقة من هلام عضوي حيث تم استبدال المكون السائل للجيل بغاز.

تصنع أقطاب الهوائي عن طريق الانحلال الحراري للريسورسينول - الفورمالديهايد ايروجيل [ ^39] وهي أكثر موصلة من معظم الكربون النشط. إنها تتيح أقطابًا رفيعة ومستقرة ميكانيكيًا بسمك في حدود عدة مئات من الميكرومترات (ميكرومتر) وحجم مسام موحد. توفر أقطاب Airgel أيضًا الاستقرار الميكانيكي والاهتزاز للمكثفات الفائقة المستخدمة في البيئات عالية الاهتزاز.

ابتكر الباحثون قطبًا كربونًا للهواء الهوائي بكثافة جاذبية تبلغ حوالي 400-1200 م 2 ^/ جم وسعة حجمية تبلغ 104 فهرنهايت / سم ³ ، مما ينتج عنه طاقة محددة تبلغ325 كج / كغ (90 واط / كجم ) وقوة محددة تبلغ20 واط / غرام . ^{[40] [41]}

تُظهر أقطاب الهوائي القياسية سعة مزدوجة في الغالب. يمكن أن تضيف أقطاب الهوائي التي تتضمن مادة مركبة قدرًا كبيرًا من السعة الكاذبة. ^[42]

الكربون المشتق من الكربيد

الكربون المشتق من الكربيد (CDC) ، المعروف أيضًا باسم الكربون النانوي القابل للضبط ، هو مجموعة من المواد الكربونية المشتقة من سلائف الكربيد ، مثل كربيد السيليكون الثنائي وكربيد التيتانيوم ، والتي يتم تحويلها إلى كربون نقي عن طريق الفيزيائية ، على سبيل المثال ، التحلل الحراري أو المواد الكيميائية ، على سبيل المثال ، الهالوجين ). ^{[43] [44]}

يمكن أن تظهر الكربونات المشتقة من الكربيد مساحة سطح عالية وأقطار مسام قابلة للضبط (من المسام الدقيقة إلى المسام المتوسطة) لتعظيم حبس الأيونات ، وزيادة السعة الكاذبة بواسطة faradaic H
₂علاج الامتزاز. توفر أقطاب CDC ذات التصميم المسامي المخصص ما يصل إلى 75٪ من الطاقة المحددة أكبر من الكربونات المنشطة التقليدية.

اعتبارًا من عام 2015 ^[update]، قدم مكثف فائق CDC طاقة محددة تبلغ 10.1 واط / كجم ، وسعة 3500 فهرنهايت وأكثر من مليون دورة تفريغ شحن. ^[45]

الجرافين

الجرافين عبارة عن لوح بسماكة ذرة واحدة من الجرافيت ، مع ذرات مرتبة في نمط سداسي منتظم ، ^{[46] [47]} ويسمى أيضًا "الورق المركب النانوي". ^[48]

تبلغ مساحة سطح الجرافين المحددة من الناحية النظرية 2630 م ² / جم والتي يمكن أن تؤدي نظريًا إلى سعة قدرها 550 فهرنهايت / جم. بالإضافة إلى ذلك ، فإن ميزة الجرافين على الكربون المنشط هي الموصلية الكهربائية العالية. اعتبارًا من عام 2012 ^[update]، استخدم تطور جديد أوراق الجرافين مباشرة كأقطاب كهربائية بدون مجمعات للتطبيقات المحمولة. ^{[49] [50]}

في أحد النماذج ، يستخدم المكثف الفائق المعتمد على الجرافين ألواح الجرافين المنحنية التي لا تتراكم وجهًا لوجه ، مما يؤدي إلى تكوين فتحات متوسطة يمكن الوصول إليها وقابلة للبلل بواسطة الإلكتروليتات الأيونية بجهد يصل إلى 4 فولت.85.6 واط / كغم (308 كيلوجول / كجم ) عند درجة حرارة الغرفة التي تعادل درجة حرارة بطارية هيدريد فلز النيكل التقليدية ، ولكن بقوة معينة أكبر 100-1000 مرة. ^{[51] [52]}

يعمل الهيكل ثنائي الأبعاد للجرافين على تحسين الشحن والتفريغ. يمكن أن تنتقل حاملات الشحن في الألواح ذات الاتجاه الرأسي بسرعة إلى أو خارج الهياكل العميقة للقطب الكهربي ، وبالتالي زيادة التيارات. قد تكون هذه المكثفات مناسبة لتطبيقات مرشح 100/120 هرتز ، والتي لا يمكن الوصول إليها للمكثفات الفائقة باستخدام مواد كربون أخرى. ^[53]

الأنابيب النانوية الكربونية

الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) ، وتسمى أيضًا أنابيب البوكي ، هي جزيئات كربون ذات بنية نانوية أسطوانية . لديهم هيكل مجوف مع جدران مكونة من صفائح من الجرافيت بسماكة ذرة واحدة. يتم لف هذه الألواح بزوايا محددة ومنفصلة ("لولبية") ، ويتحكم الجمع بين الزاوية اللولبية ونصف القطر في خصائص مثل التوصيل الكهربائي وقابلية التبلل بالكهرباء والوصول إلى الأيونات. يتم تصنيف الأنابيب النانوية على أنها أنابيب نانوية أحادية الجدار (SWNTs) أو أنابيب نانوية متعددة الجدران (MWNTs). يحتوي الأخير على واحد أو أكثر من الأنابيب الخارجية التي تغلف على التوالي SWNT ، مثل دمى ماتريوشكا الروسية . وتتراوح أقطار الأنابيب النانوية الكربونية بين 1 و 3 نانومتر. MWNTs لها محوري أكثر سمكًا مفصولة بمسافة (0.34 نانومتر) قريبة من مسافة الطبقة البينية للجرافين.

يمكن أن تنمو الأنابيب النانوية عموديًا على الركيزة المجمعة ، مثل رقاقة السيليكون. أطوال نموذجية من 20 إلى 100 ميكرومتر. ^[54]

يمكن للأنابيب النانوية الكربونية أن تحسن أداء المكثف بشكل كبير ، وذلك بسبب مساحة السطح عالية الرطوبة والموصلية العالية. ^{[55] [56]}

تمت دراسة مكثف فائق قائم على SWNT مع إلكتروليت مائي بشكل منهجي في جامعة ديلاوير في مجموعة البروفيسور Bingqing Wei. اكتشف Li وزملاؤه ، لأول مرة ، أن تأثير حجم الأيونات وقابلية التبلل بالقطب الكهربي هما العاملان السائدان في التأثير على السلوك الكهروكيميائي لمكثفات SWCNTs الفائقة المرنة في إلكتروليتات مائية 1 مول مختلفة مع الأنيونات والكاتيونات المختلفة. أظهرت النتائج التجريبية أيضًا للمكثف الفائق المرن أنه يُقترح وضع ضغط كافٍ بين القطبين لتحسين المكثف الفائق CNT المنحل بالكهرباء المائي. ^[57]

يمكن أن تخزن الأنابيب النانوية الكربونية نفس شحنة الكربون المنشط لكل وحدة مساحة سطحية ، لكن سطح الأنابيب النانوية يتم ترتيبه في نمط منتظم ، مما يوفر قابلية أكبر للبلل. تمتلك SWNTs مساحة سطحية نظرية عالية تبلغ 1315 م ² / جم ، في حين أن مساحة MWNTs أقل ويتم تحديدها حسب قطر الأنابيب ودرجة التعشيش ، مقارنة بمساحة سطح تبلغ حوالي 3000 م ² / جم من الكربون المنشط . ومع ذلك ، فإن الأنابيب النانوية الكربونية لها سعة أعلى من أقطاب الكربون المنشط ، على سبيل المثال ، 102 F / g لـ MWNTs و 180 F / g لـ SWNTs. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تحتوي MWNTs على مسام متوسطة تسمح بالوصول السهل للأيونات في واجهة الإلكترود والإلكتروليت. مع اقتراب حجم المسام من حجم غلاف مذيب الأيونات ، يتم تجريد جزيئات المذيب جزئيًا ، مما يؤدي إلى كثافة تعبئة أيونية أكبر وزيادة قدرة تخزين الفارادايك. ومع ذلك ، فإن التغيير الكبير في الحجم أثناء الإقحام المتكرر والاستنفاد يقلل من ثباتها الميكانيكي. تحقيقًا لهذه الغاية ، يستمر البحث لزيادة مساحة السطح والقوة الميكانيكية والتوصيل الكهربائي والاستقرار الكيميائي. ^{[55] [58] [59]}

أقطاب المكثفات الكاذبة

MnO ₂ و RuO ₂ هي مواد نموذجية تستخدم كأقطاب كهربائية للمكثفات الكاذبة ، حيث أن لها التوقيع الكهروكيميائي للقطب السعوي (الاعتماد الخطي على منحنى التيار مقابل الجهد) بالإضافة إلى إظهار سلوك فارادي. بالإضافة إلى ذلك ، ينشأ تخزين الشحنة من آليات نقل الإلكترون بدلاً من تراكم الأيونات في الطبقة الكهروكيميائية المزدوجة. تم إنشاء المكثفات الكاذبة من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال الفارادية التي تحدث داخل مواد الإلكترود النشطة. ركز المزيد من الأبحاث على أكاسيد المعادن الانتقالية مثل MnO ₂ لأن أكاسيد المعادن الانتقالية لها تكلفة أقل مقارنة بأكاسيد المعادن النبيلة مثل RuO ₂. علاوة على ذلك ، تعتمد آليات تخزين الشحنة لأكاسيد المعادن الانتقالية في الغالب على السعة الكاذبة. تم تقديم آليتين لسلوك تخزين شحن MnO _{2 .} تتضمن الآلية الأولى إقحام البروتونات (H ⁺ ) أو الكاتيونات الفلزية القلوية (C ⁺ ) في الجزء الأكبر من المادة عند الاختزال متبوعًا بإزالة التداخل عند الأكسدة. ^[60]

MnO ₂ + H ⁺ (C ⁺ ) + e ^- MnOOH (C) ^[61]

تعتمد الآلية الثانية على الامتزاز السطحي للكاتيونات بالكهرباء على MnO ₂ .

(MnO ₂ ) _السطح + C ⁺ + e ^- ⇌ (MnO ₂ ^- C ⁺ ) _السطح

لا يمكن استخدام كل مادة تُظهر سلوكًا فاراديًا كقطب كهربائي للمكثفات الكاذبة ، مثل Ni (OH) ₂ نظرًا لأنها قطب كهربائي من نوع البطارية (اعتماد غير خطي على منحنى التيار مقابل الجهد). ^[62]

أكاسيد المعادن

وصف بحث بريان إيفانز كونواي ^{[11] [12]} الأقطاب الكهربائية لأكاسيد المعادن الانتقالية التي أظهرت كميات كبيرة من السعة الكاذبة. أكاسيد المعادن الانتقالية بما في ذلك الروثينيوم ( RuO
₂) ، إيريديوم ( IrO
₂) والحديد ( Fe
₃ا
₄) والمنغنيز ( MnO
₂) أو كبريتيدات مثل كبريتيد التيتانيوم ( TiS
₂) وحدها أو مجتمعة تولد تفاعلات فارادية قوية لنقل الإلكترون مقترنة بمقاومة منخفضة. ^{[ بحاجة لمصدر ]} ثاني أكسيد الروثينيوم بالاشتراك مع H.
₂لذا
₄يوفر المنحل بالكهرباء سعة محددة تبلغ 720 فهرنهايت / جم وطاقة نوعية عالية تبلغ 26.7 واط / كجم (96.12 كيلو جول / كجم ). ^[63]

يحدث الشحن / التفريغ عبر نافذة تبلغ حوالي 1.2 فولت لكل قطب كهربائي. هذه السعة الكاذبة التي تبلغ حوالي 720 فهرنهايت / جم أعلى بحوالي 100 مرة من السعة ذات الطبقة المزدوجة باستخدام أقطاب الكربون المنشط. توفر أقطاب الانتقال المعدنية هذه قابلية انعكاس ممتازة ، مع عدة مئات الآلاف من الدورات. ومع ذلك ، فإن الروثينيوم باهظ الثمن ونافذة الجهد 2.4 فولت لهذا المكثف تقصر تطبيقاتها على التطبيقات العسكرية والفضائية. داس وآخرون. أبلغت عن أعلى قيمة للسعة (1715 فهرنهايت / جم) للمكثف الفائق القائم على أكسيد الروثينيوم مع أكسيد الروثينيوم المترسب كهربائيًا على قطب كربون نانوي أحادي الجدار مسامي. ^[64] تم الإبلاغ عن سعة عالية محددة تبلغ 1715 فهرنهايت / جم والتي تقترب عن كثب من الحد الأقصى النظري لـ RuO
₂سعة 2000 فهرنهايت / جم.

في عام 2014 RuO
₂قدم مكثف فائق مثبت على قطب من رغوة الجرافين سعة محددة تبلغ 502.78 فهرنهايت / جم وسعة مساحية 1.11 فهرنهايت / سم ² ) مما أدى إلى طاقة محددة تبلغ 39.28 واط / كجم وقوة محددة تبلغ 128.01 كيلو واط / كجم على مدى 8000 دورة بأداء ثابت. كان الجهاز عبارة عن بنية رغوية هجينة (RGM) ثلاثية الأبعاد (ثلاثية الأبعاد) تحت 5 نانومتر مائي مرتبط بالروثينيوم . تمت تغطية رغوة الجرافين بشكل مطابق بشبكات هجينة من RuO
₂الجسيمات النانوية والأنابيب النانوية الكربونية الراسية. ^{[65] [66]}

تم اختبار أكاسيد الحديد والفاناديوم والنيكل والكوبالت الأقل تكلفة في إلكتروليتات مائية ، ولكن لم يتم فحص أي منها مثل ثاني أكسيد المنغنيز ( MnO )
₂). ومع ذلك ، لا يتم استخدام أي من هذه الأكاسيد في الاستخدام التجاري. ^[67]

البوليمرات الموصلة

نهج آخر يستخدم البوليمرات الموصلة للإلكترون كمادة كاذبة القدرة. على الرغم من ضعفها ميكانيكيًا ، إلا أن البوليمرات الموصلة لها موصلية عالية ، مما يؤدي إلى انخفاض ESR وسعة عالية نسبيًا. تتضمن هذه البوليمرات الموصلة بوليانيلين ، بولي ثيوفين ، بولي بيرول وبولي أسيتيلين . تستخدم هذه الأقطاب الكهربائية أيضًا المنشطات الكهروكيميائية أو إزالة البوليمرات بالأنيونات والكاتيونات. الأقطاب الكهربائية المصنوعة من البوليمرات الموصلة أو المطلية بها لها تكاليف مماثلة لأقطاب الكربون.

يعاني توصيل أقطاب البوليمر عمومًا من استقرار دورة محدودة. ^{[ بحاجة لمصدر ]} ومع ذلك ، توفر أقطاب البولي آسين ما يصل إلى 10000 دورة ، أفضل بكثير من البطاريات. ^[68]

الأقطاب الكهربائية للمكثفات الهجينة

جميع المكثفات الفائقة التجارية الهجينة غير متماثلة. فهي تجمع بين قطب كهربائي وكمية عالية من السعة الكاذبة مع قطب كهربائي بكمية عالية من سعة الطبقة المزدوجة . في مثل هذه الأنظمة ، يوفر قطب السعة الكاذبة الفارادي بسعة أعلى طاقة نوعية عالية بينما يتيح القطب الكهربائي EDLC غير الفارادي طاقة نوعية عالية . تتمثل ميزة المكثفات الفائقة من النوع الهجين مقارنةً بالمكثفات الفائقة من النوع المتماثل في قيمة السعة المحددة الأعلى بالإضافة إلى الفولتية ذات التصنيف الأعلى وبالتالي طاقتها النوعية الأعلى. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

الأقطاب الكهربائية المركبة

يتم تصنيع الأقطاب الكهربائية المركبة للمكثفات الفائقة من النوع الهجين من مواد قائمة على الكربون مع مواد نشطة تكادمية كاذبة مدمجة أو مترسبة مثل أكاسيد المعادن والبوليمرات الموصلة. اعتبارًا من عام 2013 ^[update]، تستكشف معظم الأبحاث الخاصة بالمكثفات الفائقة الأقطاب الكهربائية المركبة.

تعطي الأنابيب النانوية الكربونية العمود الفقري لتوزيع متجانس لأكسيد المعدن أو بوليمرات موصلة كهربائيًا (ECPs) ، مما ينتج قدرة زائفة جيدة وسعة جيدة مزدوجة الطبقة. تحقق هذه الأقطاب الكهربائية سعات أعلى من الكربون النقي أو أكسيد المعدن النقي أو الأقطاب الكهربائية القائمة على البوليمر. يُعزى ذلك إلى إمكانية الوصول إلى بنية الحصيرة المتشابكة للأنابيب النانوية ، والتي تسمح بطلاء موحد للمواد ذات القدرة الكاذبة وتوزيع الشحنة ثلاثي الأبعاد. عادة ما تستخدم عملية تثبيت المواد الكاذبة الزائفة عملية حرارية مائية. ومع ذلك ، وجد باحث حديث ، Li et al. ، من جامعة ديلاوير ، طريقة سهلة وقابلة للتطوير لترسيب MnO2 في فيلم SWNT لصنع مكثف فائق قائم على الإلكتروليت العضوي. ^[69]

هناك طريقة أخرى لتعزيز أقطاب الأنابيب النانوية الكربونية وهي عن طريق تعاطي المنشطات بمخدر كاذب كما هو الحال في مكثفات أيون الليثيوم . في هذه الحالة ، تتداخل ذرات الليثيوم الصغيرة نسبيًا بين طبقات الكربون. ^[70] الأنود مصنوع من الكربون المشبع بالليثيوم ، والذي يتيح إمكانية سلبية أقل باستخدام كاثود مصنوع من الكربون المنشط. ينتج عن هذا جهد أكبر من 3.8-4 فولت يمنع أكسدة الإلكتروليت. اعتبارًا من عام 2007 ، حققوا سعة قدرها 550 فهرنهايت / جم. ^[9] وتصل إلى طاقة محددة تصل إلى 14 واط / كغم (50.4 كيلو جول / كجم ). ^[71]

أقطاب كهربائية من نوع البطارية

أثرت أقطاب البطارية القابلة لإعادة الشحن على تطوير الأقطاب الكهربائية للأقطاب الكهربائية الجديدة ذات المكثف الفائق من النوع الهجين كما هو الحال بالنسبة لمكثفات الليثيوم أيون . ^[72] جنبًا إلى جنب مع إلكترود الكربون EDLC في بنية غير متماثلة ، يوفر هذا التكوين طاقة محددة أعلى من المكثفات الفائقة النموذجية ذات الطاقة المحددة الأعلى ، ودورة الحياة الأطول وأوقات الشحن وإعادة الشحن الأسرع من البطاريات.

أقطاب كهربائية غير متماثلة (زائف / EDLC)

في الآونة الأخيرة ، تم تطوير بعض المكثفات الفائقة الهجينة غير المتماثلة حيث اعتمد القطب الموجب على قطب أكسيد معدني حقيقي كاذب التكاثر (وليس قطبًا مركبًا) ، والقطب السالب على قطب كربون منشط EDLC.

أظهرت المكثفات الفائقة غير المتماثلة (ASC) مرشحًا محتملًا كبيرًا للمكثفات الفائقة عالية الأداء نظرًا لقدرتها التشغيلية الواسعة التي يمكن أن تعزز السلوك السعوي بشكل ملحوظ. ميزة هذا النوع من المكثفات الفائقة هي الفولتية العالية وبالتالي طاقتها النوعية الأعلى (حتى 10-20 واط / كجم (36-72 كيلوجول / كجم)). ^{[ بحاجة لمصدر ]} ولديهم أيضًا استقرار جيد في ركوب الدراجات. ^{[73] [74] [75] [76]}

على سبيل المثال ، يستخدم الباحثون نوعًا من الألواح النانوية الجديدة من نوع سكوتروديت Ni-CoP ₃ ويستخدمونها كأقطاب موجبة مع الكربون المنشط (AC) كأقطاب كهربائية سالبة لتصنيع مكثف فائق غير متماثل (ASC). يُظهر كثافة طاقة عالية تبلغ 89.6 واط / كجم عند 796 واط / كجم وثبات بنسبة 93٪ بعد 10000 دورة ، والتي يمكن أن تكون مصدرًا ممتازًا للجيل القادم من الأقطاب الكهربائية. ^[76]

أيضًا ، تم استخدام ألياف الكربون النانوية / بولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين) / أكسيد المنغنيز (f-CNFs / PEDOT / MnO ₂ ) كأقطاب موجبة و AC كأقطاب كهربائية سالبة. لديها طاقة نوعية عالية تبلغ 49.4 واط / كغ واستقرار جيد للدوران (81.06٪ بعد ركوب الدراجات 8000 مرة). ^[74]

بالإضافة إلى ذلك ، يتم دراسة العديد من أنواع المركبات النانوية كأقطاب كهربائية ، مثل _{NiCo 2} S _4NiO ، ^[75] MgCo ₂ O 4MnO ₂ وما إلى ذلك. على سبيل المثال ، يمكن أن يوفر Fe- _SnO 2CeO ₂ nanocomposite المستخدم كقطب كهربائي طاقة محددة وقدرة محددة تبلغ 32.2 Wh / kg و 747 W / kg. أظهر الجهاز احتفاظًا بالسعة بنسبة 85.05٪ على مدى 5000 دورة تشغيل. ^[73]

وبقدر ما هو معروف ، لا توجد مكثفات فائقة معروضة تجاريًا مع مثل هذا النوع من الأقطاب الكهربائية غير المتماثلة في السوق.

المنحلات بالكهرباء

تتكون الإلكتروليتات من مذيب ومواد كيميائية مذابة تتفكك إلى كاتيونات موجبة وأنيونات سالبة ، مما يجعل المنحل بالكهرباء موصلًا للكهرباء. كلما زاد عدد الأيونات التي يحتوي عليها المنحل بالكهرباء ، كانت موصليةه أفضل . في المكثفات الفائقة ، تكون الإلكتروليتات هي الوصلة الموصلة كهربائياً بين القطبين. بالإضافة إلى ذلك ، في المكثفات الفائقة ، يوفر المنحل بالكهرباء الجزيئات للفصل أحادي الطبقة في طبقة هيلمهولتز المزدوجة ويقدم الأيونات من أجل السعة الكاذبة.

يحدد المنحل بالكهرباء خصائص المكثف: جهد التشغيل ، ونطاق درجة الحرارة ، و ESR والسعة. باستخدام نفس قطب الكربون المنشط ، يحقق المنحل بالكهرباء المائي قيم سعة تبلغ 160 فهرنهايت / جم ، بينما يحقق الإلكتروليت العضوي 100 فهرنهايت / جم فقط. ^[77]

يجب أن يكون المنحل بالكهرباء خاملًا كيميائيًا وألا يهاجم كيميائيًا المواد الأخرى في المكثف لضمان السلوك المستقر لوقت طويل للمعلمات الكهربائية للمكثف. يجب أن تكون لزوجة الإلكتروليت منخفضة بما يكفي لتبليل البنية المسامية التي تشبه الإسفنج للأقطاب الكهربائية. لا يوجد إلكتروليت مثالي ، مما يفرض حل وسط بين الأداء والمتطلبات الأخرى.

مائي

الماء مذيب جيد نسبيًا للمواد الكيميائية غير العضوية . يعالج بالأحماض مثل حامض الكبريتيك ( H
₂لذا
₄) ، القلويات مثل هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) ، أو الأملاح مثل أملاح الفوسفونيوم الرباعية ، فوق كلورات الصوديوم ( NaClO
₄) ، فوق كلورات الليثيوم ( LiClO
₄) أو زرنيخات سداسي فلوريد الليثيوم ( LiAsF
₆) ، يوفر الماء قيم توصيل عالية نسبيًا تتراوح من 100 إلى 1000 متر مكعب / سم. تحتوي الإلكتروليتات المائية على جهد تفكك قدره 1.15 فولت لكل قطب كهربائي (جهد مكثف 2.3 فولت) ونطاق درجة حرارة تشغيل منخفض نسبيًا . يتم استخدامها في المكثفات الفائقة ذات الطاقة النوعية المنخفضة والطاقة النوعية العالية.

عضوي

الإلكتروليتات ذات المذيبات العضوية مثل الأسيتونيتريل ، وكربونات البروبيلين ، ورباعي الهيدروفلوران ، وكربونات ثنائي إيثيل ، وبيتا-بوتيرولاكتون والمحاليل التي تحتوي على أملاح الأمونيوم الرباعية أو أملاح الأمونيوم الألكيل مثل رباعي إيثيل الأمونيوم رباعي فلوروبورات ( N (Et)
₄فرنك بلجيكي
₄^[78] ) ثلاثي الإيثيل (ميثيل) رباعي فلورو بورات ( NMe (Et)
₃فرنك بلجيكي
₄) هي أغلى من الإلكتروليتات المائية ، لكن لديها جهد تفكك أعلى يبلغ عادةً 1.35 فولت لكل قطب (جهد مكثف 2.7 فولت) ، ونطاق درجة حرارة أعلى. تؤدي الموصلية الكهربائية المنخفضة للمذيبات العضوية (من 10 إلى 60 مللي ثانية / سم) إلى طاقة نوعية أقل ، ولكن نظرًا لأن الطاقة المحددة تزداد مع مربع الجهد ، فإن طاقة نوعية أعلى.

أيوني

تتكون الإلكتروليتات الأيونية من أملاح سائلة يمكن أن تكون مستقرة في نافذة كهروكيميائية أوسع ، مما يتيح لجهد مكثف أعلى من 3.5 فولت. تتمتع الإلكتروليتات الأيونية عادةً بموصلية أيونية لبضعة ملي ثانية / سم ، أقل من الإلكتروليتات المائية أو العضوية. ^[79]

فواصل

يجب أن تقوم الفواصل بفصل القطبين ماديًا لمنع حدوث ماس كهربائي عن طريق الاتصال المباشر. يمكن أن يكون رقيقًا جدًا (بضع مئات من المليمترات) ويجب أن يكون مساميًا جدًا للأيونات الموصلة لتقليل ESR. علاوة على ذلك ، يجب أن تكون الفواصل خاملة كيميائيًا لحماية استقرار الإلكتروليت وتوصيله. تستخدم المكونات غير المكلفة أوراق مكثفة مفتوحة. تستخدم التصميمات الأكثر تطوراً أغشية بوليمرية مسامية غير منسوجة مثل بولي أكريلونيتريل أو كابتون ، ألياف زجاجية منسوجة أو ألياف خزفية منسوجة مسامية. ^{[80] [81]}

الجامعين والسكن

يقوم جامعو التيار بتوصيل الأقطاب الكهربائية بأطراف المكثف. يتم رش المجمع إما على القطب أو عبارة عن رقائق معدنية. يجب أن يكونوا قادرين على توزيع تيارات الذروة حتى 100 أ.

إذا كان الغلاف مصنوعًا من معدن (عادةً من الألومنيوم) ، فيجب أن تكون المجمعات مصنوعة من نفس المادة لتجنب تكوين خلية جلفانية مسببة للتآكل .

المعلمات الكهربائية

السعة

تم تحديد قيم السعة للمكثفات التجارية على أنها "السعة المقدرة C _R ". هذه هي القيمة التي صُمم من أجلها المكثف. يجب أن تكون قيمة المكون الفعلي ضمن الحدود المعطاة من خلال التفاوت المحدد. القيم النموذجية في نطاق الفاراد (F) ، ثلاثة إلى ستة أوامر من حيث الحجم أكبر من تلك الخاصة بالمكثفات الإلكتروليتية.

تنتج قيمة السعة من الطاقة${\ displaystyle W}$(معبرًا عنه بالجول ) لمكثف محمل يتم تحميله عبر جهد تيار مستمر V _DC .

${\ displaystyle W = {\ frac {1} {2}} \ cdot C _ {\ text {DC}} \ cdot V _ {\ text {DC}} ^ {2}}$

وتسمى هذه القيمة أيضًا "سعة التيار المستمر".

القياس

تُقاس المكثفات التقليدية عادةً بجهد تيار متردد صغير (0.5 فولت) وتردد 100 هرتز أو 1 كيلو هرتز حسب نوع المكثف. يوفر قياس سعة التيار المتردد نتائج سريعة مهمة لخطوط الإنتاج الصناعية. تعتمد قيمة السعة للمكثف الفائق بشدة على تردد القياس ، والذي يرتبط بهيكل القطب المسامي والتنقل الأيوني المحدود للإلكتروليت. حتى عند التردد المنخفض البالغ 10 هرتز ، تنخفض قيمة السعة المقاسة من 100 إلى 20 بالمائة من قيمة سعة التيار المستمر.

يمكن تفسير هذا الاعتماد الشديد على التردد من خلال المسافات المختلفة التي يجب أن تتحركها الأيونات في مسام القطب. يمكن الوصول بسهولة إلى المنطقة الموجودة في بداية المسام بواسطة الأيونات ؛ هذه المسافة القصيرة مصحوبة بمقاومة كهربائية منخفضة. كلما زادت المسافة التي يجب أن تغطيها الأيونات ، زادت المقاومة. يمكن وصف هذه الظاهرة بدائرة متسلسلة من عناصر RC المتتالية (المقاوم / المكثف) مع الثوابت الزمنية التسلسلية RC . ينتج عن ذلك تأخر تدفق التيار ، مما يقلل من إجمالي مساحة سطح القطب التي يمكن تغطيتها بالأيونات إذا تغيرت القطبية - تقل السعة مع زيادة تردد التيار المتردد. وبالتالي ، فإن السعة الكلية لا تتحقق إلا بعد فترات قياس أطول.

بسبب الاعتماد الشديد على التردد على السعة ، يجب قياس هذه المعلمة الكهربائية بقياس شحنة وتفريغ تيار ثابت خاص ، محدد في معايير IEC 62391-1 و -2.

يبدأ القياس بشحن المكثف. يجب تطبيق الجهد وبعد أن يحقق مصدر طاقة التيار المستمر / الجهد الثابت الجهد المقنن ، يجب شحن المكثف لمدة 30 دقيقة. بعد ذلك ، يجب تفريغ المكثف بتيار تفريغ _مستمر . ثم يتم قياس الوقت t ₁ و t ₂ ، لكي ينخفض ​​الجهد من 80٪ (V ₁ ) إلى 40٪ (V ₂ ) من الجهد المقنن. يتم حساب قيمة السعة على النحو التالي:

${\ displaystyle C _ {\ text {total}} = I _ {\ text {التفريغ}} \ cdot {\ frac {t_ {2} -t_ {1}} {V_ {1} -V_ {2}}}}$

يتم تحديد قيمة تيار التفريغ من خلال التطبيق. يحدد معيار IEC أربع فئات:

1. النسخ الاحتياطي للذاكرة ، تيار التفريغ بالمللي أمبير = 1 • C (F)
2. تخزين الطاقة ، تيار التفريغ بالمللي أمبير = 0،4 • C (F) • V (V)
3. الطاقة ، تيار التفريغ بالمللي أمبير = 4 • C (F) • V (V)
4. الطاقة اللحظية ، تيار التفريغ بالمللي أمبير = 40 • C (F) • V (V)

طرق القياس المستخدمة من قبل الشركات المصنعة الفردية قابلة للمقارنة بشكل أساسي بالطرق الموحدة. ^{[82] [83]}

طريقة القياس المعيارية تستغرق وقتًا طويلاً جدًا بالنسبة للمصنعين لاستخدامها أثناء الإنتاج لكل مكون على حدة. بالنسبة للمكثفات المنتجة صناعيًا ، يتم قياس قيمة السعة بدلاً من ذلك بجهد تيار متردد أسرع ومنخفض التردد ، ويتم استخدام عامل الارتباط لحساب السعة المقدرة.

يؤثر هذا الاعتماد على التردد على تشغيل المكثف. تعني دورات الشحن والتفريغ السريعة أنه لا تتوفر قيمة السعة المقدرة ولا الطاقة المحددة. في هذه الحالة ، يتم إعادة حساب قيمة السعة المقدرة لكل حالة تطبيق.

جهد التشغيل

المكثفات الفائقة هي مكونات ذات جهد منخفض. يتطلب التشغيل الآمن أن يظل الجهد ضمن الحدود المحددة. الجهد المقنن U _R هو أقصى جهد للتيار المستمر أو أقصى جهد نبضي يمكن تطبيقه بشكل مستمر ويبقى ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد. يجب عدم تعريض المكثفات أبدًا لجهود مستمرة تزيد عن الجهد المقنن.

يشتمل الجهد المقنن على هامش أمان مقابل جهد انهيار المنحل بالكهرباء الذي يتحلل فيه المنحل بالكهرباء . يعمل جهد الانهيار على تفكيك جزيئات المذيب المنفصلة في طبقة هيلمهولتز المزدوجة ، على سبيل المثال ينقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين . عندئذٍ لا تستطيع جزيئات المذيب فصل الشحنات الكهربائية عن بعضها البعض. تؤدي الفولتية الأعلى من الفولتية المقدرة إلى تكوين غاز الهيدروجين أو حدوث ماس كهربائي.

عادة ما يتم تحديد المكثفات الفائقة القياسية ذات الإلكتروليت المائي بجهد مقدر من 2.1 إلى 2.3 فولت والمكثفات ذات المذيبات العضوية مع 2.5 إلى 2.7 فولت.قد تصل مكثفات الليثيوم أيون ذات الأقطاب الكهربائية المخدرة إلى جهد مقدر من 3.8 إلى 4 فولت ، ولكن لها جهد منخفض حد الجهد يبلغ حوالي 2.2 فولت.يمكن أن تتجاوز المكثفات الفائقة ذات الإلكتروليتات الأيونية جهد تشغيل يبلغ 3.5 فولت. ^[79]

يعمل تشغيل المكثفات الفائقة تحت الجهد المقنن على تحسين السلوك الطويل الأمد للمعلمات الكهربائية. تكون قيم السعة والمقاومة الداخلية أثناء ركوب الدراجات أكثر ثباتًا ويمكن إطالة العمر الافتراضي ودورات الشحن / التفريغ. ^[83]

تتطلب الفولتية العالية للتطبيق توصيل الخلايا في سلسلة. نظرًا لأن كل مكون له اختلاف طفيف في قيمة السعة و ESR ، فمن الضروري موازنةهما بشكل نشط أو سلبي لتحقيق الاستقرار في الجهد المطبق. يستخدم التوازن السلبي مقاومات بالتوازي مع المكثفات الفائقة. قد يشمل التوازن النشط إدارة الجهد الإلكتروني فوق عتبة تغير التيار.

المقاومة الداخلية

يتم توصيل شحن / تفريغ المكثف الفائق بحركة ناقلات الشحنة (الأيونات) في الإلكتروليت عبر الفاصل إلى الأقطاب الكهربائية وفي هيكلها المسامي. تحدث الخسائر أثناء هذه الحركة والتي يمكن قياسها على أنها مقاومة التيار المستمر الداخلية.

مع النموذج الكهربائي لعناصر RC (المقاوم / المكثف) المتسلسلة والمتصلة بالسلسلة في مسام القطب ، تزداد المقاومة الداخلية مع زيادة عمق الاختراق لحاملات الشحن في المسام. تعتمد المقاومة الداخلية للتيار المستمر على الوقت وتزداد أثناء الشحن / التفريغ. في التطبيقات غالبًا ما يكون نطاق التشغيل والإيقاف فقط مثيرًا للاهتمام. يمكن حساب المقاومة الداخلية R _{i من انخفاض الجهد ΔV 2} في وقت التفريغ ، بدءًا من تيار التفريغ المستمر I _{التفريغ} . يتم الحصول عليها من تقاطع الخط الإضافي الممتد من الجزء المستقيم والقاعدة الزمنية في وقت بدء التفريغ (انظر الصورة على اليمين). يمكن حساب المقاومة من خلال:

${\ displaystyle R _ {\ text {i}} = {\ frac {\ Delta V_ {2}} {I _ {\ text {التفريغ}}}}$

يمكن أخذ تيار _{التفريغ} الأول لقياس المقاومة الداخلية من التصنيف وفقًا لـ IEC 62391-1.

لا ينبغي الخلط بين مقاومة التيار المستمر الداخلية R _{i ومقاومة التيار المتردد الداخلية التي تسمى} مقاومة السلسلة المكافئة (ESR) المحددة عادةً للمكثفات. يقاس عند 1 كيلو هرتز. ESR أصغر بكثير من مقاومة التيار المستمر. ESR غير مناسب لحساب تيارات تدفق المكثف الفائق أو تيارات الذروة الأخرى.

يحدد R _i العديد من خصائص المكثف الفائق. إنه يحد من تيارات ذروة الشحن والتفريغ بالإضافة إلى أوقات الشحن / التفريغ. ينتج عن R _{i والسعة C} ثابت الوقت ${\ displaystyle \ tau}$

${\ displaystyle \ tau = R _ {\ text {i}} \ cdot C}$

يحدد ثابت الوقت هذا وقت الشحن / التفريغ. مكثف 100 فهرنهايت بمقاومة داخلية 30 متر مكعب على سبيل المثال ، له ثابت زمني 0.03 • 100 = 3 ثوانٍ. بعد 3 ثوانٍ من الشحن بتيار محدود فقط بالمقاومة الداخلية ، يكون للمكثف 63.2٪ من الشحن الكامل (أو يتم تفريغه إلى 36.8٪ من الشحن الكامل).

المكثفات القياسية ذات المقاومة الداخلية الثابتة تشحن بالكامل خلال حوالي 5. نظرًا لأن المقاومة الداخلية تزداد مع الشحن / التفريغ ، فلا يمكن حساب الأوقات الفعلية بهذه الصيغة. وبالتالي ، يعتمد وقت الشحن / التفريغ على تفاصيل البناء الفردية المحددة.

الحمل الحالي واستقرار الدورة

نظرًا لأن المكثفات الفائقة تعمل بدون تكوين روابط كيميائية ، فإن الأحمال الحالية ، بما في ذلك الشحن والتفريغ وتيارات الذروة لا تقتصر على قيود التفاعل. يمكن أن يكون الحمل الحالي واستقرار الدورة أعلى بكثير من البطاريات القابلة لإعادة الشحن. الأحمال الحالية محدودة فقط بالمقاومة الداخلية ، والتي قد تكون أقل بكثير من البطاريات.

المقاومة الداخلية "R _i " وتيارات الشحن / التفريغ أو التيارات الذروة "I" تولد خسائر حرارة داخلية " _خسارة P " وفقًا لما يلي:

${\ displaystyle P _ {\ text {loss}} = R _ {\ text {i}} \ cdot I ^ {2}}$

يجب إطلاق هذه الحرارة وتوزيعها على البيئة المحيطة للحفاظ على درجات حرارة التشغيل أقل من درجة الحرارة القصوى المحددة.

تحدد الحرارة عمومًا عمر المكثف بسبب انتشار الإلكتروليت. يجب أن يكون توليد الحرارة الناتج من الأحمال الحالية أقل من 5 إلى 10  كلفن عند أقصى درجة حرارة محيطة (والتي لها تأثير ضئيل فقط على العمر المتوقع). لهذا السبب ، يتم تحديد تيارات الشحن والتفريغ المحددة للدورة المتكررة من خلال المقاومة الداخلية.

تتضمن معلمات الدورة المحددة في ظل الظروف القصوى تيار الشحن والتفريغ ومدة النبض والتردد. يتم تحديدها لنطاق درجة حرارة محدد وعلى مدى الجهد الكامل لحياة محددة. يمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على مزيج مسامية القطب وحجم المسام والكهارل. بشكل عام ، يزيد الحمل الحالي المنخفض من عمر المكثف ويزيد من عدد الدورات. يمكن تحقيق ذلك إما عن طريق نطاق جهد أقل أو شحن وتفريغ أبطأ. ^[83]

يمكن أن تدعم المكثفات الفائقة (باستثناء تلك التي تحتوي على أقطاب بوليمرية) أكثر من مليون دورة شحن / تفريغ دون حدوث انخفاض كبير في السعة أو زيادة المقاومة الداخلية. تحت الحمل الحالي العالي توجد هذه الميزة الثانية للمكثفات الفائقة على البطاريات. ينتج الاستقرار من مبادئ التخزين الكهروستاتيكي المزدوجة والكهروكيميائية.

يمكن تجاوز تيارات الشحن والتفريغ المحددة بشكل كبير عن طريق خفض التردد أو بواسطة نبضات مفردة. يمكن أن تنتشر الحرارة المتولدة من نبضة واحدة على مدار الوقت حتى تحدث النبضة التالية لضمان زيادة حرارة متوسطة صغيرة نسبيًا. يمكن لمثل هذا "تيار الطاقة القصوى" لتطبيقات الطاقة للمكثفات الفائقة التي تزيد عن 1000 درجة فهرنهايت توفير تيار ذروة أقصى يبلغ حوالي 1000 ^ألف . تتطلب تصميمًا قويًا وبناء للمكثفات.

اعتماد سعة الجهاز والمقاومة على جهد التشغيل ودرجة الحرارة

معلمات الجهاز مثل المقاومة الأولية للسعة ومقاومة الحالة المستقرة ليست ثابتة ، ولكنها متغيرة وتعتمد على جهد تشغيل الجهاز. سيكون لسعة الجهاز زيادة قابلة للقياس مع زيادة جهد التشغيل. على سبيل المثال: يمكن رؤية جهاز 100F وهو يختلف بنسبة 26٪ عن السعة القصوى له على مدى جهده التشغيلي بالكامل. يظهر اعتماد مماثل على جهد التشغيل في مقاومة الحالة المستقرة (R _ss ) والمقاومة الأولية (R _i ). ^[85]

يمكن أيضًا رؤية خصائص الجهاز على أنها تعتمد على درجة حرارة الجهاز. نظرًا لأن درجة حرارة الجهاز تتغير إما من خلال تشغيل درجات الحرارة المحيطة المتغيرة ، فإن الخصائص الداخلية مثل السعة والمقاومة ستختلف أيضًا. يُرى أن سعة الجهاز تزداد مع زيادة درجة حرارة التشغيل. ^[85]

قدرة الطاقة

تشغل المكثفات الفائقة الفجوة بين المكثفات الإلكتروليتية عالية الطاقة / منخفضة الطاقة والبطاريات القابلة لإعادة الشحن منخفضة الطاقة / عالية الطاقة . الطاقة W _max (معبرًا عنها في Joule ) التي يمكن تخزينها في مكثف تعطى بواسطة الصيغة

${\ displaystyle W _ {\ text {max}} = {\ frac {1} {2}} \ cdot C _ {\ text {total}} \ cdot V _ {\ text {تحميل}} ^ {2}}$

تصف هذه الصيغة كمية الطاقة المخزنة وغالبًا ما تستخدم لوصف نجاحات البحث الجديدة. ومع ذلك ، فإن جزءًا فقط من الطاقة المخزنة متاح للتطبيقات ، لأن انخفاض الجهد وثابت الوقت على المقاومة الداخلية يعني أن بعض الشحنة المخزنة لا يمكن الوصول إليها. يتم تقليل المقدار الفعلي المحقق للطاقة W _{eff بفرق} الجهد المستخدم بين V _max و V _min ويمكن تمثيله على النحو التالي: ^{[ بحاجة لمصدر ]}

${\ displaystyle W _ {\ text {eff}} = {\ frac {1} {2}} \ C \ cdot \ (V _ {\ text {max}} ^ {2} -V _ {\ text {min}} ^ {2})}$

تمثل هذه الصيغة أيضًا مكونات الجهد غير المتماثل للطاقة مثل مكثفات أيون الليثيوم.

طاقة محددة وقوة محددة

كمية الطاقة التي يمكن تخزينها في مكثف لكل كتلة من هذا المكثف تسمى طاقتها النوعية . تُقاس الطاقة النوعية بالقياس الجاذبية (لكل وحدة كتلة ) بالواط / ساعة لكل كيلوغرام (Wh / kg).

كمية الطاقة التي يمكن تخزينها في مكثف لكل حجم من هذا المكثف تسمى كثافة الطاقة (تسمى أيضًا الطاقة الحجمية النوعية في بعض الأدبيات). يتم قياس كثافة الطاقة حجميًا (لكل وحدة حجم) بالواط / ساعة لكل لتر (Wh / L). يمكن استخدام وحدات اللترات و dm ³ بالتبادل.

اعتبارًا من عام 2013 ^[update]، تختلف كثافة الطاقة التجارية على نطاق واسع ، ولكنها تتراوح بشكل عام من حوالي 5 إلى8 واط / لتر . وبالمقارنة ، فإن وقود البنزين له كثافة طاقة تبلغ 32.4 ميجا جول / لتر أو9000 واط / لتر . ^[86] تتراوح الطاقات التجارية المحددة من حوالي 0.5 إلى15 واط / كغم للمقارنة ، يخزن مكثف كهربائي من الألومنيوم عادة 0.01 إلى0.3 واط / كغم ، بينما تخزن بطارية الرصاص الحمضية التقليدية 30 إلى40 واط / كجم وبطاريات ليثيوم أيون حديثة 100 إلى265 واط / كغم . لذلك يمكن أن تخزن المكثفات الفائقة طاقة تزيد بمقدار 10 إلى 100 مرة عن طاقة المكثفات الإلكتروليتية ، ولكن فقط عُشر ما تخزنه البطاريات. ^{[ بحاجة لمصدر ]} كمرجع ، وقود البنزين له طاقة محددة تبلغ 44.4 ميجا جول / كجم أو12300 واط  / كغم .

على الرغم من أن الطاقة المحددة للمكثفات الفائقة يتم مقارنتها بشكل سلبي بالبطاريات ، إلا أن المكثفات تتمتع بميزة مهمة تتمثل في الطاقة المحددة . تصف الطاقة المحددة السرعة التي يمكن بها توصيل الطاقة للحمل (أو عند شحن الجهاز ، يتم امتصاصها من المولد). تحدد القدرة القصوى P _max قدرة ذروة التيار القصوى المستطيلة النظرية لجهد معين. في الدوائر الحقيقية ، لا تكون ذروة التيار مستطيلة والجهد أصغر ، بسبب انخفاض الجهد ، لذلك أسست المواصفة القياسية IEC 62391-2 طاقة فعالة أكثر واقعية _{للمكثفات} الفائقة لتطبيقات الطاقة ، وهي نصف الحد الأقصى وتعطى من خلال ما يلي الصيغ:

${\ displaystyle P _ {\ text {eff}} = {\ frac {1} {8}} \ cdot {\ frac {V ^ {2}} {R_ {i}}}}$و

${\ displaystyle P _ {\ text {max}} = {\ frac {1} {4}} \ cdot {\ frac {V ^ {2}} {R_ {i}}}}$

مع V = الجهد المطبق و R _i ، مقاومة التيار المستمر الداخلية للمكثف.

تمامًا مثل الطاقة المحددة ، تُقاس القدرة النوعية إما بالجاذبية بالكيلوواط لكل كيلوغرام (kW / kg ، قوة محددة) أو حجميًا بالكيلوواط لكل لتر (kW / L ، كثافة القدرة). عادةً ما تكون الطاقة الخاصة بالمكثف الفائق أكبر من 10 إلى 100 مرة من البطاريات ويمكن أن تصل إلى قيم تصل إلى 15 كيلو واط / كجم.

مخططات Ragone تربط الطاقة بالطاقة وهي أداة قيمة لتوصيف وتصور مكونات تخزين الطاقة. باستخدام مثل هذا الرسم التخطيطي ، من السهل مقارنة موقع الطاقة المحددة والطاقة المحددة لتقنيات التخزين المختلفة ، انظر الرسم التخطيطي. ^{[87] [88]}

مدى الحياة

نظرًا لأن المكثفات الفائقة لا تعتمد على التغيرات الكيميائية في الأقطاب الكهربائية (باستثناء تلك التي تحتوي على أقطاب بوليمرية) ، فإن الأعمار تعتمد في الغالب على معدل تبخر السائل المنحل بالكهرباء. هذا التبخر بشكل عام هو دالة لدرجة الحرارة والحمل الحالي وتردد الدورة الحالية والجهد. يولد الحمل الحالي وتردد الدورة حرارة داخلية ، بحيث تكون درجة حرارة تحديد التبخر هي مجموع الحرارة المحيطة والداخلية. يمكن قياس درجة الحرارة هذه باعتبارها درجة الحرارة الأساسية في وسط جسم مكثف. كلما ارتفعت درجة الحرارة الأساسية ، زادت سرعة التبخر ، وقصر العمر الافتراضي.

يؤدي التبخر بشكل عام إلى تقليل السعة وزيادة المقاومة الداخلية. وفقًا لـ IEC / EN 62391-2 ، فإن تخفيضات السعة التي تزيد عن 30٪ ، أو المقاومة الداخلية التي تتجاوز أربعة أضعاف مواصفات ورقة البيانات الخاصة بها ، تعتبر "حالات فشل تآكل" ، مما يعني أن المكون قد وصل إلى نهاية العمر الافتراضي. المكثفات قابلة للتشغيل ، ولكن بقدرات منخفضة. يعتمد ما إذا كان انحراف المعلمات له أي تأثير على الوظيفة المناسبة على تطبيق المكثفات.

عادةً ما تكون هذه التغييرات الكبيرة في المعلمات الكهربائية المحددة في IEC / EN 62391-2 غير مقبولة لتطبيقات الأحمال العالية الحالية. تستخدم المكونات التي تدعم أحمال تيار عالية حدودًا أصغر بكثير ، على سبيل المثال ، فقدان 20٪ في السعة أو ضعف المقاومة الداخلية. ^[89] التعريف الأضيق مهم لمثل هذه التطبيقات ، حيث تزداد الحرارة خطيًا مع زيادة المقاومة الداخلية ، ويجب عدم تجاوز درجة الحرارة القصوى. درجات الحرارة الأعلى من المحدد يمكن أن تدمر المكثف.

يمكن أن يصل العمر الافتراضي للتطبيق الحقيقي للمكثفات الفائقة ، والذي يُطلق عليه أيضًا " عمر الخدمة " ، أو "متوسط ​​العمر المتوقع" ، أو "عمر التحميل" ، إلى 10 إلى 15 عامًا أو أكثر ، في درجة حرارة الغرفة. لا يمكن اختبار هذه الفترات الطويلة من قبل الشركات المصنعة. ومن ثم ، فإنها تحدد العمر المتوقع للمكثف عند أقصى درجة حرارة وظروف جهد. تم تحديد النتائج في أوراق البيانات باستخدام الترميز "الوقت المختبَر (ساعات) / درجة الحرارة القصوى (درجة مئوية)" ، مثل "5000 ساعة / 65 درجة مئوية". بهذه القيمة والتعبيرات المشتقة من البيانات التاريخية ، يمكن تقدير الأعمار لظروف درجات الحرارة المنخفضة.

يتم اختبار مواصفات عمر ورقة البيانات من قبل المصنّعين باستخدام اختبار تقادم سريع يسمى "اختبار التحمل" ، مع أقصى درجة حرارة وجهد خلال فترة زمنية محددة. بالنسبة لسياسة منتج "خالية من العيوب" ، قد لا يحدث تآكل أو فشل كامل أثناء هذا الاختبار.

يمكن استخدام مواصفات العمر من أوراق البيانات لتقدير العمر المتوقع لتصميم معين. يتم استخدام "قاعدة 10 درجات" المستخدمة للمكثفات الإلكتروليتية مع إلكتروليت غير صلب في تلك التقديرات ، ويمكن استخدامها للمكثفات الفائقة. تستخدم هذه القاعدة معادلة أرهينيوس : صيغة بسيطة لاعتماد معدلات التفاعل على درجة الحرارة. لكل انخفاض بمقدار 10 درجات مئوية في درجة حرارة التشغيل ، يتضاعف العمر التقديري.

${\ displaystyle L_ {x} = L_ {0} \ cdot 2 ^ {\ frac {T_ {0} -T_ {x}} {10}}}$

مع

• L _x = العمر المقدر
• L ₀ = العمر المحدد
• T ₀ = درجة حرارة المكثف المحددة العليا
• T _x = درجة حرارة التشغيل الفعلية لخلية المكثف

المحسوبة بهذه الصيغة ، المكثفات المحددة بـ 5000 ساعة عند 65 درجة مئوية ، لها عمر تقديري قدره 20000 ساعة عند 45 درجة مئوية.

تعتمد مدة الحياة أيضًا على جهد التشغيل ، لأن تطوير الغاز في السائل المنحل بالكهرباء يعتمد على الجهد. كلما انخفض الجهد ، قل تطور الغاز ، وزاد العمر الافتراضي. لا توجد صيغة عامة تربط الجهد بمدة الحياة. المنحنيات المعتمدة على الجهد الموضحة في الصورة هي نتيجة تجريبية من مصنع واحد.

قد يكون متوسط ​​العمر المتوقع لتطبيقات الطاقة محدودًا أيضًا بالحمل الحالي أو عدد الدورات. يجب تحديد هذا القيد من قبل الشركة المصنعة ذات الصلة ويعتمد بشدة على النوع.

التفريغ الذاتي

يفصل تخزين الطاقة الكهربائية في الطبقة المزدوجة حاملات الشحنة داخل المسام عن طريق مسافات في نطاق الجزيئات. يمكن أن تحدث مخالفات على هذه المسافة القصيرة ، مما يؤدي إلى تبادل صغير لحاملات الشحن والتفريغ التدريجي. يسمى هذا التفريغ الذاتي تيار التسرب . يعتمد التسرب على السعة والجهد ودرجة الحرارة والاستقرار الكيميائي لمجموعة الإلكترود / الإلكتروليت. في درجة حرارة الغرفة ، يكون التسرب منخفضًا جدًا بحيث يتم تحديده كوقت للتفريغ الذاتي في ساعات أو أيام أو أسابيع. على سبيل المثال ، يحدد "Goldcapacitor" 5.5 فولت / فهرنهايت من باناسونيك انخفاضًا في الجهد عند 20 درجة مئوية من 5.5 فولت إلى 3 فولت في 600 ساعة (25 يومًا أو 3.6 أسبوعًا) لمكثف مزدوج الخلية. ^[90]

استرخاء الجهد بعد الشحن

لقد لوحظ أنه بعد أن يتعرض EDLC لشحنة أو تفريغ ، فإن الجهد سوف ينجرف بمرور الوقت ، مسترخيًا نحو مستوى الجهد السابق. يمكن أن يحدث الاسترخاء الملحوظ على مدى عدة ساعات ومن المحتمل أن يكون بسبب ثوابت وقت الانتشار الطويل للأقطاب المسامية داخل EDLC. ^[85]

قطبية

نظرًا لأن الأقطاب الموجبة والسالبة (أو ببساطة positrode و negatrode ، على التوالي) للمكثفات الفائقة المتماثلة تتكون من نفس المادة ، فإن المكثفات الفائقة نظريًا ليس لها قطبية حقيقية ولا يحدث فشل كارثي عادةً. ومع ذلك ، فإن الشحن العكسي لمكثف فائق يقلل من قدرته ، لذلك يوصى بالممارسة للحفاظ على القطبية الناتجة عن تكوين الأقطاب الكهربائية أثناء الإنتاج. المكثفات الفائقة غير المتماثلة قطبية بطبيعتها.

قد لا يتم تشغيل المكثفات الزائفة والمكثفات الفائقة الهجينة التي لها خصائص الشحن الكهروكيميائية بقطبية عكسية ، مما يحول دون استخدامها في تشغيل التيار المتردد. ومع ذلك ، لا ينطبق هذا القيد على المكثفات الفائقة EDLC

يحدد الشريط الموجود في الغلاف العازل الطرف السالب في المكون المستقطب.

في بعض الأدبيات ، يتم استخدام المصطلحين "الأنود" و "الكاثود" بدلاً من القطب السالب والقطب الموجب. يمكن أن يؤدي استخدام الأنود والكاثود لوصف الأقطاب الكهربائية في المكثفات الفائقة (وكذلك البطاريات القابلة لإعادة الشحن بما في ذلك بطاريات أيون الليثيوم) إلى حدوث ارتباك ، لأن القطبية تتغير اعتمادًا على ما إذا كان المكون يعتبر مولدًا أو كمستهلك للتيار. في الكيمياء الكهربائية ، يرتبط الكاثود والأنود بتفاعلات الاختزال والأكسدة ، على التوالي. ومع ذلك ، في المكثفات الفائقة القائمة على السعة الكهربائية ذات الطبقة المزدوجة ، لا توجد تفاعلات أكسدة أو اختزال على أي من القطبين. لذلك ، لا تنطبق مفاهيم الكاثود والأنود.

مقارنة بين المكثفات التجارية المختارة

توفر مجموعة الأقطاب الكهربائية والإلكتروليتات مجموعة متنوعة من المكونات المناسبة لتطبيقات متنوعة. إن تطوير أنظمة الإلكتروليت منخفضة الأوم ، جنبًا إلى جنب مع الأقطاب الكهربائية ذات السعة الكاذبة العالية ، يتيح العديد من الحلول التقنية.

يوضح الجدول التالي الاختلافات بين المكثفات لمختلف الشركات المصنعة في نطاق السعة ، جهد الخلية ، المقاومة الداخلية (قيمة ESR أو DC أو AC) والطاقة النوعية الحجمية والجاذبية.

في الجدول ، تشير ESR إلى المكون ذي القيمة الأكبر للسعة لدى الشركة المصنعة المعنية. تقريبًا ، يقسمون المكثفات الفائقة إلى مجموعتين. تقدم المجموعة الأولى قيم ESR أكبر تبلغ حوالي 20 ملي أوم وسعة صغيرة نسبيًا من 0.1 إلى 470 فهرنهايت. هذه "مكثفات مزدوجة الطبقة" للذاكرة الاحتياطية أو التطبيقات المماثلة. تقدم المجموعة الثانية من 100 إلى 10000 فهرنهايت مع قيمة ESR أقل بكثير أقل من 1 ملي أوم. هذه المكونات مناسبة لتطبيقات الطاقة. تم توفير ارتباط بين بعض سلاسل المكثفات الفائقة من الشركات المصنعة المختلفة مع ميزات البناء المختلفة في Pandolfo و Hollenkamp. ^[34]

في المكثفات التجارية ذات الطبقة المزدوجة ، أو بشكل أكثر تحديدًا ، EDLCs التي يتم فيها تخزين الطاقة في الغالب عن طريق السعة ثنائية الطبقة ، يتم تخزين الطاقة عن طريق تكوين طبقة كهربائية مزدوجة من أيونات الإلكتروليت على سطح الأقطاب الكهربائية الموصلة. نظرًا لأن EDLCs غير مقيدة بحركية نقل الشحنة الكهروكيميائية للبطاريات ، فيمكنها الشحن والتفريغ بمعدل أعلى بكثير ، مع عمر يزيد عن مليون دورة. يتم تحديد كثافة طاقة EDLC من خلال جهد التشغيل والسعة النوعية (فاراد / جرام أو فاراد / سم ³ ) لنظام القطب / الإلكتروليت. ترتبط السعة المحددة بمنطقة السطح المحددة (SSA) التي يمكن الوصول إليها بواسطة المنحل بالكهرباء ، وسعة الطبقة المزدوجة البينية ، وكثافة مادة القطب.

تعتمد EDLCs التجارية على قطبين متماثلين مشبعين بالإلكتروليتات التي تشتمل على أملاح رباعي إيثيل الأمونيوم رباعي فلوروبورات في المذيبات العضوية. تعمل EDLCs الحالية التي تحتوي على إلكتروليتات عضوية عند 2.7 فولت وتصل إلى كثافة طاقة حوالي 5-8 واط / كجم ومن 7 إلى 10 واط / لتر. ترتبط السعة المحددة بمساحة السطح المحددة (SSA) التي يمكن الوصول إليها بواسطة المنحل بالكهرباء ، وسعة الطبقة المزدوجة البينية ، وكثافة مادة القطب. الصفائح الدموية القائمة على الجرافين مع مادة المباعدة متوسطة المسام هي بنية واعدة لزيادة SSA من المنحل بالكهرباء. ^[91]

المعايير

تختلف المكثفات الفائقة بدرجة كافية بحيث نادراً ما تكون قابلة للتبديل ، خاصةً تلك ذات الطاقة النوعية الأعلى. تتراوح التطبيقات من التيارات ذات الذروة المنخفضة إلى العالية ، مما يتطلب بروتوكولات اختبار موحدة. ^[92]

يتم تحديد مواصفات الاختبار ومتطلبات المعلمة في المواصفات العامة

• IEC / EN 62391–1 ، مكثفات كهربائية ثابتة مزدوجة الطبقة للاستخدام في المعدات الإلكترونية .

يحدد المعيار أربع فئات للتطبيق ، وفقًا لمستويات التفريغ الحالية:

1. نسخة إحتياطية للذاكرة
2. يتطلب تخزين الطاقة ، المستخدم بشكل أساسي لمحركات القيادة ، تشغيلًا قصير المدى ،
3. الطاقة ، ارتفاع الطلب على الطاقة لعملية طويلة ،
4. طاقة فورية ، للتطبيقات التي تتطلب وحدات تيار عالية نسبيًا أو تيارات ذروة تصل إلى عدة مئات من الأمبير حتى مع وقت تشغيل قصير

ثلاثة معايير أخرى تصف التطبيقات الخاصة:

• IEC 62391–2 ، مكثفات كهربائية ثابتة مزدوجة الطبقة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - مواصفات تفصيلية فارغة - مكثفات كهربائية مزدوجة الطبقة لتطبيق الطاقة
• IEC 62576 ، مكثفات كهربائية مزدوجة الطبقة للاستخدام في السيارات الكهربائية الهجينة. طرق اختبار الخصائص الكهربائية
• BS / EN 61881-3 ، تطبيقات السكك الحديدية. معدات المتداول. مكثفات لإلكترونيات الطاقة. مكثفات كهربائية مزدوجة الطبقة

التطبيقات

لا تدعم المكثفات الفائقة تطبيقات التيار المتردد (AC).

تتمتع المكثفات الفائقة بمزايا في التطبيقات التي تتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة لفترة قصيرة نسبيًا ، حيث يلزم عدد كبير جدًا من دورات الشحن / التفريغ أو عمر أطول. تتراوح التطبيقات النموذجية من تيارات ملي أمبير أو ملي واط من الطاقة لمدة تصل إلى بضع دقائق إلى عدة أمبير للتيار أو عدة مئات من الكيلوواط لفترات أقصر بكثير.

يمكن حساب الوقت الذي يمكن أن يوفر فيه المكثف الفائق تيارًا ثابتًا على النحو التالي:

${\ displaystyle t = {\ frac {C \ cdot (U _ {\ text {charge}} - U _ {\ text {min}})} {I}}}$

حيث ينخفض ​​جهد المكثف من U _إلى U _min .

إذا كان التطبيق يحتاج إلى طاقة ثابتة P لفترة زمنية معينة ، فيمكن حساب ذلك على النحو التالي:

${\ displaystyle t = {\ frac {1} {2P}} \ cdot C \ cdot (U _ {\ text {charge}} ^ {2} -U _ {\ text {min}} ^ {2}).}$

حيث ينخفض ​​جهد المكثف أيضًا من _شحن U إلى U _دقيقة .

عام

الإلكترونيات الاستهلاكية

في التطبيقات ذات الأحمال المتقلبة ، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة ، وأجهزة المساعد الرقمي الشخصي ، ونظام تحديد المواقع العالمي ، ومشغلات الوسائط المحمولة ، والأجهزة المحمولة باليد ، ^[93] والأنظمة الكهروضوئية ، يمكن للمكثفات الفائقة تثبيت مصدر الطاقة.

توفر المكثفات الفائقة الطاقة لفلاش التصوير في الكاميرات الرقمية ولمصابيح LED التي يمكن شحنها في فترات زمنية أقصر بكثير ، على سبيل المثال ، 90 ثانية. ^[94]

يتم تشغيل بعض مكبرات الصوت المحمولة بواسطة مكثفات فائقة. ^[95]

أدوات

يمتلك مفك البراغي الكهربائي اللاسلكي المزود بمكثفات فائقة لتخزين الطاقة حوالي نصف وقت تشغيل طراز بطارية مماثل ، ولكن يمكن شحنه بالكامل في 90 ثانية. يحتفظ بنسبة 85٪ من شحنته بعد تركه خاملاً لمدة ثلاثة أشهر. ^[96]

عازلة طاقة الشبكة

تسبب العديد من الأحمال غير الخطية ، مثل شواحن EV و HEVs وأنظمة تكييف الهواء وأنظمة تحويل الطاقة المتقدمة ، تقلبات وتوافقيات التيار. ^{[97] [98]} تخلق هذه الاختلافات الحالية تقلبات غير مرغوب فيها في الجهد وبالتالي تذبذبات في الطاقة على الشبكة. ^[97] لا تقلل تذبذبات الطاقة من كفاءة الشبكة فحسب ، بل يمكن أن تتسبب في انخفاض الجهد في ناقل التوصيل المشترك ، وتقلبات كبيرة في التردد في جميع أنحاء النظام بأكمله. للتغلب على هذه المشكلة ، يمكن تنفيذ المكثفات الفائقة كواجهة بين الحمل والشبكة لتعمل كمخزن مؤقت بين الشبكة وقوة النبض العالية المستمدة من محطة الشحن. ^{[99] [100]}

عازلة طاقة المعدات منخفضة الطاقة

توفر المكثفات الفائقة طاقة احتياطية أو إيقاف تشغيل طارئ للمعدات منخفضة الطاقة مثل ذاكرة الوصول العشوائي ( RAM ) وذاكرة الوصول العشوائي ( SRAM ) ووحدات التحكم الدقيقة وبطاقات الكمبيوتر الشخصي . إنها مصدر الطاقة الوحيد لتطبيقات الطاقة المنخفضة مثل أجهزة قراءة العدادات الآلية (AMR) ^[101] أو للإخطار بالأحداث في الإلكترونيات الصناعية.

تعمل المكثفات الفائقة على تخزين الطاقة من وإلى البطاريات القابلة لإعادة الشحن ، مما يخفف من آثار انقطاعات الطاقة القصيرة والقمم الحالية العالية. تعمل البطاريات فقط أثناء فترات الانقطاع الممتدة ، على سبيل المثال ، في حالة فشل طاقة التيار الكهربائي أو خلية الوقود ، مما يؤدي إلى إطالة عمر البطارية.

قد يتم تشغيل إمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS) بواسطة المكثفات الفائقة ، والتي يمكن أن تحل محل البنوك الكبيرة من المكثفات الإلكتروليتية. يعمل هذا المزيج على تقليل التكلفة لكل دورة ، وتوفير تكاليف الاستبدال والصيانة ، وتمكين البطارية من تقليص حجمها وإطالة عمر البطارية. ^{[102] [103] [104]}

توفر المكثفات الفائقة طاقة احتياطية للمشغلات في أنظمة انحدار توربينات الرياح ، بحيث يمكن ضبط ميل الشفرة حتى في حالة فشل الإمداد الرئيسي. ^[105]

مثبت الجهد

يمكن أن تعمل المكثفات الفائقة على استقرار تقلبات الجهد لخطوط الطاقة من خلال العمل كمخمدات . تُظهر أنظمة الرياح والطاقة الكهروضوئية تقلبًا في الإمداد الناجم عن العواصف أو السحب التي يمكن أن تخففها المكثفات الفائقة في غضون أجزاء من الثانية. ^{[106] [107]}

الشبكات الصغيرة

عادة ما يتم تشغيل الشبكات الصغيرة بالطاقة النظيفة والمتجددة. ومع ذلك ، فإن معظم توليد الطاقة هذا ليس ثابتًا طوال اليوم ولا يتطابق عادةً مع الطلب. يمكن استخدام المكثفات الفائقة لتخزين الشبكة الصغيرة لحقن الطاقة على الفور عندما يكون الطلب مرتفعًا وينخفض ​​الإنتاج مؤقتًا ، ولتخزين الطاقة في الظروف العكسية. إنها مفيدة في هذا السيناريو ، لأن الشبكات الصغيرة تنتج الطاقة بشكل متزايد في التيار المستمر ، ويمكن استخدام المكثفات في كل من تطبيقات التيار المستمر والتيار المتردد. تعمل المكثفات الفائقة بشكل أفضل مع البطاريات الكيميائية. إنها توفر مخزنًا مؤقتًا للجهد الفوري للتعويض عن أحمال الطاقة المتغيرة بسرعة نظرًا لارتفاع معدل الشحن والتفريغ من خلال نظام تحكم نشط. ^[108]بمجرد أن يتم تخزين الجهد ، يتم وضعه من خلال عاكس لتزويد طاقة التيار المتردد للشبكة. من المهم ملاحظة أن المكثفات الفائقة لا يمكنها توفير تصحيح التردد بهذا الشكل مباشرة في شبكة التيار المتردد. ^{[109] [110]}

حصاد الطاقة

المكثفات الفائقة هي أجهزة تخزين طاقة مؤقتة مناسبة لأنظمة تجميع الطاقة . في أنظمة حصاد الطاقة ، يتم جمع الطاقة من المصادر المحيطة أو المتجددة ، على سبيل المثال ، الحركة الميكانيكية أو الضوء أو المجالات الكهرومغناطيسية ، وتحويلها إلى طاقة كهربائية في جهاز تخزين الطاقة . على سبيل المثال ، تم إثبات أن الطاقة التي تم جمعها من حقول الترددات الراديوية (باستخدام هوائي RF كدائرة مقوم مناسبة ) يمكن تخزينها في مكثف فائق مطبوع. ثم تم استخدام الطاقة المحصودة لتشغيل دائرة متكاملة خاصة بالتطبيقات ( ASIC ) لأكثر من 10 ساعات. ^[111]

التضمين في البطاريات

إن UltraBattery عبارة عن بطارية هجينة قابلة لإعادة الشحن من حمض الرصاص ومكثف فائق . يحتوي بناء الخلية على قطب كهربائي قياسي موجب لبطارية الرصاص الحمضية ، وإلكتروليت قياسي لحمض الكبريتيك وقطب كربون سالب مُعد خصيصًا لتخزين الطاقة الكهربائية بسعة مزدوجة الطبقة . يؤدي وجود القطب الكهربي الفائق إلى تغيير كيمياء البطارية ويمنحها حماية كبيرة من الكبريت في حالة استخدام الشحن الجزئي ذات المعدل العالي ، وهو وضع فشل نموذجي لخلايا حمض الرصاص التي ينظمها الصمامتستخدم بهذه الطريقة. تؤدي الخلية الناتجة خصائص تتجاوز إما خلية حمض الرصاص أو مكثف فائق ، مع تعزيز معدلات الشحن والتفريغ ودورة الحياة والكفاءة والأداء.

طبي

تُستخدم المكثفات الفائقة في أجهزة تنظيم ضربات القلب حيث يمكنها توصيل 500 جول لصدمة القلب مرة أخرى إلى إيقاع الجيوب الأنفية . ^[112]

النقل

الطيران

في عام 2005 ، اختارت شركة أنظمة وضوابط الطيران Diehl Luftfahrt Elektronik GmbH المكثفات الفائقة لتشغيل مشغلات الطوارئ للأبواب وشرائح الإخلاء المستخدمة في الطائرات ، بما في ذلك طائرة إيرباص 380 . ^[105]

العسكرية

تدعم المقاومة الداخلية المنخفضة للمكثفات الفائقة التطبيقات التي تتطلب تيارات عالية قصيرة المدى. كان من بين الاستخدامات الأولى بدء تشغيل المحرك (بدء تشغيل المحرك على البارد ، خاصةً مع محركات الديزل) للمحركات الكبيرة في الخزانات والغواصات. تعمل المكثفات الفائقة على تخزين عازلة للبطارية ، والتعامل مع فترات الذروة الحالية القصيرة ، وتقليل الدوران وإطالة عمر البطارية.

التطبيقات العسكرية الأخرى التي تتطلب طاقة محددة عالية هي هوائيات رادار ذات صفيف مرحلي ، وإمدادات طاقة الليزر ، والاتصالات اللاسلكية العسكرية ، وشاشات عرض إلكترونيات الطيران ، والأجهزة ، والطاقة الاحتياطية لنشر الوسادة الهوائية ، والصواريخ والقذائف الموجهة باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

السيارات

تستخدم السيارة الاختبارية Yaris Hybrid-R من تويوتا مكثفًا فائقًا لتوفير دفعات من القوة. بدأت PSA Peugeot Citroën في استخدام المكثفات الفائقة كجزء من نظام توفير الوقود ، الذي يسمح بتسريع أولي أسرع. ^[113] يخزن نظام i-ELOOP من Mazda الطاقة في مكثف فائق أثناء التباطؤ ويستخدمها لتشغيل الأنظمة الكهربائية الموجودة على متن السيارة أثناء توقف المحرك عن طريق نظام إيقاف التشغيل.

الحافلة / الترام

ادعت Maxwell Technologies ، وهي شركة أمريكية لتصنيع المكثفات الفائقة ، أن أكثر من 20000 حافلة هجينة تستخدم الأجهزة لزيادة التسارع ، خاصة في الصين. قوانغتشو ، في عام 2014 ، بدأت الصين في استخدام الترام الذي يعمل بالمكثفات الفائقة التي يتم إعادة شحنها في 30 ثانية بواسطة جهاز موضوع بين القضبان ، لتخزين الطاقة لتشغيل الترام لمسافة تصل إلى 4 كيلومترات - أكثر من كافية للوصول إلى المحطة التالية ، حيث يمكن للدورة تتكرر. تقدم CAF أيضًا مكثفات فائقة في ترام Urbos 3 في شكل نظام ACR الخاص بهم . ^[113]

استعادة الطاقة

يتمثل التحدي الأساسي لجميع وسائل النقل في تقليل استهلاك الطاقة وتقليل ثاني أكسيد الكربون
₂الانبعاثات. يساعد استعادة طاقة الكبح (الاسترداد أو الكبح المتجدد ) في كليهما. يتطلب هذا مكونات يمكنها تخزين الطاقة وإطلاقها بسرعة على مدى فترات طويلة بمعدل دورة مرتفع. تستوفي المكثفات الفائقة هذه المتطلبات ولذلك تُستخدم في تطبيقات مختلفة في النقل.

سكة حديد

يمكن استخدام المكثفات الفائقة لتكملة البطاريات في أنظمة التشغيل في قاطرات السكك الحديدية التي تعمل بالديزل مع ناقل الحركة الذي يعمل بالديزل والكهرباء . تلتقط المكثفات طاقة الكبح للتوقف الكامل وتقدم ذروة التيار لبدء تشغيل محرك الديزل وتسريع القطار وتضمن استقرار جهد الخط. اعتمادًا على وضع القيادة ، يمكن توفير الطاقة بنسبة تصل إلى 30٪ عن طريق استعادة طاقة الكبح. شجعت الصيانة المنخفضة والمواد الصديقة للبيئة على اختيار المكثفات الفائقة. ^[114]

الرافعات والرافعات الشوكية والجرارات

تتحرك الرافعات الجسرية الهجينة المتنقلة التي تعمل بالديزل والكهرباء المطاطية وتكدس الحاويات داخل المحطة. يتطلب رفع الصناديق كميات كبيرة من الطاقة. يمكن استعادة بعض الطاقة مع خفض الحمل ، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة. ^[115]

تستخدم شاحنة الرافعة الشوكية ثلاثية الهجين خلايا الوقود والبطاريات كمخزن أساسي للطاقة ومكثفات فائقة لتخزين ذروة الطاقة عن طريق تخزين طاقة الكبح. إنها توفر الرافعة الشوكية بقدرة قصوى تزيد عن 30 كيلو واط. يوفر النظام الثلاثي الهجين أكثر من 50٪ من توفير الطاقة مقارنة بأنظمة الديزل أو خلايا الوقود. ^[116]

تنقل الجرارات الطرفية التي تعمل بالمكثف الفائق الحاويات إلى المستودعات. إنها توفر بديلاً اقتصاديًا وهادئًا وخالٍ من التلوث لجرارات الديزل الطرفية. ^[117]

السكك الحديدية الخفيفة والترام

تجعل المكثفات الفائقة من الممكن ليس فقط تقليل الطاقة ، ولكن أيضًا استبدال الخطوط العلوية في مناطق المدينة التاريخية ، وبالتالي الحفاظ على التراث المعماري للمدينة. قد يسمح هذا النهج للعديد من خطوط السكك الحديدية الخفيفة الجديدة في المدينة باستبدال الأسلاك العلوية الباهظة الثمن بحيث لا يمكن توجيهها بالكامل.

في عام 2003 ، تبنت مانهايم نموذجًا أوليًا لمركبة السكك الحديدية الخفيفة (LRV) باستخدام نظام MITRAC Energy Saver من Bombardier Transportation لتخزين طاقة الكبح الميكانيكية باستخدام وحدة مكثف فائق مثبتة على السقف. ^{[118] [119]} يحتوي على عدة وحدات تتكون كل منها من 192 مكثفًا مع 2700 فهرنهايت / 2.7 فولت متصلة ببعضها البعض في ثلاثة خطوط متوازية. ينتج عن هذه الدائرة نظام 518 فولت مع محتوى طاقة يبلغ 1.5 كيلو واط في الساعة. من أجل التسارع عند بدء تشغيل هذا "النظام الداخلي" يمكن أن يزود LRV بـ 600 كيلو واط ويمكنه قيادة السيارة لمسافة تصل إلى كيلومتر واحد بدون خط علويالعرض ، وبالتالي دمج LRV بشكل أفضل في البيئة الحضرية. مقارنة بمركبات LRV التقليدية أو مركبات المترو التي تعيد الطاقة إلى الشبكة ، يوفر تخزين الطاقة على متن الطائرة ما يصل إلى 30٪ ويقلل من ذروة الطلب على الشبكة بنسبة تصل إلى 50٪. ^[120]

في عام 2009 ، مكّنت المكثفات الفائقة LRVs من العمل في منطقة مدينة هايدلبرغ التاريخية بدون أسلاك علوية ، وبالتالي الحفاظ على التراث المعماري للمدينة. ^{[ بحاجة لمصدر ]} كلفت معدات اللجنة العليا مبلغ 270،000 يورو إضافي لكل مركبة ، والذي كان من المتوقع استرداده خلال الخمسة عشر عامًا الأولى من التشغيل. يتم شحن المكثفات الفائقة في محطات التوقف عندما تكون السيارة في توقف مجدول. في أبريل 2011 ، طلبت شركة النقل الإقليمية الألمانية Rhein-Neckar ، المسؤولة عن هايدلبرغ ، 11 وحدة إضافية. ^[121]

في عام 2009 ، قامت Alstom و RATP بتجهيز ترام Citadis بنظام تجريبي لاستعادة الطاقة يسمى "STEEM". ^[122] تم تجهيز النظام بـ 48 مكثفًا فائقًا مثبتًا على السقف لتخزين طاقة الكبح ، والتي توفر لقطارات الترام مستوى عالٍ من استقلالية الطاقة عن طريق تمكينها من العمل بدون خطوط طاقة علوية على أجزاء من مسارها ، وإعادة الشحن أثناء السفر على محطة توقف تعمل بالطاقة- عبر المحطات. خلال الاختبارات ، التي أجريت بين محطات Porte d'Italie و Porte de Choisy على الخط T3 لشبكة الترام في باريس ، استخدم الترام متوسط ​​طاقة أقل بحوالي 16٪. ^[123]

في عام 2012 ، بدأت شركة جنيف للنقل العام في تشغيل الترام اختبارات LRV المجهزة بنموذج أولي لوحدة مكثف فائق مثبتة على السقف لاستعادة طاقة الكبح. ^[124]

تقدم شركة سيمنز أنظمة نقل بالسكك الحديدية الخفيفة معززة بالمكثفات الفائقة والتي تشمل التخزين المتنقل. ^[125]

سيتم تجهيز خط مترو الجزيرة الجنوبية في هونغ كونغ بوحدتي تخزين طاقة بسعة 2 ميغاواط والتي من المتوقع أن تقلل من استهلاك الطاقة بنسبة 10٪. ^[126]

في أغسطس 2012 ، قدمت شركة CSR Zhuzhou Electric Locomotive الصينية نموذجًا أوليًا لقطار مترو خفيف مؤلف من سيارتين مجهز بوحدة مكثف فائق مثبتة على السقف. يمكن للقطار أن يسافر لمسافة تصل إلى كيلومترين بدون أسلاك ، ويمكن إعادة الشحن في غضون 30 ثانية في المحطات عبر شاحنة بيك آب مثبتة على الأرض. ادعى المورد أن القطارات يمكن استخدامها في 100 مدينة صينية صغيرة ومتوسطة الحجم. ^[127] من المقرر أن يبدأ تشغيل سبعة عربات ترام (سيارات في الشوارع) تعمل بالمكثفات الفائقة في عام 2014 في قوانغتشو ، الصين. يتم إعادة شحن المكثفات الفائقة في 30 ثانية بواسطة جهاز موضوع بين القضبان. يعمل ذلك على تشغيل الترام لمسافة تصل إلى 4 كيلومترات (2.5 ميل). ^[128] اعتبارًا من عام 2017 ، تُستخدم مركبات Zhuzhou فائقة المكثف أيضًا في نظام ترام نانجينغ الجديد ، وتخضع لتجارب في ووهان . ^[129]

في عام 2012 ، في ليون (فرنسا) ، بدأت SYTRAL (إدارة النقل العام في ليون) تجارب لنظام "طريق التجديد الجانبي" الذي أنشأته مجموعة Adetel التي طورت موفر الطاقة الخاص بها المسمى ″ NeoGreen لـ LRV و LRT والمترو. ^[130]

في عام 2015 ، أعلنت Alstom عن SRS ، وهو نظام تخزين الطاقة الذي يشحن المكثفات الفائقة على متن الترام عن طريق قضبان الموصلات على مستوى الأرض الموجودة في محطات الترام. هذا يسمح للترام بالعمل بدون خطوط علوية لمسافات قصيرة. ^[131] تم الترويج للنظام كبديل لنظام تزويد الطاقة على مستوى الأرض (APS) للشركة ، أو يمكن استخدامه جنبًا إلى جنب معه ، كما هو الحال في شبكة VLT في ريو دي جانيرو ، البرازيل ، التي فتحت في عام 2016. ^[132]

الحافلات

جاءت أول حافلة هجينة ذات مكثفات فائقة في أوروبا في عام 2001 في نورمبرج بألمانيا. كان يطلق عليه اسم "Ultracapbus" لشركة MAN ، وتم اختباره في التشغيل الحقيقي في 2001/2002. تم تجهيز مركبة الاختبار بمحرك ديزل كهربائي مع مكثفات فائقة. تم تزويد النظام بـ 8 وحدات Ultracap بقوة 80 فولت ، كل منها يحتوي على 36 مكونًا. يعمل النظام مع 640 فولت ويمكن شحنه / تفريغه عند 400 ألف.كان محتوى الطاقة 0.4 كيلو واط ساعي بوزن 400 كجم.

استعادت المكثفات الفائقة طاقة الكبح وقدمت طاقة البداية. تم تقليل استهلاك الوقود بنسبة 10 إلى 15٪ مقارنة بمركبات الديزل التقليدية. وتشمل المزايا الأخرى الحد من ثاني أكسيد الكربون
₂انبعاثات ، بدء تشغيل محرك هادئ وخالي من الانبعاثات ، اهتزاز أقل وخفض تكاليف الصيانة. ^{[133] [134]}

اعتبارًا من عام 2002 ^[update]في لوزيرن بسويسرا ، تم اختبار أسطول حافلات كهربائية يسمى TOHYCO-Rider. يمكن إعادة شحن المكثفات الفائقة عن طريق شاحن طاقة عالي السرعة لا تلامس استقرائي بعد كل دورة نقل ، في غضون 3 إلى 4 دقائق. ^[135]

في أوائل عام 2005 ، اختبرت شنغهاي شكلًا جديدًا من الحافلات الكهربائية يسمى capabus الذي يعمل بدون خطوط كهرباء (عملية خالية من سلسال) باستخدام مكثفات كبيرة على متن الطائرة يتم إعادة شحنها جزئيًا عندما تكون الحافلة متوقفة (تحت ما يسمى بالمظلات الكهربائية) ، ويتم شحنها بالكامل في نهاية . في عام 2006 ، بدأ طريقان تجاريان للحافلات في استخدام الكابابوسات ؛ واحد منهم هو الطريق 11 في شنغهاي. تشير التقديرات إلى أن الحافلة ذات المكثف الفائق كانت أرخص من الحافلة التي تعمل ببطارية ليثيوم أيون ، وأن إحدى حافلاتها لديها عُشر تكلفة الطاقة لحافلة الديزل مع توفير الوقود مدى الحياة بمقدار 200000 دولار. ^[136]

تم الكشف عن حافلة كهربائية هجينة تسمى تريبريد في عام 2008 من قبل جامعة جلامورجان ، ويلز ، لاستخدامها كوسيلة لنقل الطلاب. يتم تشغيله بوقود الهيدروجين أو الخلايا الشمسية والبطاريات والمكثفات الفائقة. ^{[137] [138]}

سباق السيارات

اقترحت FIA ، وهي هيئة حاكمة لأحداث سباقات السيارات ، في إطار تنظيم Power-Train للإصدار 1.3 من Formula 1 بتاريخ 23 مايو 2007 أن يتم إصدار مجموعة جديدة من لوائح مجموعة نقل الحركة التي تتضمن محركًا هجينًا يصل إلى 200 كيلوواط من المدخلات و خرج الطاقة باستخدام "البطاريات الفائقة" المصنوعة من البطاريات والمكثفات الفائقة المتصلة بالتوازي ( KERS ). ^{[139] [140]} يمكن الوصول إلى حوالي 20٪ من كفاءة الخزان إلى العجلة باستخدام نظام KERS.

تستخدم سيارة Toyota TS030 Hybrid LMP1 ، وهي سيارة سباق تم تطويرها وفقًا لقواعد Le Mans Prototype ، مجموعة نقل هجينة مع مكثفات فائقة. ^{[141] [142]} في 2012 24 ساعة من سباق لومان ، تأهل TS030 بأسرع لفة فقط 1.055 ثانية أبطأ (3: 24.842 مقابل 3: 23.787) ^[143] من أسرع سيارة ، أودي R18 e-tron quattro مع دولاب الموازنةتخزين الطاقة. مكثف فائق ومكونات دولاب الموازنة ، التي تساعد قدرات تفريغ الشحن السريع في الكبح والتسارع ، جعلت أودي وتويوتا الهجينة أسرع السيارات في السباق. في سباق لومان 2012 ، كان اثنان من TS030s المتنافسين ، أحدهما في طليعة جزء من السباق ، كلاهما تقاعد لأسباب لا علاقة لها بالمكثفات الفائقة. فاز TS030 بثلاثة سباقات من 8 سباقات في موسم 2012 FIA World Endurance Championship . في عام 2014 ، استخدمت Toyota TS040 Hybrid مكثفًا فائقًا لإضافة 480 حصانًا من محركين كهربائيين. ^[128]

السيارات الكهربائية الهجينة

تم فحص تركيبات المكثفات الفائقة / البطاريات في المركبات الكهربائية (EV) والمركبات الكهربائية الهجينة (HEV) جيدًا. ^{[92] [144] [145]} تمت المطالبة بتخفيض الوقود بنسبة 20 إلى 60٪ من خلال استعادة طاقة الفرامل في المركبات الكهربائية أو المركبات ذات الجهد العالي. تعد قدرة المكثفات الفائقة على الشحن أسرع بكثير من البطاريات ، وخصائصها الكهربائية المستقرة ونطاق درجة الحرارة الأوسع والعمر الأطول مناسبًا ، لكن الوزن والحجم والتكلفة بشكل خاص يخففان من هذه المزايا.

الطاقة النوعية المنخفضة للمكثفات الفائقة تجعلها غير مناسبة للاستخدام كمصدر طاقة مستقل للقيادة لمسافات طويلة. ^[146] تحسين الاقتصاد في استهلاك الوقود بين المكثف ومحلول البطارية يبلغ حوالي 20٪ ومتاح فقط للرحلات القصيرة. بالنسبة للقيادة لمسافات طويلة ، تنخفض الميزة إلى 6٪. المركبات التي تجمع بين المكثفات والبطاريات تعمل فقط في المركبات التجريبية. ^[147]

اعتبارًا من عام 2013 ^[update]، طورت جميع الشركات المصنعة للسيارات من EV أو HEV نماذج أولية تستخدم المكثفات الفائقة بدلاً من البطاريات لتخزين طاقة الكبح من أجل تحسين كفاءة مجموعة القيادة. مازدا 6 هي سيارة الإنتاج الوحيدة التي تستخدم المكثفات الفائقة لاستعادة طاقة الكبح. يُزعم أن الكبح المتجدد ، الذي تم وصفه باسم i-eloop ، يقلل من استهلاك الوقود بحوالي 10٪. ^[148]

كانت سلسلة Yo-cars Ё-mobile الروسية عبارة عن مفهوم ومركبة هجينة كروس أوفر تعمل بنوع دوارة يعمل بالبنزين ومولد كهربائي لقيادة محركات الجر. المكثف الفائق ذو السعة المنخفضة نسبيًا يستعيد طاقة المكابح لتشغيل المحرك الكهربائي عند التسارع من التوقف. ^[149]

تستخدم السيارة الاختبارية Yaris Hybrid-R من تويوتا مكثفًا فائقًا لتوفير دفعات سريعة من الطاقة. ^[128]

تتلاءم PSA Peugeot Citroën مع المكثفات الفائقة مع بعض سياراتها كجزء من نظام توفير الوقود ، حيث يتيح ذلك بدء التشغيل بشكل أسرع عندما تتحول إشارات المرور إلى اللون الأخضر. ^[128]

الجندول

في مدينة زيلامسي بالنمسا ، يربط مصعد جوي المدينة بجبل شميتنهوه . تعمل الجندول أحيانًا على مدار 24 ساعة يوميًا ، باستخدام الكهرباء للأضواء وفتح الباب والاتصالات. الوقت الوحيد المتاح لإعادة شحن البطاريات في المحطات هو خلال الفترات القصيرة لتحميل وتفريغ الضيف ، وهي قصيرة جدًا لإعادة شحن البطاريات. توفر المكثفات الفائقة شحنًا سريعًا وعددًا أكبر من الدورات وعمرًا أطول من البطاريات.

خط طيران الإمارات (التلفريك) ، المعروف أيضًا باسم تلفريك التايمز ، هو خط جندول طوله كيلومتر واحد (0.62 ميل) في لندن بالمملكة المتحدة ، والذي يعبر نهر التايمز من شبه جزيرة غرينتش إلى الأحواض الملكية . تم تجهيز الكبائن بنظام معلومات ترفيهي حديث مدعوم بمكثفات فائقة. ^{[150] [151]}

التطورات

اعتبارًا من عام 2013 ^[update]، قدمت مكثفات الليثيوم أيون الفائقة المتاحة تجاريًا أعلى طاقة نوعية خاصة بقياس الجاذبية حتى الآن ، حيث وصلت إلى 15 واط / كجم (54 كيلو جول / كجم ). يركز البحث على تحسين طاقة معينة ، وتقليل المقاومة الداخلية ، وتوسيع نطاق درجة الحرارة ، وزيادة العمر الافتراضي وتقليل التكاليف. ^[21] تشمل المشروعات أقطابًا كهربائية ذات حجم مسام مُصممة خصيصًا ، والطلاء الكاذب أو مواد المنشطات والإلكتروليتات المُحسَّنة.

الإعلانات

تطوير	تاريخ	طاقة محددة [A]	قوة محددة	دورات	السعة	ملاحظات
صفائح الجرافين مضغوطة بالضغط الشعري لسائل متطاير [152]	2013	60  واط / لتر				أدى تكامل المنحل بالكهرباء على مقياس Subnanometer إلى إنشاء شبكة نقل أيونات مستمرة.
أقطاب الأنابيب النانوية الكربونية المحاذاة رأسياً [9] [56]	2007 2009 2013	13.50  واط / كغم	37.12  واط / جرام	300000		الإدراك الأول [153]
أوراق الجرافين المنحنية [51] [52]	2010	85.6  واط / كغم			550  ف / ز	طبقات مفردة من صفائح الجرافين المنحنية التي لا تستوعب وجهًا لوجه ، وتشكل مسام متوسطة يمكن الوصول إليها وقابلة للبلل عن طريق إلكتروليتات أيونية صديقة للبيئة بجهد يصل إلى4 فولت .
إعادة هيكلة أكسيد الجرافيت KOH [154] [155]	2011	85  واط / كغم		> 10000	200  ف / غ	أعاد هيدروكسيد البوتاسيوم هيكلة الكربون ليصنع شبكة مسامية ثلاثية الأبعاد
الكربون المنشط القائم على الجرافين كقطب كهربائي فائق المكثف ذو مسامات كبيرة ومتوسطة [156]	2013	74  واط / كغم				هياكل مسامية ثلاثية الأبعاد في الكربون المشتق من الجرافين حيث يتم دمج المسام المتوسطة في سقالات كبيرة ذات مساحة سطحية3290  م 2 / جم
بوليمر متقارن دقيق المسام [157] [158]	2011	53  واط / كغم		10000		إطار Aza-fused-مترافق
القطب المركب SWNT [159]	2011		990  واط / كجم			تحتوي بنية المسام المتوسطة الكلية المصممة خصيصًا على المزيد من الإلكتروليت ، مما يضمن نقل أيون سهل
النيكل هيدروكسيد النانو على القطب المركب CNT [160]	2012	50.6  واط / كغم			3300  ف / ز	مكثف فائق غير متماثل يستخدم القطب الكهربي Ni (OH) 2 / CNT / NF باعتباره الأنود المُجمَّع مع كاثود الكربون المنشط (AC) الذي يحقق جهدًا للخلية يبلغ 1.8 فولت
هجين نانو هجين للبطارية [72]	2012	40  واط / لتر	7.5  واط / لتر	10000		لي 4تي 5ا 12(LTO) المترسبة على أنود ألياف الكربون النانوية (CNF) وكاثود الكربون المنشط
ترسب نيكل كوبالتيت على الهلام الهوائي الكربوني ميسوبوروس [161]	2012	53  واط / كغم	2.25  واط / كغم		1700  ف / ز	كوبالتيت النيكل ، وهو مادة منخفضة التكلفة وصديقة للبيئة فائقة السعة
رقائق نانوية مقحمة بثاني أكسيد المنغنيز [162]	2013	110  واط / كغم			1000  ف / جم	تقوم العملية الكهروكيميائية الرطبة بإقحام أيونات Na (+) في MnO 2الطبقات البينية. تُظهر الأقطاب الكهربائية النانوية انتشارًا أيونيًا أسرع مع قمم الأكسدة والاختزال المحسّنة.
قطب جرافين مسامي ثلاثي الأبعاد [163]	2013	98  واط / كغم			231  ف / ز	صفائح جرافين أحادية الطبقة مجعدة يبلغ حجمها بضعة نانومترات ، مع بعض الروابط التساهمية على الأقل.
المكثفات الفائقة المستوية القائمة على الجرافين لتخزين الطاقة على الرقاقة [164]	2013	2.42  واط / لتر				على تصفية خط رقاقة
مكثفات الصفائح النانوية [165] [166]	2014				27.5 μF سم −2	الأقطاب الكهربائية: Ru 0.95 O 2 0.2– عازل: Ca 2 Nb 3 O 10 -. عمليات التصنيع القائمة على حلول درجة حرارة الغرفة. السماكة الكلية أقل من 30 نانومتر.
LSG / ثاني أكسيد المنغنيز [167]	2015	42 واط / لتر	10 كيلو واط / لتر	10000		هيكل الجرافين المقتطعة بالليزر (LSG) ثلاثي الأبعاد للتوصيل والمسامية ومساحة السطح. يبلغ سمك الأقطاب الكهربائية حوالي 15 ميكرون.
الجرافين المستحث بالليزر / إلكتروليت الحالة الصلبة [168] [169]	2015		0.02 مللي أمبير / سم 2		9 مللي فهرنهايت / سم 2	ينجو من الثني المتكرر.
ثالث أكسيد التنغستن (WO 3 ) أسلاك نانو ثنائية الأبعاد مغلفة بقذائف من ثنائي كالكوجينيد معدني انتقالي ، ثاني كبريتيد التنغستن (WS 2 ) [170] [171]	2016	~ 100 واط / لتر	1 كيلو واط / لتر	30000		قذائف ثنائية الأبعاد تحيط بأسلاك نانوية

^يتطلب البحث في مواد الإلكترود قياس المكونات الفردية ، مثل قطب كهربائي أو نصف خلية. ^[172]باستخدام مسرى مضاد لا يؤثر على القياسات ، يمكن الكشف عن خصائص القطب فقط موضع الاهتمام. الطاقة والقوة النوعية للمكثفات الفائقة الحقيقية لها فقط ما يقرب من 1/3 من كثافة القطب.

السوق

اعتبارًا من عام 2016 ، ^[update]بلغت المبيعات العالمية للمكثفات الفائقة حوالي 400 مليون دولار أمريكي. ^[173]

نما سوق البطاريات (حسب تقدير Frost & Sullivan ) من 47.5 مليار دولار أمريكي (76.4٪ أو 36.3 مليار دولار أمريكي منها بطاريات قابلة لإعادة الشحن) إلى 95 مليار دولار أمريكي. ^[174] لا يزال سوق المكثفات الفائقة سوقًا متخصصًا صغيرًا لا يواكب منافسه الأكبر.

في عام 2016 ، توقعت شركة IDTechEx أن تنمو المبيعات من 240 مليون دولار إلى 2 مليار دولار بحلول عام 2026 ، بزيادة سنوية تبلغ حوالي 24٪. ^[175]

بلغت تكاليف المكثفات الفائقة 0.01 دولار أمريكي للفاراد أو 2.85 دولار أمريكي للكيلوجول في عام 2006 ، حيث انتقلت في عام 2008 إلى أقل من 0.01 دولار أمريكي للفاراد ، وكان من المتوقع أن تنخفض أكثر على المدى المتوسط. ^[176]

أسماء التجارة أو السلاسل

استثناء للمكونات الإلكترونية مثل المكثفات هي أسماء تجارية أو متسلسلة مختلفة ومتنوعة تستخدم للمكثفات الفائقة ، مثل APowerCap ، و BestCap ، و BoostCap ، و CAP-XX ، و C-SECH ، و DLCAP ، و EneCapTen ، و EVerCAP ، و DynaCap ، و Faradcap ، و GreenCap ، و Goldcap ، ^[13] HY-CAP و Kapton capacitor و Super capacitor و SuperCap و PAS Capacitor و PowerStor و PseudoCap و Ultracapacitor مما يجعل من الصعب على المستخدمين تصنيف هذه المكثفات. (قارن مع # مقارنة المعلمات التقنية )

انظر أيضا

الأدب

• Abruña ، HD ؛ كيا ، واي. هندرسون ، جي سي (2008). "البطاريات والمكثفات الكهروكيميائية" (PDF) . فيز. اليوم . 61 (12): 43-47. بيب كود : 2008 PhT .... 61l . 43A . دوى : 10.1063 / 1.3047681 .
• Bockris ، J.O'M. ؛ ديفاناثان ، مركبة الصعود من المريخ ؛ مولر ، ك. (1963). "حول هيكل الواجهات المشحونة". بروك. R. Soc. أ . 274 (1356): 55-79. بيب كود : 1963 RSPSA.274 ... 55B . دوى : 10.1098 / rspa.1963.0114 . S2CID  94958336 .
• بيجوين ، فرانسوا ؛ Raymundo-Piñeiro، E. ؛ Frackowiak ، Elzbieta (2009). 8. المكثفات الكهربائية ذات الطبقة المزدوجة والمكثفات الزائفة. كربون لأنظمة تخزين وتحويل الطاقة الكهروكيميائية . اضغط CRC. ص 329 - 375. دوى : 10.1201 / 9781420055405-c8 . رقم ISBN 978-1-4200-5540-5.
• كونواي ، بريان إيفانز (1999). المكثفات الكهروكيميائية الفائقة: الأسس العلمية والتطبيقات التكنولوجية . سبرينغر . دوى : 10.1007 / 978-1-4757-3058-6 . رقم ISBN 978-0306457364.
• تشانغ ، ياء ؛ تشانغ ، إل. ليو ، ح. الشمس ، أ. ليو ، ر. (2011). 8. المكثفات الكهروكيميائية الفائقة . التقنيات الكهروكيميائية لتخزين الطاقة وتحويلها . واينهايم: وايلي- VCH. ص 317 - 382. رقم ISBN 978-3-527-32869-7.
• ليتنر ، كو ؛ الشتاء ، م. بيسنهارد ، جو (2003). "الأقطاب المركبة الفائقة المركب". J. الحالة الصلبة Electr . 8 (1): 15-16. دوى : 10.1007 / s10008-003-0412-x . S2CID  95416761 .
• كينوشيتا ، ك. (18 يناير 1988). الكربون: الخصائص الكهروكيميائية والفيزيائية . جون وايلي وأولاده. رقم ISBN 978-0-471-84802-8.
• فولفكوفيتش ، YM ؛ سيرديوك ، تي إم (2002). "المكثفات الكهروكيميائية". روس. J. Electrochem . 38 (9): 935-959. دوى : 10.1023 / أ: 1020220425954 .
• Palaniselvam ، Thangavelu ؛ بايك ، جونج بيوم (2015). "المواد ثنائية الأبعاد القائمة على الجرافين للمكثفات الفائقة". مواد ثنائية الأبعاد . 2 (3): 032002. بيب كود : 2015 TDM ..... 2c2002P . دوى : 10.1088 / 2053-1583 / 2/3/032002 . S2CID  135679359 .
• بلوهن ، هاري (2015). "مركب لتخزين الطاقة يأخذ الحرارة" . الطبيعة . 523 (7562): 536-537. بيب كود : 2015 Natur.523..536P . دوى : 10.1038 / 523536a . بميد 26223620 . S2CID 4398225 .  
• لي ، كوي (2015). "المواد العازلة المرنة ذات درجة الحرارة العالية من مركبات البوليمر النانوية". الطبيعة . 523 (7562): 576-579. بيب كود : 2015 Natur.523..576L . دوى : 10.1038 / nature14647 . بميد 26223625 . S2CID 4472947 .  

المراجع