المكثفات الفائقة - فائقة وحتى فائقة
أصبحت الآن مسألة كفاءة البطارية وسرعتها وسعتها وأمانها إحدى المشكلات العالمية الرئيسية. بمعنى أن التخلف في هذه المنطقة يهدد بركود حضارتنا التقنية بأكملها.
كتبنا مؤخرًا عن انفجار بطاريات أيونات الليثيوم في الهواتف. لا تزال قدرتها غير المرضية وشحنها البطيء قد أزعج إيلون ماسك أو أي متحمس آخر للسيارة الكهربائية أكثر من مرة. لقد سمعنا عن العديد من الابتكارات في هذا المجال لسنوات عديدة ، ولكن لا يوجد حتى الآن اختراق من شأنه أن يعطي شيئًا أفضل في الاستخدام اليومي. ومع ذلك ، كان هناك الكثير من الحديث لبعض الوقت عن حقيقة أنه يمكن استبدال البطاريات بمكثفات سريعة الشحن ، أو بالأحرى نسختها "الفائقة".
لماذا لا تأمل المكثفات العادية في حدوث اختراق؟ الجواب بسيط. يبلغ كيلوغرام من البنزين حوالي 4. كيلوواط / ساعة من الطاقة. البطارية في طراز Tesla لديها طاقة أقل بحوالي 30 مرة. كيلوغرام من كتلة المكثف هو 0,1 كيلو واط في الساعة فقط. لا داعي لشرح سبب عدم ملاءمة المكثفات العادية لدور جديد. يجب أن تكون سعة بطارية الليثيوم أيون الحديثة أكبر بعدة مئات من المرات.
المكثف الفائق أو المكثف الفائق هو نوع من المكثفات الإلكتروليتية التي ، بالمقارنة مع المكثفات الإلكتروليتية التقليدية ، لها سعة كهربائية عالية للغاية (بترتيب عدة آلاف من الفاراد) ، بجهد تشغيل يبلغ 2-3 فولت. أكبر ميزة للمكثفات الفائقة أوقات الشحن والتفريغ قصيرة جدًا مقارنة بأجهزة تخزين الطاقة الأخرى (مثل البطاريات). هذا يسمح لك لزيادة امدادات الطاقة ل 10 كيلوواط لكل كيلوغرام من وزن المكثف.
أحد نماذج المكثفات الفائقة المتوفرة في السوق.
انجازات في المختبرات
جلبت الأشهر الأخيرة الكثير من المعلومات حول النماذج الأولية الجديدة للمكثفات الفائقة. في نهاية عام 2016 ، علمنا ، على سبيل المثال ، أن مجموعة من العلماء من جامعة سنترال فلوريدا قد أنشأت عملية جديدة لإنشاء المكثفات الفائقة، مما يوفر المزيد من الطاقة ويتحمل أكثر من 30 XNUMX. دورات الشحن / التفريغ. قال نيتين تشودري ، عضو فريق البحث ، لوسائل الإعلام: إذا أردنا استبدال البطاريات بهذه المكثفات الفائقة ، فلن نتمكن من شحن هاتف ذكي في ثوانٍ فحسب ، بل سيكون ذلك كافيًا لأكثر من أسبوع من الاستخدام. . . ابتكر علماء فلوريدا المكثفات الفائقة من ملايين الأسلاك الدقيقة المطلية بمادة ثنائية الأبعاد. تعد خيوط الكبل موصلات جيدة جدًا للكهرباء ، مما يسمح بشحن وتفريغ المكثف بسرعة ، وتسمح المادة ثنائية الأبعاد التي تغطيها بتخزين كميات كبيرة من الطاقة.
يلتزم العلماء من جامعة طهران في إيران ، الذين ينتجون هياكل نحاسية مسامية في محاليل الأمونيا كمواد قطب كهربائي ، بمفهوم مشابه إلى حد ما. البريطانيون ، بدورهم ، يختارون المواد الهلامية مثل تلك المستخدمة في العدسات اللاصقة. شخص آخر أخذ البوليمرات إلى ورشة العمل. البحوث والمفاهيم لا حصر لها في جميع أنحاء العالم.
العلماء المشاركين في مشروع الخط الكهربائي (الأقطاب الكهربائية المستندة إلى الجرافين لتطبيقات المكثفات الفائقة) ، بتمويل من الاتحاد الأوروبي ، تعمل على الإنتاج الضخم لمواد قطب الجرافين وتطبيق الإلكتروليتات السائلة الأيونية الصديقة للبيئة في درجة حرارة الغرفة. يتوقع العلماء ذلك سيحل الجرافين محل الكربون المنشط (AC) يستخدم في أقطاب المكثفات الفائقة.
أنتج الباحثون هنا أكاسيد الجرافيت ، وقسموها إلى صفائح من الجرافين ، ثم قاموا بدمج الصفائح في مكثف فائق. بالمقارنة مع الأقطاب الكهربائية القائمة على التيار المتردد ، تتمتع أقطاب الجرافين بخصائص لاصقة أفضل وقدرة تخزين أعلى للطاقة.
ركاب الصعود - الترام يشحن
تشارك مراكز الأبحاث في البحث والنماذج الأولية ، وقد وضع الصينيون المكثفات الفائقة موضع التنفيذ. كشفت مدينة تشوتشو بمقاطعة هونان النقاب مؤخرًا عن أول ترام صيني الصنع يعمل بالمكثفات الفائقة (2) ، مما يعني أنه لا يتطلب خطًا علويًا. يتم تشغيل الترام بواسطة منساخ مثبت في المحطات. يستغرق الشحن الكامل حوالي 30 ثانية ، لذلك يحدث أثناء صعود الركاب ونزولهم. يسمح هذا للمركبة بالسير لمسافة 3-5 كيلومترات بدون طاقة خارجية ، وهو ما يكفي للوصول إلى المحطة التالية. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يستعيد ما يصل إلى 85٪ من الطاقة عند الكبح.
تتعدد إمكانيات الاستخدام العملي للمكثفات الفائقة - من أنظمة الطاقة وخلايا الوقود والخلايا الشمسية إلى المركبات الكهربائية. في الآونة الأخيرة ، انصب اهتمام المتخصصين على استخدام المكثفات الفائقة في السيارات الكهربائية الهجينة. تشحن خلية وقود ذات غشاء بوليمر مكثف فائق ، والذي يقوم بعد ذلك بتخزين الطاقة الكهربائية المستخدمة لتشغيل المحرك. يمكن استخدام دورات الشحن / التفريغ السريعة الخاصة بـ SC للتخفيف من قوة الذروة المطلوبة لخلية الوقود ، مما يوفر أداءً موحدًا تقريبًا.
يبدو أننا بالفعل على أعتاب ثورة المكثف الفائق. ومع ذلك ، تظهر التجربة أن الأمر يستحق كبح الإفراط في الحماس حتى لا يتم الخلط بينك وبين ترك بطارية قديمة فارغة في يديك.
