كيف تعمل المكثفات الفائقة

في هذا المنشور ، سوف نفهم ما هو المكثف الفائق ، ومدى تشابهه أو اختلافه عن المكثف العادي ، وأين يتم استخدامه ، وسنقوم بإجراء مقارنة بين البطاريات والمكثفات الفائقة لمعرفة أيهما أفضل.

دعونا نفهم أساسيات المكثف العادي.

كيف يعمل المكثف العادي

المكثف هو مكون إلكتروني سلبي يمكنه تخزين كمية صغيرة من الطاقة الكهروستاتيكية بين المادة الموصلة المشذرة والمواد العازلة.

يمكننا شحن وتفريغ المكثف بمعدل سريع بسبب هذه الخاصية التي نستخدمها كمنعم للجهد في جميع دوائر إمداد الطاقة.

تحتوي جميع المكثفات على بعض المواصفات المطلية على الجسم ، مثل درجة حرارة التشغيل ، وجهد التشغيل ، وقيمة المكثف والتي تتراوح عادة من عدد قليل من بيكو فاراد إلى بضعة آلاف من الميكرو فاراد.

المكثفات التي نجدها عادة في الإلكترونيات الاستهلاكية هي السيراميك ، والبوليستر ، والورق ، إلخ. وعادة ما يكون لهذه الأنواع من المكثفات سعة منخفضة في نطاق قليل من بيكو فاراد إلى أقل من ميكرو فاراد.

النوع ذو السعة العالية هو النوع الإلكتروليتي ، الذي له سعة تتراوح من 0.1 فهرنهايت إلى عدة آلاف من الميكروفاراد.

يزيد المكثف الإلكتروليتي من سعة تخزين شحنته عن طريق إضافة نسيج مبلل ببعض الإلكتروليت الكيميائي كعزل كهربائي وأي من الجانبين برقائق الألومنيوم ، كما هو موضح في الشكل.

يتم لف كومة الألومنيوم والأنسجة في شكل أسطوانة ويتم وضعها في هيكل من الألومنيوم. يحدد قطر اللفة وارتفاع وسمك النسيج المعلمات المختلفة للمكثف.

المكثفات الإلكتروليتية مستقطبة ، مما يعني أنها تحتوي على أنود ومحطة كاثود ولا ينبغي أن نتبادل قطبية إمداد المدخلات للمكثف كما نفعل في الأنواع الأخرى من المكثفات.

كيف تعمل المكثفات الفائقة

يُطلق على المكثف الفائق أيضًا اسم Ultracapacitor أو مكثف مزدوج الطبقات. المكثف الفائق لديه سعة تخزين شحنة ضخمة وعادة ما يتم قياسه في فاراد (بدون ميكرو أو بيكو أو نانو بادئات).

يمكن أن يتراوح المكثف الفائق من عدد قليل من الفاراد إلى بضعة آلاف من الفاراد. على عكس المكثفات العادية ، يكون للمكثف الفائق جهد تشغيل أقل ، والذي يتراوح عادة بين 2.5 فولت إلى 2.7 فولت.

وهي متصلة في تكوين متسلسل ومتوازي لزيادة الإنتاجية من بنك المكثف.
يتم استخدام المكثفات الفائقة حيث لا تستطيع البطاريات التعامل مع المهمة المحددة بكفاءة ، من أجل الكبح المتجدد الفوري في المركبات. يتم تحويل الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية وتخزينها لفترة من الوقت وإعادة استخدامها لتسريع السيارة.

تعمل هذه الآلية على تحسين الكفاءة الكلية للمركبة. لكن باستخدام البطاريات وحدها ، فإن التقاط الطاقة ليس فعالاً. يقوم العديد من مصنعي السيارات بتجربة supercapacitor بالاقتران مع البطاريات مما أدى إلى تحسين الكفاءة الكلية للنظام.

Supercapacitor لديه دورات شحن وتفريغ أفضل مقارنة بالبطاريات. تحتوي بطارية الليثيوم أيون النموذجية الموجودة في هواتفنا الذكية على ما يقرب من 1000 دورة شحن وتفريغ ، حيث يحتوي المكثف الفائق على أكثر من مليون دورة شحن وتفريغ.

تتدهور البطاريات في قدرتها الفعالة عندما يتم تفريغ البطارية دون جهد معين لإطالة الوقت. ليس للمكثف الفائق مثل هذه الحدود ، يمكنه أن يصل إلى صفر فولت.

لكن ترك أي مكثف لفترة طويلة من الزمن مثل عام أو نحو ذلك دون شحن يمكن أن يؤدي أيضًا إلى تدهور قدرته على الاحتفاظ بالشحن بسبب بعض التفاعلات الكيميائية بين ألواح المكثف.

بناء مكثف فائق:

يتشابه بناء المكثفات الفائقة بشكل أساسي مع المكثف العادي ، فقط الاختلاف هو نوع المادة المستخدمة ويتم استخدام طريقة ما لزيادة سعة تخزين الطاقة.

تحتوي المكثفات الفائقة على لوحات موصلة على جانبي الفاصل مبللة بالكهرباء والفاصل عبارة عن مادة عازلة رقيقة جدًا مصنوعة من البلاستيك أو الكربون أو الورق.

تم تصنيع الفاصل رقيقًا جدًا مقارنة بالمكثف العادي لزيادة كفاءة نقل الأيونات بين الألواح.

يشار إلى المكثفات الفائقة أحيانًا على أنها طبقة مزدوجة ، وذلك لأنه عندما تشحن الألواح على كلا الجانبين ، فإنها تنتج شحنة على جانبي الفاصل كما هو موضح في الشكل.

الآن سيكون لديك فكرة عن supercapacitor ووظائفه الأساسية.

البطارية مقابل Supercapacitor:

دعونا نقارن كثافة الطاقة والوزن في البطاريات والأغطية الفائقة.

تتمتع بطاريات الليثيوم أيون والليثيوم بوليمر بأعلى كثافة طاقة مقارنة بأي تقنية بطاريات أخرى متاحة تجاريًا. هذا هو سبب تصنيع هواتفنا الذكية وغيرها من الأجهزة الإلكترونية المحمولة باستخدام ليثيوم أيون / بوليمر.

كثافة الطاقة للأغطية الفائقة منخفضة جدًا مقارنة ببطاريات الليثيوم ، مما يجعلها مثالية فقط للأجهزة غير المحمولة.

Supercaps جيدة جدًا في الشحن والتفريغ السريع. لا يمكن تحقيق ذلك بالبطارية بسبب المقاومة الداخلية العالية في جميع أنواع البطاريات.

إذا حاولنا تفريغ البطارية بما يتجاوز الحد الحالي الأكثر أمانًا ، فقد نتلف البطارية. وذلك لأن البطاريات تمتلك مقاومة داخلية وتولد حرارة. تكفي الطاقة الحرارية المتولدة لإحداث ضرر لا رجعة فيه لسعة البطارية.

في supercaps ، تكون المقاومة الداخلية صغيرة جدًا ، حتى أنها أصغر من المقاومة الداخلية في بعض بطاريات السيارات المصممة لتوفير تيار عالٍ. إن فرصة تعرض المكثف الفائق للتلف بسبب الحرارة منخفضة للغاية.

يمكن للبطاريات تحمل الشحن لفترة طويلة جدًا من الوقت ، ولكن بالنسبة إلى الأغطية الفائقة ، يعد التفريغ الذاتي مشكلة وغير مناسب لتخزين الطاقة لفترة طويلة من الزمن.

الآن حان وقت الانتهاء ،

إذن أي منهم متفوق؟ ربما لا أحد منهم متفوق على الآخر. تتميز البطاريات بإمكانية نقل كبيرة ، لكن الأغطية الفائقة تتمتع بمعدل شحن وتفريغ مرتفع جدًا. في نهاية اليوم ، يعتمد الأمر على التطبيق الذي نستخدمه وهذا يقرر أيهما أكثر ملاءمة.

أخبرنا في قسم التعليقات ، هل تعتقد أن المكثفات الفائقة يومًا ما ستحل محل البطاريات بسبب التطور السريع في التكنولوجيا.