چگونه یک خازن با ولتاژ بالا با ظرفیت بالا بسازیم. خازن به جای باتری: راه حل فنی با استفاده از دو لایه الکتریکی

مردم ابتدا از خازن برای ذخیره برق استفاده کردند. سپس، زمانی که مهندسی برق فراتر از آزمایشات آزمایشگاهی رفت، باتری ها اختراع شدند که به وسیله اصلی ذخیره انرژی الکتریکی تبدیل شدند. اما در آغاز قرن بیست و یکم، دوباره استفاده از خازن برای تامین انرژی تجهیزات الکتریکی پیشنهاد شد. این چقدر امکان پذیر است و آیا باتری ها در نهایت به گذشته تبدیل می شوند؟

دلیل جایگزینی خازن ها با باتری ها به دلیل مقدار قابل توجهی برق بیشتر است که می توانند ذخیره کنند. دلیل دیگر این است که در هنگام تخلیه ولتاژ در خروجی باتری بسیار کم تغییر می کند، به طوری که تثبیت کننده ولتاژ یا مورد نیاز نیست یا می تواند طراحی بسیار ساده ای داشته باشد.

تفاوت اصلی خازن ها و باتری ها در این است که خازن ها به طور مستقیم بار الکتریکی را ذخیره می کنند، در حالی که باتری ها انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند، آن را ذخیره می کنند و سپس انرژی شیمیایی را دوباره به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند.

در طول تبدیل انرژی، بخشی از آن از بین می رود. بنابراین، حتی بهترین باتری ها بازدهی بیش از 90٪ ندارند، در حالی که برای خازن ها می تواند به 99٪ برسد. شدت واکنش های شیمیایی به دما بستگی دارد، بنابراین باتری ها در هوای سرد به طور قابل توجهی بدتر از دمای اتاق عمل می کنند. علاوه بر این، واکنش های شیمیایی در باتری ها کاملاً برگشت پذیر نیستند. از این رو تعداد کمی از چرخه های شارژ-دشارژ (در حدود هزاران، اغلب عمر باتری حدود 1000 چرخه شارژ-دشارژ است)، و همچنین "اثر حافظه". بیایید به یاد بیاوریم که "اثر حافظه" این است که باتری همیشه باید به مقدار معینی از انرژی انباشته تخلیه شود، سپس ظرفیت آن حداکثر خواهد بود. اگر پس از تخلیه، انرژی بیشتری در آن باقی بماند، ظرفیت باتری به تدریج کاهش می یابد. "اثر حافظه" تقریباً برای همه انواع باتری های تجاری تولید می شود، به جز انواع اسیدی (از جمله انواع آنها - ژل و AGM). اگرچه به طور کلی پذیرفته شده است که لیتیوم یون و باتری های لیتیوم پلیمریمعمولی نیست، در واقع، آنها نیز آن را دارند، فقط به میزان کمتری نسبت به انواع دیگر خود را نشان می دهد. همانطور که برای باتری های اسیدی، آنها اثر سولفاته شدن صفحه را نشان می دهند که باعث آسیب غیرقابل برگشت به منبع برق می شود. یکی از دلایل این است که باتری برای مدت طولانی در حالت شارژ کمتر از 50 درصد باقی می ماند.

با توجه به انرژی جایگزین، "اثر حافظه" و سولفاته شدن صفحه مشکلات جدی هستند. واقعیت این است که تامین انرژی از منابعی مانند پنل های خورشیدیو پیش بینی توربین های بادی دشوار است. در نتیجه، شارژ و دشارژ باتری ها به طور آشفته و در حالت غیربهینه اتفاق می افتد.

برای ریتم مدرن زندگی، کاملاً غیرقابل قبول است که باتری ها باید چندین ساعت شارژ شوند. برای مثال، چگونه تصور می‌کنید در یک وسیله نقلیه الکتریکی مسافت طولانی را طی کنید، اگر باتری خاموش شما را چندین ساعت در نقطه شارژ نگه دارد؟ سرعت شارژ باتری با سرعت فرآیندهای شیمیایی که در آن اتفاق می افتد محدود می شود. می توانید مدت زمان شارژ را به 1 ساعت کاهش دهید، اما نه به چند دقیقه. در عین حال، نرخ شارژ خازن تنها با حداکثر جریان ارائه شده توسط شارژر محدود می شود.

معایب ذکر شده باتری ها استفاده از خازن ها را به جای آن ضروری کرده است.

با استفاده از دو لایه الکتریکی

برای چندین دهه، خازن های الکترولیتی بالاترین ظرفیت را داشتند. در آنها یکی از صفحات فویل فلزی، دیگری الکترولیت و عایق بین صفحات اکسید فلزی بود که فویل را پوشش می داد. برای خازن های الکترولیتی، ظرفیت می تواند به صدم فاراد برسد که برای تعویض کامل باتری کافی نیست.

مقایسه طرح ها انواع متفاوتخازن ها (منبع: ویکی پدیا)

خازن بزرگی که بر حسب هزاران فاراد اندازه گیری می شود را می توان توسط خازن هایی که بر اساس اصطلاحاً دو لایه الکتریکی ساخته شده اند به دست آورد. اصل عملکرد آنها به شرح زیر است. یک لایه الکتریکی دوتایی تحت شرایط خاصی در فصل مشترک مواد در فاز جامد و مایع ظاهر می شود. دو لایه یون با بارهایی با علائم متضاد، اما با اندازه یکسان تشکیل شده است. اگر وضعیت را بسیار ساده کنیم، آنگاه یک خازن تشکیل می شود که "صفحات" آن لایه های مشخص شده یون ها هستند که فاصله بین آنها برابر با چندین اتم است.

ابرخازن با ظرفیت های مختلف تولید شده توسط ماکسول

خازن های مبتنی بر این اثر گاهی اوقات یونیستور نامیده می شوند. در واقع، این اصطلاح نه تنها به خازن هایی که بار الکتریکی در آنها ذخیره می شود، بلکه به سایر دستگاه های ذخیره الکتریسیته نیز اشاره دارد - با تبدیل جزئی انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی همراه با ذخیره بار الکتریکی (یونیستور هیبریدی)، و همچنین برای باتری های مبتنی بر لایه الکتریکی دوگانه (به اصطلاح شبه خازن). بنابراین، اصطلاح "ابر خازن ها" مناسب تر است. گاهی اوقات از عبارت یکسان "اولترا خازن" به جای آن استفاده می شود.

پیاده سازی فنی

ابرخازن از دو صفحه کربن فعال پر شده با الکترولیت تشکیل شده است. بین آنها غشایی وجود دارد که به الکترولیت اجازه عبور می دهد، اما از حرکت فیزیکی ذرات کربن فعال بین صفحات جلوگیری می کند.

لازم به ذکر است که خود ابرخازن ها هیچ قطبی ندارند. از این نظر آنها اساساً با خازن های الکترولیتی متفاوت هستند که معمولاً با قطبیت مشخص می شوند ، عدم رعایت آن منجر به خرابی خازن می شود. با این حال، قطبیت برای ابرخازن ها نیز اعمال می شود. این به دلیل این واقعیت است که ابرخازن ها خط مونتاژ کارخانه را قبلاً شارژ شده ترک می کنند و علامت گذاری نشان دهنده قطبیت این شارژ است.

پارامترهای ابرخازن

حداکثر ظرفیت یک ابرخازن منفرد، که در زمان نوشتن مقاله به دست آمده است، 12000 فارنهایت است. برای ابرخازن های تولید انبوه، از 3000 فارنهایت تجاوز نمی کند. حداکثر ولتاژ مجاز بین صفحات از 10 ولت تجاوز نمی کند. این رقم، به عنوان یک قاعده، در 2. 3 - 2.7 V قرار دارد. ولتاژ عملیاتی پایین نیاز به استفاده از مبدل ولتاژ با عملکرد تثبیت کننده دارد. واقعیت این است که در هنگام تخلیه، ولتاژ روی صفحات خازن در محدوده وسیعی تغییر می کند. ساخت مبدل ولتاژ برای اتصال بار و شارژریک کار غیر پیش پا افتاده هستند فرض کنید باید یک بار 60 واتی را تغذیه کنید.

برای ساده‌تر شدن بررسی موضوع، از تلفات مبدل ولتاژ و تثبیت‌کننده غفلت می‌کنیم. در صورتی که با آن کار می کنید باتری معمولیبا ولتاژ 12 ولت، الکترونیک کنترل باید جریان 5 A را تحمل کند. چنین دستگاه های الکترونیکی گسترده و ارزان هستند. اما هنگام استفاده از یک ابرخازن، ولتاژ 2.5 ولت، وضعیت کاملاً متفاوتی ایجاد می شود. سپس جریانی که از طریق اجزای الکترونیکی مبدل می گذرد می تواند به 24 A برسد که نیاز به رویکردهای جدید در فناوری مدار و پایه عنصر مدرن دارد. دقیقاً مشکل در ساخت یک مبدل و تثبیت کننده است که می تواند این واقعیت را توضیح دهد که ابرخازن ها، تولید سریالکه در دهه 70 قرن بیستم آغاز شد، اکنون به طور گسترده در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است.

نمودار شماتیکمنبع منبع تغذیه اضطراری
ولتاژ روی ابرخازن ها، اجزای اصلی اجرا می شوند
روی یک ریزمدار تولید شده توسط LinearTechnology

ابرخازن ها را می توان با استفاده از اتصالات سری یا موازی به باتری ها متصل کرد. در حالت اول، حداکثر ولتاژ مجاز افزایش می یابد. در مورد دوم - ظرفیت. افزایش حداکثر ولتاژ مجاز به این روش یکی از راه های حل مشکل است، اما باید هزینه آن را با کاهش ظرفیت خازن پرداخت کنید.

ابعاد ابرخازن ها به طور طبیعی به ظرفیت آنها بستگی دارد. یک ابرخازن معمولی با ظرفیت 3000 فارنهایت استوانه ای با قطر حدود 5 سانتی متر و طول 14 سانتی متر است. ابرخازن با ظرفیت 10 فارنهایت ابعادی قابل مقایسه با ناخن انسان دارد.

ابرخازن های خوب می توانند صدها هزار چرخه شارژ-دشارژ را تحمل کنند که در این پارامتر حدود 100 برابر بیشتر از باتری است. اما مانند خازن های الکترولیتی، ابرخازن ها نیز به دلیل نشت تدریجی الکترولیت با مشکل پیری مواجه می شوند. تاکنون آمار کاملی از خرابی ابرخازن ها به این دلیل جمع آوری نشده است، اما با توجه به داده های غیرمستقیم می توان عمر مفید ابرخازن ها را تقریباً 15 سال تخمین زد.

انرژی انباشته شده

مقدار انرژی ذخیره شده در خازن که بر حسب ژول بیان می شود:

E = CU 2/2،
که در آن C ظرفیت خازنی است که بر حسب فاراد بیان می شود، U ولتاژ روی صفحات است که بر حسب ولت بیان می شود.

مقدار انرژی ذخیره شده در خازن بر حسب کیلووات ساعت عبارت است از:

W = CU 2 / 7200000

از این رو، یک خازن با ظرفیت 3000 فارنهایت با ولتاژ بین صفحات 2.5 ولت قادر است تنها 0.0026 کیلووات ساعت را ذخیره کند. این چگونه با باتری لیتیوم یون مقایسه می شود؟ اگر قبولش کنی ولتاژ خروجیمستقل از درجه دشارژ و برابر با 3.6 ولت، سپس مقدار انرژی 0.0026 کیلووات ساعت در یک باتری لیتیوم یونی با ظرفیت 0.72 Ah ذخیره می شود. افسوس، یک نتیجه بسیار متوسط.

کاربرد ابرخازن ها

سیستم‌های روشنایی اضطراری جایی هستند که استفاده از ابرخازن‌ها به جای باتری، تفاوت واقعی را ایجاد می‌کند. در واقع، دقیقاً این برنامه است که با تخلیه ناهموار مشخص می شود. علاوه بر این، مطلوب است که لامپ اضطراری به سرعت شارژ شود و منبع تغذیه پشتیبان مورد استفاده در آن از قابلیت اطمینان بیشتری برخوردار باشد. منبع تغذیه پشتیبان مبتنی بر ابرخازن را می توان مستقیماً در آن ادغام کرد لامپ ال ای دی T8. چنین لامپ هایی در حال حاضر توسط تعدادی از شرکت های چینی تولید می شود.

چراغ برق LED زمینی
از پانل های خورشیدی، ذخیره انرژی
که در آن در یک ابرخازن انجام می شود

همانطور که قبلاً اشاره شد، توسعه ابرخازن‌ها عمدتاً به دلیل علاقه به منابع انرژی جایگزین است. ولی استفاده عملیتا کنون محدود به لامپ های LED است که انرژی را از خورشید دریافت می کنند.

استفاده از ابرخازن ها برای راه اندازی تجهیزات الکتریکی به طور فعال در حال توسعه است.

ابرخازن ها قادرند مقادیر زیادی انرژی را در مدت زمان کوتاهی تحویل دهند. با برق رسانی به تجهیزات الکتریکی در هنگام راه اندازی از یک ابرخازن، اوج بار در شبکه برق را می توان کاهش داد و در نهایت، حاشیه جریان هجومی را کاهش داد و به صرفه جویی زیادی در هزینه دست یافت.

با ترکیب چندین ابرخازن در یک باتری، می‌توان به ظرفیتی قابل مقایسه با باتری‌های مورد استفاده در خودروهای الکتریکی دست یافت. اما وزن این باتری چندین برابر باتری خواهد بود که برای خودروها غیرقابل قبول است. این مشکل را می توان با استفاده از ابرخازن های مبتنی بر گرافن حل کرد، اما آنها در حال حاضر فقط به عنوان نمونه اولیه وجود دارند. با این حال، نسخه امیدوار کننده یو-موبایل معروف که تنها با برق کار می کند، از ابرخازن های نسل جدید که توسط دانشمندان روسی در حال توسعه هستند، به عنوان منبع انرژی استفاده خواهد کرد.

ابرخازن‌ها همچنین از جایگزینی باتری‌ها در خودروهای بنزینی یا دیزلی معمولی سود خواهند برد - استفاده از آنها در چنین خودروهایی در حال حاضر یک واقعیت است.

در این میان، موفق ترین پروژه های اجرا شده برای معرفی ابرخازن ها را می توان ترولی بوس های جدید ساخت روسیه دانست که اخیرا در خیابان های مسکو ظاهر شده اند. هنگامی که تامین ولتاژ به شبکه تماس قطع می شود یا هنگامی که کلکتورهای جریان "پرواز می کنند"، ترولی بوس می تواند با سرعت کم (حدود 15 کیلومتر در ساعت) چند صد متر به مکانی حرکت کند که در ترافیک اختلال ایجاد نکند. در جاده منبع انرژی برای چنین مانورهایی یک باتری ابرخازن است.

به طور کلی، در حال حاضر ابرخازن‌ها می‌توانند باتری‌ها را تنها در «شیخ‌های» خاص جابجا کنند. اما فناوری به سرعت در حال توسعه است، که به ما اجازه می دهد انتظار داشته باشیم که در آینده نزدیک دامنه کاربرد ابرخازن ها به طور قابل توجهی گسترش یابد.

ابرخازن یا یونیستور وسیله ای برای ذخیره توده های انرژی است؛ تجمع بار در مرز بین الکترود و الکترولیت اتفاق می افتد. حجم انرژی مفید به عنوان شارژ نوع استاتیک ذخیره می شود. فرآیند تجمعی به تعامل با ولتاژ ثابت، زمانی که یونیستور اختلاف پتانسیل بین صفحات خود دریافت می کند. پیاده‌سازی فناوری و همچنین ایده ایجاد چنین دستگاه‌هایی نسبتاً اخیراً ظاهر شد، اما آنها موفق شدند برای حل تعداد معینی از مشکلات استفاده آزمایشی دریافت کنند. این قطعه می تواند جایگزین منابع فعلی با منشاء شیمیایی، پشتیبان یا وسیله اصلی منبع تغذیه در ساعت ها، ماشین حساب ها و ریزمدارهای مختلف شود.

طراحی اولیه خازن از صفحه ای تشکیل شده است که ماده آن فویل است که توسط یک ماده جداکننده خشک محدود شده است. یونیستور از تعدادی خازن با شارژر از نوع الکتروشیمیایی تشکیل شده است. برای تولید آن از الکترولیت های خاصی استفاده می شود. پوشش ها می توانند انواع مختلفی داشته باشند. کربن فعال برای ساخت آسترهای در مقیاس بزرگ استفاده می شود. همچنین می توان از اکسیدهای فلزی و مواد پلیمری با رسانایی بالا استفاده کرد. برای دستیابی به چگالی خازنی مورد نیاز، استفاده از مواد کربنی بسیار متخلخل توصیه می شود. علاوه بر این، این روش به شما امکان می دهد یک یونیستور را با هزینه بسیار کم بسازید. چنین قطعاتی متعلق به دسته خازن های DLC هستند که بار را در یک محفظه دوتایی تشکیل شده روی صفحه جمع می کنند.

راه حل طراحی، هنگامی که یونیستور با پایه الکترولیت آب ترکیب می شود، با مقاومت کم عناصر داخلی مشخص می شود، در حالی که ولتاژ شارژ به 1 ولت محدود می شود. استفاده از هادی های آلی سطوح ولتاژ حدود 2...3 را تضمین می کند. V و افزایش مقاومت.

مدارهای الکترونیکی با انرژی بیشتری کار می کنند. راه حل این مشکل افزایش تعداد پاور پوینت های استفاده شده است. یونیستور نه تنها یک، بلکه در مقدار 3-4 قطعه نصب می شود و مقدار مورد نیاز شارژ را ارائه می دهد.

در مقایسه با یک باتری نیکل-فلز هیدرید، یونیستور قادر است یک دهم ذخیره انرژی را در خود داشته باشد، در حالی که ولتاژ آن به صورت خطی کاهش می یابد، به استثنای مناطق تخلیه مسطح. این عوامل بر توانایی حفظ شارژ کامل در یونیستور تأثیر می گذارد. سطح شارژ مستقیماً به هدف تکنولوژیکی عنصر بستگی دارد.

اغلب، یک یونیستور برای تغذیه تراشه های حافظه استفاده می شود و در مدارهای فیلتر و فیلترهای صاف کننده قرار می گیرد. آنها همچنین می توانند با باتری های مختلف برای مبارزه با عواقب ناشی از افزایش ناگهانی جریان ترکیب شوند: هنگامی که جریان کم تامین می شود، یونیستور دوباره شارژ می شود، در غیر این صورت بخشی از انرژی را آزاد می کند و در نتیجه بار کلی را کاهش می دهد.

هیاهویی که ایلان ماسک ساخت «گیگافکتوری باتری» را برای تولید ایجاد کرد باتری های لیتیوم یونیهنوز فروکش نکرده بود که پیامی در مورد رویدادی ظاهر شد که می تواند به طور قابل توجهی برنامه های "انقلابی میلیاردر" را تنظیم کند.
این بیانیه مطبوعاتی اخیر این شرکت است. Sunvault Energy Inc.، که همراه با شرکت برق ادیسونموفق به ساخت بزرگترین ابرخازن گرافنی جهان با ظرفیت 10 هزار (!) فاراد شد..
این رقم به قدری خارق العاده است که در بین کارشناسان داخلی تردید ایجاد می کند - در مهندسی برق حتی 20 میکروفاراد (یعنی 0.02 میلی فاراد) این مقدار زیادی است. با این حال، شکی نیست که مدیر Sunvault Energy، بیل ریچاردسون، فرماندار سابق نیومکزیکو و وزیر سابق انرژی ایالات متحده است. بیل ریچاردسون مردی شناخته شده و مورد احترام است: او به عنوان سفیر ایالات متحده در سازمان ملل خدمت کرد، چندین سال در اندیشکده کیسینجر و مک لارتی کار کرد و حتی به دلیل موفقیت هایش در آزادی آمریکایی های اسیر شده توسط شبه نظامیان، نامزد جایزه نوبل شد. در "نقاط داغ" مختلف صلح. او در سال 2008 یکی از نامزدهای حزب دموکرات برای ریاست جمهوری ایالات متحده بود، اما در برابر باراک اوباما شکست خورد.

امروزه Sunvault به سرعت در حال رشد است و یک سرمایه گذاری مشترک با شرکت برق ادیسون به نام Supersunvault ایجاد کرده است و هیئت مدیره شرکت جدید نه تنها شامل دانشمندان است (یکی از مدیران یک بیوشیمیست و دیگری یک سرطان شناس کارآفرین است) بلکه همچنین افراد مشهور با هوش تجاری خوب. توجه داشته باشم که تنها در دو ماه گذشته این شرکت ظرفیت ابرخازن های خود را ده برابر کرده است - از هزار به 10000 فاراد، و قول داده است که آن را حتی بیشتر کند تا انرژی انباشته شده در خازن برای تامین انرژی کل خانه کافی باشد. یعنی Sunvault آماده است تا رقیب مستقیم ایلان ماسک باشد که قصد دارد سوپر باتری‌های Powerwall با ظرفیت حدود 10 کیلووات ساعت تولید کند.

مزایای فناوری گرافن و پایان گیگافکتوری.

در اینجا باید تفاوت اصلی بین خازن ها و باتری ها را به یاد بیاوریم - اگر اولی به سرعت شارژ و تخلیه شود، اما انرژی کمی را جمع آوری کند، سپس باتری ها - برعکس. توجه داشته باشید مزایای اصلی ابرخازن های گرافنیV.

1. شارژ سریع - خازن ها تقریباً 100-1000 برابر سریعتر از باتری ها شارژ می شوند.

2. ارزانیاگر باتری‌های لیتیوم یون معمولی حدود 500 دلار به ازای هر 1 کیلووات ساعت انرژی انباشته شده قیمت داشته باشند، یک ابرخازن فقط 100 دلار قیمت دارد و سازندگان قول می‌دهند تا پایان سال هزینه را به 40 دلار کاهش دهند. از نظر ترکیب آن، کربن معمولی است - یکی از رایج ترین عناصر شیمیایی روی زمین.

3. فشردگی و چگالی انرژی و. ابرخازن گرافنی جدید نه تنها با ظرفیت خارق‌العاده‌اش، که از نمونه‌های شناخته‌شده تا حدود هزار برابر فراتر می‌رود، شگفت‌زده می‌کند، بلکه با فشردگی آن - اندازه یک کتاب کوچک است، یعنی صد برابر فشرده‌تر از خازن‌های 1 فاراد. در حال حاضر استفاده می شود.

4. ایمنی و سازگاری با محیط زیست. آنها بسیار ایمن تر از باتری ها هستند که گرم می شوند، حاوی مواد شیمیایی خطرناک هستند و گاهی اوقات حتی منفجر می شوند. گرافن خود یک ماده زیست تخریب پذیر است، یعنی در آفتاب به سادگی تجزیه می شود و محیط را خراب نمی کند. از نظر شیمیایی غیر فعال است و به محیط زیست آسیب نمی رساند.

5. سادگی فناوری جدید برای تولید گرافن. سرزمین های عظیم و سرمایه گذاری های سرمایه ای، انبوه کارگران، مواد سمی و خطرناک مورد استفاده در فرآیند تکنولوژیکیباتری های لیتیوم یون کاملاً در تضاد با سادگی شگفت انگیز فناوری جدید هستند. واقعیت این است که گرافن (یعنی نازک ترین فیلم کربن تک اتمی) در Sunvault با استفاده از یک دیسک CD معمولی که بخشی از تعلیق گرافیت روی آن ریخته می شود، تولید می شود. سپس دیسک در یک درایو DVD معمولی قرار می گیرد و با لیزر رایت می شود برنامه ویژه- و لایه گرافن آماده است! گزارش شده است که این کشف به طور تصادفی انجام شده است - توسط دانش آموز ماهر الکادی، که در آزمایشگاه شیمیدان ریچارد کانر کار می کرد. سپس دیسک را با استفاده از نرم افزار LightScribe برای تولید لایه ای از گرافن سوزاند.
علاوه بر این، همانطور که مدیر عامل Sunvault، گری موناهان در کنفرانس وال استریت گفت، این شرکت در تلاش است دستگاه های ذخیره انرژی گرافن را می توان با چاپ معمولی روی چاپگر سه بعدی تولید کرد- و این باعث می شود تولید آنها نه تنها ارزان، بلکه عملاً جهانی باشد. و در ترکیب با پانل های خورشیدی ارزان قیمت (امروزه هزینه آنها به 1.3 دلار در هر وات کاهش یافته است)، ابرخازن های گرافنی به میلیون ها نفر این شانس را می دهد که با قطع کامل شبکه برق استقلال انرژی به دست آورند و حتی بیشتر از آن - به برق خودشان تبدیل شوند. تامین کنندگان و با از بین بردن انحصارات «طبیعی».
بنابراین شکی نیست: گرافن ابرخازن ها هستند پیشرفت انقلابی در زمینه ذخیره سازی انرژی و . و این خبر بدی برای ایلان ماسک است - ساخت یک کارخانه در نوادا حدود 5 میلیارد دلار برای او هزینه خواهد داشت که حتی بدون چنین رقبای جبران آن دشوار است. به نظر می رسد در حالی که ساخت کارخانه نوادا در حال انجام است و احتمال تکمیل آن وجود دارد، سه مورد دیگر که ماسک برنامه ریزی کرده است بعید است تکمیل شود.

دسترسی به بازار؟ نه به زودی که ما دوست داریم.

ماهیت انقلابی چنین فناوری آشکار است. چیز دیگری نامشخص است - چه زمانی وارد بازار می شود؟ در حال حاضر، پروژه بزرگ و گران قیمت کارخانه لیتیوم-یون گیگافکتوری ایلان ماسک مانند دایناسورهای صنعتی به نظر می رسد. با این حال، مهم نیست که چقدر انقلابی، ضروری و دوستدار محیط زیست است تکنولوژی جدید، این بدان معنا نیست که او یک یا دو سال دیگر به ما خواهد آمد. دنیای سرمایه نمی تواند از شوک های مالی جلوگیری کند، اما در اجتناب از شوک های تکنولوژیک کاملاً موفق بوده است. که در موارد مشابهتوافقات پشت پرده بین سرمایه گذاران بزرگ و بازیگران سیاسی شروع به کار کرد. شایان ذکر است که Sunvault شرکتی است که در کانادا واقع شده است و هیئت مدیره آن شامل افرادی است که اگرچه ارتباطات گسترده ای در نخبگان سیاسی ایالات متحده دارند، اما هنوز بخشی از هسته نفتی آن نیستند، که کم و بیش آشکار است. مبارزه ای که ظاهراً از قبل شروع شده است.
آنچه برای ما مهم است این است فرصت های ارائه شده توسط فناوری های نوظهور انرژی: استقلال انرژی برای کشور، و در آینده - برای هر یک از شهروندان آن. البته، ابرخازن‌های گرافنی بیشتر یک فناوری «هیبریدی» و انتقالی هستند و برخلاف آن، اجازه تولید مستقیم انرژی را نمی‌دهند. فناوری های مغناطیسی گرانشی، که نوید تغییر کامل پارادایم علمی و ظاهر کل جهان را می دهد. بالاخره وجود دارد فناوری های مالی انقلابیکه در واقع توسط مافیای جهانی دلارهای نفتی تابو هستند. با این حال، این یک پیشرفت بسیار چشمگیر است، از همه جالبتر زیرا در "لانه جانور دلاری نفتی" - در ایالات متحده اتفاق می افتد.
همین شش ماه پیش درباره موفقیت‌های ایتالیایی‌ها در فناوری همجوشی سرد نوشتم، اما در این مدت با فناوری چشمگیر LENR شرکت آمریکایی SolarTrends و پیشرفت گایا-روش آلمانی و اکنون در مورد واقعاً آشنا شدیم. فناوری انقلابی دستگاه‌های ذخیره‌سازی گرافن حتی همین فهرست کوتاه نشان می دهد که مشکل این نیست که ما یا هر دولت دیگری توانایی کاهش قبوض گاز و برق دریافتی ما و حتی در محاسبه غیر شفاف تعرفه ها را ندارد.
ریشه بدی، ناآگاهی کسانی است که قبوض را می پردازند و بی میلی کسانی که آنها را صادر می کنند برای تغییر چیزی. . فقط برای مردم عادی انرژی برق است. در حقیقت، انرژی خود، قدرت است.

نشریه علمی Science از پیشرفت تکنولوژیکی دانشمندان استرالیایی در زمینه ایجاد ابرخازن ها خبر داد.

کارمندان دانشگاه موناش، واقع در ملبورن، موفق شدند فناوری تولید ابرخازن های ساخته شده از گرافن را به گونه ای تغییر دهند که محصولات حاصل از آن از نظر تجاری جذاب تر از آنالوگ های قبلی باشد.

کارشناسان مدت‌هاست که درباره ویژگی‌های جادویی ابرخازن‌های مبتنی بر گرافن صحبت می‌کنند و آزمایش‌های آزمایشگاهی بیش از یک بار به طور قانع‌کننده این واقعیت را ثابت کرده‌اند که این ابرخازن‌های معمولی بهتر هستند. چنین خازن هایی با پیشوند "super" مورد انتظار سازندگان الکترونیک مدرن، شرکت های خودروسازی و حتی سازندگان منابع جایگزین برق و غیره است.

چرخه عمر بسیار طولانی و همچنین توانایی یک ابرخازن برای شارژ در کوتاه ترین مدت زمان ممکن، به طراحان اجازه می دهد تا با کمک آنها مسائل پیچیده طراحی را حل کنند. دستگاه های مختلف. اما تا آن زمان، راهپیمایی پیروزمندانه خازن های گرافنی به دلیل انرژی ویژه پایین آنها مسدود شده بود و... به طور متوسط، یک یونیستور یا ابرخازن دارای یک نشانگر انرژی خاص در حدود 5 تا 8 وات ساعت بر کیلوگرم بود که در پس زمینه تخلیه سریع، محصول گرافن را به نیاز اغلب به شارژ مجدد وابسته می کرد.

کارمندان استرالیایی دپارتمان تحقیقات تولید مواد از ملبورن به سرپرستی پروفسور دان لی، موفق شدند چگالی انرژی ویژه یک خازن گرافنی را ۱۲ برابر افزایش دهند. اکنون این رقم برای خازن جدید 60 W*h/kg است و این دلیلی است برای صحبت در مورد انقلاب فنی در این زمینه. مخترعان موفق شدند بر مشکل تخلیه سریع ابرخازن گرافن غلبه کنند و اطمینان حاصل کنند که اکنون کندتر از یک باتری معمولی تخلیه می شود.

یک کشف فناوری به دانشمندان کمک کرد تا به چنین نتیجه چشمگیری دست یابند: آنها یک فیلم گرافن-ژل تطبیقی گرفتند و یک الکترود بسیار کوچک از آن ایجاد کردند. مخترعان فضای بین صفحات گرافن را با الکترولیت مایع پر کردند به طوری که فاصله ای زیر نانومتری بین آنها ایجاد شد. این الکترولیت در خازن های معمولی نیز وجود دارد، جایی که به عنوان رسانای الکتریسیته عمل می کند. در اینجا نه تنها به یک هادی، بلکه مانعی برای تماس صفحات گرافن با یکدیگر تبدیل شد. این حرکت بود که به ما اجازه داد تا دستاوردهای بیشتری داشته باشیم تراکم بالاخازن با حفظ ساختار متخلخل.

خود الکترود فشرده با استفاده از فناوری ای ساخته شده است که برای سازندگان کاغذ که همه ما با آن آشنا هستیم آشناست. این روشاین بسیار ارزان و ساده است، که به ما اجازه می دهد در مورد امکان تولید تجاری ابرخازن های جدید خوش بین باشیم.

روزنامه نگاران عجله کردند تا به جهان اطمینان دهند که بشریت انگیزه ای برای توسعه کاملاً جدید دریافت کرده است لوازم برقی. خود مخترعان به زبان پروفسور لی قول دادند که به ابرخازن گرافن کمک کنند تا مسیر آزمایشگاه تا کارخانه را به سرعت طی کند.

چه بخواهیم چه نخواهیم، عصر خودروهای برقی پیوسته نزدیک می شود. و در حال حاضر، تنها یک فناوری مانع از پیشرفت و تصاحب بازار توسط وسایل نقلیه الکتریکی، فناوری ذخیره سازی انرژی الکتریکی و غیره شده است. با وجود تمام دستاوردهای دانشمندان در این راستا، اکثر خودروهای برقی و هیبریدی در طراحی خود باتری های لیتیوم یونی دارند که جنبه های مثبت و منفی خود را دارند و تنها می توانند مسافت پیموده شده وسیله نقلیه را با یک بار شارژ و در مسافت کوتاهی که فقط کافی است، طی کنند. در محدوده شهر سفر کنید تمامی خودروسازان مطرح دنیا این مشکل را درک کرده و به دنبال راه هایی برای افزایش راندمان خودروهای برقی هستند که با یک بار شارژ، برد رانندگی را افزایش دهند. باتری ها.

یکی از راه‌های بهبود کارایی خودروهای الکتریکی، جمع‌آوری و استفاده مجدد از انرژی است که در هنگام ترمز کردن خودرو و حرکت خودرو بر روی سطوح ناهموار جاده به گرما تبدیل می‌شود. روش‌هایی برای بازگشت چنین انرژی قبلاً ایجاد شده است، اما راندمان جمع‌آوری و استفاده مجدد آن به دلیل سرعت کم باتری‌ها بسیار کم است. زمان ترمز معمولاً بر حسب ثانیه اندازه گیری می شود که برای باتری هایی که ساعت ها طول می کشد تا شارژ شوند بسیار سریع است. بنابراین، برای انباشت انرژی "سریع"، رویکردها و وسایل ذخیره سازی دیگری مورد نیاز است که نقش آنها به احتمال زیاد خازن است. ظرفیت بزرگ، به اصطلاح ابرخازن.

متأسفانه ابرخازن‌ها هنوز آماده ورود به جاده بزرگ نیستند، با وجود اینکه می‌توانند به سرعت شارژ و دشارژ شوند، ظرفیت آنها هنوز نسبتاً کم است. علاوه بر این، قابلیت اطمینان ابرخازن‌ها نیز چیزهای زیادی را باقی می‌گذارد؛ مواد مورد استفاده در الکترودهای ابرخازن‌ها به طور مداوم در نتیجه چرخه‌های شارژ-تخلیه مکرر از بین می‌روند. و این به سختی قابل قبول است با توجه به این واقعیت که در طول عمر یک ماشین الکتریکی، تعداد چرخه های عملیاتی ابرخازن ها باید میلیون ها بار باشد.

Santhakumar Kannappan و گروهی از همکارانش از موسسه علم و فناوری، گوانگجو، کره، راه حلی برای مشکل فوق دارند که اساس آن یکی از شگفت انگیزترین مواد زمان ما - گرافن است. محققان کره‌ای نمونه‌های اولیه ابرخازن‌های مبتنی بر گرافن بسیار کارآمد را توسعه داده‌اند که پارامترهای خازنی آن‌ها کمتر از باتری‌های لیتیوم یونی نیست، اما می‌توانند به سرعت بار الکتریکی خود را جمع‌آوری و آزاد کنند. علاوه بر این، حتی نمونه های اولیه ابرخازن های گرافنی می توانند ده ها هزار چرخه عملیاتی را بدون از دست دادن ویژگی های خود تحمل کنند.
ترفند برای دستیابی به چنین نتایج چشمگیری، به دست آوردن شکل خاصی از گرافن است که دارای سطح مؤثر بزرگی است. محققان این شکل از گرافن را با مخلوط کردن ذرات اکسید گرافن با هیدرازین در آب و خرد کردن همه آن با استفاده از امواج فراصوت ساخته اند. پودر گرافن به دست آمده در گلوله های دیسکی شکل بسته بندی شد و در دمای 140 درجه سانتیگراد و فشار 300 کیلوگرم بر سانتی متر به مدت پنج ساعت خشک شد.

ماده حاصل بسیار متخلخل است؛ یک گرم از چنین ماده گرافنی مساحت موثری برابر با مساحت زمین بسکتبال دارد. علاوه بر این، ماهیت متخلخل این ماده به مایع الکترولیتی یونی EBIMF 1 M اجازه می دهد تا کل حجم ماده را به طور کامل پر کند که منجر به افزایش ظرفیت الکتریکی ابرخازن می شود.

اندازه گیری ویژگی های ابرخازن های آزمایشی نشان داد که ظرفیت الکتریکی آنها حدود 150 فاراد بر گرم، چگالی ذخیره انرژی 64 وات بر کیلوگرم و چگالی است. جریان الکتریسیتهبرابر با 5 آمپر بر گرم همه این ویژگی‌ها با باتری‌های لیتیوم یون قابل مقایسه هستند که چگالی ذخیره‌سازی انرژی آن‌ها بین 100 تا 200 وات بر کیلوگرم است. اما این ابرخازن ها یک مزیت بزرگ دارند: آنها می توانند تمام شارژ ذخیره شده خود را تنها در 16 ثانیه به طور کامل شارژ یا آزاد کنند. و این زمان سریعترین زمان شارژ-تخلیه تا به امروز است.

این مجموعه چشمگیر از ویژگی‌ها، به علاوه فناوری ساده ساخت ابرخازن‌های گرافنی، ممکن است ادعای محققان را توجیه کند که نوشتند «دستگاه‌های ذخیره انرژی ابرخازن گرافنی آنها اکنون برای تولید انبوه آماده هستند و می‌توانند در نسل‌های آینده خودروهای الکتریکی ظاهر شوند. ”

گروهی از دانشمندان دانشگاه رایس روشی را برای تولید گرافن با استفاده از لیزر برای ساخت الکترودهای ابرخازن ابداع کرده‌اند.

از زمان کشف آن، گرافن، شکلی از کربن، سلول کریستالیکه دارای ضخامت تک اتمی است، از جمله به عنوان جایگزینی برای الکترودهای کربن فعال مورد استفاده در ابرخازن‌ها، خازن‌های با ظرفیت بالا و جریان‌های نشتی کم مورد توجه قرار گرفت. اما زمان و تحقیقات نشان داده است که الکترودهای گرافن خیلی بهتر از الکترودهای کربن فعال میکرو متخلخل عمل نمی کنند و این باعث کاهش اشتیاق و محدود شدن تعدادی از مطالعات شد.

با این اوصاف، الکترودهای گرافندارای مزایای غیر قابل انکاری در مقایسه با الکترودهای کربن متخلخل است.

ابرخازن های گرافنیمی‌تواند در فرکانس‌های بالاتر کار کند و انعطاف‌پذیری گرافن امکان ایجاد دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی بسیار نازک و انعطاف‌پذیر بر اساس آن را فراهم می‌کند که برای استفاده در وسایل الکترونیکی پوشیدنی و انعطاف‌پذیر مناسب هستند.

دو مزیت فوق‌الذکر ابرخازن‌های گرافنی، تحقیقات بیشتری را توسط گروهی از دانشمندان دانشگاه رایس انجام داد. آنها روش تولید گرافن به کمک لیزر را که توسعه داده بودند برای ساخت الکترودهای ابرخازن اقتباس کردند.

جیمز تور، دانشمندی که تیم تحقیقاتی را رهبری می‌کند، می‌گوید: «آنچه ما توانستیم به آن برسیم، قابل مقایسه با میکروابرخازن‌های موجود در بازار الکترونیک است.» با روش خود، می‌توانیم ابرخازن‌هایی تولید کنیم که هر شکل فضایی دارند. هنگامی که نیاز داریم الکترودهای گرافن را در یک ناحیه کوچک به اندازه کافی بسته بندی کنیم، به سادگی آنها را مانند یک ورق کاغذ تا می کنیم.

دانشمندان برای تولید الکترودهای گرافن استفاده کردند روش لیزری (گرافم القا شده با لیزر، LIG)، که در آن یک پرتو لیزر قدرتمند به سمت هدفی که از یک ماده پلیمری ارزان قیمت ساخته شده است، نشانه می رود.

پارامترهای نور لیزر به گونه ای انتخاب می شوند که تمام عناصر پلیمر به جز کربن را که به شکل یک فیلم گرافن متخلخل تشکیل می شود، بسوزاند. نشان داده شده است که این گرافن متخلخل دارای یک سطح موثر به اندازه کافی بزرگ است که آن را به ماده ای ایده آل برای الکترودهای ابرخازن تبدیل می کند.

چیزی که یافته های تیم دانشگاه رایس را قانع کننده می کند، سهولت تولید گرافن متخلخل است.

ساخت الکترودهای گرافن بسیار ساده است. این کار نیازی به اتاق تمیز ندارد و در این فرآیند از لیزرهای صنعتی معمولی استفاده می شود که با موفقیت در کارگاه های کارخانه و حتی در بیرون از خانهجیمز تور می گوید.

علاوه بر سهولت تولید، ابرخازن های گرافنی ویژگی های بسیار چشمگیری از خود نشان داده اند. این دستگاه های ذخیره انرژی هزاران چرخه شارژ-تخلیه را بدون از دست دادن ظرفیت الکتریکی تحمل کرده اند. علاوه بر این، ظرفیت الکتریکی چنین ابرخازن هایی پس از تغییر شکل ابرخازن انعطاف پذیر 8 هزار بار متوالی تقریباً بدون تغییر باقی ماند.

جیمز تور گفت: «ما نشان داده‌ایم که فناوری توسعه داده‌ایم می‌تواند ابرخازن‌های نازک و انعطاف‌پذیری را تولید کند که می‌توانند به اجزای لوازم الکترونیکی انعطاف‌پذیر یا منابع انرژی برای لوازم الکترونیکی پوشیدنی تبدیل شوند که می‌توانند مستقیماً در لباس‌ها یا وسایل روزمره ساخته شوند.

دلیل جایگزینی خازن ها با باتری ها به دلیل مقدار قابل توجهی برق بیشتر است که می توانند ذخیره کنند. دلیل دیگر این است که در هنگام تخلیه ولتاژ در خروجی باتری بسیار کم تغییر می کند، به طوری که تثبیت کننده ولتاژ یا مورد نیاز نیست یا می تواند طراحی بسیار ساده ای داشته باشد.

تفاوت اصلی خازن ها و باتری ها در این است که خازن ها به طور مستقیم بار الکتریکی را ذخیره می کنند، در حالی که باتری ها انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند، آن را ذخیره می کنند و سپس انرژی شیمیایی را دوباره به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند.

در طول تبدیل انرژی، بخشی از آن از بین می رود. بنابراین، حتی بهترین باتری ها بازدهی بیش از 90٪ ندارند، در حالی که برای خازن ها می تواند به 99٪ برسد. شدت واکنش های شیمیایی به دما بستگی دارد، بنابراین باتری ها در هوای سرد به طور قابل توجهی بدتر از دمای اتاق عمل می کنند. علاوه بر این، واکنش های شیمیایی در باتری ها کاملاً برگشت پذیر نیستند. از این رو تعداد کمی از چرخه های شارژ-دشارژ (در حدود هزاران، اغلب عمر باتری حدود 1000 چرخه شارژ-دشارژ است)، و همچنین "اثر حافظه". بیایید به یاد بیاوریم که "اثر حافظه" این است که باتری همیشه باید به مقدار معینی از انرژی انباشته تخلیه شود، سپس ظرفیت آن حداکثر خواهد بود. اگر پس از تخلیه، انرژی بیشتری در آن باقی بماند، ظرفیت باتری به تدریج کاهش می یابد. "اثر حافظه" تقریباً برای همه انواع باتری های تجاری تولید می شود، به جز انواع اسیدی (از جمله انواع آنها - ژل و AGM). اگرچه به طور کلی پذیرفته شده است که باتری های لیتیوم یونی و لیتیوم پلیمری آن را ندارند، در واقع آنها نیز آن را دارند، فقط به میزان کمتری نسبت به انواع دیگر خود را نشان می دهد. همانطور که برای باتری های اسیدی، آنها اثر سولفاته شدن صفحه را نشان می دهند که باعث آسیب غیرقابل برگشت به منبع برق می شود. یکی از دلایل این است که باتری برای مدت طولانی در حالت شارژ کمتر از 50 درصد باقی می ماند.

با توجه به انرژی جایگزین، "اثر حافظه" و سولفاته شدن صفحه مشکلات جدی هستند. واقعیت این است که پیش بینی تامین انرژی از منابعی مانند پنل های خورشیدی و توربین های بادی دشوار است. در نتیجه، شارژ و دشارژ باتری ها به طور آشفته و در حالت غیربهینه اتفاق می افتد.

برای ریتم مدرن زندگی، کاملاً غیرقابل قبول است که باتری ها باید چندین ساعت شارژ شوند. برای مثال، چگونه تصور می‌کنید در یک وسیله نقلیه الکتریکی مسافت طولانی را طی کنید، اگر باتری خاموش شما را چندین ساعت در نقطه شارژ نگه دارد؟ سرعت شارژ باتری با سرعت فرآیندهای شیمیایی که در آن اتفاق می افتد محدود می شود. می توانید مدت زمان شارژ را به 1 ساعت کاهش دهید، اما نه به چند دقیقه. در عین حال، نرخ شارژ خازن تنها با حداکثر جریان ارائه شده توسط شارژر محدود می شود.

معایب ذکر شده باتری ها استفاده از خازن ها را به جای آن ضروری کرده است.

با استفاده از دو لایه الکتریکی

برای چندین دهه، خازن های الکترولیتی بالاترین ظرفیت را داشتند. در آنها یکی از صفحات فویل فلزی، دیگری الکترولیت و عایق بین صفحات اکسید فلزی بود که فویل را پوشش می داد. برای خازن های الکترولیتی، ظرفیت می تواند به صدم فاراد برسد که برای تعویض کامل باتری کافی نیست.

خازن بزرگی که بر حسب هزاران فاراد اندازه گیری می شود را می توان توسط خازن هایی که بر اساس اصطلاحاً دو لایه الکتریکی ساخته شده اند به دست آورد. اصل عملکرد آنها به شرح زیر است. یک لایه الکتریکی دوتایی تحت شرایط خاصی در فصل مشترک مواد در فاز جامد و مایع ظاهر می شود. دو لایه یون با بارهایی با علائم متضاد، اما با اندازه یکسان تشکیل شده است. اگر وضعیت را بسیار ساده کنیم، آنگاه یک خازن تشکیل می شود که "صفحات" آن لایه های مشخص شده یون ها هستند که فاصله بین آنها برابر با چندین اتم است.

خازن های مبتنی بر این اثر گاهی اوقات یونیستور نامیده می شوند. در واقع، این اصطلاح نه تنها به خازن هایی که بار الکتریکی در آنها ذخیره می شود، بلکه به سایر دستگاه های ذخیره الکتریسیته نیز اشاره دارد - با تبدیل جزئی انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی همراه با ذخیره بار الکتریکی (یونیستور هیبریدی)، و همچنین برای باتری های مبتنی بر لایه الکتریکی دوگانه (به اصطلاح شبه خازن). بنابراین، اصطلاح "ابر خازن ها" مناسب تر است. گاهی اوقات از عبارت یکسان "اولترا خازن" به جای آن استفاده می شود.

پیاده سازی فنی

ابرخازن از دو صفحه کربن فعال پر شده با الکترولیت تشکیل شده است. بین آنها غشایی وجود دارد که به الکترولیت اجازه عبور می دهد، اما از حرکت فیزیکی ذرات کربن فعال بین صفحات جلوگیری می کند.

لازم به ذکر است که خود ابرخازن ها هیچ قطبی ندارند. از این نظر آنها اساساً با خازن های الکترولیتی متفاوت هستند که معمولاً با قطبیت مشخص می شوند ، عدم رعایت آن منجر به خرابی خازن می شود. با این حال، قطبیت برای ابرخازن ها نیز اعمال می شود. این به دلیل این واقعیت است که ابرخازن ها خط مونتاژ کارخانه را قبلاً شارژ شده ترک می کنند و علامت گذاری نشان دهنده قطبیت این شارژ است.

پارامترهای ابرخازن

حداکثر ظرفیت یک ابرخازن منفرد، که در زمان نوشتن مقاله به دست آمده است، 12000 فارنهایت است. برای ابرخازن های تولید انبوه، از 3000 فارنهایت تجاوز نمی کند. حداکثر ولتاژ مجاز بین صفحات از 10 ولت تجاوز نمی کند. این رقم، به عنوان یک قاعده، در 2. 3 - 2.7 V قرار دارد. ولتاژ عملیاتی پایین نیاز به استفاده از مبدل ولتاژ با عملکرد تثبیت کننده دارد. واقعیت این است که در هنگام تخلیه، ولتاژ روی صفحات خازن در محدوده وسیعی تغییر می کند. ساخت مبدل ولتاژ برای اتصال بار و شارژر یک کار غیر ضروری است. فرض کنید باید یک بار 60 واتی را تغذیه کنید.

برای ساده‌تر شدن بررسی موضوع، از تلفات مبدل ولتاژ و تثبیت‌کننده غفلت می‌کنیم. اگر با یک باتری معمولی 12 ولت کار می کنید، الکترونیک کنترل باید بتواند جریان 5 A را تحمل کند. چنین دستگاه های الکترونیکی گسترده و ارزان هستند. اما هنگام استفاده از یک ابرخازن، ولتاژ 2.5 ولت، وضعیت کاملاً متفاوتی ایجاد می شود. سپس جریانی که از طریق اجزای الکترونیکی مبدل می گذرد می تواند به 24 A برسد که نیاز به رویکردهای جدید در فناوری مدار و پایه عنصر مدرن دارد. دقیقاً پیچیدگی ساخت یک مبدل و تثبیت کننده است که می تواند این واقعیت را توضیح دهد که ابرخازن ها که تولید سریال آنها در دهه 70 قرن بیستم آغاز شد، اکنون به طور گسترده در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند.

ابرخازن ها را می توان با استفاده از اتصالات سری یا موازی به باتری ها متصل کرد. در حالت اول، حداکثر ولتاژ مجاز افزایش می یابد. در مورد دوم - ظرفیت. افزایش حداکثر ولتاژ مجاز به این روش یکی از راه های حل مشکل است، اما باید هزینه آن را با کاهش ظرفیت خازن پرداخت کنید.

ابعاد ابرخازن ها به طور طبیعی به ظرفیت آنها بستگی دارد. یک ابرخازن معمولی با ظرفیت 3000 فارنهایت استوانه ای با قطر حدود 5 سانتی متر و طول 14 سانتی متر است. ابرخازن با ظرفیت 10 فارنهایت ابعادی قابل مقایسه با ناخن انسان دارد.

ابرخازن های خوب می توانند صدها هزار چرخه شارژ-دشارژ را تحمل کنند که در این پارامتر حدود 100 برابر بیشتر از باتری است. اما مانند خازن های الکترولیتی، ابرخازن ها نیز به دلیل نشت تدریجی الکترولیت با مشکل پیری مواجه می شوند. تاکنون آمار کاملی از خرابی ابرخازن ها به این دلیل جمع آوری نشده است، اما با توجه به داده های غیرمستقیم می توان عمر مفید ابرخازن ها را تقریباً 15 سال تخمین زد.

انرژی انباشته شده

مقدار انرژی ذخیره شده در خازن که بر حسب ژول بیان می شود:

که در آن C ظرفیت خازنی است که بر حسب فاراد بیان می شود، U ولتاژ روی صفحات است که بر حسب ولت بیان می شود.

مقدار انرژی ذخیره شده در خازن بر حسب کیلووات ساعت عبارت است از:

از این رو، یک خازن با ظرفیت 3000 فارنهایت با ولتاژ بین صفحات 2.5 ولت قادر است تنها 0.0026 کیلووات ساعت را ذخیره کند. این چگونه با باتری لیتیوم یون مقایسه می شود؟ اگر ولتاژ خروجی آن را مستقل از درجه دشارژ و برابر با 3.6 ولت در نظر بگیریم، مقدار انرژی 0.0026 کیلووات ساعت در یک باتری لیتیوم یونی با ظرفیت 0.72 Ah ذخیره می شود. افسوس، یک نتیجه بسیار متوسط.

کاربرد ابرخازن ها

سیستم‌های روشنایی اضطراری جایی هستند که استفاده از ابرخازن‌ها به جای باتری، تفاوت واقعی را ایجاد می‌کند. در واقع، دقیقاً این برنامه است که با تخلیه ناهموار مشخص می شود. علاوه بر این، مطلوب است که لامپ اضطراری به سرعت شارژ شود و منبع تغذیه پشتیبان مورد استفاده در آن از قابلیت اطمینان بیشتری برخوردار باشد. منبع تغذیه پشتیبان مبتنی بر ابرخازن را می توان مستقیماً در لامپ LED T8 ادغام کرد. چنین لامپ هایی در حال حاضر توسط تعدادی از شرکت های چینی تولید می شود.

همانطور که قبلاً اشاره شد، توسعه ابرخازن‌ها عمدتاً به دلیل علاقه به منابع انرژی جایگزین است. اما کاربرد عملی همچنان محدود به لامپ های LED است که از خورشید انرژی دریافت می کنند.

استفاده از ابرخازن ها برای راه اندازی تجهیزات الکتریکی به طور فعال در حال توسعه است.

ابرخازن ها قادرند مقادیر زیادی انرژی را در مدت زمان کوتاهی تحویل دهند. با برق رسانی به تجهیزات الکتریکی در هنگام راه اندازی از یک ابرخازن، اوج بار در شبکه برق را می توان کاهش داد و در نهایت، حاشیه جریان هجومی را کاهش داد و به صرفه جویی زیادی در هزینه دست یافت.

با ترکیب چندین ابرخازن در یک باتری، می‌توان به ظرفیتی قابل مقایسه با باتری‌های مورد استفاده در خودروهای الکتریکی دست یافت. اما وزن این باتری چندین برابر باتری خواهد بود که برای خودروها غیرقابل قبول است. این مشکل را می توان با استفاده از ابرخازن های مبتنی بر گرافن حل کرد، اما آنها در حال حاضر فقط به عنوان نمونه اولیه وجود دارند. با این حال، نسخه امیدوار کننده یو-موبایل معروف که تنها با برق کار می کند، از ابرخازن های نسل جدید که توسط دانشمندان روسی در حال توسعه هستند، به عنوان منبع انرژی استفاده خواهد کرد.

ابرخازن‌ها همچنین از جایگزینی باتری‌ها در خودروهای بنزینی یا دیزلی معمولی سود خواهند برد - استفاده از آنها در چنین خودروهایی در حال حاضر یک واقعیت است.

در این میان، موفق ترین پروژه های اجرا شده برای معرفی ابرخازن ها را می توان ترولی بوس های جدید ساخت روسیه دانست که اخیرا در خیابان های مسکو ظاهر شده اند. هنگامی که تامین ولتاژ به شبکه تماس قطع می شود یا هنگامی که کلکتورهای جریان "پرواز می کنند"، ترولی بوس می تواند با سرعت کم (حدود 15 کیلومتر در ساعت) چند صد متر به مکانی حرکت کند که در ترافیک اختلال ایجاد نکند. در جاده منبع انرژی برای چنین مانورهایی یک باتری ابرخازن است.

به طور کلی، در حال حاضر ابرخازن‌ها می‌توانند باتری‌ها را تنها در «شیخ‌های» خاص جابجا کنند. اما فناوری به سرعت در حال توسعه است، که به ما اجازه می دهد انتظار داشته باشیم که در آینده نزدیک دامنه کاربرد ابرخازن ها به طور قابل توجهی گسترش یابد.

الکسی واسیلیف

ظرفیت الکتریکی کره زمین، همانطور که از دروس فیزیک مشخص است، تقریباً 700 μF است. یک خازن معمولی با این ظرفیت را می توان از نظر وزن و حجم با یک آجر مقایسه کرد. اما خازن هایی با ظرفیت الکتریکی کره زمین نیز وجود دارد که اندازه آن برابر با یک دانه شن است - ابرخازن.

چنین دستگاه هایی نسبتاً اخیراً ، حدود بیست سال پیش ظاهر شدند. آنها را متفاوت می نامند: یونیستور، یونیکس یا به سادگی ابرخازن.

فکر نکنید که آنها فقط در دسترس برخی از شرکت های هوافضای بلند پرواز هستند. امروزه می توانید در یک فروشگاه یک یونیستور به اندازه یک سکه و ظرفیت یک فاراد خریداری کنید که 1500 برابر بیشتر از ظرفیت کره زمین و نزدیک به ظرفیت بزرگترین سیاره منظومه شمسی - مشتری است.

هر خازن انرژی را ذخیره می کند. برای درک اینکه انرژی ذخیره شده در ابرخازن چقدر بزرگ یا کوچک است، مهم است که آن را با چیزی مقایسه کنید. در اینجا یک راه تا حدودی غیر معمول، اما واضح است.

انرژی یک خازن معمولی برای پرش حدود یک متر و نیم کافی است. یک ابرخازن کوچک از نوع 58-9 ولت، با جرم 0.5 گرم، با ولتاژ 1 ولت شارژ می شود، می تواند به ارتفاع 293 متر بپرد!

گاهی اوقات آنها فکر می کنند که یونیستورها می توانند جایگزین هر باتری شوند. روزنامه‌نگاران دنیای آینده را با وسایل نقلیه الکتریکی بی‌صدا با نیروی ابرخازن به تصویر کشیدند. اما این هنوز راه زیادی است. یک یونیستور با وزن یک کیلوگرم قادر به جمع آوری 3000 ژول انرژی است و بدترین باتری سرب اسید 86400 ژول - 28 برابر بیشتر است. با این حال، هنگامی که قدرت بالا را در مدت زمان کوتاهی تحویل می دهید، باتری به سرعت خراب می شود و فقط به نصف تخلیه می شود. یونیستور به طور مکرر و بدون هیچ آسیبی به خود، تا زمانی که سیم های اتصال توان مقاومت در برابر آن را داشته باشند، هیچ قدرتی را ارائه می دهد. علاوه بر این، ابرخازن را می توان در عرض چند ثانیه شارژ کرد، در حالی که باتری معمولاً ساعت ها برای انجام این کار نیاز دارد.

این محدوده کاربرد یونیستور را تعیین می کند. به عنوان یک منبع تغذیه برای دستگاه هایی که انرژی زیادی را برای مدت کوتاهی مصرف می کنند، اما اغلب اوقات، خوب است: تجهیزات الکترونیکی، چراغ قوه، استارت خودرو، چکش های برقی. یونیستور همچنین می تواند کاربردهای نظامی به عنوان منبع انرژی برای سلاح های الکترومغناطیسی داشته باشد. و در ترکیب با یک نیروگاه کوچک، یک یونیستور امکان ایجاد اتومبیل هایی با چرخ برقی و مصرف سوخت 1-2 لیتر در 100 کیلومتر را فراهم می کند.

یونیستورهای طیف گسترده ای از ظرفیت ها و ولتاژهای کاری برای فروش در دسترس هستند، اما بسیار گران هستند. بنابراین اگر زمان و علاقه دارید، می توانید سعی کنید خودتان یک یونیستور بسازید. اما قبل از ارائه توصیه های خاص، یک نظریه کوچک.

از الکتروشیمی شناخته شده است: هنگامی که یک فلز در آب غوطه ور می شود، یک لایه الکتریکی به اصطلاح دوتایی بر روی سطح آن تشکیل می شود که متشکل از مخالف است. بارهای الکتریکی- یون ها و الکترون ها نیروهای جاذبه متقابل بین آنها عمل می کنند، اما اتهامات نمی توانند به یکدیگر نزدیک شوند. این توسط نیروهای جذاب آب و مولکول های فلزی مانع می شود. در هسته خود، یک لایه دوگانه الکتریکی چیزی بیش از یک خازن نیست. بارهای متمرکز روی سطح آن مانند صفحات عمل می کنند. فاصله بین آنها بسیار کم است. و همانطور که می دانید، ظرفیت خازن با کاهش فاصله بین صفحات آن افزایش می یابد. بنابراین، به عنوان مثال، ظرفیت یک پره فولادی معمولی غوطه ور در آب به چندین mF می رسد.

اساساً یک یونیستور از دو الکترود با سطح بسیار بزرگ غوطه ور در یک الکترولیت تشکیل شده است که بر روی سطح آن یک لایه الکتریکی دوتایی تحت تأثیر ولتاژ اعمال شده تشکیل می شود. درست است، با استفاده از صفحات مسطح معمولی، می توان ظرفیتی معادل چند ده mF بدست آورد. برای به دست آوردن ظرفیت های بزرگ مشخصه یونیستورها، از الکترودهای ساخته شده از مواد متخلخل استفاده می کنند که دارای سطح منافذ بزرگ با ابعاد خارجی کوچک هستند.

زمانی فلزات اسفنجی از تیتانیوم تا پلاتین را برای این نقش امتحان کردند. با این حال، یکی بهتر از آن... کربن فعال معمولی بود. این زغال چوب است که پس از درمان خاص متخلخل می شود. سطح منافذ 1 سانتی متر مکعب چنین زغال سنگی به هزار متر مربع می رسد و ظرفیت لایه الکتریکی دوگانه روی آنها ده فاراد است!

یونیستور خانگی شکل 1 طراحی یک یونیستور را نشان می دهد. این شامل دو صفحه فلزی است که به طور محکم در برابر "پر کردن" کربن فعال فشرده شده اند. زغال سنگ در دو لایه قرار می گیرد که بین آنها یک لایه جداکننده نازک از یک ماده وجود دارد که الکترون ها را هدایت نمی کند. همه اینها با الکترولیت آغشته شده است.

هنگام شارژ یونیستور، یک لایه الکتریکی دوتایی با الکترون های روی سطح در یک نیمه از منافذ کربن و در نیمه دیگر با یون های مثبت تشکیل می شود. پس از شارژ شدن، یون ها و الکترون ها شروع به حرکت به سمت یکدیگر می کنند. هنگامی که آنها به هم می رسند، اتم های فلز خنثی تشکیل می شوند و بار انباشته شده کاهش می یابد و با گذشت زمان ممکن است به طور کلی ناپدید شوند.

برای جلوگیری از این امر، یک لایه جداکننده بین لایه‌های کربن فعال وارد می‌شود. این می تواند از فیلم های پلاستیکی نازک مختلف، کاغذ و حتی پشم پنبه تشکیل شود.
در یونیستورهای آماتور، الکترولیت محلول 25٪ نمک خوراکی یا محلول 27٪ KOH است. (در غلظت های پایین تر، لایه ای از یون های منفی روی الکترود مثبت تشکیل نمی شود.)

صفحات مسی با سیم های از قبل لحیم شده به آنها به عنوان الکترود استفاده می شود. سطوح کار آنها باید از اکسید تمیز شود. در این مورد، توصیه می شود از کاغذ سنباده درشت استفاده کنید که خراش ایجاد می کند. این خراش ها چسبندگی زغال سنگ به مس را بهبود می بخشد. برای چسبندگی خوب، صفحات باید چربی زدایی شوند. چربی زدایی صفحات در دو مرحله انجام می شود. ابتدا آنها را با صابون شسته و سپس با پودر دندان مالیده و با جریان آب شسته می شوند. پس از این، نباید آنها را با انگشتان خود لمس کنید.

کربن فعال که در داروخانه خریداری می شود، در ملات آسیاب می شود و با الکترولیت مخلوط می شود تا خمیر غلیظی به دست آید که روی صفحات کاملاً چربی زدایی پخش می شود.

در اولین آزمایش، صفحات با واشر کاغذی روی هم قرار می گیرند و پس از آن سعی می کنیم آن را شارژ کنیم. اما در اینجا یک ظرافت وجود دارد. هنگامی که ولتاژ بیش از 1 ولت است، آزاد شدن گازهای H2 و O2 آغاز می شود. آنها الکترودهای کربن را از بین می برند و اجازه نمی دهند دستگاه ما در حالت خازن-یونیستور کار کند.

بنابراین، باید آن را از منبعی با ولتاژ بالاتر از 1 ولت شارژ کنیم. (این ولتاژ برای هر جفت صفحه است که برای عملکرد یونیستورهای صنعتی توصیه می شود).

جزئیات برای کنجکاوها

در ولتاژ بیش از 1.2 ولت، یونیستور به باتری گاز تبدیل می شود. این وسیله جالبی است که از کربن فعال و دو الکترود نیز تشکیل شده است. اما از نظر ساختاری متفاوت طراحی شده است (شکل 2 را ببینید). به طور معمول، دو میله کربن را از یک سلول گالوانیکی قدیمی بردارید و کیسه های گازی از کربن فعال را دور آنها ببندید. محلول KOH به عنوان الکترولیت استفاده می شود. (محلول نمک خوراکی نباید استفاده شود، زیرا تجزیه آن کلر آزاد می کند.)

شدت انرژی یک باتری گازی به 36000 J/kg یا 10 Wh/kg می رسد. این 10 برابر بیشتر از یک یونیستور است، اما 2.5 برابر کمتر از یک باتری سربی معمولی است. با این حال، باتری گازی فقط یک باتری نیست، بلکه یک پیل سوختی بسیار منحصر به فرد است. هنگام شارژ آن، گازهایی بر روی الکترودها آزاد می شود - اکسیژن و هیدروژن. آنها روی سطح کربن فعال "ته نشین می شوند". هنگامی که یک جریان بار ظاهر می شود، آنها به یکدیگر متصل می شوند تا آب و جریان الکتریکی ایجاد کنند. با این حال، این فرآیند بدون کاتالیزور بسیار کند پیش می رود. و همانطور که معلوم شد، فقط پلاتین می تواند کاتالیزور باشد... بنابراین، برخلاف یونیستور، یک باتری گازی نمی تواند جریان های بالایی تولید کند.

با این حال، مخترع مسکو A.G. پرسنیاکوف (http://chemfiles.narod.r u/hit/gas_akk.htm) با موفقیت از باتری گازی برای راه اندازی موتور کامیون استفاده کرد. وزن قابل توجه او - تقریباً سه برابر بیشتر از حد معمول - در این مورد قابل تحمل بود. اما هزینه کم و عدم وجود مواد مضر مانند اسید و سرب فوق العاده جذاب به نظر می رسید.

یک باتری گازی با ساده ترین طراحی مشخص شد که در عرض 4-6 ساعت مستعد تخلیه کامل خود است. این به آزمایش ها پایان داد. چه کسی به ماشینی نیاز دارد که پس از یک شب پارک کردن، روشن نشود؟

و با این حال، "فناوری بزرگ" باتری های گازی را فراموش نکرده است. قدرتمند، سبک و قابل اعتماد، آنها در برخی از ماهواره ها یافت می شوند. فرآیند در آنها تحت فشار حدود 100 اتمسفر انجام می شود و از نیکل اسفنجی به عنوان جاذب گاز استفاده می شود که در چنین شرایطی به عنوان کاتالیزور عمل می کند. کل دستگاه در یک سیلندر فیبر کربن فوق سبک قرار گرفته است. باتری های به دست آمده دارای ظرفیت انرژی تقریبا 4 برابر بیشتر از باتری های سرب هستند. یک خودروی الکتریکی می توانست حدود 600 کیلومتر را با آنها طی کند. اما، متاسفانه، آنها هنوز هم بسیار گران هستند.