ผู้คนเริ่มใช้ตัวเก็บประจุเพื่อกักเก็บไฟฟ้า จากนั้น เมื่อวิศวกรรมไฟฟ้าก้าวไปไกลกว่าการทดลองในห้องปฏิบัติการ แบตเตอรี่ก็ถูกประดิษฐ์ขึ้น ซึ่งกลายเป็นวิธีการหลักในการกักเก็บพลังงานไฟฟ้า แต่ในตอนต้นของศตวรรษที่ 21 มีการเสนอให้ใช้ตัวเก็บประจุเพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าอีกครั้ง เป็นไปได้อย่างไร และแบตเตอรี่จะกลายเป็นอดีตไปแล้วหรือไม่?

สาเหตุที่ตัวเก็บประจุถูกแทนที่ด้วยแบตเตอรี่ก็เนื่องมาจากปริมาณไฟฟ้าที่สามารถจัดเก็บได้มากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ อีกเหตุผลหนึ่งก็คือในระหว่างการคายประจุ แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของแบตเตอรี่เปลี่ยนแปลงน้อยมาก ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวปรับแรงดันไฟฟ้าหรืออาจเป็นการออกแบบที่เรียบง่ายมาก

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่ก็คือ ตัวเก็บประจุจะเก็บประจุไฟฟ้าโดยตรง ในขณะที่แบตเตอรี่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมี แล้วเก็บไว้ แล้วแปลงพลังงานเคมีกลับเป็นพลังงานไฟฟ้า

ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ส่วนหนึ่งจะสูญหายไป ดังนั้นแม้แต่แบตเตอรี่ที่ดีที่สุดก็ยังมีประสิทธิภาพไม่เกิน 90% ในขณะที่ตัวเก็บประจุก็สามารถเข้าถึงได้ 99% ความรุนแรงของปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดังนั้นแบตเตอรี่จึงทำงานได้แย่ลงอย่างเห็นได้ชัดในสภาพอากาศหนาวเย็นมากกว่าที่อุณหภูมิห้อง นอกจากนี้ ปฏิกิริยาเคมีในแบตเตอรี่ไม่สามารถย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้น จำนวนรอบการชาร์จ-คายประจุเพียงเล็กน้อย (จากหลักพัน โดยทั่วไปอายุการใช้งานแบตเตอรี่จะอยู่ที่ประมาณ 1,000 รอบการชาร์จ) รวมถึง "เอฟเฟกต์หน่วยความจำ" ขอให้เราระลึกว่า "เอฟเฟกต์หน่วยความจำ" คือแบตเตอรี่จะต้องถูกคายประจุจนมีพลังงานสะสมจำนวนหนึ่งเสมอ จากนั้นความจุของแบตเตอรี่จะสูงสุด หากหลังจากการคายประจุแล้วยังมีพลังงานเหลืออยู่มากขึ้น ความจุของแบตเตอรี่จะค่อยๆ ลดลง “เอฟเฟกต์หน่วยความจำ” เป็นลักษณะของแบตเตอรี่ที่ผลิตเชิงพาณิชย์เกือบทุกประเภท ยกเว้นแบตเตอรี่ที่เป็นกรด (รวมถึงแบตเตอรี่ประเภทต่างๆ เช่น เจลและ AGM) แม้ว่าจะเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าลิเธียมไอออนและ แบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์มันไม่ปกติ ที่จริงแล้ว พวกมันก็มีมันเหมือนกัน แค่แสดงออกมาให้เห็นในระดับที่น้อยกว่าในประเภทอื่นๆ สำหรับแบตเตอรี่กรด จะแสดงผลของเพลตซัลเฟต ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายต่อแหล่งพลังงานอย่างถาวร สาเหตุหนึ่งคือแบตเตอรี่ยังคงอยู่ในสถานะชาร์จน้อยกว่า 50% เป็นเวลานาน

ในส่วนของพลังงานทดแทน “ผลของหน่วยความจำ” และเพลตซัลเฟตถือเป็นปัญหาร้ายแรง ความจริงก็คือการจัดหาพลังงานจากแหล่งต่างๆ เช่น แผงเซลล์แสงอาทิตย์และกังหันลมเป็นสิ่งที่คาดเดาได้ยาก เป็นผลให้การชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่เกิดขึ้นอย่างวุ่นวายในโหมดที่ไม่เหมาะสม

สำหรับจังหวะชีวิตสมัยใหม่ เป็นที่ยอมรับไม่ได้อย่างยิ่งที่ต้องชาร์จแบตเตอรี่เป็นเวลาหลายชั่วโมง ตัวอย่างเช่น คุณจินตนาการถึงการขับรถระยะทางไกลด้วยรถยนต์ไฟฟ้าหากแบตเตอรี่หมดทำให้คุณติดอยู่ที่จุดชาร์จเป็นเวลาหลายชั่วโมง ความเร็วในการชาร์จของแบตเตอรี่ถูกจำกัดด้วยความเร็วของกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นในแบตเตอรี่ คุณสามารถลดเวลาในการชาร์จลงเหลือ 1 ชั่วโมง แต่ต้องไม่เกินสองสามนาที ในเวลาเดียวกัน อัตราการชาร์จของตัวเก็บประจุจะถูกจำกัดด้วยกระแสสูงสุดที่เครื่องชาร์จได้รับเท่านั้น

ข้อเสียที่ระบุไว้ของแบตเตอรี่ทำให้ต้องใช้ตัวเก็บประจุแทนอย่างเร่งด่วน

โดยใช้ไฟฟ้าสองชั้น

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ามีความจุสูงสุด ในนั้นแผ่นหนึ่งเป็นโลหะฟอยล์ อีกแผ่นเป็นอิเล็กโทรไลต์ และฉนวนระหว่างแผ่นเป็นโลหะออกไซด์ซึ่งเคลือบฟอยล์ สำหรับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ความจุสามารถเข้าถึงหนึ่งในร้อยของฟารัด ซึ่งไม่เพียงพอที่จะเปลี่ยนแบตเตอรี่จนหมด

เปรียบเทียบการออกแบบ ประเภทต่างๆตัวเก็บประจุ (ที่มา: Wikipedia)

ความจุขนาดใหญ่ซึ่งวัดเป็นพันฟารัดสามารถหาได้จากตัวเก็บประจุโดยอาศัยสิ่งที่เรียกว่าชั้นไฟฟ้าสองชั้น หลักการทำงานมีดังนี้ ชั้นไฟฟ้าสองชั้นจะปรากฏขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการที่ส่วนต่อประสานของสารในเฟสของแข็งและของเหลว ไอออนสองชั้นก่อตัวขึ้นโดยมีประจุที่มีเครื่องหมายตรงกันข้ามแต่มีขนาดเท่ากัน หากเราทำให้สถานการณ์ง่ายขึ้นอย่างมากก็จะเกิดตัวเก็บประจุขึ้น "แผ่นเปลือกโลก" ซึ่งเป็นชั้นไอออนที่ระบุซึ่งมีระยะห่างระหว่างซึ่งเท่ากับหลายอะตอม

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีความจุหลากหลายที่ผลิตโดย Maxwell

ตัวเก็บประจุที่มีพื้นฐานจากผลกระทบนี้บางครั้งเรียกว่าไอออนไนเซอร์ ในความเป็นจริง คำนี้ไม่เพียงแต่หมายถึงตัวเก็บประจุที่เก็บประจุไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอุปกรณ์อื่น ๆ สำหรับกักเก็บไฟฟ้าด้วยการแปลงพลังงานไฟฟ้าบางส่วนเป็นพลังงานเคมีพร้อมกับการเก็บประจุไฟฟ้า (ไฮบริดไอโอนิสเตอร์) เช่นเดียวกับสำหรับ แบตเตอรี่ที่ใช้ชั้นไฟฟ้าสองชั้น (เรียกว่า pseudocapacitors) ดังนั้นคำว่า "ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์" จึงเหมาะสมกว่า บางครั้งใช้คำว่า "ultracapacitor" ที่เหมือนกันแทน

การใช้งานด้านเทคนิค

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ประกอบด้วยถ่านกัมมันต์สองแผ่นที่เต็มไปด้วยอิเล็กโทรไลต์ ระหว่างนั้นมีเมมเบรนที่ช่วยให้อิเล็กโทรไลต์ผ่านไปได้ แต่ป้องกันการเคลื่อนไหวทางกายภาพของอนุภาคถ่านกัมมันต์ระหว่างแผ่นเปลือกโลก

ควรสังเกตว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นไม่มีขั้ว ในสิ่งนี้พวกเขาแตกต่างโดยพื้นฐานจากตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าซึ่งตามกฎแล้วมีลักษณะเป็นขั้วการไม่ปฏิบัติตามซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวของตัวเก็บประจุ อย่างไรก็ตาม ขั้วยังถูกนำไปใช้กับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ด้วย นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ออกจากสายการประกอบของโรงงานที่มีการชาร์จแล้วและเครื่องหมายระบุขั้วของประจุนี้

พารามิเตอร์ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ความจุสูงสุดของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แต่ละตัวที่ได้รับในขณะที่เขียนคือ 12,000 F. สำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ผลิตจำนวนมากนั้นจะต้องไม่เกิน 3,000 F. แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตระหว่างเพลตไม่เกิน 10 V. สำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ผลิตในเชิงพาณิชย์ ตามกฎแล้วตัวเลขนี้อยู่ภายใน 2.3 – 2.7 V. แรงดันไฟฟ้าขณะทำงานต่ำต้องใช้ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าพร้อมฟังก์ชันโคลง ความจริงก็คือในระหว่างการคายประจุแรงดันไฟฟ้าบนแผ่นตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนไปในช่วงกว้าง การสร้างตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเพื่อเชื่อมต่อโหลดและ ที่ชาร์จเป็นงานที่ไม่สำคัญ สมมติว่าคุณต้องจ่ายไฟให้กับโหลด 60W

เพื่อให้การพิจารณาปัญหาง่ายขึ้น เราจะละเลยการสูญเสียในตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าและตัวปรับเสถียรภาพ ในกรณีที่คุณทำงานด้วย แบตเตอรี่ปกติด้วยแรงดันไฟฟ้า 12 V อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมจะต้องทนกระแส 5 A อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดังกล่าวแพร่หลายและราคาไม่แพง แต่สถานการณ์ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงเกิดขึ้นเมื่อใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าอยู่ที่ 2.5 V จากนั้นกระแสที่ไหลผ่านส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ของตัวแปลงสามารถเข้าถึง 24 A ซึ่งต้องใช้แนวทางใหม่ในเทคโนโลยีวงจรและฐานองค์ประกอบที่ทันสมัย มันเป็นความยากลำบากในการสร้างคอนเวอร์เตอร์และโคลงที่สามารถอธิบายความจริงที่ว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ การผลิตแบบอนุกรมซึ่งเริ่มต้นย้อนกลับไปในทศวรรษที่ 70 ของศตวรรษที่ 20 ปัจจุบันเพิ่งเริ่มมีการใช้อย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขา

แผนภาพแหล่งที่มา แหล่งจ่ายไฟสำรอง
แรงดันไฟฟ้าบนซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะมีการใช้ส่วนประกอบหลัก
บนไมโครวงจรเดียวที่ผลิตโดย LinearTechnology

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถต่อเข้ากับแบตเตอรี่ได้โดยใช้การเชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือแบบขนาน ในกรณีแรก แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตจะเพิ่มขึ้น ในกรณีที่สอง - ความจุ การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตด้วยวิธีนี้เป็นวิธีหนึ่งในการแก้ปัญหา แต่คุณจะต้องจ่ายโดยการลดความจุ

ขนาดของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ขึ้นอยู่กับความจุของมันโดยธรรมชาติ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทั่วไปที่มีความจุ 3000 F เป็นทรงกระบอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 ซม. และยาว 14 ซม. ด้วยความจุ 10 F ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะมีขนาดเทียบได้กับเล็บมือของมนุษย์

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ดีสามารถทนต่อรอบการประจุและคายประจุได้นับแสนครั้ง ซึ่งเกินกว่าแบตเตอรี่ประมาณ 100 เท่าในพารามิเตอร์นี้ แต่เช่นเดียวกับตัวเก็บประจุไฟฟ้า ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ต้องเผชิญกับปัญหาการเสื่อมสภาพเนื่องจากการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ทีละน้อย จนถึงขณะนี้ยังไม่มีการสะสมสถิติที่สมบูรณ์เกี่ยวกับความล้มเหลวของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ด้วยเหตุผลนี้ แต่จากข้อมูลทางอ้อม อายุการใช้งานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถประมาณได้ที่ 15 ปี

พลังงานสะสม

ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุ แสดงเป็นจูล:

อี = จุฬาฯ 2 /2,
โดยที่ C คือความจุ แสดงเป็นฟารัด U คือแรงดันไฟฟ้าบนเพลต แสดงเป็นโวลต์

ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุซึ่งแสดงเป็น kWh คือ:

W = จุฬา 2 /7200000

ดังนั้นตัวเก็บประจุที่มีความจุ 3000 F ที่มีแรงดันไฟฟ้าระหว่างแผ่น 2.5 V จึงสามารถจัดเก็บได้เพียง 0.0026 kWh สิ่งนี้เปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างไร ถ้าคุณยอมรับมัน แรงดันขาออกเป็นอิสระจากระดับการคายประจุและเท่ากับ 3.6 V จากนั้นปริมาณพลังงาน 0.0026 kWh จะถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนความจุ 0.72 Ah อนิจจาผลลัพธ์ที่เจียมเนื้อเจียมตัวมาก

การประยุกต์ใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ระบบไฟส่องสว่างฉุกเฉินเป็นที่ที่การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แทนแบตเตอรี่สร้างความแตกต่างอย่างแท้จริง ในความเป็นจริงมันเป็นแอปพลิเคชั่นนี้ที่โดดเด่นด้วยการคายประจุที่ไม่สม่ำเสมอ นอกจากนี้ ขอแนะนำให้ชาร์จหลอดไฟฉุกเฉินอย่างรวดเร็วและแหล่งพลังงานสำรองที่ใช้ในนั้นมีความน่าเชื่อถือมากกว่า แหล่งพลังงานสำรองที่ใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถรวมเข้าด้วยกันได้โดยตรง หลอดไฟ LED T8. โคมไฟดังกล่าวผลิตโดยบริษัทจีนหลายแห่งแล้ว

ไฟพื้น LED ขับเคลื่อน
จากแผงโซลาร์เซลล์ การเก็บพลังงาน
ซึ่งจะดำเนินการในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ตามที่ระบุไว้แล้ว การพัฒนาซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ส่วนใหญ่เกิดจากความสนใจในแหล่งพลังงานทดแทน แต่ การใช้งานจริงปัจจุบันจำกัดอยู่เพียงหลอด LED ที่ได้รับพลังงานจากแสงอาทิตย์เท่านั้น

การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อสตาร์ทอุปกรณ์ไฟฟ้ากำลังพัฒนาอย่างแข็งขัน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถส่งพลังงานปริมาณมากได้ในระยะเวลาอันสั้น ด้วยการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าเมื่อสตาร์ทเครื่องจากซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ จะทำให้โหลดพีคบนโครงข่ายไฟฟ้าลดลง และท้ายที่สุด อัตรากระแสไหลเข้าจะลดลง ซึ่งช่วยประหยัดต้นทุนได้มหาศาล

ด้วยการรวมซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หลายตัวเข้ากับแบตเตอรี่ เราจึงสามารถมีความจุที่เทียบเท่ากับแบตเตอรี่ที่ใช้ในยานพาหนะไฟฟ้า แต่แบตเตอรี่นี้จะมีน้ำหนักมากกว่าแบตเตอรี่หลายเท่าซึ่งเป็นที่ยอมรับไม่ได้สำหรับรถยนต์ ปัญหาสามารถแก้ไขได้โดยใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้กราฟีน แต่ปัจจุบันมีอยู่ในรูปแบบต้นแบบเท่านั้น อย่างไรก็ตาม Yo-mobile รุ่นที่มีแนวโน้มดีซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้าเท่านั้น จะใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์รุ่นใหม่ซึ่งพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียเป็นแหล่งพลังงาน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ยังจะเป็นประโยชน์ต่อการเปลี่ยนแบตเตอรี่ในรถยนต์เบนซินหรือดีเซลทั่วไป ซึ่งการใช้งานในยานพาหนะดังกล่าวได้เกิดขึ้นจริงแล้ว

ในขณะเดียวกันโครงการที่ดำเนินการแล้วที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดสำหรับการแนะนำซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นถือได้ว่าเป็นรถรางที่ผลิตในรัสเซียรุ่นใหม่ซึ่งเพิ่งปรากฏบนถนนในมอสโก เมื่อการจ่ายแรงดันไฟฟ้าไปยังเครือข่ายหน้าสัมผัสถูกขัดจังหวะ หรือเมื่อตัวสะสมปัจจุบัน "บินออกไป" รถรางสามารถเดินทางด้วยความเร็วต่ำ (ประมาณ 15 กม./ชม.) เป็นระยะทางหลายร้อยเมตรไปยังสถานที่ที่ไม่รบกวนการจราจร บนถนน. แหล่งพลังงานสำหรับการซ้อมรบดังกล่าวคือแบตเตอรี่ของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

โดยทั่วไปแล้ว ในตอนนี้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถแทนที่แบตเตอรี่ได้เฉพาะใน "ช่อง" บางแห่งเท่านั้น แต่เทคโนโลยีกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วซึ่งทำให้เราสามารถคาดหวังได้ว่าในอนาคตอันใกล้นี้ขอบเขตของการใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะขยายออกไปอย่างมาก

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หรือไอโอนิสเตอร์เป็นอุปกรณ์สำหรับเก็บมวลพลังงาน การสะสมประจุเกิดขึ้นที่ขอบเขตระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ ปริมาตรพลังงานที่เป็นประโยชน์จะถูกจัดเก็บเป็นประจุแบบคงที่ กระบวนการสะสมเกิดขึ้นจากการมีปฏิสัมพันธ์กับ แรงดันไฟฟ้าคงที่เมื่อเครื่องสร้างประจุไอออนได้รับความต่างศักย์ข้ามแผ่นของมัน การใช้เทคโนโลยีตลอดจนแนวคิดในการสร้างอุปกรณ์ดังกล่าวปรากฏค่อนข้างเร็ว ๆ นี้ แต่พวกเขาสามารถรับการใช้งานทดลองเพื่อแก้ไขปัญหาจำนวนหนึ่งได้ ชิ้นส่วนนี้สามารถทดแทนแหล่งกำเนิดสารเคมีในปัจจุบัน เป็นแหล่งสำรอง หรือแหล่งจ่ายไฟหลักในนาฬิกา เครื่องคิดเลข และไมโครวงจรต่างๆ

การออกแบบเบื้องต้นของตัวเก็บประจุประกอบด้วยแผ่นซึ่งเป็นวัสดุฟอยล์คั่นด้วยสารแยกแห้ง เครื่องสร้างประจุไอออนประกอบด้วยตัวเก็บประจุจำนวนหนึ่งพร้อมเครื่องชาร์จชนิดเคมีไฟฟ้า ใช้อิเล็กโทรไลต์พิเศษในการผลิต การหุ้มอาจมีได้หลายแบบ ถ่านกัมมันต์ใช้สำหรับการผลิตวัสดุบุผิวขนาดใหญ่ สามารถใช้โลหะออกไซด์และวัสดุโพลีเมอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูงได้ เพื่อให้ได้ความหนาแน่นของตัวเก็บประจุที่ต้องการ ขอแนะนำให้ใช้วัสดุคาร์บอนที่มีรูพรุนสูง นอกจากนี้ วิธีการนี้ยังช่วยให้คุณสร้างเครื่องสร้างประจุไอออนได้ด้วยต้นทุนที่ต่ำอย่างน่าทึ่ง ชิ้นส่วนดังกล่าวอยู่ในหมวดหมู่ของตัวเก็บประจุ DLC ซึ่งสะสมประจุไว้ในช่องคู่ที่สร้างขึ้นบนจาน

โซลูชันการออกแบบเมื่อรวมไอออนิสเตอร์เข้ากับฐานอิเล็กโทรไลต์น้ำ จะมีคุณลักษณะพิเศษคือความต้านทานต่ำขององค์ประกอบภายใน ในขณะที่แรงดันประจุถูกจำกัดไว้ที่ 1 V การใช้ตัวนำอินทรีย์รับประกันระดับแรงดันไฟฟ้าประมาณ 2...3 V และความต้านทานเพิ่มขึ้น

วงจรอิเล็กทรอนิกส์ทำงานด้วยความต้องการพลังงานที่สูงขึ้น วิธีแก้ปัญหานี้คือการเพิ่มจำนวนจุดจ่ายไฟที่ใช้ ไอโอนิสเตอร์ไม่ได้ติดตั้งเพียงชิ้นเดียว แต่มีจำนวน 3-4 ชิ้น ทำให้มีประจุตามจำนวนที่ต้องการ

เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ ไอโอนิสเตอร์สามารถกักเก็บพลังงานสำรองได้หนึ่งในสิบ ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าจะลดลงเป็นเส้นตรง ไม่รวมโซนของการปล่อยประจุในระนาบ ปัจจัยเหล่านี้ส่งผลต่อความสามารถในการกักเก็บประจุในตัวสร้างประจุไอออนได้อย่างเต็มที่ ระดับการชาร์จโดยตรงขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ทางเทคโนโลยีขององค์ประกอบ

บ่อยครั้งที่ไอโอนิสเตอร์ถูกใช้เพื่อจ่ายพลังงานให้กับชิปหน่วยความจำ และรวมอยู่ในวงจรตัวกรองและตัวกรองแบบปรับเรียบ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ร่วมกับแบตเตอรี่ประเภทต่างๆ เพื่อต่อสู้กับผลที่ตามมาจากกระแสไฟกระชากอย่างกะทันหัน: เมื่อมีการจ่ายกระแสไฟต่ำ ไอโอนิสเตอร์จะถูกชาร์จใหม่ มิฉะนั้นจะปล่อยพลังงานบางส่วนออกมา ซึ่งจะช่วยลดภาระโดยรวม

กระแสฮือฮาเกี่ยวกับการก่อสร้าง "Battery Gigafactory" ของ Elon Musk เพื่อการผลิต แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังไม่สงบลงเมื่อมีข้อความปรากฏขึ้นเกี่ยวกับเหตุการณ์ที่อาจปรับแผนของ "นักปฏิวัติมหาเศรษฐี" ได้อย่างมีนัยสำคัญ
นี่เป็นข่าวประชาสัมพันธ์ล่าสุดจากบริษัท ซันโวลท์ เอ็นเนอร์ยี่ อิงค์.ซึ่งร่วมกับ บริษัทเอดิสัน พาวเวอร์จัดการเพื่อสร้างซุปเปอร์คาปาซิเตอร์กราฟีนที่ใหญ่ที่สุดในโลกด้วยความจุ 10,000 (!) Farads.
ตัวเลขนี้น่าทึ่งมากจนทำให้เกิดข้อสงสัยในหมู่ผู้เชี่ยวชาญในประเทศ - แม้แต่ไมโครฟารัด 20 ตัวในวิศวกรรมไฟฟ้า (นั่นคือ 0.02 มิลลิฟารัด) ก็เป็นจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม ไม่ต้องสงสัยเลยว่าผู้อำนวยการของ Sunvault Energy คือ Bill Richardson อดีตผู้ว่าการรัฐนิวเม็กซิโกและอดีตรัฐมนตรีกระทรวงพลังงานของสหรัฐฯ Bill Richardson เป็นที่รู้จักและเคารพนับถือ เขาทำหน้าที่เป็นเอกอัครราชทูตสหรัฐฯ ประจำ UN ทำงานที่สถาบันวิจัย Kissinger และ McLarty เป็นเวลาหลายปี และยังได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงรางวัลโนเบลจากความสำเร็จในการปลดปล่อยชาวอเมริกันที่ถูกจับโดยกลุ่มติดอาวุธ ใน "จุดร้อน" ความสงบสุขต่างๆ ในปี 2008 เขาเป็นหนึ่งในผู้สมัครจากพรรคเดโมแครตเพื่อชิงตำแหน่งประธานาธิบดีของสหรัฐอเมริกา แต่พ่ายแพ้ให้กับบารัค โอบามา

ปัจจุบัน Sunvault เติบโตอย่างรวดเร็ว โดยได้ก่อตั้งบริษัทร่วมทุนกับ Edison Power Company ชื่อ Supersunvault และคณะกรรมการบริหารของบริษัทใหม่นี้ไม่เพียงแต่มีนักวิทยาศาสตร์เท่านั้น (กรรมการคนหนึ่งเป็นนักชีวเคมี อีกคนหนึ่งเป็นนักเนื้องอกวิทยาที่กล้าได้กล้าเสีย) แต่ รวมถึงบุคคลที่มีชื่อเสียงที่มีความเฉียบแหลมทางธุรกิจ ฉันทราบว่าในช่วงสองเดือนที่ผ่านมา บริษัท ได้เพิ่มความจุของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นสิบเท่า - จากหนึ่งพันเป็น 10,000 ฟารัดและสัญญาว่าจะเพิ่มให้มากยิ่งขึ้นเพื่อให้พลังงานที่สะสมในตัวเก็บประจุเพียงพอที่จะจ่ายไฟให้กับบ้านทั้งหลัง นั่นคือ Sunvault พร้อมที่จะทำหน้าที่เป็นคู่แข่งโดยตรงกับ Elon Musk ซึ่งวางแผนจะผลิตแบตเตอรี่ชนิด Superwall ที่มีความจุประมาณ 10 kWh

ประโยชน์ของเทคโนโลยีกราฟีนและการสิ้นสุดของ Gigafactory

ที่นี่เราต้องจำความแตกต่างที่สำคัญระหว่างตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่ - หากประจุและคายประจุแบบเดิมอย่างรวดเร็ว แต่สะสมพลังงานเพียงเล็กน้อยแสดงว่าแบตเตอรี่ - ในทางตรงกันข้าม บันทึก ข้อดีหลักของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบกราฟีนวี.

1. ชาร์จเร็ว — ตัวเก็บประจุชาร์จเร็วกว่าแบตเตอรี่ประมาณ 100-1,000 เท่า

2. ความราคาถูก: หากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบธรรมดามีราคาประมาณ 500 เหรียญสหรัฐต่อพลังงานสะสม 1 kWh ดังนั้นซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะมีราคาเพียง 100 เหรียญสหรัฐ และภายในสิ้นปีนี้ผู้สร้างสัญญาว่าจะลดต้นทุนลงเหลือ 40 เหรียญสหรัฐ ในแง่ขององค์ประกอบ มันคือคาร์บอนธรรมดา ซึ่งเป็นหนึ่งในองค์ประกอบทางเคมีที่พบมากที่สุดในโลก

3. ความกะทัดรัดและความหนาแน่นของพลังงานและ. ซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบกราฟีนใหม่ไม่เพียงทำให้ประหลาดใจด้วยความจุอันน่าอัศจรรย์ซึ่งเกินกว่าตัวอย่างที่รู้จักประมาณพันเท่า แต่ยังมีความกะทัดรัดอีกด้วย - มันมีขนาดเท่ากับหนังสือเล่มเล็ก ๆ นั่นคือกะทัดรัดกว่าตัวเก็บประจุ 1 ฟารัดถึงร้อยเท่า ใช้อยู่ในปัจจุบัน

4. ความปลอดภัยและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม. ปลอดภัยกว่าแบตเตอรี่มากซึ่งร้อนขึ้นมีสารเคมีอันตรายและบางครั้งก็ระเบิด Graphene นั้นเป็นสารที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพนั่นคือเมื่อถูกแสงแดดมันจะสลายตัวและไม่ทำลายสิ่งแวดล้อม ไม่มีการใช้งานทางเคมีและไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม

5. ความเรียบง่ายของเทคโนโลยีใหม่ในการผลิตกราฟีน. ดินแดนและการลงทุนขนาดใหญ่ มวลชนคนงาน สารพิษและสารอันตรายที่ใช้ กระบวนการทางเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับความเรียบง่ายที่น่าทึ่งของเทคโนโลยีใหม่ ความจริงก็คือกราฟีน (นั่นคือ ฟิล์มคาร์บอนเชิงเดี่ยวที่บางที่สุด) ผลิตขึ้นที่ Sunvault... โดยใช้แผ่นซีดีธรรมดาเพื่อเทส่วนหนึ่งของสารแขวนลอยกราไฟท์ลงไป จากนั้นใส่แผ่นดิสก์ลงในไดรฟ์ดีวีดีปกติแล้วเผาด้วยเลเซอร์ โปรแกรมพิเศษ- และชั้นกราฟีนก็พร้อมแล้ว! มีรายงานว่าการค้นพบนี้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ - โดยนักศึกษา Maher El-Kadi ซึ่งทำงานในห้องปฏิบัติการของนักเคมี Richard Kaner จากนั้นเขาก็เบิร์นดิสก์โดยใช้ซอฟต์แวร์ LightScribe เพื่อสร้างชั้นกราฟีน
ยิ่งไปกว่านั้น ตามที่ Gary Monahan ซีอีโอของ Sunvault กล่าวในการประชุม Wall Street บริษัทกำลังทำงานเพื่อทำเช่นนั้น อุปกรณ์กักเก็บพลังงานกราฟีนสามารถผลิตได้โดยการพิมพ์แบบธรรมดาบนเครื่องพิมพ์ 3 มิติ- และนี่จะทำให้การผลิตของพวกเขาไม่เพียงแต่ราคาถูก แต่ยังเป็นสากลอีกด้วย และเมื่อใช้ร่วมกับแผงโซลาร์เซลล์ราคาไม่แพง (ปัจจุบันราคาลดลงเหลือ 1.3 ดอลลาร์ต่อวัตต์) ซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบกราฟีนจะทำให้ผู้คนนับล้านมีโอกาสได้รับอิสรภาพด้านพลังงานโดยการตัดการเชื่อมต่อจากโครงข่ายไฟฟ้าโดยสิ้นเชิง และยิ่งกว่านั้น - กลายเป็นไฟฟ้าของตัวเอง ซัพพลายเออร์และทำลายการผูกขาด "ตามธรรมชาติ"
ดังนั้นจึงไม่มีข้อสงสัย: กราฟีน ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ก็คือ ความก้าวหน้าทางการปฏิวัติในด้านการจัดเก็บพลังงานและ . และนี่เป็นข่าวร้ายสำหรับ Elon Musk การก่อสร้างโรงงานแห่งหนึ่งในเนวาดาจะต้องใช้เงินลงทุนประมาณ 5 พันล้านดอลลาร์ ซึ่งคงเป็นเรื่องยากที่จะชดใช้แม้ว่าจะไม่มีคู่แข่งรายดังกล่าวก็ตาม ดูเหมือนว่าในขณะที่การก่อสร้างโรงงานในเนวาดากำลังดำเนินการอยู่และมีแนวโน้มที่จะแล้วเสร็จ แต่โรงงานอีกสามแห่งที่ Musk วางแผนไว้นั้นไม่น่าจะแล้วเสร็จ

เข้าถึงตลาด? ไม่ทันที่เราต้องการ

ลักษณะการปฏิวัติของเทคโนโลยีดังกล่าวชัดเจน อีกสิ่งหนึ่งที่ไม่ชัดเจน - เมื่อไหร่จะเข้าสู่ตลาด? ทุกวันนี้ โครงการ Gigafactory ลิเธียมไอออนขนาดใหญ่และมีราคาแพงของ Elon Musk ดูเหมือนไดโนเสาร์แห่งอุตสาหกรรมนิยม อย่างไรก็ตามไม่ว่าจะมีการปฏิวัติ มีความจำเป็น และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเพียงใด เทคโนโลยีใหม่นี่ไม่ได้หมายความว่าเธอจะมาหาเราในหนึ่งหรือสองปี โลกของทุนไม่สามารถหลีกเลี่ยงการเปลี่ยนแปลงทางการเงินได้ แต่สามารถหลีกเลี่ยงผลกระทบทางเทคโนโลยีได้ค่อนข้างประสบความสำเร็จ ใน กรณีที่คล้ายกันข้อตกลงเบื้องหลังระหว่างนักลงทุนรายใหญ่และผู้มีบทบาททางการเมืองเริ่มทำงาน เป็นเรื่องที่ควรค่าแก่การระลึกว่า Sunvault เป็นบริษัทที่ตั้งอยู่ในแคนาดา และคณะกรรมการบริหารประกอบด้วยบุคคลที่แม้ว่าพวกเขาจะมีความสัมพันธ์กว้างขวางในกลุ่มชนชั้นสูงทางการเมืองของสหรัฐอเมริกา แต่ก็ยังไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของแกนกลางของเปโตรดอลลาร์ ซึ่งเห็นได้ชัดเจนไม่มากก็น้อย การต่อสู้กับสิ่งที่เห็นได้ชัดว่ามันได้เริ่มต้นขึ้นแล้ว
สิ่งที่สำคัญที่สุดสำหรับเราคือ โอกาสที่นำเสนอโดยเทคโนโลยีพลังงานเกิดใหม่: ความเป็นอิสระด้านพลังงาน สำหรับประเทศและในอนาคต - สำหรับพลเมืองแต่ละคน แน่นอนว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบกราฟีนนั้นเป็นเทคโนโลยีการเปลี่ยนผ่านแบบ "ไฮบริด" มากกว่า มันไม่อนุญาตให้มีการผลิตพลังงานโดยตรงซึ่งแตกต่างจาก เทคโนโลยีแมกนีโตโน้มถ่วงซึ่งสัญญาว่าจะเปลี่ยนกระบวนทัศน์ทางวิทยาศาสตร์และรูปลักษณ์ของโลกทั้งใบโดยสิ้นเชิง ในที่สุดก็มี การปฏิวัติเทคโนโลยีทางการเงินซึ่งเป็นสิ่งต้องห้ามจริงๆ โดยมาเฟียเปโตรดอลล่าร์ทั่วโลก ถึงกระนั้น นี่เป็นความก้าวหน้าที่น่าประทับใจมาก และน่าสนใจยิ่งกว่านั้นอีก เพราะมันเกิดขึ้นใน "ถ้ำของสัตว์เปโตรดอลล่าร์" ในสหรัฐอเมริกา
เมื่อหกเดือนที่แล้วฉันเขียนเกี่ยวกับความสำเร็จของชาวอิตาลีในด้านเทคโนโลยีฟิวชั่นเย็น แต่ในช่วงเวลานี้เราได้เรียนรู้เกี่ยวกับเทคโนโลยี LENR ที่น่าประทับใจของ บริษัท SolarTrends ของอเมริกาและเกี่ยวกับความก้าวหน้าของ Gaya-Rosch ของเยอรมันและตอนนี้เกี่ยวกับอย่างแท้จริง เทคโนโลยีปฏิวัติวงการของอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลกราฟีน แม้แต่รายการสั้นๆ นี้ก็ยังแสดงให้เห็นว่าปัญหาไม่ได้อยู่ที่ว่าเราหรือรัฐบาลอื่นไม่มีความสามารถในการลดบิลค่าก๊าซและไฟฟ้าที่เราได้รับ และไม่แม้แต่ในการคำนวณภาษีที่ไม่โปร่งใสด้วยซ้ำ
ต้นตอของความชั่วร้ายคือความไม่รู้ของผู้จ่ายบิล และการไม่เต็มใจของผู้ออกให้เปลี่ยนแปลงสิ่งใด . สำหรับคนธรรมดาเท่านั้น พลังงานคือไฟฟ้า แท้จริงแล้วพลังแห่งตัวตนคือพลัง

สิ่งพิมพ์ทางวิทยาศาสตร์ Science รายงานเกี่ยวกับความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่ทำโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรเลียในด้านการสร้างซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

พนักงานของ Monash University ซึ่งตั้งอยู่ในเมลเบิร์น สามารถเปลี่ยนเทคโนโลยีการผลิตซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ทำจากกราฟีนได้ในลักษณะที่ทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีความน่าสนใจในเชิงพาณิชย์มากกว่าอะนาล็อกที่มีอยู่ก่อนหน้านี้

ผู้เชี่ยวชาญได้พูดคุยกันมานานแล้วเกี่ยวกับคุณสมบัติอันมหัศจรรย์ของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้กราฟีน และการทดสอบในห้องปฏิบัติการได้พิสูจน์ให้เห็นอย่างน่าเชื่อหลายครั้งแล้วว่าคุณสมบัติเหล่านี้ดีกว่าคุณสมบัติทั่วไป ผู้สร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ บริษัท รถยนต์และแม้แต่ผู้สร้างแหล่งไฟฟ้าทางเลือก ฯลฯ คาดหวังตัวเก็บประจุดังกล่าวที่มีคำนำหน้าว่า "super"

วงจรชีวิตที่ยาวนานมาก เช่นเดียวกับความสามารถของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ในการชาร์จในระยะเวลาที่สั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ช่วยให้นักออกแบบสามารถแก้ไขปัญหาการออกแบบที่ซับซ้อนด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา อุปกรณ์ที่แตกต่างกัน. แต่ก่อนหน้านั้น การเดินขบวนแห่งชัยชนะของตัวเก็บประจุแบบกราฟีนถูกขัดขวางโดยพลังงานจำเพาะต่ำและ... โดยเฉลี่ยแล้ว ไอออนิสเตอร์หรือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีตัวบ่งชี้พลังงานจำเพาะอยู่ที่ 5–8 Wh/kg ซึ่งทำให้ผลิตภัณฑ์กราฟีนต้องอาศัยการชาร์จบ่อยครั้งมากเมื่อเทียบกับพื้นหลังของการปล่อยประจุอย่างรวดเร็ว

พนักงานชาวออสเตรเลียของ Department of Material Manufacturing Research จากเมลเบิร์น นำโดยศาสตราจารย์ Dan Lee สามารถเพิ่มความหนาแน่นพลังงานจำเพาะของตัวเก็บประจุกราฟีนได้ 12 เท่า ตอนนี้ตัวเลขสำหรับตัวเก็บประจุใหม่นี้คือ 60 W*h/kg และนี่เป็นเหตุผลที่จะพูดถึงการปฏิวัติทางเทคนิคในด้านนี้อยู่แล้ว นักประดิษฐ์สามารถเอาชนะปัญหาการคายประจุซุปเปอร์คาปาซิเตอร์กราฟีนอย่างรวดเร็ว เพื่อให้มั่นใจว่าขณะนี้คายประจุได้ช้ากว่าแบตเตอรี่มาตรฐานด้วยซ้ำ

การค้นพบทางเทคโนโลยีช่วยให้นักวิทยาศาสตร์บรรลุผลลัพธ์ที่น่าประทับใจ โดยนำฟิล์มกราฟีน-เจลแบบปรับตัวได้ และสร้างอิเล็กโทรดขนาดเล็กมากจากฟิล์มดังกล่าว นักประดิษฐ์เติมช่องว่างระหว่างแผ่นกราฟีนด้วยอิเล็กโทรไลต์เหลวเพื่อให้มีระยะห่างต่ำกว่านาโนเมตรระหว่างแผ่นเหล่านั้น อิเล็กโทรไลต์นี้ยังปรากฏอยู่ในตัวเก็บประจุแบบธรรมดาซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้า ที่นี่ไม่เพียงแต่เป็นตัวนำเท่านั้น แต่ยังเป็นอุปสรรคต่อการสัมผัสแผ่นกราฟีนซึ่งกันและกันอีกด้วย การเคลื่อนไหวครั้งนี้ทำให้เราประสบความสำเร็จมากขึ้น ความหนาแน่นสูงตัวเก็บประจุในขณะที่ยังคงโครงสร้างที่มีรูพรุน

อิเล็กโทรดขนาดกะทัดรัดนั้นถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีที่ผู้ผลิตกระดาษคุ้นเคยซึ่งเราทุกคนคุ้นเคย วิธีการนี้มันค่อนข้างถูกและเรียบง่ายซึ่งทำให้เรามองโลกในแง่ดีเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของการผลิตซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ใหม่เชิงพาณิชย์

นักข่าวรีบเร่งให้โลกมั่นใจว่ามนุษยชาติได้รับแรงจูงใจให้พัฒนาสิ่งใหม่อย่างสมบูรณ์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์. นักประดิษฐ์เองผ่านปากของศาสตราจารย์ลีสัญญาว่าจะช่วยซุปเปอร์คาปาซิเตอร์กราฟีนให้ครอบคลุมเส้นทางจากห้องปฏิบัติการไปยังโรงงานได้อย่างรวดเร็ว

จะชอบหรือไม่ก็ตาม ยุคของรถยนต์ไฟฟ้ากำลังใกล้เข้ามาเรื่อยๆ และในปัจจุบัน มีเพียงเทคโนโลยีเดียวเท่านั้นที่หยุดยั้งความก้าวหน้าและการครอบครองตลาดด้วยรถยนต์ไฟฟ้า เทคโนโลยีกักเก็บพลังงานไฟฟ้า ฯลฯ แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะประสบความสำเร็จในทิศทางนี้ แต่รถยนต์ไฟฟ้าและไฮบริดส่วนใหญ่ก็มีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในการออกแบบซึ่งมีทั้งด้านบวกและด้านลบ และสามารถชาร์จรถยนต์ได้เพียงครั้งเดียวในระยะทางสั้นๆ เท่านั้น ซึ่งเพียงพอสำหรับ เดินทางในเขตเมือง ผู้ผลิตรถยนต์ชั้นนำของโลกทุกรายเข้าใจปัญหานี้และกำลังมองหาวิธีเพิ่มประสิทธิภาพของรถยนต์ไฟฟ้า ซึ่งจะเพิ่มระยะการขับขี่ด้วยการชาร์จเพียงครั้งเดียว แบตเตอรี่.

วิธีหนึ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพของรถยนต์ไฟฟ้าคือการรวบรวมและนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่ซึ่งกลายเป็นความร้อนเมื่อรถเบรกและเมื่อรถเคลื่อนที่บนพื้นผิวถนนที่ไม่เรียบ วิธีการคืนพลังงานดังกล่าวได้รับการพัฒนาแล้ว แต่ประสิทธิภาพของการรวบรวมและการนำกลับมาใช้ใหม่นั้นต่ำมากเนื่องจากความเร็วการทำงานของแบตเตอรี่ต่ำ โดยทั่วไปเวลาในการเบรกจะวัดเป็นวินาที ซึ่งเร็วเกินไปสำหรับแบตเตอรี่ที่ใช้เวลาชาร์จหลายชั่วโมง ดังนั้นในการสะสมพลังงาน "เร็ว" จึงจำเป็นต้องมีวิธีการและอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลอื่น ๆ ซึ่งบทบาทนี้น่าจะเป็นตัวเก็บประจุมากที่สุด ความจุขนาดใหญ่ที่เรียกว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

น่าเสียดายที่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ยังไม่พร้อมที่จะออกสู่ถนนใหญ่ แม้ว่าจะสามารถชาร์จและคายประจุได้อย่างรวดเร็ว แต่ความจุของพวกมันยังค่อนข้างต่ำ นอกจากนี้ ความน่าเชื่อถือของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ยังเป็นที่ต้องการอีกมาก วัสดุที่ใช้ในอิเล็กโทรดของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะถูกทำลายอย่างต่อเนื่องอันเป็นผลมาจากวงจรการปล่อยประจุซ้ำหลายครั้ง และนี่เป็นเรื่องที่ยอมรับได้ยากเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าตลอดอายุการใช้งานของรถยนต์ไฟฟ้า จำนวนรอบการทำงานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ควรเป็นหลายล้านครั้ง

Santhakumar Kannappan และกลุ่มเพื่อนร่วมงานของเขาจากสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เมืองกวางจู ประเทศเกาหลี มีวิธีแก้ไขปัญหาข้างต้น ซึ่งมีพื้นฐานมาจากหนึ่งในวัสดุที่น่าทึ่งที่สุดในยุคของเรา นั่นก็คือกราฟีน นักวิจัยชาวเกาหลีได้พัฒนาและผลิตต้นแบบของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้กราฟีนที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งมีพารามิเตอร์ทางคาปาซิทีฟซึ่งไม่ด้อยกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แต่มีความสามารถในการสะสมและปล่อยประจุไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ แม้แต่ต้นแบบของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบกราฟีนก็สามารถทนต่อรอบการทำงานนับหมื่นรอบได้โดยไม่สูญเสียคุณลักษณะของมันไป
เคล็ดลับเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่น่าประทับใจคือการได้กราฟีนรูปแบบพิเศษ ซึ่งมีพื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพมาก นักวิจัยสร้างกราฟีนรูปแบบนี้โดยการผสมอนุภาคกราฟีนออกไซด์กับไฮดราซีนในน้ำ และบดให้ละเอียดทั้งหมดโดยใช้อัลตราซาวนด์ ผงกราฟีนที่ได้จะถูกบรรจุเป็นเม็ดรูปทรงแผ่นดิสก์และนำไปทำให้แห้งที่อุณหภูมิ 140 องศาเซลเซียส และความดัน 300 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร เป็นเวลาห้าชั่วโมง

วัสดุที่ได้มีรูพรุนมาก วัสดุกราฟีน 1 กรัมมีพื้นที่ที่มีประสิทธิภาพเท่ากับพื้นที่สนามบาสเก็ตบอล นอกจากนี้ ลักษณะที่มีรูพรุนของวัสดุนี้ช่วยให้ของเหลวอิเล็กโทรไลต์ไอออนิก EBIMF 1 M สามารถเติมเต็มปริมาตรของวัสดุได้อย่างสมบูรณ์ ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มความจุไฟฟ้าของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

การวัดคุณลักษณะของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทดลองพบว่าความจุไฟฟ้าของพวกมันอยู่ที่ประมาณ 150 ฟารัดต่อกรัม ความหนาแน่นในการกักเก็บพลังงานอยู่ที่ 64 วัตต์ต่อกิโลกรัม และความหนาแน่น กระแสไฟฟ้าเท่ากับ 5 แอมแปร์ต่อกรัม คุณลักษณะทั้งหมดนี้เทียบได้กับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนซึ่งมีความหนาแน่นในการกักเก็บพลังงานอยู่ระหว่าง 100 ถึง 200 วัตต์ต่อกิโลกรัม แต่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เหล่านี้มีข้อได้เปรียบอย่างมากอย่างหนึ่ง นั่นคือสามารถชาร์จจนเต็มหรือปล่อยประจุที่เก็บไว้ทั้งหมดได้ภายในเวลาเพียง 16 วินาที และครั้งนี้เป็นเวลาคายประจุที่เร็วที่สุดในปัจจุบัน

ชุดคุณลักษณะที่น่าประทับใจนี้บวกกับเทคโนโลยีการผลิตที่เรียบง่ายของตัวเก็บประจุแบบกราฟีนอาจพิสูจน์ข้อเรียกร้องของนักวิจัยผู้เขียนว่า "อุปกรณ์จัดเก็บพลังงานแบบซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบกราฟีนของพวกเขาพร้อมแล้วสำหรับการผลิตจำนวนมากและอาจปรากฏในรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นต่อ ๆ ไป ”

กลุ่มนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยไรซ์ได้ปรับวิธีที่พวกเขาพัฒนาขึ้นเพื่อผลิตกราฟีนโดยใช้เลเซอร์เพื่อสร้างขั้วไฟฟ้าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

นับตั้งแต่มีการค้นพบกราฟีน ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของคาร์บอน เซลล์คริสตัลซึ่งมีความหนา monatomic เหนือสิ่งอื่นใดถือเป็นทางเลือกแทนอิเล็กโทรดถ่านกัมมันต์ที่ใช้ในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ตัวเก็บประจุที่มีความจุสูงและมีกระแสรั่วไหลต่ำ แต่เวลาและการวิจัยแสดงให้เห็นว่าอิเล็กโทรดกราฟีนไม่ได้ทำงานได้ดีกว่าอิเล็กโทรดถ่านกัมมันต์ที่มีรูพรุนขนาดเล็กมาก และสิ่งนี้ทำให้ความกระตือรือร้นลดลงและลดการศึกษาจำนวนหนึ่งลง

แต่ถึงอย่างไร, อิเล็กโทรดกราฟีนมีข้อได้เปรียบที่ไม่อาจปฏิเสธได้เมื่อเทียบกับอิเล็กโทรดคาร์บอนที่มีรูพรุน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบกราฟีนสามารถทำงานที่ความถี่สูงกว่าได้ และความยืดหยุ่นของกราฟีนทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์กักเก็บพลังงานที่บางและยืดหยุ่นเป็นพิเศษได้ โดยอิงจากกราฟีนดังกล่าว ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้และมีความยืดหยุ่น

ข้อดีสองประการที่กล่าวมาข้างต้นของตัวเก็บประจุแบบกราฟีนซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทำให้เกิดการวิจัยเพิ่มเติมโดยกลุ่มนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยไรซ์ พวกเขาปรับวิธีการผลิตกราฟีนที่ใช้เลเซอร์ช่วยซึ่งพัฒนาขึ้นเพื่อสร้างขั้วไฟฟ้าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

“สิ่งที่เราสามารถทำได้นั้นเทียบได้กับไมโครซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีอยู่ในตลาดอิเล็กทรอนิกส์” James Tour นักวิทยาศาสตร์ที่เป็นผู้นำทีมวิจัยกล่าว “ด้วยวิธีการของเรา เราสามารถผลิตซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีรูปแบบเชิงพื้นที่ได้ เมื่อเราต้องการบรรจุอิเล็กโทรดกราฟีนลงในพื้นที่เล็กๆ เราก็พับมันเหมือนกระดาษแผ่นหนึ่ง”

นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการผลิตอิเล็กโทรดกราฟีน วิธีเลเซอร์ (กราฟีที่เกิดจากเลเซอร์, LIG) ซึ่งลำแสงเลเซอร์อันทรงพลังมุ่งเป้าไปที่เป้าหมายที่ทำจากวัสดุโพลีเมอร์ราคาไม่แพง

พารามิเตอร์ของแสงเลเซอร์จะถูกเลือกในลักษณะที่จะเผาผลาญองค์ประกอบทั้งหมดจากโพลีเมอร์ ยกเว้นคาร์บอน ซึ่งก่อตัวเป็นฟิล์มกราฟีนที่มีรูพรุน กราฟีนที่มีรูพรุนนี้แสดงให้เห็นว่ามีพื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพเพียงพอ ทำให้เป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับอิเล็กโทรดซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

สิ่งที่ทำให้การค้นพบของทีมมหาวิทยาลัยไรซ์น่าสนใจมากคือความง่ายในการผลิตกราฟีนที่มีรูพรุน

“อิเล็กโทรดกราฟีนนั้นผลิตได้ง่ายมาก ซึ่งไม่ต้องใช้ห้องสะอาด และกระบวนการนี้ใช้เลเซอร์อุตสาหกรรมแบบเดิม ซึ่งประสบความสำเร็จในโรงงานและแม้แต่ในโรงงานด้วย กลางแจ้ง“เจมส์ ตูร์ กล่าว

นอกจากความง่ายในการผลิตแล้ว ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบกราฟีนยังแสดงคุณลักษณะที่น่าประทับใจอีกด้วย อุปกรณ์กักเก็บพลังงานเหล่านี้ทนทานต่อวงจรการคายประจุไฟฟ้านับพันครั้งโดยไม่สูญเสียความจุไฟฟ้า ยิ่งไปกว่านั้น ความจุไฟฟ้าของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ดังกล่าวยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเลย หลังจากที่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบยืดหยุ่นถูกเปลี่ยนรูป 8,000 ครั้งติดต่อกัน

“เราได้แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีที่เราพัฒนาสามารถผลิตซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่บางและยืดหยุ่นได้ ซึ่งสามารถกลายเป็นส่วนประกอบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นหรือแหล่งพลังงานสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ ซึ่งสามารถสร้างได้โดยตรงในเสื้อผ้าหรือสิ่งของในชีวิตประจำวัน” เจมส์ ทัวร์ กล่าว

ผู้คนเริ่มใช้ตัวเก็บประจุเพื่อกักเก็บไฟฟ้า จากนั้น เมื่อวิศวกรรมไฟฟ้าก้าวไปไกลกว่าการทดลองในห้องปฏิบัติการ แบตเตอรี่ก็ถูกประดิษฐ์ขึ้น ซึ่งกลายเป็นวิธีการหลักในการกักเก็บพลังงานไฟฟ้า แต่ในตอนต้นของศตวรรษที่ 21 มีการเสนอให้ใช้ตัวเก็บประจุเพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าอีกครั้ง เป็นไปได้อย่างไร และแบตเตอรี่จะกลายเป็นอดีตไปแล้วหรือไม่?

สาเหตุที่ตัวเก็บประจุถูกแทนที่ด้วยแบตเตอรี่ก็เนื่องมาจากปริมาณไฟฟ้าที่สามารถจัดเก็บได้มากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ อีกเหตุผลหนึ่งก็คือในระหว่างการคายประจุ แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของแบตเตอรี่เปลี่ยนแปลงน้อยมาก ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวปรับแรงดันไฟฟ้าหรืออาจเป็นการออกแบบที่เรียบง่ายมาก

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่ก็คือ ตัวเก็บประจุจะเก็บประจุไฟฟ้าโดยตรง ในขณะที่แบตเตอรี่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมี แล้วเก็บไว้ แล้วแปลงพลังงานเคมีกลับเป็นพลังงานไฟฟ้า

ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ส่วนหนึ่งจะสูญหายไป ดังนั้นแม้แต่แบตเตอรี่ที่ดีที่สุดก็ยังมีประสิทธิภาพไม่เกิน 90% ในขณะที่ตัวเก็บประจุก็สามารถเข้าถึงได้ 99% ความรุนแรงของปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดังนั้นแบตเตอรี่จึงทำงานได้แย่ลงอย่างเห็นได้ชัดในสภาพอากาศหนาวเย็นมากกว่าที่อุณหภูมิห้อง นอกจากนี้ ปฏิกิริยาเคมีในแบตเตอรี่ไม่สามารถย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้น จำนวนรอบการชาร์จ-คายประจุเพียงเล็กน้อย (จากหลักพัน โดยทั่วไปอายุการใช้งานแบตเตอรี่จะอยู่ที่ประมาณ 1,000 รอบการชาร์จ) รวมถึง "เอฟเฟกต์หน่วยความจำ" ขอให้เราระลึกว่า "เอฟเฟกต์หน่วยความจำ" คือแบตเตอรี่จะต้องถูกคายประจุจนมีพลังงานสะสมจำนวนหนึ่งเสมอ จากนั้นความจุของแบตเตอรี่จะสูงสุด หากหลังจากการคายประจุแล้วยังมีพลังงานเหลืออยู่มากขึ้น ความจุของแบตเตอรี่จะค่อยๆ ลดลง “เอฟเฟกต์หน่วยความจำ” เป็นลักษณะของแบตเตอรี่ที่ผลิตเชิงพาณิชย์เกือบทุกประเภท ยกเว้นแบตเตอรี่ที่เป็นกรด (รวมถึงแบตเตอรี่ประเภทต่างๆ เช่น เจลและ AGM) แม้ว่าจะเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและลิเธียมโพลีเมอร์ไม่มีแบตเตอรี่ดังกล่าว แต่ในความเป็นจริงแล้วแบตเตอรี่เหล่านั้นก็มีแบตเตอรี่ดังกล่าวด้วย แต่ก็แสดงออกมาให้เห็นในระดับที่น้อยกว่าในประเภทอื่นๆ สำหรับแบตเตอรี่กรด จะแสดงผลของเพลตซัลเฟต ซึ่งทำให้เกิดความเสียหายต่อแหล่งพลังงานอย่างถาวร สาเหตุหนึ่งคือแบตเตอรี่ยังคงอยู่ในสถานะชาร์จน้อยกว่า 50% เป็นเวลานาน

ในส่วนของพลังงานทดแทน “ผลของหน่วยความจำ” และเพลตซัลเฟตถือเป็นปัญหาร้ายแรง ความจริงก็คือการจัดหาพลังงานจากแหล่งต่างๆ เช่น แผงโซลาร์เซลล์และกังหันลม เป็นเรื่องยากที่จะคาดเดาได้ เป็นผลให้การชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่เกิดขึ้นอย่างวุ่นวายในโหมดที่ไม่เหมาะสม

สำหรับจังหวะชีวิตสมัยใหม่ เป็นที่ยอมรับไม่ได้อย่างยิ่งที่ต้องชาร์จแบตเตอรี่เป็นเวลาหลายชั่วโมง ตัวอย่างเช่น คุณจินตนาการถึงการขับรถระยะทางไกลด้วยรถยนต์ไฟฟ้าหากแบตเตอรี่หมดทำให้คุณติดอยู่ที่จุดชาร์จเป็นเวลาหลายชั่วโมง ความเร็วในการชาร์จของแบตเตอรี่ถูกจำกัดด้วยความเร็วของกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นในแบตเตอรี่ คุณสามารถลดเวลาในการชาร์จลงเหลือ 1 ชั่วโมง แต่ต้องไม่เกินสองสามนาที ในเวลาเดียวกัน อัตราการชาร์จของตัวเก็บประจุจะถูกจำกัดด้วยกระแสสูงสุดที่เครื่องชาร์จได้รับเท่านั้น

ข้อเสียที่ระบุไว้ของแบตเตอรี่ทำให้ต้องใช้ตัวเก็บประจุแทนอย่างเร่งด่วน

โดยใช้ไฟฟ้าสองชั้น

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ามีความจุสูงสุด ในนั้นแผ่นหนึ่งเป็นโลหะฟอยล์ อีกแผ่นเป็นอิเล็กโทรไลต์ และฉนวนระหว่างแผ่นเป็นโลหะออกไซด์ซึ่งเคลือบฟอยล์ สำหรับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ความจุสามารถเข้าถึงหนึ่งในร้อยของฟารัด ซึ่งไม่เพียงพอที่จะเปลี่ยนแบตเตอรี่จนหมด

ความจุขนาดใหญ่ซึ่งวัดเป็นพันฟารัดสามารถหาได้จากตัวเก็บประจุโดยอาศัยสิ่งที่เรียกว่าชั้นไฟฟ้าสองชั้น หลักการทำงานมีดังนี้ ชั้นไฟฟ้าสองชั้นจะปรากฏขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการที่ส่วนต่อประสานของสารในเฟสของแข็งและของเหลว ไอออนสองชั้นก่อตัวขึ้นโดยมีประจุที่มีเครื่องหมายตรงกันข้ามแต่มีขนาดเท่ากัน หากเราทำให้สถานการณ์ง่ายขึ้นอย่างมากก็จะเกิดตัวเก็บประจุขึ้น "แผ่นเปลือกโลก" ซึ่งเป็นชั้นไอออนที่ระบุซึ่งมีระยะห่างระหว่างซึ่งเท่ากับหลายอะตอม

ตัวเก็บประจุที่มีพื้นฐานจากผลกระทบนี้บางครั้งเรียกว่าไอออนไนเซอร์ ในความเป็นจริง คำนี้ไม่เพียงแต่หมายถึงตัวเก็บประจุที่เก็บประจุไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังรวมถึงอุปกรณ์อื่น ๆ สำหรับกักเก็บไฟฟ้าด้วยการแปลงพลังงานไฟฟ้าบางส่วนเป็นพลังงานเคมีพร้อมกับการเก็บประจุไฟฟ้า (ไฮบริดไอโอนิสเตอร์) เช่นเดียวกับสำหรับ แบตเตอรี่ที่ใช้ชั้นไฟฟ้าสองชั้น (เรียกว่า pseudocapacitors) ดังนั้นคำว่า "ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์" จึงเหมาะสมกว่า บางครั้งใช้คำว่า "ultracapacitor" ที่เหมือนกันแทน

การใช้งานด้านเทคนิค

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ประกอบด้วยถ่านกัมมันต์สองแผ่นที่เต็มไปด้วยอิเล็กโทรไลต์ ระหว่างนั้นมีเมมเบรนที่ช่วยให้อิเล็กโทรไลต์ผ่านไปได้ แต่ป้องกันการเคลื่อนไหวทางกายภาพของอนุภาคถ่านกัมมันต์ระหว่างแผ่นเปลือกโลก

ควรสังเกตว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นไม่มีขั้ว ในสิ่งนี้พวกเขาแตกต่างโดยพื้นฐานจากตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าซึ่งตามกฎแล้วมีลักษณะเป็นขั้วการไม่ปฏิบัติตามซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวของตัวเก็บประจุ อย่างไรก็ตาม ขั้วยังถูกนำไปใช้กับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ด้วย นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ออกจากสายการประกอบของโรงงานที่มีการชาร์จแล้วและเครื่องหมายระบุขั้วของประจุนี้

พารามิเตอร์ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ความจุสูงสุดของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แต่ละตัวที่ได้รับในขณะที่เขียนคือ 12,000 F. สำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ผลิตจำนวนมากนั้นจะต้องไม่เกิน 3,000 F. แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตระหว่างเพลตไม่เกิน 10 V. สำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ผลิตในเชิงพาณิชย์ ตามกฎแล้วตัวเลขนี้อยู่ภายใน 2.3 – 2.7 V. แรงดันไฟฟ้าขณะทำงานต่ำต้องใช้ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าพร้อมฟังก์ชันโคลง ความจริงก็คือในระหว่างการคายประจุแรงดันไฟฟ้าบนแผ่นตัวเก็บประจุจะเปลี่ยนไปในช่วงกว้าง การสร้างตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเพื่อเชื่อมต่อโหลดและอุปกรณ์ชาร์จเป็นงานที่ไม่สำคัญ สมมติว่าคุณต้องจ่ายไฟให้กับโหลด 60W

เพื่อให้การพิจารณาปัญหาง่ายขึ้น เราจะละเลยการสูญเสียในตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าและตัวปรับเสถียรภาพ หากคุณใช้งานแบตเตอรี่ 12 V ทั่วไป อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมจะต้องสามารถทนกระแสไฟ 5 A ได้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดังกล่าวแพร่หลายและราคาไม่แพง แต่สถานการณ์ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงเกิดขึ้นเมื่อใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าอยู่ที่ 2.5 V จากนั้นกระแสที่ไหลผ่านส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ของตัวแปลงสามารถเข้าถึง 24 A ซึ่งต้องใช้แนวทางใหม่ในเทคโนโลยีวงจรและฐานองค์ประกอบที่ทันสมัย มันเป็นความซับซ้อนของการสร้างคอนเวอร์เตอร์และโคลงที่สามารถอธิบายความจริงที่ว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ซึ่งการผลิตแบบอนุกรมซึ่งเริ่มขึ้นในทศวรรษที่ 70 ของศตวรรษที่ 20 เพิ่งเริ่มมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขาเท่านั้น

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถต่อเข้ากับแบตเตอรี่ได้โดยใช้การเชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือแบบขนาน ในกรณีแรก แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตจะเพิ่มขึ้น ในกรณีที่สอง - ความจุ การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตด้วยวิธีนี้เป็นวิธีหนึ่งในการแก้ปัญหา แต่คุณจะต้องจ่ายโดยการลดความจุ

ขนาดของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ขึ้นอยู่กับความจุของมันโดยธรรมชาติ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทั่วไปที่มีความจุ 3000 F เป็นทรงกระบอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 ซม. และยาว 14 ซม. ด้วยความจุ 10 F ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะมีขนาดเทียบได้กับเล็บมือของมนุษย์

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ดีสามารถทนต่อรอบการประจุและคายประจุได้นับแสนครั้ง ซึ่งเกินกว่าแบตเตอรี่ประมาณ 100 เท่าในพารามิเตอร์นี้ แต่เช่นเดียวกับตัวเก็บประจุไฟฟ้า ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ต้องเผชิญกับปัญหาการเสื่อมสภาพเนื่องจากการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ทีละน้อย จนถึงขณะนี้ยังไม่มีการสะสมสถิติที่สมบูรณ์เกี่ยวกับความล้มเหลวของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ด้วยเหตุผลนี้ แต่จากข้อมูลทางอ้อม อายุการใช้งานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถประมาณได้ที่ 15 ปี

พลังงานสะสม

ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุ แสดงเป็นจูล:

โดยที่ C คือความจุ แสดงเป็นฟารัด U คือแรงดันไฟฟ้าบนเพลต แสดงเป็นโวลต์

ปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุซึ่งแสดงเป็น kWh คือ:

ดังนั้นตัวเก็บประจุที่มีความจุ 3000 F ที่มีแรงดันไฟฟ้าระหว่างแผ่น 2.5 V จึงสามารถจัดเก็บได้เพียง 0.0026 kWh สิ่งนี้เปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างไร หากเราถือว่าแรงดันเอาต์พุตไม่ขึ้นอยู่กับระดับการคายประจุและเท่ากับ 3.6 V ดังนั้นปริมาณพลังงาน 0.0026 kWh จะถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีความจุ 0.72 Ah อนิจจาผลลัพธ์ที่เจียมเนื้อเจียมตัวมาก

การประยุกต์ใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ระบบไฟส่องสว่างฉุกเฉินเป็นที่ที่การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แทนแบตเตอรี่สร้างความแตกต่างอย่างแท้จริง ในความเป็นจริงมันเป็นแอปพลิเคชั่นนี้ที่โดดเด่นด้วยการคายประจุที่ไม่สม่ำเสมอ นอกจากนี้ ขอแนะนำให้ชาร์จหลอดไฟฉุกเฉินอย่างรวดเร็วและแหล่งพลังงานสำรองที่ใช้ในนั้นมีความน่าเชื่อถือมากกว่า สามารถรวมแหล่งจ่ายไฟสำรองที่ใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เข้ากับหลอดไฟ LED T8 ได้โดยตรง โคมไฟดังกล่าวผลิตโดยบริษัทจีนหลายแห่งแล้ว

ตามที่ระบุไว้แล้ว การพัฒนาซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ส่วนใหญ่เกิดจากความสนใจในแหล่งพลังงานทดแทน แต่การใช้งานจริงยังจำกัดอยู่เพียงหลอดไฟ LED ที่ได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์เท่านั้น

การใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อสตาร์ทอุปกรณ์ไฟฟ้ากำลังพัฒนาอย่างแข็งขัน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถส่งพลังงานปริมาณมากได้ในระยะเวลาอันสั้น ด้วยการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าเมื่อสตาร์ทเครื่องจากซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ จะทำให้โหลดพีคบนโครงข่ายไฟฟ้าลดลง และท้ายที่สุด อัตรากระแสไหลเข้าจะลดลง ซึ่งช่วยประหยัดต้นทุนได้มหาศาล

ด้วยการรวมซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หลายตัวเข้ากับแบตเตอรี่ เราจึงสามารถมีความจุที่เทียบเท่ากับแบตเตอรี่ที่ใช้ในยานพาหนะไฟฟ้า แต่แบตเตอรี่นี้จะมีน้ำหนักมากกว่าแบตเตอรี่หลายเท่าซึ่งเป็นที่ยอมรับไม่ได้สำหรับรถยนต์ ปัญหาสามารถแก้ไขได้โดยใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้กราฟีน แต่ปัจจุบันมีอยู่ในรูปแบบต้นแบบเท่านั้น อย่างไรก็ตาม Yo-mobile รุ่นที่มีแนวโน้มดีซึ่งใช้พลังงานไฟฟ้าเท่านั้น จะใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์รุ่นใหม่ซึ่งพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียเป็นแหล่งพลังงาน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ยังจะเป็นประโยชน์ต่อการเปลี่ยนแบตเตอรี่ในรถยนต์เบนซินหรือดีเซลทั่วไป ซึ่งการใช้งานในยานพาหนะดังกล่าวได้เกิดขึ้นจริงแล้ว

ในขณะเดียวกันโครงการที่ดำเนินการแล้วที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดสำหรับการแนะนำซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นถือได้ว่าเป็นรถรางที่ผลิตในรัสเซียรุ่นใหม่ซึ่งเพิ่งปรากฏบนถนนในมอสโก เมื่อการจ่ายแรงดันไฟฟ้าไปยังเครือข่ายหน้าสัมผัสถูกขัดจังหวะ หรือเมื่อตัวสะสมปัจจุบัน "บินออกไป" รถรางสามารถเดินทางด้วยความเร็วต่ำ (ประมาณ 15 กม./ชม.) เป็นระยะทางหลายร้อยเมตรไปยังสถานที่ที่ไม่รบกวนการจราจร บนถนน. แหล่งพลังงานสำหรับการซ้อมรบดังกล่าวคือแบตเตอรี่ของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

โดยทั่วไปแล้ว ในตอนนี้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถแทนที่แบตเตอรี่ได้เฉพาะใน "ช่อง" บางแห่งเท่านั้น แต่เทคโนโลยีกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วซึ่งทำให้เราสามารถคาดหวังได้ว่าในอนาคตอันใกล้นี้ขอบเขตของการใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะขยายออกไปอย่างมาก

อเล็กเซย์ วาซิลีฟ

ความจุไฟฟ้าของโลก ดังที่ทราบจากหลักสูตรฟิสิกส์คือประมาณ 700 μF ตัวเก็บประจุธรรมดาที่มีความจุนี้สามารถเปรียบเทียบน้ำหนักและปริมาตรกับอิฐได้ แต่ยังมีตัวเก็บประจุที่มีความจุไฟฟ้าของโลกซึ่งมีขนาดเท่ากับเม็ดทราย - ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

อุปกรณ์ดังกล่าวปรากฏค่อนข้างเร็ว ๆ นี้เมื่อประมาณยี่สิบปีที่แล้ว พวกมันถูกเรียกต่างกัน: ไอโอนิสเตอร์, ไอโอนิกส์ หรือเพียงแค่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

อย่าคิดว่าสิ่งเหล่านี้มีให้เฉพาะกับบริษัทการบินและอวกาศระดับสูงบางแห่งเท่านั้น วันนี้คุณสามารถซื้อไอออนไนเซอร์ขนาดเหรียญและความจุหนึ่งฟารัดในร้านค้าซึ่งมากกว่าความจุของโลกถึง 1,500 เท่าและใกล้เคียงกับความจุของดาวเคราะห์ที่ใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะ - ดาวพฤหัสบดี

ตัวเก็บประจุใดๆ ก็ตามจะกักเก็บพลังงาน เพื่อให้เข้าใจว่าพลังงานที่เก็บไว้ในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีขนาดใหญ่หรือเล็กเพียงใด สิ่งสำคัญคือต้องเปรียบเทียบกับบางสิ่งบางอย่าง นี่เป็นวิธีที่ค่อนข้างแปลก แต่ชัดเจน

พลังงานของตัวเก็บประจุธรรมดานั้นเพียงพอที่จะกระโดดได้ประมาณหนึ่งเมตรครึ่ง ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ขนาดเล็กประเภท 58-9V ซึ่งมีมวล 0.5 กรัมชาร์จด้วยแรงดันไฟฟ้า 1 V สามารถกระโดดได้สูง 293 ม.!

บางครั้งพวกเขาคิดว่าเครื่องสร้างประจุไอออนสามารถเปลี่ยนแบตเตอรี่ได้ นักข่าวบรรยายถึงโลกอนาคตด้วยรถยนต์ไฟฟ้าแบบเงียบที่ขับเคลื่อนโดยซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ แต่นี่ยังอีกยาวไกล เครื่องสร้างประจุไอออนที่มีน้ำหนัก 1 กิโลกรัมสามารถสะสมพลังงานได้ 3,000 จูล และแบตเตอรี่กรดตะกั่วที่แย่ที่สุดคือ 86,400 จูล ซึ่งมากกว่า 28 เท่า อย่างไรก็ตาม เมื่อจ่ายไฟสูงในเวลาอันสั้น แบตเตอรี่จะเสื่อมลงอย่างรวดเร็วและหมดไปเพียงครึ่งเดียวเท่านั้น ไอโอนิสเตอร์ส่งพลังงานใดๆ ซ้ำๆ โดยไม่เป็นอันตรายต่อตัวเอง ตราบใดที่สายเชื่อมต่อสามารถทนได้ นอกจากนี้ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถชาร์จได้ภายในเวลาไม่กี่วินาที ในขณะที่แบตเตอรี่มักจะต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงในการดำเนินการนี้

สิ่งนี้จะกำหนดขอบเขตการใช้งานของไอออนิสเตอร์ เป็นแหล่งพลังงานที่ดีสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานมากในช่วงเวลาสั้น ๆ แต่ค่อนข้างบ่อย: อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ไฟฉาย สตาร์ทรถยนต์ ทะลุทะลวงไฟฟ้า ไอโอนิสเตอร์ยังสามารถนำไปใช้ทางการทหารเป็นแหล่งพลังงานสำหรับอาวุธแม่เหล็กไฟฟ้าได้ และเมื่อใช้ร่วมกับโรงไฟฟ้าขนาดเล็ก เครื่องสร้างประจุไอออนทำให้สามารถสร้างรถยนต์ที่มีระบบขับเคลื่อนล้อไฟฟ้าและอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง 1-2 ลิตรต่อ 100 กม.

มีขายเครื่องสร้างประจุไอออนสำหรับความจุและแรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่หลากหลาย แต่มีราคาค่อนข้างแพง ดังนั้นหากคุณมีเวลาและความสนใจ คุณสามารถลองสร้างไอออนิสเตอร์ด้วยตัวเองได้ แต่ก่อนจะให้คำแนะนำแบบเจาะจง ขอทฤษฎีเล็กๆ น้อยๆ ก่อน

เป็นที่รู้จักจากเคมีไฟฟ้า: เมื่อโลหะถูกแช่อยู่ในน้ำจะเกิดชั้นไฟฟ้าสองชั้นที่เรียกว่าบนพื้นผิวซึ่งประกอบด้วยสิ่งที่ตรงกันข้าม ค่าไฟฟ้า- ไอออนและอิเล็กตรอน แรงดึงดูดระหว่างกันทำหน้าที่ระหว่างกัน แต่ประจุไม่สามารถเข้าใกล้กันได้ สิ่งนี้ถูกขัดขวางโดยแรงดึงดูดของน้ำและโมเลกุลของโลหะ ที่แกนกลางของชั้นไฟฟ้าสองชั้นนั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าตัวเก็บประจุ ประจุที่กระจุกตัวอยู่ที่พื้นผิวจะทำหน้าที่เป็นแผ่นเปลือกโลก ระยะห่างระหว่างพวกเขาน้อยมาก และอย่างที่คุณทราบ ความจุของตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้นเมื่อระยะห่างระหว่างแผ่นของมันลดลง ตัวอย่างเช่น ความจุของซี่ล้อเหล็กธรรมดาที่แช่อยู่ในน้ำจะสูงถึงหลาย mF

โดยพื้นฐานแล้ว ไอโอนิสเตอร์ประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองตัวซึ่งมีพื้นที่ขนาดใหญ่มากฝังอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ บนพื้นผิวซึ่งมีชั้นไฟฟ้าสองชั้นเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ จริงอยู่ที่การใช้แผ่นแบนธรรมดา จะสามารถได้ความจุเพียงไม่กี่สิบ mF เพื่อให้ได้คุณลักษณะความจุสูงของตัวสร้างประจุไอออน พวกเขาใช้อิเล็กโทรดที่ทำจากวัสดุที่มีรูพรุนซึ่งมีพื้นผิวรูพรุนขนาดใหญ่และมีขนาดภายนอกเล็ก

ครั้งหนึ่งเคยมีการลองใช้ฟองน้ำโลหะตั้งแต่ไทเทเนียมไปจนถึงแพลตตินัมสำหรับบทบาทนี้ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ดีกว่าอย่างไม่มีที่เปรียบคือ... ถ่านกัมมันต์ธรรมดา นี่คือถ่านซึ่งหลังจากผ่านการบำบัดเป็นพิเศษแล้วจะมีรูพรุน พื้นที่ผิวของรูขุมขนขนาด 1 cm3 ของถ่านหินดังกล่าวสูงถึงหนึ่งพันตารางเมตรและความจุของชั้นไฟฟ้าสองชั้นบนนั้นคือสิบฟารัด!

เครื่องสร้างประจุไอออนแบบโฮมเมด รูปที่ 1 แสดงการออกแบบของตัวสร้างประจุไอออน ประกอบด้วยแผ่นโลหะสองแผ่นที่กดให้แน่นกับ "การเติม" ของถ่านกัมมันต์ ถ่านหินถูกวางเป็นสองชั้น โดยจะมีชั้นบาง ๆ ของสารที่ไม่นำอิเล็กตรอนแยกออกจากกัน ทั้งหมดนี้ถูกชุบด้วยอิเล็กโทรไลต์

เมื่อทำการชาร์จไอออนิสเตอร์ ชั้นไฟฟ้าสองชั้นที่มีอิเล็กตรอนบนพื้นผิวจะก่อตัวขึ้นในรูพรุนคาร์บอนครึ่งหนึ่ง และอีกครึ่งหนึ่งจะมีไอออนบวก หลังจากชาร์จแล้ว ไอออนและอิเล็กตรอนจะเริ่มไหลเข้าหากัน เมื่อทั้งสองมาพบกัน อะตอมของโลหะที่เป็นกลางจะถูกสร้างขึ้น และประจุที่สะสมจะลดลงและเมื่อเวลาผ่านไปอาจหายไปโดยสิ้นเชิง

เพื่อป้องกันสิ่งนี้ จึงมีการใช้ชั้นแยกระหว่างชั้นของถ่านกัมมันต์ อาจประกอบด้วยฟิล์มพลาสติกบางๆ กระดาษ และแม้กระทั่งสำลี
ในไอออนไนเซอร์สมัครเล่น อิเล็กโทรไลต์คือสารละลายเกลือแกง 25% หรือสารละลาย KOH 27% (ที่ความเข้มข้นต่ำกว่า ชั้นของไอออนลบจะไม่ก่อตัวบนอิเล็กโทรดบวก)

แผ่นทองแดงที่มีลวดบัดกรีไว้ล่วงหน้าจะถูกใช้เป็นอิเล็กโทรด พื้นผิวการทำงานควรทำความสะอาดด้วยออกไซด์ ในกรณีนี้ขอแนะนำให้ใช้กระดาษทรายหยาบที่ทำให้เกิดรอยขีดข่วน รอยขีดข่วนเหล่านี้จะช่วยเพิ่มการยึดเกาะของถ่านหินกับทองแดง เพื่อการยึดเกาะที่ดีแผ่นจะต้องล้างไขมันออก การล้างจานจะดำเนินการในสองขั้นตอน ขั้นแรกให้ล้างด้วยสบู่แล้วถูด้วยผงฟันแล้วล้างออกด้วยน้ำสะอาด หลังจากนี้คุณไม่ควรสัมผัสพวกเขาด้วยนิ้วของคุณ

ถ่านกัมมันต์ที่ซื้อจากร้านขายยา จะถูกบดในครกและผสมกับอิเล็กโทรไลต์เพื่อให้ได้เนื้อครีมข้น ซึ่งกระจายอยู่บนจานที่ขจัดไขมันออกอย่างทั่วถึง

ในระหว่างการทดสอบครั้งแรก แผ่นที่มีปะเก็นกระดาษจะถูกวางทับกัน จากนั้นเราจะลองชาร์จอีกครั้ง แต่มีความละเอียดอ่อนที่นี่ เมื่อแรงดันไฟฟ้ามากกว่า 1 V จะเริ่มปล่อยก๊าซ H2 และ O2 พวกมันทำลายอิเล็กโทรดคาร์บอนและไม่อนุญาตให้อุปกรณ์ของเราทำงานในโหมดตัวเก็บประจุ-ไอออนิสเตอร์

ดังนั้นเราจึงต้องชาร์จจากแหล่งกำเนิดที่มีแรงดันไฟฟ้าไม่สูงกว่า 1 V (นี่คือแรงดันไฟฟ้าสำหรับเพลตแต่ละคู่ที่แนะนำสำหรับการทำงานของไอออนไนเซอร์ทางอุตสาหกรรม)

รายละเอียดสำหรับผู้สนใจ

ที่แรงดันไฟฟ้ามากกว่า 1.2 V ไอโอนิสเตอร์จะเปลี่ยนเป็นแบตเตอรี่แก๊ส นี่เป็นอุปกรณ์ที่น่าสนใจซึ่งประกอบด้วยถ่านกัมมันต์และอิเล็กโทรดสองตัว แต่โครงสร้างได้รับการออกแบบแตกต่างออกไป (ดูรูปที่ 2) โดยทั่วไป ให้นำแท่งคาร์บอนสองแท่งจากเซลล์กัลวานิกเก่าแล้วมัดถุงถ่านกัมมันต์ผ้ากอซไว้รอบๆ สารละลาย KOH ใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ (ไม่ควรใช้สารละลายเกลือแกง เนื่องจากการสลายตัวจะปล่อยคลอรีนออกมา)

ความเข้มของพลังงานของแบตเตอรี่แก๊สสูงถึง 36,000 J/kg หรือ 10 Wh/kg ซึ่งมากกว่าไอออนไนเซอร์ถึง 10 เท่า แต่น้อยกว่าแบตเตอรี่ตะกั่วทั่วไปถึง 2.5 เท่า อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่แก๊สไม่ได้เป็นเพียงแบตเตอรี่ แต่เป็นเซลล์เชื้อเพลิงที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว เมื่อทำการชาร์จ จะมีการปล่อยก๊าซบนอิเล็กโทรด - ออกซิเจนและไฮโดรเจน พวกมันจะ "เกาะตัว" บนพื้นผิวของถ่านกัมมันต์ เมื่อกระแสโหลดปรากฏขึ้น พวกมันจะเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างน้ำและกระแสไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้จะดำเนินไปช้ามากโดยไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา และเมื่อปรากฎว่ามีเพียงแพลตตินัมเท่านั้นที่สามารถเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาได้ ดังนั้นแบตเตอรี่แก๊สจึงไม่เหมือนกับไอโอนิสเตอร์ตรงที่ไม่สามารถผลิตกระแสสูงได้

อย่างไรก็ตาม นักประดิษฐ์ชาวมอสโก A.G. Presnyakov (http://chemfiles.narod.r u/hit/gas_akk.htm) ใช้แบตเตอรี่แก๊สในการสตาร์ทเครื่องยนต์รถบรรทุกได้สำเร็จ น้ำหนักที่มากของเขา - มากกว่าปกติเกือบสามเท่า - ในกรณีนี้กลับกลายเป็นว่าสามารถทนได้ แต่ต้นทุนต่ำและการไม่มีวัสดุที่เป็นอันตราย เช่น กรดและตะกั่ว ดูน่าสนใจอย่างยิ่ง

แบตเตอรี่ก๊าซที่มีการออกแบบที่ง่ายที่สุดมีแนวโน้มที่จะคายประจุเองได้ภายใน 4-6 ชั่วโมง สิ่งนี้ทำให้การทดลองสิ้นสุดลง ใครต้องการรถที่ไม่สามารถสตาร์ทได้หลังจากจอดข้ามคืน?

แต่ถึงกระนั้น “เทคโนโลยีที่ยิ่งใหญ่” ก็ไม่ลืมเกี่ยวกับแบตเตอรี่แก๊ส ทรงพลัง น้ำหนักเบา และเชื่อถือได้ พบได้ในดาวเทียมบางดวง กระบวนการในนั้นเกิดขึ้นภายใต้แรงกดดันประมาณ 100 atm และใช้ฟองน้ำนิกเกิลเป็นตัวดูดซับก๊าซซึ่งภายใต้เงื่อนไขดังกล่าวจะทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา อุปกรณ์ทั้งหมดอยู่ในกระบอกคาร์บอนไฟเบอร์น้ำหนักเบาพิเศษ แบตเตอรี่ที่ได้จะมีความจุพลังงานสูงกว่าแบตเตอรี่ตะกั่วเกือบ 4 เท่า รถยนต์ไฟฟ้าสามารถเดินทางได้ประมาณ 600 กม. แต่น่าเสียดายที่ยังคงมีราคาแพงมาก