متنوع

ما هو Super Capacitor أو Supercap أو Ultracapacitor

ما هو Super Capacitor أو Supercap أو Ultracapacitor

المكثف الفائق هو شكل متخصص من المكثف يوفر مستويات عالية جدًا من السعة - تصل أحيانًا إلى العديد من الفاراد.

قد تُعرف المكثفات الفائقة أيضًا باسم supercaps والمكثفات الفائقة وبعض الأنواع تُعرف باسم المكثفات ثنائية الطبقة بسبب بنيتها.

أساسيات تقنية Supercapacitor

تختلف التقنية الكامنة وراء المكثفات الفائقة عن تلك المستخدمة في المكثف العادي. يجب أن يتبنى نهجًا مختلفًا لتمكين تحقيق القيم العالية جدًا للسعة.

هناك عدة أنواع من تقنية supercap أو ultracapacitor التي يمكن استخدامها ولكن الأكثر استخدامًا يعرف باسم مكثف الطبقة المزدوجة ، DLC.

يستخدم المكثف الفائق DLC تقنية قائمة على الكربون تستخدم إلكتروليتًا عضويًا. هذه التكنولوجيا أسهل في التصنيع من الأنواع الأخرى ، وبالتالي فقد اكتسبت قبولًا أوسع.

مثل المكثفات التقليدية ، تحتوي المكثفات الفائقة على لوحين معدنيين. هذه الألواح مطلية بالكربون المنشط وهو مادة مسامية تشبه الإسفنج. يتم غمر هذه الصفائح في إلكتروليت يحتوي على أيونات موجبة وسالبة. أحد الألواح المطلية بالكربون ، أو القطب الموجب ، والآخر سالب. أثناء الشحن ، تتراكم الأيونات من الإلكتروليت على سطح كل لوح مطلي بالكربون.

عندما يحدث الشحن ، تحتوي أقطاب الكربون على طبقتين من الشحنة تغطيان أسطحهما وهذا يؤدي إلى ظهور اسم مكثفات الطبقة المزدوجة. المسافة بين طبقتين من الشحنة في القطب الكهربائي صغيرة للغاية وهذا يعني أن مستويات السعة العالية جدًا يمكن تحقيقها. أيضًا نظرًا لوجود طبقات شحن في كل قطب كهربائي ، فإن المكثف الفائق هو في الواقع مكثفان في سلسلة ، واحد في كل قطب كهربائي

هناك نوعان من مكثفات الطبقة المزدوجة الناتجة عن آليات تخزين الشحن المختلفة:

  • مكثف كهربائي مزدوج الطبقة: يقوم EDLC بتخزين الطاقة في طبقة مزدوجة عند واجهة القطب / المنحل بالكهرباء. في هذا النوع من المكثفات ، تكون مادة القطب المستخدمة في بناء الخلية للأولى هي مادة الكربون بشكل أساسي.
  • مكثف ذو طبقة مزدوجة كهروكيميائية أو مكثف فائق / زائف: يحافظ supercapacitor على تفاعل فارادي بين القطب الكهربائي والإلكتروليت في نافذة محتملة مناسبة. في هذا النوع من المكثفات الفائقة ، تتكون مادة القطب الكهربي إما من أكاسيد معدنية انتقالية أو خليط من أكاسيد / بوليمرات الكربون والمعادن

بالنسبة لكلا النوعين من المكثفات ، يمكن أن تكون الإلكتروليتات إما مائية أو غير مائية اعتمادًا على طريقة بناء خلية المكثف.

ولهذا السبب ، قد يتم تسويق المكثفات الفائقة والمكثفات ذات الطبقة المزدوجة بشكل منفصل باستخدام أسماء مختلفة. في كثير من الأحيان لا تحتوي المكثفات ذات الطبقة المزدوجة على نفس مستوى السعة العالية.

تطبيقات مكثف فائق

إن السعة العالية جدًا للمكثفات الفائقة تجعلها مثالية لمجموعة متنوعة من التطبيقات المختلفة - يرتبط معظمها بمصادر الطاقة.

أحد الاستخدامات الرئيسية هو إمدادات التخزين المؤقت للذكريات حيث تمكّن الذكريات التي قد تعتمد على إمداداتها للاحتفاظ بالبيانات حتى إذا تم إزالة الطاقة.

يتم استخدامها أيضًا في مصادر الطاقة غير المنقطعة ، UPS ، حيث تكون قادرة على توفير مستويات عالية من الطاقة لفترة قصيرة - كافية للحفاظ على المعدات في حالة جيدة حتى عودة pwoer أو بدء إمداد النسخ الاحتياطي ..

بدأ أيضًا استخدام المكثفات الفائقة داخل المركبات لتوفير قدرة تحسين الحمل القصوى لمصدر الطاقة. يتم استخدامها أيضًا في أنظمة الكبح المتجددة حيث يتم تخزين الطاقة المستعادة أثناء الكبح لاستخدامها لاحقًا.

Supercapacitor مقابل البطارية مقارنة

يتنافس المكثف الفائق وبعض تقنيات البطاريات على بعض التطبيقات. يجدر إلقاء نظرة على المقارنة بين مكثف فائق نموذجي وتكنولوجيا بطارية ليثيوم أيون عالية السعة المستخدمة اليوم. تم استخدام تقنية الليثيوم أيون للمقارنة لأنها تقنية البطاريات الأعلى كثافة في الاستخدام الواسع اليوم.

المقارنات التي تم إجراؤها هي فقط للتقييم التقريبي ويجب أن يعتمد أي قرار على الرقم الدقيق الذي تم الحصول عليه من الشركات المصنعة للأجهزة التي يتم النظر فيها لأن التكنولوجيا في كلا المجالين تتقدم بسرعة.

مقارنة بين Super Capacitor وبطارية ليثيوم أيون
معاملالمكثف الفائقليثيوم أيون
جهد الخلية2.3 - 2.7 فولت3.6 فولت
وقت الشحن1-10 ثواني10-60 دقيقة
العمر (دورات الشحن / التفريغ)~ 1 مليون500 - 3000
طاقة محددة (Wh / kg)~5100 - 200
قوة محددة (W / kg)ما يصل إلى 100001000 - 3000
صيانة الجهد الناتجفقيرجيد
سلامةآمنة نسبيًا عند إساءة استخدامهاأقل أمانًا وعُرف أنه ينفجر في مناسبات نادرة
التكلفة لكل واط~ 20 وحدة~ 1 وحدة
خدمة الحياة~ 10 سنوات~ 5 سنوات
نطاق الحرارة الشغالة~ -40 إلى +65 درجة مئوية~ 0 إلى + 40 درجة مئوية

قيود Supercaps

يتم استخدام المكثف الفائق أو المكثف الفائق على نطاق واسع في العديد من التطبيقات والمكونات متاحة من العديد من الموردين والموزعين. ومع ذلك ، هناك بعض النقاط التي يجب ملاحظتها عند التفكير في دمج واحدة في تصميم جديد:

  • أقصى جهد: يوجد جهد أقصى للمكثفات الفائقة. يمكن تصنيع أنواع أخرى من المكثفات لتعمل عند الفولتية العالية ، ولكن المكثفات الفائقة تقتصر عمومًا على جهد التشغيل في منطقة 2.5 - 2.7 فولت. من الممكن تصنيعها للتشغيل فوق 2.8 فولت ولكن تم تقليل العمر التشغيلي.
  • عملية المتسلسلة: من أجل تحقيق جهد تشغيل أعلى للمكثفات الفائقة ، يمكن وضعها في سلسلة. هذا يقلل من السعة الكلية كما هو الحال مع أي مكثفات موضوعة في سلسلة. وأيضًا في حالة الحاجة إلى وضع أكثر من ثلاثة مكثفات في سلسلة ، فمن الضروري تنفيذ تقنيات موازنة الجهد. نظرًا لأن تيارات التسرب عبر المكثفات من المحتمل أن تكون مختلفة ، فإن تقسيم الجهد عبر المكثفات لن يكون متساويًا وقد يدخل واحد أو أكثر وموضع الجهد الزائد.
  • التفريغ الذاتي: يمكن أن يكون التفريغ الذاتي للمكثفات الفائقة مشكلة في بعض الظروف. ينتج عن الإلكتروليت المستخدم وهذا يعني أن الطاقة المخزنة يمكن أن تنخفض بنسبة 50٪ أو أكثر في غضون شهر أو نحو ذلك. وبالمقارنة ، فإن بطارية النيكل (NiCd أو NiMH) تفريغ ذاتيًا بنسبة 10٪ أو أكثر شهريًا وبطارية Li-ion بحوالي 5٪ شهريًا.

بشكل عام ، القيود المفروضة على supercaps ليست مشكلة كبيرة. يمكن التغلب عليها عادة في تلك المجالات التي تكون فيها مشكلة ، وفي بعضها قد لا تسبب أي مشكلة.

ملخص مكثف مكثف فائق

يقدم الجدول أدناه بعض الميزات البارزة حول بعض مكثفات الأغشية المعدنية الأكثر استخدامًا والتي يمكن أخذها في الاعتبار عند تصميم الدوائر أو استبدال المكونات القديمة.

Super Capacitor ، ملخص Supercap
معاملتفاصيل
مدى القيمة~ 0.1 فاراد لأعلى
طاقة كهربائية شغالةنموذجيًا 2.5 - 2.8 فولت


شاهد الفيديو: 33000 Farad Super Capacitor Pack, 20900A, How strong? (قد 2021).