معلومات

هل يمكن للمكثفات الفائقة أن تحل محل البطاريات في المركبات الكهربائية المستقبلية؟

هل يمكن للمكثفات الفائقة أن تحل محل البطاريات في المركبات الكهربائية المستقبلية؟

المكثفات الفائقة رائعة. لكن هل يمكنهم استبدال البطاريات بشكل ناجح في السيارات الكهربائية المستقبلية؟

تتمتع المكثفات الفائقة بمزايا كبيرة مقارنة بالبطاريات ، فهي أخف وزنا وأسرع في الشحن وأكثر أمانًا وغير سامة. ومع ذلك ، هناك بعض المناطق التي تمسح فيها البطاريات الأرضية بها. على الأقل لغاية الآن.

ذات صلة: TESLA TAPS في ابتكارات بطارية `` اختراق ''

مع عمليات الاستحواذ الأخيرة على مصنعي المكثفات الفائقة من قبل أمثال تسلا ، يمكن أن تكون المكثفات الفائقة على وشك التخلص من البطاريات كمصدر للطاقة الكهربائية للسيارات الكهربائية.

ما هو المكثف الفائق؟

تعتبر المكثفات الفائقة ، والتي تسمى أيضًا المكثفات الفائقة ، أو المكثفات ثنائية الطبقة ، أو المكثفات الكهروكيميائية ، نوعًا من أنظمة تخزين الطاقة التي اكتسبت شعبية في السنوات الأخيرة. يمكن اعتبارهما تقاطعًا بين مكثف عادي وبطارية ، لكنهما يختلفان عن كليهما.

تتمتع المكثفات الفائقة بسعة عالية جدًا مقارنة ببدائلها التقليدية - ومن هنا جاءت تسميتها. تمامًا مثل البطارية ، تحتوي خلايا ultracapacitor على قطب موجب وسالب يفصل بينهما إلكتروليت. ولكن على عكس البطاريات ، تخزن المكثفات الفائقة الطاقة إلكتروستاتيكيًا (بنفس طريقة المكثف) بدلاً من البطارية كيميائيًا.

تحتوي المكثفات الفائقة أيضًا على فاصل عازل يقسم الإلكتروليت - تمامًا مثل المكثف. تسمح بنية الخلية الداخلية هذه بأن يكون للمكثفات الفائقة كثافة تخزين طاقة عالية جدًا ، خاصةً عند مقارنتها بالمكثف العادي.

تقوم المكثفات الفائقة بتخزين طاقة أقل من البطارية المماثلة الحجم. لكنهم قادرون على إطلاق طاقتهم بسرعة أكبر ، لأن التفريغ لا يعتمد على حدوث تفاعل كيميائي.

فائدة كبيرة أخرى للمكثفات الفائقة هي أنه يمكن إعادة شحنها عددًا كبيرًا من المرات مع القليل من التحلل أو بدون تدهور (بما يزيد عن 1 مليون دولار الشحنات / دورات التفريغ ليست غير شائعة). هذا بسبب عدم حدوث تغييرات فيزيائية أو كيميائية عند إعادة الشحن.

لهذا السبب ، غالبًا ما تُستخدم المكثفات الفائقة في التطبيقات التي تتطلب العديد من دورات الشحن / التفريغ السريعة بدلاً من تخزين الطاقة المضغوط طويل المدى ، مثل حزم تعزيز السيارة وبنوك الطاقة.

أكثر المواد المستخدمة في القطب الكهربائي للمكثفات الفائقة هي الكربون بأشكال مختلفة ، مثل الكربون المنشط ، وقماش ألياف الكربون ، والكربون المشتق من الكربيد ، وهلام الكربون ، والجرافيت (الجرافين) ، والأنابيب النانوية الكربونية (CNTs).

كيف يتم شحن مكثف فائق؟

عندما يتم تطبيق فرق الجهد على الألواح الموجبة والسالبة للمكثف ، فإنه يبدأ في الشحن. وفقًا لجامعة باتري ، "هذا مشابه لتراكم الشحنات الكهربائية عند المشي على سجادة. لمس جسم ما يطلق الطاقة من خلال الإصبع."

تم تطوير بعض الأمثلة الأولى لهذه التكنولوجيا في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي في شركة جنرال إلكتريك ، ولكن لم تكن هناك تطبيقات تجارية قابلة للتطبيق في ذلك الوقت. سيستغرق التقدم في علم المواد والتصنيع حتى تسعينيات القرن الماضي لتحسين أداء المكثفات الفائقة وخفض تكلفتها بما يكفي لجعلها مجدية تجاريًا.

كيف تعمل المكثفات الفائقة؟

كما تم التطرق إليه أعلاه ، تعمل المكثفات الفائقة من خلال تقديم دفعات سريعة من الطاقة خلال فترات ذروة الطلب على الطاقة ، ثم تلتقط وتخزن بسرعة الطاقة الزائدة التي قد يتم فقدها.

لهذا السبب ، فهي مجاملة كبيرة لمصادر الطاقة الأولية ، لأنها تشحن وتفريغ بسرعة وكفاءة.

بينما يمكن أن تحتوي البطاريات على كميات كبيرة من الطاقة ، فإنها تستغرق ساعات لإعادة شحنها. في المقابل ، المكثفات ، وخاصة المكثفات الفائقة ، تشحن على الفور تقريبًا ، لكنها لا تستطيع تخزين سوى كميات صغيرة من الطاقة.

لهذا السبب ، تعد المكثفات الفائقة الحل الأمثل عندما يحتاج النظام إلى الشحن بسرعة ولا يحتاج إلى تخزين الكهرباء لفترات طويلة من الزمن. كما أنها تزن أقل من البطاريات ، وتكلفتها أقل ، ولا تحتوي عمومًا على معادن سامة أو مواد ضارة.

هل يمكن أن تحل المكثفات الفائقة محل البطاريات؟

تعتمد الإجابة على هذا السؤال إلى حد كبير على الغرض الذي سيتم استخدامه من أجله. هناك مزايا وعيوب كل منها. كما ذكرنا سابقًا ، تحتوي البطاريات على نسبة أعلى من ذلك بكثير الطاقة كثافة من المكثفات الفائقة.

هذا يعني أنها أكثر ملاءمة لتطبيقات كثافة الطاقة العالية ، أو عندما يحتاج الجهاز إلى التشغيل لفترات طويلة بشحنة واحدة. تحتوي المكثفات الفائقة على نسبة أعلى من ذلك بكثير قوة كثافة من البطاريات. هذا يجعلها مثالية للتطبيقات عالية الاستنزاف مثل تشغيل سيارة كهربائية.

كما ذكر أعلاه ، تتمتع المكثفات الفائقة أيضًا بعمر أطول بكثير من البطاريات. يمكن للبطارية العادية التعامل معها 2000-3000 دورات الشحن والتفريغ ، في حين أن المكثفات الفائقة يمكن أن تستمر عادة أكثر من 1,000,000. يمكن أن يمثل هذا توفيرًا كبيرًا في المواد والتكاليف.

تعد المكثفات الفائقة أيضًا أكثر أمانًا وأقل سمية إلى حد كبير. لا تحتوي على مواد كيميائية ضارة أو معادن ثقيلة وهي أقل عرضة للانفجار من البطاريات.

بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع المكثفات الفائقة بنطاق تشغيل أكبر بكثير من البطاريات. في الواقع ، قاموا بضرب البطاريات في هذه المنطقة ، حيث يمكنهم العمل في نطاقات بين -40 إلى +65 درجة مئوية.

يمكن أيضًا شحن المكثفات الفائقة وتفريغها بسرعة أكبر بكثير من البطاريات ، عادةً في غضون ثوانٍ ، وهي أكثر كفاءة في التفريغ الذاتي من البطاريات.

تتمتع العديد من المكثفات الفائقة أيضًا بعمر افتراضي أطول بكثير من البطاريات. يمكن تخزين بعضها ، مثل خلايا SkelCap ، لفترة طويلة 15 سنوات في كل مرة مع انخفاض ضئيل أو معدوم في السعة.

كما هو الحال مع معظم التقنيات ، فإن المحرك الرئيسي لتطبيق المكثفات الفائقة هو نسبة التكلفة إلى الفائدة. تميل المكثفات الفائقة إلى أن تكون الخيار الأكثر اقتصادا على المدى الطويل للتطبيقات التي تحتاج إلى دفعات قصيرة من الطاقة.

ومع ذلك ، تعد البطاريات خيارًا أفضل بكثير للتطبيقات التي تتطلب تيارًا ثابتًا ومنخفضًا بمرور الوقت.

هل يمكن أن تحل المكثفات الفائقة محل البطاريات في السيارات الكهربائية المستقبلية؟

كما رأينا ، فإن المكثفات الفائقة هي الأنسب للحالات التي تتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة في فترة زمنية قصيرة. فيما يتعلق بالسيارات الكهربائية ، فإن هذا يعني أنه سيكون لها مزايا على البطاريات عندما تحتاج السيارة إلى دفعات من الطاقة - مثل أثناء التسارع.

في الواقع ، هذا ما فعلته تويوتا مع سيارة Yaris Hybrid-R النموذجية ، والتي تستخدم مكثفًا فائقًا للاستخدام أثناء التسارع.

بدأت PSA Peugeot Citroen أيضًا في استخدام المكثفات الفائقة كجزء من أنظمة توفير الوقود في البداية والتوقف. هذا يسمح بتسريع أولي أسرع بكثير.

يستخدم نظام i-ELOOP من Mazda أيضًا المكثفات الفائقة لتخزين الطاقة أثناء التباطؤ. ثم يتم استخدام الطاقة المخزنة لأنظمة إيقاف تشغيل المحرك.

تُستخدم المكثفات الفائقة أيضًا لشحن إمدادات الطاقة بسرعة في الحافلات الهجينة أثناء انتقالها من محطة إلى أخرى.

عندما يتم استخدام الطاقة الهجينة فقط للأداء ، فإن قضايا مثل النطاق والقدرة على الاحتفاظ بالشحن ليست مهمة بنفس القدر - ولذا فإن بعض الشركات المصنعة الراقية ، مثل لامبورغيني بدأت أيضًا في دمج المحركات الإلكترونية التي تعمل بالمكثف الفائق في سياراتهم الهجينة .

ومع ذلك ، فإن المكثفات الفائقة ليست بديلاً عن البطاريات في معظم السيارات الكهربائية - حتى الآن. من المحتمل أن تكون بطاريات Li-ion مصدر الطاقة المناسب للمركبات الكهربائية في المستقبل القريب إلى البعيد.

يعتقد الكثيرون أنه من المرجح أن تصبح المكثفات الفائقة أكثر شيوعًا مثل أنظمة تجديد الطاقة أثناء التباطؤ. يمكن بعد ذلك إعادة استخدام هذه الطاقة المخزنة أثناء فترات التسارع بدلاً من الاستبدال المباشر للبطاريات.

ومع ذلك ، وفقًا لهذه الدراسة ، يمكن أن يكون لها أيضًا تطبيقات في المركبات الهجينة بدلاً من البطاريات عندما يكون "الطلب على الطاقة أقل من قدرة الطاقة للمحرك الكهربائي ؛ عندما يتجاوز طلب طاقة السيارة احتياجات المحرك الكهربائي يتم تشغيله لتلبية الطلب على طاقة السيارة بالإضافة إلى توفير الطاقة لإعادة شحن وحدة المكثف الفائق. "

يمكن أن تؤدي الأبحاث الحديثة حول المكثفات الفائقة القائمة على الجرافين أيضًا إلى حدوث تطورات في استخدام المكثفات الفائقة في السيارات الكهربائية. أسفرت إحدى الدراسات التي أجراها علماء في جامعة رايس وجامعة كوينزلاند للتكنولوجيا عن ورقتين نشرتا فيمجلة مصادر الطاقة وتقنية النانو.

اقترحوا حلاً يتكون من طبقتين من الجرافين ، مع طبقة إلكتروليت بينهما. هذا الفيلم الناتج قوي ورفيع وقادر على إطلاق كميات كبيرة من الطاقة في وقت قصير.

هذه العوامل معطاة - إنها مكثف فائق بعد كل شيء. ما يجعل هذه الدراسة مختلفة هو أن الباحثين يقترحون أن المكثفات الفائقة الجديدة الرقيقة يمكن أن تحل محل البطاريات الأكبر حجمًا في السيارات الكهربائية المستقبلية.

يمكن أن يشمل ذلك أيضًا دمج المكثفات الفائقة في ألواح الهيكل وألواح السقف والأرضيات وحتى الأبواب ، على سبيل المثال. من الناحية النظرية ، يمكن أن يوفر هذا للسيارة كل الطاقة التي تحتاجها ، ويجعلها أخف بكثير من السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات.

يمكن شحن مثل هذه السيارة الكهربائية بشكل أسرع بكثير من السيارات الحالية التي تعمل بالبطاريات. ولكن ، مثل جميع المكثفات الفائقة ، لا يزال هذا المحلول لا يحتوي على قدر من الطاقة مثل البطاريات القياسية.

"في المستقبل ، من المأمول أن يتم تطوير المكثف الفائق لتخزين طاقة أكبر من بطارية Li-Ion مع الاحتفاظ بالقدرة على إطلاق طاقتها حتى 10 مرات أسرع - مما يعني أن السيارة يمكن أن تعمل بالكامل بواسطة المكثفات الفائقة في ألواح هيكلها ، "قال المؤلف المشارك للدراسة Jinzhang Liu.

"بعد شحن كامل ، يجب أن تكون هذه السيارة قادرة على العمل حتى 500 كم (310 ميلا) - على غرار السيارة التي تعمل بالبنزين وأكثر من ضعف الحد الحالي للسيارة الكهربائية. "

أوقات مثيرة للاهتمام في المستقبل على ما يبدو. انظر لهذه المساحة.


شاهد الفيديو: تركيب مكثف علي بطارية السيارة (شهر نوفمبر 2021).