المكثفات الفائقة - الجهاز والتطبيق العملي والمزايا والعيوب

ما هو المكثف الفائق

تشبه المكثفات الفائقة أو المكثفات الفائقة المكثفات الإلكتروليتية العادية ، على الرغم من أنها تختلف عن الأخيرة في سعة كهربائية أعلى بكثير (مكثفات كبيرة للغاية). من حيث خصائصه ، فإن الأيونيستور هو تقاطع بين البطارية والمكثف. يمكن وصف جهازه بأنه مكثف بطبقة كهربائية مزدوجة ، فليس من قبيل الصدفة أن تسمى المكثفات الفائقة EDLC - مكثف كهربائي مزدوج الطبقة في الموارد الإنجليزية.

يعمل هذا المكثف بفضل العمليات الكهروكيميائية التي تحدث فيه ، وليس فقط بسبب المجال الكهربائي المخزن في العازل بين الألواح ، كما هو الحال في المكثف التقليدي. لا توجد طبقة عازلة تقليدية بين الألواح ، والألواح نفسها مصنوعة من مواد مختلفة في ناقلات الشحنة من النوع المعاكس.

لدرجة أن سعة المكثف يتناسب طرديا مع مساحة لوحاته ؛ من أجل الحصول على سعة كبيرة ، من الضروري وجود مساحة واسعة من اللوحات. ولهذا السبب تصنع أقطاب المكثف الفائق عادةً من الكربون الرغوي ، مما يعطي مساحة كبيرة جدًا من «الصفائح».

يتم فصل الأقطاب الكهربائية بواسطة فاصل وتكون في حمض صلب أو إلكتروليت قلوي. يزيل الفاصل ماس كهربائى بين الأقطاب الكهربائية. يجعل المنحل بالكهرباء البلوري من الروبيديوم والفضة واليود من الممكن إنشاء مؤينون عالي السعة ومنخفض التفريغ الذاتي ومقاوم لدرجات الحرارة المنخفضة.

يتم الحصول على المكثفات الفائقة ذات المقاومة الداخلية المنخفضة ، على سبيل المثال ، على أساس محلول حامض الكبريتيك ، ولكن الجهد التشغيلي لهذه المكثفات الفائقة يقتصر على 1 فولت ، بالإضافة إلى أن هذه الحلول سامة ، لذلك نادرًا ما يتم استخدامها.

يتسبب التفاعل الكهروكيميائي في المكثف الفائق في ترك بعض الإلكترونات للأقطاب الكهربائية ، مما يؤدي إلى شحن الأقطاب بشكل إيجابي. ينجذب المنحل بالكهرباء إلى الأقطاب الموجبة الشحنة الأيونات السالبة. هذا يشكل طبقة كهربائية.

نتيجة لذلك ، يتم تخزين شحنة المكثف الفائق في الواجهة بين الكربون والإلكتروليت ، ويبلغ سمك الطبقة الكهربائية المكونة من الكاتيونات والأنيونات 1-5 نانومتر فقط ، وهو ما يعادل مسافة صغيرة جدًا بين ألواح المكثف . ينتج عن هذا سعة كبيرة تقاس بالفاراد. المكثف الفائق هو قطبي ، لذلك عند توصيله بالدائرة ، من الضروري مراقبة القطبية الصحيحة.

تطبيق المكثفات الفائقة

اليوم ، غالبًا ما توجد المكثفات الفائقة في التكنولوجيا الرقمية كمصادر طاقة احتياطية لوحدات التحكم الدقيقة ودوائر الذاكرة وشرائح CMOS والساعات الإلكترونية والمزيد.

عند استخدامها مع البطاريات ، يمكن للمكثفات الفائقة أيضًا زيادة الكفاءة وتمكين تقليل وزن وحجم البطاريات ، مما يوفر طاقة إضافية أثناء ذروة الأحمال.

كونها في موقع وسيط بين المكثفات والبطاريات ، فإن المكثفات الفائقة قابلة للتطبيق في مختلف المجالات: تخزين الطاقة في أنظمة الكبح المتجددة ، وتطبيقات الطاقة المنخفضة وتطبيقات الشحن السريع (البرق ، المشغل ، الذاكرة ، إلخ).

من المرجح أن يشمل المستقبل الأجهزة الإلكترونية المحمولة والسيارات الكهربائية وأي شيء يعمل بالبطاريات اليوم ، مع ميزة أنه يمكن شحنها في دقائق. لا غنى عن المكثفات الفائقة أيضًا عند الحاجة إلى عدد كبير من دورات الشحن والتفريغ في ظل ظروف استهلاك الطاقة على المدى القصير.

نحن ندرج فقط بعض مجالات التطبيق الناجح للمكثفات الفائقة اليوم:

• طاقة الرياح،
• معدات طبية،
• إمدادات الطاقة الزائدة،
• احتياطي الطاقة ،
• تجديد طاقة الكبح ،
• الغذاء للإلكترونيات الاستهلاكية وأجهزة المطبخ ،
• تشغيل المصابيح وأجهزة الاستشعار ،
• ذاكرة احتياطية ،
• الحفاظ على إمدادات الطاقة للأقفال الإلكترونية ،
• استقرار الجهد.

المميزات والعيوب

تشمل عيوب المكثفات الفائقة جهد تشغيل منخفض (يصل إلى 2.7 فولت لكل خلية ، مما يؤدي إلى الحاجة إلى تجميع المكثفات الفائقة في البطاريات) وسعر مرتفع إلى حد ما مقارنة بالبطاريات والمكثفات.

الخصائص الإيجابية للمكثفات الفائقة: سرعة الشحن والتفريغ ، وموارد مئات الآلاف من الدورات ، وخالية من الصيانة ، وصغر الحجم والوزن ، وسهولة الاستخدام ، ومجموعة واسعة من درجات حرارة التشغيل ، وعمر خدمة طويل.

أنظر أيضا: ما الفرق بين البطاريات والمكثفات