كان مفهوم المكثفات موجودًا منذ فترة طويلة. عُرفت لأول مرة باسم زجاجة ليدن. نموذجها الأولي عبارة عن زجاجة زجاجية تحتوي على عازل حمض متحلل بالماء. موصل مغمور في الحمض والرقائق المعدنية المطلية على السطح الخارجي للزجاجة تعمل كقطبين كهربائيين. يتم استخدام الزجاج الموجود بينهما كمواد عازلة للكهرباء ، كما هو موضح في الشكل 1. قدم بيركر براءة اختراع في عام 1757 ، واصفًا أن الطاقة الكهربائية في الخلية الأولية يتم تخزينها بواسطة الشحنة المخزنة في الخلية المزدوجة المغمورة في الكربون المائي المسامي. واجهة مادية. ما هو المكثف الكهروكيميائي (المعروف أيضًا باسم المكثف الفائق)؟ أول ما تم تسميته هو مكثف كبير السعة (لكل جرام من سعة الفاراد) تم تطويره بواسطة نظام غشاء من أكسيد الهافنيوم وطبقة كربونية مزدوجة. كيف يتم تحقيق سعة الشحن الكبيرة هذه؟ بعد ذلك سنكتشف ما يجري.
الشكل 1 الشكل 1: المبدأ والخريطة المادية لزجاجة لايدن

مسار المكثفات الكهروكيميائية - مكمل قوي في مجال الطاقة 1

أولا التصنيف والمبدأ
من المعروف أن المكثفات الكهروكيميائية لها العديد من الميزات البارزة: كثافة الطاقة العالية (الشحن والتفريغ السريع ، الدرجة الثانية) ، دورة حياة طويلة ، وكثافة طاقة كبيرة نسبيًا (أقل بقليل من بطاريات الليثيوم أيون) ، وكلها تعتمد على تخزين الطاقة آلية. وفقًا لمبدأ تخزين الطاقة ، يتم تقسيم المكثفات الكهروكيميائية عمومًا إلى مكثفات كهربائية مزدوجة الطبقة ومكثفات فاراداي التنتالوم. بالطبع ، يُطلق على مزج الاثنين معًا أيضًا مكثف هجين. ما هي آليات تخزين الطاقة الخاصة بكل منها وكيف تختلف عن بطاريات الليثيوم أيون؟ أدناه نفهم بإيجاز بعض مبادئ تخزين الطاقة الأساسية والاختلاف مع بطاريات الليثيوم أيون ، كما هو موضح في الشكل 2.

مسار المكثفات الكهروكيميائية - مكمل قوي في مجال الطاقة 2

الشكل 2 مقارنة التركيب الأساسي وآلية تخزين الطاقة لمكثف كهربائي مزدوج الطبقة ومكثف فاراداي التنتالوم وبطارية ليثيوم أيون
في مكثف كهربائي مزدوج الطبقة ، تتركز الشحنات في منطقة قريبة من السطح ، وتجذب الأيونات الموجبة والسالبة في الإلكتروليت ، وبالتالي يتشكل مجال إلكتروستاتيكي بين القطب والكهارل لتخزين الطاقة. يحتوي كلا القطبين على زوج شحنة موجب وسالب ، لذلك يطلق عليه مكثف كهربائي مزدوج الطبقة. هذا التفاعل هو امتصاص فيزيائي عكسي للغاية ، واستقرار ممتاز للدورة (> 100000 مرة) ، ومعدل الشحن والتفريغ سريع للغاية ، لكن الطاقة ليست عالية بسبب الشحن المحدود. في مكثف تانتالوم فاراداي ، تمر الشحنة عبر واجهة القطب الكهربائي ، ويسبب سطح مادة التكافؤ المتغيرة في القطب أو المضمنة فيه تفاعل الأكسدة والاختزال للاندماج مع الأيونات في الإلكتروليت لتحقيق تخزين الشحنة. تختلف آلية تخزين الطاقة عن طريقة تخزين الطاقة الكهربائية التقليدية ذات الطبقة المزدوجة. نظرًا لأن بعض تفاعلات الأكسدة والاختزال هذه عبارة عن تفاعلات عكسية سريعة على سطح القطب ، وبعضها عبارة عن تفاعلات مضمنة مع تغيير طور معين ، فإن استقرار الدورة يكون أسوأ من مكثف الطبقة المزدوجة الكهربائي ، ولكن يتم تحسين الطاقة المخزنة. بالنسبة لبطارية ليثيوم أيون ، تعتمد بشكل أساسي على أيونات الليثيوم في الإلكتروليت ليتم دمجها وإزالتها في الهيكل ذي الطبقات للأقطاب الموجبة والسالبة أثناء الشحن والتفريغ لتحقيق تخزين الشحنة وإطلاقها. في ظل هذه الآلية ، تكون الطاقة المخزنة كبيرة جدًا ، ولكن نظرًا لعملية تغيير الطور ، تكون سرعة نقل الشحنة بطيئة ، ويتم انهيار الهيكل بسهولة ، وبالتالي فإن أداء الدورة ليس مرتفعًا.
2. البنية والتنمية
يظهر الهيكل الأساسي للمكثف الكهروكيميائي في الشكل. 2 ، ويشتمل بشكل أساسي على قطب كهربائي وإلكتروليت وفاصل معزول بين القطبين. تعد مواد الإلكترودات والإلكتروليتات أهم مكونين ، والبحث الذي تم الحصول عليه منهجي للغاية. فيما يلي مقدمة موجزة عن تقدم البحث في مواد وشوارد الإلكتروليت الرئيسية.
مادة القطب
كان البحث عن مواد الإلكترود ناضجًا جدًا. تستخدم معظم المكثفات الكهربائية الأصلية ذات الطبقة المزدوجة مواد كربونية مثل الكربون المسامي وألياف الكربون وأنابيب الكربون النانوية والجرافين. على الرغم من أن مادة الكربون لها سعة صغيرة وكثافة طاقة منخفضة ، إلا أن حملها على الركيزة الموصلة يمكن أن يكون مرتفعًا للغاية ، مما يجعلها مطبقة على نطاق واسع وعميق في مجال التسويق. بالطبع ، بدأ الباحثون مؤخرًا في تنشيط المواد الكربونية لتحقيق كثافة طاقة أعلى ، والتي من المتوقع أن تزيد بشكل كبير من مستوى أداء الكربون التجاري.
بسبب السعة المحدودة للمواد الكربونية وعدم كفاية تخزين الطاقة ، أصبحت مكثفات التنتالوم تدريجياً نقطة ساخنة للبحث. تشمل المواد الرئيسية التي تم استكشافها أكاسيد المعادن ، والبوليمرات الموصلة ، ونتريد المعادن ، ومؤخراً دراسة كربيدات المعدن الساخن. أول ما تمت دراسته على نطاق واسع هو أكسيد الإيتريوم ، الذي يتمتع بأداء كهروكيميائي ممتاز ، لكنه يكتسب اهتمامًا تدريجيًا بسبب انخفاض إنتاجه وارتفاع سعره. العديد من أكاسيد المعادن متفوقة في الأداء ، ولكن لها عيوب الموصلية الكهربائية الضعيفة ، والتي تؤثر بشكل كبير على خصائص الشحن والتفريغ السريع للمكثفات الكهروكيميائية. تفوق موصلية البوليمر الموصل تلك الخاصة بمعظم أكاسيد المعادن ، والأداء مشابه ، ولكن هناك مشكلة تتمثل في ضعف استقرار الدورة. تتميز النتريدات المعدنية بموصلية كهربائية فائقة وقدرة تخزين جيدة للطاقة ، ولكنها تتأكسد بسهولة أثناء الدورات الكهروكيميائية لتقليل التوصيل الكهربائي ، وأداء الدورة غير مضمون. حظيت الكربيدات المعدنية أو الكربونات والمواد ذات الطبقات المقابلة (مثل Mxene ، إلخ) باهتمام واسع من الباحثين في السنوات الأخيرة ولديها إمكانات كبيرة للتطوير.
بالكهرباء
ينضج نظام الإلكتروليت للمكثفات الكهروكيميائية تدريجياً مع تطور الأقطاب الكهربائية. من منظور التصنيف الكبير ، يشتمل المنحل بالكهرباء بشكل أساسي على إلكتروليت مائي وإلكتروليت عضوي. يحتوي المنحل بالكهرباء ذو الأساس المائي على حمض ، وحمض ، ومحايد ، ولديه موصلية أيونية عالية ، ولكنه مقيد بحد جهد تحلل الماء (1.23 فولت) ، والجهد العامل به منخفض. تُستخدم الإلكتروليتات المائية بشكل أكبر في البحث العلمي ، ولكن هناك القليل من المنتجات التجارية. نوع المنحل بالكهرباء العضوي كبير نسبيًا ، وأكبر ما يميزه هو أن الجهد الحدي أعلى بكثير من الجهد الكهربي المائي (2.7-3.7 فولت). لذلك ، يمكن لجهد التشغيل العالي أن يساعد المكثف الفائق على زيادة كثافة طاقته بشكل كبير. في المكثفات الكهروكيميائية التجارية ، يتم استخدام الغالبية العظمى من الإلكتروليتات العضوية.
تطوير هيكل المكثف الكهروكيميائي
مع تعميق وخصوصية العمل البحثي ، تطور أيضًا شكل جهاز المكثف الكهروكيميائي كثيرًا. كانت المكثفات الفائقة الأولى المتوفرة تجارياً من نوع الجرح ونوع الزر (نفس بنية البطارية التقليدية) ، كما هو موضح في الشكل 3.

مسار المكثفات الكهروكيميائية - مكمل قوي في مجال الطاقة 3

الشكل 3 المكثفات الفائقة من النوع المتعرج والأزرار
مع الزيادة التدريجية في الطلب ، هناك بعض أوجه القصور في سطح تطبيق المكثفات الكهروكيميائية للركائز الصلبة. أصبحت المكثفات الفائقة المحمولة المرنة نقطة ساخنة للبحث. يتمثل التقدم الرئيسي في أن الركيزة عبارة عن مادة موصلة مرنة مثل القماش الكربوني وورق الكربون ورغوة النيكل والألواح المعدنية المرنة والأنابيب النانوية الكربونية ذاتية الدعم ، وما إلى ذلك ، كما هو موضح في الشكل 4.

مسار المكثفات الكهروكيميائية - مكمل قوي في مجال الطاقة 4

الشكل 4 مواد مرنة للإلكترود للعديد من المكثفات الفائقة المرنة
يمكن للمكثف الفائق المرن أن يحقق الحمل المريح لوحدة تخزين الطاقة ، والمكثف الكهروكيميائي المرن كما هو موضح في الشكل. 5 يقود الساعة الإلكترونية كحزام ساعة في نفس الوقت.

مسار المكثفات الكهروكيميائية - مكمل قوي في مجال الطاقة 5

الشكل 5 بعض تطبيقات المكثفات الفائقة المرنة ثنائية الأبعاد
علاوة على ذلك ، عندما يتعلق الأمر بالأجهزة القابلة للارتداء ، فإن الركيزة المرنة ثنائية الأبعاد لا تزال غير كافية لتلبية أي حاجة للنسيج. في هذا الوقت ، تم أيضًا تطوير المكثفات الفائقة الخطية أحادية البعد. يمكن تحقيق النسيج الفعال للملابس باستخدام هذه المكثفات الخطية الفائقة ، كما هو موضح في بعض الشكل 6.

مسار المكثفات الكهروكيميائية - مكمل قوي في مجال الطاقة 6

الشكل 6 عرض نسج مكثف خطي أحادي البعد
3. المستقبل والآفاق
كيف سيتطور مستقبل المكثفات الفائقة؟ إنه جهاز لتخزين الطاقة ، ولكن نظرًا لمحدودية مبدأه ، من الصعب تجاوز سعة التخزين للبطارية (إذا كانت أكثر من مكثف فائق) ، فلا ينبغي أن يكون لها نفس تأثير البطارية ، ولكن يجب استخدامها مثل بطارية. إضافة قوية لمصدر الطاقة الرئيسي. في هذه الحالة ، يعتمد تطورها بشكل طبيعي على الطلب. عند استخدام الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح لتخزين الطاقة ، تزداد قوتها ؛ عند استخدامه كمصدر احتياطي للطاقة ، يتم تعظيم تخزين الطاقة الخاص به. باختصار ، هو متابعة الاحتياجات.
أعتقد أنه في المستقبل القريب ، ستصبح المكثفات الكهروكيميائية عنصرًا لا غنى عنه في الحياة اليومية ، مثل البطاريات ، وستصبح مساعدنا الجيد!

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *