Supercapacitors: Menene su, yadda suke aiki, da kuma yadda za su iya tafiya

Shin kun taɓa mamakin yadda wasu na'urorin lantarki za su iya samun iko mai yawa a cikin 'yan daƙiƙa kaɗan? Daga motocin lantarki zuwa masu hawan masana'antu da tsarin makamashi mai sabuntawa, akwai fasaha guda ɗaya da ke da ikon yin juyin juya halin yadda muke adanawa da sakin makamashi: super capacitors. Waɗannan ɓangarorin suna ɗaukar ra'ayin capacitor na gargajiya zuwa sabon matakin, suna ba da damar da, ba da daɗewa ba, da alama ba zai yiwu ba.

A cikin wannan labarin za mu gaya muku dalla-dalla abin da supercapacitor yake, yadda yake aiki, da irin ƙarfin da zai iya cimma. da kuma dalilin da ya sa ya zama daya daga cikin ginshiƙai na ajiyar makamashi na zamani. Idan kuna neman bayani mai tsauri, mai zurfi, kuma mai daɗi, ku kasance tare da ku saboda kuna shirin gano sabbin abubuwan ajiyar makamashi a cikin saurin karyewar wuya.

Menene supercapacitor?

Supercapacitor, wanda kuma aka sani da ultracapacitor, EDLC (Mai amfani da wutar lantarki Double Layer Capacitor), ko capacitor mai Layer biyu., na'urar adana makamashin lantarki ce wacce babban halayenta shine babban ƙarfinsa don tarawa da isar da makamashi nan take. Za su iya adanawa tsakanin sau 10 zuwa 100 fiye da makamashi fiye da na al'ada capacitors. kuma suna tsaka-tsaki tsakanin batura masu sinadarai da mafi kyawun capacitors, suna haɗa mafi kyawun kowace fasaha.

Wadannan na'urorin sun fito ne a cikin rabin na biyu na karni na 70 kuma, daga nau'in farko na farad ɗaya kawai a cikin 80s da 5.000s, sun samo asali don isa ga kasuwancin har zuwa farads XNUMX har ma fiye da haka a cikin dakin gwaje-gwaje. HE Becker na farko ya yi rajista a cikin 50s kuma, bayan shekaru da yawa na gyare-gyare, yanzu ana amfani da su a cikin ƙarin sassa daban-daban.

Aiki da tsarin babban capacitor

Aiki na supercapacitor yana dogara ne akan ka'ida ɗaya da na'urar capacitor na al'ada: faranti guda biyu waɗanda ke raba su da kayan rufewa. (dielectric). Duk da haka, mabuɗin yana cikin babban ciki surface area na ta faranti (godiya ga yin amfani da kayan kamar porous carbon, graphene ko nanotubes) da kuma a cikin ƙaramin tazara tsakanin su, kusa da ma'aunin kwayoyin halitta.

Lokacin da aka yi amfani da wutar lantarki, ana samun nau'i biyu na cajin da ba a saba ba a mahaɗin tsakanin lantarki da electrolyte.Wannan 'Layer biyu' yana ba da sunansa ga ɗaya daga cikin bambance-bambancen da aka fi sani da shi: na'urorin lantarki biyu-Layer supercapacitors (EDLCs). Tarin kuzari yana faruwa ba ta hanyar sinadarai ba, amma ta hanyar rabuwa ta zahiri na cajin lantarki, yana ba da damar zagayowar caji mara iyaka da saurin isar da kuzari.

Akwai kuma pseudocapacitors, wanda ke amfani da halayen redox na sama don ƙara ƙarfin ƙarfin aiki, da kuma hybrids, wanda ke haɗuwa da fasaha daban-daban don inganta aikin.

Kwatanta tsakanin supercapacitors, capacitors da batura

Ta yaya supercapacitors da gaske suka bambanta da capacitors na al'ada da batura? Amsar ta ta'allaka ne a bangarori da dama masu mahimmanci:

• Yawan makamashi: Supercapacitors suna adana makamashi da yawa fiye da na yau da kullun, kodayake har yanzu ƙasa da batirin lithium-ion.
• Takamammen iko: Suna iya isarwa da karɓar kuzari da sauri fiye da kowane baturi.. Wannan ya sa su dace don aikace-aikacen da ke buƙatar ikon nan take.
• Zagayen rayuwa: Super capacitors na iya jure dubun ɗaruruwan ko ma miliyoyin caji/zarge zagayowar ba tare da lalacewa ba., da yawa fiye da batura, waɗanda ke kusa da dubban hawan keke.
• Loading lokaci: Ana iya cajin su cikin daƙiƙa ko mintuna, idan aka kwatanta da sa'o'in da batura za su iya buƙata..
• Tsarin ajiya: Yayin da batura ke adana kuzari ta hanyar halayen sinadarai, masu ƙarfin ƙarfi suna yin hakan ta zahiri ta hanyar tarin caji.
• Tsaro: Super capacitors suna ba da ƙananan haɗarin fashewa kuma ba su da ƙazanta.

A cikin sharuddan aiki, supercapacitors ba masu maye gurbin batir kai tsaye ba don aikace-aikacen ajiya na dogon lokaci., amma suna iya haɗawa da wuce su cikin buƙatun saurin fitarwa, kololuwar wutar lantarki da hawan keke mai ƙarfi.

Mahimman kayan aiki da ka'idodin fasaha

Juyin fasaha a cikin masu ƙarfin ƙarfi ya samo asali ne saboda ci gaban kayan da ake amfani da su. da kuma inganta tsarin ciki. Yawanci ana yin na'urorin lantarki da carbon da aka kunna, carbon nanotubes, graphene ko ma aerogels da nanofoams don haɓaka sararin samaniya.

Electrolyte na iya zama mai ruwa-ruwa, na halitta ko ma bisa abubuwan ruwa na ionic, dangane da aikace-aikacen, ƙyale daidaitawa na matsakaicin ƙarfin lantarki da ƙaddamar da na'urar. Har ila yau, keɓancewa da rarraba kayan suna taka muhimmiyar rawa a cikin kwanciyar hankali da ingantaccen makamashi.

An haɓaka wasu bambance-bambancen, irin su pseudocapacitors, waɗanda ke amfani da ƙarfe oxides (misali, ruthenium dioxide, manganese, iridium, nickel) ko polymers masu ɗaukar nauyi. irin su polyaniline, polythiophene da polypyrrole, masu iya adana ma fi girma caji ta hanyar ionic adsorption/desorption tafiyar matakai a cikin ƙarar lantarki.

Rarraba supercapaccitors

Dangane da kayan aiki da ƙa'idar aiki, ana iya rarraba supercapacitors kamar:

• Lantarki biyu-Layer supercapacitors: Suna amfani da tarin tuhume-tuhume a na'urar lantarki-electrolyte interface (EDLC), gabaɗaya tare da lambobi masu ƙyalli na carbon da ruwa mai lantarki.
• Pseudocapacitors: Suna kafa ƙarfin su akan halayen faradaic na saman ta amfani da ƙarfe oxides ko polymers masu ɗaukar nauyi. Suna ba da mafi girman ƙarfin makamashi.
• Hybrid supercapacitors: Suna haɗa fasahohi daban-daban (misali, farantin baturi da farantin supercapacitor, ko haɗakar carbon da ƙarfe oxides).

Ƙarfin da aka samu ya bambanta dangane da nau'in kayan aiki da zane., tare da jeri wanda zai iya tafiya daga farads da yawa a cikin ƙananan na'urori zuwa dubbai a cikin ƙirar masana'antu.

Wadanne iyakoki na supercapacitor zai iya cimma?

Daya daga cikin mafi ban mamaki al'amurran da suka shafi shi ne sikelin iyawar da na yanzu supercapacitors iya cimma:

• A cikin dakin gwaje-gwaje: An samu damar iya aiki har zuwa farads 400 a kowace gram ta hanyar amfani da oxides na karfe irin su ruthenium da fasahar nanostructuring na ci gaba.
• A cikin aikace-aikacen kasuwanci: Ya zama ruwan dare a sami masu karfin 1500, 2400, 3000, har ma da farad 5000, masu nauyin kilo daya zuwa uku.
• Yawan makamashi: Yawanci suna kusa da 4 zuwa 10 Wh/kg don aikace-aikace na yau da kullun, ƙasa da batirin lithium-ion (30-150 Wh/kg), amma sun zarce na'urorin capacitors.
• Takamammen iko: Suna kaiwa 2.000 W/kg (ko ma fiye!), yana ba da damar yin caji da sauri sosai.
• Rayuwa mai amfani: Juyin rayuwa yawanci ya wuce 500.000 don ƙira masu inganci, yayin da na masana'antu, ba sabon abu ba ne a kai shekaru 20 na aiki.

Godiya ga sababbin kayan kamar graphene da fasahar masana'antu na ci gaba, ana haɓaka mashaya don inganci, yawa da karko a kowace shekara., faɗaɗa yuwuwar filayen aikace-aikace.

Aikace-aikace a cikin masana'antu, makamashi mai sabuntawa da sufuri

Ƙarfin masu ƙarfin ƙarfin ƙarfi ya haɓaka sosai a cikin 'yan shekarun nan, ya kai sassa kamar:

• Motoci da sufuri: Motocin lantarki, motocin haɗaka, motocin bas masu sauri, trams, da jiragen ƙasa duk suna amfani da manyan ƙarfin ƙarfin ƙarfi, farawa, da birki mai sabuntawa.
• Masana'antar makamashi da sabbin kuzari: Suna aiki azaman masu tabbatar da wutar lantarki a cikin fale-falen hasken rana da injin turbin iska, ɗauka da sakewa da kuzari don rama canje-canje da katsewa.
• Aikace-aikacen kayan lantarki na gida da masu amfani: Suna da hannu wajen tallafawa RAM, agogo, filasha kamara, da microcontroller da ikon robot da tsarin taya.
• Automation da dabaru: Ana amfani da su a cikin katuna masu sarrafa kansu da tsarin ma'ajiyar masana'antu, inda caji mai sauri da ci gaba da aiki ke da mahimmanci.

A cikin ɗakunan ajiya na zamani, Pallet Shuttles mai sarrafa kansa zai iya aiki 24/7 godiya ga masu ƙarfi., guje wa tsayawar caji da haɓaka yawan aiki. Bugu da ƙari, amfani da shi a cikin tsarin samar da wutar lantarki na motoci (APU), UPS na masana'antu, compressors, da manyan injuna yana nuna ƙarfinsa da amincinsa.

Fa'idodin fasaha da aiki akan sauran mafita

Me yasa zabar supercapacitor maimakon baturi na gargajiya? Dalilan suna da yawa kuma suna da alaƙa da aiki da aminci:

• Gajeren lokacin caji: Ana iya cajin su cikakke cikin daƙiƙa ko mintuna.
• Babban ikon bayarwa: Suna tsayayya da fitarwa mai ƙarfi, cikakke don aikace-aikacen masana'antu da sufuri.
• Yawan hawan keke mai yawa: Ba su sha wahala kamar lalacewa a cikin sake zagayowar sake zagayowar, wanda ke fassara zuwa ƙananan farashin kulawa.
• Yanayin zafin jiki da inganci: Suna aiki yadda ya kamata akan kewayon thermal mai faɗi kuma tare da ƙimar caji / fitarwa fiye da 95%.
• Babban tsaro: Ba tare da dogara ga hadaddun halayen sunadarai ba, haɗarin fashewa ko wuta yana raguwa sosai.
• Ƙananan tasirin muhalli: Suna amfani da ƙananan abubuwa masu guba kuma, saboda tsawon rayuwarsu, suna buƙatar ƙananan maye gurbin.

Babban rauninsa ya rage ƙarancin ƙarfin ƙarfinsa idan aka kwatanta da batura., don haka ba a amfani da su don adana makamashi na tsawon sa'o'i, amma don saurin hawan keke da buƙatun gaggawa.

Babban iyakoki na supercapacitors

Ba duk abin da yake cikakke ba: supercapacitors kuma suna da rashin amfani. Mafi dacewa shine ƙananan ƙarfin makamashi idan aka kwatanta da batura, wanda ke hana su ba da damar cin gashin kai. Bugu da kari, su naúrar rashin ƙarfi Wannan yana buƙatar hawa da yawa a cikin jerin don cimma ƙarfin ƙarfin aikace-aikacen aiki, wanda ke dagula gudanarwa kuma yana iya gabatar da daidaito da matsalolin tsaro.

Suna fama da fitar da kansu, sannu a hankali sakin wasu daga cikin cajin da aka adana lokacin da ba a amfani da su, kuma farashin kowane farad har yanzu ya fi na fasahohin sinadarai na al'ada. Koyaya, bincike da ci gaba a cikin kayan suna raguwa sannu a hankali waɗannan illolin.

Ci gaba na yanzu da sabbin fasahohi

Ana ci gaba da tseren don ƙirƙirar ingantattun ingantattun ma'auni.Daga cikin fitattun abubuwan ci gaba akwai:

• Haɗuwa da graphene da carbon nanotubes: Suna inganta haɓaka aiki, yanki na ƙasa da kwanciyar hankali na tsari.
• Hybrid da kayan da aka yi amfani da su: Yin amfani da karfe oxides, gudanar da polymers da doping tare da heteroatoms damar hada biyu Layer effects da pseudocapacitance don ƙara yawan makamashi.
• High-daidaici masana'antu da ingancin iko: Yana tabbatar da babban iko, ƙananan juriya na ciki da kuma tsawon rayuwar sabis.
• Haɗin kai na hankali a cikin tsarin matasan: Ana neman mafi kyawun haɗakar batura masu sinadarai, yin amfani da fa'idar kyawawan tsarin duka biyu don samun mafi girman aikin gabaɗaya.

Godiya ga waɗannan ci gaban, samfuran da suka dogara da ruwa, siminti da baƙin carbon sun riga sun wanzu., da kuma yadda ake gudanar da bincikensu a cikin abubuwan more rayuwa irin su ginin gine-gine, masu hawan wutar lantarki, har ma da tauraron dan adam da aikace-aikacen sararin samaniya.

Misalan amfani da lokuta masu amfani

Don kawo manufar gida, ga wasu misalai masu bayyanawa.:

• A cikin motaSuper capacitors suna taimakawa wajen farawa, birki mai sabuntawa, da haɓaka motocin lantarki, bas, da jiragen ƙasa, haɓaka ingancin baturi da tsawon rayuwa.
• A cikin makamashi mai sabuntawaA cikin gonakin hasken rana da iska, suna daidaitawa da daidaita wutar lantarki, hana grid katsewa da haɓaka amincin wadata.
• A cikin kayan lantarki masu amfani: Suna ba da ƙarfin da ake buƙata don fitilun kyamara, ƙwaƙwalwar ajiya da ajiyar agogo, kuma suna tabbatar da ci gaba da aiki a cikin milliseconds masu mahimmanci.
• A cikin kayan aiki da sarrafa kansa: Suna ba da izinin yin aiki ba tare da katsewa ba na tsarin robotic da motoci masu sarrafa kansa, mabuɗin haɓaka masana'antu da ingantaccen samarwa.

Yin amfani da supercapacitors a cikin manyan hanyoyin samar da wutar lantarki, kamar tsarin wutar lantarki, na iya zama kyakkyawan zaɓi don haɓaka kayan aikin lantarki. don inganta ingantaccen makamashi da rage asara.

Abubuwan da ke gaba da abubuwan da suka faru

Yaya kuke tunanin makomar gaba tare da supercapacitors? Masana sun yarda cewa haɓaka sabbin kayan aiki, rage farashi, da haɗin kai cikin hikima cikin hanyoyin samar da kayayyaki za su ayyana shekaru goma masu zuwa.

Abubuwan da ke faruwa na yanzu suna nuni zuwa:

• Haɓaka tsarin baturi-supercapaccitor: Haɗa babban ƙarfin ƙarfin baturi tare da ƙarfi da sauri na supercapacitor.
• Mafi girma shiga cikin motsi na lantarkiTsarin caji mai saurin gaske, haɗe tare da dorewa, ana tsammanin za su sanya manyan iyawa a matsayin abubuwa masu mahimmanci a cikin motoci, jirage masu saukar ungulu, da dabaru.
• Aikace-aikace a cikin biomedicine da AerospaceDaga na'urorin bugun zuciya zuwa tauraron dan adam, amincinsu da amsawarsu nan take yana da kyau sosai.

Hasashen sun nuna cewa yayin da farashin samarwa ya faɗi kuma ana tsabtace hanyoyin masana'antu, masu haɓakawa za su ƙara mamaye sarari a cikin rayuwar yau da kullun da masana'antu..

Supercapacitors suna wakiltar ɗayan mafi ƙwaƙƙwaran mafita da juyin juya hali a fagen ajiyar makamashi. Godiya ga iyawar su don adanawa da isar da makamashi a cikin lokacin rikodin, tsawon rayuwarsu, da amincin da suke bayarwa, sun zama manyan ƴan wasa a sassa daban-daban kamar na kera motoci, kayan lantarki, sarrafa masana'antu, da makamashi mai tsabta. Ko da yake har yanzu suna fuskantar gazawa dangane da yawan makamashi da tsadar kayayyaki, ci gaba a koyaushe a cikin kayan aiki da hanyoyin masana'antu suna hasashen ƙara muhimmiyar rawa a ci gaban fasahar duniya. Zuba hannun jari a cikin masu ƙarfin ƙarfi yana nufin saka hannun jari a cikin ingantaccen, ci gaba mai dorewa tare da makamashi koyaushe a shirye don ƙalubale na gaba.