Supercapacitors - super dan juga ultra
Isu kecekapan bateri, kelajuan, kapasiti dan keselamatan kini menjadi salah satu masalah global utama. Dalam erti kata bahawa keterbelakangan di kawasan ini mengancam untuk melambatkan keseluruhan tamadun teknikal kita.
Kami baru-baru ini menulis tentang bateri litium-ion yang meletup dalam telefon. Kapasiti mereka yang masih tidak memuaskan dan pengecasan yang perlahan sudah tentu menjengkelkan Elon Musk atau mana-mana peminat kenderaan elektrik lain lebih daripada sekali. Kami telah mendengar tentang pelbagai inovasi dalam bidang ini selama bertahun-tahun, tetapi masih tiada kejayaan yang akan memberikan sesuatu yang lebih baik dalam kegunaan harian. Walau bagaimanapun, untuk beberapa waktu sekarang terdapat banyak perbincangan tentang fakta bahawa bateri boleh digantikan dengan kapasitor pengecasan pantas, atau sebaliknya versi "super" mereka.
Mengapa kapasitor biasa tidak mengharapkan kejayaan? Jawapannya mudah sahaja. Sekilogram petrol adalah lebih kurang 4. kilowatt-jam tenaga. Bateri dalam model Tesla mempunyai tenaga lebih kurang 30 kali ganda. Satu kilogram jisim kapasitor hanya 0,1 kWj. Tidak perlu menjelaskan mengapa kapasitor biasa tidak sesuai untuk peranan baru. Kapasiti bateri litium-ion moden mestilah beberapa ratus kali lebih besar.
Kapasitor super atau ultrakapasitor ialah sejenis kapasitor elektrolitik yang, berbanding dengan kapasitor elektrolitik klasik, mempunyai kapasitans elektrik yang sangat tinggi (mengikut susunan beberapa ribu farad), dengan voltan operasi 2-3 V. Kelebihan terbesar supercapacitors ialah masa pengecasan dan nyahcas yang sangat singkat berbanding dengan peranti storan tenaga lain (cth. bateri). Ini membolehkan anda meningkatkan bekalan kuasa kepada 10 kW setiap kilogram berat kapasitor.
Salah satu model ultrakapasitor yang terdapat di pasaran.
Pencapaian dalam makmal
Beberapa bulan kebelakangan ini telah membawa banyak maklumat tentang prototaip supercapacitor baharu. Pada penghujung tahun 2016, kami mengetahui, sebagai contoh, bahawa sekumpulan saintis dari University of Central Florida mencipta proses baru untuk mencipta supercapacitors, menjimatkan lebih banyak tenaga dan bertahan lebih daripada 30 XNUMX. kitaran caj/pelepasan. Jika kita menggantikan bateri dengan supercapacitors ini, kita bukan sahaja dapat mengecas telefon pintar dalam beberapa saat, tetapi ia akan mencukupi untuk penggunaan lebih daripada seminggu, Nitin Chowdhary, ahli pasukan penyelidik, memberitahu media . . Para saintis Florida mencipta kapasitor super daripada berjuta-juta wayar mikro yang disalut dengan bahan dua dimensi. Helai kabel adalah konduktor elektrik yang sangat baik, membolehkan pengecasan dan pelepasan pantas kapasitor, dan bahan dua dimensi yang menutupinya membolehkan penyimpanan sejumlah besar tenaga.
Para saintis dari Universiti Tehran di Iran, yang menghasilkan struktur tembaga berliang dalam larutan ammonia sebagai bahan elektrod, mematuhi konsep yang agak serupa. British pula memilih gel seperti yang digunakan dalam kanta sentuh. Orang lain membawa polimer ke bengkel. Penyelidikan dan konsep tidak berkesudahan di seluruh dunia.
Saintis yang terlibat dalam projek ELEKTROGRAF (Elektrod Berasaskan Grafena untuk Aplikasi Supercapacitor), yang dibiayai oleh EU, telah mengusahakan pengeluaran besar-besaran bahan elektrod graphene dan penggunaan elektrolit cecair ionik mesra alam pada suhu bilik. Para saintis menjangkakan itu graphene akan menggantikan karbon teraktif (AC) digunakan dalam elektrod supercapacitors.
Para penyelidik menghasilkan oksida grafit di sini, membelahnya menjadi kepingan graphene, dan kemudian membenamkan kepingan itu ke dalam supercapacitor. Berbanding dengan elektrod berasaskan AC, elektrod graphene mempunyai sifat pelekat yang lebih baik dan kapasiti penyimpanan tenaga yang lebih tinggi.
Menaiki penumpang - trem sedang dicas
Pusat sains terlibat dalam penyelidikan dan prototaip, dan orang Cina telah mempraktikkan supercapacitor. Bandar Zhuzhou, Wilayah Hunan, baru-baru ini melancarkan trem buatan China pertama yang dikuasakan oleh supercapacitors (2), yang bermaksud ia tidak memerlukan talian atas. Trem ini dikuasakan oleh pantograf yang dipasang di perhentian. Caj penuh mengambil masa kira-kira 30 saat, jadi ia berlaku semasa menaiki dan menurunkan penumpang. Ini membolehkan kenderaan bergerak sejauh 3-5 km tanpa kuasa luaran, yang cukup untuk sampai ke hentian seterusnya. Selain itu, ia memulihkan sehingga 85% tenaga apabila membrek.
Kemungkinan untuk penggunaan praktikal supercapacitors adalah banyak - daripada sistem tenaga, sel bahan api, sel solar kepada kenderaan elektrik. Baru-baru ini, perhatian pakar telah tertumpu kepada penggunaan supercapacitors dalam kenderaan elektrik hibrid. Sel bahan api diafragma polimer mengecas supercapacitor, yang kemudiannya menyimpan tenaga elektrik yang digunakan untuk menggerakkan enjin. Kitaran pengecasan/nyahcas pantas SC boleh digunakan untuk melancarkan kuasa puncak sel bahan api yang diperlukan, memberikan prestasi yang hampir seragam.
Nampaknya kita sudah berada di ambang revolusi supercapacitor. Pengalaman menunjukkan, bagaimanapun, bahawa adalah wajar untuk menahan keghairahan yang berlebihan agar tidak keliru dan tidak ditinggalkan dengan bateri lama yang dinyahcas di tangan anda.
