خازن به جای باتری: راه حل فنی چگونه از ابرخازن ها در خودروهای هیبریدی استفاده می شود خازن گرافنی با ظرفیت بالا را خودتان انجام دهید

یک قاشق غذاخوری کربن فعال از داروخانه، چند قطره آب نمک، یک بشقاب حلبی و یک شیشه پلاستیکی فیلم عکاسی. انجام دادن کافی است یونیستور DIY، خازن الکتریکی که ظرفیت آن تقریباً برابر با ظرفیت الکتریکی ... کره زمین است. کوزه لیدن.

ممکن است یکی از روزنامه های آمریکایی در سال 1777 در مورد چنین وسیله ای نوشته باشد: «... دکتر فرانکلین دستگاهی به اندازه یک خلال دندان اختراع کرده است که می تواند کلیسای جامع سنت پل لندن را به مشتی خاکستر تبدیل کند. ” با این حال، اول چیزها.

بشریت کمی بیش از دو قرن است که از برق استفاده می کند، اما پدیده های الکتریکی هزاران سال است که برای مردم شناخته شده است و برای مدت طولانی اهمیت عملی نداشته است. تنها در آغاز قرن هجدهم، زمانی که علم به یک سرگرمی مد تبدیل شد، دانشمند آلمانی Otto von Guericke یک ماشین "الکتروفوریک" را به طور خاص برای انجام آزمایش های عمومی ایجاد کرد که با کمک آن برق را در مقادیری که قبلاً شنیده نشده بود دریافت کرد.

این دستگاه از یک توپ شیشه ای تشکیل شده بود که در حین چرخش تکه ای از چرم به آن مالیده می شد. تأثیر کار او عالی بود: جرقه‌ها می‌ترقیدند، نیروهای الکتریکی نامرئی شال‌های خانم‌ها را پاره می‌کردند و موها را سیخ می‌کردند. عموم مردم به ویژه از توانایی بدن برای انباشتن بارهای الکتریکی شگفت زده شدند.

در سال 1745، فیزیکدان هلندی اهل لیدن پیتر ون موشنبروک (1692 - 1761) آب را در یک ظرف شیشه ای ریخت، یک تکه سیم را مانند گل در گلدان داخل آن گذاشت و با احتیاط آن را با کف دست هایش بست و آن را به سمت شیشه آورد. دستگاه الکتروفور. بطری آنقدر الکتریسیته جمع کرد که جرقه ای درخشان با "غرش کر کننده" از قطعه سیم بیرون زد. دفعه بعد که دانشمند با انگشت خود سیم را لمس کرد، ضربه ای دریافت کرد که از هوش رفت. اگر دستیار کونئوس که به موقع وارد شد نبود، موضوع می توانست غم انگیز تمام شود.

بنابراین، دستگاهی ساخته شد که می‌توانست میلیون‌ها برابر بیشتر از هر بدنی که در آن زمان شناخته شده بود، بار جمع کند. به آن «کوزه لیدن» می گفتند. این یک نوع خازن بود که یکی از صفحات آن کف دست آزمایشگر، دی الکتریک دیوارهای شیشه ای و صفحه دوم آب بود.

خبر این اختراع در سراسر اروپای روشنفکر پخش شد. کوزه لیدن بلافاصله برای آموزش پادشاه فرانسه لویی پانزدهم مورد استفاده قرار گرفت. اجراها شروع شد. در یکی از آزمایش‌هایی که در تاریخ ثبت شد، جریان الکتریکی از زنجیره‌ای از نگهبانان که دست در دست داشتند عبور داده شد. وقتی تخلیه الکتریکی خورد، همه مثل یک نفر از جا پریدند، انگار می خواهند در هوا راهپیمایی کنند. در آزمایشی دیگر، جریان از زنجیره ای متشکل از 700 راهب عبور داده شد...

آزمایشات با کوزه لیدن در آمریکا جهت عملی تری به خود گرفت. در سال 1747، آنها توسط یکی از بنیانگذاران ایالات متحده، بنجامین فرانکلین که قبلاً ذکر شد، راه اندازی شدند. او به فکر پیچیدن کوزه در فویل قلع افتاد و ظرفیت آن چندین برابر شد و کار ایمن تر شد. فرانکلین در آزمایشات با آن ثابت کرد که یک تخلیه الکتریکی می تواند گرما ایجاد کند و ستون جیوه را در دماسنج بالا ببرد. و با جایگزین کردن شیشه با یک صفحه شیشه‌ای پوشیده شده با فویل قلع، فرانکلین یک خازن تخت دریافت کرد که چندین برابر سبک‌تر از شیشه لیدن که او بهبود داده بود.

تاریخ در مورد دستگاهی که قادر به ذخیره انرژی زیادی است که همانطور که روزنامه نوشت، می تواند برای "تبدیل کلیسای جامع سنت پل به تلی از خاکستر" استفاده شود، سکوت می کند، اما این بدان معنا نیست که B. Franklin نمی تواند آن را ایجاد کند. .

و در اینجا زمان بازگشت به نحوه انجام است یونیستور DIY. اگر همه چیز مورد نیاز خود را ذخیره کرده اید، پس از لحیم کردن یک تکه سیم عایق به آن، صفحه قلع را به پایین قوطی فیلم پایین بیاورید. یک پد کاغذ صافی روی آن قرار دهید، یک لایه کربن فعال روی آن بریزید و پس از ریختن آب نمک، "ساندویچ" خود را با یک الکترود دیگر بپوشانید.

نمودار عملکرد یونیستور.

شما یک خازن الکتروشیمیایی - یونیستور دارید. جالب است زیرا در منافذ ذرات کربن فعال یک لایه الکتریکی به اصطلاح دوتایی ظاهر می شود - دو لایه بارهای الکتریکی با علائم مختلف که نزدیک به یکدیگر قرار دارند، یعنی نوعی خازن الکتروشیمیایی. فاصله بین لایه ها بر حسب آنگستروم (1 آنگستروم - 10-9 متر) محاسبه می شود. و همانطور که مشخص است، ظرفیت خازن، هر چه بیشتر باشد، فاصله بین صفحات کوچکتر است.

به همین دلیل ذخیره انرژی در واحد حجم در لایه دوگانه بیشتر از قوی ترین ماده منفجره است. این کوزه لیدن!

یونیستور به صورت زیر عمل می کند. در صورت عدم وجود ولتاژ خارجی، ظرفیت آن ناچیز است. اما تحت تأثیر ولتاژ اعمال شده به قطب های خازن، لایه های مجاور زغال سنگ شارژ می شوند. یون های علامت مخالف در محلول به سمت ذرات زغال سنگ می شتابند و یک لایه الکتریکی دوتایی بر روی سطح آنها تشکیل می دهند.

خازن الکتروشیمیایی صنعتی (یونیستور). محفظه فلزی به اندازه دکمه دو لایه کربن فعال را در خود جای داده است که توسط یک فاصله دهنده متخلخل از هم جدا شده اند.

نحوه انجام آن را طرح ریزی کنید یونیستور DIY.

نمودار یک یونیستور خانگی ساخته شده از یک شیشه پلاستیکی و کربن فعال:

1 - الکترود بالایی؛

2 - سیم های اتصال;

3.5 - لایه های کربن فعال مرطوب؛

4 - واشر جدا کننده متخلخل;

6 - الکترود پایین؛

7 - بدن

اگر باری به قطب های خازن متصل شود، بارهای مخالف از سطح داخلی ذرات زغال سنگ در امتداد سیم ها به سمت یکدیگر حرکت می کنند و یون های واقع در منافذ آنها خارج می شوند.

همین. اکنون می دانید که چگونه این کار را انجام دهید یونیستور DIY.

یونیستورهای مدرن دارای ظرفیت ده ها و صدها فاراد هستند. هنگام تخلیه، آنها می توانند قدرت زیادی ایجاد کنند و بسیار بادوام هستند. از نظر ذخیره انرژی در واحد جرم و واحد حجم، یونیستورها هنوز نسبت به باتری ها پایین تر هستند. اما اگر کربن فعال را با نازک‌ترین نانولوله‌های کربنی یا سایر مواد رسانای الکتریکی جایگزین کنید، شدت انرژی یونیستور می‌تواند فوق‌العاده بزرگ شود.

بنجامین فرانکلین در دورانی زندگی می‌کرد که حتی به فناوری نانو هم فکر نمی‌شد، اما این به معنای عدم استفاده از آن نیست. همانطور که رابرت کوری برنده جایزه نوبل شیمی گزارش داد، هنگام ساخت تیغه هایی از فولاد دمشق، صنعتگران باستانی بدون اینکه بدانند از روش های نانوتکنولوژی استفاده می کردند. فولاد گلدار باستانی به لطف ترکیب خاص کربن در ساختار فلزی همیشه تیز و بادوام باقی مانده است.

فرانکلین می‌تواند از نوعی نانومواد، مانند ساقه‌های گیاه زغالی حاوی نانولوله‌ها برای ایجاد ابرخازن استفاده کند. چند نفر از شما متوجه می شوید که چیست؟ کوزه لیدنو چه کسی برای انجام آن تلاش خواهد کرد؟

یونیستورها دستگاه های الکتروشیمیایی هستند که برای ذخیره انرژی الکتریکی طراحی شده اند. آنها با نرخ شارژ-دشارژ زیاد (تا چندین ده هزار بار) مشخص می شوند، عمر مفید آنها بر خلاف سایر باتری ها (باتری های قابل شارژ و سلول های گالوانیکی)، جریان نشتی کم، و مهمتر از همه، یونیستورها می توانند داشته باشند. ظرفیت بزرگ و اندازه های بسیار کوچک یونیستورها به طور گسترده در رایانه های شخصی، رادیو اتومبیل، دستگاه های تلفن همراه و غیره استفاده می شوند. طراحی شده برای ذخیره حافظه زمانی که باتری اصلی خارج می شود یا دستگاه خاموش می شود. اخیراً یونیستورها اغلب در سیستم های قدرت مستقل با استفاده از باتری های خورشیدی استفاده می شوند.

همچنین یونیستورها بدون توجه به شرایط آب و هوایی شارژ را برای مدت بسیار طولانی ذخیره می کنند، در برابر یخ زدگی و گرما مقاوم هستند و این به هیچ وجه بر عملکرد دستگاه تاثیری نخواهد داشت. در برخی مدارات الکترونیکی برای ذخیره حافظه باید ولتاژی بالاتر از ولتاژ یونیستور داشته باشید که برای حل این مشکل یونیستورها به صورت سری و برای افزایش ظرفیت یونیستور به هم متصل می شوند. موازی. نوع دوم اتصال عمدتاً برای افزایش زمان عملکرد یونیستور و همچنین برای افزایش جریان عرضه شده به بار استفاده می شود؛ برای متعادل کردن جریان در یک اتصال موازی، یک مقاومت به هر یونیستور متصل می شود.

یونیستورها اغلب با باتری ها استفاده می شوند و بر خلاف آنها از اتصال کوتاه و تغییرات ناگهانی دمای محیط نمی ترسند. در حال حاضر یونیستورهای ویژه ای با ظرفیت زیاد و جریان تا 1 آمپر در حال توسعه هستند.همانطور که مشخص است جریان یونیستورهایی که امروزه در فناوری برای ذخیره سازی حافظه استفاده می شود از 100 میلی آمپر تجاوز نمی کند، این یکی از بهترین هاست. اشکال مهم یونیستورها، اما این مشکل با مزایای ذکر شده در بالا یونیستورها جبران می شود. در اینترنت می توانید طرح های زیادی بر اساس به اصطلاح ابرخازن ها پیدا کنید - آنها همچنین یونیستور هستند. یونیستورها اخیراً - 20 سال پیش ظاهر شدند.

به گفته دانشمندان، ظرفیت الکتریکی سیاره ما در مقایسه با یک خازن ساده 700 میکروفاراد است... یونیستورها عمدتاً از زغال چوب ساخته می شوند که پس از فعال شدن و تصفیه خاص، متخلخل می شوند؛ دو صفحه فلزی به طور محکم روی محفظه فشار داده می شوند. زغال سنگ ساخت یک یونیستور در خانه بسیار ساده است، اما دریافت کربن متخلخل تقریبا غیرممکن است؛ شما باید زغال چوب را در خانه پردازش کنید، و این تا حدودی مشکل ساز است، بنابراین خرید یک یونیستور و انجام آزمایش های جالب روی آن آسان تر است. به عنوان مثال، پارامترهای (قدرت و ولتاژ) یک یونیستور برای روشن شدن روشن و طولانی مدت یا کارکرد LED کافی است.

مردم ابتدا از خازن برای ذخیره برق استفاده کردند. سپس، زمانی که مهندسی برق فراتر از آزمایشات آزمایشگاهی رفت، باتری ها اختراع شدند که به وسیله اصلی ذخیره انرژی الکتریکی تبدیل شدند. اما در آغاز قرن بیست و یکم، دوباره استفاده از خازن برای تامین انرژی تجهیزات الکتریکی پیشنهاد شد. این چقدر امکان پذیر است و آیا باتری ها در نهایت به گذشته تبدیل می شوند؟

دلیل جایگزینی خازن ها با باتری ها به دلیل مقدار قابل توجهی برق بیشتر است که می توانند ذخیره کنند. دلیل دیگر این است که در هنگام تخلیه ولتاژ در خروجی باتری بسیار کم تغییر می کند، به طوری که تثبیت کننده ولتاژ یا مورد نیاز نیست یا می تواند طراحی بسیار ساده ای داشته باشد.

تفاوت اصلی خازن ها و باتری ها در این است که خازن ها به طور مستقیم بار الکتریکی را ذخیره می کنند، در حالی که باتری ها انرژی الکتریکی را به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند، آن را ذخیره می کنند و سپس انرژی شیمیایی را دوباره به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند.

در طول تبدیل انرژی، بخشی از آن از بین می رود. بنابراین، حتی بهترین باتری ها بازدهی بیش از 90٪ ندارند، در حالی که برای خازن ها می تواند به 99٪ برسد. شدت واکنش های شیمیایی به دما بستگی دارد، بنابراین باتری ها در هوای سرد به طور قابل توجهی بدتر از دمای اتاق عمل می کنند. علاوه بر این، واکنش های شیمیایی در باتری ها کاملاً برگشت پذیر نیستند. از این رو تعداد کمی از چرخه های شارژ-دشارژ (در حدود هزاران، اغلب عمر باتری حدود 1000 چرخه شارژ-دشارژ است)، و همچنین "اثر حافظه". بیایید به یاد بیاوریم که "اثر حافظه" این است که باتری همیشه باید به مقدار معینی از انرژی انباشته تخلیه شود، سپس ظرفیت آن حداکثر خواهد بود. اگر پس از تخلیه، انرژی بیشتری در آن باقی بماند، ظرفیت باتری به تدریج کاهش می یابد. "اثر حافظه" تقریباً برای همه انواع باتری های تجاری تولید می شود، به جز انواع اسیدی (از جمله انواع آنها - ژل و AGM). اگرچه به طور کلی پذیرفته شده است که باتری های لیتیوم یونی و لیتیوم پلیمری آن را ندارند، در واقع آنها نیز آن را دارند، فقط به میزان کمتری نسبت به انواع دیگر خود را نشان می دهد. همانطور که برای باتری های اسیدی، آنها اثر سولفاته شدن صفحه را نشان می دهند که باعث آسیب غیرقابل برگشت به منبع برق می شود. یکی از دلایل این است که باتری برای مدت طولانی در حالت شارژ کمتر از 50 درصد باقی می ماند.

با توجه به انرژی جایگزین، "اثر حافظه" و سولفاته شدن صفحه مشکلات جدی هستند. واقعیت این است که پیش بینی تامین انرژی از منابعی مانند پنل های خورشیدی و توربین های بادی دشوار است. در نتیجه، شارژ و دشارژ باتری ها به طور آشفته و در حالت غیربهینه اتفاق می افتد.

برای ریتم مدرن زندگی، کاملاً غیرقابل قبول است که باتری ها باید چندین ساعت شارژ شوند. برای مثال، چگونه تصور می‌کنید در یک وسیله نقلیه الکتریکی مسافت طولانی را طی کنید، اگر باتری خاموش شما را چندین ساعت در نقطه شارژ نگه دارد؟ سرعت شارژ باتری با سرعت فرآیندهای شیمیایی که در آن اتفاق می افتد محدود می شود. می توانید مدت زمان شارژ را به 1 ساعت کاهش دهید، اما نه به چند دقیقه. در عین حال، نرخ شارژ خازن تنها با حداکثر جریان ارائه شده توسط شارژر محدود می شود.

معایب ذکر شده باتری ها استفاده از خازن ها را به جای آن ضروری کرده است.

با استفاده از دو لایه الکتریکی

برای چندین دهه، خازن های الکترولیتی بالاترین ظرفیت را داشتند. در آنها یکی از صفحات فویل فلزی، دیگری الکترولیت و عایق بین صفحات اکسید فلزی بود که فویل را پوشش می داد. برای خازن های الکترولیتی، ظرفیت می تواند به صدم فاراد برسد که برای تعویض کامل باتری کافی نیست.

مقایسه طراحی انواع خازن (منبع: ویکی پدیا)

خازن بزرگی که بر حسب هزاران فاراد اندازه گیری می شود را می توان توسط خازن هایی که بر اساس اصطلاحاً دو لایه الکتریکی ساخته شده اند به دست آورد. اصل عملکرد آنها به شرح زیر است. یک لایه الکتریکی دوتایی تحت شرایط خاصی در فصل مشترک مواد در فاز جامد و مایع ظاهر می شود. دو لایه یون با بارهایی با علائم متضاد، اما با اندازه یکسان تشکیل شده است. اگر وضعیت را بسیار ساده کنیم، آنگاه یک خازن تشکیل می شود که "صفحات" آن لایه های مشخص شده یون ها هستند که فاصله بین آنها برابر با چندین اتم است.

ابرخازن با ظرفیت های مختلف تولید شده توسط ماکسول

خازن های مبتنی بر این اثر گاهی اوقات یونیستور نامیده می شوند. در واقع، این اصطلاح نه تنها به خازن هایی که بار الکتریکی در آنها ذخیره می شود، بلکه به سایر دستگاه های ذخیره الکتریسیته نیز اشاره دارد - با تبدیل جزئی انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی همراه با ذخیره بار الکتریکی (یونیستور هیبریدی)، و همچنین برای باتری های مبتنی بر لایه الکتریکی دوگانه (به اصطلاح شبه خازن). بنابراین، اصطلاح "ابر خازن ها" مناسب تر است. گاهی اوقات از عبارت یکسان "اولترا خازن" به جای آن استفاده می شود.

پیاده سازی فنی

ابرخازن از دو صفحه کربن فعال پر شده با الکترولیت تشکیل شده است. بین آنها غشایی وجود دارد که به الکترولیت اجازه عبور می دهد، اما از حرکت فیزیکی ذرات کربن فعال بین صفحات جلوگیری می کند.

لازم به ذکر است که خود ابرخازن ها هیچ قطبی ندارند. از این نظر آنها اساساً با خازن های الکترولیتی متفاوت هستند که معمولاً با قطبیت مشخص می شوند ، عدم رعایت آن منجر به خرابی خازن می شود. با این حال، قطبیت برای ابرخازن ها نیز اعمال می شود. این به دلیل این واقعیت است که ابرخازن ها خط مونتاژ کارخانه را قبلاً شارژ شده ترک می کنند و علامت گذاری نشان دهنده قطبیت این شارژ است.

پارامترهای ابرخازن

حداکثر ظرفیت یک ابرخازن منفرد، که در زمان نوشتن مقاله به دست آمده است، 12000 فارنهایت است. برای ابرخازن های تولید انبوه، از 3000 فارنهایت تجاوز نمی کند. حداکثر ولتاژ مجاز بین صفحات از 10 ولت تجاوز نمی کند. این رقم، به عنوان یک قاعده، در 2. 3 - 2.7 V قرار دارد. ولتاژ عملیاتی پایین نیاز به استفاده از مبدل ولتاژ با عملکرد تثبیت کننده دارد. واقعیت این است که در هنگام تخلیه، ولتاژ روی صفحات خازن در محدوده وسیعی تغییر می کند. ساخت مبدل ولتاژ برای اتصال بار و شارژر یک کار غیر ضروری است. فرض کنید باید یک بار 60 واتی را تغذیه کنید.

برای ساده‌تر شدن بررسی موضوع، از تلفات مبدل ولتاژ و تثبیت‌کننده غفلت می‌کنیم. اگر با یک باتری معمولی 12 ولت کار می کنید، الکترونیک کنترل باید بتواند جریان 5 A را تحمل کند. چنین دستگاه های الکترونیکی گسترده و ارزان هستند. اما هنگام استفاده از یک ابرخازن، ولتاژ 2.5 ولت، وضعیت کاملاً متفاوتی ایجاد می شود. سپس جریانی که از طریق اجزای الکترونیکی مبدل می گذرد می تواند به 24 A برسد که نیاز به رویکردهای جدید در فناوری مدار و پایه عنصر مدرن دارد. دقیقاً پیچیدگی ساخت یک مبدل و تثبیت کننده است که می تواند این واقعیت را توضیح دهد که ابرخازن ها که تولید سریال آنها در دهه 70 قرن بیستم آغاز شد، اکنون به طور گسترده در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند.

نمودار شماتیک منبع تغذیه بدون وقفه
ولتاژ روی ابرخازن ها، اجزای اصلی اجرا می شوند
روی یک ریزمدار تولید شده توسط LinearTechnology

ابرخازن ها را می توان با استفاده از اتصالات سری یا موازی به باتری ها متصل کرد. در حالت اول، حداکثر ولتاژ مجاز افزایش می یابد. در مورد دوم - ظرفیت. افزایش حداکثر ولتاژ مجاز به این روش یکی از راه های حل مشکل است، اما باید هزینه آن را با کاهش ظرفیت خازن پرداخت کنید.

ابعاد ابرخازن ها به طور طبیعی به ظرفیت آنها بستگی دارد. یک ابرخازن معمولی با ظرفیت 3000 فارنهایت استوانه ای با قطر حدود 5 سانتی متر و طول 14 سانتی متر است. ابرخازن با ظرفیت 10 فارنهایت ابعادی قابل مقایسه با ناخن انسان دارد.

ابرخازن های خوب می توانند صدها هزار چرخه شارژ-دشارژ را تحمل کنند که در این پارامتر حدود 100 برابر بیشتر از باتری است. اما مانند خازن های الکترولیتی، ابرخازن ها نیز به دلیل نشت تدریجی الکترولیت با مشکل پیری مواجه می شوند. تاکنون آمار کاملی از خرابی ابرخازن ها به این دلیل جمع آوری نشده است، اما با توجه به داده های غیرمستقیم می توان عمر مفید ابرخازن ها را تقریباً 15 سال تخمین زد.

انرژی انباشته شده

مقدار انرژی ذخیره شده در خازن که بر حسب ژول بیان می شود:

E = CU 2/2،
که در آن C ظرفیت خازنی است که بر حسب فاراد بیان می شود، U ولتاژ روی صفحات است که بر حسب ولت بیان می شود.

مقدار انرژی ذخیره شده در خازن بر حسب کیلووات ساعت عبارت است از:

W = CU 2 / 7200000

از این رو، یک خازن با ظرفیت 3000 فارنهایت با ولتاژ بین صفحات 2.5 ولت قادر است تنها 0.0026 کیلووات ساعت را ذخیره کند. این چگونه با باتری لیتیوم یون مقایسه می شود؟ اگر ولتاژ خروجی آن را مستقل از درجه دشارژ و برابر با 3.6 ولت در نظر بگیریم، مقدار انرژی 0.0026 کیلووات ساعت در یک باتری لیتیوم یونی با ظرفیت 0.72 Ah ذخیره می شود. افسوس، یک نتیجه بسیار متوسط.

کاربرد ابرخازن ها

سیستم‌های روشنایی اضطراری جایی هستند که استفاده از ابرخازن‌ها به جای باتری، تفاوت واقعی را ایجاد می‌کند. در واقع، دقیقاً این برنامه است که با تخلیه ناهموار مشخص می شود. علاوه بر این، مطلوب است که لامپ اضطراری به سرعت شارژ شود و منبع تغذیه پشتیبان مورد استفاده در آن از قابلیت اطمینان بیشتری برخوردار باشد. منبع تغذیه پشتیبان مبتنی بر ابرخازن را می توان مستقیماً در لامپ LED T8 ادغام کرد. چنین لامپ هایی در حال حاضر توسط تعدادی از شرکت های چینی تولید می شود.

چراغ برق LED زمینی
از پانل های خورشیدی، ذخیره انرژی
که در آن در یک ابرخازن انجام می شود

همانطور که قبلاً اشاره شد، توسعه ابرخازن‌ها عمدتاً به دلیل علاقه به منابع انرژی جایگزین است. اما کاربرد عملی همچنان محدود به لامپ های LED است که از خورشید انرژی دریافت می کنند.

استفاده از ابرخازن ها برای راه اندازی تجهیزات الکتریکی به طور فعال در حال توسعه است.

ابرخازن ها قادرند مقادیر زیادی انرژی را در مدت زمان کوتاهی تحویل دهند. با برق رسانی به تجهیزات الکتریکی در هنگام راه اندازی از یک ابرخازن، اوج بار در شبکه برق را می توان کاهش داد و در نهایت، حاشیه جریان هجومی را کاهش داد و به صرفه جویی زیادی در هزینه دست یافت.

با ترکیب چندین ابرخازن در یک باتری، می‌توان به ظرفیتی قابل مقایسه با باتری‌های مورد استفاده در خودروهای الکتریکی دست یافت. اما وزن این باتری چندین برابر باتری خواهد بود که برای خودروها غیرقابل قبول است. این مشکل را می توان با استفاده از ابرخازن های مبتنی بر گرافن حل کرد، اما آنها در حال حاضر فقط به عنوان نمونه اولیه وجود دارند. با این حال، نسخه امیدوار کننده یو-موبایل معروف که تنها با برق کار می کند، از ابرخازن های نسل جدید که توسط دانشمندان روسی در حال توسعه هستند، به عنوان منبع انرژی استفاده خواهد کرد.

ابرخازن‌ها همچنین از جایگزینی باتری‌ها در خودروهای بنزینی یا دیزلی معمولی سود خواهند برد - استفاده از آنها در چنین خودروهایی در حال حاضر یک واقعیت است.

در این میان، موفق ترین پروژه های اجرا شده برای معرفی ابرخازن ها را می توان ترولی بوس های جدید ساخت روسیه دانست که اخیرا در خیابان های مسکو ظاهر شده اند. هنگامی که تامین ولتاژ به شبکه تماس قطع می شود یا هنگامی که کلکتورهای جریان "پرواز می کنند"، ترولی بوس می تواند با سرعت کم (حدود 15 کیلومتر در ساعت) چند صد متر به مکانی حرکت کند که در ترافیک اختلال ایجاد نکند. در جاده منبع انرژی برای چنین مانورهایی یک باتری ابرخازن است.

به طور کلی، در حال حاضر ابرخازن‌ها می‌توانند باتری‌ها را تنها در «شیخ‌های» خاص جابجا کنند. اما فناوری به سرعت در حال توسعه است، که به ما اجازه می دهد انتظار داشته باشیم که در آینده نزدیک دامنه کاربرد ابرخازن ها به طور قابل توجهی گسترش یابد.

سر و صدای ایلان ماسک در مورد ساخت «گیگافکتوری باتری» برای تولید باتری‌های لیتیوم یونی هنوز از بین نرفته است، زیرا پیامی در مورد رویدادی ظاهر شد که می‌تواند به طور قابل توجهی برنامه‌های «انقلابی میلیاردر» را تعدیل کند.
این بیانیه مطبوعاتی اخیر این شرکت است. Sunvault Energy Inc.، که همراه با شرکت برق ادیسونموفق به ساخت بزرگترین ابرخازن گرافنی جهان با ظرفیت 10 هزار (!) فاراد شد..
این رقم به قدری خارق العاده است که در بین کارشناسان داخلی تردید ایجاد می کند - در مهندسی برق حتی 20 میکروفاراد (یعنی 0.02 میلی فاراد) این مقدار زیادی است. با این حال، شکی نیست که مدیر Sunvault Energy، بیل ریچاردسون، فرماندار سابق نیومکزیکو و وزیر سابق انرژی ایالات متحده است. بیل ریچاردسون مردی شناخته شده و مورد احترام است: او به عنوان سفیر ایالات متحده در سازمان ملل خدمت کرد، چندین سال در اندیشکده کیسینجر و مک لارتی کار کرد و حتی به دلیل موفقیت هایش در آزادی آمریکایی های اسیر شده توسط شبه نظامیان، نامزد جایزه نوبل شد. در "نقاط داغ" مختلف صلح. او در سال 2008 یکی از نامزدهای حزب دموکرات برای ریاست جمهوری ایالات متحده بود، اما در برابر باراک اوباما شکست خورد.

امروزه Sunvault به سرعت در حال رشد است و یک سرمایه گذاری مشترک با شرکت برق ادیسون به نام Supersunvault ایجاد کرده است و هیئت مدیره شرکت جدید نه تنها شامل دانشمندان است (یکی از مدیران یک بیوشیمیست و دیگری یک سرطان شناس کارآفرین است) بلکه همچنین افراد مشهور با هوش تجاری خوب. توجه داشته باشم که تنها در دو ماه گذشته این شرکت ظرفیت ابرخازن های خود را ده برابر کرده است - از هزار به 10000 فاراد، و قول داده است که آن را حتی بیشتر کند تا انرژی انباشته شده در خازن برای تامین انرژی کل خانه کافی باشد. یعنی Sunvault آماده است تا رقیب مستقیم ایلان ماسک باشد که قصد دارد سوپر باتری‌های Powerwall با ظرفیت حدود 10 کیلووات ساعت تولید کند.

مزایای فناوری گرافن و پایان گیگافکتوری.

در اینجا باید تفاوت اصلی بین خازن ها و باتری ها را به یاد بیاوریم - اگر اولی به سرعت شارژ و تخلیه شود، اما انرژی کمی را جمع آوری کند، سپس باتری ها - برعکس. توجه داشته باشید مزایای اصلی ابرخازن های گرافنیV.

1. شارژ سریع- خازن ها تقریباً 100-1000 برابر سریعتر از باتری ها شارژ می شوند.

2. ارزانیاگر باتری‌های لیتیوم یون معمولی حدود 500 دلار به ازای هر 1 کیلووات ساعت انرژی انباشته شده قیمت داشته باشند، یک ابرخازن فقط 100 دلار قیمت دارد و سازندگان قول می‌دهند تا پایان سال هزینه را به 40 دلار کاهش دهند. از نظر ترکیب آن، کربن معمولی است - یکی از رایج ترین عناصر شیمیایی روی زمین.

3. فشردگی و چگالی انرژی و. ابرخازن گرافنی جدید نه تنها با ظرفیت خارق‌العاده‌اش، که از نمونه‌های شناخته‌شده تا حدود هزار برابر فراتر می‌رود، شگفت‌زده می‌کند، بلکه با فشردگی آن - اندازه یک کتاب کوچک است، یعنی صد برابر فشرده‌تر از خازن‌های 1 فاراد. در حال حاضر استفاده می شود.

4. ایمنی و سازگاری با محیط زیست. آنها بسیار ایمن تر از باتری ها هستند که گرم می شوند، حاوی مواد شیمیایی خطرناک هستند و گاهی اوقات حتی منفجر می شوند. گرافن خود یک ماده زیست تخریب پذیر است، یعنی در آفتاب به سادگی تجزیه می شود و محیط را خراب نمی کند. از نظر شیمیایی غیر فعال است و به محیط زیست آسیب نمی رساند.

5. سادگی فناوری جدید برای تولید گرافن. قلمرو وسیع و سرمایه گذاری، انبوه کارگران، مواد سمی و خطرناک مورد استفاده در فرآیند فن آوری باتری های لیتیوم یون - همه اینها به شدت با سادگی شگفت انگیز فناوری جدید در تضاد است. واقعیت این است که گرافن (یعنی نازک ترین فیلم کربن تک اتمی) در Sunvault با استفاده از یک دیسک CD معمولی که بخشی از تعلیق گرافیت روی آن ریخته می شود، تولید می شود. سپس دیسک در یک درایو دی وی دی معمولی قرار می گیرد و با استفاده از یک برنامه خاص با لیزر رایت می شود - و لایه گرافن آماده است! گزارش شده است که این کشف به طور تصادفی انجام شده است - توسط دانش آموز ماهر الکادی، که در آزمایشگاه شیمیدان ریچارد کانر کار می کرد. سپس دیسک را با استفاده از نرم افزار LightScribe برای تولید لایه ای از گرافن سوزاند.
علاوه بر این، همانطور که مدیر عامل Sunvault، گری موناهان در کنفرانس وال استریت گفت، این شرکت در تلاش است دستگاه های ذخیره انرژی گرافن را می توان با چاپ معمولی روی چاپگر سه بعدی تولید کرد- و این باعث می شود تولید آنها نه تنها ارزان، بلکه عملاً جهانی باشد. و در ترکیب با پانل های خورشیدی ارزان قیمت (امروزه هزینه آنها به 1.3 دلار در هر وات کاهش یافته است)، ابرخازن های گرافنی به میلیون ها نفر این شانس را می دهد که با قطع کامل شبکه برق استقلال انرژی به دست آورند و حتی بیشتر از آن - به برق خودشان تبدیل شوند. تامین کنندگان و با از بین بردن انحصارات «طبیعی».
بنابراین شکی نیست: گرافن ابرخازن ها هستند پیشرفت انقلابی در زمینه ذخیره سازی انرژی و . و این خبر بدی برای ایلان ماسک است - ساخت یک کارخانه در نوادا حدود 5 میلیارد دلار برای او هزینه خواهد داشت که حتی بدون چنین رقبای جبران آن دشوار است. به نظر می رسد در حالی که ساخت کارخانه نوادا در حال انجام است و احتمال تکمیل آن وجود دارد، سه مورد دیگر که ماسک برنامه ریزی کرده است بعید است تکمیل شود.

دسترسی به بازار؟ نه به زودی که ما دوست داریم.

ماهیت انقلابی چنین فناوری آشکار است. چیز دیگری نامشخص است - چه زمانی وارد بازار می شود؟ در حال حاضر، پروژه بزرگ و گران قیمت کارخانه لیتیوم-یون گیگافکتوری ایلان ماسک مانند دایناسورهای صنعتی به نظر می رسد. با این حال، مهم نیست که یک فناوری جدید چقدر انقلابی، ضروری و دوستدار محیط زیست باشد، این بدان معنا نیست که یک یا دو سال دیگر به سراغ ما خواهد آمد. دنیای سرمایه نمی تواند از شوک های مالی جلوگیری کند، اما در اجتناب از شوک های تکنولوژیک کاملاً موفق بوده است. در چنین مواردی، توافقات پشت پرده بین سرمایه گذاران بزرگ و بازیگران سیاسی وارد عمل می شود. شایان ذکر است که Sunvault شرکتی است که در کانادا واقع شده است و هیئت مدیره آن شامل افرادی است که اگرچه ارتباطات گسترده ای در نخبگان سیاسی ایالات متحده دارند، اما هنوز بخشی از هسته نفتی آن نیستند، که کم و بیش آشکار است. مبارزه ای که ظاهراً از قبل شروع شده است.
آنچه برای ما مهم است این است فرصت های ارائه شده توسط فناوری های نوظهور انرژی: استقلال انرژی برای کشور، و در آینده - برای هر یک از شهروندان آن. البته، ابرخازن‌های گرافنی بیشتر یک فناوری «هیبریدی» و انتقالی هستند و برخلاف آن، اجازه تولید مستقیم انرژی را نمی‌دهند. فناوری های مغناطیسی گرانشی، که نوید تغییر کامل پارادایم علمی و ظاهر کل جهان را می دهد. بالاخره وجود دارد فناوری های مالی انقلابیکه در واقع توسط مافیای جهانی دلارهای نفتی تابو هستند. با این حال، این یک پیشرفت بسیار چشمگیر است، از همه جالبتر زیرا در "لانه جانور دلاری نفتی" - در ایالات متحده اتفاق می افتد.
همین شش ماه پیش درباره موفقیت‌های ایتالیایی‌ها در فناوری همجوشی سرد نوشتم، اما در این مدت با فناوری چشمگیر LENR شرکت آمریکایی SolarTrends و پیشرفت گایا-روش آلمانی و اکنون در مورد واقعاً آشنا شدیم. فناوری انقلابی دستگاه‌های ذخیره‌سازی گرافن حتی همین فهرست کوتاه نشان می دهد که مشکل این نیست که ما یا هر دولت دیگری توانایی کاهش قبوض گاز و برق دریافتی ما و حتی در محاسبه غیر شفاف تعرفه ها را ندارد.
ریشه بدی، ناآگاهی کسانی است که قبوض را می پردازند و بی میلی کسانی که آنها را صادر می کنند برای تغییر چیزی. . فقط برای مردم عادی انرژی برق است. در حقیقت، انرژی خود، قدرت است.

نشریه علمی Science از پیشرفت تکنولوژیکی دانشمندان استرالیایی در زمینه ایجاد ابرخازن ها خبر داد.

کارمندان دانشگاه موناش، واقع در ملبورن، موفق شدند فناوری تولید ابرخازن های ساخته شده از گرافن را به گونه ای تغییر دهند که محصولات حاصل از آن از نظر تجاری جذاب تر از آنالوگ های قبلی باشد.

کارشناسان مدت‌هاست که درباره ویژگی‌های جادویی ابرخازن‌های مبتنی بر گرافن صحبت می‌کنند و آزمایش‌های آزمایشگاهی بیش از یک بار به طور قانع‌کننده این واقعیت را ثابت کرده‌اند که این ابرخازن‌های معمولی بهتر هستند. چنین خازن هایی با پیشوند "super" مورد انتظار سازندگان الکترونیک مدرن، شرکت های خودروسازی و حتی سازندگان منابع جایگزین برق و غیره است.

چرخه عمر بسیار طولانی و همچنین توانایی یک ابرخازن برای شارژ در کوتاه ترین زمان ممکن، به طراحان این امکان را می دهد که از آنها برای حل مشکلات پیچیده هنگام طراحی دستگاه های مختلف استفاده کنند. اما تا آن زمان، راهپیمایی پیروزمندانه خازن های گرافنی به دلیل انرژی ویژه پایین آنها مسدود شده بود و... به طور متوسط، یک یونیستور یا ابرخازن دارای یک نشانگر انرژی خاص در حدود 5 تا 8 وات ساعت بر کیلوگرم بود که در پس زمینه تخلیه سریع، محصول گرافن را به نیاز اغلب به شارژ مجدد وابسته می کرد.

کارمندان استرالیایی دپارتمان تحقیقات تولید مواد از ملبورن به سرپرستی پروفسور دان لی، موفق شدند چگالی انرژی ویژه یک خازن گرافنی را ۱۲ برابر افزایش دهند. اکنون این رقم برای خازن جدید 60 W*h/kg است و این دلیلی است برای صحبت در مورد انقلاب فنی در این زمینه. مخترعان موفق شدند بر مشکل تخلیه سریع ابرخازن گرافن غلبه کنند و اطمینان حاصل کنند که اکنون کندتر از یک باتری معمولی تخلیه می شود.

یک کشف فناوری به دانشمندان کمک کرد تا به چنین نتیجه چشمگیری دست یابند: آنها یک فیلم گرافن-ژل تطبیقی ​​گرفتند و یک الکترود بسیار کوچک از آن ایجاد کردند. مخترعان فضای بین صفحات گرافن را با الکترولیت مایع پر کردند به طوری که فاصله ای زیر نانومتری بین آنها ایجاد شد. این الکترولیت در خازن های معمولی نیز وجود دارد، جایی که به عنوان رسانای الکتریسیته عمل می کند. در اینجا نه تنها به یک هادی، بلکه مانعی برای تماس صفحات گرافن با یکدیگر تبدیل شد. این حرکت بود که امکان دستیابی به چگالی بالاتر خازن را با حفظ ساختار متخلخل فراهم کرد.

خود الکترود فشرده با استفاده از فناوری ای ساخته شده است که برای سازندگان کاغذ که همه ما با آن آشنا هستیم آشناست. این روش کاملاً ارزان و ساده است که به ما امکان می دهد نسبت به امکان تولید تجاری ابرخازن های جدید خوش بین باشیم.

روزنامه نگاران به سرعت به جهان اطمینان دادند که بشریت انگیزه ای برای توسعه دستگاه های الکترونیکی کاملاً جدید دریافت کرده است. خود مخترعان به زبان پروفسور لی قول دادند که به ابرخازن گرافن کمک کنند تا مسیر آزمایشگاه تا کارخانه را به سرعت طی کند.

چه بخواهیم چه نخواهیم، ​​عصر خودروهای برقی پیوسته نزدیک می شود. و در حال حاضر، تنها یک فناوری مانع از پیشرفت و تصاحب بازار توسط وسایل نقلیه الکتریکی، فناوری ذخیره سازی انرژی الکتریکی و غیره شده است. با وجود تمام دستاوردهای دانشمندان در این راستا، اکثر خودروهای برقی و هیبریدی در طراحی خود باتری های لیتیوم یونی دارند که جنبه های مثبت و منفی خود را دارند و تنها می توانند مسافت پیموده شده وسیله نقلیه را با یک بار شارژ و در مسافت کوتاهی که فقط کافی است، طی کنند. در محدوده شهر سفر کنید تمامی خودروسازان مطرح دنیا این مشکل را درک کرده و به دنبال راه هایی برای افزایش کارایی خودروهای برقی هستند که با یک بار شارژ باتری، برد رانندگی را افزایش می دهد.

یکی از راه‌های بهبود کارایی خودروهای الکتریکی، جمع‌آوری و استفاده مجدد از انرژی است که در هنگام ترمز کردن خودرو و حرکت خودرو بر روی سطوح ناهموار جاده به گرما تبدیل می‌شود. روش‌هایی برای بازگشت چنین انرژی قبلاً ایجاد شده است، اما راندمان جمع‌آوری و استفاده مجدد آن به دلیل سرعت کم باتری‌ها بسیار کم است. زمان ترمز معمولاً بر حسب ثانیه اندازه گیری می شود که برای باتری هایی که ساعت ها طول می کشد تا شارژ شوند بسیار سریع است. بنابراین، برای انباشت انرژی "سریع"، رویکردها و وسایل ذخیره سازی دیگری مورد نیاز است که نقش آنها به احتمال زیاد خازن های با ظرفیت بالا، به اصطلاح ابرخازن ها هستند.

متأسفانه ابرخازن‌ها هنوز آماده ورود به جاده بزرگ نیستند، با وجود اینکه می‌توانند به سرعت شارژ و دشارژ شوند، ظرفیت آنها هنوز نسبتاً کم است. علاوه بر این، قابلیت اطمینان ابرخازن‌ها نیز چیزهای زیادی را باقی می‌گذارد؛ مواد مورد استفاده در الکترودهای ابرخازن‌ها به طور مداوم در نتیجه چرخه‌های شارژ-تخلیه مکرر از بین می‌روند. و این به سختی قابل قبول است با توجه به این واقعیت که در طول عمر یک ماشین الکتریکی، تعداد چرخه های عملیاتی ابرخازن ها باید میلیون ها بار باشد.

Santhakumar Kannappan و گروهی از همکارانش از موسسه علم و فناوری، گوانگجو، کره، راه حلی برای مشکل فوق دارند که اساس آن یکی از شگفت انگیزترین مواد زمان ما - گرافن است. محققان کره‌ای نمونه‌های اولیه ابرخازن‌های مبتنی بر گرافن بسیار کارآمد را توسعه داده‌اند که پارامترهای خازنی آن‌ها کمتر از باتری‌های لیتیوم یونی نیست، اما می‌توانند به سرعت بار الکتریکی خود را جمع‌آوری و آزاد کنند. علاوه بر این، حتی نمونه های اولیه ابرخازن های گرافنی می توانند ده ها هزار چرخه عملیاتی را بدون از دست دادن ویژگی های خود تحمل کنند.
ترفند برای دستیابی به چنین نتایج چشمگیری، به دست آوردن شکل خاصی از گرافن است که دارای سطح مؤثر بزرگی است. محققان این شکل از گرافن را با مخلوط کردن ذرات اکسید گرافن با هیدرازین در آب و خرد کردن همه آن با استفاده از امواج فراصوت ساخته اند. پودر گرافن به دست آمده در گلوله های دیسکی شکل بسته بندی شد و در دمای 140 درجه سانتیگراد و فشار 300 کیلوگرم بر سانتی متر به مدت پنج ساعت خشک شد.

ماده حاصل بسیار متخلخل است؛ یک گرم از چنین ماده گرافنی مساحت موثری برابر با مساحت زمین بسکتبال دارد. علاوه بر این، ماهیت متخلخل این ماده به مایع الکترولیتی یونی EBIMF 1 M اجازه می دهد تا کل حجم ماده را به طور کامل پر کند که منجر به افزایش ظرفیت الکتریکی ابرخازن می شود.

اندازه گیری ویژگی های ابرخازن های آزمایشی نشان داد که ظرفیت الکتریکی آنها حدود 150 فاراد بر گرم، چگالی ذخیره انرژی 64 وات بر کیلوگرم و چگالی جریان الکتریکی 5 آمپر بر گرم است. همه این ویژگی‌ها با باتری‌های لیتیوم یون قابل مقایسه هستند که چگالی ذخیره‌سازی انرژی آن‌ها بین 100 تا 200 وات بر کیلوگرم است. اما این ابرخازن ها یک مزیت بزرگ دارند: آنها می توانند تمام شارژ ذخیره شده خود را تنها در 16 ثانیه به طور کامل شارژ یا آزاد کنند. و این زمان سریعترین زمان شارژ-تخلیه تا به امروز است.

این مجموعه چشمگیر از ویژگی‌ها، به علاوه فناوری ساده ساخت ابرخازن‌های گرافنی، ممکن است ادعای محققان را توجیه کند که نوشتند «دستگاه‌های ذخیره انرژی ابرخازن گرافنی آنها اکنون برای تولید انبوه آماده هستند و می‌توانند در نسل‌های آینده خودروهای الکتریکی ظاهر شوند. ”

گروهی از دانشمندان دانشگاه رایس روشی را برای تولید گرافن با استفاده از لیزر برای ساخت الکترودهای ابرخازن ابداع کرده‌اند.

از زمان کشف آن، گرافن، شکلی از کربن که شبکه کریستالی آن از نظر تک اتمی ضخیم است، از جمله به عنوان جایگزینی برای الکترودهای کربن فعال مورد استفاده در ابرخازن‌ها، خازن‌های با ظرفیت بالا و جریان‌های نشتی کم در نظر گرفته شده است. اما زمان و تحقیقات نشان داده است که الکترودهای گرافن خیلی بهتر از الکترودهای کربن فعال میکرو متخلخل عمل نمی کنند و این باعث کاهش اشتیاق و محدود شدن تعدادی از مطالعات شد.

با این اوصاف، الکترودهای گرافندارای مزایای غیر قابل انکاری در مقایسه با الکترودهای کربن متخلخل است.

ابرخازن های گرافنیمی‌تواند در فرکانس‌های بالاتر کار کند و انعطاف‌پذیری گرافن امکان ایجاد دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی بسیار نازک و انعطاف‌پذیر بر اساس آن را فراهم می‌کند که برای استفاده در وسایل الکترونیکی پوشیدنی و انعطاف‌پذیر مناسب هستند.

دو مزیت فوق‌الذکر ابرخازن‌های گرافنی، تحقیقات بیشتری را توسط گروهی از دانشمندان دانشگاه رایس انجام داد. آنها روش تولید گرافن به کمک لیزر را که توسعه داده بودند برای ساخت الکترودهای ابرخازن اقتباس کردند.

جیمز تور، دانشمندی که تیم تحقیقاتی را رهبری می‌کند، می‌گوید: «آنچه به دست آورده‌ایم قابل مقایسه با عملکرد میکرو ابرخازن‌های موجود در بازار الکترونیک است.» با روش خود، می‌توانیم ابرخازن‌هایی تولید کنیم که هر شکل فضایی دارند. هنگامی که نیاز داریم الکترودهای گرافن را در یک ناحیه کوچک به اندازه کافی بسته بندی کنیم، به سادگی آنها را مانند یک ورق کاغذ تا می کنیم.

دانشمندان برای تولید الکترودهای گرافن استفاده کردند روش لیزری(گرافم القا شده با لیزر، LIG)، که در آن یک پرتو لیزر قدرتمند به سمت هدفی که از یک ماده پلیمری ارزان قیمت ساخته شده است، نشانه می رود.

پارامترهای نور لیزر به گونه ای انتخاب می شوند که تمام عناصر پلیمر به جز کربن را که به شکل یک فیلم گرافن متخلخل تشکیل می شود، بسوزاند. نشان داده شده است که این گرافن متخلخل دارای یک سطح موثر به اندازه کافی بزرگ است که آن را به ماده ای ایده آل برای الکترودهای ابرخازن تبدیل می کند.

چیزی که یافته های تیم دانشگاه رایس را قانع کننده می کند، سهولت تولید گرافن متخلخل است.

ساخت الکترودهای گرافن بسیار ساده است. جیمز تور می‌گوید: «این کار نیازی به اتاق تمیز ندارد و در این فرآیند از لیزرهای صنعتی معمولی استفاده می‌شود که با موفقیت در کف کارخانه و حتی در فضای باز کار می‌کنند.»

علاوه بر سهولت تولید، ابرخازن های گرافنی ویژگی های بسیار چشمگیری از خود نشان داده اند. این دستگاه های ذخیره انرژی هزاران چرخه شارژ-تخلیه را بدون از دست دادن ظرفیت الکتریکی تحمل کرده اند. علاوه بر این، ظرفیت الکتریکی چنین ابرخازن هایی پس از تغییر شکل ابرخازن انعطاف پذیر 8 هزار بار متوالی تقریباً بدون تغییر باقی ماند.

جیمز تور گفت: «ما نشان داده‌ایم که فناوری توسعه داده‌ایم می‌تواند ابرخازن‌های نازک و انعطاف‌پذیری را تولید کند که می‌توانند به اجزای لوازم الکترونیکی انعطاف‌پذیر یا منابع انرژی برای لوازم الکترونیکی پوشیدنی تبدیل شوند که می‌توانند مستقیماً در لباس‌ها یا وسایل روزمره ساخته شوند.

ابرخازن ها را می توان درخشان ترین توسعه سال های اخیر نامید. در مقایسه با خازن های معمولی، با ابعاد یکسان، سه مرتبه از نظر ظرفیت متفاوت هستند. برای این، خازن ها پیشوند خود - "super" را دریافت کردند. آنها می توانند مقادیر زیادی انرژی را در مدت زمان کوتاهی آزاد کنند.

آنها در اندازه ها و اشکال مختلف موجود هستند:از موارد بسیار کوچک که بر روی سطح دستگاه ها نصب می شوند و اندازه آنها بزرگتر از یک سکه نیست گرفته تا موارد بسیار بزرگ استوانه ای و منشوری. هدف اصلی آنها کپی کردن منبع اصلی (باتری) در صورت افت ولتاژ است.

سیستم های الکترونیکی و الکتریکی مدرن پر انرژی، تقاضای زیادی برای منابع تغذیه دارند. تجهیزات نوظهور (از دوربین های دیجیتال گرفته تا دستگاه های الکترونیکی دستی و انتقال وسایل نقلیه الکتریکی) نیاز به ذخیره و تامین انرژی لازم دارند.

توسعه دهندگان مدرن این مشکل را به دو روش حل می کنند:

• استفاده از باتری با قابلیت ارسال پالس جریان بالا
• با اتصال موازی به باتری به عنوان بیمه ابرخازن ها، یعنی. راه حل "هیبرید".

در حالت دوم، ابرخازن به عنوان منبع تغذیه در هنگام کاهش ولتاژ باتری عمل می کند. این به این دلیل است که باتری ها دارای چگالی انرژی بالا و چگالی توان کم هستند، در حالی که برعکس، ابرخازن ها با چگالی انرژی کم اما چگالی توان بالا مشخص می شوند. آنها جریان تخلیه را برای بار فراهم می کنند. با اتصال یک ابر خازن به صورت موازی با باتری، می توانید از آن به طور موثرتری استفاده کنید و در نتیجه عمر مفید آن را افزایش دهید.

ابرخازن ها کجا استفاده می شوند؟

ویدئو: تست یک ابرخازن 116.6F 15V (6*700F 2.5V)، به جای باتری استارت در ماشین

در سیستم های الکترونیکی خودرو از آنها برای راه اندازی موتورها استفاده می شود.، در نتیجه بار روی باتری کاهش می یابد. آنها همچنین کاهش وزن را با کاهش نمودارهای سیم کشی ممکن می کنند. آنها به طور گسترده در خودروهای هیبریدی استفاده می شوند، جایی که ژنراتور توسط موتور احتراق داخلی کنترل می شود و یک موتور الکتریکی (یا موتورها) ماشین را به حرکت در می آورد. ابرخازن (کش انرژی) به عنوان منبع جریان در هنگام شتاب گیری و حرکت استفاده می شود و در هنگام ترمزگیری "شارژ" می شود. استفاده از آنها نه تنها در خودروهای سواری، بلکه در حمل و نقل شهری نیز امیدوارکننده است، زیرا نوع جدید خازن ها امکان کاهش مصرف سوخت را تا 50٪ و کاهش انتشار گازهای مضر به محیط زیست تا 90٪ فراهم می کند.

من هنوز نمی توانم باتری ابرخازن را به طور کامل تعویض کنم، اما این فقط یک زمان است. استفاده از ابرخازن به جای باتری اصلاً خارق العاده نیست. اگر نانوتکنولوژیست‌های دانشگاه QUT مسیر درست را طی کنند، در آینده نزدیک این امر به واقعیت تبدیل خواهد شد. پانل های بدنه حاوی آخرین نسل ابرخازن ها می توانند به عنوان باتری عمل کنند. کارمندان این دانشگاه موفق شدند مزایای باتری های لیتیوم یون و ابرخازن ها را در دستگاهی جدید ترکیب کنند. ابرخازن نازک، سبک و قدرتمند جدید متشکل از الکترودهای کربنی است که یک الکترولیت بین آنها قرار دارد. به گفته دانشمندان، محصول جدید را می توان در هر جایی از بدن نصب کرد.

به لطف گشتاور بالا (گشتاور راه اندازی)، آنها می توانند ویژگی های راه اندازی را در دماهای پایین بهبود بخشند و اکنون قابلیت های سیستم قدرت را گسترش دهند. مصلحت استفاده از آنها در سیستم قدرت با این واقعیت توضیح داده می شود که زمان شارژ / دشارژ آنها 5-60 ثانیه است. علاوه بر این، آنها را می توان در سیستم توزیع برخی از دستگاه های ماشین استفاده کرد: شیر برقی، سیستم های تنظیم قفل درب و موقعیت های شیشه پنجره.

ابرخازن DIY

شما می توانید با دستان خود یک ابر خازن بسازید. از آنجایی که طراحی آن از الکترولیت و الکترود تشکیل شده است، باید در مورد مواد آنها تصمیم بگیرید. مس، فولاد ضد زنگ یا برنج برای الکترودها کاملا مناسب هستند. برای مثال می توانید سکه های قدیمی پنج کوپکی را بگیرید. شما همچنین به پودر کربن نیاز دارید (می توانید کربن فعال را از داروخانه خریداری کنید و آن را آسیاب کنید). آب معمولی به عنوان یک الکترولیت عمل می کند، که در آن باید نمک خوراکی را حل کنید (100:25). محلول با پودر زغال چوب مخلوط می شود تا یک قوام بتونه ایجاد شود. اکنون باید در یک لایه چند میلی متری به هر دو الکترود اعمال شود.

تنها چیزی که باقی می ماند انتخاب واشر است که الکترودها را از هم جدا می کند، که الکترولیت از طریق آن آزادانه عبور می کند، اما پودر کربن حفظ می شود. فایبرگلاس یا لاستیک فوم برای این اهداف مناسب است.

الکترودها - 1.5; پوشش کربن الکترولیت - 2.4؛ واشر - 3.

می توانید از یک جعبه پلاستیکی به عنوان پوشش استفاده کنید و قبلاً سوراخ هایی را برای سیم های لحیم شده به الکترودها در آن سوراخ کرده باشید. پس از اتصال سیم ها به باتری، منتظر می مانیم تا طرح "یونیکس" شارژ شود که به این دلیل نامگذاری شده است زیرا غلظت های متفاوتی از یون ها باید روی الکترودها تشکیل شود. بررسی شارژ با استفاده از ولت متر آسان تر است.

راه های دیگری هم وجود دارد. به عنوان مثال، با استفاده از کاغذ حلبی (فیل حلبی - کاسه شکلاتی)، تکه های حلبی و کاغذ مومی که می توانید با برش دادن و قرار دادن نوارهای دستمال کاغذی در پارافین ذوب شده، اما نه جوشانده، خودتان آن را درست کنید. عرض نوارها باید پنجاه میلی متر و طول آن از دویست تا سیصد میلی متر باشد. پس از برداشتن نوارها از پارافین، باید پارافین را با سمت صاف چاقو جدا کنید.

کاغذ آغشته به پارافین به شکل آکاردئونی (مانند تصویر) تا می شود. در هر دو طرف، ورقه های استانیول در شکاف ها قرار می گیرند که به اندازه 45x30 میلی متر است. پس از آماده شدن قطعه کار، آن را تا می کنند و سپس با اتو گرم اتو می کنند. انتهای استانیول باقی مانده از بیرون به یکدیگر متصل می شوند. برای این کار می توانید از صفحات مقوایی و صفحات برنجی با گیره های حلبی استفاده کنید که بعداً هادی ها به آنها لحیم می شوند تا در هنگام نصب خازن لحیم شود.

ظرفیت خازن به تعداد برگهای استانیول بستگی دارد. به عنوان مثال، در هنگام استفاده از ده ورق از این قبیل، برابر با هزار پیکوفاراد و اگر تعداد آنها دو برابر شود، برابر است با دو هزار. این فناوری برای ساخت خازن هایی با ظرفیت تا پنج هزار پیکوفاراد مناسب است.

اگر به ظرفیت زیادی نیاز دارید، باید یک خازن کاغذ میکروفاراد قدیمی داشته باشید، که یک رول نواری است که از نوارهای کاغذ مومی تشکیل شده است، که بین آن یک نوار فویل استانیول گذاشته شده است.

برای تعیین طول نوارها از فرمول استفاده کنید:

l = 0.014 C/a، که در آن ظرفیت خازن مورد نیاز در pF C است. عرض نوارها بر حسب سانتی متر – a: طول بر حسب سانتی متر – 1.

پس از باز کردن نوارهایی به طول مورد نیاز از خازن قدیمی، فویل 10 میلی متری را از هر طرف جدا کنید تا از اتصال صفحات خازن به یکدیگر جلوگیری شود.

نوار باید دوباره بپیچد، اما ابتدا با لحیم کردن سیم های رشته ای به هر نوار فویل. این سازه با کاغذ ضخیم در بالا پوشانده شده است و دو سیم نصب (سخت) روی لبه های کاغذی که بیرون زده اند، مهر و موم شده اند، که سرب های خازن در داخل آستین کاغذ به آن لحیم می شوند (شکل را ببینید). آخرین مرحله پر کردن ساختار با پارافین است.

مزایای ابرخازن های کربنی

از آنجایی که امروز نمی توان حرکت وسایل نقلیه الکتریکی در سراسر کره زمین را نادیده گرفت، دانشمندان در حال کار بر روی موضوع مربوط به سریعترین شارژ آنها هستند. ایده‌های زیادی به وجود می‌آیند، اما فقط تعداد کمی از آنها عملی می‌شوند. به عنوان مثال در چین، یک مسیر غیرعادی حمل و نقل شهری در شهر نینگبو راه اندازی شده است. اتوبوسی که روی آن کار می کند از یک موتور الکتریکی نیرو می گیرد، اما شارژ آن تنها ده ثانیه طول می کشد. روی آن، پنج کیلومتر را طی می کند و دوباره در حین پیاده شدن/پیاده شدن مسافران، موفق به شارژ مجدد می شود.

این به لطف استفاده از نوع جدیدی از خازن ها - کربن امکان پذیر شد.

خازن های کربنیآنها می توانند حدود یک میلیون چرخه شارژ را تحمل کنند و در محدوده دمایی منفی چهل تا مثبت شصت و پنج درجه کاملاً کار کنند. آنها تا 80 درصد انرژی را از طریق بازیابی برمی گردند.

آنها دوره جدیدی را در مدیریت انرژی آغاز کردند که زمان تخلیه و شارژ را به نانوثانیه کاهش داد و وزن خودرو را کاهش داد. به این مزایا می‌توانیم هزینه کم را اضافه کنیم، زیرا از فلزات خاکی کمیاب و سازگاری با محیط زیست در تولید استفاده نمی‌شود.