ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับ supercapacitors

ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบแบบพาสซีฟสองขั้วซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เกือบทุกวงจรที่เราพบในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ใช้ตัวเก็บประจุหนึ่งตัวหรือมากกว่าสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้มากที่สุดรองจากตัวต้านทาน พวกเขามีความสามารถพิเศษในการเก็บพลังงานมีตัวเก็บประจุหลายประเภทที่มีอยู่ในตลาด แต่สิ่งที่เพิ่งได้รับความนิยมและสัญญาว่าจะมีการเปลี่ยนแบตเตอรี่หรือทางเลือกอื่นในอนาคตคือตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์คาปาซิเตอร์หรือที่เรียกว่าอัลต ร้าคาปาซิเตอร์. ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ไม่ใช่อะไรนอกจากตัวเก็บประจุความจุสูงที่มีค่าความจุสูงกว่าตัวเก็บประจุปกติมาก แต่ขีด จำกัด แรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าพวกเขาสามารถเก็บพลังงานได้มากกว่า 10 ถึง 100 เท่าต่อหน่วยปริมาตรหรือมวลมากกว่าตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าสามารถรับและส่งประจุได้เร็วกว่า แบตเตอรี่และทนต่อรอบการคายประจุได้มากกว่าแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้

Supercapacitors หรือ Ultracapacitors เป็นเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานแบบใหม่ซึ่งได้รับการพัฒนาอย่างมากในยุคปัจจุบัน ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ให้ประโยชน์ทางอุตสาหกรรมและเศรษฐกิจที่สำคัญ

ความจุของตัวเก็บประจุวัดเป็น Farad (F) เช่น. 1uF (microfarad), 1mF (millifarad) อย่างไรก็ตามในขณะที่ตัวเก็บประจุที่มีค่าต่ำกว่านั้นพบได้ทั่วไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่ก็มีตัวเก็บประจุที่มีมูลค่าสูงมากซึ่งเก็บพลังงานไว้ในความหนาแน่นสูงกว่ามากและมีค่าความจุสูงมากซึ่งอยู่ใน Farad

ในภาพด้านบนจะแสดงภาพซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ 2.7V, 1Farad ที่มีอยู่ในท้องถิ่น ระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่ามาก แต่ความจุของตัวเก็บประจุด้านบนค่อนข้างสูง

ประโยชน์ของ Super-Capacitor หรือ Ultra-Capacitor

ความต้องการของSupercapacitorsสูงขึ้นทุกวัน สาเหตุหลักของการพัฒนาอย่างรวดเร็วและความต้องการเกิดจากประโยชน์อื่น ๆ อีกมากมายของ Supercapacitors มีเพียงไม่กี่อย่างที่ระบุไว้ด้านล่าง:

• มีอายุการใช้งานประมาณ 1 ล้านรอบการชาร์จที่ดีมาก
• อุณหภูมิในการทำงานอยู่ที่ -50 องศาถึง 70 องศาเกือบซึ่งทำให้เหมาะสำหรับใช้ในงานผู้บริโภค
• ความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 50 เท่าซึ่งทำได้โดยแบตเตอรี่
• วัสดุที่เป็นอันตรายโลหะที่เป็นพิษไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการผลิต Super Capacitors หรือ Ultracapacitors ซึ่งทำให้ได้รับการรับรองว่าเป็นส่วนประกอบที่ใช้แล้วทิ้ง
• มีประสิทธิภาพมากกว่าแบตเตอรี่
• ไม่ต้องบำรุงรักษาเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เก็บพลังงานไว้ในสนามไฟฟ้า แต่ในกรณีของแบตเตอรี่พวกมันใช้สารประกอบทางเคมีในการกักเก็บพลังงาน นอกจากนี้เนื่องจากความสามารถในการชาร์จและคายประจุอย่างรวดเร็ว Supercapacitors จึงเข้าสู่ตลาดแบตเตอรี่อย่างช้าๆ ความต้านทานภายในต่ำพร้อมประสิทธิภาพสูงมากไม่มีค่าบำรุงรักษาอายุการใช้งานที่สูงขึ้นเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้มีความต้องการสูงในตลาดที่เกี่ยวข้องกับแหล่งพลังงานสมัยใหม่

พลังงานในตัวเก็บประจุ

เก็บประจุพลังงานในรูปแบบของQ = C x V Q ย่อมาจาก Charge in Coulombs, C สำหรับความจุใน Farads และ V สำหรับแรงดันไฟฟ้าเป็นโวลต์ ดังนั้นถ้าเราเพิ่มความจุพลังงานที่เก็บไว้ Q ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย

หน่วยความจุคือ Farad (F) ซึ่งตั้งชื่อตาม M. Faraday Farad เป็นหน่วยความจุเทียบกับคูลอมบ์ / โวลต์ ถ้าเราพูดว่าตัวเก็บประจุที่มี 1 Farad มันจะสร้างความต่างศักย์ 1 โวลต์ระหว่างเพลตขึ้นอยู่กับประจุ 1 คูลอมบ์

1 Farad เป็นตัวเก็บประจุที่มีมูลค่ามากสำหรับใช้เป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไปจะใช้ความจุไมโครฟาเรดถึงพิโกฟารัด microfarad จะแสดงเป็น uF (1 / 1,000,000 Farad หรือ 10 ^-6 F) นาโน Farad เป็น nF (1 / 1,000,000,000 หรือ 10 ^-9 F) และ บริษัท ปิโก Farad เป็น pF (1 / 1,000,000,000,000 or10 ^-12 F)

หากมีค่าสูงขึ้นมากเช่น mF ไปไม่กี่ farads (โดยทั่วไป <10F) หมายถึงตัวเก็บประจุสามารถถือพลังงานมากขึ้นระหว่างแผ่นเปลือกโลกของตัวเก็บประจุที่เรียกว่าเป็นตัวเก็บประจุหรืออัลตร้า supercapacitor

พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุคือE = ½ CV ² Joules E คือพลังงานที่เก็บไว้ในหน่วยจูล C คือความจุในฟารัดและ V คือความต่างศักย์ระหว่างแผ่นเปลือกโลก

โครงสร้างของ

Supercapacitor เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมี ที่น่าสนใจคือไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีใดที่ทำหน้าที่กักเก็บพลังงานไฟฟ้าพวกมันมีโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์โดยมีแผ่นหรืออิเล็กโทรดที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ซึ่งตั้งอยู่ใกล้ ๆ กันโดยมีพื้นที่ผิวขนาดเล็กมาก โครงสร้างของมันเหมือนกับตัวเก็บประจุไฟฟ้าที่มีอิเล็กโทรไลต์ของเหลวหรือเปียกระหว่างอิเล็กโทรด คุณสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับตัวเก็บประจุประเภทต่างๆได้ที่นี่

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าสถิตที่เก็บพลังงานไฟฟ้าไว้เป็นสนามไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

ขั้วไฟฟ้า, สีแดงและสีฟ้า, สีเคลือบสองด้าน โดยทั่วไปทำจากคาร์บอนกราไฟต์ในรูปของท่อนาโนคาร์บอนหรือเจลหรือถ่านกัมมันต์ชนิดพิเศษที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า

เพื่อป้องกันการไหลของอิเล็กตรอนขนาดใหญ่ระหว่างอิเล็กโทรดและการส่งผ่านไอออนบวกจะใช้เมมเบรนกระดาษที่มีรูพรุน เยื่อกระดาษยังแยกขั้วไฟฟ้า ดังที่เราเห็นในภาพด้านบนเมมเบรนกระดาษที่มีรูพรุนจะอยู่ตรงกลางซึ่งเป็นสีเขียว อิเล็กโทรดและตัวคั่นกระดาษถูกชุบด้วยอิเล็กโทรไลต์เหลว อลูมิเนียมฟอยล์ใช้เป็นตัวสะสมกระแสซึ่งสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า

แผ่นแยกและพื้นที่ของเพลตรับผิดชอบค่าความจุของตัวเก็บประจุ ความสัมพันธ์สามารถแสดงเป็น

โดยที่Ɛคือการอนุญาตของวัสดุที่อยู่ระหว่างเพลต

A คือพื้นที่ของจาน

D คือการแยกระหว่างจาน

ดังนั้นในกรณีของ supercapacitor จำเป็นต้องเพิ่มพื้นผิวสัมผัส แต่มีข้อ จำกัด เราไม่สามารถเพิ่มรูปร่างหรือขนาดทางกายภาพของตัวเก็บประจุได้ เพื่อเอาชนะข้อ จำกัด นี้อิเล็กโทรไลต์ชนิดพิเศษถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าระหว่างเพลตซึ่งจะเป็นการเพิ่มความจุ

ซุปเปอร์เรียกว่าเป็นตัวเก็บประจุสองชั้นมีเหตุผลเบื้องหลังคือ การแยกขนาดเล็กมากและพื้นที่ผิวขนาดใหญ่โดยใช้อิเล็กโทรไลต์พิเศษชั้นผิวของอิเล็กโทรไลต์อิออนก่อตัวเป็นสองชั้น มันสร้างโครงสร้างตัวเก็บประจุสองตัวหนึ่งตัวที่ขั้วไฟฟ้าคาร์บอนแต่ละตัวและตั้งชื่อตัวเก็บประจุสองชั้น

การก่อสร้างเหล่านี้มีข้อเสียเปรียบ แรงดันไฟฟ้าทั่วตัวเก็บประจุต่ำมากเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าจากการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ แรงดันไฟฟ้าขึ้นอยู่กับวัสดุอิเล็กโทรไลต์เป็นอย่างมากวัสดุสามารถ จำกัด ความสามารถในการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ ดังนั้นเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าขั้วต่ำจึงสามารถเชื่อมต่อซูเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นชุดเพื่อเก็บประจุไฟฟ้าในระดับแรงดันไฟฟ้าที่เป็นประโยชน์ ด้วยเหตุนี้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ในอนุกรมจึงผลิตแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าปกติและในแบบคู่ขนานความจุจึงมีขนาดใหญ่ขึ้น สามารถเข้าใจได้อย่างชัดเจนโดยใช้เทคนิค Supercapacitor Array Construction ด้านล่าง

โครงสร้าง Supercapacitor Array

ในการเก็บประจุด้วยแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นที่เป็นประโยชน์จำเป็นต้องเชื่อมต่อ supercapacitors เป็นอนุกรม และสำหรับการเพิ่มความจุควรเชื่อมต่อแบบขนาน

มาดูโครงสร้างอาร์เรย์ของ Supercapacitor

ในภาพด้านบนแรงดันไฟฟ้าของเซลล์เดียวหรือตัวเก็บประจุจะแสดงเป็น Cv ในขณะที่ความจุของเซลล์เดียวจะแสดงเป็น Cc ช่วงแรงดันไฟฟ้าของ supercapacitor เป็นจาก 1V เพื่อ 3V ที่เชื่อมต่อชุดเพิ่มแรงดันไฟฟ้าและตัวเก็บประจุมากขึ้นในการเพิ่มขึ้นขนานความจุ

ถ้าเราสร้างอาร์เรย์แรงดันไฟฟ้าในอนุกรมจะเป็น

แรงดันไฟฟ้ารวม = แรงดันไฟฟ้าของเซลล์ (Cv) x จำนวนแถว

และความจุขนานจะเป็น

ความจุทั้งหมด = ความจุของเซลล์ (Cc) x (จำนวนคอลัมน์ / จำนวนแถว)

ตัวอย่าง

เราจำเป็นต้องสร้างอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลสำรองและสำหรับสิ่งนั้นจำเป็นต้องใช้ super 2.5F หรือ supercapacitor ที่มีระดับ 6V

หากเราต้องการสร้างอาร์เรย์โดยใช้ตัวเก็บประจุ 1F ที่มีพิกัด 3V ขนาดอาร์เรย์และปริมาณตัวเก็บประจุจะเป็นเท่าใด

แรงดันไฟฟ้ารวม = แรงดันไฟฟ้าของเซลล์ x หมายเลขแถว จากนั้นหมายเลขแถว = 6/3 หมายเลขแถว = 2

หมายความว่าตัวเก็บประจุสองตัวในอนุกรมจะมีความต่างศักย์ 6V

ตอนนี้ความจุ

ความจุรวม = ความจุของเซลล์ x (หมายเลขคอลัมน์ / หมายเลขแถว) จากนั้นจำนวน Coloumn = (2.5 x 2) / 1

ดังนั้นเราต้องการ 2 แถวและ 5 คอลัมน์

มาสร้างอาร์เรย์

พลังงานทั้งหมดที่จัดเก็บในอาร์เรย์คือ

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นสิ่งที่ดีในการกักเก็บพลังงานและในกรณีที่ต้องการการชาร์จหรือการคายประจุอย่างรวดเร็ว มีการใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นอุปกรณ์สำรองซึ่งจำเป็นต้องสำรองแหล่งจ่ายไฟหรือปล่อยอย่างรวดเร็ว มีการใช้เพิ่มเติมในเครื่องพิมพ์รถยนต์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆที่ดื่มได้