المكثفات الفائقة - Ultracapacitors

ما هي المكثفات الفائقة – Ultracapacitors؟

المكثفات الفائقة (Ultracapacitors): هي أجهزة تخزين الطاقة الكهربائية التي لديها القدرة على تخزين كمية كبيرة من الشحنات الكهربائية، على عكس المقاومة التي تبدد الطاقة على شكل حرارة فإنّ المكثف المثالي لا يفقد طاقته، لقد رأينا أيضًا أنّ أبسط شكل للمكثف هو لوحان معدنيان موصلان متوازيان مفصولان بمادة عازلة، مثل الهواء، الميكا، الورق، السيراميك وما إلى ذلك، ويسمّى العازل من خلال مسافة (d).

تخزن المكثفات الطاقة نتيجة لقدرتها على تخزين الشحنة بكمية الشحنة المخزنة على المكثف اعتمادًا على الجهد، يتم تطبيق الجهد (V) عبر لوحاته، وكلما زاد الجهد سيتم تخزين المزيد من الشحنة بواسطة المكثف على النحو التالي: (Q ∞ V)، أيضًا، يحتوي المكثف على ثابت التناسب يسمّى السّعة، الرمز (C) والذي يمثل قدرة المكثف على تخزين شحنة كهربائية مع مقدار الشحنة اعتمادًا على قيمة سعة المكثف على النحو التالي: (Q ∞ C).

حساب الشحنة على المكثف:

يمكننا أن نرى أنّ هناك علاقة بين الشحنة (Q) والجهد (V) والسعة (C)، وكلما زادت السعة زادت كمية الشحنة المخزنة على مكثف لنفس مقدار الجهد ويمكننا تحديد هذه العلاقة للمكثف على النحو التالي:

Q = C  × V

حيث: (Q) هي “الشحنة الكهربائية وتقاس بوحدة الكولوم”، (C) هي “السعة”، وتقاس بوحدة “الفاراد”، و(V) هو الجهد، ويقاس بوحدة “الفولت”، وحدة السعة هي “كولوم/ فولت” والتي تسمّى أيضًا “فاراد” (F)، سميت على اسم M. Faraday، مع تعريف الفاراد على أنّه سعة المكثف، الأمر الذي يتطلب شحنة مقدارها (1) كولوم لتكوين فرق جهد (1) فولت بين اللوحتين، لكن مكثف فاراد التقليدي سيكون كبيرًا جدًا بالنسبة لمعظم التطبيقات الإلكترونية العملية، وبالتالي يتم استخدام وحدات أصغر بكثير مثل “ميكروفاراد” (μF) والنانوفاراد nanofarad) ،(nF)) وبيكوفاراد (pF) بشكل شائع حيث:

Microfarad  (μF)   1μF = 1/1,000,000 = 0.000001 = 10^-6 F

Nanofarad  (nF)   1nF = 1/1,000,000,000 = 0.000000001 = 10^-9 F

Picofarad  (pF)   1pF = 1/1,000,000,000,000 = 0.000000000001 = 10^-12 F

ومع ذلك، هناك نوع آخر من المكثفات المتاحة، تسمّى (Ultracapacitor) أو (Supercapacitor) والتي يمكن أن توفر قيمًا تتراوح من بضعة “ملي فاراد” (mF) إلى عشرة من السعة الفاراد في حجم صغير جدًا ممّا يسمح بتخزين المزيد من الطاقة الكهربائية بين لوحات كل منهما.

العلاقة بين السعة والشحنة:

لنتحدث عن العلاقة بين السّعة والشحنة، تكون الطاقة المخزنة في المكثف تعطى بواسطة المعادلة:

E = ½ CV²  in Joules

حيث: (E) هي الطاقة المخزنة في المجال الكهربائي “بالجول”، (V) هي فرق الجهد عبر الألواح، و (C) هي سعة المكثف “بالفاراد” ويتم تعريفها على النحو التالي:

C = ε A/d  in Farads

حيث: (ε) هي سماحية المادة بين الألواح، و(A) هي مساحة الألواح، و(d) هي المسافة بين الألواح، المكثفات الفائقة هي نوع آخر من المكثفات التي يتم إنشاؤها بحيث تحتوي على لوحة موصلة كبيرة تسمّى “القطب” (electrode)، ومساحة السطح (A) وكذلك مسافة صغيرة جدًا (d) بينهما، على عكس المكثفات التقليدية التي تستخدم مادة عازلة صلبة وجافة مثل التفلون والبولي إيثيلين والورق وما إلى ذلك، يستخدم المكثف الفائق سائلًا أو إلكتروليتًا رطبًا بين أقطابها ممّا يجعله أكثر من جهاز كهروكيميائي مشابه لمكثف كهربائي.

على الرغم من أنّ المكثف الفائق هو نوع من الأجهزة الكهروكيميائية، إلا أنّه لا توجد تفاعلات كيميائية متورطة في تخزين طاقته الكهربائية، هذا يعني أنّ المكثف الفائق يظل فعالًا كجهاز إلكتروستاتيكي يخزن طاقته الكهربائية في شكل مجال كهربائي بين قطبي الكهرباء الموصلين له.

بنية المكثفات الفائقة:

تصنع الأقطاب الكهربائية ذات الوجهين من كربون الجرافيت على شكل كربون موصل نشط أو أنابيب نانوية كربونية أو مواد هلامية كربونية، غشاء ورقي مسامي يسمّى الفاصل الذي يبقي الأقطاب الكهربائية متباعدة ولكنّه يسمح بمرور الأيونات الموجبة أثناء منع الإلكترونات الأكبر، يتم تشريب كل من فاصل الورق وأقطاب الكربون بالمحلول الكهربائي السائل باستخدام رقائق الألومنيوم بين الاثنين للعمل كمجمع تيار يقوم بتوصيل كهربائي إلى ألسنة اللحام “بالمكثفات الفائقة”.

قد يكون بناء الطبقة المزدوجة لأقطاب الكربون والفاصل رقيقًا جدًا ولكن مساحة سطحها الفعّالة تصل إلى آلاف الأمتار المربعة عند لفها معًا، ثمّ من أجل زيادة سعة مكثف فائق، من الواضح أنّنا بحاجة إلى زيادة مساحة سطح التلامس، (A) “بالمتر المربع” (m²)، دون زيادة الحجم المادي للمكثفات، أو استخدام نوع خاص من الإلكتروليت لزيادة الأيونات الموجبة التي تؤدي لزيادة الموصلية.

شرح بنية المكثفات الفائقة:

تقوم المكثفات الفائقة بصنع أجهزة تخزين طاقة ممتازة نظرًا لقيمها العالية من السعة التي تصل إلى مئات الفاراد، بسبب المسافة الصغيرة جدًا (d) أو فصل ألواحها ومساحة السطح العالية للأقطاب (A) للتكوين على سطح (a) طبقة من الأيونات الإلكتروليتية تشكل طبقة مزدوجة، ينتج عن هذا البناء مكثفان بشكل فعّال، واحد في كل قطب كربون، ممّا يعطي المكثف الفائق الاسم الثانوي “مكثف مزدوج الطبقة” مكونًا مكثفين على التوالي.

ومع ذلك، فإنّ مشكلة هذا الحجم الصغير هي أنّ الجهد عبر المكثف يمكن أن يكون منخفضًا جدًا فقط حيث يتم تحديد الجهد المقنن لخلية المكثف الفائق بشكل أساسي بواسطة جهد التحلل للكهرباء، بعد ذلك، يكون لخلية مكثف نموذجية جهد تشغيل يتراوح بين (1) إلى (3) فولت، اعتمادًا على المحلول بالكهرباء المستخدم، والذي يمكن أن يحد من كمية الطاقة الكهربائية التي يمكن تخزينها.

من أجل تخزين الشحنة عند جهد معقول، يجب توصيل المكثفات الفائقة على التوالي، على عكس المكثفات الإلكتروستاتيكية، تتميز المكثفات الفائقة بوجود جهد طرفي منخفض، من أجل زيادة الجهد الطرفي المقنن إلى عشرات الفولتات، يجب توصيل الخلايا فائقة السعة على التوالي أو بالتوازي لتحقيق قيم سعة أعلى.

طاقة المكثفات الفائقة – Ultracapacitor Energy:

كما هو الحال مع جميع المكثفات فإنّ المكثف الفائق هو جهاز لتخزين الطاقة، يتم تخزين الطاقة الكهربائية كشحنة في المجال الكهربائي بين لوحاتها ونتيجة لهذه الطاقة المخزنة، يوجد فرق جهد بين الصفيحتين، أثناء الشحن “التيار المتدفق عبر المكثف الفائق من الإمداد المتصل”، يتم تخزين الطاقة الكهربائية بين لوحاته.

بمجرد شحن المكثف الفائق، يتوقف التيار المتدفق من الإمداد ويكون الجهد الطرفي للمكثفات الفائقة مساوياً لجهد الإمداد، نتيجةً لذلك، يقوم المكثف الفائق المشحون بتخزين هذه الطاقة الكهربائية حتى عند إزالتها من مصدر الجهد حتى يتم الاحتياج إليها للعمل كجهاز تخزين للطاقة.

عند التفريغ “التيار المتدفق للخارج” يقوم المكثف الفائق بتغيير هذه الطاقة المخزنة إلى طاقة كهربائية لتزويد الحمل المتصل، عندئذٍ، لا يستهلك المكثف الفائق أي طاقة في حد ذاته، ولكنّه بدلاً من ذلك يخزن ويطلق الطاقة الكهربائية على النحو المطلوب مع كون كمية الطاقة المخزنة في المكثف الفائق متناسبة مع قيمة السعة للمكثف، كما ذكرنا سابقًا تتناسب كمية الطاقة المخزنة مع السعة (C) ومربع الجهد (V) عبر أطرافها.