ابرخازن ها در مقابل باتری ها: تفاوت چیست؟


خازن فوق العاده ایزوله شده بر روی پس زمینه سفید.
پیتر سوبولف / Shutterstock.com

ابرخازن ها از دهه ۱۹۵۰ وجود داشته اند، اما تنها در سال های اخیر بود که پتانسیل آنها مشخص شد. بیایید نگاهی به این قطعات کامپیوتری بیندازیم که درست مانند باتری ها انرژی را ذخیره می کنند اما از اصول کاملاً متفاوتی استفاده می کنند.

کندانسور چیست؟

قبل از اینکه به ابرخازن ها بپردازیم، ارزش آن را دارد که به سرعت توضیح دهیم که یک خازن معمولی چیست تا مشخص شود که چه چیزی ابرخازن ها را بسیار خاص می کند. اگر تا به حال به مادربرد کامپیوتر یا تقریباً هر برد مداری نگاه کرده باشید، این قطعات الکترونیکی را خواهید دید.

چندین ابر خازن روی یک برد مدار.
مارکو الکساندر / Shutterstock.com

خازن الکتریسیته را به صورت میدان الکتریکی ثابت ذخیره می کند. این همان چیزی است که وقتی با جوراب روی فرش راه می‌روید اتفاق می‌افتد و یک بار الکتریکی ایجاد می‌کند، فقط با لمس دستگیره در تخلیه می‌شود. شما به عنوان یک خازن عمل می کنید!

در داخل یک خازن معمولی، دو هادی را خواهید دید که توسط یک دی الکتریک از هم جدا شده اند. بار مثبت روی یک هادی و بار منفی روی هادی دیگر جمع می شود. بنابراین، یک میدان الکترواستاتیک بین دو صفحه وجود دارد. روش های مختلفی برای طراحی خازن وجود دارد، اما همه آنها دارای اجزای اصلی یک پد شارژ و یک دی الکتریک (دی الکتریک) هستند. عایق می تواند هوا، سرامیک، شیشه، فیلم پلاستیکی باشد. مایع یا چیز دیگری که در رسانایی الکتریسیته بد است.

خازن داخلی با حاشیه.
Designua / Shutterstock.com

خازن ها کاربردهای زیادی در الکترونیک دارند. در رایانه ها و سایر سیستم های دیجیتال، اطمینان حاصل می کنند که در صورت قطع موقت برق، اطلاعات از بین نمی روند. آنها همچنین به عنوان فیلتری عمل می کنند تا تکانه های الکتریکی را که ممکن است به الکترونیک حساس آسیب برساند، پاک کنند.

خازن ها و باتری ها چگونه متفاوت هستند

خازن ها و باتری ها از این نظر مشابه هستند که می توانند انرژی الکتریکی را ذخیره کرده و در صورت نیاز آن را آزاد کنند. تفاوت بزرگ این است که خازن ها انرژی را به عنوان یک میدان الکترواستاتیک ذخیره می کنند، در حالی که باتری ها از یک واکنش شیمیایی برای ذخیره و آزادسازی انرژی بعدا استفاده می کنند.

در داخل باتری دو پایانه (آند و کاتد) وجود دارد که یک الکترولیت بین آنها وجود دارد. الکترولیت ماده ای (معمولا مایع) است که حاوی یون است. یون ها اتم ها یا مولکول هایی با بار الکتریکی هستند.

تصویر مشروح ساختار و محتویات یک باتری لیتیوم یونی.
sivVector / Shutterstock.com

همچنین یک جداکننده در داخل الکترولیت وجود دارد که فقط به یون ها اجازه عبور می دهد. هنگامی که باتری را شارژ می کنید، یون ها از یک طرف جداکننده به سمت دیگر حرکت می کنند. وقتی باتری خالی می شود برعکس این اتفاق می افتد. حرکت یون ها از نظر شیمیایی الکتریسیته را ذخیره می کند یا انرژی شیمیایی ذخیره شده را به جریان الکتریکی تبدیل می کند.

مربوط: چرا باتری های لیتیوم یون منفجر می شوند؟

خازن در مقابل ابر خازن

خازن های فوق العاده نیز به عنوان ابرخازنها یا دو لایه خازن ها تفاوت اصلی بین خازن های فوق العاده و خازن های معمولی در ظرفیت خازن است. این فقط به این معنی است که ابرخازن ها می توانند میدان الکتریکی بسیار بزرگتری نسبت به خازن های معمولی ذخیره کنند.

در این نمودار، می توانید تفاوت کلیدی دیگری را در مورد ابرخازن ها مشاهده کنید. مانند یک باتری (و برخلاف یک خازن سنتی)، یک ابر خازن حاوی الکترولیت است. این بدان معناست که از اصول ذخیره سازی الکترواستاتیک و الکتروشیمیایی برای نگهداری بار الکتریکی استفاده می کند.

نمودار شماتیک ساختار ابرخازن و محتویات آن.
فواد سعد / Shutterstock.com

این یک ساده‌سازی فاحش است و توضیح جنبه‌های فنی آن زمان بیشتری می‌برد. مهم ترین چیزی که در مورد ابرخازن ها باید بدانید این است که آنها همان ویژگی های کلی خازن ها را دارند، اما می توانند چندین برابر انرژی ذخیره سازی و تحویل انرژی طراحی کلاسیک را فراهم کنند.

مزایا و معایب ابر خازن ها

ابرخازن ها مزایای متعددی نسبت به باتری های لیتیوم یون دارند. ابرخازن ها می توانند بسیار سریعتر از باتری ها شارژ شوند. فرآیند الکتروشیمیایی گرما تولید می کند، بنابراین شارژ باید با سرعت مطمئنی انجام شود تا از خرابی فاجعه بار باتری جلوگیری شود. ابرخازن ها همچنین می توانند انرژی ذخیره شده خود را بسیار سریعتر از باتری های الکتروشیمیایی به همین دلیل تحویل دهند. اگر باتری خیلی سریع تخلیه شود، ممکن است باعث خرابی فاجعه‌بار نیز شود.

همچنین ابرخازن ها نسبت به باتری ها، به خصوص باتری های لیتیوم یونی، دوام بیشتری دارند. در حالی که باتری‌هایی که در تلفن‌ها، لپ‌تاپ‌ها و ماشین‌های الکتریکی پیدا می‌کنید پس از چند صد دوره شارژ شروع به فرسودگی می‌کنند، ابرخازن‌ها می‌توانند بیش از یک میلیون بار بدون هیچ خرابی شارژ و دشارژ شوند. همین امر در مورد ولتاژ اتصال نیز صدق می کند. یک باتری ۱۲ ولتی ممکن است تنها ۱۱.۴ ولت را در چند سال تامین کند، اما یک خازن فوق العاده پس از بیش از یک دهه استفاده، همان ولتاژ را ارائه می دهد.

بزرگترین ایراد در مقایسه با باتری های لیتیوم یونی این است که ابرخازن ها نمی توانند انرژی ذخیره شده خود را به آرامی باتری لیتیوم یون تخلیه کنند و برای کاربردهایی که دستگاه باید برای مدت طولانی بدون شارژ کار کند، مناسب نیستند.

بنابراین، همانطور که در زمان نگارش این مقاله وجود دارد، ابرخازن‌ها جایگزین باتری‌های لیتیوم یونی یا سایر فناوری‌های باتری نیستند، اما تعداد زیادی از مشاغل وجود دارند که ابرخازن‌ها برای آنها ایده‌آل هستند.

محصولات ابرخازن

ممکن است از محصولاتی با ضخیم‌کننده‌های فوق‌العاده استفاده کرده باشید که حتی از آنها اطلاعی نداشتید. اولین ابرخازن ها در دهه ۱۹۵۰ توسط یک مهندس جنرال الکتریک به نام هوارد بیکر ساخته شد. در سال ۱۹۷۸، NEC نام “ابر خازن” را ابداع کرد و از این دستگاه به عنوان یک قدرت پشتیبان برای حافظه کامپیوتر استفاده کرد.

امروزه آن را در لپ‌تاپ‌ها، واحدهای GPS، نوت‌بوک‌ها، فلاش دوربین و بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی دیگر خواهید یافت. دستگاه Coleman FlashCell از یک خازن فوق العاده به جای باتری استفاده می کرد. این بدان معنی است که نیمی از طول مدل سنتی با باتری کار می کند، اما به جای ساعت ها در ۹۰ ثانیه شارژ می شود.

به طور مشابه، S-Pen در سامسونگ گلکسی نوت ۹ از یک ابرخازن برای تامین انرژی عملکردهای بی سیم قلم استفاده می کرد. پس از چند دقیقه استفاده زیاد یا پس از ۳۰ ثانیه زمان آماده به کار، شارژ آن تمام می شود، اما تنها ۴۰ ثانیه طول می کشد تا دوباره آن را پر کنید.

ابرخازن ها در حال یافتن جایگاهی در دنیای خودروهای هیبریدی و الکتریکی نیز هستند. آنها برای گرفتن و رهاسازی انرژی از ترمزهای احیا کننده، یک بار دینامیکی کوتاه مدت، ایده آل هستند. وسایل نقلیه ای مانند اتوبوس های حمل و نقل عمومی یا تراموا نیز برای ابرخازن ها مناسب هستند. آنها فقط به نیروی کافی برای رسیدن به ایستگاه بعدی نیاز دارند، جایی که در چند ثانیه یا چند دقیقه دوباره شارژ می شوند. از آنجایی که ابرخازن‌ها واقعاً خورده نمی‌شوند، این چرخه حمل‌ونقل عمومی ثابت برای این فناوری بسیار منطقی است.

آیا ابرخازن ها آینده ذخیره انرژی هستند؟

با روشی که در مورد ابرخازن ها انجام می شود، به نظر می رسد روزی باتری های ابرخازن داشته باشیم. اینها دستگاه هایی با دوام و سرعت ابرخازن ها، اما با تراکم انرژی و عمر باتری طولانی خواهند بود. در سال ۲۰۱۶، دانشمندان دانشگاه فلوریدا مرکزی یک نمونه اولیه ابرخازن انعطاف پذیر با چگالی توان بالاتر از ابرخازن های فعلی و چرخه شارژ ۳۰۰۰۰ بدون تخریب ایجاد کردند.

همه مواد جدید در مقیاس نانو و آزمایش‌های گرافن احتمال وجود ابرخازن‌هایی با چگالی انرژی بسیار بالاتر را نشان می‌دهند. حتی اگر هرگز با باتری‌های لیتیوم یونی مطابقت نداشته‌اید، میزان شارژ قابل استفاده، همراه با زمان شارژ مجدد سریع می‌تواند آنها را در جایی قرار دهد که باتری‌ها در حال حاضر نقشی را اشغال می‌کنند.

سپس دوباره، فن آوری های دیگری وجود دارد که با ابرخازن ها رقابت می کنند. مهم‌ترین آنها باتری‌های حالت جامد افسانه‌ای و باتری‌های لیتیوم یون سنتی پر از گرافن هستند که نتایج امیدوارکننده‌ای را نیز نشان داده‌اند. مهم نیست که کدام فناوری شارژ سریع، بادوام و پرقدرت برنده مسابقه باشد، همه ما برنده خواهیم بود.

مربوط: شارژ سریع چیست و چگونه کار می کند؟