🕍 🧕🏽 🎴 ما الذي يسبب الاختلافات بين البطاريات والمكثفات الفائقة ✋🏻 🎭 👨🏻‍💻

يتم استخدام مصادر الطاقة الكهروكيميائية في كل مكان اليوم ولها خصائص مميزة: السعة ، أو كمية الطاقة المخزنة ، بالإضافة إلى الطاقة ، أو القدرة على نقل أو تراكم هذه الطاقة بسرعة (التفريغ / الشحن عند تيارات عالية). بالإضافة إلى ذلك ، تعد السلامة وطول العمر مهمين جدًا للبطاريات. في هذا المنشور ، سأخبرك كيف تختلف البطاريات والمكثفات الفائقة على المستوى الكيميائي ، وكيف يؤثر ذلك على خصائصها التقنية.

سأبدأ بالبطاريات. اليوم ، يتم استخدام بطاريات ليثيوم أيون وهيدريد النيكل (NiMH) في أغلب الأحيان ، ولكن بطاريات أيون الليثيوم تحل محل NiMH تدريجيًا لعدة أسباب. أولاً ، بطاريات الليثيوم أيون أكثر استهلاكًا للطاقة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه بالمقارنة مع الشوارد القلوية NiMH ، التي تحد من جهد الخلية إلى 1.2 فولت ، توفر الشوارد لبطاريات كربونات الليثيوم أيون جهدًا يبلغ 3 فولت. وهذا يعني عددًا أقل من الخلايا اللازمة لتحقيق جهد معين ، بالإضافة إلى أحجام مضغوطة أكثر ، وهو ضروري ببساطة للأجهزة الإلكترونية المحمولة الحديثة. والأهم من ذلك ، بالمقارنة مع NiMH ، التي تستخدم سبائك مع معادن أرضية نادرة ، تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على مواد أرخص.

يتم تشغيل بطاريات أيونات الليثيوم على النحو التالي: يتم تضمين أيونات الليثيوم في المواد ذات الطبقات من الأنود (غالبًا الجرافيت) أو الكاثود (أكاسيد المعادن الانتقالية) أثناء الشحن والتفريغ. يتم تحديد السعة من خلال مقدار الليثيوم المدمج في الأقطاب الكهربائية ، وإذا كانت السعة ، كما هو مذكور أعلاه ، فإن بطاريات أيونات الليثيوم جيدة ، ثم مع الطاقة (هذه هي قدرة البطارية على الشحن والتفريغ بسرعة في التيارات العالية ، على سبيل المثال ، أثناء التسارع والكبح التجديدي في السيارات الكهربائية) الأمر ليس بهذه البساطة. على سبيل المثال ، عند الشحن بسرعة كبيرة ، ليس لدى أيونات الليثيوم الوقت الكافي للاندماج في البلورات وتشكيل سلاسل الليثيوم المعدني (التشعبات) على الأنود ، والتي يمكن أن تؤدي إلى دائرة قصر ، خاصة عند درجة حرارة منخفضة. يمكن أن يؤدي التفريغ السريع جدًا إلى تدمير بلورة الكاثود ويؤدي إلى الشيخوخة المبكرة للبطارية.

ما الذي يحدد طاقة البطارية؟ تعتمد طاقة البطارية على العديد من المعلمات: موصلية القطب ، التي تتكون من المادة الفعالة والمواد المضافة ، وسرعة العمليات الكهروكيميائية التي تحدث في المواد النشطة ، وكذلك الموصلية الأيونية للكهارل. لتحسين طاقة بطاريات الليثيوم أيون بطريقة أو بأخرى ، إذا كان من المفترض استخدامها في التيارات العالية ، يقوم المصنعون بإنشاء أقطاب كهربائية خاصة وأرق: تحتوي على مواد أقل نشاطًا ، ولكن المزيد من إضافات الكربون. ونتيجة لذلك ، تزداد الموصلية الكهربائية ، ولكن للأسف ، من خلال تقليل كمية المادة الفعالة ، تنخفض السعة أيضًا. بالإضافة إلى ذلك ، حتى إذا كانت هذه التكنولوجيا تعمل على تحسين موصلية الأقطاب الكهربائية ، فلا يجب على المرء أن ينسى المعلمات الأخرى التي تؤثر على الطاقة ، وخاصة الاندماج البطيء لليثيوم في البلورات (صعوبات الانتشار) ،والتي لا تؤثر هذه التكنولوجيا بأي شكل من الأشكال.

ولكن هنا تأتي المواد النانوية لمساعدتنا: من أجل الاندماج في البلورة النانوية ، لا يحتاج الليثيوم إلى التحرك لمسافات طويلة ، لذا فإن الإقحام أسرع بكثير.

ولكن للأسف ، فإن المواد النانوية لها أيضًا عيوب ، على وجه الخصوص ، تفاعلها الكيميائي المتزايد ، مما يقلل من عمر البطارية. بشكل عام ، في محاولة لتحسين إحدى معلمات البطارية ، فإن جميع المعلمات الأخرى تزداد سوءًا.

ولكن إذا كانت البطارية لا تزال بحاجة للعمل في تيارات عالية جدًا ، حيث لا تساعد طريقة إنتاج الأقطاب الكهربائية ، ولا هيكلة المواد النشطة ، فإن المكثف الفائق يأتي إلى الإنقاذ. يشبه المكثف الفائق للوهلة الأولى بطارية: يحتوي أيضًا على قطبين كهربائيين موضوعين في المنحل بالكهرباء. ولكن هذا فقط للوهلة الأولى. في الواقع ، يقوم المكثف الفائق بتخزين الطاقة على شكل طبقة من الأيونات التي ترتبط بسطح الأقطاب الكهربائية (طبقة كهربائية مزدوجة). تعتمد قدرة هذه الأجهزة بشكل مباشر على سطح القطب ، وغالبًا ما يستخدم الكربون المنشط كمادة نشطة. نظرًا لأنه ، على عكس بطاريات الليثيوم أيون ، لا توجد تفاعلات اختزال في المكثفات الفائقة ولا ينبغي دمج أيونات في أي مكان ، حيث يكون الشحن والتفريغ أسرع بكثير ،والأجهزة نفسها أكثر متانة.

ولكن لماذا ، مع وجود مثل هذه القوة الرائعة ، لا يمكن استخدام المكثفات الفائقة كمصادر طاقة مستقلة بدلاً من البطاريات؟ لكن الحقيقة هي أن عملية تكوين طبقة كهربائية مزدوجة أقل استهلاكًا للطاقة بكثير من تفاعلات الأكسدة والاختزال ، لذلك ، على الرغم من حقيقة أن المكثفات الفائقة تتراكم وتعطي الطاقة بسرعة ، فإن حجمها صغير جدًا مقارنة بالبطاريات. بالإضافة إلى ذلك ، تخضع المكثفات الفائقة للتفريغ الذاتي القوي: إذا فقدت البطارية المشحونة عدة بالمائة من السعة في الشهر ، فيمكن للمكثف الفائق التفريغ الكامل خلال هذه الفترة. لذلك ، عادة ما يتم استخدام المكثفات الفائقة جنبًا إلى جنب مع البطاريات المستهلكة للطاقة وتتولى دور مصدر الطاقة حصريًا في ذروة الأحمال.

التفريغ الذاتي هو انخفاض الجهد التدريجي في مصدر طاقة كهروكيميائية إذا تم فصله عن الشبكة. في بطاريات الليثيوم أيون ، يرتبط بالأكسدة التدريجية للكهارل في الكاثود ، ونتيجة لذلك يتم إطلاق الإلكترونات التي تستخدمها مواد الكاثود لدمج الليثيوم في هيكلها (عملية تحدث أثناء التفريغ). بما أن الإلكتروليت يتأكسد ببطء ، فإن التفريغ الذاتي بطيء أيضًا. لكن الآلية الدقيقة للتفريغ الذاتي للمكثفات الفائقة ليست معروفة بعد ، ولكنها مرتبطة بأيونات الكهارل التي تدخل في تفاعلات الأكسدة والاختزال على سطح الأقطاب الكهربائية.

في النهاية ، تجدر الإشارة إلى أن هناك أيضًا مكثفات فائقة "زائفة السعة" ، والتي تسمى أيضًا بالمكثفات الفائقة الكهروكيميائية ، والتي تحدث فيها عمليات أكسدة أكثر استهلاكا للطاقة على سطح المواد النشطة ، ولكن قدرة هذه الأجهزة لا تزال أقل من قدرة البطاريات ، وتعاني أيضًا من التفريغ الذاتي القوي.

مصادر:

دليل ليندن للبطاريات ، الإصدار الرابع من
معاملات IEEE على إلكترونيات الطاقة ، المجلد. 24 ، عدد 2 ، 2009
J. Electrochem Soc. ، المجلد. 145 ، رقم 10 ، 1998
BE كونواي ، المكثفات الفائقة الكهروكيميائية: الأساسيات العلمية والتطبيقات التكنولوجية ، 1999

ما الذي يسبب الاختلافات بين البطاريات والمكثفات الفائقة

More articles: