آشنایی با ابرخازن ها (super capacitor)
ابرخازنها نوعی خازن دارای صفحه‌های رسانای بزرگی به نام الکترود هستند. برخلاف خازن‌های معمولی که از مواد دی‌الکتریک خشک و جامد مانند تفلون، پلی‌اتیلن، کاغذ و امثال آنها ساخته می شوند، در ابرخازنها از الکترولیت مایع بین الکترودها استفاده می شود و به یک وسیله الکتروشیمیایی بیشتر شبیه هستند، به همین دلیل نیز خازن الکترولیتیک نامیده می‌شود.
ابرخازن نوعی وسیله الکتروشیمیایی است، اما برای ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی از هیچ واکنش شیمیایی استفاده نمی‌کند یعنی ابرخازن به طور مؤثر یک وسیله الکتروستاتیک است که انرژی الکتریکی را به شکل میدان الکتریکی بین دو الکترود رسانای خود نگه می‌دارد. دو طرف الکترودها دارای پوششی از کربن گرافیتی به شکل کربن رسانای فعال‌شده، نانولوله‌های کربنی یا ژل کربنی می باشد.
بیشتر بخوانید: محدودیت های روش طیف سنجی اتمی
یک لایه کاغذی با منافذ ریز به نام جداساز، الکترودها را از هم دور نگه می‌دارد، اما امکان عبور یون‌های مثبت در زمان جلوگیری از عبور الکترون‌ها وجود دارد. جداساز کاغذی و الکترودهای کربنی در الکترولیت مایع غوطه‌ور هستند و یک پوشش آلومینیومی در بین آنها به عنوان کلکتور جریان، اتصال الکتریکی دو سر خازن را برقرار می سازد.
خازن دولایه
ابرخازنها برای ذخیره‌سازی انرژی بسیار مناسبند، چون مقدار بالای ظرفیت خازنی آنها در حد صدها فاراد، ناشی از فاصله اندک جدایی بین صفحه‌ها و سطح بالای الکترودها است که برای تشکیل لایه سطحی بزرگ یون‌های الکترولیتیک، به صورت یک لایه دوطرفه طراحی شده است. این سازه دو خازن ایجاد می‌کند که هر کدام از آنها بر روی یک الکترود کربنی قرار گرفته اند.
به همین دلیل به ابرخازن، خازن دو لایه Electric Double Layer Capacitor) یا به صورت مخفف ELDC نیز گفته می‌شود چون در واقع دو خازن به صورت سری تشکیل می‌دهد.
الکترولیت هایی که در سوپرخازن ها استفاده می شود معمولا از سدیم پرکلرات و پرکلرات لیتیوم تشکیل شده است. همچنین از ماده ای به نام اکلریلیک به عنوان جدا کننده دو الکترود استفاده می شود.
با این حال به دلیل کوچک بودن اندازه خازن ها، ولتاژ اعمال شده بر خازن باید بسیار پایین نگه داشته شود. ولتاژ اسمی ابرخازن معمولا به‌وسیله ولتاژ تجزیه الکترولیت تعیین می‌گردد. به این صورت یک سلول خازنی ولتاژ کاری بین ۱ تا ۳ ولت بسته به الکترولیت مورد استفاده خواهد داشت که باعث می شود مقدار انرژی الکتریکی که ذخیره می‌کند، محدود باشد.
برای اینکه ابرخازنها بتوانند ولتاژ معقولی را ذخیره نمایند، باید به صورت سری به هم وصل شوند. ابرخازنها برخلاف خازن‌های الکترولیتیک و الکترواستاتیک بر اساس ولتاژ ترمینال پایین‌شان شناخته می‌شوند.
بیشتر بخوانید: کمومتریکس چیست؟
مزایای ابرخازن ها
1- به دلیل مقاومت سری (ESR)، زمان شارژ و دشارژ پایینی دارند.
2- سوپر خازن ها مقاوم هستند و عمر بالایی نزدیک به ده الی بیست سال دارند.
3- ظرفیت ابرخازنها بعد از 10 سال از 100 درصد به 80 می رسد.
4- نسبت به خازن های معمولی توان و جریان بالاتری دارند.
5- سوپر خازن ها تاصدها هزاربار بدون کمترین افت در عملکرد و کیفیت شارژ و دشارژ می شوند.
6- تحمل بالایی در مقابل دمای پایین تا منفی چهل درجه و در برابر دماهای بالا دارند.
7- وزن کمتر
8- حجم کمتر
9- مناسب برای کاربرد های توان بالا
10- بدون عوامل نگهداری
11- ایمن و قابل اطمینان
12- زیست محیطی و غیر آلوده
13- مقاومت داخلی پایین
معایب ابرخازن ها
1- اگر به ولتاژ بالاتری نیاز باشد باید آنها را سری کنیم که باعث کم شدن ظرفیت خازن ها خواهد شد.
2- ولتاژ قابل تحمل پایینی در محدوده 2 الی 3 ولت دارند.
بیشتر بخوانید: کاربردهای بوریک اسید در صنایع مختلف
کاربرد ابر خازن ها
1- دستگاه های پزشکی
2- قطعات کامپیوتری
3- دستگاه های نظامی
4- UPS
5- ماکروویو
6- شبکه های انتقال برق و برق رسانی برای پایداری شبکه
7- سیتسم های امنیتی و اطلاعاتی برای ذخیره پشتیبانی
8- مدارهای ال ای دی پر توان
9- لیزرها
10- توربین های بادی
11- مدارهایی که نیاز به خازن هایی که زمان شارژ و دشارژ سریع دارند.
12- ابر کامپیوتر ها و کامپیوتر های حساس
13- درهای برقی برای مواقع قطعی برق
14- منابع تغذیه
15- سیستم های مولد الکتریسیته ترمز در خودروهای برقی جدید
16- ثابت کننده ولتاژ
17- خودرو هیبریدی و ماشین برقی
18- ذخیره پشتیبان
19- LEDهای توان بالا
ساختار داخلی سوپر خازن
مهندسان شرکت General Electric برای اولین بار در سال 1957 اولین نسخه از ابرخازن را آزمایش کردند، ولی کاربرد تجاری آن هنوز ناشناخته بود. در سال 1966 شرکت Standard Oil هنگام کار بر روی طرح‌های آزمایشی پیل سوختنی (fuel cell) به صورت اتفاقی اثر خازن‌های دولایه را کشف کرد.
بیشتر بخوانید: کاربردهای اسید سولفوریک در صنایع لبنی
ویژگی دو لایه بودن قابلیت ذخیره انرژی را تا حد زیادی بهبود داد؛ اما این شرکت اختراع را تجاری نکرد و مجوز آن را به NEC واگذار نمود، به طوری که در سال 1987 تکنولوژی آن را با عنوان ابرخازن برای گرفتن بکاپ از حافظه کامپیوتر به بازار عرضه کرد. بعد از آن در دهه 1990 با پیشرفت هایی در روش های ساخت و مواد، علاوه بر بهبود عملکرد ابرخازن ها، هزینه ها نیز کاهش یافت.
برای ساخت ابر خازن ها از مواد خاصی استفاده می شود، این مواد باید توانایی بوجود آوردن قابلیت های ابر خازن ها را داشته باشند. برای ساخت یک سوپرخازن پیشرفته از مواد کربنی مختلف،اکسید های فلزی مانند اکسید مس و … و همینطور از پلیمر های رسانای الکتریسیته استفاده می شود.
یکی از چیزهایی که در این زمان کمک بسزایی به حافظه ابر خازن ها نموده، پیشرفت های حاصله در زمینه کربن ها و مواد پایه کربنی مانند گرافین است که اکنون با وجود آن ها می توان ابر خازن ها را به عنوان رقیب سر سخت باطری ها در نظر گرفت. گرافین یک لایه نازک کربنی است که حالت لانه زنبوری (Honeycomb) دارد، این لایه های نازک کربنی بسیار استحکام بالایی دارند و استفاده از آن ها به دلیل وجود مساحت بالا در گرافین باعث افزایش ظرفیت ابر خازن ها شده است.
مقایسه ابرخازن و باتری
ماده شیمیایی یک باتری ولتاژ کاری آن را تعیین می‌کند؛ فرآیندهای شارژ و دشارژ واکنش‌هایی الکتروشیمیایی هستند، اما خازن یک قطعه غیر الکتروشیمیایی است و نوع ماده دی‌الکتریکی که به عنوان جداکننده بین صفحات آن قرار گرفته، حداکثر ولتاژ مجاز را مشخص می‌کند. بعلاوه نوع ماده دی الکتریک در تعیین ظرفیت خازن نیز موثر است و ابرخازن ها به خاطر وجود ماده ی الکترولیت در ساختار خود، ظرفیت بیشتری دارند.
بیشتر بخوانید: کاربرد پتاسیم پرمنگنات در کشاورزی
با توجه به اینکه ابرخازن ها غیر شیمیایی هستند، تا زمانی‌که دی‌الکتریک از بین برود، ولتاژ می تواند افزایش یابد و این فرایند معمولا به شکل یک اتصال کوتاه است که باید از افزایش ولتاژ بیش از مقدار مشخص شده خودداری شود.