كانت المكثفات الفائقة تتصدر الأخبار مؤخرًا، ولكن هل يمكن أن تحل محل البطاريات في السيارات الكهربائية في المستقبل؟
المكثفات الفائقة رائعة. لكن هل يمكنهم استبدال البطاريات بشكل ناجح في السيارات الكهربائية المستقبلية؟
تتمتع المكثفات الفائقة بمزايا كبيرة مقارنة بالبطاريات، فهي أخف بكثير وأسرع في الشحن وأكثر أمانًا وغير سامة. ومع ذلك ، هناك بعض المناطق حيث لا تستطيع فيها منافسة البطاريات. على الأقل لغاية الآن.
مع عمليات الاستحواذ الأخيرة على مصنعي المكثفات الفائقة من قبل بعض الشركات أمثال تسلا ، يمكن أن تكون المكثفات الفائقة على وشك التخلص من البطاريات كمصدر للطاقة الكهربائية للسيارات الكهربائية.
مقالة ذات صلة : ماهو دور أشباه الموصلات في السيارات؟
ما هو المكثف الفائق؟
تعتبر المكثفات الفائقة ، التي تسمى أيضًا مع اسم المكثفات الفائقة المكثفات ذات الطبقة المزدوجة أو المكثفات الكهروكيميائية، نوعًا من أنظمة تخزين الطاقة التي اكتسبت شعبية في السنوات الأخيرة. يمكن اعتبارهما تقاطعًا بين مكثف عادي وبطارية ، لكنهما تختلف عن كليهما.
تتميز المكثفات الفائقة بسعة عالية جدًا مقارنة ببدائلها التقليدية – ومن هنا جاءت تسميتها. تمامًا مثل البطارية ، تحتوي الخلايا فائقة السرعة على قطب موجب وسالب يفصل بينهما إلكتروليت. ولكن على عكس البطاريات، تخزن المكثفات الطاقة إلكتروستاتيكيًا (بنفس طريقة المكثف) بدلاً من البطارية الكيميائية
تحتوي المكثفات الفائقة أيضًا على فاصل عازل كهربائي يقسم الإلكتروليت – تمامًا مثل المكثف. يسمح هيكل الخلية الداخلي هذا بأن يكون للمكثفات الفائقة كثافة تخزين طاقة عالية جدًا ، خاصةً عند مقارنتها بالمكثف العادي. تقوم المكثفات الفائقة بتخزين طاقة أقل من البطارية المماثلة في الحجم. لكنهم قادرون على إطلاق طاقتهم بسرعة أكبر، لأن التفريغ لا يعتمد على حدوث تفاعل كيميائي.
مقالة ذات صلة : شركة فورد ستبيع سياراتها بلا الرقائق بسبب النقص العالمي
ما هي فوائدها؟
فائدة كبيرة أخرى للمكثفات الفائقة وهي أنه يمكن إعادة شحنها مرات كثيرة مع القليل من التحلل أو بدون تدهور (أكثر من مليون دورة شحن / تفريغ ليس من غير المألوف). هذا بسبب عدم حدوث تغييرات فيزيائية أو كيميائية عند إعادة الشحن. لهذا السبب، غالبًا ما تستخدم المكثفات الفائقة في التطبيقات التي تتطلب العديد من دورات الشحن / التفريغ السريعة بدلاً من تخزين الطاقة طويل المدى ، مثل حزم تعزيز السيارة وبنوك الطاقة.
اكثر المواد المستخدمة في القطب الكهربائي للمكثفات الفائقة هي الكربون بأشكال مختلفة مثل الكربون المنشط وقماش ألياف الكربون والكربون المشتق من الكربيد وهلام الكربون والجرافيت (الجرافين) والانابيب النووية الكربونية. عندما يتم تطبيق فرق الجهد على الألواح الموجبة والسالبة للمكثف ، فإنه يبدأ في الشحن. وفقًا لجامعة باتري، “هذا مشابه لتراكم الشحنات الكهربائية عند المشي على سجادة. لمس اي جسم يطلق الطاقة من خلال الإصبع.”
تم تطوير بعض الأمثلة الأولى لهذه التكنولوجيا في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي في شركة جنرال إلكتريك ، ولكن لم تكن هناك تطبيقات تجارية قابلة للتطبيق في ذلك الوقت. استغرق الأمر حتى التسعينيات للتقدم في علم المواد والتصنيع لتحسين أداء المكثفات الفائقة وخفض تكلفتها بما يكفي لجعلها مجدية تجاريًا.
مقالة ذات صلة : مخاطر تهدد قطاع صناعة السيارات، ما علاقة الغزو الروسي لأوكرانيا؟
كيف تعمل المكثفات الفائقة؟
كما تم التطرق إليه أعلاه، تعمل المكثفات من خلال توفير دفعات سريعة من الطاقة خلال فترات ذروة الطلب على الطاقة، ثم تلتقط وتخزن بسرعة الطاقة الزائدة التي قد تُفقد بخلاف ذلك. لهذا السبب، فهي مكمل كبير لمصادر الطاقة الأولية، لأنها تشحن وتفريغ بسرعة وكفاءة عالية.
بينما يمكن أن تحتوي البطاريات على كميات كبيرة من الطاقة، فإنها تستغرق ساعات لإعادة شحنها. في المقابل خاصة المكثفات الفائقة، تشحن على الفور تقريبًا، لكنها لا تستطيع تخزين سوى كميات صغيرة من الطاقة.
لهذا السبب، تعتبر المكثفات الفائقة الحل الأمثل عندما يحتاج النظام إلى الشحن بسرعة ولا يحتاج إلى تخزين الكهرباء لفترات طويلة من الزمن. كما أنها تزن أقل من البطاريات، وتكلفتها أقل، ولا تحتوي عمومًا على معادن سامة أو مواد ضارة.
مقالة ذات صلة : بطاريات الألماس المشع هل هي الحل للنفايات النووية؟
هل يمكن أن تستبدل المكثفات البطاريات؟
تعتمد الإجابة على هذا السؤال إلى حد كبير على الغرض الذي سيتم استخدامها من أجله. هناك مزايا وعيوب لكل منها. كما ذكرنا سابقًا ، تتمتع البطاريات بكثافة طاقة أعلى بكثير من المكثفات الفائقة.
هذا يعني أنها تتلاءم اكثر مع تطبيقات كثافة الطاقة العالية ، أو عندما يحتاج الجهاز إلى التشغيل لفترات طويلة بشحنة واحدة. تمتلك المكثفات كثافة طاقة أعلى بكثير من البطاريات. وهذا يجعلها مثالية للتطبيقات عالية الاستنزاف مثل تشغيل سيارة كهربائية
ما ذكرنا أعلاه، تتمتع المكثفات الفائقة أيضًا بعمر أطول بكثير من البطاريات. يمكن للبطارية العادية أن تتحمل حوالي 2000-3000 دورة شحن وتفريغ ، في حين أنها يمكن أن تتحمل عادة أكثر من 1000000. هذا يمكن أن يمثل وفورات ضخمة في المواد والتكاليف. تعتبر هذه المكثفات أيضًا أكثر أمانًا وأقل سمية إلى حد كبير. لا تحتوي على مواد كيميائية ضارة أو معادن ثقيلة وهي أقل عرضة للانفجار من البطاريات.
بالإضافة إلى ذلك، تتمتع بنطاق تشغيل أكبر بكثير من البطاريات. في الواقع، لقد تغلبوا على البطاريات في هذه النقطة، حيث يمكنهم العمل في نطاقات تتراوح بين -40 إلى +65 درجة مئوية. يمكن أيضًا شحن المكثفات الفائقة وتفريغها بسرعة أكبر بكثير من البطاريات، عادةً في غضون ثوانٍ، وهي أكثر كفاءة في التفريغ الذاتي من البطاريات.
كما هو الحال مع معظم التقنيات، فإن المحرك الرئيسي لتطبيق المكثفات الفائقة هو نسبة التكلفة إلى الفائدة. تميل المكثفات الفائقة إلى أن تكون الخيار الأكثر اقتصادا على المدى الطويل للتطبيقات التي تحتاج إلى دفعات قصيرة من الطاقة. ومع ذلك، تعد البطاريات خيارًا أفضل بكثير للتطبيقات التي تتطلب تيارًا ثابتًا ومنخفضًا بمرور الوقت.
مقالة ذات صلة : نقص أشباه الموصلات سيؤدي لصعوبة شرائك للسيارة التي ترغب بها
هل يمكن أن تحل المكثفات الفائقة محل البطاريات في السيارة الكهربائية المستقبلية؟
كما رأينا، فإن المكثفات الفائقة هي الأنسب للحالات التي تتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة في فترة زمنية قصيرة. فيما يتعلق بالسيارات الكهربائية، فإن هذا يعني أنه سيكون لها مزايا على البطاريات عندما تحتاج السيارة إلى دفعات من الطاقة – مثل أثناء التسارع. في الواقع، هذا ما فعلته تويوتا مع سيارة Yaris Hybrid-R الاختبارية ، والتي تستخدم مكثفًا فائقًا للاستخدام أثناء التسارع.
بدأت بيجو سيتروين أيضًا في استخدام المكثفات كجزء من أنظمة توفير الوقود الخاصة ببدء التشغيل. هذا يسمح بتسريع أولي أسرع بكثير. يستخدم نظام i-ELOOP من مازدا أيضًا المكثفات لتخزين الطاقة أثناء التباطؤ، ثم يتم استخدام الطاقة المخزنة لأنظمة إيقاف تشغيل المحرك.
تُستخدم المكثفات الفائقة أيضًا لشحن إمدادات الطاقة بسرعة في الحافلات الهجينة أثناء انتقالها من محطة إلى أخرى.
عندما يتم استخدام الطاقة الهجينة للأداء البحت، فإن قضايا مثل النطاق والقدرة على الاحتفاظ بالشحن ليست مهمة بنفس القدر – ولذلك بدأت بعض الشركات المصنعة الراقية، مثل لامبورغيني أيضًا، في دمج المحركات الإلكترونية التي تعمل بالمكثف الفائق في سياراتهم الهجينة.
ومع ذلك، فإن المكثفات الفائقة ليست بديلاً عن البطاريات في معظم السيارات الكهربائية – حتى الآن. من المحتمل أن تكون بطاريات Li-ion مصدر الطاقة المناسب للمركبات الكهربائية في المستقبل القريب إلى الامام.
ما هو مستقبلها إذاً؟
يعتقد الكثيرون أنه من المرجح أن تصبح المكثفات الفائقة أكثر شيوعًا مثل أنظمة تجديد الطاقة أثناء التباطؤ. يمكن بعد ذلك إعادة استخدام هذه الطاقة المخزنة خلال فترات التسارع بدلاً من الاستبدال المباشر للبطاريات.
ومع ذلك، وفقًا لهذه الدراسة، يمكن أن يكون لها أيضًا تطبيقات في المركبات الهجينة بدلاً من البطاريات عندما يكون “الطلب على الطاقة أقل من قدرة طاقة المحرك الكهربائي عندما يتجاوز الطلب على طاقة السيارة تلك الخاصة بالمحرك الكهربائي، فإن المحرك يتم تشغيله لتلبية الطلب على طاقة السيارة بالإضافة إلى توفير الطاقة لإعادة شحن وحدة المكثف الفائق.”
يمكن أن تؤدي الأبحاث الحديثة في المكثفات الفائقة القائمة على الجرافين أيضًا إلى حدوث تطورات في استخدامها في السيارات الكهربائية. أسفرت إحدى الدراسات التي أجراها علماء في جامعة رايس وجامعة كوينزلاند للتكنولوجيا عن ورقتين نشرتا في مجلة مصادر الطاقة وتكنولوجيا النانو.
اقترحوا حلاً يتكون من طبقتين من الجرافين، مع طبقة إلكتروليت بينهما. هذا الفيلم الناتج قوي ورقيق وقادر على إطلاق كميات كبيرة من الطاقة في وقت قصير.
آمال مستقبلية
هذه العوامل تعتبر مكثفًا فائقًا بعد كل شيء. ما يجعل هذه الدراسة مختلفة هو أن الباحثين يقترحون أن المكثفات الجديدة الرقيقة يمكن أن تحل محل البطاريات الأكبر حجمًا في السيارات الكهربائية في المستقبل.
يمكن أن يشمل ذلك أيضًا دمج المكثفات في ألواح الهيكل وألواح السقف والأرضيات وحتى الأبواب ، على سبيل المثال. من الناحية النظرية ، يمكن أن يوفر هذا للسيارة كل الطاقة التي تحتاجها ويجعلها أخف بكثير من السيارات الكهربائية التي تعمل بالبطاريات.
من شأن مثل هذه السيارة الكهربائية أن تشحن أسرع بكثير من السيارات الحالية التي تعمل بالبطاريات. ولكن ، مثل جميع المكثفات، لا يزال هذا المحلول غير قادر على الاحتفاظ بقدر من الطاقة مثل البطاريات القياسية.
“في المستقبل ، من المأمول أن يتم تطوير المكثف الفائق لتخزين طاقة أكبر من بطارية Li-Ion مع الاحتفاظ بالقدرة على إطلاق طاقتها أسرع بما يصل إلى 10 مرات – مما يعني أنه يمكن تشغيل السيارة بالكامل بواسطة المكثفات في جسمها قال المؤلف المشارك للدراسة Jinzhang Liu.
“بعد شحنة كاملة واحدة ، يجب أن تكون هذه السيارة قادرة على الركض لمسافة تصل إلى 500 كيلومتر (310 ميل) – على غرار السيارة التي تعمل بالبنزين وأكثر من ضعف الحد الحالي للسيارة الكهربائية.”
على ما يبدو أوقات مثيرة للاهتمام في المستقبل . انظر لهذه المساحة.
