Суперконденсаторын батерей хэрхэн ажилладаг вэ
Цахилгаан тээврийн хэрэгсэл, зөөврийн электрон төхөөрөмжөөс эхлээд сэргээгдэх эрчим хүчний хадгалах систем хүртэл эрчим хүчний эрэлт хэрэгцээ өсөн нэмэгдэж байгаа энэ үед эрчим хүч хадгалах технологи хурдацтай хөгжиж байна. Лити-ион зэрэг химийн батерейнууд их хэмжээний эрчим хүч хадгалах чадвараараа зах зээлд ноёрхож байна. Гэсэн хэдий ч өөр нэг технологи нь маш хурдан бөгөөд онцгой урт хугацааны мөчлөгийн хугацаанд цэнэглэж, цэнэггүйжүүлэх чадвараараа анхаарал татаж байна: супер конденсатор. Олон хүмүүс тэдгээрийг "супер конденсатор батерей" гэж нэрлэдэг боловч техникийн хувьд эдгээр нь эрчим хүч хадгалдаг химийн урвалд оролцдог гэсэн утгаараа батерей биш юм. Тэгэхээр супер конденсаторууд үнэндээ хэрхэн ажилладаг вэ, яагаад тэдгээрийг ирээдүйн гол шийдэл гэж үздэг вэ?
Суперконденсатор гэж юу вэ?
Суперконденсаторууд (ихэвчлэн хэт конденсатор гэж нэрлэдэг) нь уламжлалт конденсатор болон батерейны хооронд байрладаг энерги хадгалах төхөөрөмж юм. Уламжлалт конденсаторууд маш хурдан цэнэглэгдэж, цэнэггүй болдог ч эрчим хүчний багтаамж нь бага байдаг. Батерейнууд их хэмжээний энерги хадгалж чаддаг ч харьцангуй удаан цэнэглэгдэж, цэнэггүй болдог бөгөөд хязгаарлагдмал мөчлөгийн хугацаатай байдаг.
Суперконденсаторууд нь конденсаторуудын давуу талуудыг ашиглахыг оролддог: хурдан цэнэглэх, хурдан цэнэггүй болгох, урт хугацааны ашиглалтын хугацаа, мөн уламжлалт конденсаторуудаас хамаагүй илүү эрчим хүч хадгалах чадварыг нэмэгдүүлдэг. Үүний үр дүнд суперконденсаторууд нь цахилгаан эрчим хүчний тэсрэлт, нөхөн төлжих тоормослолт, хүчдэлийн тогтворжуулалт, богино хугацааны эрчим хүчний нөөцлөлт шаардлагатай хэрэглээнд маш сайн тохирдог.
Суперконденсаторын үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгүүд
Энэ нь хэрхэн ажилладагийг ойлгохын тулд бид суперконденсаторын үндсэн хэсгүүдийг мэдэх хэрэгтэй.
1. Идэвхжүүлсэн нүүрс, графен эсвэл нүүрстөрөгчийн нано хоолой зэрэг сүвэрхэг нүүрстөрөгчийн материалаар хийгдсэн хоёр электрод (эерэг ба сөрөг). Эдгээр материалыг маш том гадаргуутай тул сонгосон.
2. Электролитууд, тухайлбал хөдөлж чаддаг ион (эерэг ба сөрөг цэнэг) агуулсан шингэн эсвэл гель.
3. Богино холболт үүсэхээс сэргийлж хоёр электродыг тусгаарладаг нимгэн давхарга болох тусгаарлагч. Гэхдээ ионуудыг хөдөлгөх боломжийг олгодог.
4. Электродуудыг гадаад хэлхээнд холбодог гүйдлийн цуглуулагч нь электронууд урсах боломжтой.
Суперконденсаторын гол түлхүүр нь тэдгээрийн асар том электродын гадаргуугийн талбай юм. Хөл бөмбөгийн талбайн гадаргуугийн талбайтай тэнцүү байж болох нэг грамм сүвэрхэг нүүрстөрөгчийг төсөөлөөд үз дээ. Гадаргуу нь том байх тусам илүү их цэнэг барьж чадна.
Үндсэн зарчим: Давамгайлсан химийн урвалгүйгээр энерги хадгалах
Батерей нь химийн урвалаар дамжуулан энергийг хадгалдаг: ионууд нь электродын бүтцэд орж (интеркаляци) тодорхой химийн холбоо үүсгэдэг. Суперконденсаторууд нь өөр өөр байдаг. Суперконденсаторуудад энерги нь материалыг ихээхэн гэмтээдэг химийн урвалаас илүүтэйгээр цэнэгийн тусгаарлалтаар (электростатик хадгалалт) голчлон хадгалагддаг.
Суперконденсаторыг цэнэглэхэд электронууд нэг электрод дээр (жишээлбэл, сөрөг электрод) цугларахаас өөр аргагүй болдог бол нөгөө электрод нь электрон дутагдалтай болдог (эерэг болдог). Цэнэгийн энэ зөрүү нь хүчдэл үүсгэж, энерги нь цахилгаан орон дээр хадгалагддаг.
Цэнэгийг тэнцвэржүүлэхийн тулд электролитийн ионууд эсрэг цэнэгтэй электродын гадаргуу руу ойртдог. Энэ процесс нь цахилгаан давхар давхарга гэж нэрлэгддэг зүйлийг үүсгэдэг.
Үндсэн механизм: Цахилгаан давхар давхаргын багтаамж (EDLC)
Суперконденсаторын хамгийн түгээмэл төрөл бол EDLC (Цахилгаан давхар давхаргат конденсатор) юм. Механизм нь дараах байдалтай байна.
1. Цэнэглэх үед:
– Цахилгаан эх үүсвэр нь электронуудыг сөрөг электрод руу түлхдэг.
– Сөрөг электрод нь электроноор баялаг болдог.
– Электролит дахь эерэг ионууд (катионууд) татагдаж, сөрөг электродын гадаргуугийн ойролцоо цуглардаг.
– Үүний зэрэгцээ эерэг электрод нь электронуудаа алддаг.
– Сөрөг ионууд (анионууд) татагдаж, эерэг электродын гадаргуу дээр цуглардаг.
2. “Цахилгаан давхар давхарга” үүснэ:
– Электродын гадаргуу дээр хоёр давхарга үүсдэг: электродоос үүссэн цэнэгийн нэг давхарга, электролитоос үүссэн ионы цэнэгийн нэг давхарга.
– Эдгээр хоёр давхаргын хоорондох зай маш бага (нанометрийн масштабтай) тул багтаамж нь ихээхэн нэмэгддэг.
3. Цэнэглэх үед:
– Электронууд гадаад хэлхээгээр дамжин ажил хийдэг (моторыг асаах, хүчдэлийг тогтворжуулах гэх мэт).
– Ионууд электролит руу буцаж диффузи болж, систем нь төвийг сахисан төлөвт эргэн орно.
Энэ процесс нь нарийн төвөгтэй химийн урвалаас илүү физик (цэнэг дамжуулалт ба зохицуулалт) учраас суперконденсаторууд дараахь зүйлийг хийж чадна.
- секундээс минут хүртэл оруулна уу,
- асар их хүчийг тэр даруй ялгаруулдаг,
- хэдэн зуун мянгаас сая сая мөчлөг хүртэл амьд үлдэх.
Псевдобагтаамж: Илүү их багтаамжийн төлөөх "бага зэрэг хими"
EDLC-ээс гадна электродын гадаргуу дээр хурдан исэлдэн ангижрах урвалаар цэнэгийг хадгалах псевдо багтаамжийг ашигладаг суперконденсаторууд байдаг. Түгээмэл хэрэглэгддэг материалуудад металлын исэл (жишээ нь, RuO₂, MnO₂) эсвэл дамжуулагч полимерүүд орно.
Батерейны ялгаа:
– Псевдоконденсатор дахь урвалууд нь ерөнхийдөө гадаргуу дээр (эсвэл гадаргуугийн ойролцоо) явагддаг бөгөөд маш хурдан явагддаг.
– Батерейны интеркаляци шиг гүн биш тул илүү удаан ажиллах боломжтой, гэхдээ ихэвчлэн цэвэр EDLC шиг удаан байдаггүй.
Практикт орчин үеийн олон суперконденсаторууд нь эрлийз бөгөөд энерги болон чадлыг оновчтой болгохын тулд EDLC болон псевдо багтаамжийг хослуулдаг.
Суперконденсаторууд яагаад ийм хурдан цэнэглэгддэг вэ?
Суперконденсаторууд нь өргөн хүрээтэй химийн урвал эсвэл бүтцийн томоохон өөрчлөлт шаарддаггүй тул хурдан цэнэглэгддэг. Юу голчлон юу болдог вэ:
– ионууд электродын гадаргуу руу ойртох үед,
- электронууд электродууд дээр цуглардаг;
- давхар давхарга үүснэ.
Энэ нь лити-ион батерей шиг ионуудыг болор тор руу "шахах"-ын оронд гадаргуу дээрх "цэнэгийн дараалал"-ыг дүүргэхтэй адил юм. Тэдний дотоод эсэргүүцэл нь бага байх хандлагатай байдаг тул хэт их дулаан үүсгэхгүйгээр их хэмжээний гүйдэл урсах боломжийг олгодог (гэхдээ дизайны хязгаарлалтууд байсаар байгаа).
Батерейтай харьцуулахад давуу болон сул талууд
Үндсэн давуу талууд:
1. Маш хурдан цэнэглэлт (өндөр хүчин чадалтай цэнэглэлт).
2. Ачааллын хэт ачаалалд тохиромжтой, өндөр гаралтын чадал (өндөр чадлын нягтрал).
3. Циклийн хугацаа маш урт бөгөөд хэдэн зуун мянган удаа давтагдах боломжтой.
4. Зарим загварт хэт өндөр температурт илүү тэсвэртэй.
5. Хурдан цэнэглэх-цэнэггүйжүүлэх үед өндөр үр ашигтай.
Үндсэн сул талууд:
1. Хадгалагдсан энерги нь батерейгаас бага (бага эрчим хүчний нягтралтай). Супер конденсатор нь зөөврийн компьютерын батерей гэх мэт удаан хугацааны эрчим хүчээр хангахад тохиромжгүй.
2. Ашиглалтын явцад хүчдэл шугаман буурдаг. Харьцангуй тогтвортой хүчдэлийг хадгалдаг батерейгаас ялгаатай нь суперконденсаторууд нь энерги ялгарах үед жишээлбэл 2,7 В-оос тэг болж буурдаг бөгөөд энэ нь ихэвчлэн DC-DC хөрвүүлэгч шаарддаг.
3. Өөрөө цэнэг алдах чадвар өндөр: цэнэг нь батерейгаас хурдан "гоожих" хандлагатай байдаг.
4. Том хэмжээний эрчим хүч хадгалах зориулалттай батерейтай харьцуулахад нэг Вт.ц-ийн үнэ харьцангуй өндөр хэвээр байна.
Тиймээс суперконденсаторууд нь ихэвчлэн батерейг орлох биш, харин нэмэлт хэрэгсэл болдог.
Бодит ертөнцийн хэрэглээний жишээнүүд
Суперконденсаторуудыг богино хугацаанд их хэмжээний эрчим хүч шаарддаг нөхцөлд өргөн ашигладаг, жишээлбэл:
– Цахилгаан тээврийн хэрэгсэл ба тээвэр (EV/HEV): нөхөн төлжих тоормослох үед хурдатгалыг дэмжих эсвэл энерги шингээж, батерейны ачааллыг бууруулдаг.
– Зарим автобус, трамвай: зарим системүүд зогсоол дээр хурдан цэнэглэхэд супер конденсатор ашигладаг.
– UPS болон богино хугацааны тэжээлийн нөөцлөлт: системийг хэдэн секундээс хэдэн минутын турш ажиллуулдаг бөгөөд энэ нь аюулгүй асаах эсвэл унтраахад хангалттай.
– Аж үйлдвэрийн тоног төхөөрөмж: цахилгаан хангамжийг илүү тогтвортой байлгахын тулд оргил ачааллын (оргил ачааллын) үед.
– Зарим хэрэглээний электроникууд: хэт их гүйдэл шаарддаг төхөөрөмжүүдэд зориулсан хурдан цэнэглэх болон тэжээлийн буферийн функцууд.
Хаах
Суперконденсаторууд нь цэнэгийг салгах замаар энерги хадгалах зарчмаар ажилладаг бөгөөд энэ нь голчлон сүвэрхэг электродын гадаргуу дээр цахилгаан давхар давхарга үүсгэх, зарим төрөлд хурдан исэлдэн ангижрах урвал (псевдобагтаамж)-аар тусалдаг. Механизм нь гүн гүнзгий химийн урвалаас илүү "физик" шинж чанартай тул суперконденсаторууд хурдан цэнэглэх, өндөр гаралтын чадал, маш урт хугацааны ашиглалтын хугацаатай байдаг. Гэсэн хэдий ч тэдгээрийн хязгаарлагдмал эрчим хүчний нягтрал нь тэдгээрийг бүрэн орлуулахын оронд батерейны хамтрагч болгон ашиглахад илүү тохиромжтой болгодог.
Цаашид графен, нано бүтэцтэй нүүрстөрөгч, эрлийз загвар зэрэг материалын судалгаа нь суперконденсаторын эрчим хүчний багтаамжийг мэдэгдэхүйц нэмэгдүүлэх боломжтой юм. Хэрэв эдгээр дэвшил үргэлжилсээр байвал суперконденсаторууд нь орчин үеийн эрчим хүчний экосистемд, ялангуяа өндөр үр ашиг, хурдан хариу үйлдэл, урт хугацааны бат бөх чанар шаарддаг хэрэглээнд улам бүр чухал үүрэг гүйцэтгэж магадгүй юм.
