وبلاگ در باره خازن‌های فوق‌العاده در آینده ذخیره‌سازی انرژی، باتری‌ها را به چالش می‌کشند

تصور کنید در حال رانندگی با یک خودروی برقی در بزرگراه هستید و برای سبقت گرفتن از خودروی دیگر نیاز به شتاب‌گیری ناگهانی دارید. یا خود را در منطقه‌ای دورافتاده تصور کنید که سیستم انرژی خورشیدی شما باید فوراً یک جهش عظیم انرژی را تامین کند. در این شرایط بیشتر به چه چیزی نیاز دارید: جریان انرژی پایدار یا انفجار قدرت؟ این معضل سوالی حیاتی را در فناوری ذخیره‌سازی انرژی برجسته می‌کند: آیا ابرخازن‌ها یا باتری‌ها می‌توانند بهتر نیازهای رو به رشد انرژی ما را برآورده کنند؟

برای دهه‌ها، باتری‌ها به دلیل چگالی انرژی بالا، بر لوازم الکترونیکی قابل حمل و خودروهای برقی تسلط داشته‌اند. با این حال، ابرخازن‌ها اکنون با مزایای منحصر به فرد خود به عنوان رقبای جدی ظهور کرده‌اند. دقیقاً چه چیزی این فناوری‌ها را متمایز می‌کند و چگونه می‌توانند آینده انرژی ما را شکل دهند؟

باتری‌هاانرژی را از طریق واکنش‌های شیمیایی ذخیره می‌کنند. این باتری‌ها که از کاتد، آند و الکترولیت تشکیل شده‌اند، هنگام اتصال به مدار، با جریان الکترون‌ها و یون‌ها بین اجزا، جریان تولید می‌کنند. ظرفیت ذخیره‌سازی آنها به تفاوت پتانسیل شیمیایی مواد الکترود و مقادیر مواد واکنش‌پذیر بستگی دارد.

ابرخازن‌هااز ذخیره‌سازی فیزیکی انرژی از طریق میدان‌های الکترواستاتیک استفاده می‌کنند. مکانیسم "لایه دوگانه" آنها زمانی کار می‌کند که مواد الکترود در الکترولیت غوطه‌ور می‌شوند و لایه‌های باردار را تشکیل می‌دهند که توسط یک مانع عایق بسیار نازک (لایه هلمهولتز) از هم جدا شده‌اند. اعمال ولتاژ باعث تجمع بار در این لایه‌ها برای ذخیره‌سازی می‌شود، در حالی که اتصال مدار امکان تخلیه سریع را فراهم می‌کند.

طول عمر چرخه: ابرخازن‌ها به طور چشمگیری عملکرد بهتری دارند و میلیون‌ها چرخه را تحمل می‌کنند در حالی که بیش از ۵۰٪ ظرفیت اولیه خود را حفظ می‌کنند. باتری‌های لیتیوم-یون از طریق تغییرات شیمیایی مانند تشکیل رابط الکترولیت جامد (SEI) تخریب می‌شوند.

محدوده دما: ابرخازن‌ها از دمای ۴۰- تا ۸۵ درجه سانتی‌گراد به طور قابل اعتماد کار می‌کنند، در حالی که باتری‌های لیتیوم-یون بهترین عملکرد را بین ۲۰- تا ۴۰ درجه سانتی‌گراد دارند و در دماهای شدید خطر فرار حرارتی وجود دارد.

چگالی انرژی: باتری‌ها به طور قابل توجهی پیشتاز هستند (۶۵۰ وات‌ساعت بر لیتر برای لیتیوم-یون در مقابل حدود ۱۰ وات‌ساعت بر لیتر برای ابرخازن‌ها)، که آنها را برای کاربردهای دوربرد ترجیح می‌دهد.

چگالی توان: ابرخازن‌ها در عرض چند ثانیه شارژ/تخلیه می‌شوند در حالی که باتری‌ها ساعت‌ها طول می‌کشد، اما نرخ خودتخلیه بالاتری دارند (۳۰٪ در ماه در مقابل ۱۰٪).

بازدهی: ابرخازن‌ها بازدهی رفت و برگشت بیش از ۹۸٪ را نسبت به عملکرد زیر ۹۰٪ باتری‌ها به دست می‌آورند.

حمل و نقل: در حالی که باتری‌ها بیشتر خودروهای برقی را تامین می‌کنند، ابرخازن‌ها در سیستم‌های ترمز احیاکننده برتری دارند. از سال ۲۰۰۶، اتوبوس‌های هیبریدی چینی از ابرخازن‌ها برای کاهش وابستگی به باتری استفاده کرده‌اند، در حالی که تویوتا و پژو آنها را در خودروهای مفهومی به کار می‌گیرند.

انرژی‌های تجدیدپذیر: باتری‌ها انرژی متناوب باد/خورشید را ذخیره می‌کنند، در حالی که ابرخازن‌ها نوسانات ولتاژ را تثبیت می‌کنند، برق پشتیبان برای عملگرهای توربین فراهم می‌کنند و از ذخیره‌سازی میکروگرید پشتیبانی می‌کنند.

لوازم الکترونیکی مصرفی: اگرچه باتری‌ها غالب هستند، نوآوری‌هایی مانند پیچ‌گوشتی با توان ابرخازن BluCave (شارژ ۶۰ ثانیه‌ای) جایگزین‌های نوظهور را نشان می‌دهند.

تولید باتری به مواد کمیاب و اغلب سمی (لیتیوم، کبالت، نیکل) با فرآیندهای استخراج مخرب زیست‌محیطی متکی است. دفع نامناسب خطر آلودگی خاک/آب را به همراه دارد.

ابرخازن‌ها معمولاً از مواد پایدار مانند کربن فعال مشتق شده از زیست‌توده و ترکیبات ساده‌تر استفاده می‌کنند که بازیافت را تسهیل می‌کنند و مزایای زیست‌محیطی واضح‌تری را ارائه می‌دهند.

باتری‌ها در حال حاضر به دلیل زیرساخت‌های تثبیت شده و چگالی انرژی بالاتر، بازارهای ذخیره‌سازی انرژی را در اختیار دارند. با این حال، تحقیقات جاری ابرخازن‌ها با هدف بهبود ظرفیت و کاهش هزینه‌ها انجام می‌شود.

آینده احتمالاً شامل سیستم‌های هیبریدی است که استقامت باتری را با انفجارهای قدرت ابرخازن ترکیب می‌کند. چنین ادغام‌هایی می‌تواند شتاب خودروهای برقی و بازیابی انرژی را بهبود بخشد و در عین حال عمر باتری را افزایش دهد، با مزایای مشابه برای پایداری و قابلیت اطمینان ذخیره‌سازی شبکه.