ابرخازنها
ابرخازنها بار الکتریکی را از طریق فرآیندهای سریع و بسیار برگشتپذیر در سطوح الکترود ذخیره میکنند و توان بسیار بالا و عمر چرخه طولانی را با چگالی انرژی کمتر نسبت به باتریها ارائه میدهند.
Definition
یک دستگاه ذخیرهسازی انرژی که بار را به صورت الکترواستاتیکی در لایه دوتایی الکتریکی الکترودهای با سطح بالا ذخیره میکند، که به صورت اختیاری با واکنشهای ردوکس سطحی سریع (شبهخازنی) تقویت میشود.
Scope
این موضوع خازنهای الکتروشیمیایی را پوشش میدهد: ظرفیت خازنی دو لایه ناشی از تجمع بار الکترواستاتیک در الکترودهای با سطح بالا، شبهخازنی ناشی از واکنشهای ردوکس سطحی سریع، مواد مورد استفاده مانند کربنهای متخلخل و اکسیدهای فلزی، و ویژگیهای انرژی و توان حاصل. این موضوع موقعیت ابرخازنها را بین خازنهای معمولی و باتریها توضیح میدهد.
Core questions
- ذخیرهسازی بار در لایه دوتایی الکتریکی چه تفاوتی با ذخیرهسازی بار در باتری دارد؟
- شبهخازنی چیست و چگونه بار ذخیرهشده را افزایش میدهد؟
- چرا ابرخازنها به توان بسیار بالا و عمر چرخه استثنایی دست مییابند؟
- چه موادی سطح قابل دسترس و ظرفیت خازنی را به حداکثر میرسانند؟
Key theories
- ذخیرهسازی بار دو لایه
- بار به صورت فیزیکی با تجمع یونها در رابط الکترود-الکترولیت در یک سطح عظیم، بدون واکنش شیمیایی حجمی، ذخیره میشود که شارژ و دشارژ سریع و بسیار برگشتپذیر را فراهم میکند.
- شبهخازنی
- واکنشهای ردوکس سطحی یا نزدیک به سطح سریع و برگشتپذیر در موادی مانند اکسیدهای فلزات واسطه، بار اضافی را با پاسخ خازنمانند ذخیره میکنند و چگالی انرژی را فراتر از ذخیرهسازی دو لایه خالص افزایش میدهند.
Clinical relevance
ابرخازنها انفجارهای توان سریع و بازیابی انرژی ترمز احیاکننده را در وسایل نقلیه، توان پشتیبان و تسطیح بار فراهم میکنند و به طور فزایندهای با باتریها در سیستمهای هیبریدی جفت میشوند، جایی که توان بالا و عمر طولانی آنها مکمل چگالی انرژی باتری است.
History
مفهوم خازن دو لایه به مدل رابط هلمهولتز در قرن نوزدهم بازمیگردد؛ دستگاههای تجاری از دهه 1970 ظاهر شدند و کار کانوی شبهخازنی را رسمی کرد، با کربنها و اکسیدهای نانوساختار که در دهه 2000 باعث افزایش عمده ظرفیت شدند.
Key figures
- Brian E. Conway
- Hermann von Helmholtz
- Yury Gogotsi
- Patrice Simon
Related topics
Seminal works
- winter2004
- simon2008
- conway1999
Frequently asked questions
- چرا ابرخازنها بسیار سریعتر از باتریها شارژ میشوند؟
- آنها بار را با تجمع فیزیکی یونها در سطح الکترود به جای واکنشهای شیمیایی حجمی آهسته ذخیره میکنند، بنابراین شارژ و دشارژ عمدتاً توسط حرکت یونها محدود میشود و در عرض چند ثانیه اتفاق میافتد.
- چرا ابرخازنها به سادگی جایگزین باتریها نمیشوند؟
- ذخیرهسازی بار سطحی انرژی بسیار کمتری در واحد جرم نسبت به شیمی ردوکس حجمی دارد، بنابراین ابرخازنها توان بالا اما چگالی انرژی پایینی را ارائه میدهند و برای اکثر کاربردهایی که نیاز به انرژی پایدار دارند، بیش از حد حجیم خواهند بود.