ซูเปอร์คาปาซิเตอร์

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เก็บประจุไฟฟ้าผ่านกระบวนการที่รวดเร็วและผันกลับได้สูงที่พื้นผิวอิเล็กโทรด ให้กำลังไฟฟ้าสูงมากและมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ แต่มีความหนาแน่นพลังงานต่ำกว่า

Definition

อุปกรณ์เก็บพลังงานที่เก็บประจุไฟฟ้าสถิตในชั้นคู่ไฟฟ้า (electrical double layer) ของอิเล็กโทรดที่มีพื้นที่ผิวสูง โดยอาจเสริมด้วยปฏิกิริยารีดอกซ์บนพื้นผิวที่รวดเร็ว (ซูโดคาปาซิทีฟ)

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมี: ความจุไฟฟ้าแบบสองชั้นที่เกิดจากการสะสมประจุไฟฟ้าสถิตที่อิเล็กโทรดพื้นที่ผิวสูง, ซูโดคาปาซิแตนซ์ (pseudocapacitance) จากปฏิกิริยารีดอกซ์บนพื้นผิวที่รวดเร็ว, วัสดุที่ใช้ เช่น คาร์บอนมีรูพรุนและโลหะออกไซด์, และลักษณะพลังงานและกำลังไฟฟ้าที่เกิดขึ้น นอกจากนี้ยังอธิบายตำแหน่งของซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่อยู่ระหว่างตัวเก็บประจุทั่วไปและแบตเตอรี่

Core questions

• การเก็บประจุในชั้นคู่ไฟฟ้าแตกต่างจากการเก็บประจุในแบตเตอรี่อย่างไร?
• ซูโดคาปาซิแตนซ์คืออะไร และช่วยเพิ่มประจุที่เก็บไว้ได้อย่างไร?
• เหตุใดซูเปอร์คาปาซิเตอร์จึงให้กำลังไฟฟ้าสูงมากและมีอายุการใช้งานที่ยอดเยี่ยม?
• วัสดุใดที่ช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวที่เข้าถึงได้และความจุสูงสุด?

Key theories

การเก็บประจุแบบสองชั้น

ประจุถูกเก็บไว้ทางกายภาพโดยการสะสมของไอออนที่ส่วนต่อประสานระหว่างอิเล็กโทรดกับอิเล็กโทรไลต์บนพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ โดยไม่มีปฏิกิริยาเคมีในเนื้อวัสดุ ทำให้เกิดการชาร์จและดิสชาร์จที่รวดเร็วและผันกลับได้สูง

ซูโดคาปาซิแตนซ์

ปฏิกิริยารีดอกซ์บนพื้นผิวหรือใกล้พื้นผิวที่รวดเร็วและผันกลับได้บนวัสดุ เช่น โลหะทรานซิชันออกไซด์ จะเก็บประจุเพิ่มเติมด้วยการตอบสนองคล้ายตัวเก็บประจุ ซึ่งช่วยเพิ่มความหนาแน่นพลังงานให้สูงกว่าการเก็บประจุแบบสองชั้นบริสุทธิ์

Clinical relevance

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ให้พลังงานอย่างรวดเร็วและสามารถกักเก็บพลังงานจากการเบรกแบบสร้างใหม่ (regenerative-braking) ในยานพาหนะ, เป็นแหล่งพลังงานสำรอง, และช่วยปรับสมดุลโหลด (load leveling) และมีการนำมาใช้ร่วมกับแบตเตอรี่ในระบบไฮบริดมากขึ้น โดยที่กำลังไฟฟ้าสูงและอายุการใช้งานยาวนานของซูเปอร์คาปาซิเตอร์ช่วยเสริมความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่

History

แนวคิดตัวเก็บประจุแบบสองชั้นมีที่มาจากแบบจำลองส่วนต่อประสานของเฮล์มโฮลทซ์ในศตวรรษที่ 19; อุปกรณ์เชิงพาณิชย์ปรากฏขึ้นตั้งแต่ทศวรรษ 1970 และงานของคอนเวย์ได้ทำให้ซูโดคาปาซิแตนซ์เป็นทางการ โดยคาร์บอนและออกไซด์ที่มีโครงสร้างระดับนาโนเป็นตัวขับเคลื่อนการเพิ่มขึ้นของความจุอย่างมากในทศวรรษ 2000

Key figures

• Brian E. Conway
• Hermann von Helmholtz
• Yury Gogotsi
• Patrice Simon

Seminal works

• winter2004
• simon2008
• conway1999

Frequently asked questions

เหตุใดซูเปอร์คาปาซิเตอร์จึงชาร์จเร็วกว่าแบตเตอรี่มาก?

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เก็บประจุโดยการสะสมไอออนที่พื้นผิวอิเล็กโทรดทางกายภาพ แทนที่จะเป็นปฏิกิริยาเคมีในเนื้อวัสดุที่ช้า ดังนั้นการชาร์จและดิสชาร์จจึงถูกจำกัดส่วนใหญ่โดยการเคลื่อนที่ของไอออนและเกิดขึ้นภายในไม่กี่วินาที

เหตุใดซูเปอร์คาปาซิเตอร์จึงไม่สามารถใช้แทนแบตเตอรี่ได้โดยตรง?

การเก็บประจุบนพื้นผิวมีพลังงานต่อหน่วยมวลน้อยกว่าเคมีรีดอกซ์ในเนื้อวัสดุมาก ดังนั้นซูเปอร์คาปาซิเตอร์จึงให้กำลังไฟฟ้าสูงแต่มีความหนาแน่นพลังงานต่ำ และจะมีขนาดใหญ่เกินไปสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ที่ต้องการพลังงานต่อเนื่อง