المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة: مستقبل تخزين الطاقة؟

المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة هو نوع جديد من أجهزة تخزين الطاقة الذي يحظى بالاهتمام. حيث إنها توفر عددًا من المزايا مقارنة بالمكثفات الفائقة والمكثفات التقليدية. بما في ذلك كثافة طاقة أعلى وعمر أطول ودرجة حرارة تشغيل أعلى. وهذا يجعلها مرشحًا واعدًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك السيارات الكهربائية والأجهزة القابلة للارتداء والغرسات الطبية.

تعمل المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة باستخدام إلكتروليت صلب بدلاً من إلكتروليت سائل. وهذا يجعلها أكثر متانة وأمانًا من المكثفات الفائقة التقليدية، لأنها ليست عرضة للتسرب أو الحريق. كما يسمح أيضًا بكثافة طاقة أعلى، حيث يمكن جعله أرق وأخف من الإلكتروليت السائل.

ما هو المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة؟

المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة – Solid-state Supercapacitor هو نوع من المكثف الفائق الذي يستخدم إلكتروليتًا صلبًا بدلاً من إلكتروليت سائل. هذا يجعلها أكثر متانة وأكثر أمانًا من المكثفات الفائقة التقليدية، لأنها ليست عرضة للتسرب أو الحريق. تتمتع المكثفات الفائقة ذو الحالة الصلبة أيضًا بكثافة طاقة أعلى من المكثفات الفائقة التقليدية، مما يجعلها مرشحًا واعدًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل المركبات الكهربائية والأجهزة القابلة للارتداء والغرسات الطبية [1] .

ما القصة وراء أول مكثف فائق ذو الحالة الصلبة؟

تم اختراع أول المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة في عام 1991 من قبل باحثين في جامعة تكساس في أوستن. تم تصنيع الجهاز من غشاء رقيق من البوليمر الموصّل محشور بين طبقتين من رقائق معدنية، وكان قادرًا على تخزين وإطلاق الطاقة الكهربائية بسرعة وكفاءة. مهد هذا الاختراع الطريق لتطوير المكثفات الفائقة الأخرى ذات الحالة الصلبة. ومنذئذ تم استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الإلكترونيات المحمولة، والمركبات الهجينة، وأنظمة الطاقة المتجددة.

كيف يعمل المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة؟

تعمل المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة عن طريق تخزين الطاقة إلكتروستاتيكيًا في طبقة كهربائية مزدوجة تتشكل عند السطح البيني بين القطب الكهربائي والإلكتروليت [1] .

فيما يلي شرح مبسط لكيفية عمل المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة:

1. يتم فصل قطبي المكثف بواسطة إلكتروليت صلب.
2. عندما يتم تطبيق الجهد على المكثف، تتحرك الأيونات في الإلكتروليت نحو القطب المشحون عكسيًا.
3. تخلق حركة الأيونات مجالًا كهربائيًا يخزن الطاقة.
4. يتم تخزين هذه الشحنة في شكل مجال كهربائي، والذي يمكن تفريغه بسرعة عند الحاجة لتوفير دفعة من الطاقة.

يعتمد أداء المكثفات الفائقة على تصميم وخصائص المجمعات الحالية، والأقطاب الكهربائية، والإلكتروليتات. والتي بدورها يمكن أن تؤثر على كثافة ومخرجات الطاقة، وسلوك الشحن والتفريغ الدوري، ومعلمات الأداء الرئيسية الأخرى.

يمكن تحسين المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة حيث تلعب الموصلات الكهربائية دورًا مهمًا في أداء جهاز تخزين الطاقة. ويمكن أن يؤدي تصميم المواد ومعالجتها وخصائص سطح الموصلات الكهربائية إلى تباين كبير في معاملات الأداء الرئيسية. فمثلًا يمكن أن يؤدي استخدام المواد ذات البنية النانوية مع مساحة سطح محددة عالية والمسامية الهرمية إلى أداء ممتاز واستقرار طويل للنظام. وكذلك استخدام الطاقة الحرارية الشمسية لتحسين أداء المكثفات الفائقة المرنة في درجات حرارة منخفضة، وهو أمر مهم للإلكترونيات القابلة للارتداء في الهواء الطلق.

بشكل عام ، يمكن أن تؤدي هذه التحسينات إلى زيادة كثافة الطاقة، وإخراجها، ومدى استقرار المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة، مما يجعلها أكثر كفاءة وفعالية للتطبيقات المختلفة.

مزايا المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة

يتميز المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة بالعديد من المزايا مقارنة بالمكثف الفائق التقليدي، بما في ذلك [2] :

• كثافة طاقة أعلى: يمكن للمكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة تخزين طاقة أكثر من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها خيارًا أكثر جاذبية للتطبيقات التي تتطلب كثافة طاقة عالية.
• عمر أطول: تتمتع المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بعمر أطول من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها خيارًا أكثر فعالية من حيث التكلفة للتطبيقات طويلة المدى.
• درجة حرارة تشغيل أعلى: يمكن أن تعمل المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة في درجات حرارة أعلى من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها خيارًا أكثر تنوعًا لمجموعة واسعة من التطبيقات في البلاد الحارة.
• حجم أصغر: يمكن جعل المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة أصغر من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها أكثر ملاءمة للاستخدام في الأجهزة المحمولة.

كيف تقارن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بأنواع أخرى من أجهزة تخزين الطاقة من حيث الكفاءة والأداء؟

تقدم تقارن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة العديد من المزايا مقارنة بالبطاريات التقليدية في أنظمة تخزين الطاقة، بما في ذلك [2,3] :

• كثافة طاقة أعلى من بطاريات أيون الليثيوم: يمكن للمكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة توفير الطاقة وامتصاصها بشكل أسرع بكثير من البطاريات. مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب دفعات سريعة من الطاقة، مثل المركبات الكهربائية وأنظمة الكبح المتجددة.
• دورة حياة أطول: يمكن تدوير المكثفات الفائقة مئات الآلاف من المرات دون تدهور كبير. بينما تحتوي البطاريات عادةً على عدد محدود من دورات الشحن والتفريغ قبل الحاجة إلى استبدالها.
• معدلات شحن أسرع: يمكن شحن المكثفات الفائقة أسرع بكثير من البطاريات، الأمر الذي قد يستغرق ساعات أو حتى أيامًا لشحنها بالكامل. بينما يمكن شحن المكثفات الفائقة في غضون ثوانٍ أو دقائق. مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب شحنًا سريعًا، مثل الأجهزة الإلكترونية المحمولة.
• نطاق واسع لدرجة حرارة التشغيل: يمكن أن تعمل المكثفات الفائقة على نطاق واسع من درجات الحرارة، من -40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية. بينما قد يكون أداء البطاريات محدودًا في درجات الحرارة القصوى.
• صديقة للبيئة: لا تحتوي المكثفات الفائقة على مواد كيميائية سامة أو معادن ثقيلة. مما يجعلها صديقة للبيئة أكثر من البطاريات التقليدية.

ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن أداء المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة يمكن أن يختلف اعتمادًا على تصميم المواد ومعالجتها وخصائص سطح الموصلات الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتأثر السعة والمقاومة الداخلية للمكثفات الفائقة مما قد يؤثر على كفاءتها. أخيرًا، بينما تتمتع المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بكثافة طاقة عالية، إلا أنها تتمتع بكثافة طاقة أقل من البطاريات. مما يحد من استخدامها في التطبيقات التي تتطلب سعة تخزين طاقة عالية.

بشكل عام ، توفر المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة العديد من المزايا مقارنة بالبطاريات التقليدية في أنظمة تخزين الطاقة، مما يجعلها خيارًا جذابًا لمجموعة واسعة من التطبيقات.

ما هي عيوب المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة؟

في حين أن المكثفات الفائقة الحالة الصلبة تقدم مزايا عديدة مقارنة بالبطاريات التقليدية، إلا أن لها أيضًا بعض العيوب، بما في ذلك [4]:

• كثافة طاقة أقل: عادةً ما تكون للمكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة كثافة طاقة أقل من البطاريات. مما يعني أنها يمكن أن تخزن طاقة أقل لكل وحدة وزن أو حجم.
• نطاق الجهد المحدود: للمكثفات الفائقة نطاق جهد محدود. مما قد يجعل من الصعب استخدامها في بعض التطبيقات التي تتطلب جهدًا أعلى.
• معدل تفريغ ذاتي أعلى: تتمتع المكثفات الفائقة بمعدل تفريغ ذاتي أعلى من البطاريات. مما يعني أنها يمكن أن تفقد شحنتها بسرعة أكبر عند عدم استخدامها.
• التكلفة: يمكن أن تكون المكثفات الفائقة أغلى من البطاريات التقليدية، مما يجعلها أقل جاذبية لبعض التطبيقات.
• توافر محدود: المكثفات الفائقة الحالة الصلبة ليست متوفرة على نطاق واسع مثل المكثفات الفائقة التقليدية.

بشكل عام، في حين أن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة توفر العديد من المزايا مقارنة بالبطاريات التقليدية، إلا أن لها أيضًا بعض القيود التي يجب مراعاتها عند اختيار نظام تخزين الطاقة لتطبيق معين. لكن على الرغم من هذه العيوب، فإن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة هي تقنية واعدة لتخزين الطاقة. وهي مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب معدل تفريغ طاقة عالٍ وعمرًا طويلًا، مثل السيارات الكهربائية والأجهزة القابلة للارتداء.

تطبيقات المكثفات الفائقة الحالة الصلبة

فيما يلي بعض التطبيقات المحتملة لمكثفات الحالة الصلبة الفائقة:

السيارات الكهربائية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتخزين الطاقة في السيارات الكهربائية، مما قد يساعد في توسيع نطاق السيارات الكهربائية وتقليل الوقت المستغرق لإعادة شحنها.

الأجهزة القابلة للارتداء: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل الأجهزة القابلة للارتداء، مثل الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية.

الغرسات الطبية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل الغرسات الطبية، مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب ومضخات الأنسولين.

المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة هي تقنية جديدة لتخزين الطاقة. مع استمرار البحث والتطوي، يمكن للمكثفات الفائقة الحالة الصلبة أن تحدث ثورة في طريقة تشغيل أجهزتنا.

ما هي بعض التطبيقات المحتملة للمكثفات الفائقة الحالة الصلبة في صناعة السيارات؟

المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لديها القدرة على استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات في صناعة السيارات. فيما يلي بعض التطبيقات المحتملة [4] :

• المركبات الهجينة والكهربائية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة جنبًا إلى جنب مع البطاريات لتوفير نبضات عالية الطاقة لتسريع الكبح والتجدد، مما يمكن أن يحسن الكفاءة الإجمالية للسيارة.
• أنظمة التوقف والتشغيل: يمكن استخدام المكثفات الفائقة لتشغيل الأنظمة الكهربائية للمركبة أثناء أحداث توقف المحرك، مما يقلل من استهلاك الوقود والانبعاثات.
• دعم الطاقة: يمكن استخدام المكثفات الفائقة لتوفير طاقة احتياطية للأنظمة الحيوية في حالة انقطاع التيار الكهربائي، مثل الوسائد الهوائية وإضاءة الطوارئ.
• نموذج مجال التردد: يمكن استخدام المكثفات الفائقة في تطبيقات الطاقة الصناعية التي تتطلب كثافة طاقة عالية، مثل محولات الطاقة الإلكترونية.

بشكل عام، تتمتع المكثفات الفائقة الحالة الصلبة بإمكانية تحسين كفاءة وأداء الأنظمة المختلفة في صناعة السيارات.

ما هي الآثار البيئية لاستخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة

هناك معلومات محدودة متاحة عن التأثيرات البيئية المحددة لاستخدام المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة. ومع ذلك، فقد بحثت بعض الدراسات في استخدام المكثفات الفائقة في سياق أجهزة تخزين الطاقة على نطاق أوسع. فيما يلي بعض الآثار البيئية المحتملة التي يجب مراعاتها [3,4] :

• مصادر المواد: يتطلب إنتاج المكثفات الفائقة استخدام مواد مختلفة، بما في ذلك المعادن والبوليمرات. يمكن أن يكون لتوريد هذه المواد آثار بيئية، مثل تدمير المصادر، وتلوث المياه، وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري من التعدين والنقل.
• استهلاك الطاقة: تتطلب عملية تصنيع المكثفات الفائقة طاقة يمكن أن تسهم في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والتأثيرات البيئية الأخرى.
• التخلص من الأجهزة بعد نهاية العمر الافتراضي: مثل جميع الأجهزة الإلكترونية، ستصل المكثفات الفائقة في النهاية إلى نهاية عمرها الإنتاجي وتحتاج إلى التخلص منها. يمكن أن يكون للتخلص من النفايات الإلكترونية آثار بيئية كبيرة، بما في ذلك تلوث التربة والمياه من المواد الكيميائية السامة وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري من الحرق.
• أداء درجات الحرارة المنخفضة: وجدت إحدى الدراسات أنه يمكن تحسين أداء المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة في درجات الحرارة المنخفضة باستخدام الطاقة الحرارية الشمسية، مما قد يقلل من الحاجة إلى مصادر الطاقة الأخرى التي لها تأثيرات بيئية.

بشكل عام ، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لفهم الآثار البيئية لاستخدام المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بشكل كامل. ومع ذلك، فمن الواضح أن إنتاج هذه الأجهزة والتخلص منها يمكن أن يكون له تأثيرات بيئية، ويجب بذل الجهود لتقليل هذه الآثار من خلال المصادر المستدامة، والتصنيع الموفر للطاقة، والممارسات المسؤولة للتخلص في نهاية العمر.

لا تزال المكثفات الفائقة الحالة الصلبة في المراحل الأولى من التطوير، ولكن لديها القدرة على إحداث ثورة في صناعة تخزين الطاقة. بفضل كثافة الطاقة العالية والمتانة والسلامة، يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل مجموعة واسعة من الأجهزة، من السيارات الكهربائية إلى الأجهزة القابلة للارتداء.

المصادر          

1. Thermally Chargeable Solid-State Supercapacitor | Advanced Energy Materials
2. Flexible all-solid-state supercapacitors with high capacitance, long cycle life, and wide operational potential window: Recent progress and future perspectives | Journal of Energy Storage
3. A mini-review: emerging all-solid-state energy storage electrode materials for flexible devices | Nanoscale
4. Recent progress in the all-solid-state flexible supercapacitors | SmartMat