ما هي المكثفات فائقة التوصيل والتحديات التي تواجهها؟

على الرغم من أن السعة التخزينة للبطاريات تفوق سعة المكثفات إلا أن تلك الميزة هي سلاح ذو حدين. لا يمكن استخدام البطاريات في الأجهزة التي تتطلب كمية كبيرة من الطاقة لحظيًا كما أنها تمتلك فترة عمر أقصر. وعلى صعيد آخر، تتميز المكثفات بمعدل عالٍ لتفريغ الطاقة لحظيًا لكنها تفتقر للسعة التخزينية الهائلة كما في البطاريات. أيضًا من أهم ما يميز المكثفات هي طول فترة عمرها وإمكانية إعادة الشحن والتفريغ لمرات عديدة بكفاءة عالية. لملء الفجوة بين المكثفات والبطاريات والوصول لمعدل تفريغ طاقة عالٍ بسعة تخزينة كبيرة توصل العلماء لاختراع المكثفات فائقة التوصيل الكهربي-[1] Supercapacitor or Ultracapacitor. في هذا المقال سنتعرف ماهية المكثفات فائقة التوصيل وأنواعها وتطبيقاتها وكذلك التحديات التى تواجهها كجيل جديد لتخزين الطاقة.

ما هي المكثفات الفائقة؟

المكثفات الفائقة هي أحد أجهزة تخزين الطاقة. إنه جهاز يجمع بعض صفات المكثفات التقليدية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن. يخزن الطاقة من خلال تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات على قطبي المكثف الفائق أو من خلال التفاعلات الكهروكيميائية للمواد الفعّالة المكونة للأقطاب[1,2] .

يختلف المكثف الفائق من حيث السعة التخزينية العالية جدًا مقارنة بالمكثف العادي. يخزن المكثف العادي الطاقة عن طريق تخزين شحنة ثابتة بدلاً من تفاعل كهروكيميائي. وذلك عن طريق تطبيق فرق الجهد على قطبي موصلي الكهرباء الموجب والسالب إلى شحن المكثف. هذا مشابه لتراكم الشحنات الكهربائية عند المشي على السجادة أو الاحتكاك بجسم خشن. فيحتفظ جسدك بكهرباء إلكتروستاتيكية. ممايؤدي في حالة لمس جسم ما إلى إطلاق الطاقة من خلال الإصبع مثلًا.

كيف تطورت المكثفات الفائقة؟

اقترح الفيزيائي الألماني هيلمهولتز عام 1879 مكثفًا فائقًا يخزن الطاقة عن طريق استقطاب الإلكتروليتات. بحلول عام 1957، تقدم أمريكي يدعى بيكر بطلب للحصول على براءة اختراع لمكثف كهروكيميائي. قام باستخدام الكربون المُنشط مع مساحة سطح محددة عالية كمواد قطب كهربائي.

ثم في عام 1962، أنتجت شركة Standard Oil Company (SOHIO) مكثفًا فائقًا بقوة 6 فولت مع الكربون المنشط. ثم في عام 1979، بدأ إنتاج المكثفات الفائقة كتطبيق تجاري واسع النطاق. مع التقدم المستمر للتقنيات الرئيسية في المواد والعمليات، والتحسين المستمر لجودة المنتج وأدائه، بدأت المكثفات الفائقة في دخول فترة التطوير. وتستخدم حاليًا على نطاق واسع في الصناعة وفي مجال الأجهزة المنزلية. مما أدى إلى تكثيف جهود العديد من الباحثين لأكثر من 100 عام. حتى الآن، تم تحسين الأداء باستمرار. ونتطلع إلى استخدام المكثفات الفائقة بأداء أفضل في المستقبل [2].

ما هي أنواع المكثفات الفائقة تبعًا لآليات تخزين الطاقة ؟

1. مكثفات الطبقة المزدوجة الكهربية Electrical Double Layer Capacitor (EDLC)

تعتمد على تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات. الطبقة الأولى هي شحنة الجسم. والطبقة الثانية تكونت نتيجة تجاذب الأيونات المخالفة للجسم في الشنحة كما يحدث في شكل 1A الذي يمثل مادة كربونية. وكذلك شكل 1B الذي يمثل مادة كربونية مسامية كما يحدث في المكثفات. وتُعتبر المواد الكربونية (جرافين، أنابيب الكربون النانوية، مشتقات كربيد الكربون، الكربون النشط، إلخ) من أهم المواد التي تعتمد على هذه الآلية في تخزين الطاقة[1].

2. مكثفات كاذبة Pseudocapacitor (PC)

يتم تخزين الطاقة من خلال تفاعلات كهروكيميائية بين المواد المكونة للقطب والالكتروليت المحيط به كما في الشكل1C  والذي يفسر تخزين الطاقة في البطاريات. وهناك أيضا آلية حركة/إقحام أيونات المحلول الإلكتروليتي  في مسامات الأقطاب الكهربية. ينشأ عن ذلك تيار كهربي نتيجة حركة الأيونات/الإلكترونات من وإلى المحلول الإلكتروليتي والمادة النشطة للقطبين (شكل 1D). وتُعد هذه أحد أشهر آليات التخزين عند استخدام موصلات مسامية كفوم المعادن الانتقالية. وأيضًا مركبات العناصر الانتقالية (أكاسيد، نيترات، فوسفات، نتريد، كربيد العناصر الانتقالية) مواد نشطة كهروكيميائيًا يمكنها إنتاج كمية كبيرة من الطاقة عن طريق عمليات الأكسدة والاختزال الانعكاسية Reversible redox reactions [1].

3. مكثفات هجينة Hybrid Supercapacitors:

تعتمد المكثفات الهجينة على آليات التخزين المختلفة معًا. فيقوم أحد القطبين بتخزين الطاقة عن طريق تكوين طبقة مزودجة من الشحنات بينما القطب الآخر يعتمد على آلية التفاعلات الكهروكيميائية. تتميز هذه المكثفات بأنها تعمل في مدى أوسع من جهد التشغيل من النوعين السابقين. كما أنها تعتمد على آليات تخزين مختلفة مما يزيد من فترة عمرها [1].

شكل 1:  (A) مادة كربونية، (B) مادة كربونية مسامية، (C)  مادة نشطة للتفاعلات الكهروكيميائية، (D) إقحام الأيونات المحلول الإلكتروليتي في مادة القطب [1]

ما أهم مميزات المكثفات فائقة التوصيل الكهربي؟

ما يميز المكثفات الفائقة هو قدرتها على تخزين الطاقة بكل الآليات الممكنة مما يجعلها الجيل الجديد من أجهزة تخزين الطاقة. فيمكن تعديد مميزات المكثفات فائقة التوصيل عن البطاريات والمكثفات العادية، في النقاط التالية [3,4]:

1. سعة تخزين أعلى بمئات المرات من المكثفات العادية. وذلك لقدرتها على تخزين الطاقة بالطرق المختلفة السابقة وليس عن طريق تكوين طبقة مزدوجة من الشحنات أو التفاعلات الكهروكيميائية فقط.
2. القدرة على تفريغ الطاقة بمعدل أعلى من البطاريات حيث أن طبقة الشحنات المزدوجة تعمل على تفريغ طاقتها في وقت قصير. وأيضًا آلية إقحام الأيونات والإلكترونات تولد تيار كهربي نتيجة حركة الجسيمات السريعة. تلك من أهم مميزات المكثفات الفائقة مما جعل العلماء يعملون على تطويرها لاستخدامها في مكابح السيارات الكهربية وغيرها من الأجهزة الكهربية الحديثة.
3. يمكن إعادة شحن الأجهزة آلاف المرات دون أي فقد في السعة التخزينة أو معدل التفريغ.

ما تطبيقات المكثفات الفائقة؟

يمكن استخدام المكثفات فائقة التوصيل في التطبيقات التي تتطلب شحن/تفريغ سريع للطاقة كمكابح السيارات الكهربية وأجهزة توليد الطاقة المتجددة ورادارات الطرق. بينما تُستخدم البطاريات في الأجهزة التي تتطلب توليد الطاقة على المدى الطويل كبطارية الهاتف المحمول والبطاريات المنزلية. وأيضا تُستخدم المكثفات الفائقة في التحكم في ضغط الكهرباء القطارات الكهربية  أثناء تخفيض سرعتها لتقليل استهلاك الطاقة [5].

ما التحديات التي تواجه المكثفات فائقة التوصيل؟

تستخدم المكثفات الفائقة على نطاق واسع في النقل والصناعة والجيش والإلكترونيات الاستهلاكية وغيرها من المجالات بسبب خصائصها الممتازة. ومع ذلك، فإن هذه الأجهزة بها بعض أوجه القصور. يتم وصف المشكلات الحالية التي تحتاج إلى حل بشكل أساسي في الجوانب الأربعة التالية [6] :

1. المشاكل الفنية للمكثفات الفائقة:

كثافة الطاقة للمكثفات الفائقة ليست عالية جدًا. في الوقت الحالي، لا تزال هناك فجوة معينة بين المكثفات الفائقة والبطاريات من حيث كثافات الطاقة. ولا تزال كيفية تحسين كثافة الطاقة هي محور البحث وصعوبته. يمكن تعزيز كثافة الطاقة عن طريق زيادة مساحة السطح الفعالة لمواد الأقطاب في المكثفات ذات الطبقة المزدوجة أو زيادة نافذة جهد التشغيل أو كليهما. يتم إجراء المزيد من الأبحاث لتطوير مواد جديدة ذات مساحة سطح عالية واستخدام إلكتروليتات عضوية مناسبة يمكن أن تتحمل نافذة جهد أكبر. إذا تمت معالجة هذه الامتدادات بشكل صحيح ، يمكن أن تصبح كثافة الطاقة للمكثفات الفائقة مماثلة للبطاريات.

2. كشف الثبات والاتساق:

نافذة الجهد للمكثف الفائق منخفض (أقل من 2.7 فولت)، الأمر الذي يتطلب الكثير من التوصيلات المتسلسلة للتطبيقات العملية. نظرًا للحاجة إلى شحن وتفريغ عاليين في التطبيقات، فإن الشحن الزائد له تأثير خطير على عمر المكثفات. فمن المهم جدًا ما إذا كانت الفولتية على المكثفات الفردية في السلسلة متسقة أم لا.

3.المعيار الصناعي:

كجهاز جديد لتخزين الطاقة، لا يمكن فصل التطوير الصحي للمكثفات الفائقة عن الصناعة والإشراف على السوق. تهدف مجموعة من الأنظمة القياسية التقنية إلى صياغة معايير الصناعة العملية، والمعايير الوطنية، وحتى المعايير الدولية. على سبيل المثال، المصطلحات وطريقة تسمية نموذج التصنيف وطريقة اختبار الأداء الكهربائي والمتطلبات الفنية للسلامة والمواصفات العامة ومواصفات مادة القطب الكهربائي ومواصفات الإلكتروليت وسلسلة مواصفات الشاحن والمتطلبات الفنية للإنتاج ومتطلبات النقل والاسترداد ويجب وضع متطلبات تدمير المكثفات الفائقة. وأيضًا معايير أخرى تهدف إلى توجيه وتوحيد صناعة المكثفات الفائقة لتحقيق هدف التخلص من إعادة التدوير الأخضر بتكلفة منخفضة. إنها وسيلة ضرورية لتعزيز التنمية الصحية للصناعة.

المراجع:

1. Science | Where Do Batteries End and Supercapacitors Begin? .
2. JEC| The History Of Supercapacitors
3. Chemical Reviews | Pseudocapacitance: From Fundamental Understanding to High Power Energy Storage Materials
4. Batteryuniversity | How does a Supercapacitor Work?
5. Encyclopedia | Supercapacitor Applications and Developments
6. APL Materials | Challenges and opportunities for supercapacitors