ما هو المكثف؟

قبل أن نصل إلى المكثفات الفائقة ، يجدر بنا أن نشرح بسرعة ما هو المكثف العادي للمساعدة في توضيح ما يجعل المكثفات الفائقة مميزة. إذا سبق لك أن نظرت إلى اللوحة الأم للكمبيوتر أو أي لوحة دائرة كهربائية تقريبًا ، فسترى هذه

المكونات الإلكترونية.
يخزن المكثف الكهرباء كمجال كهربائي ثابت . هذا هو نفس الشيء الذي يحدث عندما تمشي على سجادة مرتديًا الجوارب وتكوِّن شحنة كهربائية ، فقط لتفريغها عندما تلمس مقبض الباب. كنت تعمل كمكثف!داخل مكثف نموذجي ، ستجد موصلين مفصولين بمادة عازلة. تتراكم الشحنة الموجبة على أحد الموصلات والشحنة السالبة على الموصل الآخر. وبالتالي ، هناك مجال إلكتروستاتيكي بين الصفيحتين. هناك العديد من الطرق المختلفة لتصميم مكثف ، ولكن جميعها تحتوي على المكونات الأساسية لوحي شحن وعازل (عازل). يمكن أن يكون العازل هواء ، سيراميك ، زجاج ، فيلم بلاستيكي. سائل أو أي شيء آخر سيء في توصيل الكهرباء.

للمكثفات استخدامات عديدة في الإلكترونيات. في أجهزة الكمبيوتر والأنظمة الرقمية الأخرى ، يتأكدون من عدم فقدان المعلومات إذا كان هناك فقدان مؤقت للطاقة. تعمل أيضًا كمرشحات لتنظيف الاندفاعات الكهربائية التي قد تلحق الضرر بالإلكترونيات الحساسة.كيف تختلف المكثفات والبطارياتالمكثفات والبطاريات متشابهة بمعنى أنهما يستطيعان تخزين الطاقة الكهربائية ثم إطلاقها عند الحاجة. الفرق الكبير هو أن المكثفات تخزن الطاقة كمجال إلكتروستاتيكي ، بينما تستخدم البطاريات تفاعلًا كيميائيًا لتخزين الطاقة وإطلاقها لاحقًا.يوجد داخل البطارية طرفان (الأنود والكاثود) مع إلكتروليت بينهما. المنحل بالكهرباء هو مادة (عادة سائلة) تحتوي على أيونات. الأيونات عبارة عن ذرات أو جزيئات ذات شحنة كهربائية.

يوجد أيضًا فاصل داخل المنحل بالكهرباء يسمح فقط للأيونات بالمرور خلاله. عندما تقوم بشحن البطارية ، تنتقل الأيونات من أحد جوانب الفاصل إلى الجانب الآخر. يحدث العكس عند تفريغ البطارية. تخزن حركة الأيونات الكهرباء كيميائيًا أو تحول الطاقة الكيميائية المخزنة إلى تيار كهربائي.

الفرق الرئيسي بين المكثفات الفائقة والمكثفات العادية هو السعة.

هذا يعني فقط أن المكثفات الفائقة يمكنها تخزين مجال كهربائي أكبر بكثير من المكثفات العادية.في هذا الرسم البياني ، يمكنك أن ترى اختلافًا رئيسيًا آخر عندما يتعلق الأمر بالمكثفات الفائقة. مثل البطارية (وعلى عكس المكثف التقليدي) ، يحتوي المكثف الفائق على إلكتروليت. هذا يعني أنه يستخدم مبادئ التخزين الكهروستاتيكي والكهروكيميائي للاحتفاظ بشحنة كهربائية.

هذا تبسيط فادح ، والجوانب التقنية لهذا الأمر ستستغرق وقتًا أطول لتفسيرها. أهم شيء يجب معرفته عن المكثفات الفائقة هو أنها توفر نفس الخصائص العامة للمكثفات ، ولكنها يمكن أن توفر عدة أضعاف تخزين الطاقة وإيصال الطاقة للتصميم الكلاسيكي.إيجابيات وسلبيات المكثفات الفائقة تقدم المكثفات الفائقة مزايا عديدة تفوق ، على سبيل المثال ، بطاريات الليثيوم أيون. يمكن شحن المكثفات الفائقة بسرعة أكبر بكثير من البطاريات.

 تولد العملية الكهروكيميائية حرارة ، وبالتالي يجب أن يتم الشحن بمعدل آمن لمنع حدوث عطل كارثي للبطارية. يمكن للمكثفات الفائقة أيضًا توصيل طاقتها المخزنة بسرعة أكبر بكثير من البطارية الكهروكيميائية لنفس السبب.

 إذا تم تفريغ البطارية بسرعة كبيرة ، فقد يؤدي ذلك أيضًا إلى فشل ذريع.

تعتبر المكثفات الفائقة أيضًا أكثر متانة من البطاريات ، وخاصة بطاريات الليثيوم أيون. بينما تبدأ البطاريات التي تجدها في الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والسيارات الكهربائية في التلف بعد بضع مئات من دورات الشحن ، يمكن شحن المكثفات الفائقة وتفريغها بما يزيد عن مليون مرة دون أي تدهور. 

الشيء نفسه ينطبق على توصيل الجهد. 

قد توفر بطارية بجهد 12 فولت 11.4 فولت فقط في غضون سنوات قليلة ، ولكن المكثف الفائق سيوفر نفس الجهد بعد أكثر من عقد من الاستخدام.أكبر عيب مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون هو أن المكثفات الفائقة لا يمكنها تفريغ طاقتها المخزنة ببطء مثل بطارية الليثيوم أيون ، مما يجعلها غير مناسبة للتطبيقات التي يجب أن يمر فيها الجهاز لفترات طويلة دون شحن.لذلك ، كما كانت الأمور في وقت كتابة هذا التقرير ، فإن المكثفات الفائقة ليست بديلاً عن بطاريات الليثيوم أيون أو تقنيات البطاريات الأخرى ، ولكن هناك عددًا متزايدًا من الوظائف التي تعتبر المكثفات الفائقة مثالية لها.منتجات Supercapacitorربما تكون قد استخدمت منتجات تحتوي على مكثفات فائقة ولم تعرفها حتى. تم إنشاء المكثفات الفائقة الأولى في الخمسينيات من القرن الماضي بواسطة مهندس من شركة جنرال إلكتريك يُدعى هوارد بيكر. في عام 1978 ، صاغت شركة NEC اسم “supercapacitor” واستخدمت الجهاز كشكل من أشكال الطاقة الاحتياطية لذاكرة الكمبيوتر.

ستجدها اليوم في أجهزة الكمبيوتر المحمولة ووحدات GPS وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وفلاش الكاميرا والعديد من الأجهزة الإلكترونية الأخرى.

 استخدمت فلاشسيل كولمان مكثفًا فائقًا  بدلاً من البطارية. هذا يعني أنه يعمل بنصف المدة التي يعمل بها الطراز التقليدي الذي يعمل بالبطارية ، ولكن يتم شحنه في 90 ثانية بدلاً من ساعات.وبالمثل ، استخدم S-Pen في Samsung Galaxy Note 9 مكثفًا فائقًا لتشغيل الوظائف اللاسلكية للقلم. ستنفد الطاقة في بضع دقائق من الاستخدام الكثيف أو بعد 30 ثانية من وقت الانتظار ، لكن الأمر يستغرق 40 ثانية فقط لملئها مرة أخرى.

تجد المكثفات الفائقة مكانًا في عالم السيارات الهجينة والكهربائية أيضًا. إنها مثالية لالتقاط وإطلاق الطاقة من الكبح المتجدد ، وهو حمل ديناميكي قصير المدى. المركبات مثل حافلات النقل العام أو الترام مناسبة أيضًا للمكثفات الفائقة. إنهم يحتاجون فقط إلى طاقة كافية للوصول إلى المحطة التالية ، حيث سيتم شحنها مرة أخرى في ثوانٍ أو دقائق. 

نظرًا لأن المكثفات الفائقة لا تتآكل حقًا ، فإن دورة النقل العام الثابتة هذه منطقية جدًا للتكنولوجيا.هل المكثفات الفائقة هي مستقبل تخزين الطاقة؟مع الطريقة التي تجري بها الأبحاث حول المكثفات الفائقة ، يبدو من المحتمل أنه في يوم من الأيام سيكون لدينا بطاريات فائقة المكثفات. 

ستكون هذه الأجهزة التي تتمتع بمتانة وسرعة المكثفات الفائقة ، ولكن مع كثافة الطاقة ووقت التشغيل الطويل للبطاريات. في عام 2016 ، ابتكر علماء من جامعة سنترال فلوريدا نموذجًا أوليًا  مكثفًا فائقًا مرنًا بكثافة طاقة أعلى من المكثفات الفائقة الحالية ودورة شحن 30000 بدون تدهور.

تشير جميع المواد الجديدة على المقياس النانوي والتجارب مع الجرافين إلى إمكانية وجود مكثفات فائقة ذات كثافة طاقة أعلى بكثير. حتى لو لم تتطابق أبدًا مع بطاريات الليثيوم أيون ، فإن كمية الشحن القابلة للاستخدام ، إلى جانب وقت إعادة الشحن السريع يمكن أن تضعها في أماكن تشغل فيها البطاريات دورًا حاليًا.ثم مرة أخرى ، هناك تقنيات أخرى تتنافس مع المكثفات الفائقة. 

وأهمها بطارية الحالة الصلبة الأسطورية وبطاريات الليثيوم أيون التقليدية المليئة بالجرافين والتي أظهرت نتائج واعدة أيضًا.

 بغض النظر عن أي تقنية سريعة الشحن ومتينة وكثيفة الطاقة تفوز بالسباق ، فسنكون جميعًا فائزين.