קבל-על: מה זה, היכן להשתמש וכיצד להשתמש בו כמקור מתח DC

קבלי-על הם סוג חדש של מקורות הקרובים לקבלים חזקים בתפקוד, ולמעשה - תופסת נישה בין קבלים ומקורות זרם קבוע. לא כולם יודעים מה זה. קבלי על, קבלים אולטרה מתכוונים לקבלי על. ייעוד בינלאומי EDLC - קבל חשמלי דו שכבתי, במעגלים החשמליים הוא מסומן כ-R1.

התייחסות היסטורית

בשנת 1957, גרסאות מוקדמות של קבלי-על פותחו על ידי מהנדסים בג'נרל אלקטריק, אך לא היו להם יישומים מסחריים בשל יעילותם הנמוכה. בשנת 1966, סטנדרד אויל גילה בטעות את אפקט הקבלים הדו-שכבתיים תוך כדי עבודה על תאי דלק, מה שאפשר לקבל-העל לתפקד ביעילות. החברה לא סיחרה את ההמצאה, אלא קיבלה רישיון ל-NEC. ב-1978 מכרה את הטכנולוגיה הזו כ"קבל-על" למחשבים. בברית המועצות, EDLCs הוצגו לראשונה בשנת 1978 בפרסום המגזין רדיו מס' 5 של סדרת KI1-1 עם קיבולת של 0.2 עד 50.0 F.

קבלי העל הראשונים עבור ציוד כבד נוצרו בשנת 1982 על ידי PRI Ultracapacitor. רק בשנות ה-90 חלה התקדמות בחומרים ובשיטות ייצור, מה שהוביל להגברת הפרודוקטיביות ולעלויות נמוכות יותר של קבלי-על. הם ממשיכים להתפתח ולעבור לטכנולוגיית סוללות תעשייתיות באמצעות אלקטרודות ואלקטרוליט מיוחדים.

מטרת המכשיר האלקטרוני

קבלי-על (EDLC) הם מכשירים אלקטרוניים המשמשים לאחסון כמויות גדולות ביותר של מטען חשמלי. הם ידועים גם כקבלי על, קבלים שכבה כפולה או קבלים אולטרה. במקום להשתמש בדיאלקטרי רגיל, EDLC משתמשת במנגנון לאגירת אנרגיה חשמלית - קבל דו-שכבתי. המשמעות היא שהם משלבים את העבודה של קבלים קונבנציונליים עם עבודה של סוללות קונבנציונליות. הקיבולת המושגת באמצעות טכנולוגיה זו יכולה להגיע עד 12,000 F. לשם השוואה, הקיבולת של כדור הארץ כולו היא רק כ-710 μF, שזה יותר מפי 15 מיליון פחות מהקיבולת של ה-EDLC.

בעוד שלקבל אלקטרוסטטי טיפוסי יכול להיות מתח הפעלה מרבי גבוה, מתח הטעינה המקסימלי הטיפוסי של EDLC הוא בין 2.5 ל-2.7 וולט. EDLCs הם מכשירים מקוטבים, כלומר עליהם להיות מחוברים למעגל בצורה נכונה, כמו קבלים אלקטרוליטים. התכונות החשמליות של מכשירים אלו, במיוחד זמני הטעינה והפריקה המהירים שלהם, מבטיחים מאוד עבור תעשיות רבות בהן הם יכולים להחליף סוללות לחלוטין.

עיצוב וחומרים של קבל-על

בואו נשקול את זה ביתר פירוט הוא קבל-על. העיצוב של EDLC דומה לזה של קבלים אלקטרוליטיים בכך שהוא מורכב משתי אלקטרודות נייר כסף, אלקטרוליט, מפריד ונייר כסף. המפריד נדחס בין אלקטרודות, נייר הכסף מגולגל או מקופל לצורה, בדרך כלל גלילית או מלבנית. תבנית מקופלת זו שוכנת במארז אטום הרמטית ספוג באלקטרוליט. האלקטרוליט בעיצוב ה-EDLC, כמו גם האלקטרודות, שונה מהאלקטרוליט המשמש בקבלים אלקטרוליטים קונבנציונליים.

כדי לשמר מטען חשמלי, EDLC משתמש בחומרים נקבוביים כמרווחים לאחסון יונים בנקבוביות ברמה האטומית. החומר הנפוץ ביותר ב-EDLCs מודרניים הוא פחם פעיל. העובדה שפחמן אינו מבודד טוב מגבילה את מתח ההפעלה המקסימלי ל-3 V.

פחם פעיל אינו חומר אידיאלי: נושאי מטען דומים בגודלם לנקבוביות חומר, וחלקם אינם יכולים לחדור לנקבוביות קטנות יותר, מה שמוביל לדליפות וירידה ביכולת אִחסוּן.

אחד החומרים היותר מעניינים בהם נעשה שימוש מחקר EDLC, הוא גרפן. זהו חומר המורכב מפחמן טהור ביריעת שטוחה בעובי אטום אחד בלבד. הוא נקבובי במיוחד ומתנהג כמו ספוג יוני. צפיפות האנרגיה המושגת עם גרפן ב-EDLC דומה לצפיפות האנרגיה המתקבלת בסוללות.

עם זאת, בעוד אבות טיפוס של גרפן EDLC נוצרו כהוכחה לקונספט עתידי, הם הם יקרים וקשים לייצור בקנה מידה תעשייתי, ומצב זה מאט משמעותית את השימוש בכך טכנולוגיות. למרות זאת, גרפן EDLC הוא המועמד המבטיח ביותר לטכנולוגיית קבלי-על עתידית.

יתרונות וחסרונות

בין היתרונות של המכשיר, יש להדגיש את הדברים הבאים:

1. זמן טעינה. ל-EDLC זמני טעינה ופריקה דומים לאלו של קבלים רגילים. בשל ההתנגדות הפנימית הנמוכה, ניתן להשיג זרמי טעינה ופריקה גבוהים. בדרך כלל לוקח עד מספר שעות להגיע לסוללה טעונה במלואה. לדוגמה, כמו סוללת טלפון סלולרי, בעוד ש-EDLC יכול להיטען בפחות משתי דקות.
2. כוח ספציפי. Battery Specific Capacity, או EDLC, הוא מדד המשמש להשוואת טכנולוגיות שונות מבחינת תפוקת הספק חלקי המשקל הכולל של המכשיר. למכשירי EDLC יש צפיפות הספק פי 5-10 מזו של סוללות. לדוגמה, בעוד שלסוללות ליתיום יון יש הספק ספציפי של 1-3 קילוואט/ק"ג, ההספק הספציפי של EDLC טיפוסי הוא כ-10 קילוואט/ק"ג. מאפיין זה חשוב במיוחד ביישומים הדורשים ניקוז מהיר של חשמל מהתקני אחסון.
3. כדאיות מחזור ובטיחות. סוללות EDLC בטוחות יותר מסוללות קונבנציונליות בטיפול לא נכון. בעוד שסוללות יכולות להתפוצץ עקב חום מוגזם בעת קצר, EDLCs לא מתחממים כל כך בגלל ההתנגדות הפנימית הנמוכה שלהם.
4. ניתן לטעון ולפרוק EDLC מיליוני פעמים ויש להם תוחלת חיים כמעט בלתי מוגבלת, בעוד שלסוללות יש חיי מחזור של פי 500 או פחות. זה הופך את EDLC לשימושי מאוד ביישומים שבהם נדרשים אחסון ושחרור אנרגיה תכופים.
5. ל-EDLC תוחלת חיים של 10 עד 20 שנים, כאשר הקיבולת יורדת מ-100% ל-80% במהלך 10 שנים.
6. הודות לעכבה המקבילה הנמוכה שלהם, EDLCs מספקים צפיפות הספק גבוהה וזרמי עומס גבוהים כדי להשיג טעינה כמעט מיידית תוך שניות. ביצועי הטמפרטורה הם גם חזקים, ומספקים אנרגיה עד -40 מעלות צלזיוס.

ל-EDLC יש כמה חסרונות:

1. אחד החסרונות הוא האנרגיה הספציפית הנמוכה יחסית. האנרגיה הספציפית של ה-EDLC היא מדד לכמות האנרגיה הכוללתמאוחסן במכשיר חלקי משקלו. בעוד שלסוללות ליתיום-יון הנפוצות בטלפונים סלולריים יש אנרגיה ספציפית של 100-200 וואט/ק"ג, מכשירי EDLC יכולים לאחסן רק 5 ואט/ק"ג. המשמעות היא ש-EDLC בעל קיבולת זהה לסוללה רגילה ישקול פי 40 יותר.
2. מתח פריקה ליניארי. לדוגמה, סוללה עם מתח נומינלי של 2.7 וולט, כאשר בטעינה של 50% עדיין ייצא מתח קרוב ל-2.7 וולט. EDLC מדורג ב-2.7V בטעינה של 50% מספק בדיוק חצי מהטעינה המקסימלית שלו של 1.35V. המשמעות היא שמתח המוצא יירד מתחת למתח ההפעלה המינימלי של ההתקן המופעל על ידי EDLC, והוא חייב לכבות לפני שימוש בכל המטען בקבל. הפתרון לבעיה זו הוא להשתמש בממירי DC. עם זאת, גישה זו מציגה אתגרים חדשים כמו יעילות ורעש.
3. הם לא יכולים לשמש כספק כוח קבוע. תא אחד הוא בדרך כלל 2.7 וולט ואם נדרש מתח גבוה יותר, התאים חייבים להיות מחוברים בסדרה.
4. העלות של EDLCs קונבנציונליים גבוהה פי 20 מזו של סוללות Li-ion. עם זאת, ניתן לצמצם אותו עקב טכנולוגיות חדשות וייצור המוני של קבלי-על.

יישום תעשייתי

מכיוון שמכשירי EDLC תופסים את השטח שבין סוללות וקבלים, ניתן להשתמש בהם במגוון רחב של יישומים. היכן נעשה שימוש בקבל העל ניתן להניח על סמך מטרתו. שימוש מעניין אחד הוא אגירת אנרגיה במערכות בלימה דינמיות בתעשיית הרכב. האם להשתמש גנרטור חשמלי, הממיר אנרגיה קינטית לאנרגיה חשמלית ומאחסן אותה ב-EDLC. לאחר מכן ניתן לעשות שימוש חוזר באנרגיה זו כדי לספק כוח האצה.

דוגמה נוספת היא יישומים בהספק נמוך שבהם אין צורך ברוחב פס גבוה, אך חשובים מחזור חיים גבוה או טעינה מהירה. היישומים כוללים פלאש צילום, נגני MP3, אחסון סטטי התקנים שדורשים מקור מתח קבוע בהספק נמוך כדי לשמור עליהם מידע וכו'.

יישומים עתידיים אפשריים עבור EDLC הם טלפונים סלולריים, מחשבים ניידים, רכבים חשמליים וכל שאר המכשירים הפועלים כעת על סוללות. היתרון המרגש ביותר, מנקודת מבט מעשית, הוא מהירות הטעינה המהירה מאוד שלהם - זה אומר יוכל להטעין מכונית חשמלית במטען למשך מספר דקות עד שהיא תיטען במלואה סוֹלְלָה.

EDLCs משמשים ביישומי ניהול חשמל רבים הדורשים מספר רב של מחזורי טעינה/פריקה מהירים כדי צרכים לטווח קצר באנרגיה. חלק מיישומים אלה משמשים בתחומים הבאים:

• ייצוב מתח במערכות התחלה/עצירה;
• מנעולי דלת אלקטרוניים במקרה של הפסקות חשמל;
• מערכות בלימה רגנרטיביות;
• שבב הפצה;
• ציוד רפואי;
• מצברי אנרגיה;
• מוצרי אלקטרוניקה;
• מוצרי חשמל למטבח;
• גיבוי נתונים של שעון בזמן אמת;
• כוח המתנה;
• אנרגיית רוח:
• יעילות אנרגטית וויסות תדרים;
• ספק כוח מרחוק עבור חיישנים, נוריות, מתגים;
• זיכרון גיבוי;
• ספק כוח במצב פרץ.

כיווני פיתוח של קבלי-על

פיתוחים מבטיחים חדשים של קבלי-על:

• קבלי-על של Graphene Skeleton Technology יהיו שחקני מפתח ב-EDLC. בניסויים חדשים בצי התחבורה הבריטי, הם משמשים להמרת מכוניות דיזל להיברידיות באמצעות הכוח של בלימה רגנרטיבית. מערכת רכב היברידית שפותחה על ידי Adgero ושלד טכנולוגיות שנקרא UltraBoost. במהלך בלימה, המכשיר הופך לגנרטור, המשחזר אנרגיה קינטית שאחרת תאבד בצורה של גוף. בלב הטכנולוגיה הזו נמצא בנק של חמישה קבלי-על חזקים מבוססי גרפן הידועים בשם SkelMod.
• Zap & Go, סטארט-אפ בבריטניה, משיק סוג חדש של מטען במיוחד עבור נוסעים עסקיים. הוא משתמש בקבלי-על של גרפן כדי להטעין טלפונים למשך חמש דקות.
• Eaton מציעה פתרונות עבור קבלי-על בגודל מטבע, תאים גדולים, תאים גליליים קטנים ומודולים. לדוגמה, מודול Supercapacitor XLR 48V שלו מספק אחסון אנרגיה עבור מערכות טעינה/פריקה בתדרים גבוהים בהיברידיות או כלי רכב חשמליים, תחבורה ציבורית, ציוד לטיפול בחומרים, ציוד כבד וימי מערכות. מודולי XLR מורכבים מ-18 קבלי-על בודדים של Eaton XL60 המיועדים לספק 48, 6 וולט ו-166 F עם 5 mA לחיבור למערכות הדורשות עד 750 וולט.

• קבלי העל של מקסוול טכנולוגיות משמשים לאחסון אנרגיית בלימה רגנרטיבית במערכת הרכבת התחתית של בייג'ינג. China Railway Rolling Stock Corp. (CRRC - SRI) משתמש במודולי Maxwell 48 - V בשתי סטים של התקני התחדשות חיסכון באנרגיה בלימה לקו מס' 8 של המערכת, רשת רכבות עירונית העוברת מצפון לדרום דרך הבירה חרסינה. מודולי Maxwell עם 48V מספקים חיי שירות ארוכים של עד 10 שנים וטעינה/פריקה מהירה. Vishay מציע 220 EDLC ENYCAP עם מתח נקוב של 2.7 וולט. זה יכול לשמש ביישומים מרובים, כולל גיבוי כוח, תמיכה בנחשולים כוח, התקני אחסון אנרגיה לאיסוף אנרגיה, ספקי כוח מיקרו-UPS והתאוששות אֵנֶרְגִיָה.
• טכנולוגיה לינארית מציעה את LTC3350, בקר כוח המתנה שיכול לטעון ולשלוט ביחידה טורית של עד ארבעה קבלי-על. תוכנן עבור יישומי רכב ויישומי תחבורה אחרים, LTC3350 מציע את התכונות הבאות:
  • גיבוי מתח על ידי טעינת הבנק עד ארבעה קבלי-על במקרה של הפסקת חשמל. הוא יכול לפעול עם מתח כניסה של 4.5 עד 35 וולט ויותר מ-10 A של טעינת זרם המתנה.
  • איזון והגנה הגנת מתח יתר לסדרה של קבלי-על.
  • ניטור מתח, זרם וטמפרטורה במערכת.
  • מאזני מתח פנימיים של קבלים המבטלים את הצורך בנגדי איזון.

מפתחי קבלי העל מנסים כל העת לחדש אותם ולהגדיל את הקיבולת הספציפית שלהם. ברור שבעתיד סוללות יחליפו לחלוטין את קבלי העל. תוצאות מחקר של מדענים מקליפורניה הראו שהסוג החדש של יוניסטורים כבר עדיף פי כמה בפונקציונליות על מקביליו.