ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถเปลี่ยนแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้าได้หรือไม่?

รถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริดฝังรากลึกในจิตใจของผู้ขับขี่รถยนต์ยุคใหม่ในฐานะรอบใหม่ของวิวัฒนาการของยานยนต์ เมื่อเทียบกับรุ่นที่ติดตั้ง ICE แล้วยานพาหนะเหล่านี้มีข้อดีและข้อเสียในตัวเอง

ข้อดีมักจะรวมถึงการทำงานที่เงียบตลอดจนการไม่มีมลพิษระหว่างการขับขี่ (แม้ว่าในปัจจุบันการผลิตแบตเตอรี่หนึ่งก้อนสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าจะก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า 30 ปีในการใช้เครื่องยนต์ดีเซลเพียงครั้งเดียว)

ข้อเสียเปรียบหลักของยานยนต์ไฟฟ้าคือต้องชาร์จแบตเตอรี่ ด้วยเหตุนี้ผู้ผลิตรถยนต์ชั้นนำกำลังพัฒนาตัวเลือกต่างๆเพื่อเพิ่มอายุการใช้งานแบตเตอรี่และเพิ่มช่วงเวลาระหว่างการชาร์จ หนึ่งในตัวเลือกเหล่านี้คือการใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

พิจารณาเทคโนโลยีนี้โดยใช้ตัวอย่างของอุตสาหกรรมรถยนต์ใหม่ - Lamborghini Sian ข้อดีและข้อเสียของการพัฒนานี้คืออะไร?

ใหม่ในตลาดรถยนต์ไฟฟ้า

เมื่อ Lamborghini เริ่มเปิดตัวรถไฮบริด คุณสามารถมั่นใจได้ว่าจะไม่ใช่แค่ Toyota Prius เวอร์ชันที่ทรงพลังกว่าเท่านั้น

Sian ซึ่งเป็น บริษัท ผลิตไฟฟ้าสัญชาติอิตาลีเปิดตัวเป็นรถยนต์ไฮบริดรุ่นแรก (63 ปี) ที่ใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แทนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

นักฟิสิกส์และวิศวกรหลายคนเชื่อว่าสิ่งเหล่านี้เป็นกุญแจสำคัญในการเคลื่อนย้ายไฟฟ้าจำนวนมากไม่ใช่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เซียนใช้สิ่งเหล่านี้เพื่อกักเก็บไฟฟ้าและหากจำเป็นให้ป้อนเข้ากับมอเตอร์ไฟฟ้าขนาดเล็กของเขา

ข้อดีของ supercapacitors

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะชาร์จและปล่อยพลังงานได้เร็วกว่าแบตเตอรี่สมัยใหม่ส่วนใหญ่ นอกจากนี้ยังสามารถทนต่อประจุไฟฟ้าและรอบการคายประจุได้มากขึ้นโดยไม่สูญเสียความจุ

ในกรณีของเซียนซูเปอร์คาปาซิเตอร์ขับมอเตอร์ไฟฟ้าขนาด 25 กิโลวัตต์ที่ติดตั้งไว้ในกระปุกเกียร์ สามารถเพิ่มกำลังเพิ่มเติมให้กับเครื่องยนต์สันดาปภายใน V6,5 ขนาด 12 ลิตร 785 แรงม้าหรือขับรถสปอร์ตด้วยตัวเองในระหว่างการซ้อมรบความเร็วต่ำเช่นการจอดรถ

เนื่องจากการชาร์จเป็นไปอย่างรวดเร็วไฮบริดนี้จึงไม่จำเป็นต้องเสียบเข้ากับเต้ารับที่ผนังหรือแท่นชาร์จ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะชาร์จเต็มทุกครั้งที่เบรกรถ ลูกผสมของแบตเตอรี่ยังมีการกู้คืนพลังงานจากการเบรก แต่จะช้าและช่วยขยายช่วงไฟฟ้าได้เพียงบางส่วน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีไพ่เด็ดอีกอย่างคือน้ำหนัก ใน Lamborghini Sian ระบบทั้งหมด – มอเตอร์ไฟฟ้าและตัวเก็บประจุ – เพิ่มน้ำหนักเพียง 34 กิโลกรัม ในกรณีนี้กำลังที่เพิ่มขึ้นคือ 33,5 แรงม้า สำหรับการเปรียบเทียบ แบตเตอรี่ Renault Zoe เพียงอย่างเดียว (ที่มีกำลัง 136 แรงม้า) มีน้ำหนักประมาณ 400 กก.

ข้อเสียของ supercapacitors

แน่นอนว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ก็มีข้อเสียเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่เช่นกัน เมื่อเวลาผ่านไป พลังงานจะยิ่งสะสมมากขึ้น หาก Sian ไม่ได้ขี่ม้าเป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์ จะไม่มีพลังงานเหลืออยู่ในตัวเก็บประจุ แต่ยังมีวิธีแก้ไขปัญหานี้ที่เป็นไปได้ Lamborghini กำลังทำงานร่วมกับสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) เพื่อสร้างโมเดลพลังงานไฟฟ้าล้วนโดยใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ซึ่งเป็นแนวคิด Terzo Millenio (Third Millennium) อันโด่งดัง

BST

อย่างไรก็ตาม Lamborghini ซึ่งอยู่ภายใต้การอุปถัมภ์ของ Volkswagen Group ไม่ใช่บริษัทเดียวที่ทดลองในพื้นที่นี้ รถรุ่นไฮบริดของ Peugeot ใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มานานหลายปี เช่นเดียวกับรุ่นเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนของ Toyota และ Honda ผู้ผลิตจีนและเกาหลีกำลังติดตั้งในรถบัสและรถบรรทุกไฟฟ้า และเมื่อปีที่แล้ว Tesla ซื้อ Maxwell Electronics ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ผลิตซุปเปอร์คาปาซิเตอร์รายใหญ่ที่สุดของโลก ซึ่งเป็นสัญญาณที่แน่นอนว่า Elon Musk อย่างน้อยเชื่อมั่นในอนาคตของเทคโนโลยี

ข้อเท็จจริงสำคัญ 7 ประการในการทำความเข้าใจ supercapacitors

1 แบตเตอรี่ทำงานอย่างไร

เทคโนโลยีแบตเตอรี่เป็นหนึ่งในสิ่งที่เรามองข้ามไปโดยไม่ได้คำนึงถึงวิธีการทำงาน คนส่วนใหญ่มักจินตนาการว่าขณะชาร์จ เราเพียงแค่ "เท" ไฟฟ้าลงในแบตเตอรี่ เหมือนน้ำใส่แก้ว

แต่แบตเตอรี่ไม่ได้เก็บไฟฟ้าโดยตรง แต่จะสร้างขึ้นเมื่อจำเป็นจากปฏิกิริยาเคมีระหว่างขั้วไฟฟ้า XNUMX ขั้วกับของไหล (โดยทั่วไป) ซึ่งเรียกว่า อิเล็กโทรไลต์ ในปฏิกิริยานี้ สารเคมีในนั้นจะถูกแปลงเป็นอย่างอื่น ในระหว่างขั้นตอนนี้ กระแสไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้น เมื่อพวกมันถูกแปลงอย่างสมบูรณ์ ปฏิกิริยาจะหยุดลง - แบตเตอรี่จะหมด

อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้แบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ ปฏิกิริยาสามารถเกิดขึ้นในทิศทางตรงกันข้ามได้เช่นกัน เมื่อคุณชาร์จไฟ พลังงานจะเริ่มกระบวนการย้อนกลับ ซึ่งจะคืนค่าสารเคมีดั้งเดิม สิ่งนี้อาจเกิดขึ้นซ้ำเป็นร้อยเป็นพันครั้ง แต่ก็มีความสูญเสียอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เมื่อเวลาผ่านไป สารปรสิตจะก่อตัวขึ้นที่ขั้วไฟฟ้า ดังนั้นอายุการใช้งานแบตเตอรี่จึงจำกัด (โดยทั่วไปคือ 3000 ถึง 5000 รอบ)

2 ตัวเก็บประจุทำงานอย่างไร

ไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีเกิดขึ้นในคอนเดนเซอร์ ประจุบวกและลบถูกสร้างขึ้นโดยไฟฟ้าสถิตเท่านั้น ภายในตัวเก็บประจุมีแผ่นโลหะนำไฟฟ้าสองแผ่นคั่นด้วยวัสดุฉนวนที่เรียกว่าอิเล็กทริก

การชาร์จจะคล้ายกับการถูลูกบอลลงในเสื้อกันหนาวที่ทำด้วยผ้าขนสัตว์เพื่อให้มันเกาะด้วยไฟฟ้าสถิต ประจุบวกและลบสะสมอยู่ในแผ่นเปลือกโลกและตัวคั่นระหว่างพวกมันซึ่งป้องกันไม่ให้สัมผัสกันนั้นเป็นวิธีการกักเก็บพลังงาน ตัวเก็บประจุสามารถชาร์จและคายประจุได้แม้กระทั่งล้านครั้งโดยไม่สูญเสียความจุ

3 supercapacitors คืออะไร

ตัวเก็บประจุทั่วไปมีขนาดเล็กเกินไปที่จะเก็บพลังงาน - โดยปกติจะวัดเป็นไมโครฟารัด (ล้านฟารัด) นี่คือเหตุผลที่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี 1950 ในรุ่นอุตสาหกรรมที่ใหญ่ที่สุด ซึ่งผลิตโดยบริษัทต่างๆ เช่น Maxwell Technologies ความจุสูงถึงหลายพันฟารัด นั่นคือ 10-20% ของความจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

4 supercapacitors ทำงานอย่างไร

ซึ่งแตกต่างจากตัวเก็บประจุทั่วไปไม่มีอิเล็กทริก แต่แผ่นทั้งสองจะถูกแช่อยู่ในอิเล็กโทรไลต์และแยกออกจากกันด้วยชั้นฉนวนที่บางมาก ความจุของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เพิ่มขึ้นจริงเมื่อพื้นที่ของเพลตเหล่านี้เพิ่มขึ้นและระยะห่างระหว่างพวกมันลดลง เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิว ปัจจุบันมีการเคลือบด้วยวัสดุที่มีรูพรุน เช่น ท่อนาโนคาร์บอน ตัวคั่นสามารถหนาเพียงหนึ่งโมเลกุลด้วยชั้นของกราฟีน

เพื่อให้เข้าใจถึงความแตกต่างคุณควรคิดว่าไฟฟ้าเป็นน้ำ จากนั้นตัวเก็บประจุแบบธรรมดาจะเป็นเหมือนกระดาษเช็ดมือที่สามารถดูดซับได้ในปริมาณ จำกัด ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์คือฟองน้ำในครัวในตัวอย่าง

5 แบตเตอรี่: ข้อดีข้อเสีย

แบตเตอรี่มีข้อได้เปรียบที่สำคัญประการหนึ่ง นั่นคือความหนาแน่นของพลังงานสูง ซึ่งช่วยให้สามารถเก็บพลังงานในปริมาณที่ค่อนข้างมากไว้ในอ่างเก็บน้ำขนาดเล็ก

อย่างไรก็ตาม พวกมันยังมีข้อเสียมากมาย เช่น น้ำหนักมาก อายุการใช้งานจำกัด ชาร์จช้า และปล่อยพลังงานค่อนข้างช้า นอกจากนี้ยังใช้โลหะมีพิษและสารอันตรายอื่นๆ ในการผลิต แบตเตอรี่จะมีประสิทธิภาพในช่วงอุณหภูมิแคบๆ เท่านั้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องระบายความร้อนหรือให้ความร้อนบ่อยๆ เพื่อลดประสิทธิภาพที่สูง

6 Supercapacitors: ข้อดีและข้อเสีย

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีน้ำหนักเบากว่าแบตเตอรี่มาก อายุการใช้งานยาวนานกว่าอย่างหาที่เปรียบไม่ได้ ไม่ต้องใช้สารอันตรายใดๆ ชาร์จและปล่อยพลังงานได้แทบจะในทันที เนื่องจากแทบไม่มีความต้านทานภายใน จึงไม่ใช้พลังงานในการทำงาน - ประสิทธิภาพอยู่ที่ 97-98% ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทำงานโดยไม่มีการเบี่ยงเบนอย่างมีนัยสำคัญในช่วงตั้งแต่ -40 ถึง +65 องศาเซลเซียส

ข้อเสียคือเก็บพลังงานได้น้อยกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างมาก

7 เนื้อหาใหม่

แม้แต่ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ทันสมัยที่สุดก็ไม่สามารถเปลี่ยนแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้าได้อย่างสมบูรณ์ แต่นักวิทยาศาสตร์และ บริษัท เอกชนหลายแห่งกำลังดำเนินการปรับปรุง ตัวอย่างเช่นในสหราชอาณาจักร Superdielectrics กำลังทำงานกับวัสดุที่พัฒนาขึ้นสำหรับการผลิตคอนแทคเลนส์

Skeleton Technologies กำลังทำงานร่วมกับกราฟีนซึ่งเป็นคาร์บอนรูปแบบ allotropic ความหนา 100 ชั้น 1 อะตอมนั้นแข็งแกร่งกว่าเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงถึง 2000 เท่า และเพียง 32 กรัมของเหล็กก็สามารถครอบคลุมพื้นที่ XNUMX ตร.ม. บริษัทได้ติดตั้งแกรฟีนซูเปอร์คาปาซิเตอร์ในรถตู้ดีเซลทั่วไปและประหยัดเชื้อเพลิงได้ XNUMX%

แม้ว่าซูเปอร์คาปาซิเตอร์ยังไม่สามารถเปลี่ยนแบตเตอรี่ได้อย่างสมบูรณ์ แต่ในปัจจุบันก็มีแนวโน้มเชิงบวกในการพัฒนาเทคโนโลยีนี้

คำถามและคำตอบ:

supercapacitor ทำงานอย่างไร? มันทำงานในลักษณะเดียวกับตัวเก็บประจุความจุสูง ในนั้นไฟฟ้าสะสมเนื่องจากไฟฟ้าสถิตย์ในระหว่างการโพลาไรซ์ของอิเล็กโทรไลต์ แม้ว่าจะเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมี แต่ก็ไม่มีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้น

supercapacitor มีไว้เพื่ออะไร? ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ใช้สำหรับเก็บพลังงาน มอเตอร์สตาร์ท ในรถยนต์ไฮบริด โดยเป็นแหล่งของกระแสไฟระยะสั้น

supercapacitor แตกต่างจากแบตเตอรี่ประเภทต่างๆ อย่างไร? แบตเตอรี่สามารถผลิตไฟฟ้าได้เองโดยอาศัยปฏิกิริยาเคมี supercapacitor สะสมเฉพาะพลังงานที่ปล่อยออกมา

Supercapacitor ใช้ที่ไหน? ตัวเก็บประจุความจุต่ำใช้ในหน่วยแฟลช (คายประจุจนหมด) และในระบบใดๆ ที่ต้องการรอบการคายประจุ/การชาร์จจำนวนมาก