ซูเปอร์คาปาซิเตอร์

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ ( SC ) หรือที่เรียกว่าอัลตร้าคาปาซิเตอร์เป็นคาปาซิเตอร์ที่มีความจุสูงมี ค่า ความจุสูงกว่าคาปาซิเตอร์แบบโซลิดสเตทมาก แต่มี ขีดจำกัด แรงดันไฟฟ้า ต่ำกว่า มันเชื่อมช่องว่างระหว่างคาปาซิเตอร์แบบอิเล็กโทรไลต์และแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ โดยทั่วไปแล้วจะเก็บ พลังงานได้มากกว่าคาปาซิเตอร์แบบอิเล็กโทรไลต์ 10 ถึง 100 เท่าต่อ หน่วยมวล หรือพลังงานต่อหน่วยปริมาตรสามารถรับและจ่ายประจุได้เร็วกว่าแบตเตอรี่มาก และทนต่อรอบการชาร์จและการคายประจุได้ มากกว่า แบตเตอรี่แบบชาร์จได้^[¹^]

แตกต่างจากตัวเก็บประจุทั่วไป ตัวเก็บประจุยิ่งยวดไม่ได้ใช้ไดอิเล็กทริก แข็งแบบทั่วไป แต่ใช้ความจุแบบชั้นคู่ไฟฟ้าสถิต และความจุเทียมทาง เคมีไฟฟ้า [ ²^{] ซึ่งทั้งสองอย่างนี้มีส่วนช่วยใน}^การเก็บพลังงานทั้งหมดของตัวเก็บประจุ

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ใช้ในแอปพลิเคชันที่ต้องการรอบการชาร์จ/คายประจุอย่างรวดเร็วจำนวนมาก แทนที่จะเป็นการจัดเก็บพลังงานขนาดกะทัดรัดในระยะยาว: ในรถยนต์ รถบัส รถไฟ เครน และลิฟต์ จะใช้สำหรับการเบรกแบบสร้าง พลังงานกลับคืน การจัดเก็บพลังงานระยะสั้น หรือการจ่ายพลังงานแบบระเบิด^{[ 3 ]}หน่วยขนาดเล็กกว่าจะใช้เป็นแหล่งพลังงานสำรองสำหรับหน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่มคงที่ (SRAM)

พื้นหลัง

กลไกการกักเก็บประจุไฟฟ้าเคมีในตัวกลางของแข็งสามารถแบ่งออกได้คร่าวๆ (โดยมีการทับซ้อนกันบ้าง) เป็น 3 ประเภท:

ตัวเก็บประจุแบบสองชั้นไฟฟ้าสถิต ( EDLCs ) ใช้ขั้วไฟฟ้า คาร์บอน หรืออนุพันธ์ที่มีความจุสองชั้นไฟฟ้าสถิตสูงกว่าความจุเทียมทางเคมีไฟฟ้ามาก ทำให้เกิดการแยกประจุในชั้นคู่เฮล์มโฮลทซ์ที่ส่วนต่อประสานระหว่างพื้นผิวของขั้วไฟฟ้าตัวนำและอิเล็กโทรไลต์การแยกประจุอยู่ในระดับไม่กี่อังสตรอม (0.3–0.8 นาโนเมตร ) ซึ่งเล็กกว่าในตัวเก็บประจุทั่วไปมาก ประจุไฟฟ้าใน EDLCs จะถูกเก็บไว้ในส่วนต่อประสานสองมิติ (พื้นผิว) ของตัวนำอิเล็กตรอน (เช่น อนุภาคคาร์บอน) และตัวนำไอออน ( สารละลายอิ เล็กโทรไลต์ )
แบตเตอรี่ที่มีวัสดุอิเล็กโทรแอคทีฟแข็งจะเก็บประจุไว้ในเฟสของแข็งจำนวนมากโดยอาศัยปฏิกิริยาเคมี รีดอก ซ์^[⁴^]
ซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบอิเล็กโทรเคมี (ECSCs) อยู่ระหว่างตัวเก็บประจุแบบสองชั้น (EDLCs) และแบตเตอรี่ ECSCs ใช้ อิเล็กโทรด ที่เป็นโลหะออกไซด์หรือ พอลิเมอร์ นำไฟฟ้าที่มีความจุเทียมแบบอิเล็กโทรเคมีสูง นอกเหนือจากความจุของชั้นคู่ ความจุเทียมนี้เกิดขึ้นได้จากการถ่ายโอนประจุ อิเล็กตรอน แบบฟา ราเดย์ ร่วมกับปฏิกิริยาออกซิเดชัน - รีดักชัน การแทรกตัวหรือการดูดซับทางไฟฟ้า

ในตัวเก็บประจุ แบบโซลิดสเตท ประจุเคลื่อนที่ได้คืออิเล็กตรอนและช่องว่างระหว่างขั้วไฟฟ้าคือชั้นของฉนวนใน ตัวเก็บประจุ แบบสองชั้น ทางเคมีไฟฟ้า ประจุเคลื่อนที่ได้คือไอออนที่ละลายอยู่ในตัวทำละลาย ( แคตไอออนและแอนไอออน ) และความหนาที่มีประสิทธิภาพจะถูกกำหนดบนขั้วไฟฟ้าแต่ละขั้วโดย โครงสร้าง สองชั้นทางเคมีไฟฟ้า ของมัน ในแบตเตอรี่ประจุจะถูกเก็บไว้ในปริมาตรของเฟสของแข็ง ซึ่งมีการนำ ไฟฟ้าทั้ง อิเล็กตรอนและไอออน ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ทางเคมีไฟฟ้า กลไกการเก็บประจุจะผสมผสานกลไกของสองชั้นและแบตเตอรี่ หรือใช้กลไกที่อยู่ระหว่างสองชั้นที่แท้จริงและแบตเตอรี่ที่แท้จริง

ประวัติศาสตร์

ในช่วงต้นทศวรรษ 1950 วิศวกร ของ General Electricเริ่มทดลองใช้อิเล็กโทรดคาร์บอนพรุนในการออกแบบตัวเก็บประจุ โดยเริ่มจากการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงและแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ถ่านกัมมันต์เป็นตัวนำไฟฟ้าที่มีรูพรุนสูงมาก มีลักษณะคล้ายฟองน้ำ และมีพื้นที่ผิวจำเพาะ สูง ในปี 1957 H. Becker ได้พัฒนา "ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แรงดันต่ำที่มีอิเล็กโทรดคาร์บอนพรุน" ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}เขาเชื่อว่าพลังงานจะถูกเก็บไว้ในรูปของประจุในรูพรุนของคาร์บอน เช่นเดียวกับในรูพรุนของฟอยล์ที่กัดกร่อนของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ เนื่องจากในขณะนั้นเขายังไม่ทราบกลไกของชั้นคู่ เขาจึงเขียนไว้ในสิทธิบัตรว่า "ยังไม่ทราบแน่ชัดว่าเกิดอะไรขึ้นในส่วนประกอบหากนำไปใช้ในการจัดเก็บพลังงาน แต่ส่งผลให้มีความจุสูงมาก"

บริษัท General Electric ไม่ได้ดำเนินการต่อในทันที ในปี 1966 นักวิจัยที่Standard Oil of Ohio (SOHIO) ได้พัฒนาส่วนประกอบเวอร์ชันอื่นในชื่อ "อุปกรณ์จัดเก็บพลังงานไฟฟ้า" ในขณะที่กำลังทำงานเกี่ยวกับการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิง แบบทดลอง ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}ลักษณะของการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมีไม่ได้ถูกอธิบายไว้ในสิทธิบัตรนี้ แม้กระทั่งในปี 1970 ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีที่จดสิทธิบัตรโดย Donald L. Boos ก็ได้รับการจดทะเบียนเป็นตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ที่มีอิเล็กโทรดคาร์บอนกัมมันต์^{[ 10 ]}

ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีรุ่นแรกๆ ใช้แผ่นฟอยล์อะลูมิเนียมสองแผ่นที่เคลือบด้วยถ่านกัมมันต์ (ขั้วไฟฟ้า) ซึ่งแช่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์และคั่นด้วยฉนวนพรุนบางๆ การออกแบบนี้ทำให้ได้ตัวเก็บประจุที่มีความจุประมาณหนึ่งฟารัดซึ่งสูงกว่าตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ที่มีขนาดเท่ากันอย่างมาก การออกแบบเชิงกลพื้นฐานนี้ยังคงเป็นพื้นฐานของตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีส่วนใหญ่ในปัจจุบัน

SOHIO ไม่ได้นำสิ่งประดิษฐ์ของตนไปใช้ในเชิงพาณิชย์ แต่ได้อนุญาตให้ NECใช้เทคโนโลยีดังกล่าวซึ่งในที่สุดก็ได้นำผลลัพธ์ไปวางจำหน่ายในชื่อ "ซูเปอร์คาปาซิเตอร์" ในปี 1978 เพื่อใช้เป็นพลังงานสำรองสำหรับหน่วยความจำคอมพิวเตอร์^{[ 9 ]}

ระหว่างปี 1975 ถึง 1980 Brian Evans Conwayได้ทำการวิจัยพื้นฐานและพัฒนา ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมี รูทีเนียมออกไซด์ อย่างกว้างขวาง ในปี 1991 เขาได้อธิบายความแตกต่างระหว่างพฤติกรรมของ "ซูเปอร์คาปาซิเตอร์" และ "แบตเตอรี่" ในการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมี ในปี 1999 เขาได้กำหนดคำว่า "ซูเปอร์คาปาซิเตอร์" เพื่ออ้างถึงการเพิ่มขึ้นของความจุที่สังเกตได้จากปฏิกิริยารีดอกซ์บนพื้นผิวด้วยการถ่ายโอนประจุแบบฟาราเดย์ระหว่างอิเล็กโทรดและไอออน^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} "ซูเปอร์คาปาซิเตอร์" ของเขาเก็บประจุไฟฟ้าบางส่วนไว้ในชั้นคู่เฮล์มโฮลทซ์ และบางส่วนเป็นผลมาจากปฏิกิริยาฟาราเดย์ด้วยการถ่ายโอนประจุแบบ "ซูโดคาปาซิแทนซ์" ของอิเล็กตรอนและโปรตอนระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ กลไกการทำงานของซูโดคาปาซิเตอร์ ได้แก่ ปฏิกิริยารีดอกซ์การแทรกตัวและการดูดซับด้วยไฟฟ้า (การดูดซับบนพื้นผิว) ด้วยงานวิจัยของเขา Conway ได้ขยายความรู้เกี่ยวกับตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีอย่างมาก

ตลาดขยายตัวอย่างช้าๆ สถานการณ์เปลี่ยนไปราวปี 1978 เมื่อพานาโซนิคทำการตลาดแบรนด์ Goldcaps ^{[ 13 ]}ผลิตภัณฑ์นี้กลายเป็นแหล่งพลังงานที่ประสบความสำเร็จสำหรับแอปพลิเคชันสำรองข้อมูลหน่วยความจำ^{[ 9 ]}การแข่งขันเริ่มขึ้นในอีกหลายปีต่อมา ในปี 1987 ELNA "Dynacap" เข้าสู่ตลาด^{[ 14 ]} EDLC รุ่นแรกมีความต้านทานภายใน ค่อนข้างสูง ซึ่งจำกัดกระแสการคายประจุ จึงถูกนำไปใช้ในแอปพลิเคชันกระแสต่ำ เช่น การจ่ายไฟให้กับ ชิป SRAMหรือสำหรับการสำรองข้อมูล

ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 วัสดุอิเล็กโทรดที่ได้รับการปรับปรุงทำให้ค่าความจุเพิ่มขึ้น ในขณะเดียวกัน การพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ที่มีการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้นทำให้ความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า (ESR) ลดลง ส่งผลให้กระแสการชาร์จ/คายประจุเพิ่มขึ้น ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ตัวแรกที่มีความต้านทานภายในต่ำได้รับการพัฒนาขึ้นในปี 1982 สำหรับการใช้งานทางทหารโดยสถาบันวิจัยพินนาเคิล (PRI) และวางจำหน่ายภายใต้ชื่อแบรนด์ "PRI Ultracapacitor" ในปี 1992 ห้องปฏิบัติการแม็กซ์เวลล์ (ต่อมาคือแม็กซ์เวลล์ เทคโนโลยีส์ ) ได้รับช่วงการพัฒนาต่อ แม็กซ์เวลล์นำคำว่า Ultracapacitor มาจาก PRI และเรียกพวกมันว่า "Boost Caps" ^{[ 15 ]}เพื่อเน้นย้ำการใช้งานสำหรับการใช้งานด้านพลังงาน

เนื่องจากปริมาณพลังงานของตัวเก็บประจุเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของแรงดันไฟฟ้า นักวิจัยจึงมองหาวิธีที่จะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าพังทลาย ของอิเล็กโทรไลต์ ในปี 1994 David A. Evans ได้พัฒนา "ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีแบบไฮบริดอิเล็กโทรไลต์" โดยใช้ ขั้วบวก ของตัวเก็บประจุอิเล็กโทร ไลต์แทนทาลัม แรงดันสูง200 V ^[¹⁶^]^[¹⁷^]ตัวเก็บประจุเหล่านี้รวมคุณสมบัติของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์และตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีเข้าด้วยกัน โดยรวมความแข็งแรงของไดอิเล็กตริก สูง ของขั้วบวกจากตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์เข้ากับความจุสูงของขั้ว แคโทดโลหะ ออกไซด์แบบซูโดคาปาซิทีฟ ( รูทีเนียม (IV) ออกไซด์) จากตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมี ทำให้ได้ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีแบบไฮบริด ตัวเก็บประจุของ Evans ซึ่งเรียกว่า Capattery ^[¹⁸^]มีปริมาณพลังงานสูงกว่าตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แทนทาลัมที่มีขนาดเดียวกันประมาณ 5 เท่า^[¹⁹^]ต้นทุนที่สูงทำให้จำกัดการใช้งานเฉพาะในด้านการทหารเท่านั้น

การพัฒนาล่าสุดได้แก่ตัวเก็บประจุลิเธียมไอออนตัวเก็บประจุแบบไฮบริดเหล่านี้ได้รับการบุกเบิกโดยFDK ของFujitsu ในปี 2550 ^{[ 20 ]}โดยเป็นการรวมอิเล็กโทรดคาร์บอนไฟฟ้าสถิตเข้ากับอิเล็กโทรดเคมีไฟฟ้าลิเธียมไอออนที่ผ่านการโดปไว้ล่วงหน้า การรวมกันนี้ช่วยเพิ่มค่าความจุ นอกจากนี้ กระบวนการโดปไว้ล่วงหน้ายังช่วยลดศักยภาพของขั้วบวกและส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าขาออกของเซลล์สูงขึ้น ซึ่งช่วยเพิ่มพลังงานจำเพาะได้อีกด้วย

แผนกวิจัยที่ดำเนินงานในหลายบริษัทและมหาวิทยาลัย^{[ 21 ]}กำลังดำเนินการเพื่อปรับปรุงคุณลักษณะต่างๆ เช่น พลังงานจำเพาะ กำลังจำเพาะ และความเสถียรของวงจร และเพื่อลดต้นทุนการผลิต

ออกแบบ

การออกแบบพื้นฐาน

ตัวเก็บ ประจุไฟฟ้าเคมี (ซูเปอร์คาปาซิเตอร์) ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าสองขั้วที่คั่นด้วยเยื่อที่ยอมให้ไอออนผ่านได้ ( ตัวคั่น ) และอิเล็กโทรไลต์ที่เชื่อมต่อขั้วไฟฟ้าทั้งสองเข้าด้วยกัน เมื่อขั้วไฟฟ้าถูกทำให้เกิดขั้วด้วยแรงดันไฟฟ้า ไอออนในอิเล็กโทรไลต์จะก่อตัวเป็นชั้นไฟฟ้าคู่ที่มีขั้วตรงข้ามกับขั้วของขั้วไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ขั้วไฟฟ้าที่มีขั้วบวกจะมีชั้นของไอออนลบอยู่ที่ส่วนต่อประสานระหว่างขั้วไฟฟ้ากับอิเล็กโทรไลต์ พร้อมกับชั้นปรับสมดุลประจุของไอออนบวกที่ดูดซับอยู่บนชั้นลบ ในทางกลับกัน ขั้วไฟฟ้าที่มีขั้วลบจะมีลักษณะตรงกันข้าม

นอกจากนี้ ขึ้นอยู่กับวัสดุของอิเล็กโทรดและรูปร่างของพื้นผิว ไอออนบางส่วนอาจแทรกซึมผ่านชั้นคู่กลายเป็น ไอออน ที่ถูกดูดซับ โดยเฉพาะ และมีส่วนช่วยสร้างความจุเทียม (pseudocapacitance) ให้กับความจุรวมของซูเปอร์คาปาซิเตอร์

การกระจายความจุ

ขั้วไฟฟ้าทั้งสองก่อให้เกิดวงจรอนุกรมของตัวเก็บประจุสองตัวแยกกัน $C_{1}$ และ $C_{2}$ ความจุรวม $C_{\mathrm {total} }$ กำหนดโดยสูตร $C_{\mathrm {total} }={\frac {C_{1}\cdot C_{2}}{C_{1}+C_{2}}}.$

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์อาจมีขั้วไฟฟ้าแบบสมมาตรหรือแบบไม่สมมาตรก็ได้ แบบสมมาตรหมายความว่าขั้วไฟฟ้าทั้งสองมีค่าความจุเท่ากัน ทำให้ได้ค่าความจุรวมเป็นครึ่งหนึ่งของค่าความจุของขั้วไฟฟ้าแต่ละขั้ว (ถ้า⁠ $C_{1}=C_{2}$ แล้ว $\textstyle C_{\mathrm {total} }={1 \over 2}C_{1}$ สำหรับตัวเก็บประจุแบบ ไม่สมมาตร ความจุรวมสามารถถือได้ว่าเป็นความจุของขั้วไฟฟ้าที่มีความจุน้อยกว่า (ถ้า $C_{1}\gg C_{2}$ แล้ว $C_{\mathrm {total} }\approx C_{2}$ )

หลักการจัดเก็บ

ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีใช้ผลของชั้นคู่เพื่อเก็บพลังงานไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ชั้นคู่นี้ไม่มีไดอิเล็กทริกแข็งแบบดั้งเดิมเพื่อแยกประจุ มีหลักการจัดเก็บสองประการในชั้นคู่ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดที่ส่งผลต่อความจุรวมของตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมี: ^{[ 22 ]}

ความจุสองชั้นการเก็บพลังงานไฟฟ้าแบบไฟฟ้าสถิต ที่เกิดขึ้นจากการแยกประจุในชั้นคู่เฮล์มโฮลทซ์ ^{[ 23 ]}
ความจุเทียม (Pseudocapacitance)คือการเก็บพลังงานไฟฟ้าด้วยวิธีทางเคมีไฟฟ้า แบบดั้งเดิมใช้ปฏิกิริยารีดอกซ์แบบฟาราเดย์ร่วม กับการถ่ายโอนประจุ^{[ 15 ]}

ความจุทั้งสองชนิดสามารถแยกแยะได้ด้วยวิธีการวัดเท่านั้น ปริมาณประจุที่เก็บไว้ต่อหน่วยแรงดันไฟฟ้าในตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีนั้นขึ้นอยู่กับขนาดของอิเล็กโทรดเป็นหลัก แม้ว่าปริมาณความจุของหลักการจัดเก็บแต่ละแบบจะแตกต่างกันอย่างมากก็ตาม

ความจุไฟฟ้าสองชั้น

ภาพแสดงโครงสร้างอย่างง่ายของชั้นคู่ของไอออนลบในอิเล็กโทรดและไอออนบวกที่ละลายอยู่ในอิเล็กโทรไลต์เหลว โดยมีชั้นของโมเลกุลตัวทำละลายที่มีขั้วคั่นอยู่

ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีทุกตัวมีอิเล็กโทรดสองตัวที่แยกจากกันด้วยตัวคั่น ซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยไอออนผ่านอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลต์เป็นส่วนผสมของไอออนบวกและไอออนลบที่ละลายในตัวทำละลาย เช่น น้ำ ที่พื้นผิวอิเล็กโทรดทั้งสองจะมีบริเวณที่อิเล็กโทรไลต์เหลวสัมผัสกับพื้นผิวโลหะที่เป็นตัวนำของอิเล็กโทรด อินเทอร์เฟซนี้ก่อให้เกิดขอบเขตทั่วไประหว่างสองเฟสของสสารที่แตกต่างกัน เช่น พื้นผิวอิเล็กโทรดที่เป็นของแข็งที่ไม่ละลายและอิ เล็กโทรไลต์ เหลว ที่อยู่ติดกัน ในอินเทอร์เฟซนี้เกิดปรากฏการณ์พิเศษมากของ เอ ฟเฟกต์ชั้นคู่^{[ 24 ]}

การจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีทำให้ขั้วไฟฟ้าทั้งสองในตัวเก็บประจุสร้างชั้นไฟฟ้าคู่ (electrical double-layer) ขึ้น ชั้นไฟฟ้าคู่นี้ประกอบด้วยประจุสองชั้น ชั้นอิเล็กตรอนชั้นหนึ่งอยู่ในโครงสร้างแลตติซของพื้นผิวขั้วไฟฟ้า และอีกชั้นหนึ่งที่มีขั้วตรงข้ามเกิดจาก ไอออน ที่ละลายและ ถูกล้อมรอบด้วยตัว ทำละลายในอิเล็กโทรไลต์ สองชั้นนี้ถูกคั่นด้วยชั้น โมเลกุลของตัวทำละลายเพียงชั้นเดียว เช่น ในกรณีของน้ำ ตัวทำละลายคือโมเลกุลของน้ำ เรียกว่าระนาบเฮล์มโฮลทซ์ภายใน (inner Helmholtz plane: IHP) โมเลกุลของตัวทำละลายยึดเกาะโดยการดูดซับทางกายภาพบนพื้นผิวของขั้วไฟฟ้าและแยกไอออนที่มีขั้วตรงข้ามออกจากกัน และสามารถจำลองได้ว่าเป็นไดอิเล็กทริกโมเลกุล ในกระบวนการนี้ไม่มีการถ่ายโอนประจุระหว่างขั้วไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นแรงที่ทำให้เกิดการยึดเกาะจึงไม่ใช่พันธะเคมี แต่เป็นแรงทางกายภาพ เช่น แรงไฟฟ้าสถิต โมเลกุลที่ถูกดูดซับจะมีขั้ว แต่เนื่องจากไม่มีการถ่ายโอนประจุระหว่างอิเล็กโทรไลต์และขั้วไฟฟ้า จึงไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีใดๆ

ปริมาณประจุในอิเล็กโทรดจะเท่ากับขนาดของประจุตรงข้ามในระนาบเฮล์มโฮลทซ์ด้านนอก (OHP) ปรากฏการณ์ชั้นคู่ดังกล่าวจะเก็บประจุไฟฟ้าไว้เช่นเดียวกับตัวเก็บประจุทั่วไป ประจุในชั้นคู่จะสร้างสนามไฟฟ้าสถิตในชั้นโมเลกุลของตัวทำละลายใน IHP ซึ่งสอดคล้องกับความแรงของแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้าไป

โครงสร้างและหน้าที่ของตัวเก็บประจุแบบสองชั้นในอุดมคติ เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับตัวเก็บประจุที่ขั้วทั้งสอง จะเกิดชั้นคู่เฮล์มโฮลทซ์ขึ้น ซึ่งจะแยกไอออนในอิเล็กโทรไลต์ออกเป็นรูปแบบการกระจายประจุแบบสะท้อนกลับที่มีขั้วตรงข้ามกัน

ชั้นคู่ทำหน้าที่เสมือนชั้นไดอิเล็กทริกในตัวเก็บประจุแบบทั่วไป แม้ว่าจะมีความหนาเพียงโมเลกุลเดียวก็ตาม ดังนั้นจึงสามารถใช้สูตรมาตรฐานสำหรับตัวเก็บประจุแบบแผ่นทั่วไปในการคำนวณค่าความจุได้: ^{[ 25 ]} $C=\varepsilon {\frac {A}{d}}.$

ดังนั้น ค่าความจุ⁠ $C$ ค่านี้จะสูงที่สุดในตัวเก็บประจุที่ทำจากวัสดุที่มีค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าสูง $\varepsilon$ พื้นที่ผิวแผ่นอิเล็กโทรดขนาดใหญ่ $A$ และระยะห่างระหว่างแผ่นโลหะมีขนาดเล็ก $d$ ด้วยเหตุนี้ ตัวเก็บประจุแบบสองชั้นจึงมีค่าความจุสูงกว่าตัวเก็บประจุแบบทั่วไปมาก ซึ่งเป็นผลมาจากพื้นที่ผิวของอิเล็กโทรดคาร์บอนกั มมันต์ที่ใหญ่มาก และระยะห่างระหว่างชั้นคู่ที่บางมากในระดับไม่กี่อังสตรอม (0.3–0.8 นาโนเมตร ) อยู่ในระดับความยาวเดบาย^{[ 15 ]}^{[ 23 ]}

โดยสมมติว่าระยะห่างขั้นต่ำระหว่างอิเล็กโทรดและบริเวณสะสมประจุต้องไม่น้อยกว่าระยะห่างโดยทั่วไประหว่างประจุลบและประจุบวกในอะตอมของ~0.05 นาโนเมตรขีดจำกัดบนทั่วไปของค่าความจุ คาดการณ์ว่าตัวเก็บประจุแบบไม่ใช้ฟาราเดย์จะมีค่า~18 μF/ ^cm²^{[ 26 ]}

ข้อเสียหลักของอิเล็กโทรดคาร์บอนของซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบสองชั้นคือค่าความจุควอนตัม ที่น้อย ซึ่งทำงานแบบอนุกรม^[²⁷^]กับความจุของประจุไอออนในพื้นที่ดังนั้น การเพิ่มความหนาแน่นของความจุใน SCs เพิ่มเติมสามารถเชื่อมโยงกับการเพิ่มความจุควอนตัมของโครงสร้างนาโนอิเล็กโทรดคาร์บอนได้

ปริมาณประจุที่เก็บไว้ต่อหน่วยแรงดันไฟฟ้าในตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีนั้นขึ้นอยู่กับขนาดของอิเล็กโทรดเป็นหลัก การเก็บพลังงานไฟฟ้าสถิตในชั้นคู่มีความสัมพันธ์เชิงเส้นกับประจุที่เก็บไว้ และสอดคล้องกับความเข้มข้นของไอออนที่ถูกดูดซับ นอกจากนี้ ในขณะที่ประจุในตัวเก็บประจุแบบดั้งเดิมถูกถ่ายโอนผ่านอิเล็กตรอน ความจุในตัวเก็บประจุแบบชั้นคู่มีความสัมพันธ์กับความเร็วในการเคลื่อนที่ที่จำกัดของไอออนในอิเล็กโทรไลต์และโครงสร้างรูพรุนที่มีความต้านทานของอิเล็กโทรด เนื่องจากไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีเกิดขึ้นภายในอิเล็กโทรดหรืออิเล็กโทรไลต์ การชาร์จและการคายประจุของชั้นคู่ไฟฟ้าจึงไม่มีขีดจำกัดในทางทฤษฎี อายุการใช้งานของซูเปอร์คาปาซิเตอร์จริงนั้นถูกจำกัดด้วยผลกระทบจากการระเหยของอิเล็กโทรไลต์เท่านั้น

ความจุไฟฟ้าเทียมทางเคมีไฟฟ้า

ภาพแสดงโครงสร้างแบบง่ายของชั้นคู่ที่มีไอออนที่ถูกดูดซับไว้โดยเฉพาะ ซึ่งได้ส่งประจุไปยังอิเล็กโทรด เพื่ออธิบายการถ่ายโอนประจุแบบฟาราเดย์ของความจุเทียม

การใช้แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีจะทำให้ไอออนของอิเล็กโทรไลต์เคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้าที่มีขั้วตรงข้ามและก่อตัวเป็นชั้นคู่ซึ่งมีโมเลกุลของตัวทำละลาย ชั้นเดียว ทำหน้าที่เป็นตัวแยก ความจุเทียมสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อไอออนที่ถูกดูดซับเฉพาะจากอิเล็กโทรไลต์แทรกซึมผ่านชั้นคู่ ความจุเทียมนี้จะเก็บพลังงานไฟฟ้าโดยอาศัยปฏิกิริยารีดอกซ์แบบฟา ราเดย์ ที่ผันกลับได้ บนพื้นผิวของขั้วไฟฟ้าที่เหมาะสมในตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีที่มีชั้นคู่ไฟฟ้า^[¹¹^]^[²²^]^[²³^]^[²⁸^]^[²⁹^]ความจุเทียมเกิดขึ้นพร้อมกับการถ่ายโอนประจุ อิเล็กตรอนระหว่างอิเล็กโทรไลต์และขั้วไฟฟ้าที่มาจาก ไอออน ที่แยกตัวออกจากตัวทำละลายและถูกดูดซับ โดยมีอิเล็กตรอนเพียงหนึ่งตัวต่อหน่วยประจุเท่านั้นที่เข้าร่วม การถ่ายโอนประจุแบบฟาราเดย์นี้เกิดขึ้นจากลำดับที่รวดเร็วมากของ กระบวนการ รีดอกซ์ การแทรกตัวหรือการดูดซับด้วยไฟฟ้าที่ผันกลับได้ไอออนที่ถูกดูดซับไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีกับอะตอมของอิเล็กโทรด (ไม่มีพันธะเคมีเกิดขึ้น^[³⁰^] ) เนื่องจากมีเพียงการถ่ายโอนประจุเท่านั้นที่เกิดขึ้น

แผนภาพโวลต์แอมโมแกรมแบบวงจร(CV) แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างพื้นฐานระหว่างความจุไฟฟ้าสถิต (รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า) และความจุเทียม (เส้นโค้ง)

อิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องในกระบวนการฟาราเดย์จะถูกถ่ายโอนไปยังหรือจาก สถานะ อิเล็กตรอนวาเลนซ์ ( ออร์บิทัล ) ของสารรีเอเจนต์อิเล็กโทรดรีดอกซ์ พวกมันเข้าสู่อิเล็กโทรดลบและไหลผ่านวงจรภายนอกไปยังอิเล็กโทรดบวก ซึ่งมีการก่อตัวของชั้นคู่ที่สองที่มีจำนวนแอนไอออนเท่ากัน อิเล็กตรอนที่ไปถึงอิเล็กโทรดบวกจะไม่ถูกถ่ายโอนไปยังแอนไอออนที่ก่อตัวเป็นชั้นคู่ แต่จะยังคงอยู่ในไอออนโลหะทรานซิชันที่มีการแตกตัวเป็นไอออนอย่างรุนแรงและ "ต้องการอิเล็กตรอน" บนพื้นผิวของอิเล็กโทรด ดังนั้น ความจุในการเก็บประจุของฟาราเดย์ซูโดคาปาซิแตนซ์จึงถูกจำกัดด้วยปริมาณสารรีเอเจนต์ที่มีอยู่บนพื้นผิว อย่างจำกัด

ความจุเทียมแบบฟาราเดย์เกิดขึ้นพร้อมกับความจุสองชั้น แบบคงที่เท่านั้น และขนาดของมันอาจเกินค่าความจุสองชั้นสำหรับพื้นที่ผิวเดียวกันได้ถึง 100 เท่า ขึ้นอยู่กับลักษณะและโครงสร้างของอิเล็กโทรด เนื่องจากปฏิกิริยาความจุเทียมทั้งหมดเกิดขึ้นกับไอออนที่ปราศจากตัวทำละลายเท่านั้น ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าไอออนที่มีตัวทำละลายพร้อมเปลือกตัวทำละลายมาก^{[ 11 ]}^{[ 28 ]}ปริมาณของความจุเทียมมีฟังก์ชันเชิงเส้นภายในขอบเขตแคบๆ ที่กำหนดโดยระดับการปกคลุมพื้นผิวของแอนไอออนที่ดูดซับซึ่งขึ้นอยู่กับศักยภาพ

ความสามารถของอิเล็กโทรดในการสร้างเอฟเฟกต์ซูโดคาปาซิเตอร์โดยปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน การแทรกตัว หรือการดูดซับด้วยไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ทางเคมีของวัสดุอิเล็กโทรดกับไอออนที่ถูกดูดซับบนพื้นผิวอิเล็กโทรด ตลอดจนโครงสร้างและขนาดของรูพรุนของอิเล็กโทรด วัสดุที่แสดงพฤติกรรมออกซิเดชัน-รีดักชันสำหรับการใช้งานเป็นอิเล็กโทรดในซูโดคาปาซิเตอร์ ได้แก่ ออกไซด์ของโลหะทรานซิชัน เช่น , IrO₂ หรือ MnO₂ แทรกตัวโดยการในวัสดุอิเล็กโทรดนำไฟฟ้า เช่น ถ่านกัมมันต์ ตลอดจนพอลิเมอร์นำไฟฟ้า เช่นโพลีอะนิลีนหรืออนุพันธ์ของ โพลีไท โอฟีนที่เคลือบวัสดุอิเล็กโทรด

ปริมาณประจุไฟฟ้าที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุเทียมนั้นแปรผันตรงกับแรงดันไฟฟ้า ที่จ่ายเข้าไป หน่วยของตัวเก็บประจุเทียมคือฟารัดเช่นเดียวกับหน่วยของตัวเก็บประจุ

แม้ว่าวัสดุอิเล็กโทรดแบบแบตเตอรี่ทั่วไปจะใช้ปฏิกิริยาเคมีในการเก็บประจุเช่นกัน แต่ก็แสดงคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่แตกต่างกันมาก เนื่องจากอัตราการคายประจุถูกจำกัดด้วยความเร็วของการแพร่ การบดวัสดุเหล่านั้นให้เหลือขนาดนาโนเมตรจะทำให้วัสดุเหล่านั้นหลุดพ้นจากข้อจำกัดของการแพร่ และทำให้วัสดุเหล่านั้นมีพฤติกรรมคล้ายตัวเก็บประจุเทียมมากขึ้น ส่งผลให้พวกมันกลาย^ตัวเก็บประจุเทียมภายนอก Chodankar แสดงเส้นโค้งแรงดัน-ความจุที่เป็นตัวแทนสำหรับLiCoO2 ก้อน , LiCoO2 , ตัวเก็บประจุเทียมแบบรีดอกซ์ ( RuO2 ) และตัวเก็บประจุเทียมแบบแทรกสอด ( T − ) ^[³¹^]^:

ตัวเก็บประจุแบบไม่สมมาตร

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ยังสามารถสร้างขึ้นโดยใช้วัสดุและหลักการที่แตกต่างกันที่ขั้วไฟฟ้า หากวัสดุทั้งสองใช้ปฏิกิริยาแบบซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่รวดเร็ว (ความจุหรือความจุเทียม) ผลลัพธ์ที่ได้เรียกว่าคาปาซิเตอร์แบบไม่สมมาตร ขั้วไฟฟ้าทั้งสองมีศักย์ไฟฟ้าที่แตกต่างกัน เมื่อรวมกับการปรับสมดุลที่เหมาะสม ผลลัพธ์ที่ได้คือความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้นโดยไม่สูญเสียอายุการใช้งานหรือความจุของกระแสไฟฟ้า^{[ 31 ]}^{: 8}

ตัวเก็บประจุแบบไฮบริด

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์รุ่นใหม่จำนวนหนึ่งเป็นแบบ "ไฮบริด": มีเพียงอิเล็กโทรดเดียวที่ใช้ปฏิกิริยาเร็ว (ความจุหรือความจุเทียม) ส่วนอีกอิเล็กโทรดหนึ่งใช้วัสดุที่ "คล้ายแบตเตอรี่" มากกว่า (ช้ากว่าแต่มีความจุสูงกว่า) คาปาซิเตอร์ไฮบริดรวมจลนศาสตร์การชาร์จ/คายประจุอย่างรวดเร็วของคาปาซิเตอร์แบบสองชั้นไฟฟ้า (EDLC) เข้ากับความหนาแน่นพลังงานสูงของอิเล็กโทรดแบบความจุเทียมหรือแบบแบตเตอรี่ ระบบเหล่านี้เชื่อมช่องว่างระหว่างคาปาซิเตอร์แบบดั้งเดิมและแบตเตอรี่ ทำให้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการทั้งกำลังและความหนาแน่นของพลังงาน^{[ 32 ]}ตัวอย่างเช่น แอโนด EDLC สามารถรวมกับ แคโทด ถ่าน กัมมันต์ – Ni(OH) ซึ่งเป็นวัสดุฟาราเดย์ที่ช้า โปรไฟล์ CVและGCDของคาปาซิเตอร์ไฮบริดมีรูปร่างอยู่ระหว่างแบตเตอรี่และซูเปอร์คาปาซิเตอร์ คล้ายกับ SC มากกว่า คาปาซิเตอร์ไฮบริดมีความหนาแน่นพลังงานสูงกว่ามาก แต่มีอายุการใช้งานและกำลังกระแสไฟฟ้าต่ำกว่าเนื่องจากอิเล็กโทรดที่ช้ากว่า^{[ 31 ]}^{: 7}

การกระจายตัวที่เป็นไปได้

ลักษณะการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าของซูเปอร์คาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่ระหว่างการชาร์จ/คายประจุมีความแตกต่างกันอย่างชัดเจน

ตัวเก็บประจุแบบดั้งเดิม(หรือที่เรียกว่าตัวเก็บประจุไฟฟ้าสถิต) เช่นตัวเก็บประจุเซรามิกและตัวเก็บประจุฟิล์มประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าสองขั้วที่คั่นด้วย วัสดุ ไดอิเล็ก ทริก เมื่อประจุถูกชาร์จ พลังงานจะถูกเก็บไว้ในสนามไฟฟ้าสถิตที่แทรกซึมผ่านไดอิเล็กทริกระหว่างขั้วไฟฟ้า พลังงานทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณประจุที่เก็บไว้ ซึ่งสัมพันธ์กันเป็นเส้นตรงกับศักย์ไฟฟ้า (แรงดันไฟฟ้า) ระหว่างแผ่นตัวนำ ความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าสูงสุดระหว่างแผ่นตัวนำ (แรงดันไฟฟ้าสูงสุด) ถูกจำกัดโดยความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัว ของไดอิเล็ก ทริก การเก็บประจุไฟฟ้าสถิตแบบเดียวกันนี้ยังใช้ได้กับ ตัวเก็บ ประจุอิเล็กโทรไลต์ซึ่งศักย์ไฟฟ้าส่วนใหญ่จะลดลงเหนือชั้นออกไซด์บางๆ ของขั้วบวกอิ เล็กโทรไลต์เหลวที่มีความต้านทานเล็กน้อย ( ขั้วลบ ) ทำให้ศักย์ไฟฟ้าลดลงเล็กน้อยสำหรับตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์แบบ "เปียก" ในขณะที่ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ที่มีอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์นำไฟฟ้าที่เป็นของแข็ง การลดลงของ แรงดันไฟฟ้านี้แทบจะไม่มีนัยสำคัญ

ในทางตรงกันข้ามตัว เก็บ ประจุไฟฟ้าเคมี (ซูเปอร์คาปาซิเตอร์) ประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองตัวที่คั่นด้วยเยื่อที่ยอมให้ไอออนผ่านได้ (ตัวคั่น) และเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าผ่านอิเล็กโทรไลต์ การเก็บพลังงานเกิดขึ้นภายในชั้นคู่ของอิเล็กโทรดทั้งสองในรูปแบบของการผสมผสานระหว่างความจุของชั้นคู่และความจุเทียม เมื่ออิเล็กโทรดทั้งสองมีความต้านทาน ใกล้เคียงกัน ( ความต้านทานภายใน ) ศักย์ไฟฟ้าของตัวเก็บประจุจะลดลงอย่างสมมาตรในชั้นคู่ทั้งสอง ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า (ESR) ของอิเล็กโทรไลต์ สำหรับซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบไม่สมมาตร เช่น ตัวเก็บประจุแบบไฮบริด แรงดันตกคร่อมระหว่างอิเล็กโทรดอาจไม่สมมาตร ศักย์ไฟฟ้าสูงสุดที่ตกคร่อมตัวเก็บประจุ (แรงดันสูงสุด) ถูกจำกัดโดยแรงดันการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์

การกักเก็บพลังงานทั้งแบบไฟฟ้าสถิตและแบบเคมีไฟฟ้าในซูเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นเป็นแบบเชิงเส้นเมื่อเทียบกับประจุที่กักเก็บไว้ เช่นเดียวกับคาปาซิเตอร์ทั่วไป แรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วของคาปาซิเตอร์จะเป็นแบบเชิงเส้นเมื่อเทียบกับปริมาณพลังงานที่กักเก็บไว้ ความชันของแรงดันไฟฟ้าแบบเชิงเส้นนี้แตกต่างจากแบตเตอรี่เคมีไฟฟ้าแบบชาร์จได้ ซึ่งแรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วจะไม่ขึ้นอยู่กับปริมาณพลังงานที่กักเก็บไว้ ทำให้ได้แรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างคงที่

เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลอื่นๆ

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นคู่แข่งกับอิเล็กโทรไลติกคาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ โดยเฉพาะแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนตารางต่อไปนี้เปรียบเทียบพารามิเตอร์หลักของซูเปอร์คาปาซิเตอร์สามประเภทหลักกับอิเล็กโทรไลติกคาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่

เปรียบเทียบพารามิเตอร์ด้านประสิทธิภาพของซูเปอร์คาปาซิเตอร์กับคาปาซิเตอร์แบบอิเล็กโทรไลต์และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
ตัวเก็บประจุ	SCคืออะไร?	ช่วงอุณหภูมิ ( °C) (คำแนะนำ: องศาเซลเซียส )	แรงดันไฟฟ้าสูงสุด (V)	แรงดันไฟฟ้าต่ำสุด (V)	รอบการชาร์จ( × 1,000)	ค่าความจุ ( F : ฟารัด )	พลังงานจำเพาะ ( Wh:วัตต์-ชั่วโมง /กิโลกรัม)	กำลังจำเพาะ(วัตต์/กรัม)	ระยะเวลา การคายประจุเอง ที่ อุณหภูมิห้อง	ประสิทธิภาพ (%)	อายุการทำงานที่ อุณหภูมิห้อง( y )
ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียม	เลขที่	−40 – +125	4 – 630	0	∞	≤ 2.7	0.01 – 0.3	> 100	สั้น(วัน)	99%	> 20
ตัวเก็บประจุแบบสองชั้น(สำหรับสำรองข้อมูล)	ใช่	−40 – +70	1.2 – 3.3	0	100 – 1000	0.1 – 470	1.5 – 3.9	2 – 10	ปานกลาง(สัปดาห์)	95%	5 – 10
ตัวเก็บประจุเทียม		-20 – +70	2.2 – 3.3		100 – 1000	100 – 12,000	4 – 9	3 – 10	ปานกลาง(สัปดาห์)	95%	5 – 10
ไฮบริด (ลิเธียมไอออน) ^{[ 33 ]}^{[ 34 ]}^{[ 35 ]}^{[ 36 ]}		-20 – +65	3.8 – 4.0	2.5	10 – 500	3 – 3300	37	3 – 14	นาน(เดือน)	90%	5 – 10
NTGS EDLC ^{[ 37 ]} (การทดลอง)			~4.0		> 20		206	32
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน	เลขที่	-20 – +60	4.2	2.5	0.5 – 10	—	100 – 265	0.3 – 1.5	นาน(เดือน)	90%	3 – 5

ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์มีคุณสมบัติเด่นคือ รอบการชาร์จ/คายประจุแทบไม่จำกัด และมีความแข็งแรงทางไฟฟ้าสูง (สูงสุดถึง ตัวเก็บประจุยิ่งยวด (Supercapacitor) มีความต้านทาน กระแสสลับ (AC) สูง(550 V ) และตอบสนองความถี่ได้ดีในช่วงความถี่ต่ำ สามารถเก็บพลังงานได้มากกว่าตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ถึง 10-100 เท่า แต่ไม่รองรับการใช้งานกับกระแสสลับ (AC)

ในส่วนของแบตเตอรี่แบบชาร์จได้นั้น ซูเปอร์คาปาซิเตอร์มีกระแสสูงสุดสูงกว่า ต้นทุนต่อรอบต่ำ ไม่มีอันตรายจากการชาร์จเกิน มีความสามารถในการย้อนกลับที่ดี สารละลายอิเล็กโทรไลต์ไม่กัดกร่อน และความเป็นพิษของวัสดุต่ำ ในขณะที่แบตเตอรี่มีต้นทุนการซื้อที่ต่ำกว่าและแรงดันไฟฟ้าคงที่ขณะคายประจุ แต่ต้องใช้การควบคุมทางอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์สวิตช์ที่ซับซ้อน ส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานและอันตรายจากประกายไฟหากเกิดการลัดวงจร

สไตล์

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบแบนที่ใช้ในชิ้นส่วนอุปกรณ์เคลื่อนที่

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดชนิดลิเธียมไอออนแบบรัศมีสำหรับติดตั้งบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ใช้ในงานอุตสาหกรรม

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ผลิตขึ้นในรูปแบบต่างๆ เช่น แบบแบนที่มีขั้วไฟฟ้าคู่เดียว แบบพันขดลวดในตัวเรือนทรงกระบอก หรือแบบเรียงซ้อนกันในตัวเรือนทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า เนื่องจากครอบคลุมค่าความจุที่หลากหลาย ขนาดของตัวเรือนจึงอาจแตกต่างกันไป

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์สร้างขึ้นจากแผ่นโลหะสองแผ่น (ตัวเก็บกระแส) แต่ละแผ่นเคลือบด้วยวัสดุอิเล็กโทรด เช่น ถ่านกัมมันต์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมต่อพลังงานระหว่างวัสดุอิเล็กโทรดกับขั้วภายนอกของคาปาซิเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วัสดุอิเล็กโทรดมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่มาก ในตัวอย่างนี้ ถ่านกัมมันต์ถูกกัดด้วยไฟฟ้าเคมี ทำให้พื้นที่ผิวของวัสดุมีขนาดใหญ่กว่าพื้นผิวเรียบประมาณ 100,000 เท่า อิเล็กโทรดทั้งสองถูกคั่นด้วยเยื่อหุ้มที่ยอมให้ไอออนผ่านได้ (ตัวแยก) ซึ่งใช้เป็นฉนวนเพื่อป้องกันอิเล็กโทรดจากการลัดวงจรโครงสร้างนี้จะถูกม้วนหรือพับเป็นรูปทรงกระบอกหรือสี่เหลี่ยมผืนผ้า และสามารถวางซ้อนกันในกระป๋องอะลูมิเนียมหรือตัวเรือนสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่ปรับเปลี่ยนได้ จากนั้นเซลล์จะถูกชุบด้วยอิเล็กโทรไลต์เหลวหรือหนืดชนิดอินทรีย์หรือชนิดน้ำ อิเล็กโทรไลต์ซึ่งเป็นตัวนำไอออนจะเข้าไปในรูพรุนของอิเล็กโทรดและทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมต่อแบบนำไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดผ่านตัวแยก สุดท้ายนี้ ตัวเรือนได้รับการปิดผนึกอย่างแน่นหนาเพื่อให้มั่นใจได้ถึงการทำงานที่เสถียรตลอดอายุการใช้งานที่กำหนด

ประเภท

แผนผังแสดงลำดับชั้นของตัวเก็บประจุยิ่งยวด ตัวเก็บประจุแบบสองชั้นและตัวเก็บประจุเทียม รวมถึงตัวเก็บประจุแบบไฮบริด ถูกกำหนดโดยการออกแบบขั้วไฟฟ้า

พลังงานไฟฟ้าถูกเก็บไว้ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ผ่านหลักการจัดเก็บสองประการ ได้แก่ความจุแบบสองชั้น คงที่ และความจุเทียม ทางเคมีไฟฟ้า และการกระจายของความจุทั้งสองประเภทขึ้นอยู่กับวัสดุและโครงสร้างของอิเล็กโทรด ซูเปอร์คาปาซิเตอร์มีสามประเภทตามหลักการจัดเก็บ: ^{[ 15 ]}^{[ 23 ]}

ตัวเก็บประจุแบบสองชั้น ( EDLCs ): ใช้ ขั้วไฟฟ้า คาร์บอนกัมมันต์หรืออนุพันธ์ที่มีความจุไฟฟ้าสถิตแบบสองชั้นสูงกว่าความจุไฟฟ้าแบบเทียมทางเคมีไฟฟ้ามาก
ตัวเก็บประจุเทียม (Pseudocapacitors) : ที่มี อิเล็กโทรดเป็นออกไซด์ ของโลหะทรานซิชันหรือ พอลิเมอร์ นำไฟฟ้าซึ่งมีค่าความจุเทียมทางเคมีไฟฟ้าสูง
ตัวเก็บประจุแบบไฮบริด : มีขั้วไฟฟ้าที่ไม่สมมาตร โดยขั้วหนึ่งแสดงคุณสมบัติการเก็บประจุไฟฟ้าสถิตเป็นหลัก และอีกขั้วหนึ่งแสดงคุณสมบัติการเก็บประจุไฟฟ้าเคมีเป็นหลัก เช่นตัวเก็บประจุลิเธียมไอออน

เนื่องจากความจุของชั้นคู่และความจุเทียมต่างก็มีส่วนช่วยอย่างแยกไม่ออกต่อค่าความจุรวมของตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมี ดังนั้นคำอธิบายที่ถูกต้องของตัวเก็บประจุเหล่านี้จึงสามารถให้ได้ภายใต้คำศัพท์ทั่วไปเท่านั้น แนวคิดของซูเปอร์แคปแพตเตอรีและซูเปอร์คาแบทเทอรีได้รับการเสนอเมื่อเร็ว ๆ นี้เพื่อแสดงถึงอุปกรณ์ไฮบริดเหล่านั้นที่มีพฤติกรรมคล้ายกับซูเปอร์แคปาซิเตอร์และแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ตามลำดับได้ดียิ่งขึ้น^{[ 38 ]}

ค่าความจุของซูเปอร์คาปาซิเตอร์ถูกกำหนดโดยหลักการเก็บประจุสองประการ:

ความจุแบบสองชั้น – การเก็บ พลังงานไฟฟ้าแบบไฟฟ้าสถิตที่เกิดขึ้นจากการแยกประจุในชั้นคู่เฮล์มโฮลทซ์ ที่ ส่วนต่อประสานระหว่างพื้นผิวของอิเล็กโทรด ตัวนำ และสารละลาย อิเล็ก โทรไลต์ ระยะห่างของการแยกประจุในชั้นคู่มีขนาดประมาณไม่กี่อังสตรอม (0.3–0.8 นาโนเมตร ) และมีต้นกำเนิดมาจากสถิต^[¹⁵^]
ความจุเทียม – การเก็บพลังงานไฟฟ้าด้วยวิธีทางเคมีไฟฟ้า ซึ่งเกิดขึ้นจากปฏิกิริยารีดอกซ์ การดูด ซับด้วยไฟฟ้า หรือการแทรกตัวบนพื้นผิวของอิเล็กโทรดโดยไอออน ที่ถูกดูดซับโดยเฉพาะ ซึ่งส่งผลให้เกิดการถ่ายโอนประจุแบบฟา ราเดย์ ที่ย้อนกลับได้ บนอิเล็กโทรด^[¹⁵^]

Double-layer capacitance and pseudocapacitance both contribute inseparably to the total capacitance value of a supercapacitor.^[22] However, the ratio of the two can vary greatly, depending on the design of the electrodes and the composition of the electrolyte. Pseudocapacitance can increase the capacitance value by as much as a factor of ten over that of the double-layer by itself.^[11]^[28]

Electric double-layer capacitors (EDLC) are electrochemical capacitors in which energy storage predominantly is achieved by double-layer capacitance. In the past, all electrochemical capacitors were called "double-layer capacitors". Contemporary usage sees double-layer capacitors, together with pseudocapacitors, as part of a larger family of electrochemical capacitors^[11]^[28] called supercapacitors. They are also known as ultracapacitors.

Materials

The properties of supercapacitors come from the interaction of their internal materials. Especially, the combination of electrode material and type of electrolyte determine the functionality and thermal and electrical characteristics of the capacitors.

Electrodes

Supercapacitor electrodes are generally thin coatings applied and electrically connected to a conductive, metallic current collector. Electrodes must have good conductivity, high temperature stability, long-term chemical stability (inertness), high corrosion resistance and high surface areas per unit volume and mass. Other requirements include environmental friendliness and low cost.

The amount of double-layer as well as pseudocapacitance stored per unit voltage in a supercapacitor is predominantly a function of the electrode surface area. Therefore, supercapacitor electrodes are typically made of porous, spongy material with an extraordinarily high specific surface area, such as activated carbon. Additionally, the ability of the electrode material to perform faradaic charge transfers enhances the total capacitance.

โดยทั่วไป ยิ่งรูพรุนของอิเล็กโทรดมีขนาดเล็กเท่าไร ความจุและพลังงานจำเพาะ ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม รูพรุนที่เล็กลงจะเพิ่มความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า (ESR) และลดกำลังจำเพาะลงการใช้งานที่ต้องการกระแสสูงสุดสูงจำเป็นต้องใช้รูพรุนขนาดใหญ่และมีการสูญเสียภายในต่ำ ในขณะที่การใช้งานที่ต้องการพลังงานจำเพาะสูงจำเป็นต้องใช้รูพรุนขนาดเล็ก

อิเล็กโทรดสำหรับ EDLC

วัสดุอิเล็กโทรดที่ใช้กันทั่วไปสำหรับซูเปอร์คาปาซิเตอร์คือคาร์บอนในรูปแบบต่างๆ เช่นคาร์บอนกัมมันต์ (AC), ผ้าใยคาร์บอน (AFC), คาร์บอนที่ได้จากคาร์ไบด์ (CDC), ^{[ 39 ]}^{[ 40 ]}คาร์บอนแอ โรเจล , กราไฟต์ ( กราฟีน ), กราฟีน^{[ 41 ]}และท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) ^{[ 22 ]}^{[ 42 ]}^{[ 43 ]}

อิเล็กโทรดที่ใช้คาร์บอนเป็นฐานแสดงความจุแบบสองชั้นคงที่เป็นหลัก แม้ว่าจะมีความจุเทียมอยู่เล็กน้อยขึ้นอยู่กับการกระจายขนาดรูพรุน ขนาดรูพรุนในคาร์บอนโดยทั่วไปมีตั้งแต่ไมโครรูพรุน (น้อยกว่า 2 นาโนเมตร) ไปจนถึงเมโซรูพรุน (2-50 นาโนเมตร) ^{[ 44 ]}แต่มีเพียงไมโครรูพรุน (<2 นาโนเมตร) เท่านั้นที่ก่อให้เกิดความจุเทียม เมื่อขนาดรูพรุนเข้าใกล้ขนาดเปลือกการละลาย โมเลกุลของตัวทำละลายจะถูกกีดกันออกไป และมีเพียงไอออนที่ไม่ถูกละลายเท่านั้นที่เติมเต็มรูพรุน (แม้แต่ไอออนขนาดใหญ่) ซึ่งจะเพิ่มความหนาแน่นของการบรรจุไอออนและความสามารถในการจัดเก็บโดย H แบบฟาราเดย์การแทรก^{[ 22 ]}

ถ่านกัมมันต์

ถ่านกัมมันต์เป็นวัสดุชนิดแรกที่ถูกเลือกใช้สำหรับอิเล็กโทรด EDLC แม้ว่าค่าการนำไฟฟ้า ของมัน จะอยู่ที่ประมาณ 0.003% ของโลหะก็ตาม (1250 ถึง 2000 S/m ) ถือว่าเพียงพอสำหรับซูเปอร์คาปาซิเตอร์^{[ 23 ]}^{[ 15 ]}ถ่านกัมมันต์เป็นคาร์บอนที่มีรูพรุนมากและมีพื้นที่ผิวจำเพาะ สูง โดยทั่วไปแล้ว ถ่านกัมมันต์1 กรัม (0.035 ออนซ์) (ขนาดเท่ายางลบดินสอ) มีพื้นที่ผิวประมาณ1,000 ถึง 3,000 ตารางเมตร (11,000 ถึง 32,000 ตารางฟุต) ^[⁴²^]^[⁴⁴^]ซึ่งมีขนาดประมาณสนามเทนนิส 4 ถึง 12 สนาม รูปแบบที่เป็นก้อนที่ใช้ในอิเล็กโทรดมีความหนาแน่นต่ำและมีรูพรุนจำนวนมาก ทำให้มีความจุของชั้นคู่สูง ถ่านกั ^มมันต์แข็ง หรือที่เรียกว่าคาร์บอนอสัณฐานแบบรวมตัว (CAC) เป็นวัสดุอิเล็กโทรดที่ใช้มากที่สุดสำหรับซูเปอร์คาปาซิเตอร์ และอาจมีราคาถูกกว่าอนุพันธ์ของคาร์บอนอื่นๆ^[⁴⁵^]ผลิตจากผงถ่านกัมมันต์ที่อัดขึ้นรูปเป็นรูปร่างที่ต้องการ ทำให้เกิดเป็นบล็อกที่มีการกระจายขนาดรูพรุนอย่างกว้างขวาง อิเล็กโทรดที่มีพื้นที่ผิวประมาณ 1000 m² ^/ gส่งผลให้ค่าความจุของชั้นคู่โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ10 μF/cm² ^และความจุจำเพาะของ100 F/gณปี 2010ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เชิงพาณิชย์เกือบทั้งหมดใช้ผงถ่านกัมมันต์ที่ทำจากกะลามะพร้าว^{[ 46 ]}กะลามะพร้าวผลิตถ่านกัมมันต์ที่มีรูพรุนขนาดเล็กมากกว่าถ่านที่ทำจากไม้^{[ 44 ]}

เส้นใยคาร์บอนกัมมันต์

เส้นใยคาร์บอนกัมมันต์ (ACF) ผลิตจากคาร์บอนกัมมันต์และมีเส้นผ่านศูนย์กลางโดยทั่วไป 10 ไมโครเมตร สามารถมีรูพรุนขนาดเล็กที่มีการกระจายขนาดรูพรุนแคบมากและสามารถควบคุมได้อย่างง่ายดาย พื้นที่ผิวของ ACF ที่ทอเป็นสิ่งทอมีค่าประมาณ2500 ม. ² /ก . ข้อดีของอิเล็กโทรด ACF ได้แก่ ความต้านทานไฟฟ้าต่ำตามแนวแกนของเส้นใยและการสัมผัสที่ดีกับตัวเก็บประจุ^{[ 42 ]}เช่นเดียวกับถ่านกัมมันต์ อิเล็กโทรด ACF แสดงความจุแบบสองชั้นเป็นหลัก โดยมีความจุเทียมจำนวนเล็กน้อยเนื่องจากรูพรุนขนาดเล็ก

คาร์บอนแอโรเจล

คาร์บอนแอโรเจลเป็นวัสดุสังเคราะห์ที่มีรูพรุนสูง น้ำหนักเบา มากได้มาจากเจลอินทรีย์ซึ่งส่วนประกอบของเหลวของเจลถูกแทนที่ด้วยก๊าซ อิเล็กโทรดแอโรเจลทำขึ้นโดยการเผาไหม้ของ เรซอร์ ซินอล - ฟอร์มาลดีไฮด์ แอโร เจล^[⁴⁷^]และนำไฟฟ้าได้ดีกว่าคาร์บอนกัมมันต์ส่วนใหญ่ อิเล็กโทรดแอโรเจลช่วยให้สามารถสร้างอิเล็กโทรดที่บางและมีเสถียรภาพทางกล โดยมีความหนาอยู่ในช่วงหลายร้อยไมโครเมตร (μm) และมีขนาดรูพรุนสม่ำเสมอ อิเล็กโทรดแอโรเจลยังให้ความเสถียรทางกลและการสั่นสะเทือนสำหรับซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือนสูง นักวิจัยได้สร้างอิเล็กโทรดคาร์บอนแอโรเจลที่มี ความหนาแน่น เชิงน้ำหนักประมาณ 400–1200 m² ^/ g และความจุเชิงปริมาตร 10⁴ F/cm³ ^ซึ่งให้พลังงานจำเพาะ 325 กิโลจูล/กก. (90 Wh/kg ) และกำลังจำเพาะของ20 W/g [ ^{48 ] [}^{49 ] อิ}เล็กโทรดแอโรเจลมาตรฐานแสดงความจุแบบสองชั้นเป็นหลัก อิเล็กโทรดแอโรเจลที่รวมวัสดุคอมโพสิตสามารถเพิ่มความจุเทียมได้ในปริมาณมาก^{[ 50 ]}

คาร์บอนที่ได้จากคาร์ไบด์

การกระจายขนาดรูพรุนสำหรับสารตั้งต้นคาร์ไบด์ชนิดต่างๆ

คาร์บอนที่ได้จากคาร์ไบด์ (CDC) หรือที่รู้จักกันใน ชื่อคาร์บอนนาโนพรุนที่ปรับได้ เป็นกลุ่มของวัสดุคาร์บอนที่ได้จากสาร ตั้งต้น คาร์ไบด์เช่นซิลิคอนคาร์ไบด์ ไบนารี และไทเทเนียมคาร์ไบด์ซึ่งถูกเปลี่ยนเป็นคาร์บอนบริสุทธิ์ผ่านกระบวนการทางกายภาพเช่นการสลายตัวด้วยความร้อนหรือกระบวนการทางเคมีเช่นการเติมฮาโลเจน^{[ 51 ]}^{[ 52 ]} คาร์บอนที่ได้จากคาร์ไบด์สามารถแสดงพื้นที่ผิวสูงและเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนที่ปรับได้ (จากไมโครรูพรุนถึงเม โซรูพรุน) เพื่อเพิ่มการกักเก็บไอออนให้สูงสุด เพิ่มความจุเทียมโดยH ฟาราเดย์การบำบัดด้วยการดูดซับ อิเล็กโทรด CDC ที่ออกแบบรูพรุนเฉพาะตัวให้พลังงานจำเพาะมากกว่าถ่านกัมมันต์ทั่วไปถึง 75% (ข้อมูลณ ปี 2015)ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ CDC ให้พลังงานจำเพาะ 10.1 Wh/kg ความจุ 3,500 F และรอบการชาร์จ-คายประจุมากกว่าหนึ่งล้านรอบ^{[ 53 ]}

กราฟีน

กราฟีนเป็นแผ่นกราไฟต์ ที่มีความหนาหนึ่งอะตอม โดยอะตอมเรียงตัวกันในรูปแบบหกเหลี่ยมปกติ^{[ 54 ]}^{[ 55 ]}เรียกอีกอย่างว่า "กระดาษนาโนคอมโพสิต" ^{[ 56 ]}

กราฟีนมีพื้นที่ผิวจำเพาะทางทฤษฎี 2630 ตารางเมตร^ต่อกรัม ซึ่งสามารถนำไปสู่ค่าความจุไฟฟ้าได้ถึง 550 ฟารัดต่อกรัม นอกจากนี้ ข้อดีของกราฟีนเมื่อเทียบกับถ่านกัมมันต์คือมีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่า (ข้อมูลณ ปี 2012)การพัฒนาใหม่นี้ใช้แผ่นกราฟีนโดยตรงเป็นอิเล็กโทรดโดยไม่ต้องใช้ตัวเก็บประจุสำหรับการใช้งานแบบพกพา^{[ 57 ]}^{[ 58 ]}

ในรูปแบบหนึ่ง ตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่ใช้กราฟีนจะใช้แผ่นกราฟีนโค้งที่ไม่เรียงซ้อนกันแบบหน้าต่อหน้า ทำให้เกิดรูพรุนขนาดกลางที่สามารถเข้าถึงและเปียกได้ด้วยอิเล็กโทรไลต์ไอออนิกที่แรงดันไฟฟ้าสูงถึง 4 โวลต์ พลังงานจำเพาะของ85.6 วัตต์-กิโลกรัม (พลังงาน 308 kJ/kgที่อุณหภูมิห้องเทียบเท่ากับแบตเตอรี่นิกเกล-เมทัลไฮไดรด์ ทั่วไป แต่มีกำลังจำเพาะมากกว่า 100–1000 เท่า^{[ 59 ]}^{[ 60 ]}

โครงสร้างสองมิติของกราฟีนช่วยปรับปรุงการชาร์จและการคายประจุ ตัวนำประจุในแผ่นที่วางตัวในแนวตั้งสามารถเคลื่อนที่เข้าหรือออกจากโครงสร้างที่ลึกกว่าของอิเล็กโทรดได้อย่างรวดเร็ว จึงทำให้กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ตัวเก็บประจุแบบนี้อาจเหมาะสำหรับ การใช้งานตัวกรอง 100/120 Hz ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้วัสดุคาร์บอนอื่นๆ^{[ 61 ]}

เทคนิคการผลิตกราฟีนสำหรับซูเปอร์คาปาซิเตอร์

การตกตะกอนไอสารเคมีเป็นวิธีการผลิตกราฟีนที่นิยมใช้ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ โดยผลิตกราฟีนชั้นเดียวหรือหลายชั้นคุณภาพสูง กระบวนการเริ่มต้นด้วยการนำไฮโดรคาร์บอน (โดยทั่วไปคือมีเทน CH₄ เข้าไปในห้องปฏิกิริยา จากนั้นจะวางตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ เช่น ทองแดง (Cu) หรือนิกเกล (Ni) ไว้ในห้องปฏิกิริยาเพื่อทำหน้าที่เป็นพื้นผิว โลหะเหล่านี้มักถูกใช้เนื่องจากความสามารถในการสลายมีเทนเป็นอะตอมคาร์บอนอิสระที่จะนำไปใช้ในการสร้างกราฟีน จากนั้นห้องจะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิระหว่าง 700 ถึง 1000 องศาเซลเซียส เพื่อสลายโมเลกุลมีเทนที่พื้นผิวของพื้นผิวมีเทนจะสลายตัวเป็นก๊าซไฮโดรเจน (H₂ ที่ระบายออกจากห้อง และอะตอมคาร์บอน (C) จะถูกปล่อยออกมาบนพื้นผิว^{[ 62 ]}

เมื่ออะตอมคาร์บอนถูกดูดซับลงบนพื้นผิว อะตอมคาร์บอนจะเริ่มแพร่กระจายไปตามพื้นผิวและก่อตัวเป็นนิวเคลียส อะตอมคาร์บอนจะจัดเรียงตัวเองตามธรรมชาติในโครงสร้างตาข่ายรังผึ้งของกราฟีน จำนวนชั้นกราฟีนที่ผลิตได้จะแตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ ความดัน และความเข้มข้นของมีเทน เมื่อชั้นกราฟีนก่อตัวขึ้นแล้ว ห้องจะถูกทำให้เย็นลงและพื้นผิวที่เคลือบแล้วจะถูกนำออก จากนั้นกราฟีนจะถูกถ่ายโอนจากพื้นผิวโลหะไปยังพื้นผิวใหม่ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน วิธีการถ่ายโอนนี้โดยทั่วไปคือวิธีการที่ใช้ PMMA (โพลีเมทิลเมทาคริเลต) เป็นตัวกลาง^{[ 63 ]}กราฟีนมีคุณค่าอย่างยิ่งในซูเปอร์คาปาซิเตอร์เนื่องจากมีเส้นทางความต้านทานต่ำสำหรับการไหลของอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของกำลังไฟฟ้าขาออกสูงของซูเปอร์คาปาซิเตอร์

การลอกชั้นด้วยกลไกเป็นอีกวิธีหนึ่งในการผลิตแผ่นกราฟีนที่ใช้ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ กระบวนการเริ่มต้นด้วยการเลือกกราไฟต์ คุณภาพสูง โดยควรเลือกกราไฟต์ผลึกเดี่ยวที่มีความบริสุทธิ์สูง ถัดไป เลือกเทปที่สามารถลอกชั้นบางๆ ของกราไฟต์ได้โดยไม่ลอกวัสดุเป็นชิ้นใหญ่ๆเทปสก๊อตช์มักใช้ในวิธีนี้ กดเทปลงบนกราไฟต์ซ้ำๆ แล้วค่อยๆ ลอกออก เมื่อทำซ้ำกระบวนการนี้ แผ่น กราฟีน ที่บางลงเรื่อยๆ จะถูกถ่ายโอนไปยังเทป^{[ 64 ]}เมื่อกดชั้นกราฟีนบางๆ ลงบนเทปแล้ว ให้วางเทปบนพื้นผิวที่สะอาด เช่น แผ่นเวเฟอร์หรือฟิล์มซิลิคอน กดเทปที่มีกราฟีนลงบนพื้นผิวเบาๆ เพื่อถ่ายโอนชั้นกราฟีนไปยังพื้นผิวของพื้นผิว จากนั้นค่อยๆ ลอกออก

ขั้วไฟฟ้าสำหรับตัวเก็บประจุเทียม

MnO₂และRuO₂เป็นวัสดุทั่วไปที่ใช้เป็น โทรดสำหรับตัวเก็บประจุเทียม เนื่องจากมีคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าของอิเล็กโทรดแบบคาปาซิทีฟ (ความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างกระแสกับแรงดัน) และแสดง พฤติกรรม แบบ aicนอกจากนี้ การเก็บประจุเกิดจากกลไกการถ่ายโอนอิเล็กตรอนมากกว่าการสะสมของไอออนในชั้นคู่ทางเคมีไฟฟ้าตัวเก็บประจุเทียมถูกสร้างขึ้นผ่าน ปฏิกิริยา ออกซิเดชัน- รีดักชันแบบฟาราเดย์ ที่เกิดขึ้นภายในวัสดุอิเล็กโทรดที่ใช้งานอยู่ งานวิจัยส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่ ออกไซด์ ของโลหะทรานซิชันเช่น MnO₂ ออกไซด์ของโลหะทรานซิชันมีต้นทุนต่ำกว่าออกไซด์ของโลหะมีค่า เช่น RuO₂ ไปกว่านั้น กลไกการเก็บประจุของออกไซด์ของโลหะทรานซิชันส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับความจุเทียม มีการนำเสนอสองกลไกของพฤติกรรมการเก็บประจุของ MnO₂ กลไกเกี่ยวข้องกับการแทรกตัวของโปรตอน (H⁺ ⁾หรือแคตไอออน ของโลหะอัลคาไล (C⁺ ⁾ในเนื้อวัสดุเมื่อเกิดการรีดิวซ์ ตามด้วยการดีแทรกตัวเมื่อเกิดออกซิเดชัน^[⁶⁵^]

MnO + H ⁺ (C ⁺ ) + e ⁻⇌ MnOOH(C) ^{[ 66 ]}

กลไกที่สองนั้นอาศัยการดูดซับของไอออนบวก ของอิเล็กโทรไลต์ บน พื้นผิว ของ

(MnO ) + C ⁺ + e ⁻⇌ (MnO ⁻ C ⁺ )

ไม่ใช่ว่าวัสดุทุกชนิดที่แสดงพฤติกรรมฟาราเดย์จะสามารถใช้เป็นอิเล็กโทรดสำหรับตัวเก็บประจุเทียมได้ เช่นNi(OH) เนื่องจากเป็นอิเล็กโทรดประเภทแบตเตอรี่ (การพึ่งพาที่ไม่เป็นเชิงเส้นของเส้นโค้งกระแสเทียบกับแรงดันไฟฟ้า) ^{[ 67 ]}

โลหะออกไซด์

งานวิจัยของ Brian Evans Conway ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}อธิบายถึงอิเล็กโทรดของออกไซด์โลหะทรานซิชันที่แสดงค่าความจุเทียมสูง ออกไซด์ของโลหะทรานซิชันรวมถึงรูทีเนียม ( RuO ) ),อิริเดียม(IrO) )เหล็ก(Fe)โอ )แมงกานีส(MnO) ) หรือซัลไฟด์ เช่นไทเทเนียมซัลไฟด์(TiS) ) เมื่อใช้เพียงอย่างเดียวหรือใช้ร่วมกัน จะสร้างปฏิกิริยาการถ่ายโอนอิเล็กตรอนแบบฟาราเดย์ที่รุนแรงควบคู่ไปกับความต้านทานต่ำรูทีเนียมไดออกไซด์เมื่อใช้ร่วมกับH SOให้ค่าความจุจำเพาะ 720 F/g และพลังงานจำเพาะสูงถึง 26.7 Wh/kg (96.12 kJ/กก . ) ^{[ 68 ]}

การชาร์จ/คายประจุเกิดขึ้นในช่วงประมาณ 1.2 V ต่ออิเล็กโทรด ความจุเทียมประมาณ 720 F/g นี้สูงกว่าความจุแบบสองชั้นโดยใช้ อิเล็กโทรด คาร์บอนที่เปิดใช้งาน ประมาณ 100 เท่า อิเล็กโทรดโลหะทรานซิชันเหล่านี้ให้ความสามารถในการย้อนกลับที่ดีเยี่ยม โดยมีรอบการทำงานหลายแสนรอบ อย่างไรก็ตาม รูทีเนียมมีราคาแพง และ ช่วงแรงดันไฟฟ้า 2.4 V สำหรับตัวเก็บประจุนี้จำกัดการใช้งานไว้เฉพาะในด้านการทหารและอวกาศ Das et al. รายงานค่าความจุสูงสุด (1715 F/g) สำหรับ ซู เปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้รูทีเนียมออกไซด์ โดยมีรูทีเนียมออกไซด์ที่ตกตะกอนด้วยไฟฟ้าบนอิเล็กโทรดฟิล์มคาร์บอนนาโนทิว บ์ผนังเดี่ยวที่มีรูพรุน ^{[ 69 ]} มีการรายงาน ค่าความจุจำเพาะสูงถึง 1715 F/g ซึ่งใกล้เคียงกับค่าสูงสุดทางทฤษฎีที่คาดการณ์ไว้ของ RuOความจุ 2000 F/g จำนวน

ในปี 2014 RuOที่ยึดติดบนโฟมกราฟีนให้ค่าความจุจำเพาะ 502.78 F/g และค่าความจุต่อพื้นที่ 1.11 F/cm²^ส่งผลให้มีพลังงานจำเพาะ 39.28 Wh/kg และกำลังจำเพาะ 128.01บริดกราฟีนและคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่ยึดด้วยรูเทเนียมแบบไฮดรัส สามมิติ (3D) ที่มีขนาดเล็กกว่า 5(RGM) โฟมกราฟีนถูกเคลือบด้วยเครือข่ายไฮบริดของRuO อนุภาคนาโน อนุภาค และ CNT ที่ยึดติด^{[ 70 ]}^{[ 71 ]}

ออกไซด์ของเหล็กวานาเดียมนิกเกลและโคบอลต์ที่มีราคาถูกกว่าได้รับการทดสอบในสารละลาย อิเล็กโทรไลต์ในน้ำแล้ว แต่ยังไม่มีสารประกอบใดได้รับการศึกษามากเท่ากับแมงกานีสไดออกไซด์ ( MnO₂) ). อย่างไรก็ตาม ไม่มีออกไซด์เหล่านี้ใดที่ใช้ในเชิงพาณิชย์^{[ 72 ]}

โพลิเมอร์นำไฟฟ้า

อีกแนวทางหนึ่งคือการใช้พอลิเมอร์นำไฟฟ้าเป็นวัสดุเสมือนตัวเก็บประจุ แม้ว่าจะมี คุณสมบัติทางกลที่อ่อนแอ แต่ พอลิเมอร์นำไฟฟ้า เหล่านี้ มีค่าการนำไฟฟ้า สูง ส่งผลให้ค่า ESR ต่ำและค่าความจุค่อนข้างสูง พอลิเมอร์นำไฟฟ้าดังกล่าวได้แก่โพลีอะ นิลี นโพลีไทโอฟี น โพลีไพ ร์โรล และโพลีอะเซทิลีนขั้วไฟฟ้าเหล่านี้ยังใช้การเติมหรือกำจัดประจุไฟฟ้าของพอลิเมอร์ด้วยแอนไอออนและแคตไอออนขั้วไฟฟ้าที่ทำจากหรือเคลือบด้วยพอลิเมอร์นำไฟฟ้ามีต้นทุนใกล้เคียงกับขั้วไฟฟ้าคาร์บอน

โดยทั่วไปอิเล็กโทรดโพลิเมอร์นำไฟฟ้าจะมีปัญหาเรื่องความเสถียรในการใช้งานที่จำกัดอย่างไรก็ตาม อิเล็กโทรดโพลี อะซีนสามารถใช้งานได้ถึง 10,000 รอบ ซึ่งดีกว่าแบตเตอรี่มาก^[⁷³^]

ขั้วไฟฟ้าสำหรับตัวเก็บประจุแบบไฮบริด

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบไฮบริดเชิงพาณิชย์ทั้งหมดเป็นแบบไม่สมมาตร โดยจะรวมอิเล็กโทรดที่มีความจุเทียม สูง เข้ากับอิเล็กโทรดที่มีความจุสองชั้นสูง ในระบบดังกล่าว อิเล็กโทรดที่มีความจุเทียมแบบฟาราเดย์ซึ่งมีความจุสูงกว่าจะให้พลังงานจำเพาะสูง ในขณะที่อิเล็กโทรด EDLC ที่ไม่ใช่แบบฟาราเดย์จะให้กำลังจำเพาะ สูง ข้อดีของซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบไฮบริดเมื่อเทียบกับ EDLC แบบสมมาตรคือค่าความจุจำเพาะที่สูงกว่า รวมถึงแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดสูงกว่า และส่งผลให้มีพลังงานจำเพาะสูงกว่าด้วย

วัสดุอิเล็กโทรดขั้นสูง

ออกไซด์ของนิกเกล-โคบอลต์ (NiCo O ) : โครงสร้างสปิเนล NiCo O ที่สังเคราะห์ผ่านวิธีการไฮโดรเทอร์มอลแสดงความจุทางทฤษฎีประมาณ 3,500 F/g เนื่องจากการมีส่วนร่วมของปฏิกิริยารีดอกซ์แบบเสริมฤทธิ์กันจากไอออนของนิกเกล (Ni ²⁺ /Ni ³⁺ ) และโคบอลต์ (Co ²⁺ /Co ³⁺ ) การกำหนดค่าแบบไม่สมมาตรที่จับคู่แคโทด NiCo O กับแอโนดคาร์บอนกัมมันต์ทำให้ได้ความหนาแน่นของพลังงาน 89.6 Wh/kg ที่ 796 W/kg และยังคงความจุไว้ได้ 93% หลังจาก 10,000 รอบ^{[ 74 ]}

ไฮบริดกราฟีน-โลหะออกไซด์ : นาโนคอมโพสิตกราฟีน-MnO2 ประโยชน์จากการนำไฟฟ้าสูงของกราฟีน (10⁶ ^S /m) และความจุเทียมของ MnO2 การตกตะกอนแบบชั้นอะตอม (ALD) สร้างการเคลือบ MnO2 ที่สม่ำเสมอนาโนกราฟีน ทำให้ได้ค่า 1,100 F/g พร้อมความเสถียรของวงจร 95% ตลอด 5,000 รอบ ไฮบริดเหล่านี้สามารถปรับขนาดได้สำหรับการใช้งานการจัดเก็บกริด^{[ 74 ]}

วัสดุคอมโพสิตที่ใช้เหล็กเป็นส่วนประกอบ : โครงสร้างแกน-เปลือก Fe O @carbon ผสมผสานความจุแบบสองชั้น (เปลือกคาร์บอน) และปฏิกิริยาฟาราเดย์ (แกน Fe O ) ทำให้มีความหนาแน่นของพลังงาน 32.2 Wh/kg และคงสภาพไว้ได้ 85% หลังจาก 5,000 รอบ วัสดุราคาประหยัดเหล่านี้ช่วยลดการพึ่งพาแร่ธาตุที่สำคัญ เช่น โคบอลต์^{[ 74 ]}

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์คอมโพสิตเชิงโครงสร้าง : อิเล็กโทรดเส้นใยคาร์บอนที่เคลือบด้วยนาโนทิวบ์คาร์บอน (CNT) หรือนาโนเพลตกราฟีนทำหน้าที่สองอย่างคือเป็นทั้งสื่อเก็บพลังงานและตัวเสริมแรงเชิงกล เส้นใยที่เคลือบด้วย CNT มีค่าความจุ 120 F/g ในขณะที่ยังคงรักษาความแข็งแรงดึง >2 GPa ทำให้สามารถลดน้ำหนักของชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าได้ 15–30% ^{[ 74 ]}

สถาปัตยกรรมโซลิดสเตท

อิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์เจล : ซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบยืดหยุ่นที่ใช้อิเล็กโทรไลต์เจลโพลีไวนิลแอลกอฮอล์ (PVA)-H₂SO₄ รักษาความจุได้ 98% หลังจากดัดงอ 5,000 รอบ อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง (−40 °C ถึง 80 °C) ทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่ได้^[⁷⁵^]

การออกแบบอุณหภูมิสูง : เซรามิกแบเรียมไททาเนต (BaTiO ) เคลือบ ALD ที่เผา ที่อุณหภูมิ 1,100 °C แสดงค่าสภาพยอมทางไฟฟ้า >8,000 และแรงดันพังทลายเกิน 500 V ทำให้สามารถใช้ตัวเก็บประจุยิ่งยวดสำหรับระบบพลังงานในอวกาศได้^{[ 75 ]}

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพ

ประเภทไฮบริด	ความหนาแน่นของพลังงาน (Wh/kg)	ความหนาแน่นของกำลัง (กิโลวัตต์/กิโลกรัม)	อายุการใช้งานของวงจร	แรงดันไฟฟ้าใช้งาน
NiCo O // Activated C	89.6	0.796	10,000	1.6 โวลต์
คาร์บอนไฮบริดที่เจือลิเธียม	14	10	50,000	3.8–4 โวลต์
เฟโอ @ คาร์บอน คอมโพสิต	32.2	0.747	5,000	1.2 โวลต์

ตาราง: ประสิทธิภาพเชิงเปรียบเทียบของซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบไฮบริด

ความยั่งยืนและนโยบาย

การรีไซเคิลแบบวงปิดสามารถกู้คืนคาร์บอนกัมมันต์ได้ 92% จากอิเล็กโทรดที่ใช้แล้ว ลดการพึ่งพาวัสดุสำคัญ เช่น โคบอลต์โครงการนวัตกรรมวัสดุสำคัญ ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ให้ทุนสนับสนุนการวิจัยเกี่ยวกับไฮบริดกราฟีน-คาร์บอนนาโนทิวบ์ โดยมีเป้าหมายเพื่อลดต้นทุนการผลิตลง 40% ภายในปี 2030 ^{[ 76 ]}

อิเล็กโทรดคอมโพสิต

อิเล็กโทรดคอมโพสิตสำหรับซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบไฮบริดนั้นสร้างขึ้นจากวัสดุคาร์บอนที่มีวัสดุแอคทีฟแบบซูโดคาปาซิทีฟ เช่น โลหะออกไซด์และพอลิเมอร์นำไฟฟ้า ผสมหรือเคลือบอยู่ (ข้อมูลณ ปี 2013)งานวิจัยส่วนใหญ่เกี่ยวกับซูเปอร์คาปาซิเตอร์มุ่งเน้นไปที่อิเล็กโทรดคอมโพสิต CNTs เป็นแกนหลักสำหรับการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอของโลหะออกไซด์หรือพอลิเมอร์นำไฟฟ้า (ECPs) ทำให้เกิดความจุเทียมที่ดีและความจุสองชั้นที่ดี อิเล็กโทรดเหล่านี้มีความจุสูงกว่าอิเล็กโทรดคาร์บอนบริสุทธิ์หรือโลหะออกไซด์บริสุทธิ์หรืออิเล็กโทรดที่ใช้พอลิเมอร์เป็นหลัก ซึ่งเป็นผลมาจากโครงสร้างแผ่นใยที่พันกันของนาโนทิวบ์ที่เข้าถึงได้ง่าย ทำให้สามารถเคลือบวัสดุที่มีความจุเทียมได้อย่างสม่ำเสมอและมีการกระจายประจุแบบสามมิติ กระบวนการยึดวัสดุที่มีความจุเทียมมักใช้กระบวนการไฮโดรเทอร์มอล อย่างไรก็ตาม นักวิจัยล่าสุด Li และคณะ จากมหาวิทยาลัยเดลาแวร์ พบวิธีการที่ง่ายและปรับขนาดได้ในการตกตะกอน MnO2 ฟิล์ม SWNT เพื่อสร้างซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้สารละลายอินทรีย์^{[ 77 ]}

อีกวิธีหนึ่งในการปรับปรุงอิเล็กโทรด CNT คือการเติมสารเจือปนแบบ pseudocapacitive เช่นเดียวกับในตัวเก็บประจุลิเธียมไอออนในกรณีนี้อะตอมลิเธียมที่มีขนาดค่อนข้างเล็กจะแทรกตัวระหว่างชั้นของคาร์บอน^{[ 78 ]}ขั้วบวกทำจากคาร์บอนที่เติมลิเธียม ซึ่งทำให้มีศักยภาพเชิงลบที่ต่ำกว่าเมื่อใช้ขั้วลบที่ทำจากคาร์บอนกัมมันต์ ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นที่ 3.8-4 V ซึ่งป้องกันการออกซิเดชันของอิเล็กโทรไลต์ ณ ปี 2007 พวกเขาได้บรรลุความจุ 550 F/g ^{[ 9 ]}และมีพลังงานจำเพาะสูงถึง 14 Wh/kg (50.4 kJ/กก . ) ^{[ 79 ]}

ขั้วไฟฟ้าแบบแบตเตอรี่

^{ขั้วไฟฟ้าแบตเตอรี่แบบชาร์จได้มีอิทธิพลต่อการ พัฒนา}ขั้วไฟฟ้าสำหรับซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบไฮบริดชนิดใหม่ เช่น เดียวกับ ตัวเก็บประจุลิเธียมไอออน^{[ 80} ] เมื่อรวมกับขั้วไฟฟ้า EDLC คาร์บอนในโครงสร้างแบบไม่สมมาตร ทำให้โครงสร้างนี้มีพลังงานจำเพาะสูงกว่าซูเปอร์คาปาซิเตอร์ทั่วไป มีกำลังจำเพาะสูงกว่า อายุการใช้งานยาวนานกว่า และเวลาในการชาร์จและชาร์จซ้ำเร็วกว่าแบตเตอรี่

อิเล็กโทรดแบบไม่สมมาตร (pseudo/EDLC)

เมื่อไม่นานมานี้ มีการพัฒนาซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบไฮบริดที่ไม่สมมาตรขึ้นมา โดยที่ขั้วบวกใช้ขั้วไฟฟ้าโลหะออกไซด์แบบซูโดคาปาซิทีฟจริง (ไม่ใช่ขั้วไฟฟ้าแบบผสม) และขั้วลบใช้ขั้วไฟฟ้าคาร์บอนกัมมันต์แบบ EDLC

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบไม่สมมาตร (ASC) แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยอดเยี่ยมสำหรับซูเปอร์คาปาซิเตอร์ประสิทธิภาพสูง เนื่องจากมีศักยภาพในการทำงานที่กว้าง ซึ่งสามารถเพิ่มพฤติกรรมการเก็บประจุได้อย่างมาก ข้อดีของซูเปอร์คาปาซิเตอร์ประเภทนี้คือมีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า และมีพลังงานจำเพาะสูงกว่า (สูงถึง 10-20 Wh/kg (36-72 kJ/kg)) และยังมีเสถียรภาพในการใช้งานที่ดีอีกด้วย^[⁸¹^]^[⁸²^]^[⁸³^]^[⁸⁴^]

ชนิดใหม่และใช้เป็นขั้วบวกโดยใช้ถ่านกัมมันต์ (AC) เป็นขั้วลบเพื่อสร้างซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบไม่สมมาตร (ASC) ซึ่งแสดงความหนาแน่นพลังงานสูงถึง 89.6 Wh/kg ที่ 796 W/kg และความเสถียร 93% หลังจาก 10,000 รอบ ซึ่งมีศักยภาพสูงที่จะเป็นตัวเลือกขั้วไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมสำหรับอนาคต^{[ 84 ]}นอกจากนี้ ยังมีการใช้คาร์บอนนาโนไฟเบอร์/โพลี(3,4-เอทิลีนไดออกซีไทโอฟีน)/แมงกานีสออกไซด์ (f-CNFs/PEDOT/MnO ) เป็นขั้วบวกและ AC เป็นขั้วลบ ซึ่งมีพลังงานจำเพาะสูงถึง 49.4 Wh/kg และความเสถียรในการใช้งานที่ดี (81.06% หลังจากใช้งาน 8000 รอบ) ^{[ 82 ]}นอกจากนี้ ยังมีการศึกษาวัสดุนาโนคอมโพสิตหลายชนิดเพื่อใช้เป็นอิเล็กโทรด เช่น NiCo S @NiO, ^{[ 83 ]} MgCo O @MnO และอื่นๆ ตัวอย่างเช่น วัสดุนาโนคอมโพสิต Fe-SnO @CeO ที่ใช้เป็นอิเล็กโทรดสามารถให้พลังงานจำเพาะและกำลังจำเพาะได้ 32.2 Wh/kg และ 747 W/kg อุปกรณ์ดังกล่าวแสดงให้เห็นถึงการคงความจุไว้ได้ 85.05% ตลอด 5000 รอบการทำงาน^{[ 81 ]}เท่าที่ทราบ ยังไม่มีซูเปอร์คาปาซิเตอร์เชิงพาณิชย์ใดที่มีอิเล็กโทรดแบบไม่สมมาตรดังกล่าววางจำหน่ายในตลาด

อิเล็กโทรไลต์

อิเล็กโทรไลต์ประกอบด้วยตัวทำละลายและสารเคมี ที่ละลายอยู่ ซึ่งจะแตกตัวเป็นแคตไอออน บวก และแอนไอออน ลบ ทำให้อิเล็กโทรไลต์นำไฟฟ้าได้ ยิ่งอิเล็กโทรไลต์มีไอออนมากเท่าไรการนำ ไฟฟ้าก็ยิ่งดีขึ้น เท่านั้น ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ อิเล็กโทรไลต์ทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่เชื่อมระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสอง นอกจากนี้ ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ อิเล็กโทรไลต์ยังให้โมเลกุลสำหรับชั้นโมโนเลเยอร์ที่แยกออกจากกันในชั้นคู่เฮล์มโฮลทซ์ และให้ไอออนสำหรับการเกิดความจุเทียม (pseudocapacitance)

อิเล็กโทรไลต์เป็นตัวกำหนดคุณลักษณะของตัวเก็บประจุ ได้แก่ แรงดันไฟฟ้าในการทำงาน ช่วงอุณหภูมิ ESR และความจุ ด้วยอิเล็กโทรดคาร์บอนที่เปิดใช้งานแบบเดียวกัน อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำจะให้ค่าความจุ 160 F/g ในขณะที่อิเล็กโทรไลต์อินทรีย์จะให้ค่าความจุเพียง 100 F/g ^{[ 85 ]}

สารละลายอิเล็กโทรไลต์ต้องเฉื่อยทางเคมีและไม่ทำปฏิกิริยากับวัสดุอื่นๆ ในตัวเก็บประจุ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของตัวเก็บประจุจะมีความเสถียรในระยะยาว ความหนืดของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ต้องต่ำพอที่จะซึมเข้าไปในโครงสร้างที่มีรูพรุนคล้ายฟองน้ำของอิเล็กโทรด สารละลายอิเล็กโทรไลต์ในอุดมคติไม่มีอยู่จริง จึงจำเป็นต้องมีการประนีประนอมระหว่างประสิทธิภาพและข้อกำหนดอื่นๆ

น้ำเป็นตัวทำละลายที่ดีพอสมควรสำหรับ สาร เคมีอนินทรีย์เมื่อทำปฏิกิริยากับกรดเช่นกรดซัลฟิวริก ( H₂O) SO )ด่างเช่นโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์(KOH) หรือเกลือเช่นเกลือฟอสโฟ โซเดียมเปอร์คลอเรต(NaClO) )ลิเธียมเปอร์คลอเรต(LiClO) ) หรือลิเธียมเฮกซาฟลูออไรด์อาร์เซเนต(LiAsF) ) น้ำมีค่าการนำไฟฟ้าค่อนข้างสูงประมาณ 100 ถึง 1000 mS/cm อิเล็กโทรไลต์ในน้ำมีแรงดันการแตกตัว 1.15 V ต่ออิเล็กโทรด (แรงดันตัวเก็บประจุ 2.3อุณหภูมิการทำงาน ค่อนข้างต่ำจึงใช้ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีพลังงานจำเพาะต่ำและกำลังจำเพาะสูง

อิเล็กโทรไลต์ที่มี ตัวทำละลาย อินทรีย์เช่นอะซีโตไนไตรล์ โพรพิลีนคาร์บอเนตเตตระ ไฮโดรฟิวแรน ไดเอทิลคาร์บอเนต แกมมา - บิวทิโรแล คโตนและสารละลายที่มีเกลือแอมโมเนียมควอเทอร์ นารี หรือเกลือแอมโมเนียมอัลคิล เช่น เตตระเอทิลแอมโมเนียมเตตระฟลูออโรโบเรต ( N(Et)เอฟ^{[ 86 ]} ) หรือ ไตรเอทิล (เมทิล) เตตระฟลูออโรโบเรต (NMe(Et)เอฟ ) มีราคาแพงกว่าอิเล็กโทรไลต์ในน้ำ แต่มีแรงดันการแยกตัวที่สูงกว่า โดยทั่วไปอยู่ที่ 1.35 V ต่ออิเล็กโทรด (แรงดันตัวเก็บประจุ 2.7 V) และมีช่วงอุณหภูมิที่สูงกว่า การนำไฟฟ้าที่ต่ำกว่าของตัวทำละลายอินทรีย์ (10 ถึง 60 mS/cm) ส่งผลให้กำลังจำเพาะต่ำลง แต่เนื่องจากพลังงานจำเพาะเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นจึงมีพลังงานจำเพาะที่สูงขึ้น

อิเล็กโทรไลต์ไอออนิกประกอบด้วยเกลือเหลวที่สามารถคงตัวได้ในหน้าต่างอิเล็กโทรเคมี ที่กว้างขึ้น ทำให้สามารถใช้แรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุได้สูงกว่า 3.5 V โดยทั่วไปอิเล็กโทรไลต์ไอออนิกจะมีค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกเพียงไม่กี่ mS/cm ซึ่งต่ำกว่าอิเล็กโทรไลต์ในน้ำหรืออิเล็กโทรไลต์อินทรีย์^{[ 87 ]}

ตัวคั่น

ตัวแยกต้องแยกอิเล็กโทรดทั้งสองออกจากกันเพื่อป้องกันการลัดวงจรจากการสัมผัสโดยตรง ตัวแยกอาจบางมาก (เพียงไม่กี่ร้อยมิลลิเมตร) และต้องมีรูพรุนมากสำหรับไอออนนำไฟฟ้าเพื่อลด ESR ให้เหลือน้อยที่สุด นอกจากนี้ ตัวแยกต้องเฉื่อยทางเคมีเพื่อปกป้องเสถียรภาพและการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ ส่วนประกอบราคาไม่แพงใช้กระดาษตัวเก็บประจุแบบเปิด การออกแบบที่ซับซ้อนกว่านั้นใช้ฟิล์มพอลิเมอร์ที่มีรูพรุนแบบไม่ทอ เช่นโพลีอะคริโลไนไตรล์หรือแคปตันเส้นใยแก้วทอ หรือเส้นใยเซรามิกทอที่มีรูพรุน^{[ 88 ]}^{[ 89 ]}

นักสะสมและที่อยู่อาศัย

ตัวเก็บกระแสไฟฟ้าทำหน้าที่เชื่อมต่อขั้วไฟฟ้าเข้ากับขั้วต่อของตัวเก็บประจุ ตัวเก็บกระแสไฟฟ้าอาจทำโดยการพ่นเคลือบลงบนขั้วไฟฟ้าหรือทำจากแผ่นฟอยล์โลหะ ต้องสามารถรองรับกระแสไฟฟ้าสูงสุดได้ถึง 100 แอมป์ หากตัวเรือนทำจากโลหะ (โดยทั่วไปคืออะลูมิเนียม) ตัวเก็บกระแสไฟฟ้าก็ควรทำจากวัสดุเดียวกันเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ กัดกร่อน

พารามิเตอร์ทางไฟฟ้า

ความจุ

วงจรสมมูลที่มีองค์ประกอบ RC แบบเรียงต่อกัน

ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความจุและความถี่ของ ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ขนาด 50 ฟารัด

ค่าความจุของตัวเก็บประจุเชิงพาณิชย์จะระบุไว้เป็น "ค่าความจุที่กำหนด C " ซึ่งเป็นค่าที่ตัวเก็บประจุได้รับการออกแบบมา ค่าของชิ้นส่วนจริงต้องอยู่ภายในขีดจำกัดที่กำหนดโดยค่าความคลาดเคลื่อนที่ระบุไว้ ค่าทั่วไปอยู่ในช่วงฟารัด (F) ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ถึงสามถึงหกอันดับค่าความจุเกิดจากพลังงาน $W$ (แสดงในหน่วยจูล ) ของตัวเก็บประจุที่ต่อโหลดด้วยแรง ดันไฟฟ้า กระแสตรง V

W={\frac {1}{2}}\cdot C_{\text{DC}}\cdot V_{\text{DC}}^{2}

ค่านี้เรียกอีกอย่างว่า "ค่าความจุไฟฟ้ากระแสตรง" (DC capacitance)

การวัด

โดยทั่วไปแล้ว ตัวเก็บประจุแบบดั้งเดิมจะวัดค่าด้วยแรงดัน ไฟฟ้ากระแสสลับต่ำ(0.5 V) และความถี่ 100 Hz หรือ 1 kHz ขึ้นอยู่กับชนิดของตัวเก็บประจุ การวัดค่าความจุด้วยกระแสสลับให้ผลลัพธ์ที่รวดเร็ว ซึ่งสำคัญสำหรับสายการผลิตในอุตสาหกรรม ค่าความจุของซูเปอร์คาปาซิเตอร์ขึ้นอยู่กับความถี่ในการวัดอย่างมาก ซึ่งเกี่ยวข้องกับโครงสร้างของอิเล็กโทรดที่มีรูพรุนและการเคลื่อนที่ของไอออนในอิเล็กโทรไลต์ที่จำกัด แม้แต่ที่ความถี่ต่ำเพียง 10 Hz ค่าความจุที่วัดได้ก็ลดลงจาก 100 เหลือเพียง 20 เปอร์เซ็นต์ของค่าความจุที่วัดด้วยกระแสตรง

ความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งอย่างมากระหว่างค่าความจุและความถี่นี้สามารถอธิบายได้ด้วยระยะทางที่ไอออนต้องเคลื่อนที่ในรูพรุนของอิเล็กโทรด บริเวณต้นรูพรุน ไอออนสามารถเข้าถึงได้ง่าย ระยะทางสั้นนี้จึงทำให้ความต้านทานไฟฟ้าต่ำ ยิ่งระยะทางที่ไอออนต้องเคลื่อนที่มากขึ้น ความต้านทานก็จะยิ่งสูงขึ้น ปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายได้ด้วยวงจรอนุกรมขององค์ประกอบ RC (ตัวต้านทาน/ตัวเก็บประจุ) ที่ต่อกันแบบอนุกรม โดยมีค่าคงที่เวลา RC แบบอนุกรม สิ่งเหล่านี้ส่งผลให้กระแสไฟฟ้าไหลช้าลง ลดพื้นที่ผิวอิเล็กโทรดทั้งหมดที่สามารถปกคลุมด้วยไอออนได้ หากขั้วเปลี่ยนไป – ค่าความจุจะลดลงเมื่อความถี่กระแสสลับเพิ่มขึ้น ดังนั้น ค่าความจุทั้งหมดจึงได้มาหลังจากเวลาการวัดที่นานขึ้นเท่านั้น ด้วยเหตุผลของความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งมากระหว่างค่าความจุและความถี่ พารามิเตอร์ทางไฟฟ้าตัวนี้จึงต้องวัดด้วยวิธีการวัดการชาร์จและการคายประจุด้วยกระแสคงที่แบบพิเศษ ซึ่งกำหนดไว้ใน มาตรฐาน IEC 62391-1 และ -2

การวัดเริ่มต้นด้วยการชาร์จตัวเก็บประจุ ต้องจ่ายแรงดันไฟฟ้าและหลังจากที่แหล่งจ่ายไฟกระแสคงที่/แรงดันคงที่ได้แรงดันไฟฟ้าตามที่กำหนดแล้ว ตัวเก็บประจุจะต้องถูกชาร์จเป็นเวลา 30 นาที จากนั้น ตัวเก็บประจุจะต้องถูกคายประจุด้วยกระแสคายประจุคงที่ I แล้วจึงวัดเวลา t และ t ที่แรงดันไฟฟ้าลดลงจาก 80% (V ) เหลือ 40% (V ) ของแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด ค่าความจุจะคำนวณได้ดังนี้:

C_{\text{total}}=I_{\text{discharge}}\cdot {\frac {t_{2}-t_{1}}{V_{1}-V_{2}}}

ค่ากระแสไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจะถูกกำหนดโดยการใช้งาน มาตรฐาน IEC กำหนดไว้สี่ระดับ:

การสำรองข้อมูลหน่วยความจำ กระแสไฟคายประจุในหน่วย mA = 1 • C (F)
การเก็บพลังงาน กระแสคายประจุในหน่วย mA = 0.4 • C (F) • V (V)
กำลังไฟฟ้า กระแสคายประจุในหน่วยมิลลิแอมป์ = 4 • C (F) • V (V)
กำลังไฟฟ้าทันที กระแสไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาในหน่วย mA = 40 • C (F) • V (V)

วิธีการวัดที่ผู้ผลิตแต่ละรายใช้นั้นส่วนใหญ่เทียบได้กับวิธีการมาตรฐาน^{[ 90 ]}^{[ 91 ]}

วิธีการวัดแบบมาตรฐานนั้นใช้เวลานานเกินไปสำหรับผู้ผลิตที่จะนำไปใช้ในการผลิตชิ้นส่วนแต่ละชิ้น ดังนั้น สำหรับตัวเก็บประจุที่ผลิตในระดับอุตสาหกรรม ค่าความจุจะถูกวัดด้วยแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับความถี่ต่ำซึ่งเร็วกว่า และใช้ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ในการคำนวณค่าความจุที่กำหนด

การพึ่งพาความถี่นี้ส่งผลต่อการทำงานของตัวเก็บประจุ วงจรการชาร์จและการคายประจุอย่างรวดเร็วหมายความว่าทั้งค่าความจุที่กำหนดและพลังงานจำเพาะจะไม่สามารถใช้งานได้ ในกรณีนี้ ค่าความจุที่กำหนดจะถูกคำนวณใหม่สำหรับแต่ละสภาวะการใช้งาน

เวลาtที่ตัวเก็บประจุยิ่งยวดสามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าคงที่I ได้นั้น สามารถคำนวณได้ดังนี้:

t={\frac {C\cdot (U_{\text{charge}}-U_{\text{min}})}{I}}

เมื่อแรงดันของตัว เก็บประจุลดลงจาก U ลงไปจนถึง U

หากแอปพลิเคชันต้องการกำลังไฟฟ้าP คงที่ในช่วงเวลา tใดๆสามารถคำนวณได้ดังนี้:

t={\frac {1}{2P}}\cdot C\cdot (U_{\text{charge}}^{2}-U_{\text{min}}^{2}).

โดยที่แรงดันของตัวเก็บประจุจะลดลงจาก U ลงไป จนถึงU

แรงดันไฟฟ้าใช้งาน

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดขนาด 5.5 โวลต์ สร้างขึ้นจากเซลล์เดี่ยวสองเซลล์ แต่ละเซลล์มีพิกัดแรงดันอย่างน้อย 2.75 โวลต์ ต่ออนุกรมกัน

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นชิ้นส่วนที่ใช้แรงดันไฟฟ้าต่ำ การทำงานอย่างปลอดภัยต้องรักษาแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ภายในขีดจำกัดที่กำหนด แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด (UR คือแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูงสุดหรือแรงดันไฟฟ้าพัลส์สูงสุดที่สามารถใช้งานได้อย่างต่อเนื่องและต้องอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด ไม่ควรใช้งานคาปาซิเตอร์ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่เกินกว่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดอย่างต่อเนื่อง

แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้รวมถึงระยะปลอดภัยเพื่อป้องกันแรงดัน ไฟฟ้า ที่ทำให้สารละลายอิ เล็กโทรไลต์ สลายตัว แรงดันไฟฟ้าดังกล่าวจะทำให้โมเลกุลของตัวทำละลายที่ทำหน้าที่แยกประจุในชั้นคู่ของเฮล์มโฮลทซ์สลายตัว เช่นน้ำจะแตกตัวเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนจากนั้นโมเลกุลของตัวทำละลายจะไม่สามารถแยกประจุไฟฟ้าออกจากกันได้ แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้จะทำให้เกิดก๊าซไฮโดรเจนหรือไฟฟ้าลัดวงจร

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์มาตรฐานที่มีอิเล็กโทรไลต์แบบน้ำมักจะระบุแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้ที่ 2.1 ถึง 2.3 V และคาปาซิเตอร์ที่มีตัวทำละลายอินทรีย์ที่ 2.5 ถึง 2.7 V คาปาซิเตอร์ลิเธียมไอออนที่มีอิเล็กโทรดแบบเจือปนอาจมีแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้ที่ 3.8 ถึง 4 V แต่มีขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าต่ำสุดประมาณ 2.2 V ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีอิเล็กโทรไลต์ไอออนิกสามารถมีแรงดันไฟฟ้าใช้งานเกิน 3.5 V ได้ ^{[ 87 ]}

การใช้งานซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่แรงดันต่ำกว่าแรงดันที่กำหนดจะช่วยปรับปรุงพฤติกรรมในระยะยาวของพารามิเตอร์ทางไฟฟ้า ค่าความจุและความต้านทานภายในระหว่างการใช้งานจะมีเสถียรภาพมากขึ้น และอายุการใช้งานและรอบการชาร์จ/คายประจุอาจยืดออกไปได้^{[ 91 ]}

แรงดันไฟฟ้าใช้งานที่สูงขึ้นจำเป็นต้องต่อเซลล์แบบอนุกรม เนื่องจากแต่ละส่วนประกอบมีค่าความจุและ ESR ที่แตกต่างกันเล็กน้อย จึงจำเป็นต้องปรับสมดุลแบบแอคทีฟหรือแบบพาสซีฟเพื่อรักษาเสถียรภาพของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ การปรับสมดุลแบบพาสซีฟใช้ตัวต้านทานแบบขนานกับซูเปอร์คาปาซิเตอร์ การปรับสมดุลแบบแอคทีฟอาจรวมถึงการจัดการแรงดันไฟฟ้าทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สูงกว่าเกณฑ์ที่กำหนด ซึ่งจะทำให้กระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไป

ความต้านทานภายใน

สามารถคำนวณค่าความต้านทานกระแสตรงภายในได้จากค่าแรงดันตกคร่อมที่ได้จากจุดตัดของเส้นเสริมที่ต่อจากส่วนตรงและฐานเวลา ณ เวลาที่เริ่มการคายประจุ

การชาร์จ/คายประจุของซูเปอร์คาปาซิเตอร์เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของตัวนำประจุ (ไอออน) ในอิเล็กโทรไลต์ ผ่านตัวแยกไปยังอิเล็กโทรดและเข้าไปในโครงสร้างที่มีรูพรุน การสูญเสียเกิดขึ้นระหว่างการเคลื่อนที่นี้ ซึ่งสามารถวัดได้ในรูปของความต้านทานกระแสตรงภายใน

ด้วยแบบจำลองทางไฟฟ้าขององค์ประกอบ RC (ตัวต้านทาน/ตัวเก็บประจุ) ที่ต่ออนุกรมกันในรูพรุนของอิเล็กโทรด ความต้านทานภายในจะเพิ่มขึ้นตามความลึกของการแทรกซึมของตัวนำประจุเข้าไปในรูพรุน ความต้านทานกระแสตรงภายในขึ้นอยู่กับเวลาและเพิ่มขึ้นระหว่างการชาร์จ/คายประจุ ในการใช้งานส่วนใหญ่มักจะสนใจเฉพาะช่วงเปิดและปิดเท่านั้น ความต้านทานภายใน Ri คำนวณได้จากแรงดันตก ΔV2 ขณะที่คายประจุ โดยเริ่มจากกระแสคายประจุคงที่ Idischarge ได้จากจุดตัดของเส้นเสริมที่ต่อจากส่วนตรงและฐานเวลาในขณะที่เริ่มคายประจุ (ดูภาพด้านขวา) สามารถคำนวณความต้านทานได้โดย:

R_{\text{i}}={\frac {\Delta V_{2}}{I_{\text{discharge}}}}

กระแสไฟฟ้าปล่อย I สำหรับการวัดความต้านทานภายใน สามารถนำมาจากการจำแนกประเภทตามมาตรฐาน IEC 62391-1 ได้

ค่าความต้านทานกระแสตรงภายใน R นี้ ไม่ควรสับสนกับค่าความต้านทานกระแสสลับภายในที่เรียกว่าค่าความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า (ESR) ซึ่งโดยปกติจะระบุไว้สำหรับตัวเก็บประจุ ค่า ESR จะวัดที่ความถี่ 1 kHz ค่า ESR น้อยกว่าค่าความต้านทานกระแสตรงมาก ดังนั้น ESR จึงไม่เกี่ยวข้องกับการคำนวณกระแสไฟกระชากหรือกระแสสูงสุดอื่นๆ ของซูเปอร์คาปาซิเตอร์

ค่า R เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติหลายประการของซูเปอร์คาปาซิเตอร์ มันจำกัดกระแสสูงสุดในการชาร์จและคายประจุ รวมถึงเวลาในการชาร์จ/คายประจุ ค่า R และค่าความจุ C ส่งผลให้เกิดค่าคงที่เวลา $\tau$

\tau =R_{\text{i}}\cdot C

ค่าคงที่เวลาดังกล่าวเป็นตัวกำหนดเวลาในการชาร์จ/คายประจุตัวอย่างเช่น ตัวเก็บประจุขนาด 100 ฟารัด ที่มีความต้านทานภายใน 30 มิลลิโอห์ม จะมีค่าคงที่เวลาเท่ากับ 0.03 • 100 = 3 วินาที หลังจากชาร์จเป็นเวลา 3 วินาที ด้วยกระแสไฟฟ้าที่จำกัดโดยความต้านทานภายในเท่านั้น ตัวเก็บประจุจะมีประจุ 63.2% ของประจุเต็ม (หรือคายประจุจนเหลือ 36.8% ของประจุเต็ม)

ตัวเก็บประจุมาตรฐานที่มีความต้านทานภายในคงที่ จะชาร์จเต็มในเวลาประมาณ 5 นาที $\tau$ เนื่องจากความต้านทานภายในเพิ่มขึ้นตามการชาร์จ/คายประจุ จึงไม่สามารถคำนวณเวลาจริงได้ด้วยสูตรนี้ ดังนั้น เวลาในการชาร์จ/คายประจุจึงขึ้นอยู่กับรายละเอียดการผลิตเฉพาะของแต่ละบุคคล

ความเสถียรของโหลดปัจจุบันและรอบการทำงาน

เนื่องจากซูเปอร์คาปาซิเตอร์ทำงานโดยไม่เกิดพันธะเคมี กระแสไฟฟ้าที่รับได้ รวมถึงกระแสชาร์จ กระแสคายประจุ และกระแสสูงสุด จึงไม่ถูกจำกัดด้วยข้อจำกัดของปฏิกิริยา กระแสไฟฟ้าที่รับได้และความเสถียรของรอบการใช้งานจึงสูงกว่าแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้มาก กระแสไฟฟ้าที่รับได้ถูกจำกัดโดยความต้านทานภายในเท่านั้น ซึ่งอาจต่ำกว่าแบตเตอรี่อย่างมาก

ความต้านทานภายใน "R " และกระแสการชาร์จ/คายประจุ หรือกระแสสูงสุด "I" ก่อให้เกิดการสูญเสียความร้อนภายใน "P " ตามสมการ:

P_{\text{loss}}=R_{\text{i}}\cdot I^{2}

ความร้อนนี้จะต้องถูกระบายออกและกระจายไปยังสภาพแวดล้อมโดยรอบ เพื่อรักษาระดับอุณหภูมิในการทำงานให้ต่ำกว่าอุณหภูมิสูงสุดที่กำหนดไว้

โดยทั่วไปแล้ว ความร้อนเป็นปัจจัยกำหนดอายุการใช้งานของตัวเก็บประจุเนื่องจากการแพร่กระจายของอิเล็กโทรไลต์ ความร้อนที่เกิดขึ้นจากกระแสไฟฟ้าควรน้อยกว่า 5 ถึง 10 เคลวินที่อุณหภูมิแวดล้อมสูงสุด (ซึ่งมีผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่ออายุการใช้งานที่คาดหวัง) ด้วยเหตุนี้ กระแสการชาร์จและการคายประจุที่ระบุสำหรับการใช้งานซ้ำๆ จึงถูกกำหนดโดยความต้านทานภายใน

พารามิเตอร์วงจรที่ระบุภายใต้สภาวะสูงสุด ได้แก่ กระแสการชาร์จและการคายประจุ ระยะเวลาพัลส์ และความถี่ พารามิเตอร์เหล่านี้ระบุไว้สำหรับช่วงอุณหภูมิที่กำหนดและตลอดช่วงแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดสำหรับอายุการใช้งานที่กำหนด พารามิเตอร์เหล่านี้อาจแตกต่างกันอย่างมาก ขึ้นอยู่กับการรวมกันของความพรุนของอิเล็กโทรด ขนาดรูพรุน และอิเล็กโทรไลต์ โดยทั่วไปแล้ว โหลดกระแสที่ต่ำกว่าจะช่วยยืดอายุการใช้งานของตัวเก็บประจุและเพิ่มจำนวนรอบการทำงาน ซึ่งสามารถทำได้โดยการใช้ช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าหรือการชาร์จและการคายประจุที่ช้าลง^{[ 91 ]}

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ (ยกเว้นชนิดที่มีอิเล็กโทรดโพลีเมอร์) สามารถรองรับรอบการชาร์จ/คายประจุได้มากกว่าหนึ่งล้านรอบโดยไม่ทำให้ความจุลดลงอย่างมีนัยสำคัญหรือความต้านทานภายในเพิ่มขึ้น นี่คือข้อได้เปรียบที่สำคัญประการที่สองของซูเปอร์คาปาซิเตอร์เหนือแบตเตอรี่ ภายใต้ภาระกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้น ความเสถียรนี้เกิดจากหลักการจัดเก็บแบบไฟฟ้าสถิตและทางเคมีไฟฟ้าควบคู่กันไป

กระแสประจุและคายประจุที่ระบุสามารถเกินได้อย่างมากโดยการลดความถี่หรือโดยพัลส์เดี่ยว ความร้อนที่เกิดจากพัลส์เดี่ยวอาจกระจายไปตามเวลาจนกว่าจะเกิดพัลส์ถัดไปเพื่อให้แน่ใจว่าความร้อนเฉลี่ยเพิ่มขึ้นค่อนข้างน้อย กระแสพลังงานสูงสุดดังกล่าวสำหรับการใช้งานพลังงานสำหรับซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีมากกว่า 1000 F สามารถให้กระแสสูงสุดประมาณ 1000 A ^{[ 92 ]}กระแสสูงดังกล่าวสร้างความเครียดทางความร้อนสูงและแรงแม่เหล็กไฟฟ้าสูงที่สามารถสร้างความเสียหายให้กับการเชื่อมต่ออิเล็กโทรด-คอลเลคเตอร์ได้ จึงจำเป็นต้องมีการออกแบบและการสร้างคาปาซิเตอร์ที่แข็งแรงทนทาน

ความจุและความต้านทานของอุปกรณ์ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิในการทำงาน

พารามิเตอร์ของอุปกรณ์ เช่น ความจุ ความต้านทานเริ่มต้น และความต้านทานสภาวะคงที่ ไม่คงที่ แต่แปรผันและขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าในการทำงานของอุปกรณ์ ความจุของอุปกรณ์จะเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเมื่อแรงดันไฟฟ้าในการทำงานเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ 100F จะแปรผัน 26% จากความจุสูงสุดในช่วงแรงดันไฟฟ้าในการทำงานทั้งหมด ความขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่คล้ายกันนี้พบได้ในความต้านทานสภาวะคงที่ (R ) และความต้านทานเริ่มต้น (R ) ^{[ 93 ]}คุณสมบัติของอุปกรณ์ยังอาจขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของอุปกรณ์ด้วย เมื่ออุณหภูมิของอุปกรณ์เปลี่ยนแปลง ไม่ว่าจะเกิดจากการทำงานหรืออุณหภูมิแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลง คุณสมบัติภายใน เช่น ความจุและความต้านทานก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย ความจุของอุปกรณ์จะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิในการทำงานเพิ่มขึ้น^{[ 93 ]}

ความจุพลังงาน

แผนภูมิ Ragoneแสดงความสัมพันธ์ระหว่างกำลังจำเพาะกับพลังงานจำเพาะของตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่ชนิดต่างๆ

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่อยู่ระหว่างตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ที่ มีกำลังสูง/พลังงานต่ำ และ แบตเตอรี่แบบชาร์จได้ที่มีกำลังต่ำ/พลังงานสูงพลังงานสูงสุด (Wmax (แสดงในหน่วยจูล ) ที่สามารถเก็บไว้ในตัวเก็บประจุได้นั้น คำนวณได้จากสูตร

W_{\text{max}}={\frac {1}{2}}\cdot C_{\text{total}}\cdot V_{\text{loaded}}^{2}

สูตรนี้อธิบายถึงปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ และมักใช้เพื่ออธิบายความสำเร็จในการวิจัยใหม่ๆ อย่างไรก็ตาม พลังงานที่เก็บไว้เพียงบางส่วนเท่านั้นที่สามารถนำไปใช้งานได้ เนื่องจากแรงดันตกและค่าคงที่เวลาของความต้านทานภายในทำให้ประจุที่เก็บไว้บางส่วนไม่สามารถเข้าถึงได้ ปริมาณพลังงานที่ใช้งานได้จริง W จะลดลงตามความแตกต่างของแรงดันระหว่าง V และ V และสามารถแสดงได้ดังนี้:

W_{\text{eff}}={\frac {1}{2}}\ C\cdot \ (V_{\text{max}}^{2}-V_{\text{min}}^{2})

สูตรนี้ยังแสดงถึงส่วนประกอบแรงดันไฟฟ้าที่ไม่สมมาตรทางพลังงาน เช่น ตัวเก็บประจุลิเธียมไอออน

พลังงานจำเพาะและกำลังจำเพาะ

ปริมาณพลังงานที่สามารถเก็บไว้ในตัวเก็บประจุต่อมวลของตัวเก็บประจุนั้น เรียกว่าพลังงานจำเพาะพลังงานจำเพาะวัดได้ในเชิงน้ำหนัก (ต่อหน่วยมวล ) ใน หน่วย วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม (Wh/kg)

ปริมาณพลังงานที่สามารถเก็บไว้ในตัวเก็บประจุต่อปริมาตรของตัวเก็บประจุนั้น เรียกว่า ความหนาแน่นของพลังงาน (หรือเรียกว่า พลังงานจำเพาะต่อปริมาตร ในบางตำรา) ความหนาแน่นของพลังงานวัดเป็นหน่วยปริมาตร (ต่อหน่วยปริมาตร) ในหน่วยวัตต์-ชั่วโมงต่อลิตร (Wh/L) สามารถใช้หน่วยลิตรและลูกบาศก์^{เดซิเมตร แทนกันได้}

ข้อมูล ณ ปี 2013ความหนาแน่นของพลังงานเชิงพาณิชย์มีความแตกต่างกันอย่างมาก แต่โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงประมาณ 5 ถึง8 วัตต์ชั่วโมงต่อลิตรเมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว น้ำมันเบนซินมีความหนาแน่นพลังงาน 32.4 เมกะจูลต่อลิตร หรือ9000 Wh/L [ ^{94 ] พลังงาน}จำเพาะเชิงพาณิชย์มีตั้งแต่ประมาณ 0.5 ถึง15 Wh/kgเพื่อเปรียบเทียบ ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียมโดยทั่วไปจะเก็บพลังงานได้ 0.01 ถึง0.3 Wh/kg ในขณะที่ แบตเตอรี่ตะกั่วกรดทั่วไปเก็บพลังงานได้ประมาณ 30 ถึง 100 Wh/kg40 Wh/kgและแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน สมัยใหม่ 100 ถึง265 Wh/kgดังนั้น ซูเปอร์คาปาซิเตอร์จึงสามารถเก็บพลังงานได้มากกว่าอิเล็กโทรไลติกคาปาซิเตอร์ถึง 10 ถึง 100 เท่า แต่เพียงหนึ่งในสิบของแบตเตอรี่เท่านั้นเพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิง น้ำมันเบนซินมีพลังงานจำเพาะ 44.4 MJ/kg หรือ12,300 วัตต์ -กิโลกรัม

แม้ว่าพลังงานจำเพาะของซูเปอร์คาปาซิเตอร์จะอยู่ในระดับที่น่าพอใจเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ แต่คาปาซิเตอร์ก็มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้าน กำลัง จำเพาะกำลังจำเพาะอธิบายถึงความเร็วในการส่งพลังงานไปยังโหลด (หรือในการชาร์จอุปกรณ์ จะดูดซับจากตัวกำเนิด) กำลังสูงสุด Pmax ถึงกำลังของกระแสสูงสุดแบบสี่เหลี่ยมผืนผ้าตามทฤษฎีที่แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด ในวงจรจริง กระแสสูงสุดจะไม่เป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า และแรงดันไฟฟ้าจะน้อยกว่า เนื่องจากแรงดันตก ดังนั้น IEC 62391–2 จึงกำหนดกำลังประสิทธิผล Peff ที่สมจริงกว่าซูเปอร์คาปาซิเตอร์สำหรับการใช้งานด้านพลังงาน ซึ่งมีค่าครึ่งหนึ่งของค่าสูงสุด และกำหนดโดยสูตรต่อไปนี้ :

P_{\text{eff}}={\frac {1}{8}}\cdot {\frac {V^{2}}{R_{i}}}

,

P_{\text{max}}={\frac {1}{4}}\cdot {\frac {V^{2}}{R_{i}}}

โดยที่ V คือแรงดันไฟฟ้าที่จ่าย และ Ri ความต้านทานกระแสตรงภายในของตัวเก็บประจุ

เช่นเดียวกับพลังงานจำเพาะ กำลังจำเพาะจะวัดได้ทั้งในเชิงน้ำหนักเป็นกิโลวัตต์ต่อกิโลกรัม (kW/kg, กำลังจำเพาะ) หรือในเชิงปริมาตรเป็นกิโลวัตต์ต่อลิตร (kW/L, ความหนาแน่นของกำลัง) กำลังจำเพาะของซูเปอร์คาปาซิเตอร์โดยทั่วไปจะมากกว่าแบตเตอรี่ 10 ถึง 100 เท่า และสามารถมีค่าได้สูงถึง 15 kW/kg

แผนภูมิ Ragoneเชื่อมโยงพลังงานกับกำลัง และเป็นเครื่องมือที่มีค่าสำหรับการกำหนดลักษณะและแสดงภาพส่วนประกอบการจัดเก็บพลังงาน ด้วยแผนภาพดังกล่าว ตำแหน่งของกำลังจำเพาะและพลังงานจำเพาะของเทคโนโลยีการจัดเก็บที่แตกต่างกันสามารถเปรียบเทียบได้ง่าย ดูแผนภาพ^{[ 95 ]}^{[ 96 ]}

ตลอดชีวิต

เนื่องจากซูเปอร์คาปาซิเตอร์ไม่อาศัยการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในอิเล็กโทรด (ยกเว้นชนิดที่มีอิเล็กโทรดเป็นพอลิเมอร์) อายุการใช้งานจึงขึ้นอยู่กับอัตราการระเหยของอิเล็กโทรไลต์เหลวเป็นหลัก การระเหยนี้โดยทั่วไปเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ กระแสไฟฟ้า ความถี่ของวงจร และแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าและความถี่ของวงจรทำให้เกิดความร้อนภายใน ดังนั้นอุณหภูมิที่กำหนดการระเหยจึงเป็นผลรวมของความร้อนจากสิ่งแวดล้อมและความร้อนภายใน อุณหภูมินี้สามารถวัดได้จากอุณหภูมิแกนกลางที่อยู่ตรงกลางของตัวคาปาซิเตอร์ ยิ่งอุณหภูมิแกนกลางสูง การระเหยก็จะยิ่งเร็ว และอายุการใช้งานก็จะยิ่งสั้นลง

โดยทั่วไป การระเหยจะส่งผลให้ค่าความจุลดลงและค่าความต้านทานภายในเพิ่มขึ้น ตามมาตรฐาน IEC/EN 62391-2 การลดลงของค่าความจุมากกว่า 30% หรือค่าความต้านทานภายในที่เกินกว่าสี่เท่าของค่าที่ระบุไว้ในเอกสารข้อมูลจำเพาะ ถือเป็น "ความเสียหายจากการสึกหรอ" ซึ่งหมายความว่าชิ้นส่วนนั้นหมดอายุการใช้งานแล้ว ตัวเก็บประจุยังคงใช้งานได้ แต่มีประสิทธิภาพลดลง ว่าการเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์เหล่านี้จะมีผลต่อการทำงานที่ถูกต้องหรือไม่นั้น ขึ้นอยู่กับการใช้งานของตัวเก็บประจุ

การเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าขนาดใหญ่ดังกล่าวที่ระบุไว้ใน IEC/EN 62391-2 มักจะไม่เป็นที่ยอมรับสำหรับการใช้งานโหลดกระแสสูง ส่วนประกอบที่รองรับโหลดกระแสสูงจะใช้ขีดจำกัดที่เล็กกว่ามากเช่นการสูญเสียความจุ 20% หรือความต้านทานภายในเป็นสองเท่า^{[ 97 ]}คำจำกัดความที่แคบลงมีความสำคัญสำหรับการใช้งานดังกล่าว เนื่องจากความร้อนจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้น และไม่ควรเกินอุณหภูมิสูงสุด อุณหภูมิที่สูงกว่าที่กำหนดอาจทำให้ตัวเก็บประจุเสียหายได้

อายุการใช้งานจริงของซูเปอร์คาปาซิเตอร์ หรือที่เรียกว่า " อายุการใช้งาน " "อายุคาดเฉลี่ย" หรือ "ระยะเวลาการใช้งาน" อาจยาวนานถึง 10 ถึง 15 ปีหรือมากกว่านั้น ที่อุณหภูมิห้อง ผู้ผลิตไม่สามารถทดสอบระยะเวลาที่ยาวนานเช่นนี้ได้ ดังนั้นพวกเขาจึงระบุอายุการใช้งานที่คาดหวังของคาปาซิเตอร์ที่อุณหภูมิและแรงดันสูงสุด ผลลัพธ์จะระบุไว้ในเอกสารข้อมูลโดยใช้สัญลักษณ์ "เวลาที่ทดสอบ (ชั่วโมง)/อุณหภูมิสูงสุด (°C)" เช่น "5000 ชั่วโมง/65 °C" ด้วยค่านี้และสูตรที่ได้มาจากข้อมูลในอดีต เราสามารถประมาณอายุการใช้งานสำหรับสภาวะอุณหภูมิที่ต่ำกว่าได้

ข้อมูลจำเพาะด้านอายุการใช้งานในเอกสารข้อมูลผลิตภัณฑ์นั้น ผู้ผลิตจะทดสอบโดยใช้ การทดสอบ การเสื่อมสภาพแบบเร่งด่วนที่เรียกว่า "การทดสอบความทนทาน" โดยใช้Sอุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าสูงสุดในช่วงเวลาที่กำหนด เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มี "ข้อบกพร่องเป็นศูนย์" จะต้องไม่มีการสึกหรอหรือความเสียหายโดยสิ้นเชิงเกิดขึ้นระหว่างการทดสอบนี้

ข้อมูลจำเพาะด้านอายุการใช้งานจากเอกสารข้อมูลทางเทคนิคสามารถใช้ในการประมาณอายุการใช้งานที่คาดหวังสำหรับการออกแบบที่กำหนดได้ กฎ "10 องศา" ที่ใช้สำหรับตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ที่มีอิเล็กโทรไลต์แบบไม่แข็งตัวนั้นถูกนำมาใช้ในการประมาณการเหล่านี้ และสามารถใช้กับซูเปอร์คาปาซิเตอร์ได้ กฎนี้ใช้สมการของอาร์เรเนียส ซึ่งเป็นสูตรอย่างง่ายสำหรับการพึ่งพาอุณหภูมิของอัตราการเกิดปฏิกิริยา ทุกๆ การลดอุณหภูมิในการทำงานลง 10 องศาเซลเซียส อายุการใช้งานที่คาดการณ์ไว้จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า

L_{x}=L_{0}\cdot 2^{\frac {T_{0}-T_{x}}{10}}

กับ:

L = อายุการใช้งานโดยประมาณ
L = อายุการใช้งานที่กำหนด
T = อุณหภูมิตัวเก็บประจุสูงสุดที่กำหนดไว้
T = อุณหภูมิการทำงานจริงของเซลล์ตัวเก็บประจุ

เมื่อคำนวณด้วยสูตรนี้ ตัวเก็บประจุที่ระบุอายุการใช้งาน 5,000 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 65 องศาเซลเซียส จะมีอายุการใช้งานโดยประมาณ 20,000 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 45 องศาเซลเซียส

อายุการใช้งานยังขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานด้วย เนื่องจากปริมาณการเกิดก๊าซในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า ยิ่งแรงดันไฟฟ้าต่ำ ปริมาณการเกิดก๊าซก็จะยิ่งน้อย และอายุการใช้งานก็จะยิ่งนานขึ้น ไม่มีสูตรทั่วไปที่เชื่อมโยงแรงดันไฟฟ้ากับอายุการใช้งาน เส้นกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้ากับอายุการใช้งานในรูปเป็นผลลัพธ์เชิงประจักษ์จากผู้ผลิตรายหนึ่งเท่านั้น

อายุการใช้งานของอุปกรณ์ที่ใช้ในงานด้านพลังงานอาจถูกจำกัดด้วยกระแสไฟฟ้าหรือจำนวนรอบการใช้งาน ข้อจำกัดนี้จะต้องระบุโดยผู้ผลิตที่เกี่ยวข้อง และขึ้นอยู่กับประเภทของอุปกรณ์เป็นอย่างมาก

การปลดปล่อยด้วยตนเอง

การเก็บพลังงานไฟฟ้าในชั้นคู่จะแยกตัวนำประจุภายในรูพรุนด้วยระยะทางในระดับโมเลกุล ความผิดปกติสามารถเกิดขึ้นได้ในระยะทางสั้นๆ นี้ ทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนตัวนำประจุเล็กน้อยและการคายประจุอย่างค่อยเป็นค่อยไป การคายประจุเองนี้เรียกว่ากระแสรั่วไหลการรั่วไหลขึ้นอยู่กับความจุ แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิ และความเสถียรทางเคมีของส่วนผสมอิเล็กโทรด/อิเล็กโทรไลต์ ที่อุณหภูมิห้อง การรั่วไหลต่ำมากจนระบุเป็นเวลาในการคายประจุเองเป็นชั่วโมง วัน หรือสัปดาห์ ตัวอย่างเช่น ตัวเก็บประจุ Panasonic "Goldcapacitor" ขนาด 5.5 V/F ระบุว่าแรงดันไฟฟ้าลดลงที่ 20 °C จาก 5.5 V เป็น 3 V ใน 600 ชั่วโมง (25 วันหรือ 3.6 สัปดาห์) สำหรับตัวเก็บประจุแบบสองเซลล์^{[ 98 ]}

การคลายตัวของแรงดันไฟฟ้าหลังการชาร์จ

สังเกตได้ว่าหลังจากที่ EDLC ได้รับการชาร์จหรือคายประจุ แรงดันไฟฟ้าจะค่อยๆ เปลี่ยนแปลงไปตามเวลา โดยจะค่อยๆ กลับสู่ระดับแรงดันไฟฟ้าก่อนหน้า การคลายตัวที่สังเกตได้นี้อาจเกิดขึ้นได้ภายในเวลาหลายชั่วโมง และน่าจะเกิดจากค่าคงที่เวลาการแพร่กระจายที่ยาวนานของอิเล็กโทรดที่มีรูพรุนภายใน EDLC ^{[ 93 ]}

ขั้ว

เนื่องจากขั้วบวกและขั้วลบ (หรือเรียกง่ายๆ ว่า โพซิตโรดและเนกาโตรด ตามลำดับ) ของซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบสมมาตรประกอบด้วยวัสดุชนิดเดียวกัน ในทางทฤษฎีแล้ว ซูเปอร์คาปาซิเตอร์จึงไม่มีขั้วที่ แท้จริง และโดยปกติแล้วจะไม่เกิดความเสียหายร้ายแรง อย่างไรก็ตาม การชาร์จย้อนกลับของซูเปอร์คาปาซิเตอร์จะลดความจุลง ดังนั้นจึงแนะนำให้รักษาขั้วที่เกิดจากการขึ้นรูปอิเล็กโทรดในระหว่างการผลิต ซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบไม่สมมาตรนั้นมีขั้วโดยธรรมชาติ

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบซูโดคาปาซิเตอร์และไฮบริดที่มีคุณสมบัติการประจุไฟฟ้าเคมี อาจไม่สามารถใช้งานกับขั้วย้อนกลับได้ ทำให้ไม่สามารถใช้งานในกระแสสลับได้ อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดนี้ไม่ใช้กับซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบ EDLC

แถบในปลอกฉนวนระบุขั้วลบในชิ้นส่วนที่มีขั้ว

ในเอกสารบางฉบับ คำว่า "แอโนด" และ "แคโทด" ถูกใช้แทนคำว่าขั้วลบและขั้วบวก การใช้แอโนดและแคโทดเพื่ออธิบายขั้วไฟฟ้าในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ (และแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ รวมถึงแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน) อาจทำให้เกิดความสับสนได้ เนื่องจากขั้วไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงไปขึ้นอยู่กับว่าส่วนประกอบนั้นถูกพิจารณาว่าเป็นตัวสร้างหรือตัวใช้กระแสไฟฟ้า ในทางเคมีไฟฟ้า แคโทดและแอโนดเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยารีดักชันและออกซิเดชันตามลำดับ อย่างไรก็ตาม ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้หลักความจุไฟฟ้าแบบสองชั้น จะไม่มีปฏิกิริยาออกซิเดชันหรือรีดักชันเกิดขึ้นที่ขั้วไฟฟ้าทั้งสอง ดังนั้น แนวคิดของแคโทดและแอโนดจึงไม่สามารถนำมาใช้ได้

การเปรียบเทียบซูเปอร์คาปาซิเตอร์เชิงพาณิชย์ที่เลือกไว้

ความหลากหลายของอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ที่มีอยู่ ทำให้ได้ส่วนประกอบที่หลากหลายซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน การพัฒนาระบบอิเล็กโทรไลต์ที่มีความต้านทานต่ำ ร่วมกับอิเล็กโทรดที่มีค่าความจุเทียมสูง ช่วยให้สามารถสร้างสรรค์โซลูชันทางเทคนิคได้มากขึ้น

ตารางต่อไปนี้แสดงความแตกต่างระหว่างตัวเก็บประจุของผู้ผลิตต่างๆ ในช่วงความจุ แรงดันเซลล์ ความต้านทานภายใน (ESR ค่า DC หรือ AC) และพลังงานจำเพาะเชิงปริมาตรและเชิงน้ำหนัก ในตาราง ESR หมายถึงส่วนประกอบที่มีค่าความจุสูงสุดของผู้ผลิตนั้นๆ โดยคร่าวๆ แล้ว ตัวเก็บประจุยิ่งยวดจะแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม กลุ่มแรกมีค่า ESR สูงกว่าประมาณ 20 มิลลิโอห์ม และมีความจุค่อนข้างน้อยตั้งแต่ 0.1 ถึง 470 F ซึ่งเรียกว่า "ตัวเก็บประจุสองชั้น" สำหรับการสำรองข้อมูลหน่วยความจำหรือการใช้งานที่คล้ายคลึงกัน กลุ่มที่สองมีค่า 100 ถึง 10,000 F โดยมีค่า ESR ต่ำกว่า 1 มิลลิโอห์มอย่างมาก ส่วนประกอบเหล่านี้เหมาะสำหรับการใช้งานด้านพลังงาน ความสัมพันธ์ของตัวเก็บประจุยิ่งยวดบางซีรีส์ของผู้ผลิตต่างๆ กับคุณลักษณะโครงสร้างต่างๆ มีให้ใน Pandolfo และ Hollenkamp ^{[ 42 ]}

ในตัวเก็บประจุแบบสองชั้นเชิงพาณิชย์ หรือโดยเฉพาะอย่างยิ่ง EDLC ซึ่งการเก็บพลังงานส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากความจุของชั้นคู่ พลังงานจะถูกเก็บโดยการสร้างชั้นคู่ทางไฟฟ้าของไอออนอิเล็กโทรไลต์บนพื้นผิวของอิเล็กโทรดตัวนำ เนื่องจาก EDLC ไม่ถูกจำกัดด้วยจลนศาสตร์การถ่ายโอนประจุทางเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่ จึงสามารถชาร์จและคายประจุได้ในอัตราที่สูงกว่ามาก โดยมีอายุการใช้งานมากกว่า 1 ล้านรอบ ความหนาแน่นของพลังงานของ EDLC ถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าในการทำงานและความจุจำเพาะ (ฟารัด/กรัม หรือ ฟารัด/ซม. ^³ ) ของระบบอิเล็กโทรด/อิเล็กโทรไลต์ ความจุจำเพาะมีความสัมพันธ์กับพื้นที่ผิวจำเพาะ (SSA) ที่อิเล็กโทรไลต์สามารถเข้าถึงได้ ความจุของชั้นคู่ที่ส่วนต่อประสาน และความหนาแน่นของวัสดุอิเล็กโทรด

EDLC เชิงพาณิชย์นั้นใช้พื้นฐานจากอิเล็กโทรดสมมาตรสองตัวที่ชุบด้วยอิเล็กโทรไลต์ซึ่งประกอบด้วยเกลือเตตระเอทิลแอมโมเนียมเตตระฟลูออโรโบเรตในตัวทำละลายอินทรีย์ EDLC ในปัจจุบันที่มีอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ทำงานที่ 2.7 V และมีความหนาแน่นของพลังงานประมาณ 5-8 Wh/kg และ 7 ถึง 10 Wh/L ความจุจำเพาะเกี่ยวข้องกับพื้นที่ผิวจำเพาะ (SSA) ที่อิเล็กโทรไลต์สามารถเข้าถึงได้ ความจุของชั้นคู่ที่ส่วนต่อประสาน และความหนาแน่นของวัสดุอิเล็กโทรด แผ่นกราฟีนที่มีวัสดุตัวเว้นระยะแบบมีรูพรุนขนาดกลางเป็นโครงสร้างที่น่าสนใจสำหรับการเพิ่ม SSA ของอิเล็กโทรไลต์^{[ 99 ]}

มาตรฐาน

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์มีความแตกต่างกันมากจนแทบจะไม่สามารถใช้แทนกันได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีพลังงานจำเพาะสูงกว่า การใช้งานมีตั้งแต่กระแสสูงสุดต่ำไปจนถึงสูง ซึ่งต้องใช้โปรโตคอลการทดสอบที่เป็นมาตรฐาน^{[ 100 ]}

ข้อกำหนดการทดสอบและข้อกำหนดพารามิเตอร์ระบุไว้ในข้อกำหนดทั่วไปIEC / EN 62391–1 ตัวเก็บประจุไฟฟ้าสองชั้นแบบคงที่สำหรับใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

มาตรฐานนี้กำหนดประเภทการใช้งานไว้ 4 ประเภท โดยพิจารณาจากระดับกระแสไฟฟ้าที่ปล่อยออกมา:

การสำรองข้อมูลหน่วยความจำ
ระบบกักเก็บพลังงาน ซึ่งส่วนใหญ่ใช้สำหรับขับเคลื่อนมอเตอร์ที่ต้องการการทำงานในระยะเวลาสั้นๆ
กำลังไฟ, ความต้องการกำลังไฟสูงสำหรับการใช้งานต่อเนื่องเป็นเวลานาน
กำลังไฟฟ้าทันที สำหรับการใช้งานที่ต้องการกระแสไฟฟ้าสูง หรือกระแสสูงสุดถึงหลายร้อยแอมแปร์ แม้จะมีระยะเวลาการทำงานสั้น

มาตรฐานเพิ่มเติมอีกสามข้ออธิบายถึงการใช้งานเฉพาะด้าน:

IEC 62391–2 ตัวเก็บประจุไฟฟ้าสองชั้นแบบคงที่สำหรับใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ – รายละเอียดข้อกำหนดที่ว่างเปล่า – ตัวเก็บประจุไฟฟ้าสองชั้นสำหรับการใช้งานด้านกำลังไฟฟ้า
IEC 62576 ตัวเก็บประจุไฟฟ้าแบบสองชั้นสำหรับใช้ในรถยนต์ไฮบริด วิธีทดสอบคุณลักษณะทางไฟฟ้า
BS/EN 61881-3 การใช้งานในระบบรถไฟ อุปกรณ์รถไฟ ตัวเก็บประจุสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ตัวเก็บประจุแบบสองชั้นไฟฟ้า

แอปพลิเคชัน

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์มีข้อดีในงานที่ต้องการพลังงานปริมาณมากในช่วงเวลาสั้นๆ โดยต้องการรอบการชาร์จ/คายประจุจำนวนมาก หรืออายุการใช้งานที่ยาวนาน การใช้งานทั่วไปมีตั้งแต่กระแสไฟฟ้าระดับมิลลิแอมป์หรือกำลังไฟฟ้าระดับมิลลิวัตต์เป็นเวลาไม่กี่นาที ไปจนถึงกระแสไฟฟ้าระดับหลายแอมป์หรือกำลังไฟฟ้าระดับหลายร้อยกิโลวัตต์ในช่วงเวลาที่สั้นกว่ามาก

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ไม่รองรับการใช้งานกับกระแสสลับ (AC)

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

ในแอปพลิเคชันที่มีโหลดผันผวน เช่นคอมพิวเตอร์แล็ปท็อป, PDA , GPS , เครื่องเล่นสื่อพกพา , อุปกรณ์มือถือ^{[ 101 ]}และระบบเซลล์แสงอาทิตย์ตัวเก็บประจุยิ่งยวดสามารถทำให้แหล่งจ่ายไฟมีเสถียรภาพ

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์จ่ายพลังงานสำหรับแฟลชถ่ายภาพในกล้องดิจิทัลและ ไฟฉาย LEDซึ่งสามารถชาร์จได้ในระยะเวลาที่สั้นกว่ามากเช่น 90 วินาที^{[ 102 ]}

ลำโพงพกพาบางรุ่นใช้พลังงานจากซูเปอร์คาปาซิเตอร์^{[ 103 ]}

ไขควงไฟฟ้าไร้สายที่มีซูเปอร์คาปาซิเตอร์สำหรับเก็บพลังงานมีระยะเวลาใช้งานประมาณครึ่งหนึ่งของรุ่นที่ใช้แบตเตอรี่แบบเดียวกัน แต่สามารถชาร์จจนเต็มได้ใน 90 วินาที และยังคงรักษาประจุได้ 85% หลังจากไม่ได้ใช้งานเป็นเวลาสามเดือน^{[ 104 ]}

การผลิตและการจำหน่ายพลังงาน

การสำรองพลังงานโครงข่าย

โหลดที่ไม่เป็นเชิงเส้นจำนวนมาก เช่นเครื่องชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า รถยนต์ไฮบริดระบบปรับอากาศ และระบบแปลงพลังงานขั้นสูง ทำให้เกิดความผันผวนของกระแสและฮาร์มอนิก^{[ 105 ]}^{[ 106 ]}ความแตกต่างของกระแสเหล่านี้ทำให้เกิดความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ และส่งผลให้เกิดการแกว่งของพลังงานในโครงข่าย^{[ 105 ]}การแกว่งของพลังงานไม่เพียงแต่ลดประสิทธิภาพของโครงข่ายเท่านั้น แต่ยังอาจทำให้แรงดันไฟฟ้าตกในบัสเชื่อมต่อร่วม และเกิดความผันผวนของความถี่อย่างมากทั่วทั้งระบบ เพื่อแก้ไขปัญหานี้ สามารถนำซูเปอร์คาปาซิเตอร์มาใช้เป็นอินเทอร์เฟซระหว่างโหลดและโครงข่ายเพื่อทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์ระหว่างโครงข่ายและพลังงานพัลส์สูงที่ดึงมาจากสถานีชาร์จ^{[ 107 ]}^{[ 108 ]}

การสำรองพลังงานสำหรับอุปกรณ์กำลังต่ำ

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ให้พลังงานสำรองหรือพลังงานปิดระบบฉุกเฉินสำหรับอุปกรณ์พลังงานต่ำ เช่นRAM , SRAM , ไมโครคอนโทรลเลอร์ และการ์ด PCเป็นแหล่งพลังงานเพียงแหล่งเดียวสำหรับแอปพลิเคชันพลังงานต่ำ เช่น อุปกรณ์ อ่านมิเตอร์อัตโนมัติ (AMR) ^{[ 109 ]}หรือสำหรับการแจ้งเตือนเหตุการณ์ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรม

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ทำหน้าที่บัฟเฟอร์พลังงานเข้าและออกจากแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ช่วยลดผลกระทบจากการหยุดชะงักของกระแสไฟฟ้าในระยะสั้นและกระแสไฟกระชากสูง แบตเตอรี่จะทำงานก็ต่อเมื่อเกิดการหยุดชะงักเป็นเวลานานเช่นในกรณีที่ไฟบ้านหรือเซลล์เชื้อเพลิงขัดข้อง ซึ่งจะช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่

แหล่งจ่ายไฟสำรอง (UPS) อาจใช้พลังงานจากซูเปอร์คาปาซิเตอร์ ซึ่งสามารถทดแทนตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ขนาดใหญ่ได้ การผสมผสานนี้ช่วยลดต้นทุนต่อรอบ ประหยัดค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนและบำรุงรักษา ช่วยให้สามารถลดขนาดแบตเตอรี่และยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้^{[ 110 ]}^{[ 111 ]}^{[ 112 ]}

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ให้พลังงานสำรองสำหรับแอคทูเอเตอร์ใน ระบบปรับมุมใบพัด กังหันลมเพื่อให้สามารถปรับมุมใบพัดได้แม้ว่าแหล่งจ่ายไฟหลักจะล้มเหลว^{[ 113 ]}

การรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ผันผวนของสายส่ง มีเสถียรภาพ โดยทำหน้าที่เป็นตัวหน่วงระบบพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์แสดงให้เห็นถึงการจ่ายไฟที่ผันผวนซึ่งเกิดจากลมกระโชกหรือเมฆ ซึ่งซูเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถลดความผันผวนได้ภายในไม่กี่มิลลิวินาที^{[ 114 ]}^{[ 115 ]}

ไมโครกริด

โดยทั่วไปแล้วไมโครกริดจะใช้พลังงานสะอาดและพลังงานหมุนเวียนเป็นแหล่งพลังงานหลัก อย่างไรก็ตาม การผลิตพลังงานส่วนใหญ่ไม่ได้คงที่ตลอดทั้งวันและมักจะไม่ตรงกับความต้องการ ซูเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถใช้สำหรับการจัดเก็บพลังงานในไมโครกริดเพื่อจ่ายพลังงานทันทีเมื่อความต้องการสูงและการผลิตลดลงชั่วขณะ และเพื่อจัดเก็บพลังงานในสภาวะตรงกันข้าม ซูเปอร์คาปาซิเตอร์มีประโยชน์ในสถานการณ์นี้ เนื่องจากไมโครกริดกำลังผลิตพลังงานในรูปแบบ DC มากขึ้นเรื่อยๆ และคาปาซิเตอร์สามารถใช้งานได้ทั้งในแอปพลิเคชัน DC และ AC ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ทำงานได้ดีที่สุดเมื่อใช้ร่วมกับแบตเตอรี่เคมี โดยจะให้บัฟเฟอร์แรงดันไฟฟ้าทันทีเพื่อชดเชยโหลดพลังงานที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากอัตราการชาร์จและการคายประจุสูงผ่านระบบควบคุมแบบแอคทีฟ^{[ 116 ]}เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกบัฟเฟอร์แล้ว จะถูกส่งผ่านอินเวอร์เตอร์เพื่อจ่ายพลังงาน AC ให้กับกริด ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ไม่สามารถแก้ไขความถี่ในรูปแบบนี้โดยตรงในกริด AC ได้^{[ 117 ]}^{[ 118 ]}

การเก็บเกี่ยวพลังงาน

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานชั่วคราวที่เหมาะสมสำหรับ ระบบ เก็บเกี่ยวพลังงานในระบบเก็บเกี่ยวพลังงาน พลังงานจะถูกรวบรวมจากสิ่งแวดล้อมหรือแหล่งพลังงานหมุนเวียนเช่นการเคลื่อนไหวเชิงกล แสง หรือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าใน อุปกรณ์ จัดเก็บพลังงานตัวอย่างเช่น มีการสาธิตให้เห็นว่าพลังงานที่รวบรวมจากสนาม RF ( ความถี่วิทยุ ) (โดยใช้เสาอากาศ RF เป็น วงจร เรียงกระแส ที่เหมาะสม ) สามารถเก็บไว้ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบพิมพ์ได้ จากนั้นพลังงานที่เก็บเกี่ยวได้จะถูกนำมาใช้เพื่อจ่ายพลังงานให้กับวงจรรวมเฉพาะงาน ( ASIC ) เป็นเวลานานกว่า 10 ชั่วโมง^{[ 119 ]}

แบตเตอรี่

UltraBattery เป็นแบตเตอรี่แบบไฮบริดที่ผสมผสานระหว่างแบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบชาร์จได้และซูเปอร์คาปาซิเตอร์ โครงสร้างเซลล์ประกอบด้วยขั้วบวกของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดมาตรฐาน สารละลายอิเล็กโทรไลต์กรดซัลฟิวริกมาตรฐาน และขั้วลบที่ทำจากคาร์บอนซึ่งเตรียมขึ้นเป็นพิเศษเพื่อเก็บพลังงานไฟฟ้าด้วยความจุแบบสองชั้นการมีอยู่ของขั้วซูเปอร์คาปาซิเตอร์จะเปลี่ยนเคมีของแบตเตอรี่และให้การป้องกันอย่างมีนัยสำคัญจากการเกิดซัลเฟตในการใช้งานที่มีอัตราการชาร์จและคายประจุบางส่วนสูง ซึ่งเป็นโหมดความล้มเหลวทั่วไปของเซลล์ตะกั่วกรดแบบควบคุมวาล์วที่ใช้งานในลักษณะนี้ เซลล์ที่ได้จึงมีประสิทธิภาพเหนือกว่าทั้งเซลล์ตะกั่วกรดหรือซูเปอร์คาปาซิเตอร์ โดยมีอัตราการชาร์จและการคายประจุ อายุการใช้งาน ประสิทธิภาพ และสมรรถนะที่ดีขึ้น

ทางการแพทย์

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ใช้ในเครื่องกระตุ้นหัวใจไฟฟ้าซึ่งสามารถส่งพลังงาน 500 จูลเพื่อกระตุ้นหัวใจให้กลับมาเต้นในจังหวะปกติ^{[ 120 ]}

ทหาร

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดมีความต้านทานภายในต่ำ จึงเหมาะสำหรับงานที่ต้องการกระแสไฟฟ้าสูงในช่วงเวลาสั้นๆ การใช้งานในยุคแรกๆ ได้แก่ การสตาร์ทเครื่องยนต์ (โดยเฉพาะการสตาร์ทเครื่องยนต์ในสภาพอากาศเย็น) สำหรับเครื่องยนต์ขนาดใหญ่ในรถถังและเรือดำน้ำ ตัวเก็บประจุยิ่งยวดทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์ของแบตเตอรี่ รองรับกระแสไฟฟ้าสูงสุดในช่วงเวลาสั้นๆ ลดการใช้งานซ้ำๆ และยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ นอกจากนี้ การใช้งานทางทหารที่ต้องการกำลังไฟฟ้าจำเพาะสูง ได้แก่ เสาอากาศเรดาร์แบบเฟสอาร์เรย์ แหล่งจ่ายไฟเลเซอร์ วิทยุสื่อสารทางทหาร จอแสดงผลและอุปกรณ์การบิน ระบบสำรองไฟสำหรับการทำงานของถุงลมนิรภัย และขีปนาวุธและกระสุนนำวิถีด้วย GPS

ขนส่ง

ความท้าทายหลักของการขนส่งทุกประเภทคือการลดการใช้พลังงานและลดปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์การนำพลังงานจากการเบรกกลับมาใช้ใหม่ (การเบรกแบบฟื้นฟูพลังงาน หรือการเบรกแบบสร้างพลังงานกลับคืน) ช่วยลดทั้งสองอย่างนี้ได้ ซึ่งต้องใช้ส่วนประกอบที่สามารถเก็บและปล่อยพลังงานได้อย่างรวดเร็วในระยะเวลานานด้วยอัตราการใช้งานที่สูง ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ตอบโจทย์ความต้องการเหล่านี้ได้ จึงถูกนำไปใช้ในงานต่างๆ ด้านการขนส่ง

การบิน

ในปี พ.ศ. 2548 บริษัทDiehl Luftfahrt Elektronik GmbH ซึ่งเป็นบริษัทระบบและควบคุมการบินและอวกาศ ได้เลือกใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อจ่ายพลังงานให้กับแอคทูเอเตอร์ฉุกเฉินสำหรับประตูและสไลด์อพยพที่ใช้ในเครื่องบินโดยสารรวมถึง เครื่องบิน แอร์บัส 380 ^{[ 113 ]}

รถไฟ

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถใช้เสริมแบตเตอรี่ในระบบสตาร์ทในหัวรถจักรดีเซลที่มีระบบส่งกำลังดีเซล-ไฟฟ้าได้ คาปาซิเตอร์จะดักจับพลังงานจากการเบรกเมื่อหยุดสนิทและส่งกระแสสูงสุดเพื่อสตาร์ทเครื่องยนต์ดีเซลและเร่งความเร็วของรถไฟ รวมถึงช่วยรักษาเสถียรภาพของแรงดันไฟฟ้าในสายส่ง ขึ้นอยู่กับโหมดการขับขี่ สามารถประหยัดพลังงานได้มากถึง 30% โดยการนำพลังงานจากการเบรกกลับมาใช้ใหม่ การบำรุงรักษาต่ำและวัสดุที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมทำให้มีการเลือกใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์^[¹²¹^]

เครื่องจักรกลโรงงาน

เครนยกตู้คอนเทนเนอร์แบบไฮบริดเคลื่อนที่ได้ที่ใช้ล้อยางและเครื่องยนต์ดีเซลเคลื่อนย้ายและวางซ้อนตู้คอนเทนเนอร์ภายในสถานีขนส่ง การยกกล่องต้องใช้พลังงานจำนวนมาก พลังงานบางส่วนสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ในขณะที่ลดน้ำหนักบรรทุก ทำให้ประสิทธิภาพดีขึ้น^[¹²²^]รถยกแบบ ไฮบริ ดสามระบบใช้เซลล์เชื้อเพลิงและแบตเตอรี่เป็นแหล่งเก็บพลังงานหลัก และใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อบัฟเฟอร์พลังงานสูงสุดโดยการเก็บพลังงานจากการเบรก ทำให้รถยกมีกำลังสูงสุดมากกว่า 30 กิโลวัตต์ ระบบไฮบริดสามระบบนี้ประหยัดพลังงานได้มากกว่า 50% เมื่อเทียบกับระบบดีเซลหรือเซลล์เชื้อเพลิง^[¹²³^]รถลากตู้คอนเทนเนอร์ที่ใช้พลังงานซูเปอร์คาปา ซิ เตอร์ขนส่งตู้คอนเทนเนอร์ไปยังคลังสินค้า เป็นทางเลือกที่ประหยัด เงียบ และปราศจากมลพิษแทนรถลากตู้คอนเทนเนอร์ดีเซล^[¹²⁴^]

รถไฟฟ้ารางเบา

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ไม่เพียงแต่ช่วยลดการใช้พลังงานเท่านั้น แต่ยังสามารถใช้ทดแทนสายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะในพื้นที่ประวัติศาสตร์ของเมืองได้ ซึ่งจะช่วยอนุรักษ์มรดกทางสถาปัตยกรรมของเมือง แนวทางนี้อาจช่วยให้สามารถสร้างรถไฟฟ้ารางเบาสายใหม่ในเมืองได้หลายสาย โดยแทนที่สายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะที่มีค่าใช้จ่ายในการเดินสายสูงเกินไป

ในปี 2546 เมืองมันน์ไฮม์ ได้นำรถไฟฟ้า รางเบาต้นแบบ(LRV) มาใช้ โดยใช้ ระบบ MITRAC Energy Saver จากBombardier Transportationเพื่อเก็บพลังงานจากการเบรกเชิงกลด้วยหน่วยซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ติดตั้งบนหลังคา^{[ 125 ]}^{[ 126 ]}ซึ่งประกอบด้วยหลายหน่วย แต่ละหน่วยทำจากคาปาซิเตอร์ 192 ตัว ขนาด 2700 F / 2.7 V เชื่อมต่อกันเป็นสามสายขนาน วงจรนี้ส่งผลให้เกิด ระบบ 518 V ที่มีพลังงาน 1.5 kWh สำหรับการเร่งความเร็วเมื่อเริ่มต้น "ระบบบนรถ" นี้สามารถให้พลังงานแก่ LRV ได้ 600 kW และสามารถขับเคลื่อนรถได้ไกลถึง 1 กม. โดยไม่ต้อง ใช้ไฟฟ้า จากสายส่งเหนือศีรษะจึงทำให้ LRV สามารถบูรณาการเข้ากับสภาพแวดล้อมในเมืองได้ดียิ่งขึ้น เมื่อเทียบกับ LRV หรือรถไฟฟ้าใต้ดินทั่วไปที่ส่งพลังงานกลับเข้าสู่ระบบไฟฟ้า การเก็บพลังงานบนรถช่วยประหยัดพลังงานได้ถึง 30% และลดความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงสุดได้ถึง 50% ^{[ 127 ]}

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ถูกนำมาใช้จ่ายพลังงานให้กับรถรางสาย T3 ของปารีสในส่วนที่ไม่มีสายไฟเหนือศีรษะและใช้ในการกู้คืนพลังงานระหว่างการเบรก

ในปี 2552 ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ทำให้รถไฟฟ้ารางเบา (LRV) สามารถวิ่งในเขตเมืองเก่าของไฮเดลเบิร์ก ได้ โดยไม่ต้องใช้สายไฟเหนือศีรษะ จึงเป็นการอนุรักษ์มรดกทางสถาปัตยกรรมของเมืองอุปกรณ์ SC มีราคาสูงขึ้นอีก 270,000 ยูโรต่อคัน ซึ่งคาดว่าจะคืนทุนได้ภายใน 15 ปีแรกของการใช้งาน ซูเปอร์คาปาซิเตอร์จะถูกชาร์จที่สถานีพักรถเมื่อรถจอดตามกำหนด ในเดือนเมษายน 2554 บริษัทขนส่งมวลชนระดับภูมิภาคของเยอรมนี Rhein-Neckar ซึ่งรับผิดชอบไฮเดลเบิร์ก ได้สั่งซื้อเพิ่มอีก 11 หน่วย^[¹²⁸^]

ในปี 2552 AlstomและRATPได้ติดตั้งระบบกู้คืนพลังงานแบบทดลองที่เรียกว่า "STEEM" ให้กับรถรางCitadis ^{[ 129 ]}ระบบนี้ติดตั้งซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบติดตั้งบนหลังคาจำนวน 48 ตัวเพื่อเก็บพลังงานจากการเบรก ซึ่งช่วยให้รถรางมีพลังงานสำรองในระดับสูงโดยสามารถวิ่งได้โดยไม่ต้องใช้สายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะในบางส่วนของเส้นทาง และชาร์จไฟระหว่างการเดินทางที่สถานีจอดพักที่มีไฟฟ้า ในระหว่างการทดสอบซึ่งเกิดขึ้นระหว่างป้าย Porte d'Italie และ Porte de Choisy บนสาย T3ของเครือข่ายรถรางในปารีสรถรางใช้พลังงานน้อยลงโดยเฉลี่ยประมาณ 16% ^{[ 130 ]}

ในปี 2555 Geneva Public Transport ผู้ให้บริการรถราง ได้เริ่มทดสอบรถรางไฟฟ้าที่มีอุปกรณ์ต้นแบบซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบติดตั้งบนหลังคาเพื่อนำพลังงานจากการเบรกกลับคืนมา^{[ 131 ]}

ซีเมนส์กำลังส่งมอบระบบขนส่งทางรางเบาที่เสริมด้วยซูเปอร์คาปาซิเตอร์ซึ่งรวมถึงระบบจัดเก็บพลังงานแบบเคลื่อนที่^{[ 132 ]}

รถไฟฟ้าใต้ดินสายเกาะใต้ของฮ่องกงจะติดตั้ง หน่วยเก็บพลังงานขนาด 2 เมกะวัตต์จำนวน 2 หน่วย ซึ่งคาดว่าจะช่วยลดการใช้พลังงานลงได้ 10% ^{[ 133 ]}

ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2555 บริษัท CSR Zhuzhou Electric Locomotiveของจีนได้นำเสนอต้นแบบรถไฟฟ้ารางเบาแบบสองตู้ที่ติดตั้งหน่วยซูเปอร์คาปาซิเตอร์บนหลังคา รถไฟสามารถวิ่งได้ไกลถึง 2 กิโลเมตรโดยไม่ต้องใช้สายไฟ และชาร์จไฟได้ภายใน 30 วินาทีที่สถานีโดยใช้ตัวรับสัญญาณที่ติดตั้งบนพื้นดิน ผู้ผลิตอ้างว่ารถไฟเหล่านี้สามารถนำไปใช้ในเมืองขนาดเล็กและขนาดกลางของจีนได้ถึง 100 เมือง^{[ 134 ]}รถราง (รถไฟฟ้าบนถนน) จำนวน 7 คันที่ขับเคลื่อนด้วยซูเปอร์คาปาซิเตอร์มีกำหนดจะเริ่มใช้งานในปี พ.ศ. 2557 ในเมืองกว่างโจวประเทศจีน ซูเปอร์คาปาซิเตอร์จะถูกชาร์จไฟภายใน 30 วินาทีโดยอุปกรณ์ที่ติดตั้งอยู่ระหว่างราง ซึ่งจะขับเคลื่อนรถรางได้ไกลถึง4 กิโลเมตร (2.5 ไมล์) [ ¹³⁵^]^ณปี พ.ศ. 2560 รถยนต์ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ของ Zhuzhou ยังถูกนำไปใช้ในระบบรถไฟฟ้าบนถนนหนานจิงแห่งใหม่ และกำลังอยู่ระหว่างการทดลองในเมืองหวู่ฮั่น^[¹³⁶^]

ในปี 2555 ที่เมืองลียง (ประเทศฝรั่งเศส) SYTRAL (หน่วยงานบริหารการขนส่งสาธารณะของเมืองลียง) ได้เริ่มทดลองระบบ "การฟื้นฟูริมทาง" ที่สร้างโดย Adetel Group ซึ่งได้พัฒนาระบบประหยัดพลังงานของตนเองชื่อ "NeoGreen" สำหรับรถไฟฟ้ารางเบา รถไฟฟ้ารางเบา และรถไฟฟ้าใต้ดิน^{[ 137 ]}

ในปี 2014 จีนเริ่มใช้รถรางที่ขับเคลื่อนด้วยซูเปอร์คาปาซิเตอร์ ซึ่งสามารถชาร์จไฟได้ภายใน 30 วินาทีโดยอุปกรณ์ที่ติดตั้งอยู่ระหว่างราง โดยจะเก็บพลังงานไว้เพื่อวิ่งรถรางได้ไกลถึง 4 กิโลเมตร ซึ่งมากเกินพอที่จะไปถึงป้ายหยุดถัดไป และสามารถเริ่มต้นวงจรใหม่ได้

ในปี 2558 Alstom ประกาศเปิดตัว SRS ซึ่งเป็นระบบจัดเก็บพลังงานที่ชาร์จซูเปอร์คาปาซิเตอร์บนรถรางโดยใช้รางตัวนำระดับพื้นดินที่ป้ายรถราง ทำให้รถรางสามารถวิ่งได้โดยไม่ต้องใช้สายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะในระยะทางสั้นๆ^{[ 138 ]}ระบบนี้ได้รับการยกย่องว่าเป็นทางเลือกแทน ระบบ จ่ายไฟระดับพื้นดิน (APS) ของบริษัท หรือสามารถใช้ร่วมกันได้ เช่นเดียวกับเครือข่าย VLTในเมืองริโอเดจาเน โร ประเทศ บราซิล ซึ่งเปิดให้บริการในปี 2559 ^{[ 139 ]}

นอกจากนี้ CAFยังนำเสนอซูเปอร์คาปาซิเตอร์ใน รถราง Urbos 3 ของพวกเขา ในรูปแบบของระบบACR อีกด้วย ^{[ 140 ]}

รถโดยสาร

บริษัท Maxwell Technologiesผู้ผลิตซูเปอร์คาปาซิเตอร์สัญชาติอเมริกัน อ้างว่ารถโดยสารไฮบริดกว่า 20,000 คันใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อเพิ่มอัตราเร่ง โดยเฉพาะในประเทศจีน

รถโดยสารไฟฟ้าไฮบริดคันแรกที่ใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ในยุโรปเปิดตัวในปี 2001 ที่เมืองนูเรมเบิร์กประเทศเยอรมนี เป็นรถที่เรียกว่า "อัลตร้าแคปบัส" ของบริษัท MAN และได้รับการทดสอบใช้งานจริงในปี 2001/2002 รถทดสอบคันนี้ติดตั้งระบบขับเคลื่อนดีเซล-ไฟฟ้าควบคู่กับซูเปอร์คาปาซิเตอร์ ระบบประกอบด้วยโมดูลอัลตร้าแคป 8 โมดูล แต่ละโมดูลมี 36 ชิ้นส่วน ขนาด 80 โวลต์ ระบบทำงานที่แรงดัน 640 โวลต์ และสามารถชาร์จ/คายประจุได้ที่ 400 แอมป์ มีพลังงานสะสม 0.4 กิโลวัตต์ชั่วโมง และมีน้ำหนัก 400 กิโลกรัม

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถดึงพลังงานจากการเบรกกลับมาใช้ใหม่และจ่ายพลังงานสำหรับการสตาร์ทเครื่องยนต์ อัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงลดลง 10-15% เมื่อเทียบกับรถยนต์ดีเซลทั่วไป ข้อดีอื่นๆ ได้แก่ การลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์(CO₂)การสตาร์ทเครื่องยนต์ที่เงียบและปราศจากมลพิษ การสั่นสะเทือนที่ลดลง และต้นทุนการบำรุงรักษาที่ลดลง^{[ 141 ]}^{[ 142 ]}

ข้อมูล ณ ปี 2002ในเมืองลูเซิร์นประเทศ สวิต เซอร์แลนด์มีการทดสอบรถโดยสารไฟฟ้าชื่อ TOHYCO-Rider โดยสามารถชาร์จซูเปอร์คาปาซิเตอร์ได้ผ่านเครื่องชาร์จไฟความเร็วสูงแบบไร้สัมผัสด้วยระบบเหนี่ยวนำหลังจากการขนส่งแต่ละรอบภายใน 3 ถึง 4 นาที^{[ 143 ]}

ในช่วงต้นปี 2548 เซี่ยงไฮ้ ได้ทดสอบ รถโดยสารไฟฟ้าแบบใหม่ที่เรียกว่าcapabusซึ่งวิ่งได้โดยไม่ต้องใช้สายส่งไฟฟ้า (การทำงานแบบไร้สายส่ง) โดยใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ขนาดใหญ่บนรถ ซึ่งจะชาร์จไฟบางส่วนทุกครั้งที่รถจอด (ใต้ร่มไฟฟ้า) และชาร์จไฟเต็มที่สถานีปลายทางในปี 2549 เส้นทางเดินรถโดยสารเชิงพาณิชย์สองเส้นทางเริ่มใช้ capabus โดยหนึ่งในนั้นคือเส้นทางที่ 11 ในเซี่ยงไฮ้ มีการประเมินว่ารถโดยสารซูเปอร์คาปาซิเตอร์มีราคาถูกกว่ารถโดยสารแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และรถโดยสารคันหนึ่งมีค่าใช้จ่ายด้านพลังงานเพียงหนึ่งในสิบของรถโดยสารดีเซล พร้อมประหยัดค่าเชื้อเพลิงตลอดอายุการใช้งานได้ถึง 200,000 ดอลลาร์สหรัฐ^{[ 144 ]}

รถโดยสารไฟฟ้าไฮบริดที่เรียกว่าtribridเปิดตัวในปี 2008 โดยมหาวิทยาลัย Glamorganประเทศเวลส์เพื่อใช้ในการขนส่งนักศึกษา โดยใช้พลังงานจากเชื้อเพลิงไฮโดรเจนหรือเซลล์แสงอาทิตย์แบตเตอรี่ และตัวเก็บประจุยิ่งยวด^{[ 145 ]}^{[ 146 ]}

การแข่งรถ

FIA ซึ่งเป็นหน่วยงานกำกับดูแลการแข่งขันรถยนต์ ได้เสนอในกรอบข้อบังคับระบบขับเคลื่อนสำหรับฟอร์มูล่าวัน เวอร์ชัน 1.3 เมื่อวันที่ 23 พฤษภาคม 2550 ว่าควรมีการออกข้อบังคับระบบ ขับเคลื่อนชุดใหม่ที่รวมถึงระบบขับเคลื่อนไฮบริดที่มีกำลังไฟฟ้าขาเข้าและขาออกสูงสุด 200 กิโลวัตต์ โดยใช้ "ซูเปอร์แบตเตอรี่" ที่ทำจากแบตเตอรี่และซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่เชื่อมต่อแบบขนาน ( KERS ) ^{[ 147 ]}^{[ 148 ]}ประสิทธิภาพจากถังน้ำมันถึงล้อประมาณ 20% สามารถทำได้โดยใช้ระบบ KERS รถแข่ง Toyota TS030 Hybrid LMP1 ซึ่งเป็นรถแข่งที่พัฒนาภายใต้ กฎ Le Mans Prototypeใช้ระบบขับเคลื่อนไฮบริดที่มีซูเปอร์คาปาซิเตอร์^{[ 149 ]}^{[ 150 ]}ในการ แข่งขัน 24 ชั่วโมงเลอม็อง ปี 2012รถ TS030 ทำเวลารอบคัดเลือกได้ช้ากว่ารถที่เร็วที่สุดเพียง 1.055 วินาที (3:24.842 เทียบกับ 3:23.787) ^{[ 151 ]}ซึ่งก็คือรถAudi R18 e-tron quattroที่มี ระบบเก็บพลังงาน แบบฟลายวีลส่วนประกอบซูเปอร์คาปาซิเตอร์และฟลายวีล ซึ่งความสามารถในการชาร์จและคายประจุอย่างรวดเร็วช่วยทั้งในการเบรกและการเร่งความเร็ว ทำให้รถไฮบริดของ Audi และ Toyota เป็นรถที่เร็วที่สุดในการแข่งขัน ในการแข่งขันเลอม็อง ปี 2012 รถ TS030 สองคันที่เข้าร่วมแข่งขัน โดยคันหนึ่งเป็นผู้นำในช่วงหนึ่งของการแข่งขัน ต่างก็ต้องออกจากการแข่งขันด้วยเหตุผลที่ไม่เกี่ยวข้องกับซูเปอร์คาปาซิเตอร์ รถ TS030 ชนะการแข่งขัน 3 จาก 8 รายการใน ฤดูกาลแข่งขัน FIA World Endurance Championship ปี2012ในปี 2014 รถยนต์ไฮบริด Toyota TS040ใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อเพิ่มกำลัง 480 แรงม้าจากมอเตอร์ไฟฟ้าสองตัว^{[ 135 ]}ในปี 2024 ซีรีส์การแข่งขัน IndyCarได้นำระบบพลังงานไฮบริดที่ประกอบด้วยซูเปอร์คาปาซิเตอร์ 20 ตัวมาใช้^{[ 152 ]}

รถยนต์ไฮบริดไฟฟ้า

การผสมผสานระหว่างซูเปอร์คาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้า (EV) และรถยนต์ไฮบริด (HEV) ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง^{[ 100 ]}^{[ 153 ]}^{[ 154 ]}มีการอ้างว่าสามารถลดการใช้เชื้อเพลิงได้ 20 ถึง 60% โดยการนำพลังงานจากการเบรกกลับมาใช้ใน EV หรือ HEV ความสามารถของซูเปอร์คาปาซิเตอร์ในการชาร์จได้เร็วกว่าแบตเตอรี่มาก คุณสมบัติทางไฟฟ้าที่เสถียร ช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้น และอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่านั้นเหมาะสม แต่ น้ำหนัก ปริมาตร และโดยเฉพาะอย่างยิ่งต้นทุน ทำให้ข้อดีเหล่านั้นลดลง

พลังงานจำเพาะที่ต่ำกว่าของซูเปอร์คาปาซิเตอร์ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานเป็นแหล่งพลังงานแบบเดี่ยวสำหรับการขับขี่ทางไกล^{[ 155 ]}การประหยัดเชื้อเพลิงที่ดีขึ้นระหว่างการใช้คาปาซิเตอร์กับแบตเตอรี่อยู่ที่ประมาณ 20% และใช้ได้เฉพาะกับการเดินทางระยะสั้นเท่านั้น สำหรับการขับขี่ทางไกล ข้อได้เปรียบจะลดลงเหลือ 6% ยานพาหนะที่รวมคาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่เข้าด้วยกันนั้นใช้งานได้เฉพาะในยานพาหนะทดลองเท่านั้น^{[ 156 ]}

ข้อมูล ณ ปี 2013ผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้าหรือรถยนต์ไฮบริดทุกรายได้พัฒนาต้นแบบที่ใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์แทนแบตเตอรี่เพื่อเก็บพลังงานจากการเบรกเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อน มี รายงานว่า Mazda 6เป็นรถยนต์ผลิตจริงคันแรกที่ใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ในการกู้คืนพลังงานจากการเบรก ระบบนี้มีชื่อว่า i-eloop โดยจะเก็บพลังงานไว้ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์ระหว่างการลดความเร็วและใช้พลังงานนั้นในการจ่ายไฟให้กับระบบไฟฟ้าภายในรถในขณะที่เครื่องยนต์หยุดทำงานด้วยระบบสตาร์ท-หยุด การเบรกแบบสร้างพลังงานกลับคืนมานี้อ้างว่าช่วยลดการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงได้ประมาณ 10% ^[¹⁵⁷^] รถยนต์ต้นแบบ Toyota Yaris Hybrid-R ใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อจ่ายพลังงานเป็นช่วงๆ PSA Peugeot Citroënติดตั้งซูเปอร์คาปาซิเตอร์ในรถยนต์บางรุ่นเป็นส่วนหนึ่งของระบบประหยัดเชื้อเพลิงแบบสตาร์ท-หยุด เนื่องจากช่วยให้สตาร์ทได้เร็วขึ้นเมื่อไฟจราจรเปลี่ยนเป็นสีเขียว^[¹³⁵^] รถยนต์ไฮบริดแบบครอสโอเวอร์ Yo-cars Ё-mobile ของรัสเซีย เป็นรถยนต์ต้นแบบที่ทำงานด้วยเครื่องยนต์เบนซินแบบใบพัดหมุนและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำหรับขับเคลื่อนมอเตอร์ขับเคลื่อน ตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่มีความจุค่อนข้างต่ำจะกู้คืนพลังงานเบรกเพื่อจ่ายพลังงานให้กับมอเตอร์ไฟฟ้าเมื่อเร่งความเร็วจากจุดหยุดนิ่ง^[¹⁵⁸^]

เรือกอนโดลา

กระเช้าลอยฟ้าในเมืองเซลล์อัมซีประเทศออสเตรีย

ในเมืองเซลล์อัมซีประเทศออสเตรียกระเช้าลอยฟ้าเชื่อมต่อเมืองกับ ภูเขา ชมิตเทนเฮอกระเช้าบางครั้งเปิดให้บริการตลอด 24 ชั่วโมง โดยใช้ไฟฟ้าสำหรับไฟส่องสว่าง การเปิดประตู และการสื่อสาร เวลาเดียวที่สามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้ที่สถานีคือช่วงเวลาสั้นๆ ระหว่างการขึ้นและลงของผู้โดยสาร ซึ่งสั้นเกินไปที่จะชาร์จแบตเตอรี่ได้ ตัวเก็บประจุยิ่งยวดให้การชาร์จที่รวดเร็ว จำนวนรอบการใช้งานที่สูงกว่า และอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าแบตเตอรี่กระเช้าลอยฟ้า Emirates Air Lineหรือที่รู้จักกันในชื่อกระเช้าลอยฟ้าแม่น้ำเทมส์ เป็นกระเช้าลอยฟ้าความยาว 1 กิโลเมตร (0.62 ไมล์) ในลอนดอนสหราชอาณาจักรที่ข้ามแม่น้ำเทมส์จากคาบสมุทรกรีนิชไปยังรอยัลด็อกส์ห้องโดยสารติดตั้งระบบสาระบันเทิงที่ทันสมัย ซึ่งขับเคลื่อนด้วยตัวเก็บประจุยิ่งยวด^{[ 159 ]}^{[ 160 ]}

เทคนิคที่ใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ช่วย (SCA)

ภายในสองทศวรรษ (2005-2025) มีแอปพลิเคชันซูเปอร์คาปาซิเตอร์ตระกูลใหม่เกิดขึ้นและเป็นที่รู้จักในชื่อเทคนิค Supercapacitor Assisted (SCA) โดยอิงจากการวิจัยที่เกิดขึ้นที่มหาวิทยาลัย Waikatoในเมืองแฮมิลตัน ประเทศนิวซีแลนด์ เทคนิค SCA ^{[ 161 ]}^{[ 162 ]}^{[ 163 ]} นี้ รวมถึงตัวแปลง DC-DC ประเภทพิเศษ ระบบป้องกันฟ้าผ่า เบรกเกอร์วงจร DC และเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้พลังงาน DC เช่น เครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือน เป็นต้น เทคนิคเหล่านี้ได้รับการพัฒนาโดยกลุ่มวิจัย Waikato Power Electronics Research (WaiPER) ภายใต้การนำของศาสตราจารย์Nihal Kularatnaซึ่งส่งผลให้เกิดสิทธิบัตรหลายฉบับ^{[ 164 ]}^{[ 165 ]}^{[ 166 ]}งานวิจัยตีพิมพ์^{[ 167 ]}^{[ 168 ]}^{[ 169 ]}^{[ 170 ]}^{[ 171 ]}^{[ 172 ]}^{[ 173 ]}และผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์บางรายการ^{[ 174 ]}เช่น Prodigy 8 series

ตัวควบคุมแรงดันตกคร่อมต่ำที่ใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ช่วย (SCALDO) ^{[ 175 ]}^{[ 176 ]}^{[ 177 ]}^{[ 178 ]}เป็นเทคนิคการแปลงพลังงานที่ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกภายใต้ตระกูล SCA ตัวดูดซับไฟกระชากที่ใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ช่วย (SCASA) เป็นเทคนิคการป้องกันไฟกระชากแบบใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นครั้งแรก^{[ 179 ]}ซึ่งได้รับการจำหน่ายเชิงพาณิชย์โดย Thor Technologies, Perth, Australia เทคนิค LED ที่ใช้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ช่วย (SCALED) เป็นเทคนิคการให้แสงสว่างกระแสตรงที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งมุ่งเป้าไปที่อาคารในอนาคตที่ใช้โครงข่ายไฟฟ้ากระแสตรง^{[ 180 ]}^{[ 181 ]} ด้วยการพัฒนาระบบกระแสตรงแบบไมโครกริดในอนาคต เทคนิค เบรกเกอร์วงจรไฟฟ้ากระแสตรงแบบปั๊มพลังงานชั่วคราว SCA (SCATEP) ก็ได้รับการพัฒนาขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้เช่นกัน^{[ 182 ]}

เทคนิค SCA อิงตามแนวคิดเชิงทฤษฎีใหม่ที่ไม่เหมือนใครซึ่งได้รับการเผยแพร่ในชื่อทฤษฎี การจัดการการสูญเสีย SCA (SCALoM) ^{[ 183 ]}^{[ 184 ]}^{[ 185 ]}^{[ 186 ]}^{[ 187 ]}และตระกูลตัวแปลงพลังงานและระบบป้องกันใหม่นี้มุ่งเป้าไปที่ไมโครกริด DC ในอนาคต บ้าน DC และเครื่องใช้ไฟฟ้า DC ที่ใช้พลังงานหมุนเวียน

การพัฒนา

ข้อมูล ณ ปี 2013ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ลิเธียมไอออนที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ให้พลังงานจำเพาะต่อน้ำหนักสูงสุดในปัจจุบัน โดยสูงถึง 15 Wh/kg (54 kJ/kg ) การวิจัยมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงพลังงานจำเพาะ ลดความต้านทานภายใน ขยายช่วงอุณหภูมิ เพิ่มอายุการใช้งาน และลดต้นทุน^{[ 21 ]}โครงการต่างๆ ได้แก่ อิเล็กโทรดที่มีขนาดรูพรุนที่ปรับแต่งได้ วัสดุเคลือบหรือโดปแบบซูโดคาปาซิทีฟ และอิเล็กโทรไลต์ที่ได้รับการปรับปรุง

ประกาศต่างๆ
การพัฒนา	วันที่	พลังงานจำเพาะ^[A]	กำลังจำเพาะ	วงจร	ความจุ	หมายเหตุ
แผ่นกราฟีนที่ถูกบีบอัดโดยการบีบอัดแบบเส้นเลือดฝอยของของเหลวระเหย^{[ 188 ]}	2013	60 วัตต์ -ลิตร				การผสานรวมอิเล็กโทรไลต์ในระดับซับนาโนเมตรได้สร้างเครือข่ายการขนส่งไอออนอย่างต่อเนื่อง
อิเล็กโทรดท่อนาโนคาร์บอนที่เรียงตัวในแนวตั้ง^{[ 9 ]}^{[ 189 ]}	2007 2009 2013	13.50 วัตต์-ชั่วโมง /กิโลกรัม	37.12 วัตต์ /กรัม	300,000		การตระหนักรู้ครั้งแรก^{[ 190 ]}
แผ่นกราฟีนโค้ง^{[ 59 ]}^{[ 60 ]}	2010	85.6 วัตต์ชั่วโมง /กิโลกรัม			550 F /g	แผ่นกราฟีนโค้งชั้นเดียวที่ไม่เรียงซ้อนกันแบบหน้าต่อหน้า ก่อให้เกิดรูพรุนขนาดกลางที่สามารถเข้าถึงและเปียกได้ด้วยอิเล็กโทรไลต์ไอออนิกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่แรงดันไฟฟ้าสูงถึง4 โวลต์
KOH ปรับโครงสร้างกราไฟต์ออกไซด์ใหม่^{[ 191 ]}^{[ 192 ]}	2011	85 วัตต์-ชั่วโมง /กิโลกรัม		>10,000	200 F /g	โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ได้ปรับโครงสร้างคาร์บอนใหม่ ทำให้เกิดโครงข่ายรูพรุนสามมิติ
คาร์บอนที่ใช้กราฟีนที่กระตุ้นแล้วเป็นอิเล็กโทรดซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีรูพรุนขนาดใหญ่และขนาดกลาง^{[ 193 ]}	2013	74 วัตต์-ชั่วโมง /กิโลกรัม				โครงสร้างรูพรุนสามมิติในคาร์บอนที่ได้จากกราฟีน ซึ่งมีรูพรุนขนาดกลางผสานเข้ากับโครงสร้างรูพรุนขนาดใหญ่ที่มีพื้นที่ผิว3290 ตร.ม. ^/กรัม
พอลิเมอร์ไมโครพรุนแบบคอนจูเกต^{[ 194 ]}^{[ 195 ]}	2011	53 วัตต์-ชั่วโมง /กิโลกรัม		10,000		โครงสร้างไมโครพรุนแบบ π-คอนจูเกตที่หลอมรวมกับอะซา
อิเล็กโทรดคอมโพสิต SWNT ^{[ 196 ]}	2011		990 วัตต์ /กก.			โครงสร้างรูพรุนระดับเมโซและมาโครที่ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษสามารถกักเก็บอิเล็กโทรไลต์ได้มากขึ้น ทำให้การขนส่งไอออนเป็นไปอย่างสะดวก
นาโนเฟลค ของนิกเกิลไฮดรอกไซด์บนอิเล็กโทรดคอมโพสิต CNT ^{[ 197 ]}	2012	50.6 วัตต์ชั่วโมง /กิโลกรัม			3300 F /g	ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบไม่สมมาตร โดยใช้อิเล็กโทรด Ni(OH) /CNT/NF เป็นขั้วบวก ประกอบกับขั้วลบที่เป็นถ่านกัมมันต์ (AC) ทำให้ได้แรงดันไฟฟ้าของเซลล์ 1.8 โวลต์
นาโนไฮบริดแบตเตอรี่-อิเล็กโทรด^{[ 80 ]}	2012	40 วัตต์ -ลิตร	7.5 กว้าง /ยาว	10,000		หลี่ไท O (LTO) ที่เคลือบอยู่บนแอโนดคาร์บอนนาโนไฟเบอร์ (CNF) และแคโทดคาร์บอนกัมมันต์
นิกเกิล โคบอลไทต์ที่ตกตะกอนบนแอโรเจลคาร์บอนมีรูพรุนขนาดกลาง^{[ 198 ]}	2012	53 วัตต์-ชั่วโมง /กิโลกรัม	2.25 วัตต์ /กิโลกรัม		1700 F /g	นิกเกิลโคบอลไทต์ วัสดุซูเปอร์คาปาซิเตอร์ราคาถูกและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
นาโนเฟลคที่แทรกด้วยแมงกานีสไดออกไซด์^{[ 199 ]}	2013	110 วัตต์-ชั่วโมง /กิโลกรัม			1000 F /g	กระบวนการทางไฟฟ้าเคมีแบบเปียกแทรกไอออน Na(+) เข้าไปในMnOมีชั้นคั่นกลาง
อิเล็กโทรดกราฟีนพรุน 3 มิติ^{[ 200 ]}	2013	98 วัตต์-ชั่วโมง /กิโลกรัม			231 F /g	แผ่นกราฟีนชั้นเดียวที่มีรอยย่น ขนาดไม่กี่นาโนเมตร และมีพันธะโควาเลนต์อย่างน้อยบางส่วน
ไมโครซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบระนาบที่ใช้กราฟีนสำหรับการจัดเก็บพลังงานบนชิป^{[ 201 ]}	2013	2.42 วัตต์ -ลิตร				การกรองสัญญาณบนชิป
ตัวเก็บประจุแผ่นนาโน^{[ 202 ]}^{[ 203 ]}	2014				27.5 μF cm ⁻²	อิเล็กโทรด: Ru O ^0.2–ไดอิเล็กทริก: Ca Nb O ^–กระบวนการผลิตแบบใช้สารละลายที่อุณหภูมิห้อง ความหนารวมน้อยกว่า 30 นาโนเมตร
LSG/แมงกานีสไดออกไซด์^{[ 204 ]}	2015	42 วัตต์-ลิตร	10 กิโลวัตต์/ลิตร	10,000		โครงสร้างกราฟีนสามมิติที่สร้างขึ้นด้วยเลเซอร์ (LSG) เพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้า ความพรุน และพื้นที่ผิว อิเล็กโทรดมีความหนาประมาณ 15 ไมครอน
กราฟีนที่เหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์/อิเล็กโทรไลต์ของแข็ง^{[ 205 ]}^{[ 206 ]}	2015		0.02 มิลลิแอมป์/ซม. ^²		9 มิลลิฟารัด/ซม. ^²	ทนทานต่อการงอซ้ำๆ
ลวดนาโน ทังสเตนไตรออกไซด์ (WO ) และโครงสร้างสองมิติที่ห่อหุ้มด้วยเปลือกของไดแคลโคเจนิกโลหะทรานซิชัน ทังสเตนไดซัลไฟด์ (WS ) ^{[ 207 ]}^{[ 208 ]}	2016	~100 วัตต์-ลิตร	1 กิโลวัตต์/ลิตร	30,000		เปลือก 2 มิติที่ห่อหุ้มนาโนไวร์

^การวิจัยเกี่ยวกับวัสดุอิเล็กโทรดจำเป็นต้องมีการวัดส่วนประกอบแต่ละส่วน เช่น อิเล็กโทรดหรือเซลล์ครึ่งหนึ่ง^{[ 209 ]}โดยการใช้อิเล็กโทรดเคาน์เตอร์ที่ไม่ส่งผลต่อการวัด จะสามารถเปิดเผยลักษณะเฉพาะของอิเล็กโทรดที่สนใจได้เท่านั้น พลังงานและกำลังจำเพาะสำหรับซูเปอร์คาปาซิเตอร์จริงจะมีค่าประมาณ 1/3 ของความหนาแน่นของอิเล็กโทรดเท่านั้น

ตลาด

ข้อมูล ณ ปี 2016ยอดขายซูเปอร์คาปาซิเตอร์ทั่วโลกอยู่ที่ประมาณ 400 ล้านดอลลาร์สหรัฐ^{[ 210 ]}

ตลาดแบตเตอรี่ (ประมาณการโดยFrost & Sullivan ) เติบโตจาก 47.5 พันล้าน ดอลลาร์สหรัฐ (76.4% หรือ 36.3 พันล้านดอลลาร์สหรัฐเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จได้) เป็น 95 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ^{[ 211 ]}ตลาดซูเปอร์คาปาซิเตอร์ยังคงเป็นตลาดเฉพาะกลุ่มขนาดเล็กที่ไม่สามารถตามทันคู่แข่งรายใหญ่กว่าได้

ในปี 2559 IDTechEx คาดการณ์ว่ายอดขายจะเติบโตจาก 240 ล้านดอลลาร์สหรัฐเป็น 2 พันล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2569 ซึ่งเพิ่มขึ้นประมาณ 24% ต่อปี^{[ 212 ]}

ต้นทุนของซูเปอร์คาปาซิเตอร์ในปี 2549 อยู่ที่ 0.01 ดอลลาร์สหรัฐต่อฟารัด หรือ 2.85 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลจูล ลดลงเหลือต่ำกว่า 0.01 ดอลลาร์สหรัฐต่อฟารัดในปี 2551 และคาดว่าจะลดลงอีกในระยะกลาง^{[ 213 ]}

ดูเพิ่มเติม

ยานพาหนะ Capa – ประเภทของยานพาหนะขนส่งหน้าเว็บที่แสดงคำอธิบายสั้น ๆ ของเป้าหมายการเปลี่ยนเส้นทาง
ประเภทของตัวเก็บประจุ– รูปแบบการผลิตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
พอลิเมอร์ไมโครพรุนแบบคอนจูเกต– วัสดุพรุนชนิดหนึ่ง
แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า– แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ที่ใช้สำหรับยานพาหนะ
ระบบกักเก็บพลังงานแบบล้อหมุน– วิธีการกักเก็บพลังงาน
รายชื่อเทคโนโลยีเกิดใหม่– เทคโนโลยีใหม่ที่อยู่ระหว่างการพัฒนาอย่างจริงจัง
ตัวเก็บประจุลิเธียมไอออน– ตัวเก็บประจุแบบไฮบริด
ไฟฉายที่ใช้พลังงานกล– ไฟฉายที่ใช้พลังงานจากมนุษย์
นาโนฟลาวเวอร์– สารประกอบที่ก่อให้เกิดโครงสร้างซึ่งเมื่อมองด้วยกล้องจุลทรรศน์จะมีลักษณะคล้ายดอกไม้

External links

Supercapacitors: A Brief Overview

[

2

[ 3 ]

[

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[

[

[

[

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]

[

[

[

[

[

[ 32 ]

[ 33 ]

[ 34 ]

[ 35 ]

[ 36 ]

[ 37 ]

[ 38 ]

[ 39 ]

[ 40 ]

[ 41 ]

[ 42 ]

[ 43 ]

[ 44 ]

[

[ 46 ]

[

48 ] [

49 ] อิ

[ 50 ]

[ 51 ]

[ 52 ]

[ 53 ]

[ 54 ]

[ 55 ]

[ 56 ]

[ 57 ]

[ 58 ]

[ 59 ]

[ 60 ]

[ 61 ]

[ 62 ]

[ 63 ]

[ 64 ]

[

[ 66 ]

[ 67 ]

[ 68 ]

[ 69 ]

[ 70 ]

[ 71 ]

[ 72 ]

[

[ 76 ]

[ 77 ]

[ 78 ]

[ 79 ]

ขั้วไฟฟ้าแบตเตอรี่แบบชาร์จได้มีอิทธิพลต่อการ พัฒนา

[

[

[

[

[ 85 ]

[ 86 ]

[ 88 ]

[ 89 ]

[ 90 ]

[ 91 ]

[ 92 ]

[ 93 ]

94 ] พลังงาน

[ 95 ]

[ 96 ]

[ 97 ]

[ 98 ]

[ 99 ]

[ 100 ]

[ 101 ]

[ 102 ]

[ 103 ]