איזה תפקיד יהיה ל- Supercapacitors – סופר קבלים בעיצוב של מערכות אנרגיה עתידיות?

image_pdfimage_print

בתוך שנים ספורות, רוב המכשירים יהפכו ליותר “חכמים” בכדי להתחבר לאינטרנט של הדברים.

כדי לממש את היתרונות של IoT, רמות ביצועים ופונקציונליות של המכשיר החכם גדלו באופן אקספוננציאלי.

פונקציונליות מוגברת, לעומת זאת, פירושה יותר מורכבות ויותר צריכת אנרגיה.

מהנדסים השקיעו מאמצים רבים כדי למזער פיזור הספק עם מצבי פעולה דינמיים כגון לשים מכשיר במצב “שינה” כאשר הביקוש לעיבוד נתונים הוא נמוך, אבל יש כמה פונקציות שצריכות פרץ של אנרגיה, כגון תקשורת אלחוטית או הבזק מנורת לד. זה לא רק במעגלי מיקרו אנרגיה שצריכים לפעול אלא גם התקנים הכוללים מנועים קטנים, מודדים חכמים ומגברי שמע, למשל, כולם זקוקים לתכונה זו של יכולת צריכת אנרגית שיא רגעית ללא תלות בגודל או עלות מעבר למה שמצופה.

תהליך תאום גודל הסוללה של המכשיר עבור עומסי שיא אלה לא יעיל, מגושם ויקר, ולכן צורה כלשהי של תיאום עומס שיא היה רצוי. זה המקום שבו Supercapacitors – סופר קבלים, הופיעו.

סוללות ליתיום או סוללות אלקליות מסורתיות היו פתרון, אבל לטכנולוגיות יש מגבלות. בהשוואה לסוללות, ל-סופר קבלים יש צפיפות הספק גבוהה בהרבה, עד 100,000 פעמים יותר מאשר תא Li-MnO2 בגודל של מטבע למשל. סופר קבל זוכה בתחרות עבור מתן הספק גבוה יחסית לזמן ארוך, יותר מסודר בסדר הקוטביות ויותר טוב בביצועים מאשר ביצועי סוללה – ראה תמונה 1.

ישנם סוגים שונים של סופר קבלים עבור יישומים שונים, החל מתאים בצורת מטבע וכלה בתאים בצורת צילינדר למינאתיים לפי דירוג צריכת אנרגית שיא רגעית. ראה איור 2. סוגי לאמינאציה בסדרת DMT ו-DMF של Murata אופייניים לשימוש באפליקציות מתאמי עומס.

הביצועים הספציפיים של ה-סופר קבל הינם בזכות מהמבנה שלו. אין לו תווך דיאלקטרי כמו כל סוגי הקבלים האחרים, אלא שכבה כפולה חשמלית ( Electrical Double Layer – EDL ). שכבה זו נוצרת כתוצאה מהתממשקות של אבקת פחמן פעיל ואלקטרוליט. האחסון של הטעינה אינו על ידי תהליך כימי אלא על ידי תנועה פיזית של יונים אל הנקבוביות בשכבות הפחמן. הנקבוביות מספקות שטח ענק לצבירת טעינה ומתן ערכי קיבול עודף של 1 Farad ב 5V. ערכי התנגדות טורית (ESR) מתונים, בדרך כלל בין 50 ל 500- מילי-אום, מה שהופך את הסופר קבלים לעמידים בקצר. לעומת סוללה, הסופר קבלים אוגרים רק כ 10 Joules של אנרגיה, אשר לא מייצר אפקט חימום משמעותי על הרכיב אפילו בתנאי קצר.

תכונה נוספת של הסופר קבלים הינה מספר כמעט בלתי מוגבל של מחזורי פריקה וטעינה לעומת מספר פעמים מוגבל של הסוללות.אורך החיים הוא ארוך אפילו עם השפעה של טמפרטורה וחום אשר מאיצים את תהליך ההזדקנות. בתנאים מבוקרים, המוצרים יכולים בקלות לתת הרבה יותר מחמש שנים של שימוש . כל דאגה לגבי עבודה בלחות מטופל על ידי מבנה הלמינציה, עם גודל מינימלי של חומר האיטום. כמו באלקטרוליטיים, טווח הטמפרטורה עבור הסופר קבלים הוא-  עד °C70 או ° עם וריאצית ESR דומה בטמפרטורות נמוכות.

הסופר קבלים מקוטבים וזמינים עד מתח של כ- V5. למעשה, סדרות ה- DMT וה- DMF של Murata מכילים כבר שתי יחידות “בטור”. מתח גבוה יותר ניתן להשיג בקלות עם חיבור בטור של הפריטים, גם עם מתח אקטיבי או פסיבי לאיזון התיכנון.חיבור במקביל אף הוא קל ולא נדרשים אמצעי זהירות מיוחדים כדי להשיג יותר קיבוליות אחסון. הטעינה פשוטה כמו בקבלים אלקטרוליטיים ממקור מתח פשוט.

היתרון המשמעותי העיקרי הוא התצורה הרזה במיוחד של סדרת הDMT ו-DMF של MURATA, רק 2.2 מ”מ שתואמים את הדרישות של היום לאפליקציות שניכנסות לכיס או כל האפליקציות הנישאות.

נעים קדימה, מכשירים ניידים יהפכו ליותר פונקציונליים, קטנים וקלים יותר. הסופר קבלים של MURATA מייצגים את הפיתרון שמאפשר את הטכנולגיות הללו.

 

הכתבה נמסרה באדיבות חברת  STG

Kunio Nomura, Murata

תגובות סגורות