پژوهشگران ابرخازن هیبریدی با چگالی انرژی و سرعت شارژ بالا توسعه دادند

پژوهشگران دانشگاه «فناوری کوئینزلند» (QUT) ابرخازن هیبریدی جدیدی طراحی کرده‌اند که سرعت شارژ و دشارژ بالایی دارد و همچنین از نظر ذخیره‌سازی انرژی بهبود زیادی را تجربه کرده و عملکردی مشابه با باتری‌های «نیکل– هیدرید فلز» (NiMH) دارد.

باتری‌های لیتیومی انرژی را به شکل شیمیایی ذخیره می‌کنند و به علت چگالی انرژی بالا، مورد استفاده گسترده‌ای قرار می‌گیرند. با وجود چنین مزیتی، همه ما می‌دانیم که این باتری‌ها با سرعت چندان بالایی شارژ نمی‌شوند. در کنار باتری‌ها، با ابرخازن‌ها سروکار داریم که بجای شکل شیمیایی، انرژی را بطور استاتیکی ذخیره می‌کنند، بنابراین سرعت شارژ و تخلیه شارژ بسیار سریعتری دارند و البته ساختار داخلی آن‌ها تخریب نمی‌شود.

این ویژگی باعث می‌شود ابرخازن‌ها چگالی توان بالایی داشته باشند، اما در مقابل در مقایسه با باتری‌های شیمیایی، چگالی انرژی بسیار پایین‌تری دارند. چگالی انرژی (وات ساعت بر کیلوگرم) مربوط به میزان کل انرژی می‌شود که یک وسیله می‌تواند به ازای وزن خود ذخیره کند و چگالی توان (وات بر کیلوگرم) به معنای سرعت انتقال توان در هنگام شارژ و دشارژ است.

در همین راستا پژوهشگران به سراغ ابرخازن‌های هیبریدی رفته‌اند که از نظر چگالی انرژی و چگالی توان عملکرد متوسطی دارند. حالا پژوهش جدید تیم دانشگاه QUT، طراحی متفاوتی را در پیش گرفته. مقاله این تیم طراحی را توصیف می‌کند که از یک الکترود منفی مبتنی بر «کاربید تیتانیوم» خازنی و الکترود مثبت گرافین هیبریدی شبیه به باتری استفاده می‌کند.

نتیجه چنین سبک طراحی دستیابی به ابرخازن هیبریدی با ۱۰ برابر چگالی توان یا قابلیت شارژر بهتر نسبت به باتری‌های لیتیومی است. علاوه بر این، چگالی انرژی این خازن هیبریدی تفاوت چندانی با باتری‌های NiMH ندارد.

چنین خازنی دارای حداکثر چگالی انرژی ۷۳ وات ساعت بر کیلوگرم است که ۲۸ درصد بهترین باتری‌های مورد استفاده در خودروهای برقی امروزی محسوب می‌شود. در مقابل چگالی توان آن به ۱۶۰۰ وات بر کیلوگرم می‌رسد که بسیار بالاتر از باتری‌های لیتیومی با چگالی توان ۲۵۰ تا ۳۴۰ وات بر کیلوگرم است.

اگر بخواهیم در دنیای واقعی عملکرد این باتری‌ها را مقایسه کنیم، می‌توانیم نگاهی به نسخه Plaid پلاس خودروی تسلا مدل S داشته باشیم. این خودروی تسلا بردی نزدیک به ۸۴۰ کیلومتر دارد که اگر باتری‌های آن را با خازن هیبریدی جابجا کنیم، برد آن به ۲۳۳ کیلومتر کاهش پیدا می‌کند. با این وجود می‌توانید با تجهیزات موردنیاز تا ۵ برابر سریعتر آن را شارژ کنید.

در کنار سرعت شارژ بالا، به گفته تیم QUT این ابرخازن‌های هیبریدی تا ۲ برابر عمر بیشتری نسبت به باتری‌های لیتیومی دارند. در آزمایش‌ها پس از ۱۰ هزار چرخه شارژ و دشارژ کامل، ۹۰ درصد ظرفیت آن‌ها باقی ماند.

با وجود چنین مزیت‌هایی، انتظار نمی‌رود در آینده نزدیک ابرخازن‌های هیبریدی جایگزین باتری‌های لیتیومی در خودروهای برقی شوند، چرا که برد این محصولات از اهمیت بالایی برای خریداران برخوردار است.