الابتكارات في تطوير المكثفات الفائقة: الماضي والحاضر والمستقبل

كانت صناعة إلكترونيات الطاقة في دوامة تصاعدية ولا تظهر أي علامات على التراجع ، حيث يخترق اتجاه الكهربة نطاقًا أوسع من المجالات الصناعية ويستلزم متطلبات الأجهزة الإلكترونية ذات التقنية العالية. في السنوات الأخيرة ، كان هناك ارتفاع ملحوظ في الحاجة إلى حلول تخزين الكهرباء المتقدمة ، مدفوعة بضرورة تخزين أسرع ، وإدارة فعالة للطاقة ، وتحسين الطاقة.

لعبت الطبيعة القائمة على التطبيقات لصناعة إلكترونيات الطاقة دورًا مهمًا في تطوير حلول تخزين الكهرباء ، مثل المكثفات. دفعت الفعالية الزمنية النسبية في شحن المكثفات إلى تنفيذها في العديد من أجهزة تخزين الطاقة. ومع ذلك ، لا يزال هناك إمكانية لتحسين قدرة المكثفات على تخزين الكهرباء ، والتي بدورها أدت إلى تطوير المكثفات الفائقة - المعروفة أيضًا باسم المكثفات الفائقة أو المكثفات الكهروكيميائية (ECs).

أدى التركيز على تخزين الطاقة الفعال إلى ظهور المكثفات الفائقة

عندما بدأت التطورات الصناعية تدور حول اتجاه الكهربة ، تسارعت وتيرة الابتكارات في تصاميم المكثفات الفائقة أجرت الشركات العالمية العملاقة ، بما في ذلك شركة جنرال إلكتريك ، تجارب مخصصة لتحسين التصميم في المكثفات الفائقة ، في محاولة للاستفادة من الطلب المتزايد على المكثفات الفائقة في الصناعات باعتبارها عامل تمكين رئيسي للكهرباء. كانت شركة NEC من بين الشركات القليلة الأولى التي أدخلت المكثفات الفائقة تجارياً إلى العالم ؛ تُنسب شركة Standard Oil Company of Ohio (SOHIO) أساسًا للاختراع.

بعد ظهور الموصلات الفائقة كحل لتخزين الطاقة أكثر كفاءة ، ارتفعت شعبية تقنية EC على الفور. تطورت تصميمات المكثفات الفائقة عبر عدة أجيال منذ إطلاقها التجاري الأول. لا تزال المؤسسات البحثية والشركات الرائدة في صناعة إلكترونيات الطاقة تركز على الابتكار حول طرق التصنيع والمواد لزيادة تحسين كفاءة التكلفة وأداء المكثفات الفائقة.

اكتشفت المعاهد البحثية إجراءات تصنيع مبتكرة للمكثفات الفائقة

على الرغم من الخصائص التشغيلية الممتازة للمكثفات الفائقة ، لا يزال المصنعون يكافحون للتحكم في تكاليف التصنيع المرتفعة ، وقدرة تخزين الطاقة المنخفضة للمكثفات الفائقة ، مقارنة بالبطاريات. أيضًا ، فإن المخاوف المتعلقة بالمتانة التي تتعلق بالمكثفات الفائقة قد قيدت اعتمادها في التطبيقات الصناعية إلى حد معين. استجابة لهذه المخاوف ، استثمرت شركات تصنيع المكثفات الفائقة بشكل كبير في البحث والتطوير (R & D) لتصميم نسخة أكثر تفوقًا من المكثفات الفائقة.

بعض الابتكارات القائمة على الأبحاث والتي شكلت سوق المكثفات الفائقة في السنوات الخمس الماضية هي ،

• في فبراير 2013 ، اكتشف باحثون في جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس طريقة تصنيع رائدة وفعالة من حيث التكلفة لتصنيع مكثفات فائقة الصغر باستخدام ناسخ LightScribe DVD للمستهلكين. تتكون هذه المكثفات الفائقة الدقيقة من طبقة بسماكة ذرة واحدة من الكربون الجرافيتي ويمكن دمجها بسهولة في الأجهزة الإلكترونية المصغرة. باستخدام ورقة ثنائية الأبعاد من الجرافين مع تقنية التصنيع الجديدة ، يمكن للباحثين تقليل تكاليف التصنيع إلى حد كبير وتوسيع نطاق التطبيقات للمكثفات الفائقة.
• في يوليو 2013 ، طور باحثون من معهد أولسان الوطني للعلوم والتكنولوجيا (UNIST) طريقة مبتكرة لإنتاج كميات كبيرة من كرة الجرافين النانوية ثلاثية الأبعاد المسامية (MGB) التي يمكن استخدامها في تصنيع المكثفات الفائقة. توقع الباحثون أن خصائص الجرافين المسامية ستحسن قابلية التوسع والجودة والكفاءة من حيث التكلفة للمكثفات الفائقة ، مما يوسع نطاق تطبيقاتها في السيارات الكهربائية.
• في أغسطس 2014 ، طور المهندسون في جامعة موناش في أستراليا طريقة جديدة لإنتاج الجرافين داخل المكثفات الفائقة لتحسين كثافة طاقتهم 10 مرات أكثر من الأجهزة التجارية. ابتكر المهندسون مادة جرافين ميكروسكوبية من خلال عملية مشابهة لطريقة تصنيع الورق التقليدية. بالإضافة إلى ذلك ، أكدوا أيضًا أنه من خلال تقليل المادة الكيميائية القائمة على المحلول - أكسيد الجرافيت في الجرافين ، يمكن للمهندسين فتح طرق جديدة لتسويق الجرافين ومكثفات الطاقة الفائقة 10 مرات.
• اكتشفت مجموعة من الباحثين في كوريا الجنوبية مادة بديلة مبتكرة بشكل غير عادي ولكنها مناسبة للغاية للأقطاب الكهربائية فائقة المكثف في أغسطس 2014. ابتكروا طريقة لاستخدام مرشحات السجائر في المكثفات الفائقة ، والتي يمكن تحويلها إلى مادة عالية الأداء قائمة على الكربون ذات طاقة عالية كثافات. يمكن للباحثين استخدام مرشحات السجائر المستخدمة بنجاح لتخزين طاقة كهربائية أكثر من الكربون المتاح تجاريًا.

التركيز على التطورات المادية في المكثف الفائق موجود في كل مكان

اكتسب التحرك نحو تطوير مواد عالية الأداء وضوحًا تامًا بين مصنعي المكثفات الفائقة ، مع الطلب المتزايد باستمرار على المكثفات الفائقة في مختلف التطبيقات الصناعية ، مثل الإلكترونيات الاستهلاكية القابلة للارتداء والمركبات الكهربائية. على الرغم من أن الجرافين لا يزال أحد المواد المناسبة للمكثفات الفائقة ، إلا أن أنشطة البحث المستمرة تشير إلى تحولات مهمة في مشهد سوق المكثفات الفائقة.

اخترعت مجموعة من الكيميائيين من معهد Van't Hoff للعلوم الجزيئية بجامعة أمستردام مادة جديدة للمكثف الفائق أثناء إجراء التجارب لمشروع خلايا الوقود. وجد الباحثون أن مادة المكثفات الفائقة المسامية منخفضة التكلفة وخفيفة وغير سامة ، ويمكن استخدامها في التطبيقات التجارية المحتملة للمكثفات الفائقة ، مثل النقل والإلكترونيات وأجهزة تخزين الطاقة.

استخدمت مجموعة أخرى من العلماء في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز ومختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) الجرافين فائق السرعة المطبوع ثلاثي الأبعاد لتقليل السماكات بترتيب المليمترات وتحسين خصائص أداء المكثفات الفائقة بما في ذلك كثافة الطاقة والاحتفاظ بالسعة.

A supercapacitor طوي ومصنوعة من ورقة عادية من قبل المهندسين من معهد جورجيا للتكنولوجيا وجامعة كوريا التي يمكن تخزين المزيد من الطاقة لمدة أطول، وخاصة في المنتجات الالكترونية يمكن ارتداؤها كما أنها مرنة. يركز العلماء والمهندسون والباحثون في جميع أنحاء العالم بشكل أساسي على موازنة كثافة الطاقة وكثافة الطاقة للمكثفات الفائقة من أجل تجنب فقدان الطاقة في وقت واحد.

تركز التطورات والابتكارات الأخيرة في المواد المستخدمة في تصنيع المكثفات الفائقة بشكل أساسي على تقليل إمكانية التفريغ الذاتي أو ماس كهربائى. يهدف أصحاب المصلحة في سوق المكثفات الفائقة إلى الاستفادة من خصائص الأداء المختلفة للمكثفات الزائفة والمكثفات الهجينة ، والتي يمكن أن تعكس كثافة طاقة أعلى من أي أنواع أخرى من المكثفات الفائقة.

في حين أن الطلب على المكثفات الكهربائية مزدوجة الطبقة لا يزال أعلى في سوق المكثفات الفائقة ، فإن المكثفات الهجينة تشهد ارتفاعًا في الطلب في مختلف التطبيقات الصناعية.

صناعة السيارات - المجال المحتمل للنمو الرئيسي لمصنعي المكثفات الفائقة

يعد قطاع السيارات مجالًا محتملًا للنمو المرتفع لمصنعي أجهزة تخزين الطاقة عالية الجودة ، مثل المكثفات الفائقة ، في الوقت الحالي. في عام 2013، وشكلت تطبيقات السيارات من المكثفات الفائقة لمدة تقل عن 1/5 ^عشر من حصة الإيرادات من السوق المكثفات الفائقة. ومع ذلك ، مع التطورات الأخيرة في صناعة السيارات ، أصبحت السيارات واحدة من أهم تطبيقات المكثفات الفائقة.

مع تركيز مصنعي السيارات على تقليل الاعتماد على صناعة النفط ، وفرض الهيئات الحاكمة لوائح بيئية صارمة ، من المتوقع أن تكون آفاق النمو للسيارات الكهربائية واعدة. وقد دفع ذلك مصنعي المكثفات الفائقة إلى البحث عن فرص مربحة في صناعة السيارات سريعة التطور.

يعد تطوير المكثفات الفائقة المناسبة للسيارات الكهربائية أو المركبات الكهربائية الهجينة أحد أهم استراتيجيات العمل لشركات تصنيع المكثفات الفائقة. من ناحية أخرى ، يتنافس مصنعو السيارات أيضًا على طرح أكثر السيارات الكهربائية كفاءة ، وهو ما يبرر بحثهم عن أنظمة تخزين الطاقة عالية الجودة. ينعكس هذا في النهاية في النطاق المتزايد باستمرار للابتكارات في المكثفات الفائقة في صناعة السيارات سريعة التطور.

في فبراير 2019 ، أعلنت شركة Tesla Inc - العملاق العالمي في صناعة السيارات والطاقة - أنها استحوذت على Maxwell Technologies Inc. - شركة رائدة في مجال تكنولوجيا البطاريات - مقابل 218 مليون دولار أمريكي تقريبًا تهدف الشركة إلى الاستفادة من الفرص المربحة للسيارات الكهربائية ، وبهذا الاستحواذ ، تخطط لإضافة خبرة في مجال المكثفات الفائقة التي يمكن أن تسرع من قدرات شحن السيارات.

في مايو 2018 ، أبرمت Rolls-Royce - الشركة الرائدة في صناعة السيارات الفاخرة في العالم - اتفاقية تعاون مع شركة Superdielectrics Ltd - وهي شركة تكنولوجية ناشئة مقرها المملكة المتحدة ، واستكشفوا إمكانات المكثفات الفائقة وابتكروا مساحة تخزين عالية الطاقة على أحدث طراز تقنية. من خلال هذه الشراكة ، تهدف Roll-Royce إلى الجمع بين خبرتها في علم المواد والبوليمرات المحبة للماء Superdielectrics لتطوير تطبيقات بطاريات فائقة المكثف على مستوى عالمي.

لامبورغيني هي شركة سيارات رائدة أخرى تنضم إلى مجموعة شركات السيارات التي تخطط للاستفادة من الخصائص غير العادية للمكثفات الفائقة أثناء كهربة صناعة السيارات. أعلن المدير الفني للشركة مؤخرًا أن الشركة قد استخدمت سابقًا المكثفات الفائقة في لامبورغيني أفينتادور لبطارية بدء التشغيل. يتوقع الخبراء أن خليفة Aventador قد يستخدم نفس المكثفات الفائقة.

خلقت صناعة السيارات المتطورة باستمرار بيئة تنافسية مثيرة للغاية لمصنعي المكثفات الفائقة. من المرجح أن يؤدي السعي لتحقيق تطورات مستمرة في أداء المكثفات الفائقة إلى إطلاق بعض الابتكارات الرائدة في سوق المكثفات الفائقة في السنوات القادمة.

دور المكثفات الفائقة في آفاق الإلكترونيات والطاقة وصناعات الطاقة

من المتوقع أن تمثل صناعة السيارات والنقل أكثر من ثلث حصة الإيرادات من سوق المكثفات الفائقة في العقد القادم. على الرغم من المستقبل المجيد للمكثفات الفائقة في صناعة السيارات في العصر الجديد ، فمن المرجح أن تحتل الإلكترونيات الاستهلاكية وصناعات الطاقة والطاقة نصيب الأسد في تطوير سوق المكثفات الفائقة.

توصف المكثفات الفائقة بأنها العمود الفقري لأي منتج إلكتروني يعمل على البطاريات أو أنظمة تخزين الطاقة. في السنوات القادمة ، من المرجح أن تشهد المكثفات الفائقة قبولًا واسع النطاق في مختلف قطاعات الصناعة. من المرجح أن يشهد مستقبل سوق المكثفات الفائقة ظهور ECs من شأنها تعزيز مستقبل الأجهزة القابلة للارتداء والمنتجات الإلكترونية الاستهلاكية. تعد المكثفات الشمسية الفائقة أيضًا شيئًا من المستقبل ، ومن المتوقع أن يكون لها إمكانات مبيعات ضخمة في مشهد أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء ، خاصة في الأجهزة الصحية القابلة للارتداء.

تستمر أنشطة البحث والتطورات الجارية في صناعة إلكترونيات الطاقة في التلميح إلى أن المكثفات الفائقة ستحل محل البطاريات في المستقبل القريب. مع زيادة تطبيقات المكثفات الفائقة في مختلف القطاعات الصناعية ، مثل الإلكترونيات والطاقة والطاقة والجيش والدفاع والفضاء ، من المتوقع أن يتجاوز السوق العالمي للمكثفات الفائقة 5.5 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2028. معدل النمو الأسي لسوق المكثفات الفائقة هو من المتوقع أن يضخم الفرص المربحة للباحثين والمصنعين وأصحاب المصلحة الآخرين في المناظر الطبيعية.

Aditi Yadwadkar هو كاتب ذو خبرة في أبحاث السوق وقد كتب على نطاق واسع في صناعة الإلكترونيات وأشباه الموصلات. في Future Market Insights (FMI) ، تعمل عن كثب مع فريق أبحاث الإلكترونيات وأشباه الموصلات لتلبية احتياجات العملاء من جميع أنحاء العالم. تستند هذه الأفكار إلى تقرير عن سوق المكثفات الفائقة صادر عن FMI.