การทำความเข้าใจเกี่ยวกับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และความสัมพันธ์กับแบตเตอรี่

ความต้องการแหล่งกักเก็บพลังงานที่เชื่อถือได้เพิ่มขึ้นเป็นอย่างมากผ่านการเพิ่มขึ้นของ Internet of Things (IoT), IoT ระดับอุตสาหกรรม (IIoT), อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา และการใช้งานขนาดใหญ่ เช่น โรงงานอุตสาหกรรมและศูนย์ข้อมูล โดยแบตเตอรี่ให้พลังงานโดยตรงแก่อุปกรณ์ขนาดเล็ก ในขณะที่แบตเตอรี่ในการใช้งานขนาดใหญ่มักใช้ในการสำรองข้อมูลในกรณีที่ไฟฟ้าหลักดับ

อุปกรณ์ขนาดเล็กมักใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion) หรือแบตเตอรี่เซลล์แบบเหรียญอัลคาไลน์เพื่อให้สามารถบรรจุลงในอุปกรณ์ขนาดเล็กและการบำรุงรักษาน้อยที่สุด ซึ่งต้องเอาใจใส่เซลล์แบตเตอรี่ Li-ion อย่างระมัดระวังเนื่องจากขีดจำกัดของวงจรการชาร์จและความปลอดภัย โดยแบตเตอรี่ที่ใช้สำรองไฟอาจเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วหลังจากชาร์จใหม่แบบด่วน และจะต้องเปลี่ยนใหม่ แบตเตอรี่เหล่านี้ยังต้องการระบบการจัดการแบตเตอรี่ที่ซับซ้อนและยังคงมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดความร้อนต่อเนื่องแบบไม่ย้อนคืน ซึ่งนำไปสู่ข้อกังวลด้านความปลอดภัย

ตัวเก็บประจุแบบไฟฟ้าสองชั้น (EDLC) หรือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นเทคโนโลยีเสริมสำหรับแบตเตอรี่ ในกรณีที่แบตเตอรี่สามารถจ่ายพลังงานได้เป็นระยะเวลาค่อนข้างนาน ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถจ่ายพลังงานได้อย่างรวดเร็วในช่วงเวลาสั้นๆ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ไม่ก่อให้เกิดเกิดความร้อนต่อเนื่องแบบไม่ย้อนคืน และสามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือนานถึง 20 ปี สามารถใช้เป็นวิธีการจัดเก็บพลังงานเพียงอย่างเดียว หรือใช้ร่วมกับแบตเตอรี่ หรือเป็นอุปกรณ์ไฮบริดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการส่งพลังงาน

บทความนี้จะอธิบายโดยย่อเกี่ยวกับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่ จากนั้นจะกล่าวถึงการใช้งานทั่วไปบางประเภท เช่น แบบสแตนด์อโลนและใช้ร่วมกับแบตเตอรี่ และใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จาก Eaton เป็นตัวอย่างในการอธิบาย

ความแตกต่างของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานที่มีความจุพลังงานจำเพาะสูงผิดปกติเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์จัดเก็บไฟฟ้าเคมี เช่น แบตเตอรี่ แบตเตอรี่และซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทำหน้าที่คล้ายกันในการจ่ายพลังงาน แต่ทำงานต่างกัน ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทำงานเหมือนตัวเก็บประจุแบบคลาสสิกตรงที่รูปแบบการคายประจุสำหรับกระแสคายประจุคงที่จะแสดงแรงดันไฟฟ้าลดลงเป็นเส้นตรง การเก็บพลังงานในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แตกต่างจากแบตเตอรี่ตรงที่เป็นไฟฟ้าสถิต ดังนั้นจึงไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในอุปกรณ์ และการดำเนินการเก็บประจุและคายประจุแทบจะย้อนกลับได้เกือบทั้งหมด ซึ่งหมายความว่าสามารถทนต่อรอบการเก็บประจุและคายประจุได้มากขึ้น

แบตเตอรี่เก็บพลังงานไฟฟ้าเคมี รูปแบบการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นแบบราบเรียบ มีลักษณะแรงดันไฟฟ้าเกือบคงที่จนกว่าแบตเตอรี่จะคายประจุจนเกือบหมด เนื่องจากกลไกทางเคมีเสื่อมลง จำนวนรอบการเก็บและคายประจุในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงมีจำกัด ปัจจัยต่างๆ เช่น อุณหภูมิ แรงดันไฟฟ้าในการชาร์จ และปริมาณแบตเตอรี่ที่ถูกใช้ไปจะส่งผลต่อการลดความจุของแบตเตอรี่

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอาจมีความร้อนต่อเนื่องแบบไม่ย้อนคืน การลุกติดไฟได้เอง และแม้แต่การระเบิด การเกิดความร้อนเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เนื่องจากปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างเก็บประจุและการคายประจุจากการให้ความร้อนแบบต้านทาน ด้วยเหตุนี้ แบตเตอรี่จึงจำเป็นต้องมีการตรวจสอบอุณหภูมิเพื่อความปลอดภัยของผู้ใช้

การเปรียบเทียบข้อมูลจำเพาะของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ให้ความหนาแน่นของพลังงานสูง ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่าแบตเตอรี่ แต่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงเนื่องจากสามารถคายประจุได้เกือบจะในทันที กระบวนการไฟฟ้าเคมีในแบตเตอรี่ใช้เวลามากขึ้นในการส่งพลังงานไปยังโหลด อุปกรณ์ทั้งสองมีคุณสมบัติที่เหมาะกับความต้องการจัดเก็บพลังงานที่แตกต่างกัน (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: แสดงเป็นการเปรียบเทียบคุณลักษณะของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (แหล่งที่มาภาพ: Eaton)

การเปรียบเทียบความหนาแน่นของพลังงานซึ่งมีหน่วยเป็นวัตต์ชั่วโมงต่อลิตร (Wh/L) และความหนาแน่นกำลังไฟฟ้าซึ่งมีหน่วยเป็นวัตต์ต่อลิตร (W/L) แสดงให้เห็นความแตกต่างที่สำคัญที่สุดระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ นอกจากนี้ยังส่งผลต่อระยะเวลาในการคายประจุอีกด้วย ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีจุดประสงค์เพื่อจ่ายพลังงานในช่วงเวลาสั้นๆ (เหตุการณ์ชั่วคราว) ในขณะที่แบตเตอรี่จัดการกับเหตุการณ์ระยะยาว ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะคายประจุภายในไม่กี่วินาทีหรือไม่กี่นาที ในขณะที่แบตเตอรี่สามารถจ่ายพลังงานได้นานหลายชั่วโมง ลักษณะนี้ส่งผลต่อการใช้งาน

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์รองรับช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้างกว่าแบตเตอรี่ กระบวนการไฟฟ้าสถิตที่เกือบจะไม่มีการสูญเสียยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและอัตราการชาร์จที่เร็วขึ้นอีกด้วย

ตัวอย่างซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

Eaton นำเสนอกลุ่มซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่เชื่อถือได้ครบวงจรสำหรับการใช้งานกักเก็บพลังงานที่ต้องการความหนาแน่นพลังงานสูงและการชาร์จที่รวดเร็ว แพ็คเกจของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์บางครั้งอาจตรงกับแพ็คเกจของแบตเตอรี่ โดยเฉพาะเซลล์แบบเหรียญ โดยมีแพ็คเกจทรงกระบอกตัวเก็บประจุแบบธรรมดาด้วย (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ในแพ็คเกจตัวเก็บประจุทรงกระบอกมาตรฐานพร้อมสายไฟ บางรุ่นมีแพ็คเกจที่เหมือนกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเหรียญ (แหล่งที่มาภาพ: Eaton)

Eaton TV1030-3R0106-R แสดงในรูปที่ 2 (ซ้าย) คือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ขนาด 10 ฟารัด (F) ที่มีแรงดันไฟฟ้าทำงานสูงสุด 3 V บรรจุในแพ็คเกจทรงกระบอกพร้อมสาย มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10.5 มิลลิเมตร (มม.) (0.413 นิ้ว) และสูง 31.5 มม. (1.24 นิ้ว) มีช่วงอุณหภูมิในการทำงานที่ -25°C ถึง +65°C และช่วงอุณหภูมิการทำงานเพิ่มได้จนถึง -25°C ถึง +85°C เมื่อลดระดับการทำงานที่หรือต่ำกว่า 2.5 V สามารถกักเก็บพลังงานได้ 12.5 มิลลิวัตต์-ชั่วโมง (mW/hr) และให้กำลังไฟฟ้าสูงสุด 86.5 W มีพิกัดรอบการเก็บ/คายประจุ 500,000 รอบ

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์อาจใช้แทนแบตเตอรี่เซลล์แบบเหรียญในการใช้งานหลายอย่าง เช่น พลังงานสำรองของหน่วยความจำ Eaton KVR-5R0C155-R (รูปที่ 2 ขวา) เป็นซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ 1.5 F ที่แรงดันไฟฟ้าทำงานสูงสุด 5 โวลต์ ขนาดแพ็คเกจคล้ายกับเซลล์แบบเหรียญ 20 มม. สามารถส่งกำลังไฟฟ้าสูงสุดได้ 0.208 วัตต์ ช่วงอุณหภูมิในการทำงานคือ -25°C ถึง +70°C นอกจากนี้ยังมีพิกัดรอบการเก็บ/การคายประจุ 500,000 รอบ

เพิ่มความหนาแน่นพลังงานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

พลังงานที่เก็บไว้ในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้นแปรผันตามความจุและกำลังสองของแรงดันชาร์จ ดังนั้นความหนาแน่นของพลังงานจึงสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการเพิ่มจำนวนเซลล์โดยการเชื่อมต่อแบบขนาน ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นสามารถทำได้โดยการสร้างโมดูลซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีความจุสูงและแรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่สูงขึ้น (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ความหนาแน่นของพลังงานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการเพิ่มหลายเซลล์และเพิ่มแรงดันไฟฟ้าในการทำงาน (แหล่งที่มาภาพ: Eaton)

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ Eaton PHVL-3R9H474-R (รูปที่ 3 ซ้าย) เป็นอุปกรณ์ขนาด 470 มิลลิฟารัด (mF) 3.9 โวลต์ที่มีเซลล์คู่ มีค่าความต้านทานอนุกรมภายในของตัวเก็บประจุ (ESR) ต่ำมากที่ 0.4 โอห์ม (Ω) เพื่อลดการสูญเสียการนำไฟฟ้า และสามารถส่งกำลังสูงสุดที่ 9.5 W ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน -40°C ถึง +65°C เช่นเดียวกับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ มีอัตราการเก็บ/คายประจุ 500,000 รอบ แพ็คเกจมีความสูง 14.5 มม. (0.571 นิ้ว) ยาว 17.3 มม. (0.681 นิ้ว) และกว้าง 9 มม. (0.354 นิ้ว)

แพ็คเกจซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบโมดูลาร์สามารถจ่ายพลังงานสำรองได้จำนวนมาก Eaton XLR-16R2507B-R (รูปที่ 3 ขวา) มีความจุ 500 F และทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 16.2 V โมดูลนี้มี ESR 1.7 มิลลิโอห์ม (mΩ) และสามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าสูงสุด 38.6 กิโลวัตต์ (kW) ช่วงอุณหภูมิในการทำงานคือ -40°C ถึง +65°C (อุณหภูมิเซลล์) แพ็คเกจมีความสูง 177 มม. (6.97 นิ้ว) ยาว 417 มม. (16.417 นิ้ว) และกว้าง 68 มม. (2.677 นิ้ว)

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบไฮบริด

ความพยายามในการผสมผสานคุณลักษณะของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่ Li-ion ส่งผลให้เกิดซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบไฮบริดที่เรียกว่าตัวเก็บประจุ Li-ion (LiC) ซึ่งจะช่วยเพิ่มความหนาแน่นพลังงานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ในขณะที่ยังคงให้เวลาตอบสนองที่เร็วกว่าแบตเตอรี่ โดย LiC มีโครงสร้างที่ไม่สมมาตรโดยใช้ขั้วบวกกราไฟท์ที่เจือด้วยลิเธียมและแคโทดถ่านกัมมันต์ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ไฮบริดรวบรวมคุณสมบัติของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน มีจำนวนรอบการเก็บ/คายประจุเพิ่มขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่และมีอัตราการคายประจุที่สูงขึ้น (แหล่งที่มาภาพ: Eaton)

โครงสร้างของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ไฮบริดผสมผสานลักษณะไฟฟ้าเคมีของแบตเตอรี่ลิเธียมเข้ากับคุณสมบัติไฟฟ้าสถิตของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เพื่อให้ประโยชน์ที่เห็นได้ชัดเจนแก่นักออกแบบ การเคลื่อนที่ของประจุเป็นกระบวนการเคมีไฟฟ้าใน LiC แต่จะมีระดับที่น้อยกว่าที่เกิดขึ้นในแบตเตอรี่ ส่งผลให้จำนวนรอบการเก็บ/คายประจุเพิ่มขึ้น และอัตราการคายประจุสูงขึ้น รูปแบบการคายประจุที่ได้จะคล้ายกับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มาก

ตัวอย่างเช่น HS1016-3R8306-R คือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบไฮบริด 30 F, 3.8 V ซึ่งอยู่ในแพ็คเกจทรงกระบอกที่มีสาย มี ESR 0.55 Ω และสามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าสูงสุด 6.6 W ช่วงอุณหภูมิในการทำงานคือ -15°C ถึง +70°C และมีช่วงอุณหภูมิการทำงานขยายที่ -15°C ถึง +85°C โดยปรับลดการทำงานที่หรือต่ำกว่า 3.5 V มีอายุการใช้งาน 1,000 ชั่วโมงที่แรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิการทำงานสูงสุด โดยแพ็คเกจมีความสูง 18 มม. (0.709 นิ้ว) และเส้นผ่านศูนย์กลาง 10.5 มม. (0.413 นิ้ว) เช่นเดียวกับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ มีอัตราการเก็บ/คายประจุ 500,000 รอบ

ความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นของพลังงานและกำลังไฟฟ้า

การกระจายความหนาแน่นของพลังงานและกำลังไฟฟ้าของอุปกรณ์กักเก็บพลังงานให้ข้อมูลเชิงลึกอย่างมากเกี่ยวกับประโยชน์และระยะเวลาการใช้งานที่มีประสิทธิผล (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: แผนภาพความหนาแน่นของพลังงานเทียบกับความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าของแบตเตอรี่และอุปกรณ์ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับระยะเวลาการดำเนินงาน (แหล่งที่มาภาพ: Eaton)

กราฟแสดงความหนาแน่นของพลังงานเทียบกับความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า อัตราส่วนของพารามิเตอร์เหล่านั้นจะให้เวลา ซึ่งแสดงไว้บนกราฟด้วย อุปกรณ์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงแต่ความหนาแน่นของพลังงานต่ำอยู่ที่มุมซ้ายบน ซึ่งรวมถึงเซลล์กำเนิดไฟฟ้าและแบตเตอรี่ อุปกรณ์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงแต่ความหนาแน่นของพลังงานต่ำ เช่น ตัวเก็บประจุแบบดั้งเดิมและซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ จะอยู่ที่มุมขวาล่าง ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์แบบไฮบริดพอดีระหว่างสองกลุ่มนี้ สังเกตช่วงเวลาของแต่ละรายการ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ทำงานในช่วงเวลาไม่กี่วินาที ไฮบริดใช้เวลาเป็นนาที และแบตเตอรี่ทำงานเป็นเวลาหลายชั่วโมงหรือมากกว่านั้น

การใช้งานการกักเก็บพลังงาน

อุปกรณ์กักเก็บพลังงานจะจ่ายพลังงานเมื่อพลังงานหลักหายไป ตัวอย่างที่ดีคือการจ่ายไฟสำรองให้กับหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ ก่อนหน้านี้มีการใช้แบตเตอรี่ แต่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์กำลังค้นหาทางเข้าสู่การใช้งานนี้เนื่องจากมีการนับรอบการชาร์จ/การชาร์จที่สูงขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ ด้วยซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่หลังจากใช้งานไปหนึ่งปี

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ยังใช้ในการออกแบบ IoT และ IIoT ที่ต้องอาศัยการเก็บเกี่ยวพลังงาน พวกเขาพบการใช้งานที่คล้ายกันในยานพาหนะที่ใช้เก็บพลังงานที่เรียกคืนจากการเบรก

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ให้กำลังไฟฟ้าสูงในช่วงเวลาสั้นๆ สามารถนำมาใช้เพื่อให้พลังงานแบบ 'Ride-through' ในการติดตั้งที่สำคัญซึ่งจำเป็นต้องลดความล่าช้าประมาณสิบวินาทีจนกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าฉุกเฉินจะสามารถออนไลน์ได้ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะชาร์จใหม่ในช่วงเวลาใกล้เคียงกับระยะเวลาการใช้งาน และสามารถกลับมาออนไลน์ได้อย่างรวดเร็วหลังจากไฟฟ้าดับ

สรุป

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ให้การทำงานเสริมกับแบตเตอรี่ในการกักเก็บพลังงานส่วนใหญ่ โดยระดับพลังงานที่สูงขึ้นและพร้อมใช้งานทันทีและเวลาในการชาร์จที่รวดเร็วทำให้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เหมาะสำหรับการรองรับพลังงานในระยะสั้น ซึ่งจำนวนรอบการเก็บ/คายพลังงานที่สูงสามารถทำได้โดยไม่ลดประสิทธิภาพลง ช่วยลดการบำรุงรักษาการเปลี่ยนแบตเตอรี่และต้นทุนสินค้าคงคลัง