คาปาซิเตอร์ไฟฟ้าสองชั้นเป็นคาปาซิเตอร์ความจุสูงที่มีความต้านทานภายในต่ำมาก มันเก็บพลังงานไฟฟ้าไว้ในสนามไฟฟ้าสถิต ตรงกันข้ามกับตัวเก็บประจุทั่วไปซึ่งเก็บพลังงานไว้ในสนามไฟฟ้า ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีความจุในการจัดเก็บพลังงานที่สูงกว่าตัวเก็บประจุปกติมาก และสามารถชาร์จและคายประจุได้เร็วกว่ามาก นอกจากนี้ยังมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าและมีความไวต่ออุณหภูมิน้อยกว่ามาก มีการใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ในการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคไปจนถึงยานยนต์ไฟฟ้า

ระยะห่างระหว่างตัวเก็บประจุสองชั้นมีขนาดเล็กมาก ส่งผลให้ความสามารถในการทนแรงดันไฟฟ้าต่ำมาก โดยปกติแล้วจะไม่เกิน 20V ดังนั้นจึงมักใช้เป็นส่วนประกอบในการเก็บพลังงานในไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันต่ำหรือการใช้งานความถี่ต่ำ ตัวเก็บประจุสองชั้นใช้กันอย่างแพร่หลาย สามารถใช้เป็นพลังงานสมดุลพลังงานสำหรับอุปกรณ์ยก ซึ่งสามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้มาก และเป็นกำลังในการสตาร์ทรถ ซึ่งมีประสิทธิภาพในการสตาร์ทและความน่าเชื่อถือสูงกว่าแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม และสามารถเปลี่ยนแบตเตอรี่แบบเดิมทั้งหมดหรือบางส่วนได้

ตัวเก็บประจุแบบสองชั้นมีลักษณะอย่างไร?

1. ความหนาแน่นของพลังงานสูง

สามารถเข้าถึง 102-104W/kg ซึ่งสูงกว่าระดับความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่มาก

2. อายุการใช้งานยาวนาน

หลังจาก 500,000 ถึง 1,000,000 รอบการชาร์จ/คายประจุลึกด้วยความเร็วสูงในเวลาไม่กี่วินาที ลักษณะของตัวเก็บประจุแบบสองชั้นจะเปลี่ยนแปลงน้อยมาก และความจุและความต้านทานภายในจะลดลงเพียง 10% ถึง 20% เท่านั้น

3. ขีดจำกัดอุณหภูมิการทำงานที่กว้าง

เนื่องจากอัตราการดูดซับและการคายประจุของไอออนในตัวเก็บประจุแบบสองชั้นไม่เปลี่ยนแปลงมากนักที่อุณหภูมิต่ำ การเปลี่ยนแปลงความจุจึงน้อยกว่าการเปลี่ยนแปลงของแบตเตอรี่มาก ช่วงอุณหภูมิการทำงานของตัวเก็บประจุสองชั้นเชิงพาณิชย์สามารถสูงถึง -40℃～+80℃

ตัวเก็บประจุแบบสองชั้นทำงานอย่างไร?

เมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคแล้ว ตัวเก็บประจุแบบสองชั้นมีความต้านทานภายในที่สูงกว่า จึงสามารถชาร์จได้โดยตรงโดยไม่มีความต้านทานโหลด และในกรณีที่มีการชาร์จด้วยแรงดันไฟเกิน ตัวเก็บประจุแบบสองชั้นจะเปิดวงจรโดยไม่ทำให้อุปกรณ์เสียหาย ซึ่งก็คือ แตกต่างจากการสลายตัวด้วยแรงดันไฟเกินของตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติค

ในเวลาเดียวกัน เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ ตัวเก็บประจุสองชั้นสามารถชาร์จได้โดยไม่มีขีดจำกัดในปัจจุบัน และจำนวนการชาร์จสามารถมากกว่า 106 ครั้ง ดังนั้นตัวเก็บประจุสองชั้นจึงไม่เพียงมีคุณลักษณะของตัวเก็บประจุเท่านั้น แต่ยังมีคุณสมบัติของแบตเตอรี่ซึ่งเป็นส่วนประกอบพิเศษชนิดใหม่ระหว่างแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุ

หลักการพื้นฐานคือเมื่อทำการชาร์จอิเล็กโทรด ประจุที่พื้นผิวของอิเล็กโทรดในสถานะอิเล็กโทรดโพลาไรซ์ในอุดมคติจะดึงดูดไอออนแบบแอนไอโซทรอปิกในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่อยู่รอบๆ เพื่อให้ไอออนเหล่านี้ยึดติดกับพื้นผิวของอิเล็กโทรดเพื่อสร้างประจุสองเท่า ชั้นสร้างตัวเก็บประจุสองชั้น เนื่องจากระยะห่างระหว่างชั้นประจุทั้งสองมีขนาดเล็กมาก (โดยทั่วไปน้อยกว่า 0.5 นาโนเมตร) ประกอบกับโครงสร้างอิเล็กโทรดแบบพิเศษ พื้นที่ผิวของอิเล็กโทรดจึงเพิ่มขึ้นหนึ่งหมื่นเท่า ส่งผลให้มีความจุไฟฟ้ามาก

ทำไมชั้นไฟฟ้าถึงมีความสำคัญ?

ไฟฟ้าสถิตสองชั้นเป็นปรากฏการณ์ที่มีบทบาทพื้นฐานในกลไกการรักษาเสถียรภาพไฟฟ้าสถิตของคอลลอยด์ อนุภาคคอลลอยด์ได้รับประจุไฟฟ้าลบเมื่อไอออนที่มีประจุลบของตัวกลางกระจายถูกดูดซับบนพื้นผิวของอนุภาค

ตัวเก็บประจุไฟฟ้าสองชั้นมีประโยชน์อย่างไร?

Electric Double Layer Capacitors (EDLCs) เป็นตัวเก็บประจุพลังงานสูงที่มีความหนาแน่นของพลังงาน ซึ่งใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคไปจนถึงการใช้งานในอุตสาหกรรม EDLC เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น การปรับสภาพพลังงาน การเก็บเกี่ยวพลังงาน พลังงานพัลส์ และการสำรองหน่วยความจำ และถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ยานยนต์ การทหาร และการแพทย์

EDLC มักใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เช่น คอมพิวเตอร์แล็ปท็อป โทรศัพท์มือถือ และกล้องดิจิทัล นอกจากนี้ยังใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานและเป็นแหล่งพลังงานสำรอง ในการใช้งานยานยนต์ EDLC ถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและลดการปล่อยมลพิษ นอกจากนี้ยังใช้ในงานทางทหาร เช่น การปรับสภาพพลังงาน พลังงานพัลส์ และการสำรองหน่วยความจำ นอกจากนี้ EDLC ยังใช้ในรากฟันเทียมทางการแพทย์และอุปกรณ์ทางการแพทย์ เนื่องจากสามารถเก็บพลังงานได้เป็นเวลานานและมีความน่าเชื่อถือสูง

อะไรคือความแตกต่างระหว่างตัวเก็บประจุสองชั้นและตัวเก็บประจุเทียม?

Pseudocapacitance หรือที่เรียกว่า Faraday quasi-capacitance คือการสะสมของสารที่มีฤทธิ์ทางไฟฟ้าบนพื้นผิวของอิเล็กโทรดหรือในช่องว่างสองมิติหรือกึ่งสองมิติในเฟสปริมาณมาก ซึ่งการดูดซับทางเคมี การปลดปล่อย หรือออกซิเดชันและการรีดักชันสามารถย้อนกลับได้สูง ปฏิกิริยาเกิดขึ้น ทำให้เกิดความจุที่เกี่ยวข้องกับศักย์ไฟฟ้าในการชาร์จของอิเล็กโทรด

ความจุเทียมสามารถสร้างขึ้นได้ไม่เพียงแค่บนพื้นผิวอิเล็กโทรดเท่านั้น แต่ยังรวมถึงภายในอิเล็กโทรดทั้งหมดด้วย จึงทำให้มีความจุไฟฟ้าและความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าตัวเก็บประจุแบบสองชั้น ในกรณีของพื้นที่อิเล็กโทรดเดียวกัน ค่า pseudocapacitance อาจสูงกว่าค่า bilayer capacitance ถึง 10 ถึง 100 เท่า

ตัวเก็บประจุสองชั้นและตัวเก็บประจุเทียมมีความแตกต่างกันในสามประเด็นหลักด้านล่าง:

ความเสถียรและการนำไฟฟ้าของวัสดุคาร์บอนควรดี และคุณภาพสูงกว่าความจุมาก เนื่องจาก bilayer ใช้พื้นผิวของวัสดุ ในขณะที่ออกไซด์ของโลหะทรานซิชันเหล่านี้สามารถใช้เฟสจำนวนมากได้ แต่ส่วนใหญ่เป็นค่าทางทฤษฎี และ วงจรชีวิตและความหลายหลากมีจำกัด

ตัวเก็บประจุแบบสองชั้นเก็บพลังงานโดยการดูดซับประจุบนพื้นผิวอิเล็กโทรด ในขณะที่ตัวเก็บประจุหลอกจะเก็บพลังงานโดยปฏิกิริยารีดอกซ์ของวัสดุอิเล็กโทรดที่ใช้งานอยู่

ตัวเก็บประจุสองชั้นแบ่งออกเป็นตัวเก็บประจุสองชั้นและตัวเก็บประจุหลอกจากกลไกการเก็บพลังงาน เป็นอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานชนิดใหม่ซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานสูง เวลาในการชาร์จสั้น อายุการใช้งานยาวนาน ลักษณะอุณหภูมิที่ดี การประหยัดพลังงานและการปกป้องสิ่งแวดล้อม ฯลฯ ตัวเก็บประจุแบบสองชั้นใช้กันอย่างแพร่หลาย

ที่มา：QUARKTWIN