نوآوری در توسعه ابرخازن: گذشته، حال و آینده

صنعت الکترونیک قدرت همیشه روند صعودی  داشته و هیچ نشانه‌ ای از کاهش در آن دیده نشده است، زیرا روند برق‌ رسانی به طیف وسیع تری از حوزه‌ های صنعتی نفوذ می‌ کند که نیازمند دستگاه‌ های الکترونیکی با فناوری پیشرفته است. در سال‌ های اخیر، افزایش قابل توجهی در نیاز به راه‌ حل‌ های ذخیره‌ سازی الکتریسیته پیشرفته وجود داشته است که دلیل آن ضروری بودن ذخیره‌ سازی سریعتر، مدیریت کارآمد توان و بهینه‌ سازی انرژی بوده است.

پیشنهاد میکنم ابتدا مقاله ابر خازن چیست را بخوانید.

ماهیت کاربرد صنعت الکترونیک قدرت نقش مهمی در توسعه راه حل های ذخیره سازی برق مانند خازن ها ایفا کرده است. اثربخشی زمان نسبی در شارژ خازن ها باعث شده است که آن ها در بسیاری از دستگاه های ذخیره انرژی استفاده شوند. با این حال، هنوز پتانسیلی برای بهبود قابلیت ذخیره‌ سازی الکتریسیته خازن‌ ها وجود دارد که به نوبه خود منجر به ایجاد ابرخازن‌ ها شده است که همچنین به عنوان خازن‌ های فوق العاده یا خازن‌ های الکتروشیمیایی (ECs) شناخته می‌ شوند.

تمرکز بر ذخیره انرژی کارآمد باعث ظهور ابرخازن ها شد

از آنجایی که تحولات صنعتی پیرامون روند برق رسانی شروع شد، نوآوری ها در طراحی ابرخازن ها سرعت گرفت. شرکت های بزرگ جهانی، از جمله جنرال الکتریک، آزمایش‌ هایی را به منظور بهبود طراحی در ابرخازن‌ ها انجام دادند تا روی تقاضا رو به رشد برای ابرخازن‌ ها در صنایع به‌ عنوان یک عامل کلیدی برق ‌رسانی سرمایه ‌گذاری کنند. شرکت NEC جزو اولین شرکت هایی بود که ابرخازن ها را به صورت تجاری به دنیا معرفی کرد. شرکت استاندارد نفت اوهایو (SOHIO) عمدتاً برای این اختراع نسبت داده شده است.

پس از ظهور ابررسانا ها به عنوان راه حل ذخیره انرژی، محبوبیت تکنولوژی EC (تکنولوژی EC یک فناوری هوشمند است که با استفاده از یک سیستم کنترل الکترونیکی یکپارچه، موتور را همیشه با بار مطلوب راه اندازی می کند) به سرعت افزایش یافت.  طراحی ابرخازن ‌ها از زمان اولین راه‌اندازی تجاری آن‌ها در طی چندین نسل پیشرفت کرده است. سازمان‌ های تحقیقاتی و شرکت‌ های پیشرو در صنعت الکترونیک قدرت همچنان بر نوآوری در مورد روش‌ ها و مواد تولیدی برای بهبود بیشتر عملکرد و کارایی ابرخازن‌ ها متمرکز هستند.

مؤسسات تحقیقاتی روش های تولید نوآورانه‌ای را برای ابرخازن‌ها کشف کردند

علاوه بر ویژگی‌های عملیاتی عالی ابرخازن‌ ها، سازندگان همچنان در تلاش برای کنترل هزینه‌ های ساخت بالا و قابلیت ذخیره انرژی پایین تر ابرخازن‌ ها در مقایسه با باتری‌ ها هستند. همچنین، نگرانی‌ های مربوط به پایداری ابرخازن‌ ها، پذیرش آن در کاربرد های صنعتی را تا حدی محدود کرده است. در پاسخ به این نگرانی‌ ها، شرکت‌ های سازنده ابرخازن سرمایه‌ گذاری زیادی در تحقیق و توسعه (R&D) برای طراحی نسخه بهتر ابرخازن‌ ها انجام داده‌ اند.

برخی از نوآوری های مبتنی بر تحقیق که بازار ابرخازن ها را در پنج سال گذشته شکل داده اند عبارتند از:

در فوریه 2013، محققان دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس، یک روش مقرون به صرفه را برای ساخت ابرخازن‌ های در مقیاس کوچک با استفاده از consumer-grade LightScribe DVD burner کشف کردند. این ابرخازن‌ های کوچک از یک لایه کربن گرافیتی به ضخامت یک اتم تشکیل شده‌ اند و می‌توانند به راحتی در دستگاه‌ های الکترونیکی کوچک‌ جا بگیرند. با استفاده از ورق دو بعدی گرافن در ترکیب با تکنیک ساخت جدید، محققان می توانند هزینه های ساخت را تا حد زیادی کاهش داده و دامنه کاربرد ها را برای ابرخازن ها گسترش دهند.

در ژوئیه 2013، محققان موسسه ملی علم و فناوری اولسان (UNIST) روشی نوآورانه برای تولید انبوه نانوگرافن مزوپور سه بعدی (MGB) توسعه دادند که می تواند در ساخت ابرخازن ها استفاده شود. محققان پیش‌بینی کردند که ویژگی‌ های گرافن مزوپور، مقیاس‌ پذیری، کیفیت و کارایی ابرخازن‌ ها را بهبود می‌ بخشد و دامنه کاربرد آن‌ها را در خودرو های برقی گسترش می‌ دهد.

در آگوست 2014، مهندسان دانشگاه موناش در استرالیا روش جدیدی برای تولید گرافن درون ابرخازن‌ ها ابداع کردند تا چگالی انرژی آن‌ها را 10 برابر بیشتر از دستگاه‌ های تجاری افزایش دهند. مهندسان یک ماده گرافن ماکروسکوپی را از طریق فرآیندی شبیه به روش سنتی تولید کاغذ ایجاد کردند. علاوه بر این، آن ها همچنین تأیید کردند که با کاهش ماده شیمیایی مبتنی بر محلول اکسید گرافیت در گرافن، مهندسان می‌ توانند راه‌ های جدیدی را برای تجاری‌ سازی گرافن و ابرخازن‌ های 10 برابر چگالی انرژی باز کنند.

گروهی از محققان در کره جنوبی در آگوست 2014 یک ماده جایگزین غیرعادی و در عین حال بسیار مناسب برای الکترود های ابرخازن کشف کردند. آن ها راهی برای استفاده از فیلتر های سیگار در ابرخازن ها ابداع کردند که می تواند به یک ماده مبتنی بر کربن با کارایی بالا و چگالی توان بالا تبدیل شود. محققان می توانند با موفقیت از فیلتر های سیگار استفاده شده برای ذخیره انرژی الکتریکی بیشتر از کربن موجود در بازار استفاده کنند.

تمرکز بر توسعه مواد ابرخازن در همه جا وجود دارد

با توجه به تقاضای رو به رشد ابرخازن ها در کاربرد های صنعتی مختلف مانند وسایل الکترونیکی مصرفی پوشیدنی و وسایل نقلیه الکتریکی، توسعه مواد ابرخازن برای کارایی بیشتر در بین تولید کنندگان آن مسئله مهمی است.

اگرچه گرافن یکی از مواد مناسب برای ابرخازن‌ ها باقی می‌ ماند، اما فعالیت‌ های تحقیقاتی در حال انجام به تغییرات قابل‌ توجهی در بازار ابرخازن‌ ها اشاره دارد.

گروهی از شیمی دان ها از مؤسسه علوم مولکولی Van’t Hoff دانشگاه آمستردام، در حین انجام آزمایش‌ ها برای پروژه سلول‌ های سوختی، ماده جدیدی را برای ابرخازن اختراع کردند. محققان دریافتند که مواد ابرخازن بسیار متخلخل، کم هزینه، سبک و غیرسمی هستند و می‌ توانند در کاربرد های تجاری مانند وسایل حمل‌ و نقل، الکترونیک و ذخیره‌ سازی انرژی مورد استفاده قرار گیرند.

گروه دیگری از دانشمندان در سانتا کروز UC و آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) از گرافن فوق سریع چاپی سه بعدی برای کاهش ضخامت در حد میلی متر و بهبود ویژگی های عملکردی ابرخازن ها از جمله چگالی توان و حفظ ظرفیت خازنی استفاده کردند.

یک ابرخازن تاشو از کاغذ معمولی توسط مهندسان دانشگاه جورجیا و دانشگاه کره ساخته شد که می‌ توانست انرژی بیشتری را برای مدت طولانی‌ تری به مخصوص در محصولات الکترونیکی پوشیدنی که انعطاف‌ پذیر هستند ذخیره کند. دانشمندان، مهندسان و محققان در سراسر جهان عمدتاً بر ایجاد تعادل بین چگالی توان و چگالی انرژی ابرخازن‌ ها تمرکز می ‌کنند تا از اتلاف توان جلوگیری کنند.

پیشرفت‌ ها و نوآوری‌ های اخیر در مواد مورد استفاده در ساخت ابرخازن‌ ها عمدتاً بر کاهش احتمال خود تخلیه یا اتصال کوتاه متمرکز است. سهامداران در بازار ابرخازن‌ ها قصد دارند از ویژگی‌ های عملکردی مختلف شبه خازن‌ ها و خازن‌ های ترکیبی بهره ببرند که می‌ توانند چگالی انرژی بالاتری را نسبت به سایر انواع ابرخازن‌ ها منعکس کنند.

در حالی که تقاضا برای خازن‌ های دو لایه الکتریکی در بازار ابرخازن‌ ها بالاترین میزان خود را دارد، خازن‌ های ترکیبی نیز تقاضای زیادی در در کاربرد های مختلف صنعتی دارند.

صنعت خودرو: رشد کلیدی برای تولیدکنندگان ابرخازن

در حال حاضر صنعت خودرو باعث پیشرفت زیادی در دستگاه‌ های ذخیره‌ سازی انرژی با کیفیت بالا، مانند ابرخازن‌ ها، شده است.  در سال 2013، کاربرد های خودرویی ابرخازن‌ها کمتر از 1/5 سهم درآمد بازار ابرخازن‌ ها را به خود اختصاص دادند. اما با پیشرفت ‌های اخیر در صنعت خودروسازی، خودرو ها به یکی از مهم‌ ترین کاربرد های ابرخازن‌ ها تبدیل شده‌ اند.

با توجه به تمرکز تولیدکنندگان خودرو بر کاهش وابستگی به صنعت نفت، و نهاد های حاکمیتی که مقررات زیست محیطی سخت‌گیرانه‌ ای را اعمال می‌ کنند، چشم‌ انداز رشد برای خودرو های برقی امیدوارکننده پیش‌ بینی شده است. این امر باعث شده است که سازندگان ابرخازن به فرصت‌ های سودآور در صنعت خودروسازی که به‌ سرعت در حال توسعه است، توجه کنند.

توسعه ابرخازن‌ های مناسب برای خودرو های برقی یا خودرو های برقی هیبریدی یکی از مهم‌ ترین استراتژی‌ های تجاری شرکت‌ های تولید کننده ابرخازن است. از سوی دیگر، خودروسازان نیز در رقابت برای عرضه کارآمدترین وسایل نقلیه الکتریکی هستند که شکار آن ها برای سیستم های ذخیره انرژی با کیفیت بالا را توجیه می کند. این امر در نهایت نشان‌ دهنده دامنه رو به گسترش نوآوری‌ ها در ابرخازن‌ ها در صنعت خودروسازی است که به سرعت در حال تکامل است.

در فوریه 2019، شرکت تسلا (غول جهانی در صنعت خودرو و انرژی) اعلام کرد که Maxwell Technologies Inc (یک شرکت پیشرو در فناوری باتری) را به مبلغ تقریبی 218 میلیون دلار خریداری کرده است. این شرکت قصد دارد که روی فرصت‌ های سودآور برای وسایل نقلیه الکتریکی سرمایه‌ گذاری کند و با این خرید، در نظر دارد در زمینه ابرخازن‌ هایی که می‌ تواند قابلیت ‌های شارژ خودرو را سرعت بخشد، تخصص خود را افزایش دهد.

در ماه مه ۲۰۱۸، رولز رویس (سازنده خودروهای لوکس پیشرو در جهان) قرارداد همکاری با Superdielectrics Ltd (یک استارت آپ فناوری مستقر در بریتانیا) امضا کرد، پتانسیل ابرخازن‌ها را بررسی کرد و یک فناوری ذخیره‌ سازی پیشرفته با انرژی بالا ایجاد کرد. با این مشارکت، رولز رویس قصد دارد تخصص خود در علم مواد را با پلیمر های علاقه مند به آب برای توسعه کاربرد های باتری ابرخازن در مقطع جهانی ترکیب کند.

لامبورگینی یکی دیگر از خودروسازان پیشرو است که به مجموعه شرکت‌ های خودروسازی می‌پیوندد که قصد دارند از ویژگی‌ های فوق‌ العاده ابرخازن‌ ها در طول برق‌سازی صنعت خودرو استفاده کنند. مدیر فنی این شرکت اخیراً اعلام کرده است که این شرکت قبلاً از ابرخازن‌ هایی در لامبورگینی آونتادور برای باتری استارت استفاده کرده است. کارشناسان پیش بینی می کنند که جانشین آونتادور ممکن است از ابرخازن های یکسان استفاده کند.

صنعت خودروسازی که دائماً در حال تحول است، محیط رقابتی بسیار هیجان انگیزی را برای تولیدکنندگان ابرخازن ایجاد کرده است. تلاش برای پیشرفت های مداوم در عملکرد ابرخازن ها احتمالاً باعث ایجاد برخی از نوآوری های پیشگامانه در بازار ابرخازن ها در سال های آینده خواهد شد.

نقش ابرخازن ها در چشم انداز صنایع الکترونیک و انرژی و نیرو

انتظار می رود صنعت خودرو و حمل و نقل بیش از یک سوم سهم درآمد بازار ابرخازن ها را در دهه آینده به خود اختصاص دهد.  علاوه بر آینده درخشان ابرخازن‌ ها در صنعت خودروسازی جدید، صنایع الکترونیک مصرفی و انرژی و نیرو احتمالاً سهم بزرگی در توسعه بازار ابرخازن‌ ها خواهند داشت.

ابرخازن ها به عنوان نیروی کار هر محصول الکترونیکی که بر روی باتری ها یا سیستم های ذخیره انرژی کار می کند، تبلیغ می شوند. در سال ‌های آینده، ابرخازن‌ها احتمالاً شاهد پذیرش همه‌ جانبه در بخش‌ های مختلف صنعت خواهند بود. بازار ابرخازن‌ ها احتمالاً شاهد ظهور EC‌ هایی است که آینده پوشیدنی‌ های مدرن و محصولات الکترونیکی مصرفی را تامین می‌ کنند. ابرخازن های خورشیدی نیز چیزی از آینده هستند که انتظار می رود پتانسیل فروش زیادی در حسگرهای پوشیدنی، به ویژه در دستگاه های بهداشتی پوشیدنی داشته باشند.

فعالیت‌ های تحقیقاتی و پیشرفت‌ های در حال انجام در صنعت الکترونیک قدرت همچنان اشاره به جایگزینی ابرخازن‌ ها در باتری‌ ها در آینده نزدیک دارد. با افزایش کاربرد ابرخازن ها در بخش های مختلف صنعتی مانند الکترونیک، انرژی و نیرو، نظامی و دفاعی و هوافضا، انتظار می رود که بازار جهانی ابرخازن ها تا سال 2028 از 5.5 میلیارد دلار آمریکا فراتر رود. انتظار می رود که نرخ رشد نمایی بازار ابرخازن ها فرصت های سودآوری را برای محققان، تولیدکنندگان و سایر سهامداران تقویت کند.

Aditi Yadwadkar یک نویسنده باتجربه است و مطالب زیادی در مورد صنعت الکترونیک و نیمه هادی ها نوشته است.  در Future Market Insights (FMI)، او با تیم تحقیقاتی Electronics و Semiconductor همکاری نزدیکی دارد تا به نیازهای مشتریان از سراسر جهان پاسخ دهد. این اطلاعات آماری بر اساس گزارشی درباره بازار ابرخازن‌ ها توسط FMI است.