سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی : باتری/خازن الکتروشیمیایی/سلول سوختی

سیستم‌های ذخیره و تبدیل انرژی الکتروشیمیایی عبارت‌اند از باتری‌ها، سلول‌های سوختی و خازن‌های الکتروشیمیایی. اگرچه مکانیزم ذخیره و تبدیل انرژی در این سیستم‌ها متفاوت از یکدیگر است اما از نقطه نظر الکتروشیمیایی شباهت‌هایی میان آن‌ها وجود دارد. به‌عنوان‌مثال، در تمامی این سیستم‌ها فرایندهای تأمین انرژی در فاز مرزی فصل مشترک الکترود/الکترولیت رخ داده و انتقال الکترون‌ها و یون‌ها، جدای از یکدیگر است. مکانیزم پایه ای عملکرد هر یک از این سیستم‌ها در شکل 1 نشان داده‌شده است. همان‌طور که مشخص است، هر سه سیستم مشتمل بر دو الکترود مرتبط با یک محلول الکترولیت میباشند.

 

شکل (1) (الف) نمایش تصویری ساختار یک باتری (سلول Daniell) که نشان‌دهنده­‌ی خصوصیات کلیدی عملکرد باتری و التزامات انتقال الکترون‌ها و یون‌ها است (ب) نمایش تصویری ساختار یک ابرخازن که نشان‌دهنده­‌ی ذخیره­‌ی انرژی در دولایه‌ی الکتریکی در سطح مشترک الکترود/الکترولیت است (ج) نمایش تصویری ساختار یک سلول سوختی که نشان‌دهنده­‌ی تدارک پیوسته‌ی واکنشگرها (هیدروژن و اکسیژن) جهت انجام واکنش اکسایش/کاهش در سلول است.

در سیستم‌های ذخیره و تبدیل انرژی، عبارات «انرژی ویژه^[1]» (با واحد وات ساعت بر کیلوگرم Wh/kg) و «دانسیته­ی انرژی^[2]» (با واحد وات ساعت بر لیتر Wh/L) به‌منظور بیان ظرفیت انرژی یک سیستم استفاده می­شود درحالی‌که توانایی در سرعت^[3] با «توان ویژه^[4]» (با واحد وات بر کیلوگرم W/kg) و «دانسیته­ی توان^[5]» (با واحد وات بر لیتر W/L) بیان می­شود. این مشخصه­ها به‌طور دلخواه به شکل وزنی (بر واحد کیلوگرم) و یا حجمی (بر واحد لیتر) مورد استفاده می­باشند. به‌منظور مقایسه­ی توانایی سیستم‌های مختلف از نقطه نظر توان و انرژی، نموداری تحت عنوان نمودار راگون توسعه یافته است. یک نمودار ساده­ی راگون شکل 2، نشان‌دهنده‌ی آن است که سلول‌های سوختی از جمله سیستم‌هایی با انرژی بالا محسوب می­‌شوند درحالی‌که ابرخازن‌ها به‌عنوان سیستم‌هایی با توان بالا شناخته شده­اند. همچنین در این نمودار مشخص است که باتری‌ها از توان و انرژی حد میانه­ای برخوردار بوده و هم‌پوشانی‌هایی ازنظر انرژی و توان بین ابرخازن‌ها و سلول‌های سوختی با باتری وجود دارد. در حقیقت باتری‌ها با الکترودهایی به شکل فیلم‌های نازک مشخصه­های توانی مشابهی با ابرخازن‌ها از خود نشان داده­اند. علاوه بر این، گزارش‌هایی مبنی بر توسعه­ی سیستم‌های هیبریدی مانند باتری‌های فلز/هوا (به‌عبارت‌دیگر، سلول‌های سوختی فلز/هوا) در مراجع قابل یافت بوده که ساختارشان مشتمل بر یک الکترود باتری (آند فلزی) و یک الکترود سلول سوختی (کاتد هوا) است. شکل 2-2 این مسئله را نیز به خوبی نشان می­دهد که هیچ‌یک از منابع توان الکتروشیمیایی به‌تنهایی قادر به برآورده کردن مشخصه­های موتورهای درون­سوز نیست. بدین ترتیب، توان و انرژی بالا و درنتیجه توانایی رقابت با موتورهای درون­سوز تنها با ترکیب سیستم‌های الکتروشیمیاییِ موجود قابل‌دستیابی است. در چنین سامانه­ی هیبریدی، باتری‌ها و یا ابرخازن‌ها مسئولیت تأمین توان بالا را به عهده داشته و سلول‌های سوختی انرژی بالا را فراهم خواهند کرد.

شکل (2) نمودار راگون برای سیستم‌های مختلف تبدیل انرژی الکتروشیمیایی در مقایسه با موتور درون‌سوز، توربین‌ها و خازن‌های معمولی.

جدول 1جزییات اختلاف عملکرد را برای باتری‌ها، خازن‌ها، ابرخازن‌ها و سلول‌های سوختی نشان می‌دهد. با وجود مزایای فنی مثل سرعت شارژ-دشارژ سریع، چرخه­ی عمر طولانی­تر، دانسیته­ی توان بالاتر، وزن و سمیت کمتر، یک مانع مهم کاربرد ابرخازن‌ها قیمت بالای آن‌هاست. برای رسیدن به عملکرد بالاتر، محققان در حال بررسی الکترولیت‌های جدید هستند به‌منظور بهبود محدوده ولتاژ عملکرد، لایه دی­الکتریک جدید با تخلخل بهتر، ضخامت کمتر و نفوذپذیری بیشتر و مواد رسانا با مساحت سطح بزرگ‌تر که نیاز به روش تهیه ساده یا حتی تک‌مرحله‌ای داشته باشند.

جدول (1) مقایسه خازن‌ها، باتری‌ها، پیل‌های سوختی و ابرخازن‌ها [2].

ردیف	پارامترها	ابرخازن‌ها	پیل‌های سوختی	باتری‌ها	خازن‌ها
1	زمان شارژ/دشارژ	1 ms -1 s	کاربرد ندارد	10-1 ساعت	ms 1- ps1
2	چرخه عمر	بیش از 1 میلیون	کاربرد ندارد	2000-150	بیش از 1 میلیون
3	دانسیته انرژی (Wh/kg)	20-5/0	2000-500	265-30	3/0-01/0
4	دانسیته توان (W/kg)	10000-5000	1000-1	3000-100	>5000
5	هزینه به ازای Wh	20-10	05/0-035/0	2-1	1-1/0
6	پنجره پتانسیل (V)	5/4-1	7/0-6/0	2/4-2/1	800-6
7	محدوده دمایی (C)	85 تا 40-	1000 تا 50	65 تا 20-	100 تا 20-

 

 

جهت ثبت سفارش آماده سازی الکترود پیل سوختی، ابرخازن در ابعاد و شکل های مختلف و همچنین ساخت سل ابرخازنی به قسمت  درخواست پروژه مراجعه کنید.

[1] Specific energy

[2] Energy density

[3] Rate capability

[4] Specific Power

[5] Power Density