مكثف فائق

المكثف الفائق ( SC )، والذي يُسمى أيضًا المكثف الفائق ، هو مكثف عالي السعة ، بقيمة سعة أعلى بكثير من المكثفات ذات الحالة الصلبة ولكن بحدود جهد أقل . إنه يسد الفجوة بين المكثفات الكهروليتية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن . عادةً ما يخزن من 10 إلى 100 مرة طاقة أكثر لكل وحدة حجم أو كتلة من المكثفات الكهروليتية، ويمكنه قبول وتوصيل الشحنة بشكل أسرع بكثير من البطاريات، ويتحمل دورات شحن وتفريغ أكثر بكثير من البطاريات القابلة لإعادة الشحن. ^[2]

على عكس المكثفات العادية، لا تستخدم المكثفات الفائقة العازل الصلب التقليدي ، بل تستخدم بدلاً من ذلك سعة مزدوجة الطبقة الكهروستاتيكية وسعة شبه كهروكيميائية ، ^[3] وكلاهما يساهم في التخزين الكلي للطاقة للمكثف.

تُستخدم المكثفات الفائقة في التطبيقات التي تتطلب العديد من دورات الشحن/التفريغ السريعة، بدلاً من تخزين الطاقة المدمجة طويلة الأمد: في السيارات والحافلات والقطارات والرافعات والمصاعد، حيث تُستخدم للفرامل المتجددة ، أو تخزين الطاقة قصيرة الأمد، أو توصيل الطاقة في وضع الانفجار. ^[4] تُستخدم وحدات أصغر كنسخة احتياطية للطاقة للذاكرة العشوائية الثابتة (SRAM).

يمكن تصنيف آليات تخزين الشحنة الكهروكيميائية في الوسائط الصلبة تقريبًا (هناك تداخل في بعض الأنظمة) إلى 3 أنواع:

• تستخدم المكثفات ثنائية الطبقة الكهروستاتيكية ( EDLCs ) أقطابًا كربونية أو مشتقات بسعة ثنائية الطبقة الكهروستاتيكية أعلى بكثير من السعة الزائفة الكهروكيميائية، مما يحقق فصل الشحنة في طبقة هلمهولتز المزدوجة عند الواجهة بين سطح القطب الموصل والإلكتروليت . يكون فصل الشحنة في حدود بضعة أنجستروم (0.3-0.8  نانومتر )، وهو أصغر بكثير من المكثف التقليدي. يتم تخزين الشحنة الكهربائية في EDLCs في طور بيني ثنائي الأبعاد (سطح) لموصل إلكتروني (مثل جسيم كربون) وموصل أيوني ( محلول إلكتروليت ).
• تخزن البطاريات التي تحتوي على مواد صلبة كهربائية الشحنة في أطوار صلبة كبيرة بفضل تفاعلات الأكسدة والاختزال الكيميائية . ^[5]
• تقع المكثفات الفائقة الكهروكيميائية (ECSCs) بين المكثفات الفائقة الكهروكيميائية والبطاريات. تستخدم المكثفات الفائقة الكهروكيميائية أقطاب أكسيد المعدن أو البوليمر الموصل بكمية عالية من السعة الكاذبة الكهروكيميائية بالإضافة إلى السعة ذات الطبقتين. يتم تحقيق السعة الكاذبة عن طريق نقل شحنة الإلكترون الفارادي مع تفاعلات الأكسدة والاختزال أو التداخل أو الامتصاص الكهربائي.

في المكثفات ذات الحالة الصلبة ، تكون الشحنات المتحركة عبارة عن إلكترونات ، والفجوة بين الأقطاب الكهربائية عبارة عن طبقة من العازل الكهربائي . في المكثفات ذات الطبقة المزدوجة الكهروكيميائية ، تكون الشحنات المتحركة عبارة عن أيونات مذابة ( كاتيونات وأنيونات )، ويتم تحديد السُمك الفعال على كل من القطبين الكهربائيين من خلال هيكلهما الكهروكيميائي ذي الطبقة المزدوجة . في البطاريات ، يتم تخزين الشحنة في الحجم الكلي للمراحل الصلبة، والتي لها موصلية إلكترونية وأيونية . في المكثفات الفائقة الكهروكيميائية، تجمع آليات تخزين الشحنة بين آليات الطبقة المزدوجة والبطارية، أو تعتمد على آليات تكون وسيطة بين الطبقة المزدوجة الحقيقية والبطارية الحقيقية.

في أوائل الخمسينيات من القرن العشرين، بدأ مهندسو شركة جنرال إلكتريك في إجراء تجارب على أقطاب الكربون المسامية في تصميم المكثفات، بدءًا من تصميم خلايا الوقود والبطاريات القابلة لإعادة الشحن . الفحم المنشط هو موصل كهربائي وهو عبارة عن شكل "إسفنجي" مسامي للغاية من الكربون مع مساحة سطحية نوعية عالية . في عام 1957، طور إتش بيكر "مكثفًا كهربائيًا منخفض الجهد بأقطاب كربون مسامية". ^{[6] [7] [8]} كان يعتقد أن الطاقة مخزنة كشحنة في مسام الكربون كما هو الحال في مسام الرقائق المحفورة للمكثفات الكهربائية. ولأن آلية الطبقة المزدوجة لم تكن معروفة لديه في ذلك الوقت، فقد كتب في براءة الاختراع: "ليس من المعروف بالضبط ما يحدث في المكون إذا تم استخدامه لتخزين الطاقة، ولكنه يؤدي إلى سعة عالية للغاية".

لم تتابع شركة جنرال إلكتريك هذا العمل على الفور. في عام 1966، طور باحثون في شركة ستاندرد أويل أوف أوهايو (SOHIO) نسخة أخرى من المكون باسم "جهاز تخزين الطاقة الكهربائية"، أثناء العمل على تصميمات خلايا الوقود التجريبية. ^{[9] [10]} لم يتم وصف طبيعة تخزين الطاقة الكهروكيميائية في هذه البراءة. حتى في عام 1970، تم تسجيل المكثف الكهروكيميائي الحاصل على براءة اختراع من دونالد إل بوس كمكثف كهربائي بأقطاب كربونية نشطة. ^[11]

استخدمت المكثفات الكهروكيميائية المبكرة رقاقتين من الألومنيوم مغطيتين بالكربون النشط (الأقطاب الكهربائية) مغمورتين في إلكتروليت ومفصولتين بعازل مسامي رقيق. أعطى هذا التصميم مكثفًا بسعة في حدود فاراد واحد ، وهي أعلى بكثير من المكثفات الكهروكيميائية من نفس الأبعاد. يظل هذا التصميم الميكانيكي الأساسي هو الأساس لمعظم المكثفات الكهروكيميائية.

لم تقم شركة SOHIO بتسويق اختراعها، بل قامت بترخيص التكنولوجيا لشركة NEC ، التي قامت في النهاية بتسويق النتائج على أنها "مكثفات فائقة" في عام 1978، لتوفير الطاقة الاحتياطية لذاكرة الكمبيوتر. ^[10]

بين عامي 1975 و1980، أجرى براين إيفانز كونواي أعمالًا أساسية وتطويرية واسعة النطاق على مكثفات أكسيد الروثينيوم الكهروكيميائية. في عام 1991، وصف الفرق بين سلوك "المكثف الفائق" و"البطارية" في تخزين الطاقة الكهروكيميائية. في عام 1999، عرّف مصطلح "المكثف الفائق" للإشارة إلى الزيادة في السعة الملحوظة من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال السطحية مع نقل الشحنة الفارادية بين الأقطاب الكهربائية والأيونات. ^{[12] [13]} خزن "المكثف الفائق" الشحنة الكهربائية جزئيًا في طبقة هلمهولتز المزدوجة وجزئيًا نتيجة لتفاعلات الفارادية مع نقل الشحنة "الزائفة" للإلكترونات والبروتونات بين القطب الكهربائي والإلكتروليت. آليات عمل المكثفات الزائفة هي تفاعلات الأكسدة والاختزال والتداخل والامتصاص الكهربائي (الامتصاص على السطح). من خلال بحثه، وسع كونواي بشكل كبير من معرفة المكثفات الكهروكيميائية.

توسع السوق ببطء. تغير ذلك حوالي عام 1978 عندما قامت شركة باناسونيك بتسويق علامتها التجارية Goldcaps. ^[14] أصبح هذا المنتج مصدر طاقة ناجح لتطبيقات النسخ الاحتياطي للذاكرة. ^[10] بدأت المنافسة بعد سنوات فقط. في عام 1987 دخلت ELNA "Dynacap"s السوق. ^[15] كان الجيل الأول من EDLC يتمتع بمقاومة داخلية عالية نسبيًا مما حد من تيار التفريغ. تم استخدامها لتطبيقات التيار المنخفض مثل تشغيل شرائح SRAM أو للنسخ الاحتياطي للبيانات.

في نهاية الثمانينيات، أدت مواد الأقطاب الكهربائية المحسنة إلى زيادة قيم السعة. وفي الوقت نفسه، أدى تطوير الإلكتروليتات ذات الموصلية الأفضل إلى خفض المقاومة التسلسلية المكافئة (ESR) مما أدى إلى زيادة تيارات الشحن/التفريغ. تم تطوير أول مكثف فائق بمقاومة داخلية منخفضة في عام 1982 للتطبيقات العسكرية من خلال معهد بيناكل للأبحاث (PRI)، وتم تسويقه تحت الاسم التجاري "PRI Ultracapacitor". في عام 1992، تولت مختبرات ماكسويل (لاحقًا تقنيات ماكسويل ) هذا التطوير. تبنى ماكسويل مصطلح Ultracapacitor من PRI وأطلق عليها اسم "Boost Caps" ^[16] للتأكيد على استخدامها في تطبيقات الطاقة.

نظرًا لأن محتوى الطاقة في المكثفات يزداد مع مربع الجهد، فقد كان الباحثون يبحثون عن طريقة لزيادة جهد انهيار الإلكتروليت . في عام 1994، باستخدام أنود مكثف إلكتروليتي من التنتالوم عالي الجهد 200 فولت ، طور ديفيد أ. إيفانز "مكثفًا كهروكيميائيًا هجينًا إلكتروليتيًا". ^{[17] [18]} تجمع هذه المكثفات بين ميزات المكثفات الكهربية والكهروكيميائية. فهي تجمع بين القوة العازلة العالية لأنود من مكثف إلكتروليتي مع السعة العالية لكاثود أكسيد معدني شبه سعوي ( أكسيد الروثينيوم (IV)) من مكثف كهروكيميائي، مما ينتج عنه مكثف كهروكيميائي هجين. كانت مكثفات إيفانز، المسماة كاباتيري، ^[19] تحتوي على محتوى طاقة أعلى بحوالي 5 مرات من مكثف إلكتروليتي مماثل من التنتالوم بنفس الحجم. ^[20] كانت تكاليفها المرتفعة تقتصر على تطبيقات عسكرية محددة.

تشمل التطورات الحديثة مكثفات أيونات الليثيوم . كانت شركة فوجيتسو FDK رائدة في هذه المكثفات الهجينة في عام 2007. ^[21] فهي تجمع بين قطب كربوني كهروستاتيكي وقطب كهروكيميائي من أيونات الليثيوم مُشَوَّب مسبقًا. يزيد هذا المزيج من قيمة السعة. بالإضافة إلى ذلك، تعمل عملية التشويب المسبق على خفض جهد الأنود وتؤدي إلى جهد خرج خلية مرتفع، مما يزيد من الطاقة النوعية.

تعمل أقسام الأبحاث النشطة في العديد من الشركات والجامعات ^[22] على تحسين الخصائص مثل الطاقة النوعية، والقدرة النوعية، واستقرار الدورة وتقليل تكاليف الإنتاج.

تتكون المكثفات الكهروكيميائية (المكثفات الفائقة) من قطبين كهربائيين مفصولين بغشاء نافذ للأيونات ( فاصل )، وإلكتروليت يربط القطبين أيونيًا. عندما يتم استقطاب القطبين الكهربائيين بواسطة جهد مطبق، تشكل الأيونات الموجودة في الإلكتروليت طبقات كهربائية مزدوجة ذات قطبية معاكسة لقطبية القطب الكهربائي. على سبيل المثال، ستحتوي الأقطاب الكهربائية المستقطبة إيجابيًا على طبقة من الأيونات السالبة عند واجهة القطب الكهربائي/الإلكتروليت جنبًا إلى جنب مع طبقة موازنة الشحنة من الأيونات الموجبة التي تمتص على الطبقة السالبة. والعكس صحيح بالنسبة للقطب الكهربائي المستقطب سلبًا.

بالإضافة إلى ذلك، واعتمادًا على مادة القطب وشكل السطح، قد تتخلل بعض الأيونات الطبقة المزدوجة لتصبح أيونات ممتصة بشكل خاص وتساهم بسعة زائفة في السعة الكلية للمكثف الفائق.

يشكل القطبان دائرة متسلسلة من مكثفين فرديين C ₁ و C _2. يتم تحديد السعة الكلية C _{بالصيغة}

${\displaystyle C_{\text{total}}={\frac {C_{1}\cdot C_{2}}{C_{1}+C_{2}}}}$

قد تحتوي المكثفات الفائقة على أقطاب كهربائية متماثلة أو غير متماثلة. يشير التماثل إلى أن كلا القطبين لهما نفس قيمة السعة، مما ينتج عنه سعة إجمالية تساوي نصف قيمة كل قطب كهربائي منفرد (إذا كان C ₁  =  C ₂ ، فإن C _total  = ½  C ₁ ). بالنسبة للمكثفات غير المتماثلة، يمكن اعتبار السعة الإجمالية على أنها سعة القطب الكهربائي ذي السعة الأصغر (إذا كان C ₁ >> C ₂ ، فإن C _total  ≈  C ₂ ).

تستخدم المكثفات الكهروكيميائية تأثير الطبقة المزدوجة لتخزين الطاقة الكهربائية؛ ومع ذلك، لا تحتوي هذه الطبقة المزدوجة على عازل صلب تقليدي لفصل الشحنات. هناك مبدأان للتخزين في الطبقة المزدوجة الكهربائية للأقطاب الكهربائية يساهمان في السعة الكلية للمكثف الكهروكيميائي: ^[23]

• السعة ذات الطبقة المزدوجة ، تخزين كهروستاتيكي للطاقة الكهربائية يتم تحقيقه عن طريق فصل الشحنة في طبقة هلمهولتز المزدوجة. ^[24]
• السعة الكاذبة ، تخزين كهروكيميائي للطاقة الكهربائية. يستخدم النوع الأصلي تفاعلات الأكسدة والاختزال الفارادية مع نقل الشحنة. ^[16]

لا يمكن فصل السعتين إلا عن طريق تقنيات القياس. إن كمية الشحنة المخزنة لكل وحدة جهد في مكثف كهروكيميائي تعتمد في المقام الأول على حجم القطب، على الرغم من أن كمية سعة كل مبدأ تخزين يمكن أن تختلف بشكل كبير.

يحتوي كل مكثف كهروكيميائي على قطبين كهربائيين منفصلين ميكانيكيًا بواسطة فاصل، متصلين أيونيًا ببعضهما البعض عبر الإلكتروليت . الإلكتروليت عبارة عن خليط من الأيونات الموجبة والسالبة المذابة في مذيب مثل الماء. تنشأ عند كل من سطحي القطبين الكهربائيين منطقة يتلامس فيها الإلكتروليت السائل مع السطح المعدني الموصل للقطب الكهربائي. تشكل هذه الواجهة حدودًا مشتركة بين طورين مختلفين من المادة، مثل سطح القطب الكهربائي الصلب غير القابل للذوبان والإلكتروليت السائل المجاور . تحدث في هذه الواجهة ظاهرة خاصة جدًا وهي تأثير الطبقة المزدوجة . ^[25]

يؤدي تطبيق الجهد على مكثف كهروكيميائي إلى توليد كل من القطبين في المكثف لطبقتين كهربائيتين مزدوجتين. تتكون هذه الطبقات المزدوجة من طبقتين من الشحنات: طبقة إلكترونية واحدة موجودة في بنية الشبكة السطحية للقطب الكهربائي، والأخرى، ذات القطبية المعاكسة، تنشأ من الأيونات المذابة والمذابة في الإلكتروليت. يتم فصل الطبقتين بواسطة طبقة أحادية من جزيئات المذيب ، على سبيل المثال ، بالنسبة للماء كمذيب بواسطة جزيئات الماء، تسمى مستوى هلمهولتز الداخلي (IHP). تلتصق جزيئات المذيب عن طريق الامتصاص الفيزيائي على سطح القطب الكهربائي وتفصل الأيونات ذات الاستقطاب المعاكس عن بعضها البعض، ويمكن اعتبارها مثالية كعازل جزيئي. في هذه العملية، لا يوجد نقل للشحنة بين القطب الكهربائي والإلكتروليت، وبالتالي فإن القوى التي تسبب الالتصاق ليست روابط كيميائية، بل قوى فيزيائية، على سبيل المثال ، القوى الكهروستاتيكية. تكون الجزيئات الممتصة مستقطبة، ولكن بسبب عدم وجود نقل للشحنة بين الإلكتروليت والقطب الكهربائي، لم تتعرض لأي تغييرات كيميائية.

تتوافق كمية الشحنة في القطب مع حجم الشحنات المضادة في المستوى الخارجي لهيلمهولتز (OHP). تخزن ظاهرة الطبقة المزدوجة هذه الشحنات الكهربائية كما هو الحال في المكثف التقليدي. تشكل الشحنة ذات الطبقة المزدوجة مجالًا كهربائيًا ثابتًا في الطبقة الجزيئية لجزيئات المذيب في المستوى الخارجي لهيلمهولتز يتوافق مع قوة الجهد المطبق.

تعمل الطبقة المزدوجة تقريبًا كطبقة عازلة في المكثف التقليدي، وإن كان سمكها جزيء واحد. وبالتالي، يمكن استخدام الصيغة القياسية للمكثفات اللوحية التقليدية لحساب سعتها: ^[26]

${\displaystyle C=\varepsilon {\frac {A}{d}}}$.

وعليه، فإن السعة C تكون أعظم في المكثفات المصنوعة من مواد ذات نفاذية عالية ε ، ومساحة سطح كبيرة لألواح الأقطاب الكهربائية A ومسافة صغيرة بين الألواح d . ونتيجة لذلك، تتمتع المكثفات ذات الطبقة المزدوجة بقيم سعة أعلى بكثير من المكثفات التقليدية، وذلك بسبب المساحة السطحية الكبيرة للغاية لأقطاب الكربون المنشط والمسافة الرفيعة للغاية بين الطبقات المزدوجة في حدود بضعة أنجستروم (0.3–0.8 نانومتر)، من مرتبة طول ديباي . ^{[16] [24]}

بافتراض أن الحد الأدنى للمسافة بين القطب ومنطقة تراكم الشحنة لا يمكن أن يكون أقل من المسافة النموذجية بين الشحنات السالبة والموجبة في الذرات التي تبلغ حوالي 0.05 نانومتر، فقد تم التنبؤ بحد أقصى عام للسعة يبلغ حوالي 18 μF/cm ² للمكثفات غير الفارادية. ^[27]

العيب الرئيسي لأقطاب الكربون في الخلايا الكهروضوئية ذات الطبقتين هو القيم الصغيرة للسعة الكمومية ^{[ بحاجة لمصدر ]} والتي تعمل على التوالي ^[28] مع سعة الشحنة الفراغية الأيونية. لذلك، يمكن ربط الزيادة الإضافية في كثافة السعة في الخلايا الكهروضوئية بزيادة السعة الكمومية لهياكل النانو للأقطاب الكربونية. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تعتمد كمية الشحنة المخزنة لكل وحدة جهد في مكثف كهروكيميائي في المقام الأول على حجم القطب. يكون التخزين الكهروستاتيكي للطاقة في الطبقات المزدوجة خطيًا فيما يتعلق بالشحنة المخزنة، ويتوافق مع تركيز الأيونات الممتصة. أيضًا، بينما يتم نقل الشحنة في المكثفات التقليدية عبر الإلكترونات، فإن السعة في المكثفات ذات الطبقة المزدوجة مرتبطة بالسرعة المحدودة لحركة الأيونات في الإلكتروليت والبنية المسامية المقاومة للأقطاب الكهربائية. نظرًا لعدم حدوث أي تغييرات كيميائية داخل القطب أو الإلكتروليت، فإن شحن وتفريغ الطبقات المزدوجة الكهربائية غير محدود من حيث المبدأ. تقتصر أعمار المكثفات الفائقة الحقيقية فقط على تأثيرات تبخر الإلكتروليت.

يؤدي تطبيق جهد عند أطراف المكثف الكهروكيميائي إلى تحريك أيونات الإلكتروليت إلى القطب المستقطب المعاكس ويشكل طبقة مزدوجة تعمل فيها طبقة واحدة من جزيئات المذيب كفاصل. يمكن أن تنشأ شبه السعة عندما تخترق الأيونات الممتصة خصيصًا من الإلكتروليت الطبقة المزدوجة. تخزن شبه السعة هذه الطاقة الكهربائية عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال الفارادية القابلة للعكس على سطح الأقطاب الكهربائية المناسبة في مكثف كهروكيميائي بطبقة مزدوجة كهربائية . ^{[12] [23] [24] [29]} [ ^30] يصاحب شبه السعة نقل شحنة إلكترون بين الإلكتروليت والقطب الكهربائي القادم من أيون منزوع المذيبات وممتز حيث يشارك إلكترون واحد فقط لكل وحدة شحنة. ينشأ نقل الشحنة الفارادية هذا من خلال تسلسل سريع جدًا من عمليات الأكسدة والاختزال القابلة للعكس أو التداخل أو الامتصاص الكهربائي . لا يحدث تفاعل كيميائي بين الأيون الممتص وذرات القطب الكهربي (لا تنشأ روابط كيميائية ^[31] ) حيث يحدث فقط نقل للشحنة.

تنتقل الإلكترونات المشاركة في العمليات الفارادية إلى أو من حالات الإلكترونات التكافؤية ( المدارات ) لكاشف القطب الكهربائي المؤكسد والاختزال. تدخل القطب السالب وتتدفق عبر الدائرة الخارجية إلى القطب الموجب حيث تتشكل طبقة مزدوجة ثانية بعدد متساوٍ من الأنيونات. لا تنتقل الإلكترونات التي تصل إلى القطب الموجب إلى الأنيونات التي تشكل الطبقة المزدوجة، بل تظل بدلاً من ذلك في أيونات المعادن الانتقالية شديدة التأين و"العطشى للإلكترونات" لسطح القطب الكهربائي. وعلى هذا النحو، فإن سعة تخزين شبه السعة الفارادية محدودة بالكمية المحدودة من الكاشف في السطح المتاح.

تحدث السعة الكاذبة الفارادية فقط مع السعة الثابتة ذات الطبقة المزدوجة ، وقد يتجاوز حجمها قيمة السعة ذات الطبقة المزدوجة لنفس مساحة السطح بعامل 100، اعتمادًا على طبيعة وبنية القطب، لأن جميع تفاعلات السعة الكاذبة تحدث فقط مع الأيونات المذابة، والتي تكون أصغر بكثير من الأيونات المذابة مع غلافها المذاب. ^{[12] [29]} إن كمية السعة الكاذبة لها دالة خطية ضمن حدود ضيقة تحددها درجة التغطية السطحية المعتمدة على الجهد للأنيونات الممتصة.

تعتمد قدرة الأقطاب الكهربائية على تحقيق تأثيرات شبه السعة عن طريق تفاعلات الأكسدة والاختزال أو التداخل أو الامتصاص الكهربائي بشكل كبير على التقارب الكيميائي لمواد الأقطاب الكهربائية للأيونات الممتصة على سطح القطب الكهربائي وكذلك على بنية وأبعاد مسام القطب الكهربائي. المواد التي تظهر سلوك الأكسدة والاختزال للاستخدام كأقطاب كهربائية في شبه المكثفات الكهربائية هي أكاسيد المعادن الانتقالية مثل RuO2 _أو IrO2 _أو MnO2 _{المدرجة} عن طريق التنشيط في مادة القطب الكهربائي الموصل مثل الكربون النشط، بالإضافة إلى البوليمرات الموصلة مثل البولي أنيلين أو مشتقات البولي ثيوفين التي تغطي مادة القطب الكهربائي.

كمية الشحنة الكهربائية المخزنة في شبه السعة تتناسب خطيًا مع الجهد المطبق . وحدة شبه السعة هي الفاراد ، وهي نفس وحدة السعة.

على الرغم من أن مواد الأقطاب الكهربائية التقليدية من نوع البطارية تستخدم أيضًا تفاعلات كيميائية لتخزين الشحنة، إلا أنها تظهر أنماطًا كهربائية مختلفة جدًا، حيث أن معدل التفريغ محدود بسرعة الانتشار . إن طحن هذه المواد إلى مقياس النانو يحررها من حد الانتشار ويمنحها سلوكًا أكثر شبهًا بالسعة، مما يجعلها مكثفات زائفة خارجية . Chodankar et al. 2020، يوضح الشكل 2 منحنيات الجهد والسعة التمثيلية لـ LiCoO2 السائبة _{و LiCoO2} النانوية ومكثف زائف الأكسدة والاختزال (RuO2 ₎ ومكثف زائف التداخل (T-Nb2O5 ) _. [ ^{32] :} ₅

يمكن أيضًا تصنيع المكثفات الفائقة باستخدام مواد ومبادئ مختلفة عند الأقطاب الكهربائية. إذا استخدمت كلتا المادتين تفاعلًا سريعًا من نوع المكثف الفائق (السعة أو السعة الزائفة)، فإن النتيجة تسمى مكثفًا غير متماثل. يتمتع القطبان الكهربائيان بإمكانات كهربائية مختلفة؛ وعند دمجهما مع التوازن المناسب، تكون النتيجة هي تحسين كثافة الطاقة دون فقدان العمر الافتراضي أو سعة التيار. ^{[32] : 8}

هناك عدد من المكثفات الفائقة الأحدث "هجينة": يستخدم قطب واحد فقط تفاعلًا سريعًا (سعة أو شبه سعة)، ويستخدم القطب الآخر مادة "شبيهة بالبطارية" (أبطأ ولكن ذات سعة أعلى). على سبيل المثال، يمكن دمج أنود EDLC مع كاثود كربون منشط-Ni(OH) ₂ ، حيث يكون الأخير مادة فارادية بطيئة. يكون شكل CV و GCD للمكثف الهجين بين شكل البطارية والمكثف الفائق، وهو أكثر تشابهًا مع شكل المكثف الفائق. تتمتع المكثفات الهجينة بكثافة طاقة أعلى بكثير، ولكن لها عمر دورة وسعة تيار أقل بسبب القطب الأبطأ. ^{[32] : 7}

تتكون المكثفات التقليدية (المعروفة أيضًا باسم المكثفات الكهروستاتيكية)، مثل المكثفات الخزفية والمكثفات الغشائية ، من قطبين كهربائيين مفصولين بمادة عازلة . عند الشحن، يتم تخزين الطاقة في مجال كهربائي ثابت يخترق العازل بين القطبين. تزداد الطاقة الكلية مع كمية الشحنة المخزنة، والتي ترتبط بدورها خطيًا بالجهد (الجهد) بين اللوحين. يقتصر أقصى فرق جهد بين اللوحين (الجهد الأقصى) على قوة مجال انهيار العازل . ينطبق نفس التخزين الثابت أيضًا على المكثفات الكهروليتية حيث ينخفض ​​معظم الجهد عبر طبقة أكسيد الأنود الرقيقة. يمثل الإلكتروليت السائل المقاوم إلى حد ما ( الكاثود ) انخفاضًا صغيرًا في الجهد للمكثفات الكهروليتية "الرطبة"، بينما يكون انخفاض الجهد هذا في المكثفات الكهروليتية ذات الإلكتروليت البوليمري الموصل الصلب ضئيلًا.

على النقيض من ذلك، تتكون المكثفات الكهروكيميائية (المكثفات الفائقة) من قطبين كهربائيين مفصولين بغشاء نافذ للأيونات (فاصل) ومتصلين كهربائيًا عبر إلكتروليت. يحدث تخزين الطاقة داخل الطبقات المزدوجة لكلا القطبين كمزيج من سعة الطبقة المزدوجة والسعة الزائفة. عندما يكون لكلا القطبين نفس المقاومة تقريبًا (المقاومة الداخلية)، تقل إمكانات المكثف بشكل متماثل على كلتا الطبقتين المزدوجتين، وبالتالي يتم تحقيق انخفاض الجهد عبر المقاومة التسلسلية المكافئة (ESR) للإلكتروليت. بالنسبة للمكثفات الفائقة غير المتماثلة مثل المكثفات الهجينة، يمكن أن يكون انخفاض الجهد بين القطبين غير متماثل. يقتصر أقصى جهد عبر المكثف (الجهد الأقصى) على جهد تحلل الإلكتروليت.

إن تخزين الطاقة الكهروستاتيكية والكهروكيميائية في المكثفات الفائقة يكون خطيًا بالنسبة للشحنة المخزنة، تمامًا كما هو الحال في المكثفات التقليدية. ويكون الجهد بين أطراف المكثف خطيًا بالنسبة لكمية الطاقة المخزنة. ويختلف هذا التدرج الخطي في الجهد عن البطاريات الكهروكيميائية القابلة لإعادة الشحن، حيث يظل الجهد بين الأطراف مستقلاً عن كمية الطاقة المخزنة، مما يوفر جهدًا ثابتًا نسبيًا.

تتنافس المكثفات الفائقة مع المكثفات الإلكتروليتية والبطاريات القابلة لإعادة الشحن، وخاصة بطاريات الليثيوم أيون . يقارن الجدول التالي المعلمات الرئيسية للعائلات الثلاث الرئيسية للمكثفات الفائقة مع المكثفات الإلكتروليتية والبطاريات.

معلمات أداء المكثفات الفائقة
مقارنة بالمكثفات الكهربية وبطاريات الليثيوم أيون ^{[ بحاجة لمصدر ]}

المعلمة	المكثفات الكهروليتية المصنوعة من الألومنيوم	المكثفات الفائقة				بطاريات ليثيوم أيون
		مكثفات ذات طبقتين (نسخة احتياطية للذاكرة)	المكثفات الكاذبة	هجين (ليثيوم أيون)	NTGS EDLC [33] (تجريبي)
مدى درجة الحرارة، درجة مئوية  (°C)	-40 – +125 درجة مئوية	-40 – +70 درجة مئوية	-20 – +70 درجة مئوية	-20 – +70 درجة مئوية		-20 – +60 درجة مئوية
الحد الأقصى للشحنة، فولت  (فولت)	4 – 630 فولت	1.2 – 3.3 فولت	2.2 – 3.3 فولت	2.2 – 3.8 فولت	~ 4.0 فولت	2.5 – 4.2 فولت
دورات إعادة الشحن، بالآلاف (كيلو)	< غير محدود	100 ألف – 1000 ألف	100 ألف – 1000 ألف	20 ألفًا – 100 ألفًا	> 20 كيلو	0.5 ك – 10 ك
السعة ، الفاراد  (F)	≤ 2.7 فهرنهايت	0.1 – 470 فهرنهايت	100 – 12000 فهرنهايت	300 – 3300 فهرنهايت		—
الطاقة النوعية ، واط في الساعة لكل كيلوغرام (واط/كجم)	0.01 – 0.3 واط/كجم	1.5 – 3.9 واط/كجم	4 – 9 واط/كجم	10 – 15 واط/كجم	206 واط/كجم	100 – 265 واط/كجم
القدرة النوعية ، واط لكل جرام  (W/g)	> 100 واط/جم	2 – 10 واط/جرام	3 – 10 واط/جرام	3 – 14 واط/جرام	32 واط/جم	0.3 – 1.5 واط/جرام
زمن التفريغ الذاتي في درجة حرارة الغرفة.	قصيرة (أيام)	متوسط ​​(أسابيع)	متوسط ​​(أسابيع)	طويل (شهر)		طويل (شهر)
كفاءة (٪)	99%	95%	95%	90%		90%
مدة العمل في درجة حرارة الغرفة، سنوات (سنة)	> 20 سنة	5 – 10 سنوات	5 – 10 سنوات	5 – 10 سنوات		3 – 5 سنوات

تتميز المكثفات الكهروليتية بدورات شحن/تفريغ غير محدودة تقريبًا، وقوة عازلة عالية (تصل إلى 550 فولت) واستجابة تردد جيدة كمفاعلة تيار متناوب (AC) في نطاق التردد المنخفض. يمكن للمكثفات الفائقة تخزين طاقة أكبر بمقدار 10 إلى 100 مرة من المكثفات الكهروليتية، لكنها لا تدعم تطبيقات التيار المتناوب.

فيما يتعلق بالبطاريات القابلة لإعادة الشحن، تتميز المكثفات الفائقة بتيارات ذروة أعلى، وتكلفة منخفضة لكل دورة، وعدم وجود خطر الشحن الزائد، وقابلية عكسية جيدة، وإلكتروليت غير تآكلي وسمية منخفضة للمواد. توفر البطاريات تكلفة شراء أقل وجهد ثابت أثناء التفريغ، لكنها تتطلب معدات تحكم وتبديل إلكترونية معقدة، مع فقدان الطاقة الناتج وخطر الشرارة في حالة حدوث ماس كهربائي. ^{[ يحتاج إلى توضيح ]}

يتم تصنيع المكثفات الفائقة بأنماط مختلفة، مثل المكثفات المسطحة التي تحتوي على زوج واحد من الأقطاب الكهربائية، أو المكثفات الملفوفة في علبة أسطوانية، أو المكثفات المكدسة في علبة مستطيلة الشكل. ولأنها تغطي نطاقًا واسعًا من قيم السعة، فقد يختلف حجم العلبة.

تتكون المكثفات الفائقة من رقاقتين معدنيتين (جامعي تيار)، كل منهما مطلي بمادة قطب كهربائي مثل الكربون المنشط، والتي تعمل كوصلة طاقة بين مادة القطب الكهربائي والطرفيات الخارجية للمكثف. وعلى وجه التحديد، فإن مادة القطب الكهربائي لها مساحة سطح كبيرة جدًا. في هذا المثال، يتم نقش الكربون المنشط كهروكيميائيًا، بحيث تكون مساحة سطح المادة أكبر بحوالي 100000 مرة من السطح الأملس. يتم فصل الأقطاب الكهربائية عن بعضها البعض بواسطة غشاء نافذ للأيونات (فاصل) يستخدم كعازل لحماية الأقطاب الكهربائية من الدوائر القصيرة . يتم لف هذا البناء أو طيه لاحقًا في شكل أسطواني أو مستطيل ويمكن تكديسه في علبة من الألومنيوم أو غلاف مستطيل قابل للتكيف. ثم يتم تشريب الخلية بإلكتروليت سائل أو لزج من النوع العضوي أو المائي. يدخل الإلكتروليت، وهو موصل أيوني، إلى مسام الأقطاب الكهربائية ويعمل كوصلة موصلة بين الأقطاب الكهربائية عبر الفاصل. وأخيرًا، يتم غلق الغلاف بشكل محكم لضمان سلوك مستقر طوال فترة العمر المحددة.

يتم تخزين الطاقة الكهربائية في المكثفات الفائقة من خلال مبدأين للتخزين، السعة الساكنة ذات الطبقتين والسعة الكاذبة الكهروكيميائية ؛ ويعتمد توزيع النوعين من السعة على مادة وبنية الأقطاب الكهربائية. هناك ثلاثة أنواع من المكثفات الفائقة بناءً على مبدأ التخزين: ^{[16] [24]}

• المكثفات ذات الطبقة المزدوجة ( EDLCs ): مع أقطاب الكربون المنشط أو مشتقاته بسعة مزدوجة الطبقة كهروستاتيكية أعلى بكثير من السعة الزائفة الكهروكيميائية
• المكثفات الكاذبة : مع أكسيد المعادن الانتقالية أو أقطاب البوليمر الموصلة ذات السعة الكاذبة الكهروكيميائية العالية
• المكثفات الهجينة : ذات الأقطاب الكهربائية غير المتماثلة، حيث يظهر أحدها سعة كهروستاتيكية في الغالب والآخر سعة كهروكيميائية في الغالب، مثل مكثفات أيونات الليثيوم

نظرًا لأن السعة ذات الطبقتين والسعة الزائفة تساهمان بشكل لا ينفصل في قيمة السعة الكلية للمكثف الكهروكيميائي، فلا يمكن تقديم وصف صحيح لهذه المكثفات إلا تحت المصطلح العام. تم اقتراح مفهومي السعة الفائقة والبطارية الفائقة مؤخرًا لتمثيل تلك الأجهزة الهجينة التي تتصرف بشكل أشبه بالمكثف الفائق والبطارية القابلة لإعادة الشحن على التوالي. ^[34]

يتم تحديد قيمة سعة المكثف الفائق من خلال مبدأين للتخزين:

• سعة الطبقة المزدوجة  - تخزين كهروستاتيكي للطاقة الكهربائية التي يتم تحقيقها عن طريق فصل الشحنة في طبقة هلمهولتز المزدوجة عند الواجهة بين سطح قطب كهربائي موصل وإلكتروليت محلول إلكتروليتي . تبلغ مسافة فصل الشحنة في الطبقة المزدوجة حوالي بضعة أنجستروم (0.3-0.8  نانومتر ) وهي ثابتة في الأصل. ^[16]
• السعة الكاذبة  - تخزين كهروكيميائي للطاقة الكهربائية، يتم تحقيقه من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال، أو الامتصاص الكهربائي أو التداخل على سطح القطب بواسطة أيونات ممتزة بشكل خاص ، مما يؤدي إلى نقل شحنة فاراداي عكسي على القطب. ^[16]

تساهم كل من السعة ذات الطبقة المزدوجة والسعة الزائفة بشكل لا ينفصل عن قيمة السعة الكلية للمكثف الفائق. ^[23] ومع ذلك، يمكن أن تختلف نسبة الاثنين بشكل كبير، اعتمادًا على تصميم الأقطاب الكهربائية وتركيبة الإلكتروليت. يمكن للسعة الزائفة زيادة قيمة السعة بمقدار يصل إلى عامل عشرة على قيمة الطبقة المزدوجة بمفردها. ^{[12] [29]}

المكثفات الكهربائية ذات الطبقة المزدوجة (EDLC) هي مكثفات كهروكيميائية يتم فيها تخزين الطاقة بشكل أساسي من خلال السعة ذات الطبقة المزدوجة. في الماضي، كانت جميع المكثفات الكهروكيميائية تسمى "مكثفات ذات طبقة مزدوجة". يرى الاستخدام المعاصر المكثفات ذات الطبقة المزدوجة، جنبًا إلى جنب مع المكثفات الزائفة، كجزء من عائلة أكبر من المكثفات الكهروكيميائية ^{[12] [29]} تسمى المكثفات الفائقة. تُعرف أيضًا باسم المكثفات الفائقة.

تنبع خصائص المكثفات الفائقة من تفاعل المواد الداخلية فيها. وبشكل خاص، يحدد مزيج مادة القطب الكهربائي ونوع الإلكتروليت الوظيفة والخصائص الحرارية والكهربائية للمكثفات.

عادةً ما تكون أقطاب المكثفات الفائقة عبارة عن طبقات رقيقة يتم تطبيقها وتوصيلها كهربائيًا بمجمع تيار معدني موصل. يجب أن تتمتع الأقطاب الكهربائية بموصلية جيدة، وثبات عالي في درجات الحرارة، وثبات كيميائي طويل الأمد ( خمول )، ومقاومة عالية للتآكل، ومساحات سطحية عالية لكل وحدة حجم وكتلة. تشمل المتطلبات الأخرى الصديقة للبيئة والتكلفة المنخفضة.

إن كمية الطبقة المزدوجة وكذلك السعة الكاذبة المخزنة لكل وحدة جهد في المكثف الفائق تعتمد بشكل أساسي على مساحة سطح القطب. لذلك، فإن أقطاب المكثف الفائق عادة ما تكون مصنوعة من مادة مسامية وإسفنجية ذات مساحة سطح نوعية عالية بشكل غير عادي ، مثل الكربون المنشط . بالإضافة إلى ذلك، فإن قدرة مادة القطب على إجراء عمليات نقل شحنة فارادية تعزز السعة الكلية.

بشكل عام، كلما كانت مسام القطب أصغر، كلما زادت السعة والطاقة النوعية . ومع ذلك، فإن المسام الأصغر تزيد من المقاومة التسلسلية المكافئة (ESR) وتقلل من القدرة النوعية . تتطلب التطبيقات ذات التيارات القصوى العالية مسامًا أكبر وخسائر داخلية منخفضة، بينما تحتاج التطبيقات التي تتطلب طاقة نوعية عالية إلى مسام صغيرة.

المادة الأكثر استخدامًا في صناعة الأقطاب الكهربائية للمكثفات الفائقة هي الكربون في أشكال مختلفة مثل الكربون المنشط (AC)، وقماش ألياف الكربون (AFC)، والكربون المشتق من الكربيد (CDC)، ^{[35] [36]،} وهلام الكربون الهوائي ، والجرافيت ( الجرافين )، والجرافان ^[37]، وأنابيب الكربون النانوية (CNTs). ^{[23] [38] [39]}

تظهر الأقطاب الكهربائية القائمة على الكربون سعة طبقتين ثابتة بشكل أساسي، على الرغم من أن كمية صغيرة من السعة الزائفة قد تكون موجودة أيضًا اعتمادًا على توزيع حجم المسام. تتراوح أحجام المسام في الكربون عادةً من المسام الدقيقة (أقل من 2 نانومتر) إلى المسام المتوسطة (2-50 نانومتر)، ^[40] ولكن المسام الدقيقة فقط (<2 نانومتر) تساهم في السعة الزائفة. مع اقتراب حجم المسام من حجم غلاف المذيب، يتم استبعاد جزيئات المذيب وتملأ الأيونات غير المذابة فقط المسام (حتى بالنسبة للأيونات الكبيرة)، مما يزيد من كثافة التعبئة الأيونية وقدرة التخزين بواسطة H الفاراداي
₂التداخل. ^[23]

كان الكربون المنشط هو المادة الأولى التي تم اختيارها لأقطاب EDLC. على الرغم من أن موصليته الكهربائية تبلغ حوالي 0.003٪ من المعادن ( 1250 إلى 2000 S / m )، إلا أنها كافية للمكثفات الفائقة. ^{[24] [16]} الكربون المنشط هو شكل مسامي للغاية من الكربون مع مساحة سطح محددة عالية - التقريب الشائع هو أن 1 جرام (0.035 أونصة) (كمية بحجم ممحاة قلم رصاص) لها مساحة سطح تبلغ حوالي 1000 إلى 3000 متر مربع (11000 إلى 32000 قدم مربع) ^{[38] [40]} - بحجم 4 إلى 12 ملعب تنس تقريبًا . الشكل السائب المستخدم في الأقطاب الكهربائية منخفض الكثافة مع العديد من المسام، مما يعطي سعة عالية مزدوجة الطبقة. الكربون النشط الصلب، والذي يُطلق عليه أيضًا الكربون غير المتبلور الموحد (CAC)، هو أكثر مواد الأقطاب الكهربائية استخدامًا في المكثفات الفائقة وقد يكون أرخص من مشتقات الكربون الأخرى. ^[41] يتم إنتاجه من مسحوق الكربون النشط المضغوط في الشكل المطلوب، مما يشكل كتلة ذات توزيع واسع لأحجام المسام. ينتج عن القطب الكهربائي الذي تبلغ مساحته السطحية حوالي 1000 متر مربع ^/ جرام سعة نموذجية مزدوجة الطبقة تبلغ حوالي 10 μF / cm ² وسعة نوعية تبلغ 100 F / g. اعتبارًا من عام 2010، ^[تحديث]تستخدم جميع المكثفات الفائقة التجارية تقريبًا الكربون النشط المسحوق المصنوع من قشور جوز الهند. ^[42] تنتج قشور جوز الهند الكربون النشط بمسام دقيقة أكثر من الفحم المصنوع من الخشب. ^[40]

يتم إنتاج ألياف الكربون المنشط (ACF) من الكربون المنشط ولها قطر نموذجي يبلغ 10 ميكرومتر. يمكن أن تحتوي على مسام دقيقة مع توزيع ضيق جدًا لحجم المسام يمكن التحكم فيه بسهولة. تبلغ مساحة سطح ACF المنسوجة في النسيج حوالي2500 م ² / جم . تشمل مزايا أقطاب ACF مقاومة كهربائية منخفضة على طول محور الألياف والاتصال الجيد بالمجمع. ^[38] أما بالنسبة للكربون المنشط، فإن أقطاب ACF تظهر سعة طبقتين بشكل أساسي مع كمية صغيرة من السعة الزائفة بسبب مسامها الدقيقة.

الهلام الهوائي الكربوني هو مادة صناعية شديدة المسامية وخفيفة الوزن مشتقة من هلام عضوي تم فيه استبدال المكون السائل للهلام بغاز. يتم تصنيع أقطاب الهلام الهوائي عن طريق التحلل الحراري للهلام الهوائي المكون من الريزورسينول والفورمالديهايد ^[43] وهي أكثر توصيلًا من معظم الكربون المنشط. إنها تمكن من إنتاج أقطاب كهربائية رقيقة ومستقرة ميكانيكيًا بسمك يتراوح بين عدة مئات من الميكرومتر ( ميكرومتر) وحجم موحد للمسام. توفر أقطاب الهلام الهوائي أيضًا استقرارًا ميكانيكيًا واهتزازيًا للمكثفات الفائقة المستخدمة في البيئات عالية الاهتزاز. ابتكر الباحثون قطبًا كهربائيًا من الهلام الهوائي الكربوني بكثافات وزنية تبلغ حوالي 400-1200 م ² / جم وسعة حجمية تبلغ 104 F / cm ³ ، مما ينتج عنه طاقة محددة تبلغ325 كيلوجول/كجم (90 واط/كجم ) وقوة محددة20 وات/جرام . ^{[44] [45]} تظهر أقطاب الهلام الهوائي القياسية سعة طبقتين بشكل أساسي. يمكن لأقطاب الهلام الهوائي التي تحتوي على مادة مركبة أن تضيف كمية عالية من السعة الزائفة. ^[46]

الكربون المشتق من الكربيد (CDC)، والمعروف أيضًا باسم الكربون النانوي القابل للضبط، هو عائلة من مواد الكربون المشتقة من سلائف الكربيد ، مثل كربيد السيليكون الثنائي وكربيد التيتانيوم ، والتي يتم تحويلها إلى كربون نقي من خلال العمليات الفيزيائية، مثل التحلل الحراري أو الكيميائية، مثل الهالوجين . ^{[47] [48] يمكن أن تظهر الكربون المشتق من الكربيد مساحة سطح عالية وأقطار مسام قابلة للضبط (} من المسام الدقيقة إلى المسام المتوسطة) لزيادة احتواء الأيونات، وزيادة السعة الكاذبة بواسطة H الفاراداي.
₂معالجة الامتصاص. توفر أقطاب CDC ذات تصميم المسام المخصص ما يصل إلى 75% طاقة نوعية أكبر من الكربون المنشط التقليدي. اعتبارًا من عام 2015 ^[تحديث]، قدم مكثف فائق CDC طاقة نوعية تبلغ 10.1 واط/كجم، وسعة 3500 فهرنهايت وأكثر من مليون دورة شحن وتفريغ. ^[49]

الجرافين عبارة عن ورقة من الجرافيت بسمك ذرة واحدة ، مع ترتيب الذرات في نمط سداسي منتظم، ^{[50] [51]} ويسمى أيضًا "ورقة النانو المركبة". ^[52]

تبلغ المساحة السطحية النوعية للجرافين نظريًا 2630 م ² / جرام، مما قد يؤدي نظريًا إلى سعة 550 ف/ جرام. بالإضافة إلى ذلك، فإن ميزة الجرافين على الكربون المنشط هي موصليته الكهربائية العالية. اعتبارًا من عام 2012 ^[تحديث]، استخدم أحد التطورات الجديدة صفائح الجرافين مباشرة كأقطاب كهربائية بدون مجمعات للتطبيقات المحمولة. ^{[53] [54]}

في أحد التجسيدات، يستخدم المكثف الفائق القائم على الجرافين صفائح جرافين منحنية لا تتكدس وجهاً لوجه، مما يشكل مسام متوسطة يمكن الوصول إليها ويمكن تبليلها بواسطة الإلكتروليتات الأيونية عند جهد يصل إلى 4 فولت. طاقة محددة تبلغ85.6 واط/كجم ((308 كيلوجول/كجم ) يتم الحصول عليها عند درجة حرارة الغرفة تعادل درجة حرارة بطارية هيدريد النيكل والمعدن التقليدية ، ولكن بقوة نوعية أكبر بمقدار 100-1000 مرة. ^{[55] [56]}

يعمل الهيكل ثنائي الأبعاد للجرافين على تحسين الشحن والتفريغ. يمكن لحاملات الشحنة في الصفائح الموجهة رأسياً أن تنتقل بسرعة إلى داخل أو خارج الهياكل العميقة للقطب الكهربي، وبالتالي زيادة التيارات. قد تكون هذه المكثفات مناسبة لتطبيقات مرشح 100/120 هرتز، والتي لا يمكن الوصول إليها بواسطة المكثفات الفائقة التي تستخدم مواد كربونية أخرى. ^[57]

أنابيب الكربون النانوية (CNTs)، والتي تسمى أيضًا أنابيب باكي، هي جزيئات كربون ذات بنية نانوية أسطوانية . لها بنية مجوفة بجدران مكونة من صفائح من الجرافيت بسمك ذرة واحدة. يتم لف هذه الصفائح بزوايا محددة ومنفصلة ("كيرالية")، ويتحكم الجمع بين الزاوية والنصف قطر الكيرالي في خصائص مثل التوصيل الكهربائي وقابلية البلل بالكهرباء ووصول الأيونات. يتم تصنيف الأنابيب النانوية على أنها أنابيب نانوية أحادية الجدار (SWNTs) أو أنابيب نانوية متعددة الجدران (MWNTs). تحتوي الأخيرة على أنبوب خارجي واحد أو أكثر يغلف أنبوبًا نانويًا أحادي الجدار على التوالي، تمامًا مثل دمى ماتريوشكا الروسية . تتراوح أقطار الأنابيب النانوية أحادية الجدار بين 1 و3 نانومتر. تحتوي الأنابيب النانوية متعددة الجدران على جدران محورية أكثر سمكًا ، تفصل بينها مسافات (0.34 نانومتر) قريبة من مسافة الطبقات البينية للجرافين.

يمكن أن تنمو الأنابيب النانوية عموديًا على ركيزة المجمع، مثل رقاقة السيليكون. الأطوال النموذجية تتراوح من 20 إلى 100 ميكرومتر. ^[58]

يمكن لأنابيب الكربون النانوية أن تعمل على تحسين أداء المكثف بشكل كبير، وذلك بسبب مساحة السطح القابلة للبلل بشكل كبير والتوصيل العالي. ^{[59] [60]}

تمت دراسة مكثف فائق قائم على أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار مع إلكتروليت مائي بشكل منهجي في جامعة ديلاوير في مجموعة البروفيسور بينجكينج وي. اكتشف لي وآخرون، لأول مرة، أن تأثير حجم الأيون وقابلية البلل بين القطب الكهربائي والإلكتروليت هي العوامل المهيمنة التي تؤثر على السلوك الكهروكيميائي لمكثفات أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار المرنة في إلكتروليتات مائية مختلفة بتركيز مول واحد مع أنيونات وكاتيونات مختلفة. أظهرت النتائج التجريبية أيضًا للمكثف الفائق المرن أنه من المقترح وضع ضغط كافٍ بين القطبين لتحسين مكثف أنابيب الكربون النانوية ذات الإلكتروليت المائي. ^[61]

يمكن للأنابيب النانوية الكربونية تخزين نفس الشحنة تقريبًا التي يخزنها الكربون المنشط لكل وحدة مساحة سطح، ولكن سطح الأنابيب النانوية مرتب في نمط منتظم، مما يوفر قابلية أكبر للبلل. تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار بمساحة سطحية نظرية عالية تبلغ 1315 م ² / جم، في حين أن مساحة السطح النوعية للأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدار أقل ويتم تحديدها من خلال قطر الأنابيب ودرجة التعشيش، مقارنة بمساحة سطح تبلغ حوالي 3000 م ² / جم من الكربون المنشط. ومع ذلك، تتمتع الأنابيب النانوية الكربونية بسعة أعلى من أقطاب الكربون المنشط، على سبيل المثال ، 102 F / g للأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدار و 180 F / g للأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تحتوي أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران على مسام متوسطة تسمح بسهولة الوصول إلى الأيونات عند واجهة القطب الكهربائي والإلكتروليت. ومع اقتراب حجم المسام من حجم غلاف المذيب الأيوني، يتم تجريد جزيئات المذيب جزئيًا، مما يؤدي إلى زيادة كثافة التعبئة الأيونية وزيادة قدرة التخزين الفارادية. ومع ذلك، فإن التغيير الكبير في الحجم أثناء التداخل المتكرر والاستنزاف يقلل من استقرارها الميكانيكي. ولتحقيق هذه الغاية، لا يزال البحث جاريًا لزيادة مساحة السطح والقوة الميكانيكية والتوصيل الكهربائي والاستقرار الكيميائي. ^{[59] [62] [63]}

MnO ₂ و RuO ₂ هي مواد نموذجية تستخدم كأقطاب كهربائية للمكثفات الكاذبة، حيث أن لها التوقيع الكهروكيميائي للقطب السعوي (الاعتماد الخطي على منحنى التيار مقابل الجهد) بالإضافة إلى إظهار سلوك aic . بالإضافة إلى ذلك، ينشأ تخزين الشحنة من آليات نقل الإلكترون بدلاً من تراكم الأيونات في الطبقة المزدوجة الكهروكيميائية . تم إنشاء المكثفات الكاذبة من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال الفارادية التي تحدث داخل مواد القطب النشط. ركز المزيد من البحث على أكاسيد المعادن الانتقالية مثل MnO ₂ لأن أكاسيد المعادن الانتقالية لها تكلفة أقل مقارنة بأكاسيد المعادن النبيلة مثل RuO _2. علاوة على ذلك، تعتمد آليات تخزين الشحنة لأكاسيد المعادن الانتقالية بشكل أساسي على السعة الكاذبة. تم تقديم آليتين لسلوك تخزين شحنة MnO ₂ . تتضمن الآلية الأولى تداخل البروتونات (H ⁺ ) أو كاتيونات الفلزات القلوية (C ⁺ ) في كتلة المادة عند الاختزال متبوعًا بإزالة التداخل عند الأكسدة . ^[64]

MnO2 + H ₊ ⁽ C ⁺ ) + e ⁻ ⇌ MnOOH(C) ^[65]

الآلية الثانية تعتمد على الامتزاز السطحي لكاتيونات الإلكتروليت على _MnO2 .

(MnO ₂ ) _السطح + C ⁺⁺ e ⁻ ⇌ (MnO ₂ ⁻ C ⁺ ) _السطح

لا يمكن استخدام كل مادة تظهر سلوكًا فاراديًا كقطب كهربائي للمكثفات الكاذبة، مثل Ni(OH) ₂ نظرًا لأنها قطب كهربائي من نوع البطارية (اعتماد غير خطي على منحنى التيار مقابل الجهد). ^[66]

وصف بحث بريان إيفانز كونواي ^{[12] [13]} أقطاب أكاسيد المعادن الانتقالية التي أظهرت كميات عالية من السعة الكاذبة. أكاسيد المعادن الانتقالية بما في ذلك الروثينيوم ( RuO2)
₂)، الإيريديوم ( IrO2)
₂)، الحديد ( Fe
₃ا
₄)، المنغنيز ( MnO2)
₂) أو كبريتيدات مثل كبريتيد التيتانيوم ( TiS
₂) بمفردها أو مجتمعة تولد تفاعلات نقل إلكترون فارادية قوية مقترنة بمقاومة منخفضة. ^{[ بحاجة لمصدر ]} ثاني أكسيد الروثينيوم مع H
₂لذا
₄يوفر الإلكتروليت سعة نوعية تبلغ 720 F/g وطاقة نوعية عالية تبلغ 26.7 Wh/kg (96.12 كيلوجول/كجم ). ^[67]

تتم عملية الشحن/التفريغ خلال نافذة تبلغ حوالي 1.2 فولت لكل قطب كهربائي. هذه السعة الزائفة التي تبلغ حوالي 720 ف/جم أعلى بحوالي 100 مرة من السعة ذات الطبقة المزدوجة باستخدام أقطاب الكربون المنشط . توفر أقطاب المعادن الانتقالية هذه قابلية عكسية ممتازة، مع عدة مئات الآلاف من الدورات. ومع ذلك، فإن الروثينيوم باهظ الثمن ونافذة الجهد 2.4 فولت لهذا المكثف تحد من تطبيقاته للتطبيقات العسكرية والفضائية. أبلغ داس وآخرون عن أعلى قيمة سعة (1715 ف/جم) لمكثف فائق قائم على أكسيد الروثينيوم مع أكسيد الروثينيوم المترسب بالكهرباء على قطب كهربائي أحادي الجدار من فيلم أنابيب الكربون النانوية المسامية. ^{[68] تم الإبلاغ عن} سعة نوعية عالية تبلغ 1715 ف/جم والتي تقترب عن كثب من الحد الأقصى النظري المتوقع لثاني أكسيد الروثينيوم
₂سعة 2000 ف/ج.

في عام 2014، تم إنتاج RuO
₂مكثف فائق مثبت على قطب كهربائي من رغوة الجرافين ، قدم سعة نوعية تبلغ 502.78 F/g وسعة مساحية تبلغ 1.11 F/cm ² ) مما أدى إلى طاقة نوعية تبلغ 39.28 Wh/kg وقوة نوعية تبلغ 128.01 kW/kg على مدار 8000 دورة مع أداء ثابت. كان الجهاز عبارة عن بنية ثلاثية الأبعاد (3D) أقل من 5 نانومتر من رغوة هجينة من الجرافين وأنابيب الكربون النانوية (RGM) مثبتة بالروثينيوم المائي. تم تغطية رغوة الجرافين بشكل متوافق بشبكات هجينة من أكسيد الروثينيوم
₂ الجسيمات النانوية والأنابيب النانوية الكربونية المثبتة. ^{[69] [70]}

تم اختبار أكاسيد الحديد والفاناديوم والنيكل والكوبالت الأقل تكلفة في الإلكتروليتات المائية، ولكن لم يتم التحقيق في أي منها بقدر ثاني أكسيد المنغنيز ( MnO3) .
₂). ومع ذلك، لا يتم استخدام أي من هذه الأكاسيد تجاريًا. ^[71]

هناك نهج آخر يستخدم البوليمرات الموصلة للإلكترون كمواد شبه سعوية. وعلى الرغم من ضعفها الميكانيكي، فإن البوليمرات الموصلة لها موصلية عالية ، مما يؤدي إلى انخفاض معدل مقاومة التفريغ الكهرومغناطيسي ^{[ يحتاج إلى توضيح ]} وسعة عالية نسبيًا. وتشمل هذه البوليمرات الموصلة البولي أنيلين والبولي ثيوفين والبولي بيرول والبولي أسيتيلين . تستخدم هذه الأقطاب الكهربائية أيضًا التطعيم الكهروكيميائي أو إزالة التطعيم للبوليمرات بالأنيونات والكاتيونات . الأقطاب الكهربائية المصنوعة من البوليمرات الموصلة أو المطلية بها لها تكاليف مماثلة لأقطاب الكربون .

تعاني أقطاب البوليمر الموصلة بشكل عام من استقرار محدود في الدورة. ^{[ بحاجة لمصدر ]} ومع ذلك، توفر أقطاب البولي أسين ما يصل إلى 10000 دورة، وهو أفضل بكثير من البطاريات. ^[72]

جميع المكثفات الفائقة الهجينة التجارية غير متماثلة. فهي تجمع بين قطب كهربائي ذي كمية عالية من شبه السعة مع قطب كهربائي ذي كمية عالية من السعة ذات الطبقتين. في مثل هذه الأنظمة، يوفر قطب شبه السعة الفارادي بسعة أعلى طاقة نوعية عالية بينما يتيح قطب EDLC غير الفارادي طاقة نوعية عالية . تتمثل إحدى مزايا المكثفات الفائقة الهجينة مقارنة بمكثفات EDLC المتماثلة في قيمة سعتها النوعية الأعلى بالإضافة إلى جهدها المقدر الأعلى وبالتالي طاقتها النوعية الأعلى. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تتكون الأقطاب الكهربائية المركبة للمكثفات الفائقة الهجينة من مادة كربونية مع مواد نشطة شبه سعوية مدمجة أو مترسبة مثل أكاسيد المعادن والبوليمرات الموصلة. اعتبارًا من عام 2013، ^[تحديث]استكشفت معظم الأبحاث الخاصة بالمكثفات الفائقة الأقطاب الكهربائية المركبة. توفر الأنابيب النانوية الكربونية العمود الفقري للتوزيع المتجانس لأكسيد المعدن أو البوليمرات الموصلة للكهرباء (ECPs)، مما ينتج عنه شبه سعة جيدة وسعة جيدة مزدوجة الطبقة. تحقق هذه الأقطاب الكهربائية سعات أعلى من الأقطاب الكهربائية القائمة على الكربون النقي أو أكسيد المعدن النقي أو البوليمر. ويعزى ذلك إلى إمكانية الوصول إلى بنية حصيرة الأنابيب النانوية المتشابكة، والتي تسمح بطبقة موحدة من المواد شبه السعة وتوزيع الشحنة ثلاثي الأبعاد. تستخدم عملية تثبيت المواد شبه السعة عادةً عملية حرارية مائية. ومع ذلك، وجد باحث حديث، لي وآخرون، من جامعة ديلاوير، نهجًا سهلًا وقابلًا للتطوير لترسيب MnO2 على فيلم أنابيب نانوية جدارية لصنع مكثف فائق يعتمد على إلكتروليت عضوي. ^[73]

طريقة أخرى لتعزيز أقطاب الأنابيب النانوية الكربونية هي عن طريق التشويب بمُشَوِّب شبه سعوي كما هو الحال في مكثفات أيونات الليثيوم . في هذه الحالة، تتداخل ذرات الليثيوم الصغيرة نسبيًا بين طبقات الكربون. ^[74] يتكون الأنود من كربون مُشَوَّب بالليثيوم، مما يتيح إمكانية جهد سلبي أقل مع كاثود مصنوع من الكربون المنشط. ينتج عن هذا جهد أكبر يبلغ 3.8-4 فولت يمنع أكسدة الإلكتروليت. اعتبارًا من عام 2007، حققوا سعة 550 ف/جم. ^[10] ووصلوا إلى طاقة محددة تصل إلى 14 وات/كجم (50.4 كيلوجول/كجم ). ^[75]

أثرت أقطاب البطارية القابلة لإعادة الشحن على تطوير الأقطاب الكهربائية لأقطاب المكثفات الفائقة الهجينة الجديدة كما هو الحال بالنسبة لمكثفات أيون الليثيوم . ^[76] جنبًا إلى جنب مع قطب EDLC الكربوني في هيكل غير متماثل، يوفر هذا التكوين طاقة نوعية أعلى من المكثفات الفائقة النموذجية ذات الطاقة النوعية الأعلى وعمر دورة أطول وأوقات شحن وإعادة شحن أسرع من البطاريات.

تم مؤخرًا تطوير بعض المكثفات الفائقة الهجينة غير المتماثلة، حيث يعتمد القطب الموجب على قطب أكسيد معدني شبه سعوي حقيقي (وليس قطبًا مركبًا)، والقطب السالب على قطب كربون نشط EDLC.

أظهرت المكثفات الفائقة غير المتماثلة (ASC) مرشحًا محتملًا كبيرًا للمكثفات الفائقة عالية الأداء نظرًا لإمكانات تشغيلها الواسعة التي يمكن أن تعزز السلوك السعوي بشكل ملحوظ. تتمثل ميزة هذا النوع من المكثفات الفائقة في جهدها الأعلى وبالتالي طاقتها النوعية الأعلى (حتى 10-20 واط في الساعة / كجم (36-72 كيلوجول / كجم)). ^{[ بحاجة لمصدر ]} ولديها أيضًا استقرار جيد للدورة. ^{[77] [78] [79] [80]}

على سبيل المثال، يستخدم الباحثون نوعًا جديدًا من صفائح Ni–CoP ₃ النانوية من سكوتيروديت ويستخدمونها كأقطاب موجبة مع الكربون المنشط (AC) كأقطاب سالبة لتصنيع مكثف فائق غير متماثل (ASC). إنه يُظهر كثافة طاقة عالية تبلغ 89.6 واط/كجم عند 796 واط/كجم واستقرار بنسبة 93% بعد 10000 دورة، مما قد يكون له إمكانات كبيرة ليكون مرشحًا ممتازًا للأقطاب الكهربائية من الجيل التالي. ^[80] كما تم استخدام ألياف الكربون النانوية/بولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين)/أكسيد المنغنيز (f-CNFs/PEDOT/MnO2 ₎ كأقطاب موجبة والتيار المتردد كأقطاب سالبة. يتمتع بطاقة نوعية عالية تبلغ 49.4 واط/كجم واستقرار جيد للدورة (81.06% بعد الدورة 8000 مرة). ^[78] بالإضافة إلى ذلك، يتم دراسة العديد من أنواع النانو مركبات كأقطاب كهربائية، مثل NiCo ₂ S ₄ @NiO، ^[79] MgCo ₂ O ₄ @MnO ₂ وما إلى ذلك. على سبيل المثال، يمكن أن يوفر النانو مركبات Fe-SnO ₂ @CeO ₂ المستخدم كقطب كهربائي طاقة محددة وقوة محددة تبلغ 32.2 واط/كجم و747 واط/كجم. أظهر الجهاز احتفاظًا بالسعة بنسبة 85.05٪ على مدار 5000 دورة تشغيل. ^[77] وبقدر ما هو معروف، لا توجد مكثفات فائقة تجارية معروضة بمثل هذا النوع من الأقطاب الكهربائية غير المتماثلة في السوق.

تتكون الإلكتروليتات من مذيب ومواد كيميائية مذابة تتفكك إلى كاتيونات موجبة وأنيونات سالبة ، مما يجعل الإلكتروليت موصلًا للكهرباء. وكلما زاد عدد الأيونات التي يحتوي عليها الإلكتروليت، كانت موصليته أفضل . في المكثفات الفائقة، تكون الإلكتروليتات هي الاتصال الموصل للكهرباء بين القطبين. بالإضافة إلى ذلك، في المكثفات الفائقة، يوفر الإلكتروليت الجزيئات للطبقة الأحادية الفاصلة في الطبقة المزدوجة هلمهولتز ويسلم الأيونات للسعة الزائفة.

يحدد الإلكتروليت خصائص المكثف: جهد التشغيل، ونطاق درجة الحرارة، ومعامل التفريغ الكهروكيميائي، والسعة. باستخدام نفس قطب الكربون المنشط، يصل الإلكتروليت المائي إلى قيم سعة 160 F/g، بينما يصل الإلكتروليت العضوي إلى 100 F/g فقط. ^[81]

يجب أن يكون الإلكتروليت خاملًا كيميائيًا ولا يهاجم كيميائيًا المواد الأخرى في المكثف لضمان سلوك مستقر لفترة طويلة للمعلمات الكهربائية للمكثف. يجب أن تكون لزوجة الإلكتروليت منخفضة بما يكفي لتبليل البنية المسامية الشبيهة بالإسفنج للأقطاب الكهربائية. لا يوجد إلكتروليت مثالي، مما يفرض حلاً وسطًا بين الأداء والمتطلبات الأخرى.

الماء مذيب جيد نسبيًا للمواد الكيميائية غير العضوية . يتم معالجته بأحماض مثل حمض الكبريتيك ( H2O3)
₂لذا
₄)، القلويات مثل هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH)، أو الأملاح مثل أملاح الفوسفونيوم الرباعية ، بيركلورات الصوديوم ( NaClO2)
₄)، بيركلورات الليثيوم ( LiClO
₄) أو زرنيخات سداسي فلوريد الليثيوم ( LiAsF
₆)، يوفر الماء قيم توصيل عالية نسبيًا تتراوح من حوالي 100 إلى 1000 م س /سم. تتمتع الإلكتروليتات المائية بجهد تفكك يبلغ 1.15 فولت لكل قطب كهربائي (جهد مكثف 2.3 فولت) ونطاق درجة حرارة تشغيل منخفض نسبيًا . تُستخدم في المكثفات الفائقة ذات الطاقة النوعية المنخفضة والقوة النوعية العالية.

الإلكتروليتات مع المذيبات العضوية مثل أسيتونتريل ، كربونات البروبيلين ، رباعي هيدروفوران ، كربونات ثنائي الإيثيل ، غاما-بيوتيرولاكتون والمحاليل مع أملاح الأمونيوم الرباعية أو أملاح الأمونيوم الألكيلية مثل رباعي إيثيل الأمونيوم رباعي فلورو بورات ( N(Et)
₄صديقتي
₄^[82] ) أو ثلاثي إيثيل (ميثيل) رباعي فلورو بورات ( NMe(Et)
₃صديقتي
₄) أكثر تكلفة من الإلكتروليتات المائية، ولكنها تتمتع بجهد تفكك أعلى يبلغ عادةً 1.35 فولت لكل قطب كهربائي (جهد مكثف 2.7 فولت)، ونطاق درجة حرارة أعلى. تؤدي الموصلية الكهربائية المنخفضة للمذيبات العضوية (10 إلى 60 مللي سيمنز/سم) إلى طاقة نوعية أقل، ولكن نظرًا لأن الطاقة النوعية تزداد مع مربع الجهد، فإن الطاقة النوعية أعلى.

تتكون الإلكتروليتات الأيونية من أملاح سائلة يمكن أن تكون مستقرة في نافذة كهروكيميائية أوسع ، مما يسمح بجهد مكثف أعلى من 3.5 فولت. عادةً ما يكون للإلكتروليتات الأيونية موصلية أيونية تبلغ بضعة مللي سيمنز/سم، وهي أقل من الإلكتروليتات المائية أو العضوية. ^[83]

يجب أن تفصل الفواصل بين القطبين بشكل مادي لمنع حدوث ماس كهربائي عن طريق الاتصال المباشر. يمكن أن تكون رقيقة جدًا (بضعة أجزاء من المليمتر) ويجب أن تكون مسامية جدًا للأيونات الموصلة لتقليل ESR. علاوة على ذلك، يجب أن تكون الفواصل خاملة كيميائيًا لحماية استقرار الإلكتروليت وتوصيله. تستخدم المكونات غير المكلفة أوراق مكثف مفتوحة. تستخدم التصميمات الأكثر تطورًا أغشية بوليمرية مسامية غير منسوجة مثل بولي أكريلونيتريل أو كابتون أو ألياف زجاجية منسوجة أو ألياف سيراميك منسوجة مسامية. ^{[84] [85]}

يقوم جامع التيار بربط الأقطاب الكهربائية بأطراف المكثف. إما أن يتم رش المجمع على القطب الكهربائي أو يكون عبارة عن رقاقة معدنية. يجب أن يكون قادرًا على توزيع تيارات الذروة التي تصل إلى 100 أمبير. إذا كان الغلاف مصنوعًا من معدن (عادةً الألومنيوم)، فيجب أن يكون المجمع مصنوعًا من نفس المادة لتجنب تكوين خلية جلفانية تآكلية .

يتم تحديد قيم السعة للمكثفات التجارية على أنها "سعة مقدرة C _R ". هذه هي القيمة التي تم تصميم المكثف من أجلها. يجب أن تكون القيمة للمكون الفعلي ضمن الحدود المعطاة بواسطة التسامح المحدد. القيم النموذجية تكون في نطاق الفاراد (F)، ثلاثة إلى ستة أوامر من حيث الحجم أكبر من تلك الخاصة بالمكثفات الكهروليتية. تنشأ قيمة السعة من الطاقة (المعبر عنها بالجول ) للمكثف المحمل عبر جهد تيار مستمر V _DC . ${\displaystyle W}$

${\displaystyle W={\frac {1}{2}}\cdot C_{\text{DC}}\cdot V_{\text{DC}}^{2}}$

تُسمى هذه القيمة أيضًا "سعة التيار المستمر".

يتم قياس المكثفات التقليدية عادة بجهد تيار متردد صغير (0.5 فولت) وتردد 100 هرتز أو 1 كيلو هرتز حسب نوع المكثف. يوفر قياس سعة التيار المتردد نتائج سريعة، وهو أمر مهم لخطوط الإنتاج الصناعية. تعتمد قيمة سعة المكثف الفائق بشدة على تردد القياس، والذي يرتبط ببنية القطب المسامي وحركة أيونات الإلكتروليت المحدودة. حتى عند تردد منخفض يبلغ 10 هرتز، تنخفض قيمة السعة المقاسة من 100 إلى 20 بالمائة من قيمة سعة التيار المستمر.

يمكن تفسير هذا الاعتماد القوي غير العادي على التردد من خلال المسافات المختلفة التي يتعين على الأيونات أن تتحركها في مسام القطب. يمكن للأيونات الوصول بسهولة إلى المنطقة الموجودة في بداية المسام؛ هذه المسافة القصيرة مصحوبة بمقاومة كهربائية منخفضة. كلما زادت المسافة التي يتعين على الأيونات تغطيتها، زادت المقاومة. يمكن وصف هذه الظاهرة بدائرة متسلسلة من عناصر RC (مقاومة/مكثف) متتالية مع ثوابت زمنية RC متسلسلة . يؤدي هذا إلى تأخير تدفق التيار، مما يقلل من إجمالي مساحة سطح القطب التي يمكن تغطيتها بالأيونات إذا تغيرت القطبية - تنخفض السعة مع زيادة تردد التيار المتردد. وبالتالي، لا يتم تحقيق السعة الكلية إلا بعد أوقات قياس أطول. ونظرًا لاعتماد السعة القوي جدًا على التردد، يجب قياس هذه المعلمة الكهربائية بقياس شحنة وتفريغ تيار ثابت خاص، كما هو محدد في معايير IEC 62391-1 و-2.

تبدأ عملية القياس بشحن المكثف. يجب تطبيق الجهد وبعد أن يصل مصدر الطاقة ذو التيار المستمر/الجهد الثابت إلى الجهد المقدر، يجب شحن المكثف لمدة 30 دقيقة. بعد ذلك، يجب تفريغ المكثف بتيار تفريغ ثابت I _. ثم يتم قياس الوقت t ₁ وt ₂ ، لانخفاض الجهد من 80% (V ₁ ) إلى 40% (V ₂ ) من الجهد المقدر. يتم حساب قيمة السعة على النحو التالي:

${\displaystyle C_{\text{total}}=I_{\text{discharge}}\cdot {\frac {t_{2}-t_{1}}{V_{1}-V_{2}}}}$

يتم تحديد قيمة تيار التفريغ حسب التطبيق. يحدد معيار IEC أربع فئات:

1. النسخ الاحتياطي للذاكرة، تيار التفريغ بوحدة مللي أمبير = 1 • سي (ف)
2. تخزين الطاقة، تيار التفريغ بوحدة مللي أمبير = 0,4 • سي (فولت) • فولت (فولت)
3. القدرة، تيار التفريغ بوحدة مللي أمبير = 4 • سي (فولت) • فولت (فولت)
4. القدرة اللحظية، تيار التفريغ بوحدة مللي أمبير = 40 • سي (فولت) • فولت (فولت)

تعتبر طرق القياس المستخدمة من قبل الشركات المصنعة الفردية قابلة للمقارنة بشكل أساسي بالطرق القياسية. ^{[86] [87]}

إن طريقة القياس الموحدة تستغرق وقتًا طويلاً للغاية بالنسبة للمصنعين لاستخدامها أثناء الإنتاج لكل مكون فردي. بالنسبة للمكثفات المنتجة صناعيًا، يتم قياس قيمة السعة بدلاً من ذلك باستخدام جهد تيار متردد أسرع ومنخفض التردد، ويتم استخدام عامل الارتباط لحساب السعة المقدرة.

يؤثر هذا الاعتماد على التردد على تشغيل المكثف. تعني دورات الشحن والتفريغ السريعة عدم توفر قيمة السعة المقدرة أو الطاقة النوعية. في هذه الحالة، تتم إعادة حساب قيمة السعة المقدرة لكل حالة تطبيق.

يمكن حساب الوقت الذي يمكن أن يوفر فيه المكثف الفائق تيارًا ثابتًا I على النحو التالي:

${\displaystyle t={\frac {C\cdot (U_{\text{charge}}-U_{\text{min}})}{I}}}$

مع انخفاض جهد المكثف من _شحنة U إلى U _دقيقة .

إذا كان التطبيق يحتاج إلى قوة ثابتة P لفترة زمنية معينة t، فيمكن حساب ذلك على النحو التالي:

${\displaystyle t=12P (U_2-U_2)$

حيث ينخفض ​​أيضًا جهد المكثف من _شحنة U إلى U _دقيقة .

المكثفات الفائقة عبارة عن مكونات ذات جهد منخفض. ويتطلب التشغيل الآمن أن يظل الجهد ضمن حدود معينة. والجهد المقدر U _R هو أقصى جهد تيار مستمر أو جهد نبضي ذروة يمكن تطبيقه بشكل مستمر ويظل ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد. ولا ينبغي أبدًا تعريض المكثفات لجهد مستمر يتجاوز الجهد المقدر.

يتضمن الجهد المقدر هامش أمان ضد جهد انهيار الإلكتروليت الذي يتحلل عنده الإلكتروليت . يحلل جهد الانهيار جزيئات المذيب المنفصلة في طبقة هلمهولتز المزدوجة، على سبيل المثال ينقسم الماء إلى هيدروجين وأكسجين . لا تستطيع جزيئات المذيب بعد ذلك فصل الشحنات الكهربائية عن بعضها البعض. تتسبب الفولتية الأعلى من الجهد المقدر في تكوين غاز الهيدروجين أو حدوث ماس كهربائي.

يتم تحديد المكثفات الفائقة القياسية ذات الإلكتروليت المائي عادةً بجهد مقنن يتراوح من 2.1 إلى 2.3 فولت والمكثفات ذات المذيبات العضوية بجهد يتراوح من 2.5 إلى 2.7 فولت. قد تصل مكثفات أيون الليثيوم ذات الأقطاب الكهربائية المخدرة إلى جهد مقنن يتراوح من 3.8 إلى 4 فولت، ولكن لها حد جهد منخفض يبلغ حوالي 2.2 فولت. يمكن أن تتجاوز المكثفات الفائقة ذات الإلكتروليتات الأيونية جهد تشغيل يبلغ 3.5 فولت. ^[83]

يؤدي تشغيل المكثفات الفائقة بأقل من الجهد المقدر إلى تحسين سلوك المعلمات الكهربائية على المدى الطويل. تكون قيم السعة والمقاومة الداخلية أثناء الدورة أكثر استقرارًا وقد تمتد دورة العمر الافتراضي ودورات الشحن/التفريغ. ^[87]

تتطلب الفولتية العالية للتطبيق توصيل الخلايا على التوالي. ونظرًا لأن كل مكون له اختلاف طفيف في قيمة السعة وESR، فمن الضروري موازنتها بشكل نشط أو سلبي لتثبيت الجهد المطبق. تستخدم الموازنة السلبية المقاومات بالتوازي مع المكثفات الفائقة. قد تتضمن الموازنة النشطة إدارة الجهد الإلكتروني فوق عتبة تغير التيار.

ترتبط عملية شحن/تفريغ المكثف الفائق بحركة حاملات الشحنة (الأيونات) في الإلكتروليت عبر الفاصل إلى الأقطاب الكهربائية وإلى داخل بنيتها المسامية. تحدث خسائر أثناء هذه الحركة يمكن قياسها كمقاومة تيار مستمر داخلية.

مع النموذج الكهربائي لعناصر RC (المقاوم/المكثف) المتصلة على التوالي في مسام القطب، تزداد المقاومة الداخلية مع زيادة عمق اختراق حاملات الشحنة في المسام. تعتمد المقاومة الداخلية للتيار المستمر على الوقت وتزداد أثناء الشحن/التفريغ. في التطبيقات غالبًا ما يكون نطاق التشغيل والإيقاف فقط هو المثير للاهتمام. يمكن حساب المقاومة الداخلية R _{i من انخفاض الجهد ΔV 2} في وقت التفريغ، بدءًا من تيار التفريغ الثابت I _. يتم الحصول عليها من تقاطع الخط المساعد الممتد من الجزء المستقيم والقاعدة الزمنية في وقت بدء التفريغ (انظر الصورة على اليمين). يمكن حساب المقاومة من خلال:

${\displaystyle R_{\text{i}}={\frac {\Delta V_{2}}{I_{\text{التفريغ}}}}}}$

يمكن أخذ تيار التفريغ I _لقياس المقاومة الداخلية من التصنيف وفقًا لـ IEC 62391-1.

لا ينبغي الخلط بين مقاومة التيار المستمر الداخلية R _{i ومقاومة التيار المتردد الداخلية المسماة} مقاومة السلسلة المكافئة (ESR) المحددة عادة للمكثفات. يتم قياسها عند 1 كيلوهرتز. مقاومة السلسلة المكافئة أصغر بكثير من مقاومة التيار المستمر. مقاومة السلسلة المكافئة ليست ذات صلة بحساب تيارات اندفاع المكثف الفائق أو تيارات الذروة الأخرى.

تحدد قيمة R _i العديد من خصائص المكثف الفائق. فهي تحد من تيارات ذروة الشحن والتفريغ وكذلك أوقات الشحن/التفريغ. وتؤدي قيمة R _i والسعة C إلى ثابت الزمن ${\displaystyle \tau }$

${\displaystyle \tau =R_{\text{i}}\cdot C}$

يحدد هذا الثابت الزمني زمن الشحن/التفريغ. على سبيل المثال، مكثف سعته 100 فاراد ومقاومته الداخلية 30 مΩ، يكون ثابته الزمني 0.03 • 100 = 3 ثوانٍ. بعد 3 ثوانٍ من الشحن بتيار محدود فقط بالمقاومة الداخلية، يكون للمكثف 63.2% من الشحن الكامل (أو يتم تفريغه إلى 36.8% من الشحن الكامل).

تشحن المكثفات القياسية ذات المقاومة الداخلية الثابتة بالكامل خلال حوالي 5τ. ونظرًا لأن المقاومة الداخلية تزداد مع الشحن/التفريغ، فلا يمكن حساب الأوقات الفعلية باستخدام هذه الصيغة. وبالتالي، يعتمد وقت الشحن/التفريغ على تفاصيل البناء الفردية المحددة.

نظرًا لأن المكثفات الفائقة تعمل دون تكوين روابط كيميائية، فإن أحمال التيار، بما في ذلك تيارات الشحن والتفريغ والذروة، لا تكون محدودة بقيود التفاعل. يمكن أن يكون حمل التيار واستقرار الدورة أعلى بكثير من البطاريات القابلة لإعادة الشحن. تقتصر أحمال التيار فقط على المقاومة الداخلية، والتي قد تكون أقل بكثير من البطاريات.

المقاومة الداخلية "R _i " وتيارات الشحن/التفريغ أو تيارات الذروة "I" تولد خسائر حرارية داخلية "P _loss " وفقًا لـ:

${\displaystyle P_{\text{الخسارة}}=R_{\text{i}}\cdot I^{2}}$

ويجب إطلاق هذه الحرارة وتوزيعها على البيئة المحيطة للحفاظ على درجات حرارة التشغيل أقل من الحد الأقصى لدرجة الحرارة المحددة.

الحرارة هي التي تحدد عمر المكثف بشكل عام بسبب انتشار الإلكتروليت. يجب أن يكون توليد الحرارة الناتج عن الأحمال الحالية أقل من 5 إلى 10  كلفن عند أقصى درجة حرارة محيطة (والتي لها تأثير طفيف فقط على العمر المتوقع). لهذا السبب يتم تحديد تيارات الشحن والتفريغ المحددة للدورة المتكررة من خلال المقاومة الداخلية.

تتضمن معلمات الدورة المحددة في ظل الظروف القصوى تيار الشحن والتفريغ ومدة النبضة والتردد. يتم تحديدها لنطاق درجة حرارة محدد وعلى مدى نطاق الجهد الكامل لعمر افتراضي محدد. يمكن أن تختلف بشكل كبير اعتمادًا على تركيبة مسامية القطب وحجم المسام والإلكتروليت. بشكل عام، يؤدي الحمل الحالي المنخفض إلى زيادة عمر المكثف وزيادة عدد الدورات. يمكن تحقيق ذلك إما عن طريق نطاق جهد أقل أو شحن وتفريغ أبطأ. ^[87]

يمكن للمكثفات الفائقة (باستثناء تلك التي تحتوي على أقطاب كهربائية من البوليمر) أن تدعم أكثر من مليون دورة شحن/تفريغ دون انخفاض كبير في السعة أو زيادة في المقاومة الداخلية. وتحت الحمل الحالي الأعلى، تكمن الميزة العظيمة الثانية للمكثفات الفائقة مقارنة بالبطاريات. وتنتج الاستقرارية عن مبادئ التخزين الكهروستاتيكية والكهروكيميائية المزدوجة.

يمكن تجاوز تيارات الشحن والتفريغ المحددة بشكل كبير عن طريق خفض التردد أو عن طريق نبضات مفردة. يمكن توزيع الحرارة الناتجة عن نبضة مفردة على مدار الوقت حتى تحدث النبضة التالية لضمان زيادة متوسطة صغيرة نسبيًا في الحرارة. يمكن أن يوفر "تيار ذروة الطاقة" لتطبيقات الطاقة للمكثفات الفائقة التي تزيد عن 1000 فهرنهايت تيار ذروة أقصى يبلغ حوالي 1000 أمبير. ^[88] تولد مثل هذه التيارات العالية إجهادًا حراريًا عاليًا وقوى كهرومغناطيسية عالية يمكن أن تلحق الضرر باتصال القطب الكهربي بالمجمع مما يتطلب تصميمًا وبناءً قويين للمكثفات.

معلمات الجهاز مثل المقاومة الأولية للسعة ومقاومة الحالة المستقرة ليست ثابتة، ولكنها متغيرة وتعتمد على جهد التشغيل للجهاز. ستزداد سعة الجهاز بشكل يمكن قياسه مع زيادة جهد التشغيل. على سبيل المثال: يمكن رؤية جهاز 100F يختلف بنسبة 26٪ عن سعته القصوى على مدى نطاق جهد التشغيل بالكامل. يُرى اعتماد مماثل على جهد التشغيل في مقاومة الحالة المستقرة (R _ss ) والمقاومة الأولية (R _i ). ^[89] يمكن أيضًا رؤية أن خصائص الجهاز تعتمد على درجة حرارة الجهاز. مع تغير درجة حرارة الجهاز إما من خلال تشغيل درجة حرارة محيطة متغيرة، ستختلف الخصائص الداخلية مثل السعة والمقاومة أيضًا. يُرى أن سعة الجهاز تزداد مع زيادة درجة حرارة التشغيل. ^[89]

تشغل المكثفات الفائقة الفجوة بين المكثفات الكهربية عالية القدرة/منخفضة الطاقة والبطاريات القابلة لإعادة الشحن منخفضة القدرة/عالية الطاقة . تُعطى الطاقة W _max (المعبر عنها بالجول ) التي يمكن تخزينها في المكثف بالصيغة

${\displaystyle W_{\text{max}}={\frac {1}{2}}\cdot C_{\text{total}}\cdot V_{\text{loaded}}^{2}}$

تصف هذه الصيغة كمية الطاقة المخزنة، وكثيراً ما تستخدم لوصف نجاحات الأبحاث الجديدة. ومع ذلك، فإن جزءاً فقط من الطاقة المخزنة متاح للتطبيقات، لأن انخفاض الجهد والثابت الزمني على المقاومة الداخلية يعني أن بعض الشحنة المخزنة غير قابلة للوصول. يتم تقليل كمية الطاقة الفعلية المحققة W _eff بواسطة فرق الجهد المستخدم بين V _max وV _min ويمكن تمثيلها على النحو التالي: ^{[ بحاجة لمصدر ]}

${\displaystyle W_{\text{eff}}={\frac {1}{2}}\ C\cdot \ (V_{\text{max}}^{2}-V_{\text{min}}^{2})}$

تمثل هذه الصيغة أيضًا مكونات الجهد غير المتماثل للطاقة مثل مكثفات أيون الليثيوم.

كمية الطاقة التي يمكن تخزينها في مكثف لكل كتلة من هذا المكثف تسمى طاقته النوعية . يتم قياس الطاقة النوعية وزنيًا (لكل وحدة كتلة ) بوحدة واط ساعة لكل كيلوجرام (Wh/kg).

كمية الطاقة التي يمكن تخزينها في مكثف لكل حجم من هذا المكثف تسمى كثافة الطاقة (وتسمى أيضًا الطاقة النوعية الحجمية في بعض الأدبيات). يتم قياس كثافة الطاقة حجميًا (لكل وحدة حجم) بوحدة واط ساعة لكل لتر (Wh/L). يمكن استخدام وحدات اللترات والديسيمتر ^{المكعب بالتبادل.}

اعتبارًا من عام 2013، ^[update]تتنوع كثافة الطاقة التجارية على نطاق واسع، ولكنها تتراوح بشكل عام من حوالي 5 إلى8 وات/لتر . وبالمقارنة، فإن وقود البنزين له كثافة طاقة تبلغ 32.4 ميجا جول/لتر أو9000 واط/لتر . ^[90] تتراوح الطاقات التجارية المحددة من حوالي 0.5 إلى15 وات/كجم . للمقارنة، يخزن المكثف الكهربائي المصنوع من الألومنيوم عادةً 0.01 إلى0.3 واط/كجم ، في حين تخزن بطارية الرصاص الحمضية التقليدية عادة من 30 إلى40 واط/كجم وبطاريات ليثيوم أيون حديثة 100 إلى265 واط/كجم . وبالتالي، يمكن للمكثفات الفائقة تخزين طاقة أكبر من المكثفات الكهروليتية بمقدار 10 إلى 100 مرة، ولكن فقط عُشر ما تخزنه البطاريات. ^{[ بحاجة لمصدر ]} للإشارة، فإن وقود البنزين له طاقة نوعية تبلغ 44.4 ميجا جول/كجم أو12300 واط  /كجم .

على الرغم من أن الطاقة النوعية للمكثفات الفائقة تُقارَن بشكل إيجابي بالبطاريات، إلا أن المكثفات تتمتع بميزة مهمة وهي القدرة النوعية . تصف القدرة النوعية السرعة التي يمكن بها توصيل الطاقة إلى الحمل (أو، في شحن الجهاز، امتصاصها من المولد). تحدد القدرة القصوى P _max قدرة ذروة تيار قصوى واحدة مستطيلة نظرية لجهد معين. في الدوائر الحقيقية، لا تكون ذروة التيار مستطيلة والجهد أصغر، بسبب انخفاض الجهد، لذلك أنشأت IEC 62391–2 قدرة فعالة أكثر واقعية P _eff للمكثفات الفائقة لتطبيقات الطاقة، والتي تساوي نصف الحد الأقصى وتُعطى بالصيغ التالية:

${\displaystyle P_{\text{eff}}={\frac {1}{8}}\cdot {\frac {V^{2}}{R_{i}}}}$,

${\displaystyle P_{\text{max}}={\frac {1}{4}}\cdot {\frac {V^{2}}{R_{i}}}}$

مع V = الجهد المطبق و R _i ، المقاومة الداخلية للتيار المستمر للمكثف.

تمامًا مثل الطاقة النوعية، يتم قياس القدرة النوعية إما وزنيًا بالكيلووات لكل كيلوغرام (kW/kg، القدرة النوعية) أو حجميًا بالكيلووات لكل لتر (kW/L، كثافة القدرة). تكون القدرة النوعية للمكثف الفائق عادةً أكبر من البطاريات بمقدار 10 إلى 100 مرة ويمكن أن تصل إلى قيم تصل إلى 15 كيلووات/كجم.

تربط مخططات راجون الطاقة بالقدرة وهي أداة قيمة لوصف وتصور مكونات تخزين الطاقة. باستخدام مثل هذا الرسم البياني، يمكن بسهولة مقارنة موضع الطاقة النوعية والطاقة النوعية لتقنيات التخزين المختلفة، انظر الرسم البياني. ^{[91] [92]}

نظرًا لأن المكثفات الفائقة لا تعتمد على التغيرات الكيميائية في الأقطاب الكهربائية (باستثناء تلك التي تحتوي على أقطاب كهربائية من البوليمر)، فإن أعمارها تعتمد في الغالب على معدل تبخر الإلكتروليت السائل. هذا التبخر هو عمومًا دالة على درجة الحرارة والحمل الحالي وتردد الدورة الحالية والجهد. يولد الحمل الحالي وتردد الدورة حرارة داخلية، بحيث تكون درجة الحرارة التي تحدد التبخر هي مجموع الحرارة المحيطة والداخلية. يمكن قياس هذه درجة الحرارة على أنها درجة حرارة القلب في مركز جسم المكثف. كلما ارتفعت درجة حرارة القلب، زادت سرعة التبخر وقصرت مدة العمر.

يؤدي التبخر عمومًا إلى انخفاض السعة وزيادة المقاومة الداخلية. وفقًا لـ IEC/EN 62391-2، فإن انخفاض السعة بما يزيد عن 30%، أو المقاومة الداخلية التي تتجاوز أربعة أضعاف مواصفات ورقة البيانات الخاصة بها، تعتبر "فشلًا ناتجًا عن التآكل"، مما يعني أن المكون قد وصل إلى نهاية عمره الافتراضي. المكثفات قابلة للتشغيل، ولكن بقدرات منخفضة. يعتمد ما إذا كان الانحراف في المعلمات له أي تأثير على الوظيفة المناسبة على تطبيق المكثفات.

عادةً ما تكون مثل هذه التغييرات الكبيرة في المعلمات الكهربائية المحددة في IEC/EN 62391-2 غير مقبولة لتطبيقات الأحمال ذات التيار العالي. تستخدم المكونات التي تدعم الأحمال ذات التيار العالي حدودًا أصغر بكثير، على سبيل المثال ، فقدان 20% من السعة أو ضعف المقاومة الداخلية. ^[93] التعريف الضيق مهم لمثل هذه التطبيقات، حيث تزداد الحرارة خطيًا مع زيادة المقاومة الداخلية، ولا ينبغي تجاوز الحد الأقصى لدرجة الحرارة. يمكن لدرجات الحرارة الأعلى من المحددة أن تدمر المكثف.

إن العمر الافتراضي الفعلي للمكثفات الفائقة، والذي يُطلق عليه أيضًا " عمر الخدمة " أو "متوسط ​​العمر المتوقع" أو "عمر الحمل"، يمكن أن يصل إلى 10 إلى 15 عامًا أو أكثر، في درجة حرارة الغرفة. ولا يمكن للشركات المصنعة اختبار مثل هذه الفترات الطويلة. وبالتالي، فإنها تحدد العمر المتوقع للمكثف عند أقصى درجة حرارة وظروف الجهد. يتم تحديد النتائج في أوراق البيانات باستخدام الترميز "وقت الاختبار (ساعات) / أقصى درجة حرارة (درجة مئوية)"، مثل "5000 ساعة / 65 درجة مئوية". باستخدام هذه القيمة، والتعابير المستمدة من البيانات التاريخية، يمكن تقدير الأعمار في ظروف درجات الحرارة المنخفضة.

يتم اختبار مواصفات عمر المنتج من قبل الشركات المصنعة باستخدام اختبار الشيخوخة المتسارعة المسمى "اختبار التحمل"، مع أقصى درجة حرارة وجهد على مدى فترة زمنية محددة. بالنسبة لسياسة المنتج "الخالي من العيوب"، لا يجوز حدوث أي تآكل أو فشل كلي أثناء هذا الاختبار.

يمكن استخدام مواصفات العمر الافتراضي من أوراق البيانات لتقدير العمر الافتراضي المتوقع لتصميم معين. يتم استخدام "قاعدة الـ 10 درجات" المستخدمة للمكثفات الكهروليتية ذات الإلكتروليت غير الصلب في هذه التقديرات، ويمكن استخدامها للمكثفات الفائقة. تستخدم هذه القاعدة معادلة أرينيوس : صيغة بسيطة لاعتماد معدلات التفاعل على درجة الحرارة. لكل انخفاض بمقدار 10 درجات مئوية في درجة حرارة التشغيل، يتضاعف العمر الافتراضي المقدر.

${\displaystyle L_{x}=L_{0}\cdot 2^{\frac {T_{0}-T_{x}}{10}}}$

مع:

• L _x = العمر المتوقع
• L ₀ = مدة حياة محددة
• T ₀ = درجة حرارة المكثف المحددة العليا
• T _x = درجة حرارة التشغيل الفعلية لخلية المكثف

وبحساب هذه الصيغة، فإن المكثفات المحددة بـ 5000 ساعة عند 65 درجة مئوية، لها عمر افتراضي يقدر بـ 20000 ساعة عند 45 درجة مئوية.

تعتمد أعمار الأجهزة أيضًا على جهد التشغيل، لأن تطور الغاز في الإلكتروليت السائل يعتمد على الجهد. فكلما انخفض الجهد، قل تطور الغاز، وطولت أعمار الأجهزة. لا توجد صيغة عامة تربط الجهد بعمر الأجهزة. المنحنيات المعتمدة على الجهد الموضحة في الصورة هي نتيجة تجريبية من أحد المصنعين.

قد يكون متوسط ​​العمر المتوقع لتطبيقات الطاقة محدودًا أيضًا بالحمل الحالي أو عدد الدورات. يجب تحديد هذا القيد من قبل الشركة المصنعة ذات الصلة ويعتمد بشكل كبير على النوع.

يؤدي تخزين الطاقة الكهربائية في الطبقة المزدوجة إلى فصل حاملات الشحنة داخل المسام بمسافات في نطاق الجزيئات. يمكن أن تحدث مخالفات على هذه المسافة القصيرة، مما يؤدي إلى تبادل صغير لحاملات الشحنة والتفريغ التدريجي. يُطلق على هذا التفريغ الذاتي اسم تيار التسرب . يعتمد التسرب على السعة والجهد ودرجة الحرارة والاستقرار الكيميائي لتركيبة القطب/الإلكتروليت. في درجة حرارة الغرفة، يكون التسرب منخفضًا جدًا بحيث يتم تحديده كوقت للتفريغ الذاتي بالساعات أو الأيام أو الأسابيع. على سبيل المثال، يحدد "المكثف الذهبي" 5.5 فولت/فاراد من باناسونيك انخفاض الجهد عند 20 درجة مئوية من 5.5 فولت إلى 3 فولت في 600 ساعة (25 يومًا أو 3.6 أسبوعًا) لمكثف خلية مزدوجة. ^[94]

لقد لوحظ أنه بعد تعرض EDLC للشحن أو التفريغ، فإن الجهد سينحرف بمرور الوقت، ويسترخي نحو مستوى الجهد السابق. يمكن أن يحدث الاسترخاء الملحوظ على مدار عدة ساعات ومن المرجح أن يكون بسبب ثوابت زمن الانتشار الطويلة للأقطاب الكهربائية المسامية داخل EDLC. ^[89]

نظرًا لأن الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة (أو ببساطة الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة على التوالي) للمكثفات الفائقة المتماثلة تتكون من نفس المادة، فمن الناحية النظرية لا تحتوي المكثفات الفائقة على قطبية حقيقية ولا يحدث فشل كارثي عادةً. ومع ذلك، فإن الشحن العكسي للمكثف الفائق يقلل من سعته، لذا فمن المستحسن ممارسة الحفاظ على القطبية الناتجة عن تكوين الأقطاب الكهربائية أثناء الإنتاج. المكثفات الفائقة غير المتماثلة قطبية بطبيعتها.

لا يجوز تشغيل المكثفات الفائقة شبه المكثفة والمكثفات الفائقة الهجينة التي لها خصائص شحن كهروكيميائية مع عكس القطبية، مما يمنع استخدامها في التشغيل بالتيار المتردد. ومع ذلك، لا ينطبق هذا القيد على المكثفات الفائقة EDLC

يحدد الشريط الموجود في الغلاف العازل الطرف السالب في المكون المستقطب.

في بعض الأدبيات، يتم استخدام مصطلحي "الأنود" و"الكاثود" بدلاً من القطب السالب والقطب الموجب. إن استخدام الأنود والكاثود لوصف الأقطاب الكهربائية في المكثفات الفائقة (وكذلك البطاريات القابلة لإعادة الشحن، بما في ذلك بطاريات الليثيوم أيون) يمكن أن يؤدي إلى ارتباك، لأن القطبية تتغير اعتمادًا على ما إذا كان أحد المكونات يُعتبر مولدًا أو مستهلكًا للتيار. في الكيمياء الكهربية، يرتبط الكاثود والأنود بتفاعلات الاختزال والأكسدة على التوالي. ومع ذلك، في المكثفات الفائقة القائمة على السعة الكهربائية ذات الطبقتين المزدوجتين، لا توجد تفاعلات أكسدة أو اختزال على أي من القطبين. لذلك، لا تنطبق مفاهيم الكاثود والأنود.

إن مجموعة الأقطاب الكهربائية والإلكتروليتات المتاحة تنتج مجموعة متنوعة من المكونات المناسبة لتطبيقات متنوعة. إن تطوير أنظمة الإلكتروليتات ذات المقاومة المنخفضة، جنبًا إلى جنب مع الأقطاب الكهربائية ذات السعة الزائفة العالية، يتيح العديد من الحلول التقنية الأخرى.

يوضح الجدول التالي الاختلافات بين المكثفات من مختلف الشركات المصنعة في نطاق السعة، وجهد الخلية، والمقاومة الداخلية (قيمة ESR أو DC أو AC) والطاقة النوعية الحجمية والوزنية. في الجدول، يشير ESR إلى المكون الذي يتمتع بأكبر قيمة سعة لدى الشركة المصنعة المعنية. بشكل تقريبي، يقسمون المكثفات الفائقة إلى مجموعتين. تقدم المجموعة الأولى قيم ESR أكبر تبلغ حوالي 20 ملي أوم وسعة صغيرة نسبيًا تتراوح من 0.1 إلى 470 فهرنهايت. هذه هي "المكثفات ذات الطبقة المزدوجة" للنسخ الاحتياطي للذاكرة أو التطبيقات المماثلة. تقدم المجموعة الثانية 100 إلى 10000 فهرنهايت مع قيمة ESR أقل بكثير أقل من 1 ملي أوم. هذه المكونات مناسبة لتطبيقات الطاقة. تم توفير ارتباط بين بعض سلاسل المكثفات الفائقة من مختلف الشركات المصنعة وخصائص البناء المختلفة في Pandolfo و Hollenkamp. ^[38]

في المكثفات التجارية ذات الطبقتين، أو بشكل أكثر تحديدًا، المكثفات الكهروضوئية ذات الطبقة المزدوجة التي يتم فيها تخزين الطاقة بشكل أساسي من خلال السعة ذات الطبقة المزدوجة، يتم تخزين الطاقة عن طريق تكوين طبقة مزدوجة كهربائية من أيونات الإلكتروليت على سطح الأقطاب الكهربائية الموصلة. نظرًا لأن المكثفات الكهروضوئية ذات الطبقة المزدوجة لا تقتصر على حركية نقل الشحنة الكهروكيميائية للبطاريات، فيمكنها الشحن والتفريغ بمعدل أعلى بكثير، مع أعمار تزيد عن مليون دورة. يتم تحديد كثافة طاقة المكثفات الكهروضوئية ذات الطبقة المزدوجة من خلال جهد التشغيل والسعة النوعية (فاراد/جرام أو فاراد/سم ³ ) لنظام القطب/الإلكتروليت. ترتبط السعة النوعية بمساحة السطح النوعية (SSA) التي يمكن الوصول إليها بواسطة الإلكتروليت، وسعة الطبقة المزدوجة على واجهته، وكثافة مادة القطب.

تعتمد EDLCs التجارية على قطبين متماثلين مشبعين بإلكتروليتات تحتوي على أملاح رباعي إيثيل الأمونيوم رباعي فلورو بورات في مذيبات عضوية. تعمل EDLCs الحالية التي تحتوي على إلكتروليتات عضوية عند 2.7 فولت وتصل إلى كثافة طاقة تبلغ حوالي 5-8 واط/كجم و7 إلى 10 واط/لتر. ترتبط السعة النوعية بالمساحة السطحية النوعية (SSA) التي يمكن الوصول إليها بواسطة الإلكتروليت، وسعة الطبقة المزدوجة على واجهته، وكثافة مادة القطب. تعد الصفائح الدموية القائمة على الجرافين مع مادة فاصلة متوسطة المسام بنية واعدة لزيادة المساحة السطحية النوعية للإلكتروليت. ^[95]

تتنوع المكثفات الفائقة بشكل كافٍ بحيث نادرًا ما تكون قابلة للتبديل، وخاصة تلك التي تتمتع بطاقة نوعية أعلى. تتراوح التطبيقات من التيارات المنخفضة إلى التيارات ذات الذروة العالية، مما يتطلب بروتوكولات اختبار موحدة. ^[96]

تتم تحديد مواصفات الاختبار ومتطلبات المعلمات في المواصفة العامة IEC / EN 62391–1، المكثفات الكهربائية الثابتة ذات الطبقة المزدوجة للاستخدام في المعدات الإلكترونية .

يحدد المعيار أربع فئات للتطبيق، وفقًا لمستويات تيار التفريغ:

1. النسخ الاحتياطي للذاكرة
2. تخزين الطاقة، يستخدم بشكل أساسي لتشغيل المحركات التي تتطلب وقت تشغيل قصير،
3. الطاقة، الطلب على الطاقة الأعلى للعمل لفترة طويلة،
4. الطاقة اللحظية، للتطبيقات التي تتطلب وحدات تيار عالية نسبيًا أو تيارات ذروة تتراوح حتى عدة مئات من الأمبير حتى مع وقت تشغيل قصير

هناك ثلاثة معايير أخرى تصف التطبيقات الخاصة:

• IEC 62391–2، المكثفات الكهربائية الثابتة ذات الطبقتين للاستخدام في المعدات الإلكترونية - مواصفات تفصيلية فارغة - المكثفات الكهربائية ذات الطبقتين لتطبيقات الطاقة
• IEC 62576، المكثفات الكهربائية ذات الطبقتين للاستخدام في المركبات الكهربائية الهجينة. طرق اختبار الخصائص الكهربائية
• BS/EN 61881-3، تطبيقات السكك الحديدية. معدات عربات السكك الحديدية. المكثفات الخاصة بالإلكترونيات الكهربائية. المكثفات الكهربائية ذات الطبقتين

تتمتع المكثفات الفائقة بمزايا في التطبيقات التي تتطلب كمية كبيرة من الطاقة لفترة قصيرة نسبيًا، حيث يلزم عدد كبير جدًا من دورات الشحن/التفريغ أو عمر افتراضي أطول. تتراوح التطبيقات النموذجية من تيارات بالمللي أمبير أو ميلي واط من الطاقة لمدة تصل إلى بضع دقائق إلى عدة أمبير أو عدة مئات من الكيلووات من الطاقة لفترات أقصر كثيرًا.

لا تدعم المكثفات الفائقة تطبيقات التيار المتناوب (AC).

في التطبيقات ذات الأحمال المتقلبة، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة ، وأجهزة المساعد الرقمي الشخصي (PDA) ، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، ومشغلات الوسائط المحمولة ، والأجهزة المحمولة باليد ، ^[97] والأنظمة الكهروضوئية ، يمكن للمكثفات الفائقة تثبيت مصدر الطاقة.

توفر المكثفات الفائقة الطاقة للفلاشات الفوتوغرافية في الكاميرات الرقمية ولمصابيح LED التي يمكن شحنها في فترات زمنية أقصر بكثير، على سبيل المثال ، 90 ثانية. ^[98]

يتم تشغيل بعض مكبرات الصوت المحمولة بواسطة مكثفات فائقة. ^[99]

إن مفك البراغي الكهربائي اللاسلكي المزود بمكثفات فائقة لتخزين الطاقة يستغرق نصف وقت التشغيل الذي يستغرقه نموذج بطارية مماثل، ولكن يمكن شحنه بالكامل في 90 ثانية. ويحتفظ بنسبة 85% من شحنته بعد ثلاثة أشهر من تركه خاملاً. ^[100]

تتسبب الأحمال غير الخطية العديدة، مثل شواحن السيارات الكهربائية ، والسيارات الهجينة ، وأنظمة تكييف الهواء، وأنظمة تحويل الطاقة المتقدمة، في حدوث تقلبات في التيار والتوافقيات. ^{[101] [102]} وتؤدي هذه الاختلافات الحالية إلى حدوث تقلبات غير مرغوب فيها في الجهد وبالتالي حدوث تذبذبات في الطاقة على الشبكة. ^[101] ولا تؤدي تذبذبات الطاقة إلى تقليل كفاءة الشبكة فحسب، بل يمكن أن تتسبب أيضًا في انخفاض الجهد في ناقل التوصيل المشترك، وتقلبات كبيرة في التردد في جميع أنحاء النظام بأكمله. وللتغلب على هذه المشكلة، يمكن تنفيذ المكثفات الفائقة كواجهة بين الحمل والشبكة لتكون بمثابة حاجز بين الشبكة وقوة النبض العالية المأخوذة من محطة الشحن. ^{[103] [104]}

توفر المكثفات الفائقة طاقة احتياطية أو طاقة إيقاف تشغيل طارئة للمعدات منخفضة الطاقة مثل ذاكرة الوصول العشوائي (RAM ) وذاكرة الوصول العشوائي الساكنة ( SRAM ) ووحدات التحكم الدقيقة وبطاقات الكمبيوتر الشخصي . وهي مصدر الطاقة الوحيد للتطبيقات منخفضة الطاقة مثل معدات قراءة العدادات الآلية (AMR) ^[105] أو لإخطار الأحداث في الإلكترونيات الصناعية.

تعمل المكثفات الفائقة على تخزين الطاقة من وإلى البطاريات القابلة لإعادة الشحن ، مما يخفف من آثار انقطاعات الطاقة القصيرة وذروات التيار المرتفعة. تعمل البطاريات فقط أثناء الانقطاعات الطويلة، على سبيل المثال ، إذا تعطل التيار الكهربائي الرئيسي أو خلية الوقود ، مما يطيل عمر البطارية.

يمكن تشغيل مصادر الطاقة غير المنقطعة (UPS) بواسطة مكثفات فائقة، والتي يمكن أن تحل محل مجموعات أكبر بكثير من المكثفات الكهروليتية. يقلل هذا المزيج من التكلفة لكل دورة، ويوفر تكاليف الاستبدال والصيانة، ويمكّن من تقليص حجم البطارية وإطالة عمرها. ^{[106] [107] [108]}

توفر المكثفات الفائقة طاقة احتياطية للمحركات في أنظمة ميل توربينات الرياح ، بحيث يمكن تعديل ميل الشفرات حتى في حالة فشل الإمداد الرئيسي. ^[109]

يمكن للمكثفات الفائقة أن تعمل على تثبيت تقلبات الجهد في خطوط الطاقة من خلال العمل كمثبطات. تظهر أنظمة الرياح والطاقة الكهروضوئية إمدادًا متقلبًا ناتجًا عن هبات الرياح أو السحب التي يمكن للمكثفات الفائقة أن تخففها في غضون مللي ثانية. ^{[110] [111]}

تعتمد الشبكات الصغيرة عادة على الطاقة النظيفة والمتجددة. ومع ذلك، فإن معظم توليد الطاقة هذا ليس ثابتًا طوال اليوم ولا يتوافق عادةً مع الطلب. يمكن استخدام المكثفات الفائقة لتخزين الشبكة الصغيرة لحقن الطاقة على الفور عندما يكون الطلب مرتفعًا وينخفض ​​الإنتاج مؤقتًا، وتخزين الطاقة في الظروف العكسية. إنها مفيدة في هذا السيناريو، لأن الشبكات الصغيرة تنتج بشكل متزايد الطاقة في التيار المستمر، ويمكن استخدام المكثفات في كل من تطبيقات التيار المستمر والتيار المتردد. تعمل المكثفات الفائقة بشكل أفضل بالاشتراك مع البطاريات الكيميائية. إنها توفر عازلة جهد فورية للتعويض عن أحمال الطاقة المتغيرة بسرعة بسبب معدل الشحن والتفريغ العالي من خلال نظام تحكم نشط. ^[112] بمجرد تخزين الجهد، يتم وضعه من خلال عاكس لتزويد الشبكة بالطاقة المترددة. لا يمكن للمكثفات الفائقة توفير تصحيح التردد بهذا الشكل مباشرة في شبكة التيار المتردد. ^{[113] [114]}

المكثفات الفائقة هي أجهزة تخزين طاقة مؤقتة مناسبة لأنظمة حصاد الطاقة . في أنظمة حصاد الطاقة، يتم جمع الطاقة من المصادر المحيطة أو المتجددة، مثل الحركة الميكانيكية أو الضوء أو المجالات الكهرومغناطيسية ، وتحويلها إلى طاقة كهربائية في جهاز تخزين الطاقة . على سبيل المثال، تم إثبات أن الطاقة التي يتم جمعها من مجالات التردد اللاسلكي (RF ) (باستخدام هوائي التردد اللاسلكي كدائرة تقويم مناسبة ) يمكن تخزينها في مكثف فائق مطبوع. ثم تم استخدام الطاقة المحصودة لتشغيل دائرة متكاملة خاصة بالتطبيق ( ASIC ) لأكثر من 10 ساعات. ^[115]

البطارية الفائقة هي بطارية حمضية رصاصية قابلة لإعادة الشحن ومكثف فائق. يحتوي هيكل الخلية على قطب موجب لبطارية حمضية رصاصية قياسية، وإلكتروليت حمض الكبريتيك القياسي وقطب كربوني سلبي مُجهز خصيصًا لتخزين الطاقة الكهربائية بسعة مزدوجة الطبقة . يؤدي وجود قطب المكثف الفائق إلى تغيير كيمياء البطارية ويوفر لها حماية كبيرة من الكبريتات في حالة الشحن الجزئي عالية المعدل، وهو وضع الفشل النموذجي لخلايا الرصاص الحمضية المنظمة بالصمامات المستخدمة بهذه الطريقة. تعمل الخلية الناتجة بخصائص تتجاوز إما خلية حمضية رصاصية أو مكثف فائق، مع تحسين معدلات الشحن والتفريغ وعمر الدورة والكفاءة والأداء.

تُستخدم المكثفات الفائقة في أجهزة إزالة الرجفان حيث يمكنها توصيل 500 جول لصدمة القلب لإعادة إيقاعه الجيبي . ^[116]

تدعم المقاومة الداخلية المنخفضة للمكثفات الفائقة التطبيقات التي تتطلب تيارات عالية قصيرة الأمد. ومن بين أقدم الاستخدامات بدء تشغيل المحرك (بدء تشغيل المحرك البارد، وخاصة مع محركات الديزل) للمحركات الكبيرة في الدبابات والغواصات. تعمل المكثفات الفائقة على تخزين البطارية، والتعامل مع ذروات التيار القصيرة، وتقليل الدورات وإطالة عمر البطارية. ومن بين التطبيقات العسكرية الأخرى التي تتطلب طاقة نوعية عالية هوائيات الرادار المصفوفة الطورية، وإمدادات الطاقة بالليزر، والاتصالات اللاسلكية العسكرية، وشاشات الطيران والأجهزة الإلكترونية، والطاقة الاحتياطية لنشر الوسائد الهوائية والصواريخ والقذائف الموجهة بنظام تحديد المواقع العالمي.

التحدي الأساسي لجميع وسائل النقل هو تقليل استهلاك الطاقة وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون
₂إن استرجاع طاقة الكبح (الاسترداد أو الكبح المتجدد ) يساعد في كلا الأمرين. وهذا يتطلب مكونات يمكنها تخزين وإطلاق الطاقة بسرعة لفترات طويلة بمعدل دورة مرتفع. وتفي المكثفات الفائقة بهذه المتطلبات، وبالتالي تُستخدم في تطبيقات مختلفة في مجال النقل.

في عام 2005، اختارت شركة Diehl Luftfahrt Elektronik GmbH لأنظمة التحكم في الطيران والفضاء المكثفات الفائقة لتشغيل محركات الطوارئ للأبواب ومنزلقات الإخلاء المستخدمة في الطائرات التجارية ، بما في ذلك طائرة إيرباص 380. ^[109]

تستخدم سيارة تويوتا ياريس هايبرد-آر النموذجية مكثفًا فائقًا لتوفير دفعات من الطاقة. بدأت شركة بيجو سيتروين في استخدام المكثفات الفائقة (حوالي عام 2014) كجزء من نظامها لتوفير الوقود بالتوقف والتشغيل، والذي يسمح بتسارع أولي أسرع. ^[117] يخزن نظام i-ELOOP من Mazda الطاقة في مكثف فائق أثناء التباطؤ ويستخدمها لتشغيل الأنظمة الكهربائية الموجودة على متن السيارة أثناء توقف المحرك بواسطة نظام التوقف والتشغيل.

يمكن استخدام المكثفات الفائقة لتكملة البطاريات في أنظمة التشغيل في قاطرات السكك الحديدية التي تعمل بالديزل مع ناقل الحركة بالديزل والكهرباء . تلتقط المكثفات طاقة الكبح للتوقف الكامل وتوفر التيار الأقصى لبدء تشغيل محرك الديزل وتسريع القطار وتضمن استقرار جهد الخط. اعتمادًا على وضع القيادة، يمكن توفير ما يصل إلى 30٪ من الطاقة عن طريق استعادة طاقة الكبح. شجعت الصيانة المنخفضة والمواد الصديقة للبيئة اختيار المكثفات الفائقة. ^[118]

تتحرك الرافعات الجسرية المتحركة الهجينة التي تعمل بالديزل والكهرباء ذات الإطارات المطاطية وتكدس الحاويات داخل المحطة. ويتطلب رفع الصناديق كميات كبيرة من الطاقة. ويمكن استعادة بعض الطاقة أثناء خفض الحمل، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة. ^{[119] تستخدم} شاحنة الرافعة الشوكية الهجينة الثلاثية خلايا الوقود والبطاريات كمخزن أساسي للطاقة ومكثفات فائقة لتخزين ذروة الطاقة عن طريق تخزين طاقة الكبح. وهي تزود الرافعة الشوكية بقوة ذروة تزيد عن 30 كيلو وات. يوفر النظام الهجين الثلاثي أكثر من 50٪ من توفير الطاقة مقارنة بأنظمة الديزل أو خلايا الوقود. ^{[120] تنقل} الجرارات الطرفية التي تعمل بالمكثفات الفائقة الحاويات إلى المستودعات. وهي توفر بديلاً اقتصاديًا وهادئًا وخاليًا من التلوث للجرارات الطرفية التي تعمل بالديزل. ^[121]

إن المكثفات الفائقة لا تجعل من الممكن تقليل الطاقة فحسب، بل واستبدال الخطوط الهوائية في المناطق التاريخية في المدينة، وبالتالي الحفاظ على التراث المعماري للمدينة. وقد يسمح هذا النهج للعديد من خطوط السكك الحديدية الخفيفة الجديدة في المدن باستبدال الأسلاك الهوائية التي تكون باهظة التكلفة للغاية بحيث لا يمكن توجيهها بالكامل.

في عام 2003، تبنت مانهايم نموذجًا أوليًا لمركبة سكة حديدية خفيفة (LRV) باستخدام نظام MITRAC Energy Saver من Bombardier Transportation لتخزين طاقة الكبح الميكانيكية بوحدة مكثف فائق مثبتة على السطح. ^{[122] [123]} تحتوي على عدة وحدات تتكون كل منها من 192 مكثفًا بقوة 2700 فهرنهايت / 2.7 فولت متصلة في ثلاثة خطوط متوازية. تؤدي هذه الدائرة إلى نظام 518 فولت بمحتوى طاقة يبلغ 1.5 كيلو وات في الساعة. للتسارع عند بدء التشغيل، يمكن لهذا "النظام الموجود على متن المركبة" أن يزود LRV بقدرة 600 كيلو وات ويمكنه قيادة المركبة لمسافة تصل إلى 1 كم بدون إمداد خط علوي ، وبالتالي دمج LRV بشكل أفضل في البيئة الحضرية. بالمقارنة مع LRVs التقليدية أو مركبات المترو التي تعيد الطاقة إلى الشبكة، يوفر تخزين الطاقة على متن المركبة ما يصل إلى 30٪ ويقلل من ذروة الطلب على الشبكة بنسبة تصل إلى 50٪. ^[124]

في عام 2009، مكنت المكثفات الفائقة مركبات السكك الحديدية الخفيفة من العمل في منطقة المدينة التاريخية في هايدلبيرج بدون أسلاك علوية، وبالتالي الحفاظ على التراث المعماري للمدينة. ^{[ بحاجة لمصدر ]} تكلف معدات SC مبلغًا إضافيًا قدره 270.000 يورو لكل مركبة، وكان من المتوقع استردادها خلال أول 15 عامًا من التشغيل. يتم شحن المكثفات الفائقة في محطات التوقف عندما تكون المركبة في محطة مجدولة. في أبريل 2011، طلبت شركة النقل الإقليمية الألمانية Rhein-Neckar، المسؤولة عن هايدلبيرج، 11 وحدة أخرى. ^[125]

في عام 2009، قامت شركة ألستوم و RATP بتجهيز ترام سيتاديس بنظام تجريبي لاستعادة الطاقة يسمى "STEEM". ^[126] تم تجهيز النظام بـ 48 مكثف فائق مثبت على السطح لتخزين طاقة الكبح، مما يوفر للترام مستوى عالٍ من استقلالية الطاقة من خلال تمكينه من العمل بدون خطوط كهرباء علوية على أجزاء من مساره، وإعادة الشحن أثناء السفر في محطات التوقف الكهربائية. أثناء الاختبارات التي جرت بين محطتي Porte d'Italie وPorte de Choisy على الخط T3 من شبكة الترام في باريس ، استخدم الترام ما معدله 16٪ طاقة أقل تقريبًا. ^[127]

في عام 2012، بدأت شركة جنيف للنقل العام في إجراء اختبارات على مركبة خفيفة الوزن مزودة بوحدة مكثف فائق مثبتة على السطح لاستعادة طاقة الكبح. ^[128]

تقدم شركة سيمنز أنظمة نقل سكك حديدية خفيفة معززة بمكثفات فائقة تتضمن تخزينًا متنقلًا. ^[129]

من المقرر أن يتم تجهيز خط مترو جزيرة هونج كونج الجنوبي بوحدتين لتخزين الطاقة بقدرة 2 ميجاوات، ومن المتوقع أن تعمل هذه الوحدة على تقليل استهلاك الطاقة بنسبة 10%. ^[130]

في أغسطس 2012، قدمت شركة CSR Zhuzhou Electric Locomotive Corporation الصينية نموذجًا أوليًا لقطار مترو خفيف مكون من عربتين ومجهز بوحدة مكثف فائق مثبتة على السطح. يمكن للقطار السفر لمسافة 2 كم بدون أسلاك، وإعادة شحنه في 30 ثانية في المحطات عبر شاحنة صغيرة مثبتة على الأرض. زعم المورد أنه يمكن استخدام القطارات في 100 مدينة صينية صغيرة ومتوسطة الحجم. ^[131] كان من المقرر تشغيل سبعة ترام (عربات ترام) تعمل بالمكثفات الفائقة في عام 2014 في قوانغتشو ، الصين. يتم إعادة شحن المكثفات الفائقة في 30 ثانية بواسطة جهاز موضوع بين القضبان. يعمل هذا على تشغيل الترام لمسافة تصل إلى 4 كيلومترات (2.5 ميل). ^[132] اعتبارًا من عام 2017، تُستخدم مركبات المكثفات الفائقة من Zhuzhou أيضًا في نظام ترام نانجينغ الجديد، وتخضع للتجارب في ووهان . ^[133]

في عام 2012، في ليون (فرنسا)، بدأت إدارة النقل العام في ليون (SYTRAL) تجارب نظام "تجديد جانب الطريق" الذي بنته مجموعة Adetel التي طورت موفر الطاقة الخاص بها المسمى "NeoGreen" لسيارات LRV وLRT والمترو. ^[134]

في عام 2014، بدأت الصين في استخدام الترام المزود بمكثفات فائقة يتم شحنها في 30 ثانية بواسطة جهاز موضوع بين القضبان، حيث يقوم بتخزين الطاقة لتشغيل الترام لمسافة تصل إلى 4 كيلومترات - وهي أكثر من كافية للوصول إلى المحطة التالية، حيث يمكن تكرار الدورة.

في عام 2015، أعلنت شركة ألستوم عن نظام SRS، وهو نظام تخزين للطاقة يشحن المكثفات الفائقة على متن الترام عن طريق قضبان موصلة على مستوى الأرض تقع في محطات الترام. يسمح هذا للترام بالعمل بدون خطوط علوية لمسافات قصيرة. ^[135] تم الترويج للنظام كبديل لنظام إمداد الطاقة على مستوى الأرض (APS) الخاص بالشركة، أو يمكن استخدامه جنبًا إلى جنب معه، كما في حالة شبكة VLT في ريو دي جانيرو ، البرازيل، والتي تم افتتاحها في عام 2016. ^[136]

تقدم شركة CAF أيضًا مكثفات فائقة على عربات الترام Urbos 3 الخاصة بها في شكل نظام ACR الخاص بها . ^[117]

زعمت شركة ماكسويل تكنولوجيز ، وهي شركة أمريكية لتصنيع المكثفات الفائقة، أن أكثر من 20 ألف حافلة هجينة تستخدم هذه الأجهزة لزيادة التسارع، وخاصة في الصين. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

كانت أول حافلة كهربائية هجينة مزودة بمكثفات فائقة في أوروبا في عام 2001 في نورمبرج بألمانيا. كانت تسمى "Ultracapbus" من إنتاج شركة MAN، وتم اختبارها في التشغيل الحقيقي في عامي 2001/2002. تم تجهيز مركبة الاختبار بمحرك ديزل كهربائي مع مكثفات فائقة. تم تزويد النظام بـ 8 وحدات Ultracap بجهد 80 فولت، تحتوي كل منها على 36 مكونًا. يعمل النظام بجهد 640 فولت ويمكن شحنه/تفريغه عند 400 أمبير. كان محتواه من الطاقة 0.4 كيلو وات في الساعة ووزنه 400 كجم.

استعادت المكثفات الفائقة طاقة الكبح ووفرت طاقة البدء. تم تقليل استهلاك الوقود بنسبة 10 إلى 15% مقارنة بمركبات الديزل التقليدية. ومن بين المزايا الأخرى تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون
₂الانبعاثات، وبدء تشغيل المحرك بهدوء وبدون انبعاثات، وانخفاض الاهتزازات وتقليل تكاليف الصيانة. ^{[137] [138]}

اعتبارًا من عام 2002 ، تم اختبار أسطول حافلات كهربائية يسمى TOHYCO-Rider ^[update]في مدينة لوزيرن بسويسرا . يمكن إعادة شحن المكثفات الفائقة عبر شاحن طاقة عالي السرعة بدون تلامس بعد كل دورة نقل، في غضون 3 إلى 4 دقائق. ^[139]

في أوائل عام 2005، اختبرت شنغهاي شكلاً جديدًا من الحافلات الكهربائية يسمى كابابوس والذي يعمل بدون خطوط كهرباء (عملية خالية من التيار الكهربائي) باستخدام مكثفات فائقة كبيرة على متن الحافلة والتي يتم إعادة شحنها جزئيًا كلما توقفت الحافلة (تحت ما يسمى بالمظلات الكهربائية)، ويتم شحنها بالكامل في المحطة النهائية . في عام 2006، بدأت طريقان للحافلات التجارية في استخدام كابابوس؛ أحدهما هو الطريق 11 في شنغهاي. وقد قُدِّر أن حافلة المكثفات الفائقة كانت أرخص من حافلة بطارية ليثيوم أيون، وكانت تكلفة الطاقة في إحدى حافلاتها عُشر تكلفة حافلة الديزل مع توفير وقود مدى الحياة بقيمة 200000 دولار. ^[140]

تم الكشف عن حافلة كهربائية هجينة تسمى تريبريد في عام 2008 بواسطة جامعة جلامورجان ، ويلز ، لاستخدامها في نقل الطلاب. تعمل هذه الحافلة بوقود الهيدروجين أو الخلايا الشمسية والبطاريات والمكثفات الفائقة. ^{[141] [142]}

اقترح الاتحاد الدولي للسيارات ، وهو هيئة حاكمة لأحداث سباقات السيارات، في إطار تنظيم مجموعة نقل الحركة لسباقات الفورمولا 1 الإصدار 1.3 بتاريخ 23 مايو 2007 إصدار مجموعة جديدة من لوائح مجموعة نقل الحركة تتضمن محركًا هجينًا يصل إلى 200 كيلو وات من طاقة الإدخال والإخراج باستخدام "بطاريات فائقة" مصنوعة من بطاريات ومكثفات فائقة متصلة بالتوازي ( KERS ). ^{[143] [144]} يمكن الوصول إلى حوالي 20٪ من كفاءة الخزان إلى العجلة باستخدام نظام KERS. تستخدم سيارة Toyota TS030 Hybrid LMP1، وهي سيارة سباق تم تطويرها بموجب قواعد نموذج لومان ، مجموعة نقل حركة هجينة مع مكثفات فائقة. ^{[145] [146]} في سباق لومان 24 ساعة لعام 2012، تأهلت سيارة TS030 بأسرع لفة أبطأ بمقدار 1.055 ثانية فقط (3:24.842 مقابل 3:23.787) ^[147] من أسرع سيارة، وهي سيارة Audi R18 e-tron quattro مع تخزين طاقة دولاب الموازنة . جعلت مكونات المكثف الفائق ودولاب الموازنة، التي تساعد قدراتها على الشحن والتفريغ السريع في كل من الكبح والتسارع، من سيارات أودي وتويوتا الهجينة أسرع السيارات في السباق. في سباق لومان 2012، تقاعدت سيارتا TS030 المتنافستان، إحداهما كانت في المقدمة لجزء من السباق، لأسباب لا علاقة لها بالمكثفات الفائقة. فازت سيارة TS030 بثلاثة سباقات من أصل 8 سباقات في موسم بطولة العالم للتحمل لعام 2012 التابعة للاتحاد الدولي للسيارات . في عام 2014، استخدمت سيارة تويوتا TS040 هايبرد مكثفًا فائقًا لإضافة 480 حصانًا من محركين كهربائيين. ^[132]

تم إجراء دراسات جيدة على مجموعات المكثفات الفائقة/البطاريات في المركبات الكهربائية والمركبات الكهربائية الهجينة . ^{[96] [148] [149]} وقد تم الادعاء بأن استعادة طاقة الفرامل في المركبات الكهربائية أو الهجينة تؤدي إلى تقليل استهلاك الوقود بنسبة تتراوح بين 20 إلى 60%. إن قدرة المكثفات الفائقة على الشحن بشكل أسرع بكثير من البطاريات، وخصائصها الكهربائية المستقرة، ونطاق درجة حرارتها الأوسع وعمرها الأطول مناسبة، ولكن الوزن والحجم وخاصة التكلفة تخفف من هذه المزايا.

إن الطاقة النوعية المنخفضة للمكثفات الفائقة تجعلها غير مناسبة للاستخدام كمصدر طاقة مستقل للقيادة لمسافات طويلة. ^[150] إن التحسن في الاقتصاد في استهلاك الوقود بين المكثف وحل البطارية يبلغ حوالي 20% وهو متاح فقط للرحلات القصيرة. أما بالنسبة للقيادة لمسافات طويلة فإن الميزة تنخفض إلى 6%. تعمل المركبات التي تجمع بين المكثفات والبطاريات فقط في المركبات التجريبية. ^[151]

اعتبارًا من عام 2013، ^[update]طورت جميع شركات تصنيع السيارات الكهربائية أو الهجينة نماذج أولية تستخدم المكثفات الفائقة بدلاً من البطاريات لتخزين طاقة الكبح من أجل تحسين كفاءة مجموعة نقل الحركة. تعد Mazda 6 السيارة الإنتاجية الوحيدة التي تستخدم المكثفات الفائقة لاستعادة طاقة الكبح. يُقال إن الكبح المتجدد، الذي يُطلق عليه اسم i-eloop، يقلل من استهلاك الوقود بنحو 10٪. ^[152] كانت سلسلة Yo-cars Ё-mobile الروسية عبارة عن مركبة هجينة مفهومية ومتقاطعة تعمل بنوع ريشة دوارة تعمل بالبنزين ومولد كهربائي لتشغيل محركات الجر. يستعيد المكثف الفائق ذو السعة المنخفضة نسبيًا طاقة الكبح لتشغيل المحرك الكهربائي عند التسارع من التوقف. ^{[153] تستخدم سيارة} Yaris Hybrid-R النموذجية من Toyota مكثفًا فائقًا لتوفير دفعات سريعة من الطاقة. ^[132] قامت شركة PSA Peugeot Citroën بتركيب مكثفات فائقة في بعض سياراتها كجزء من نظام التوقف والتشغيل لتوفير الوقود، حيث يسمح هذا ببدء تشغيل أسرع عندما تتحول إشارات المرور إلى اللون الأخضر. ^[132]

في مدينة زيلامسي بالنمسا ، يربط مصعد جوي المدينة بجبل شميتينهوهي . تعمل عربات الجندول أحيانًا 24 ساعة في اليوم، باستخدام الكهرباء للإضاءة وفتح الأبواب والاتصالات. الوقت المتاح الوحيد لإعادة شحن البطاريات في المحطات هو خلال فترات التحميل والتفريغ القصيرة للضيوف، والتي تكون قصيرة جدًا لإعادة شحن البطاريات. توفر المكثفات الفائقة شحنًا سريعًا وعددًا أعلى من الدورات وعمرًا أطول من البطاريات. خط طيران الإمارات (عربة الكابل) ، المعروف أيضًا باسم عربة كابل التيمز، هو خط جندول بطول كيلومتر واحد (0.62 ميل) في لندن بالمملكة المتحدة ، يعبر نهر التيمز من شبه جزيرة غرينتش إلى الأرصفة الملكية . الكبائن مجهزة بنظام معلومات ترفيهي حديث، يعمل بواسطة مكثفات فائقة. ^{[154] [155]}

اعتبارًا من عام 2013، ^[update]قدمت مكثفات الليثيوم أيون الفائقة المتوفرة تجاريًا أعلى طاقة نوعية للجاذبية حتى الآن، حيث وصلت إلى 15 واط/كجم (54 كيلوجول/كجم ). يركز البحث على تحسين الطاقة النوعية، وتقليل المقاومة الداخلية، وتوسيع نطاق درجة الحرارة، وزيادة أعمارها، وتقليل التكاليف. ^[22] تشمل المشاريع أقطابًا كهربائية مصممة خصيصًا بحجم المسام، وطلاء شبه سعوي أو مواد مضافة، وإلكتروليتات محسنة.

الإعلانات

تطوير	تاريخ	الطاقة النوعية [أ]	قوة محددة	الدورات	السعة	ملحوظات
صفائح الجرافين المضغوطة بواسطة الضغط الشعري لسائل متطاير [156]	2013	60  واط /لتر				أدى دمج الإلكتروليت بمقياس دون النانومتر إلى إنشاء شبكة نقل أيونات مستمرة.
أقطاب الأنابيب النانوية الكربونية المتراصة رأسياً [10] [60]	2007 2009 2013	13.50  واط /كجم	37.12  واط /جم	300000		التحقيق الأول [157]
صفائح الجرافين المنحنية [55] [56]	2010	85.6  واط /كجم			550  فهرنهايت /جم	طبقات مفردة من صفائح الجرافين المنحنية التي لا تتكدس وجهاً لوجه، وتشكل مسام متوسطة الحجم يمكن الوصول إليها وترطيبها بواسطة إلكتروليتات أيونية صديقة للبيئة بجهد يصل إلى4 فولت .
أكسيد الجرافيت المعاد هيكلته بـ KOH [158] [159]	2011	85  واط /كجم		>10,000	200  فهرنهايت /جم	قام هيدروكسيد البوتاسيوم بإعادة هيكلة الكربون لإنشاء شبكة مسامية ثلاثية الأبعاد
كربونات الجرافين المنشط كأقطاب كهربائية للمكثفات الفائقة ذات المسام الكبيرة والمتوسطة [160]	2013	74  واط /كجم				هياكل المسام ثلاثية الأبعاد في الكربون المشتق من الجرافين حيث يتم دمج المسام المتوسطة في هياكل مسامية كبيرة بمساحة سطح تبلغ3290  م 2 /جم
بوليمر مترافق صغير المسام [161] [162]	2011	53  واط /كجم		10000		إطار مسامي صغير مقترن بـ π مندمج مع أزا
قطب مركب من أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار [163]	2011		990  واط /كجم			يحتوي هيكل المسام المتوسطة الكبيرة المصمم خصيصًا على المزيد من الإلكتروليت، مما يضمن نقل الأيونات بسهولة
رقائق نانوية من هيدروكسيد النيكل على قطب مركب من أنابيب الكربون النانوية [164]	2012	50.6  واط /كجم			3300  فهرنهايت /جم	مكثف فائق غير متماثل يستخدم قطب Ni(OH) 2 /CNT/NF كأنود مجمع مع كاثود كربون نشط (AC) يحقق جهد خلية يبلغ 1.8 فولت
بطارية نانوية هجينة ذات قطب كهربائي [76]	2012	40  واط /لتر	7.5  واط /لتر	10000		لي 4تي 5ا 12(LTO) المترسب على أنود ألياف الكربون النانوية (CNF) وكاثود الكربون النشط
النيكل والكوبالتايت المترسب على هلام الكربون المسامي المتوسط ​​[165]	2012	53  واط /كجم	2.25  واط /كجم		1700  فهرنهايت /غرام	النيكل والكوبالتيت، مادة فائقة السعة منخفضة التكلفة وصديقة للبيئة
رقائق نانوية متداخلة من ثاني أكسيد المنغنيز [166]	2013	110  واط /كجم			1000  ف /جم	عملية كهروكيميائية رطبة تتداخل فيها أيونات الصوديوم (+) مع أكسيد المنغنيز 2تظهر أقطاب النانو فليكس انتشارًا أيونيًا أسرع مع ذروات الأكسدة والاختزال المحسنة.
قطب الجرافين المسامي ثلاثي الأبعاد [167]	2013	98  واط /كجم			231  ف /جم	صفائح الجرافين ذات الطبقة الواحدة المتجعدة يصل حجمها إلى بضعة نانومترات، وتحتوي على بعض الروابط التساهمية على الأقل.
مكثفات فائقة دقيقة مستوية تعتمد على الجرافين لتخزين الطاقة على الشريحة [168]	2013	2.42  واط /لتر				تصفية على خط الشريحة
مكثفات نانوية [169] [170]	2014				27.5 ميكروفاراد سم -2	الأقطاب الكهربائية: Ru 0.95 O 2 0.2– العازل: Ca 2 Nb 3 O 10– عمليات تصنيع تعتمد على محلول في درجة حرارة الغرفة. السُمك الكلي أقل من 30 نانومتر  .
LSG/ثاني أكسيد المنغنيز [171]	2015	42 واط/لتر	10 كيلو واط/لتر	10000		بنية الجرافين ثلاثية الأبعاد المحفورة بالليزر (LSG) لقياس التوصيل والمسامية ومساحة السطح. يبلغ سمك الأقطاب الكهربائية حوالي 15 ميكرون.
إلكتروليت الجرافين/الحالة الصلبة المحفز بالليزر [172] [173]	2015		0.02 مللي أمبير/سم 2		9 ميكروفاراد/سم 2	ينجو من الانحناء المتكرر.
أسلاك نانوية من ثلاثي أكسيد التنغستن (WO3 ) وثنائية الأبعاد مغلفة بأغلفة من ثنائي كالكوجينيد المعادن الانتقالية ، ثاني كبريتيد التنغستن (WS2 ) [ 174] [175]	2016	~100 واط/لتر	1 كيلو وات/لتر	30,000		الأصداف ثنائية الأبعاد المحيطة بالأسلاك النانوية

يتطلب البحث في مواد الأقطاب الكهربائية قياس المكونات الفردية، مثل القطب الكهربائي أو نصف الخلية. ^[176] باستخدام قطب كهربائي مضاد لا يؤثر على القياسات، يمكن الكشف عن خصائص القطب الكهربائي المطلوب فقط. لا تحتوي الطاقة والقوة النوعية للمكثفات الفائقة الحقيقية إلا على ما يقرب من ثلث كثافة القطب الكهربائي.

اعتبارًا من عام 2016، ^[update]بلغت مبيعات المكثفات الفائقة في جميع أنحاء العالم حوالي 400 مليون دولار أمريكي. ^[177]

نما سوق البطاريات (وفقًا لتقديرات شركة فروست آند سوليفان ) من 47.5 مليار دولار أمريكي (76.4% أو 36.3 مليار دولار أمريكي منها بطاريات قابلة لإعادة الشحن) إلى 95 مليار دولار أمريكي. ^[178] لا يزال سوق المكثفات الفائقة سوقًا صغيرًا لا يواكب منافسه الأكبر.

في عام 2016، توقعت شركة IDTechEx نمو المبيعات من 240 مليون دولار إلى 2 مليار دولار بحلول عام 2026، وهي زيادة سنوية بنحو 24%. ^[179]

بلغت تكاليف المكثفات الفائقة في عام 2006 0.01 دولار أمريكي لكل فاراد أو 2.85 دولار أمريكي لكل كيلوجول، وتحركت في عام 2008 إلى أقل من 0.01 دولار أمريكي لكل فاراد، ومن المتوقع أن تنخفض أكثر في الأمد المتوسط. ^[180]

• مركبة كابا  – نوع من مركبات النقلPages displaying short descriptions of redirect targets
• أنواع المكثفات  – أساليب تصنيع الأجهزة الإلكترونية
• بوليمر مترابط صغير المسامات  – نوع من المواد المساميةPages displaying wikidata descriptions as a fallback
• بطارية السيارة الكهربائية  – بطارية تستخدم لتشغيل المحركات الكهربائية للسيارة الكهربائية التي تعمل بالبطارية أو السيارة الكهربائية الهجينة
• تخزين طاقة دولاب الموازنة  – طريقة تخزين الطاقة
• قائمة التقنيات الناشئة  – التقنيات الجديدة قيد التطوير بشكل نشط
• مكثف ليثيوم أيون  – نوع هجين من المكثفات
• مصباح يدوي يعمل بالطاقة الميكانيكية  – مصباح يدوي يعمل بالطاقة البشرية
• نانوفلاور  – مركب ينتج عنه تكوينات تشبه الزهور عند النظر إليها من خلال المجهر

• تاتراري، جي؛ أحمد، م؛ شاه، ف.و (2024). "التوليف والأداء الحراري الكهربائي وتخزين الطاقة لمركبات أكاسيد المعادن الانتقالية". مراجعات الكيمياء التنسيقية . 498 : 215470. doi : 10.1016/j.ccr.2023.215470.

• أبرونا، إتش دي؛ كيا، واي؛ هندرسون، جيه سي (2008). "البطاريات والمكثفات الكهروكيميائية" (PDF) . فيز. توداي . 61 (12): 43–47. رمز Bibcode :2008PhT....61l..43A. doi :10.1063/1.3047681. مؤرشف من الأصل (PDF) في 4 مارس 2016. تم الاسترجاع في 17 فبراير 2015 .
• بوكريس، جيه أو إم؛ ديفاناثان، إم إيه في؛ مولر، كيه (1963). "حول بنية الواجهات المشحونة". Proc. R. Soc. A. 274 ( 1356): 55–79. Bibcode :1963RSPSA.274...55B. doi :10.1098/rspa.1963.0114. S2CID  94958336.
• بيجين، فرانسوا؛ رايموندو بينيرو، إي؛ فراكوياك، إليزبيتا (2009). "المكثفات الكهربائية ذات الطبقتين والمكثفات الزائفة". كربونات لأنظمة تخزين وتحويل الطاقة الكهروكيميائية . المواد والتكنولوجيات المتقدمة. المجلد 20091238. مطبعة سي آر سي. ص. 329-375. doi :10.1201/9781420055405-c8 (غير نشط 12 نوفمبر 2024). رقم ISBN 978-1-4200-5540-5.{{cite book}}: CS1 maint: DOI inactive as of November 2024 (link)
• كونواي، بريان إيفانز (1999). المكثفات الفائقة الكهروكيميائية: الأساسيات العلمية والتطبيقات التكنولوجية . سبرينغر . doi :10.1007/978-1-4757-3058-6. ISBN 978-0306457364.
• Zhang, J.; Zhang, L.; Liu, H.; Sun, A.; Liu, R.-S. (2011). "8. المكثفات الفائقة الكهروكيميائية". التقنيات الكهروكيميائية لتخزين الطاقة وتحويلها . Weinheim: Wiley-VCH. ص 317-382. ISBN 978-3-527-32869-7.
• Leitner, KW; Winter, M.; Besenhard, JO (2003). "أقطاب المكثفات الفائقة المركبة". مجلة إلكترونات الحالة الصلبة . 8 (1): 15–16. doi :10.1007/s10008-003-0412-x. S2CID  95416761.
• كينوشيتا، ك. (18 يناير 1988). الكربون: الخواص الكهروكيميائية والفيزيائية. جون وايلي وأولاده. رقم ISBN 978-0-471-84802-8.
• Vol'fkovich, YM; Serdyuk, TM (2002). "المكثفات الكهروكيميائية". Russ. J. Electrochem . 38 (9): 935–959. doi :10.1023/A:1020220425954.
• Palaniselvam, Thangavelu; Baek, Jong-Beom (2015). "مواد ثنائية الأبعاد قائمة على الجرافين للمكثفات الفائقة". مواد ثنائية الأبعاد . 2 (3): 032002. رمز Bibcode :2015TDM.....2c2002P. doi :10.1088/2053-1583/2/3/032002. S2CID  135679359.
• بلوهن، هاري (2015). "مركب لتخزين الطاقة يتحمل الحرارة". نيتشر . 523 (7562): 536-537. Bibcode :2015Natur.523..536P. doi : 10.1038/523536a . PMID  26223620. S2CID  4398225.
• لي، كوي (2015). "مواد عازلة مرنة عالية الحرارة من مركبات نانوية بوليمرية". نيتشر . 523 (7562): 576-579. رمز Bibcode :2015Natur.523..576L. doi :10.1038/nature14647. PMID  26223625. S2CID  4472947.

• المكثفات الفائقة: نظرة عامة موجزة