ทำไมเราไม่ใช้ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่แทนแบตเตอรี่ล่ะ?

ตัวเก็บประจุมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมหลายประการ ประการแรก มันเก็บพลังงานในรูปของประจุไฟฟ้าแทนที่จะเป็นพลังงานเคมี ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะทำให้สามารถชาร์จได้อย่างรวดเร็วและมีกระแสเอาต์พุตสูงสุดสูงมาก มันสามารถทนต่อการชาร์จและการคายประจุได้หลายแสนรอบ ในขณะที่แบตเตอรี่ที่ใช้งานจนเต็มรอบนั้นใช้งานได้เพียงไม่กี่ร้อยรอบเท่านั้น แล้วปัญหาคืออะไร?

แบตเตอรี่ให้แรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างคงที่ตลอดอายุการใช้งานที่ยาวนาน ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์ คุณอาจพบปัญหาด้านประสิทธิภาพเมื่อแบตเตอรี่ใกล้หมด เช่น สมาร์ทโฟนจะเข้าสู่โหมดประหยัดพลังงาน ซึ่งไม่ใช่แค่เพื่อให้ใช้งานได้นานขึ้น แต่เพื่อป้องกันการปิดเครื่องกะทันหันโดยไม่มีการแจ้งเตือนล่วงหน้า

อย่างที่คุณเห็น แรงดันไฟฟ้าจะลดลงเมื่อแบตเตอรี่ใกล้หมด ในโทรศัพท์ของคุณมีวงจรแปลงพลังงาน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการจัดการพลังงานโดยรวม ทำหน้าที่แปลงพลังงานแบตเตอรี่ที่ไม่คงที่นักให้เป็นพลังงานระบบที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด (อาจเป็นแรงดันไฟฟ้าหลายระดับ) โปรดสังเกตว่ามีความสัมพันธ์ที่สำคัญอยู่ตรงนี้: พลังงาน = กระแสไฟฟ้า * แรงดันไฟฟ้า ดังนั้น เพื่อรักษาพลังงานให้เท่าเดิม เมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลง วงจรของฉันจึงต้องดึงกระแสไฟฟ้ามากขึ้น

แบตเตอรี่ทุกก้อนมีความต้านทานภายในเล็กน้อย และเนื่องจากความสัมพันธ์อีกอย่างหนึ่งที่เรียกว่ากฎของโอห์ม คุณจะรู้ว่าจะมีแรงดันไฟฟ้าลดลงในแบตเตอรี่ ในภาพวาด Vout = V0 − r * I โดยที่ I คือกระแสไฟฟ้า ดังนั้น เมื่อ V0 ลดลงและวงจรจัดการพลังงานต้องดึงกระแสไฟฟ้ามากขึ้นเพื่อจ่ายพลังงานเท่าเดิม แรงดันไฟฟ้าขาออกของแบตเตอรี่จะลดลงเร็วยิ่งขึ้น นี่เป็นการจำกัดกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่แบตเตอรี่สามารถจ่ายได้ และยังหมายความว่าแบตเตอรี่จะหมดเร็วมากเมื่อใกล้หมดไฟ

แต่แรงดันเอาต์พุต กระแสสูงสุด และกำลังไฟฟ้ารวมในตัวเก็บประจุจะลดลงอย่างรวดเร็วตามเวลา ตัวเก็บประจุมีข้อดีอย่างหนึ่งคือ มันเก็บประจุไฟฟ้า แทนที่จะแปลงประจุไฟฟ้าเป็นประจุเคมีเหมือนในแบตเตอรี่ ดังนั้นถึงแม้จะมีค่าความต้านทานภายใน แต่ก็มีค่าน้อยมากและโดยทั่วไปสามารถละเลยได้ ตัวเก็บประจุสามารถจ่ายกระแสได้สูงมากในช่วงเวลาสั้นๆ

แต่สำหรับการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์นั้น ตัวเก็บประจุมีปัญหา ลองนึกถึงความต้องการของผมที่จะรักษาพลังงานให้คงที่ในระบบจัดการพลังงานของผม ซึ่งก็คือ พลังงาน = กระแส × แรงดันไฟฟ้า เมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลงอย่างรวดเร็ว เราก็ต้องชดเชยด้วยกระแสที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเพื่อให้ได้พลังงานเท่าเดิม กระแสที่สูงมากทำให้วงจรมีราคาแพงขึ้น ต้องใช้ส่วนประกอบแปลงพลังงานขนาดใหญ่ขึ้น มีการสูญเสียพลังงานในแผงวงจรมากขึ้น ฯลฯ... ปัญหาพื้นฐานเดียวกันกับแบตเตอรี่ในช่วงท้ายๆ เพียงแต่ว่าปัญหานี้เริ่มเกิดขึ้นเร็วมากในช่วงอายุการใช้งานของตัวเก็บประจุ และเมื่อตัวเก็บประจุหมดพลังงาน กระแสสูงสุดถึงแม้จะยังค่อนข้างสูง แต่ก็จะลดลงด้วย

ปัญหาอีกอย่างคือ ตัวเก็บประจุยิ่งยวดสมัยใหม่มีพลังงานจำเพาะต่ำกว่าแบตเตอรี่มาก ตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่ดีที่สุดในท้องตลาดให้พลังงานจำเพาะเพียง 8-10 Wh/kg ส่วนใหญ่ให้พลังงานจำเพาะเพียง 5 Wh/kg เท่านั้น ในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ดีที่สุดให้พลังงานจำเพาะเกือบ 200 Wh/kg และหลายสูตรสามารถให้พลังงานจำเพาะได้มากกว่า 100 Wh/kg ดังนั้นคุณจึงต้องใช้แบตเตอรี่ที่มีน้ำหนักมากกว่าประมาณ 20 เท่าจึงจะใช้ตัวเก็บประจุยิ่งยวดได้ แต่ก็อาจมากกว่านั้น เพราะในบางช่วงของการคายประจุ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน แรงดันไฟฟ้าจะลดลงต่ำเกินไปจนใช้งานไม่ได้ ทำให้พลังงานสูญเปล่า นอกจากนี้ ตัวเก็บประจุยิ่งยวดยังมีค่าความต้านทานภายในค่อนข้างสูง ซึ่งแตกต่างจากตัวเก็บประจุแบบดั้งเดิม ดังนั้นจึงไม่สามารถรองรับการแลกเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้ากับกระแสไฟฟ้าได้มากนัก

นอกจากนี้ยังมีเรื่องการคายประจุเอง: พลังงาน "รั่วไหล" ออกจากอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานเร็วแค่ไหน เซลล์ NiMh นั้นทนทาน แต่คายประจุเองได้สูงถึง 20-30% ต่อเดือน เซลล์ Li-ion ลดการคายประจุลงเหลือต่ำกว่า 2% ต่อเดือน ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยี Li-ion เฉพาะเจาะจง อาจจะ 3% ในบางระบบ ขึ้นอยู่กับค่าใช้จ่ายในการตรวจสอบแบตเตอรี่ ตัวเก็บประจุยิ่งยวดในปัจจุบันสูญเสียประจุมากถึง 50% ในเดือนแรก ซึ่งอาจไม่สำคัญในอุปกรณ์ที่ชาร์จไฟทุกวัน แต่แน่นอนว่ามันจำกัดการใช้งานของตัวเก็บประจุเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ อย่างน้อยก็จนกว่าจะมีการออกแบบที่ดีกว่านี้

และเนื่องจากคุณต้องการจำนวนมาก ราคาของอัลตร้าคาปาซิเตอร์ในปัจจุบันจึงอาจสูงกว่าแบตเตอรี่ถึง 6-20 เท่า หากแอปพลิเคชันของคุณต้องการกำลังไฟน้อยมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งกระแสไฟกระชากสูงในช่วงเวลาสั้นๆ อัลตร้าคาปาซิเตอร์อาจเป็นตัวเลือกที่ดี แต่ถ้าไม่ใช่เช่นนั้น มันก็จะไม่สามารถทดแทนแบตเตอรี่ได้ในอนาคตอันใกล้นี้

สำหรับงานที่ใช้กระแสไฟฟ้าสูง เช่น รถยนต์ไฟฟ้า การใช้ตัวเก็บประจุยิ่งยวด (ultracap) เพียงอย่างเดียวอาจยังไม่ใช่ทางเลือกที่เหมาะสมนัก อย่างไรก็ตาม ระบบที่ใช้ทั้งตัวเก็บประจุยิ่งยวดและแบตเตอรี่ร่วมกันนั้นน่าสนใจมาก เพราะความแตกต่างของทั้งสองอย่างนั้นเสริมกันได้ดี เช่น ความสามารถในการส่งกระแสไฟฟ้าสูงและอายุการใช้งานยาวนานของตัวเก็บประจุยิ่งยวด เทียบกับพลังงานจำเพาะ/ความหนาแน่นของพลังงานสูงของแบตเตอรี่ และขณะนี้กำลังมีการวิจัยอย่างมากเพื่อพัฒนาตัวเก็บประจุยิ่งยวดและแบตเตอรี่ให้ดียิ่งขึ้น ดังนั้นในอนาคต ตัวเก็บประจุยิ่งยวดอาจเข้ามาทำหน้าที่แทนแบตเตอรี่ได้มากขึ้นก็เป็นได้

บทความจาก: https://qr.ae/pCacU0