ابرخازن یک خازن با ظرفیت خازنی بسیار بالا لیکن محدوده ولتاژ پایین است. ابرخازن­ها ادوات ذخیره انرژی الکتروشیمیایی هستند که انرژی را با قابلیت جذب و دفع برگشت­پذیر یون­ها بین الکترولیت­ها و الکترودها ذخیره و آزاد می­نماید.

ویژگی‌های ابرخازن‌ها

ابرخازن با توان مخصوص بسیار بالاتر از باتری اما انرژی مخصوص بسیار پایین‌تر از آن شناخته می‌شود. محدوده انرژی مخصوص ابرخان‌ها حدود چند وات-ساعت بر کیلوگرم می‌باشد در حالی‌که توان مخصوص آن‌ها به kW/kg 3 هم می‌رسد که بیشتر از هر نوع باتری است. ابرخازن­ها چگالی انرژی مخصوص پایین دارند و ولتاژ خروجی آن­ها به حالت شارژ وابستگی است لیکن ترکیب باتری و ابرخازن به عنوان منبع ترکیبی ذخیره انرژی در کاربردهای بی­نظیری دارد.

مبانی بنیادی ابرخازن‌ها

ابرخازن انرژی را با تفکیک فیزیکی بارهای الکتریکی مثبت و منفی ذخیره می‌نماید. بارهای الکتریکی روی صفحات موازی ابرخازن که توسط یک عایق از هم جدا شده‌اند ذخیره می‌شوند. از آن‌جا که تغییرات شیمیایی در الکترود وجود ندارد، بنابراین ابرخازن‌ها دارای چرخه حیات طولانی اما چگالی انرژی پایینی هستند. شکل 1 ساختار یک سلول تکی ابرخازن را نشان می‌دهد.

شکل 1: ساختار یک سلول تکی ابرخازن

فن‌آوری خازن‌های دولایه راهبرد اصلی در درک مفهوم ابرخازن می‌باشد. مبانی بنیادی خازن دولایه در شکل 2 نشان داده شده است. وقتی دو میله کربنی مجزا از یکدیگر در محلول اسید سولفوریک قرار داده می‌شوند و به دو سر آن‌ها ولتاژی متغیر بین 0 تا 5/1 ولت اعمال می‌شود، تقریبا تا یک ولت اول هیچ اتفاقی رخ نمی‌دهد، اما پس از افزایش ولتاژ کمی بیشتر از 2/1 ولت، حباب‌های کوچکی در سطح هر دو الکترود ظاهر می‌شود. حباب‌های ظاهر شده در ولتاژ بیش از یک ولت نشان‌گر تجزیه آب می‌باشد. در ولتاژ پایین‌تر از ولتاژ تجزیه که جریانی عبور نمی‌کند "لایه‌ی دوبل الکتریکی" در مرز الکترود و الکترولیت به وجود می‌آید. الکترون‌های سرتاسر لایه‌ی دوبل باردار می‌شوند و خازن شکل می‌گیرد.

شکل 2: مبانی بنیادی خازن دولایه نمونه

لایه‌ی دوبل الکتریکی در ولتاژ پایین‌تر از ولتاژ تجزیه به صورت عایق عمل می‌کند. انرژی ذخیره شده (E_cap) به صورت زیر بیان می‌شود:

(1)

که در آن C ظرفیت خازنی برحسب فارادی و V ولتاژ قابل استفاده برحسب ولت می‌باشد.

این معادله نشان می دهد که خازن‌های با چگالی انرژی بالاتر، ولتاژهای نامی بالاتری خواهند داشت. تا کنون ولتاژ نامی یک خازن با الکترولیت آبی، تقریبا 9/0 ولت برای هر سلول و با الکترولیت غیرآبی حدود 3/2 – 3/3 ولت برای هر سلول می‌باشد.

ابرخازن‌ها به واسطه نرخ سریع شارژ و دشارژ خود، می‌توانند انرژی را در زمان کوتاه به سرعت جذب نمایند و یا به سرعت تحویل دهند. جدول 1 پک باتری ZEBRA که یک نوع باتری انرژی بالا است و از نمک معمولی، سرامیک و نیکل ساخته‌شده است و پک ابرخازن Thunderpack از محصولات BOOSTCAP ماکسول را با یکدیگر مقایسه می‌نماید.

جدول 1. مقایسه باتری ZEBRA و ابرخازن Thunderpack

مشخصه‌های دشارژ ابرخازن F 2600 شرکت ماکسول در شکل 3 نشان داده شده است. در نرخ‌های جریان دشارژ متفاوت، با گذشت زمان تخلیه، ولتاژ بصورت خطی کاهش می یابد. در نرخ جریان دشارژ بالا، ولتاژ با شدت بیشتری نسبت به نرخ دشارژ کم کاهش می یابد.

شکل 3: مشخصه‌های دشارژ ابرخازن F 2600  شرکت ماکسول

انرژی ذخیره شده در ابرخازن از انرژی مورد نیاز شارژ آن تا یک سطح ولتاژ معین بدست می‌آید. که برابر است با:

(2)

در ولتاژ نامی انرژی ذخیره شده در ابرخازن به مقدار ماکزیمم خود می‌رسد. رابطه فوق نشان می‌دهد که افزایش ولتاژ نامی می‌تواند به طور قابل ملاحظه انرژی ذخیره شده در ابرخازن را افزایش دهد زیرا انرژی با توان دوم ولتاژ نسبت مستقیم دارد. ابرخازن معمولا دارای یک ولتاژ پایین یا مینیمم V_Cb می‌باشد که در کمتر از این ولتاژ ابرخازن قادر به تحویل توان نمی‌باشد. در نتیجه انرژی قابل دسترس یا مفید ابرخازن که می‌توان آن را استفاده نمود کمتر از مقدار انرژی شارژ کامل می‌باشد و با رابطه زیر بیان می‌شود:

(3)

در رابطه فوق، V_CR ولتاژ نامی ابرخازن است.

برای مثال، همان طور که در شکل 4 نشان داده شده است، ولتاژ مینیمم60% ولتاژ نامی است و 64% کل انرژی قابل دسترس می‌باشد.

شکل 4: حالت انرژی (SOE) در مقابل ولتاژ سلول

یکی از کاربردهای ابرخازن در خودروهای الکتریکی می­باشد، بدلیل حرکت‌ها و توفق‌های متوالی خودروهای الکتریکی، منحنی شارژ و دشارژ منابع ذخیره انرژی بسیار متغیر می‌باشد. توان متوسط مورد نیاز از منابع ذخیره انرژی بسیار کمتر از توان بیشینه مورد نیاز شتاب‌گیری و شیب‌پیمایی مورد نیاز در دوره‌های زمانی نسبتاً کوتاه می‌باشد. نسبت توان بیشینه به توان متوسط می‌تواند به 10 برابر نیز برسد.