Supercapacitors Amp Up as an Alternative to Batteries
ความก้าวหน้าด้านวัสดุล่าสุดทำให้ Supercapacitors เป็นตัวเลือกการชาร์จประจุไฟฟ้าที่ใช้งานได้ยอดเยี่ยม และปลอดภัยมากขึ้น มันได้กลายเป็นคู่แข่งขันตัวใหม่ในระบบจัดเก็บพลังงาน แต่อย่างไร แบตเตอรี่ก็ยังคงมีข้อได้เปรียบในด้านราคา และขนาด..
หากลองนึกภาพการชาร์จโทรศัพท์มือถือของคุณในเวลาเพียงไม่กี่วินาที หรือพิจารณาว่าระบบการขนส่งจะเปลี่ยนไปอย่างไร หากใช้เวลาเพียงไม่กี่นาทีในการเติมเชื้อเพลิง หรือชาร์จประจุให้กับรถยนต์ไฟฟ้า
เทคโนโลยีสำหรับการเพิ่มพลังงานไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว มีมานานหลายทศวรรษแล้วด้วย ตัวเก็บประจุยิ่งยวด Supercapacitors .. ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ไม่เพียงแต่จะชาร์จประจุไฟฟ้าได้รวดเร็วกว่าแบตเตอรี่อย่างมากเท่านั้น แต่ยังมีอายุใช้งานได้นานกว่า ทนทานกว่า เพราะไม่ได้รับผลกระทบทางกายภาพในการชาร์จ และการคายประจุที่ทำให้แบตเตอรี่หมดสภาพลง
นอกจากนี้ ยังมีข้อดีด้านความปลอดภัยอีกหลายประการ อย่างไรก็ตาม Supercapacitors จะต้องมีขนาดใหญ่กว่ามาก เพื่อกักเก็บพลังงานให้ได้เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ และต้นทุนที่สูงลิ่วเป็นพิเศษ
อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่า การค้นพบล่าสุดนี้ ทำให้สามารถจัดเก็บพลังงานได้รวดเร็วกว่า เชื่อถือได้ และอาจปลอดภัยกว่า เมื่อใช้ตัวเก็บประจุยิ่งยวด หรือ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ บางครั้งเรียกว่า ‘อัลตร้าคาปาซิเตอร์ Ultracapacitors’ ซึ่งหมายถึง มันสามารถแข่งขันกับแบตเตอรี่สำหรับระบบจัดเก็บพลัง งานในอนาคตได้อย่างเหนือชั้น
Michael Sund อดีตรองประธานของ Maxwell Technologies ผู้ผลิตชั้นนำของเทคโนโลยีใหม่ซึ่งขายระ บบประจุไฟฟ้า หรือระบบตัวเก็บประจุยิ่งยวด เป็นพัน ๆ ชุดเพื่อชาร์จรถโดยสารไฟฟ้าที่ใช้งานอยู่ในประเทศจีน กล่าวว่า “ Ultracapacitors เป็นเหมือนสายฟ้าในขวด ถ้าคุณต้องการ มันแรงและรวดเร็วอย่างยิ่ง ”
ประเด็นด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ .
ใครก็ตามที่แบตเตอรี่ใกล้หมดระหว่างการโทรศัพท์สายสำคัญ หรือเคยพบประสบการณ์ใช้งานอุปกรณ์ไฟฟ้าไม่ได้เพราะปัญหาแบตเตอรี่ จะรู้ถึงขีดจำกัดของแบตเตอรี่ มันใช้เวลาชาร์จนาน มีน้ำหนักค่อนข้างมาก ซึ่งเป็นปัญหาใหญ่ของตลาดรถยนต์ไฟฟ้ามาโดยตลอด นี่ยังไม่ได้รวมประเด็นด้านความปลอดภัยที่มักเกิดปัญหาขึ้นอยู่เนือง ๆ ในผลิตภัณฑ์มาตรฐาน
เมื่อปลายปีที่ผ่านมา ผู้ค้าปลีกรายใหญ่ต้องเรียกคืนแบตเตอรี่หลายพันชิ้น สำหรับแล็ปท็อปที่ผลิตโดย Apple ซึ่งมันเป็นเพียงหนึ่งในผู้ผลิตแล็ปท็อป และโทรศัพท์มือถือจากหลาย ๆ รายที่เห็นว่าแบตเตอรี่ของตัวเองถูกเรียกคืน เนื่องจากปัญหาด้านความปลอดภัย
อุบัติเหตุไฟไหม้ ที่เกี่ยวเนื่องกับแบตเตอรี่เมื่อต้นปี 2513 ได้ทำให้เครื่องบิน Boeing 787 Dreamliner ใหม่ล่าสุดของโบอิ้งขณะนั้น ต้องหยุดบินชั่วคราว .. หนึ่งในโศกนาฏกรรมที่เลวร้ายที่สุดที่สืบเนื่องมาจากแบตเตอรี่ ลูกเรือ 2 คนเสียชีวิตในเหตุเครื่องบินขนส่ง Boeing 747 – 400F ของ UPS Airlines Flight 6 ตกที่ดูไบเมื่อปี 2010 ซึ่งเจ้าหน้าที่สอบสวนอากาศยานอุบัติเหตุพบว่า มีเปลวไฟที่ลุกขึ้นจากสินค้าที่เป็นแบตเตอรี่
ข้อผิดพลาดที่เป็นอันตรายจากการใช้งานแบตเตอรี่นั้น กลายเป็นส่วนหนึ่งที่ช่วยเพิ่มความสนใจต่อตัวเก็บประจุยิ่งยวด Supercapacitors .
ความปลอดภัย เป็นปัญหามากกว่าที่เคยเป็นมาในอดีต .. Peter Harrop ประธาน IDTechEx ซึ่งเป็นบริษัทวิจัยการตลาด ตั้งอยู่ในเคมบริดจ์ สหราชอาณาจักร กล่าวว่า เขาและแฟน ๆ พันธ์แท้ของเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่นี้ ต่างยืนยันว่า ธุรกิจและการใช้งาน Supercapacitors จะเติบโตขึ้นอีกเมื่อบริษัท ต่าง ๆ แสวง หาสิ่งใหม่ แหล่งพลังงานที่แข็งแกร่ง และปลอดภัยกว่าแบตเตอรี่ในปัจจุบัน
แทนที่จะใช้สารเคมีที่ทำให้แบตเตอรี่บริหารจัดการได้ยาก .. Supercapacitors จะใช้เทคนิคของไฟฟ้าสถิตในการจัดเก็บพลังงาน นั่นหมายความว่า มันจัดเก็บพลังงานด้วยการสะสมประจุไฟฟ้าเกาะบนแผ่นวัสดุที่ใช้เป็น Electrode บวก และลบ .. ประสิทธิภาพของการทำงานของมันสามารถคำนวณ และคาดเดาได้แม่นยำมากขึ้น วัสดุของพวกเขามีความน่าเชื่อถือมากขึ้น และเสี่ยงต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิน้อยกว่า รวมทั้งสามารถคายประจุออกได้เต็มที่ เพื่อการขนส่งที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น
การเปิดตัวสำหรับ ตัวเก็บประจุยิ่งยวด Supercapacitors ..
นักวิทยาศาสตร์ทราบมานานแล้วว่าพลังงานสามารถเก็บเป็นประจุไฟฟ้าแทนที่จะเก็บไว้ในสารทำปฏิกิริยาเคมีเช่นเดียวกับแบตเตอรี่ .. การทดลองอันโด่งดังของ Benjamin Franklin เบนจามิน แฟรงคลิน กับ โถ Leyden เป็นตัวเก็บประจุดั้งเดิม อุปกรณ์ที่จัดเก็บ และปล่อยประจุไฟฟ้า ซึ่งเขาเรียกมันว่า “แบตเตอรี่ ” ตามคำศัพท์ทางทหารสำหรับกลุ่มอาวุธยุทธภัณฑ์ .. แต่จริง ๆ แล้ว มันคือ คาปาซิเตอร์ รุ่นแรก ๆ นั่นเอง
แต่ความก้าวหน้าล่าสุดเกี่ยวกับวัสดุที่ใช้ในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จากนี้ไป อาจทำให้พวกมันกลายเป็นคู่แข่งกับแบตเตอรี่ในการใช้งานมากขึ้น “ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ กำลังได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นอีก และมันกำลังพัฒนาก้าวหน้าไปได้เร็วกว่าแบตเตอรี่” Harrop กล่าว
ตัวเก็บประจุยิ่งยวด หรือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ น่าจะใกล้ประสบความสำเร็จทางการค้ามาหลายปีแล้ว แต่เพราะมันยังมีข้อจำกัดอีกมากที่ต้องมีการวิจัย และพัฒนาเพิ่มเติมให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ดีกว่านี้ ตัวอย่างในอดีตหลาย ๆ กรณีศึกษา ชี้ให้เห็นว่า Ultracapacitors กำลัง “พุ่งไปข้างหน้า” แต่มันก็ยังคงเป็นได้เพียงธุรกิจขนาดเล็กเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟฟ้าได้ เนื่องจากส่วนใหญ่เก็บพลังงานได้ค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับเซลล์ทั่วไป หรือเมื่อเทียบปริมาณพลังงานต่อน้ำหนักในระบบจัดเก็บพลังงาน Energy Storage
ในแบตเตอรี่ ความสามารถการจัดเก็บประจุไฟฟ้านั้นเรียกว่า ” ความหนาแน่นของพลังงาน ” ถือว่ายอดเยี่ยม ในขณะที่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้น ความสามารถหลักของมันอยู่ที่ “ ความหนาแน่นของกำลัง ” .. ทั้งนี้ ความแตกต่างระหว่าง “ความหนาแน่นของพลังงาน Energy Density” กับ “ความหนาแน่นของกำลัง Power Density ซึ่งหมายถึง ความรวดเร็วในการส่งพลังงาน” มันหมายถึงอะไร ต่างกันอย่างไร และอะไรคือความต้องการจริงของผู้บริโภค ซึ่งโดยทั่วไปในทางปฏิบัติแล้ว มันจะต้องทำงานร่วมกันในวงจรไฟฟ้า อุปกรณ์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ รวมทั้งในระบบบริหารจัดการการกักเก็บพลังงานด้วย
อย่างไรก็ตาม เมื่อเปรียบเทียบกัน นักวิทยาศาสตร์ทราบดีว่า แบตเตอรี่ มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า Higher Energy Density สามารถเก็บพลังงานต่อหน่วยมวลได้มากกว่า แต่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ มีความหนาแน่นของกำลังสูงกว่า Higher Power Density สามารถปล่อยพลังงานได้รวดเร็วกว่า .. และนี่คือความแตกต่าง ซึ่งมันเป็นประเด็นที่สำคัญมากในการใช้งาน
สำหรับความหนาแน่นของพลังงานนั้น Supercapacitors เทียบไม่ได้กับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งเป็นเทค โนโลยีที่มักใช้ในโทรศัพท์มือถือ แล็บท็อป และรถยนต์ไฟฟ้า .. แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อาจเก็บพลังงานได้มากถึง 20 เท่าของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ตามน้ำหนัก และขนาดที่เท่ากัน นั่นหมายความว่า iPhone 12 อาจจะต้องหนาขึ้นอีกหลายนิ้วกับมีน้ำหนักเพิ่มขึ้นมาก ดังนั้นหากใช้ Supercapacitor สำหรับโทรศัพท์มือถือเครื่องนี้มันจะทำให้ไม่มีความคล่องตัวในการใช้งานเท่ากับการใช้ Lithium Ion Battery เช่นในปัจจุบัน
ในทางกลับกันซุปเปอร์คาปาซิเตอร์นั้น ทำงานได้สุดยอดเมื่อพูดถึงความหนาแน่นของกำลัง Power Density พวกมันอัดแน่นไปด้วยพลังมหาศาล – สามารถชาร์จได้อย่างรวดเร็ว และปลดปล่อยพลังงานออกมาเช่นดั่งกระแสน้ำที่พุ่งกระฉูดอย่างรวดเร็ว ลองนึกถึงการถูกไฟฟ้าดูดจากไฟฟ้าสถิตซึ่งอาจเกิดขึ้นได้หลังจากการถูมือกับพรมขนปุยผิดวิธีในฤดูหนาวอากาศแห้ง หรืออาจจะดีกว่าหากนึกถึงกระแสไฟฟ้าที่ส่องประกายบนท้องฟ้าในพายุฤดูร้อน
ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ มีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่าแบตเตอรี่มาก แต่มีค่าใช้จ่ายต่อปริมาตรน้อยกว่าแบตเตอรี่ ที่สำคัญมันมีความหนาแน่นของกำลัง Power Density สูงกว่าแบตเตอรี่มากเช่นกัน และเนื่องเพราะ กระบวนการชาร์จและการชาร์จใหม่ รวมทั้งการคายประจุนั้น ไม่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาทางเคมีใด ๆ โดยแทนที่ด้วยเทคนิคธรรมชาติของไฟฟ้าสถิต
Ion ประจุไฟฟ้าของแผ่นอิเล็กโทรไลต์บวก และลบ จะ “เกาะ” อยู่กับพื้นผิวของอิเล็กโทรด เมื่อทำการชาร์จ และ “กระโดดออก” ระหว่างการคายประจุ โดยไม่ต้องมีปฏิกิริยาทางเคมี ความเร็วของการชาร์จ และการคายประจุนั้นรวดเร็วเหลือเชื่ออย่างยิ่ง ลองนึกถึงอนาคตอันใกล้ที่รถยนต์ไฟฟ้าสามารถชาร์จได้เร็วกว่าที่จะเติมน้ำมันในรถของคุณ และพาคุณไปได้ไกลกว่าที่คุณคิดอย่างมาก
Comparison of Lithium Ion Batteries, EDLC Supercapacitors & Hybrid Asymmetric Supercapacitor or Lithium Ion Capacitor
ดังนั้น การพัฒนาล่าสุดเกี่ยวกับวัสดุศาสตร์ด้วยนาโนเทคโนโลยี พบว่า การประยุกต์ใช้ Graphene ในรูปแบบผสมผสาน Hybrid เช่น รูปแบบ Hybrid Supercapacitors หรือ Super Ultracapacitors ที่ใช้ EDLC Electrostatically กับ PSEUDO Electrochemically ประกอบผสมกันไป จะทำให้ระบบจัดเก็บพลังงานในอนาคตมีศักยภาพสูงมากขึ้นไปอีก ทั้งในเรื่องความหนาแน่นของพลังงาน Energy Density และกำลัง Power Density กับความรวดเร็วในการชาร์จ การคายประจุ การจ่ายพลังงาน ความทนทาน รวมถึงการใช้งานได้อย่างปลอดภัย จึงคาดได้ว่าในอีกไม่นาน ผลิตภัณฑ์คุณภาพในตลาดรูปแบบ Super Capacitor Batteries จะกลายเป็นที่นิยมใช้งานได้ในที่สุด
Supercapacitors ถูกใช้ทำอะไรบ้างในวันนี้? ..
ผู้ผลิต Supercapacitor .. ยอดขายที่ใหญ่ที่สุดของ Maxwell Technologies นั้น ตกเป็นของผู้ซื้อที่เป็นผู้ผลิตรถโดยสารไฟฟ้าในจีน .. Michael Sund กล่าวไว้ว่า พวกเขาใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ เพื่อดักจับพลังงานที่สร้างขึ้นเมื่อรถโดยสารเบรก และกำลังหยุดสำหรับหนึ่งในหลาย ๆ ป้ายเก็บไว้ จากนั้นจึงคายพลังงานเพื่อช่วยให้รถโดยสารเริ่มต้นเคลื่อนออกจากจุดหยุดด้วยความเร่งขณะออกตัว และเพื่อจุดประสงค์ดังกล่าว ตัวเก็บประจุยิ่งยวด หรือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ สามารถเปลี่ยนระบบแบตเตอรี่ได้ทั้งหมดในรถโดยสารไฮบริด ในขณะที่รถโดยสารไฟฟ้าทั้งหมดนั้น จะใช้งานแบตเตอรี่น้อยลง ซึ่งทำให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ยาวนานขึ้น
Rechargeble Electric Bus : 10 Seconds to Charge Thanks to Supercapacitors
นั่นน่าจะเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการขายซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ต่อไป เนื่องจากมันเป็นเสมือนผลิตภัณฑ์เสริมสำหรับแบตเตอรี่ หรือเครื่องยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิง .. Michael Sund กล่าว “ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ มักจะเป็นส่วนเสริมของแบตเตอรี่” เขากล่าว “ดังนั้นเราจึงพยายามอยู่ห่างจากสิ่งที่เราเรียกว่า ‘การทุบแบตเตอรี่’ เพื่อรักษาตลาดที่มั่นคงไว้ก่อนที่มันจะกลายเป็นที่นิยมใช้มากกว่านี้ในอนาคต”
ถึงกระนั้นก็ยังมีสถานที่อื่น ๆ ที่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์กำลังเปลี่ยนแบตเตอรี่ทั้งหมด ตัวอย่างหนึ่งคือ กังหันลม Wind Turbine โดยเฉพาะกังหันลมผลิตไฟฟ้าที่อยู่นอกชายฝั่งซึ่งเข้าถึงได้ยาก .. ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ สามารถให้ตัวอย่างที่ยอดเยี่ยม เช่น ความสามารถในการกระชากของพลังงานที่จำเป็นในการปรับมุมใบพัดกังหันในสภาพลมที่เปลี่ยนแปลง
แบตเตอรี่นั้น แม้จะตอบสนองความต้องการดังกล่าวนี้ได้เช่นกัน แต่แบตเตอรี่เสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วในสถานการณ์ที่มีการกระชากของพลังงาน เนื่องจากสารเคมีสูญเสียประสิทธิภาพเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งทั้งหมดคือต้นทุนการซ่อมบำรุงที่เจ็บปวด และเนื่องจากตัวเก็บประจุยิ่งยวด ไม่ต้องพึ่งพาสารเคมีใด ๆ ในการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้า .. ดังนั้น การประยุกต์ใช้ตัวเก็บประจุ Capacitors ซึ่งอายุการใช้งานยาวนานกว่า และต้องการการซ่อมบำรุงดูแลน้อยกว่า กลายเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับระบบกังหันลมที่ติดตั้งบนเสาสูง และตำแหน่งที่ตั้งห่างไกล ทำให้มีต้นทุนในการบำรุงรักษาในภาพรวมลดลง
รถยนต์ในยุโรปบางรุ่นก็ใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ในแบบที่คล้ายกับรถประจำทางไฟฟ้า .. รถยนต์ “ไมโครไฮบริด” ของยุโรปบางรุ่นต้องปิดตัวเองลงเมื่อไม่มีลูกค้าซื้อมันไปใช้งาน โดยปกติแล้วเทคโนโลยี “Start – Stop” จะใช้แบตเตอรี่เพียงอย่างเดียว แต่ บริษัท PSA ผู้ผลิตรถยนต์สัญชาติฝรั่งเศส ใช้ Maxwell Supercapacitors ในรถยนต์ Citroen และ Peugeot บางรุ่น และมันสามารถทำยอดขายได้ดี ซึ่งอาจจะเนื่องจากสมรรถนะ และอายุการใช้งานที่เพิ่มขึ้นมาก ทำให้ผู้ซื้อเชื่อมั่นในความคุ้มค่า
อย่างไรก็ตามแบตเตอรี่ ยังมีราคาถูกกว่ามาก และคงยึดตลาดรถยนต์ไมโครไฮบริดส่วนใหญ่ไว้ เนื่องจากซูเปอร์คาปาซิเตอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มาพร้อมกัน มีราคาสูง ซึ่งส่วนต่างมักจะถูกใช้ไปในค่าใช้จ่ายที่จำเป็นด้านอื่น ๆ .. ทั้งนี้ ผู้สนับสนุนด้านเทคโนโลยี ยังคงยืนยันว่า ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ จะมีราคาต่ำกว่าในระยะยาว เนื่องจากอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ และประหยัดน้ำมันมากกว่า
ถึงกระนั้นเมื่อพูดถึงรถยนต์ไมโครไฮบริดที่ใช้ Supercapacitors ยังมีราคาเริ่มต้นสูงกว่ารถยนต์ไมโครไฮบริดที่ใช้ Lithium Ion Batteries อยู่ค่อนข้างมาก .. ขณะที่สมรรถนะในการขับขี่ดูไม่ต่างกันมากนัก ดังนั้น ประสิทธิภาพ และต้นทุนความเป็นเจ้าของที่คุ้มค่าในระยะยาว จึงมักไม่ใครคิดถึงมัน
Graphene กุญแจสำคัญในการเอาชนะการแข่งขัน ..
วัสดุใหม่ที่อาจช่วยให้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ สามารถแข่งขันกับแบตเตอรี่ลิเธียม ในเรื่องความหนาแน่นของพลังงาน ได้ดีขึ้น .. นักวิทยาศาสตร์หลายคนให้ความสำคัญกับ Graphene Carbon กราฟีนคาร์บอน ที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว มันบางอย่างยิ่ง และมันสร้างความตื่นเต้นอย่างมากนับตั้งแต่มีการนำมาประยุกต์ใช้งานเมื่อสิบปีก่อน
Graphene กราฟีน ได้รับการพิสูจน์แล้วว่า ราคาที่เคยแพงลิ่วในการผลิตแต่เดิมนั้น กำลังลดลงอย่างมีนัยยะสำคัญ เมื่อเร็ว ๆ นี้ ในห้องปฏิบัติการแสดงให้เห็นว่า อุปกรณ์ในครัวเรือนราคาถูกทั่วไปนั้น สามารถสร้างแผ่นกราฟีน Graphene Fiber คุณภาพสูงราคาไม่แพงได้ นักศึกษาปริญญาโทคนหนึ่งใช้เครื่องเขียนดีวีดี เพื่อสร้างกราฟีนในห้องปฏิบัติการเคมีที่ดำเนินการโดย Ric Kaner ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลิส
DVD Drive ไดรฟ์ดีวีดี มีคุณสมบัติที่เรียกว่า LightScribe ซึ่งจะสลักภาพลงบนพื้นผิวของดีวีดี ปรากฎพบว่าลำแสงเลเซอร์ สามารถแปลงวัสดุทั่วไปอย่างแกรไฟต์ออกไซด์ให้เป็นแผ่นกราฟีน Graphene ได้ การค้นพบนี้ได้อธิบายไว้เมื่อปีที่ผ่านมาในวารสาร Science Magazines
ลำแสงเลเซอร์สร้างกราฟีนที่มีลักษณะเฉพาะ ซึ่งทำให้มีแนวโน้มกลายเป็นวัสดุพิเศษสำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ มันมีรู หรือรูพรุน และกราฟีนที่มีรูพรุนแผ่นบางเฉียบนี้ สามารถซ้อนกันได้ลึกหลายชั้น ในขณะที่ทั้งสองด้านของแต่ละชั้น ยังสามารถเข้าถึงได้ .. ในการทดลองนั้น หากใช้แผ่นกราฟีน Graphene จะสามารถเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานได้เป็นสองเท่า หรือสามเท่าของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ทั่วไป
Ric Kaner กล่าวว่า อะตอมของคาร์บอนชั้นเดียว ไม่สามารถกักเก็บพลังงานไว้ได้มากนัก “มันน่าตื่นเต้นมากเวลาที่คุณสามารถวางมันซ้อนกันได้หลายร้อย หรือหลายพันชั้น Layers และนั่นคือสิ่งที่เรากำลังทำอยู่”
ไม่มีใครคาดเดาได้ว่าวัสดุใหม่ที่ปรากฏว่าถูกใช้ในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ จะสามารถทำตลาดในเชิงพาณิชย์ได้เมื่อใด นอกจากหวังว่า มันจะไม่ถึงสิบปี หรืออาจภายในห้าปี ถึงจะเป็นเช่นนั้น ปัจจุบัน ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ มักจะถูกใช้งานควบคู่ไปกับแบตเตอรี่ “พวกเขายังไม่สามารถเปลี่ยน หรือแทนที่แบตเตอรี่ทั้งหมดได้” Kaner กล่าว
แต่ถ้าในที่สุดแล้ว พวกเขาจะสามารถจัดเก็บพลังงานได้เพียงพอที่จะแข่งขันกับแบตเตอรี่ได้ในที่สุด .. ซุป เปอร์คาปาซิเตอร์ ยังมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ ได้แก่ ความสามารถในเรื่องกำลังไฟฟ้าที่สูงกว่า และใช้งานได้หลายล้านรอบ Kaner กล่าว “นอกจากนี้ยังแตกต่างจากแบตเตอรี่ คือ ไม่ชาร์จไฟเกิน และไม่ร้อนเกินไป รวมทั้งมันปลอดภัยกว่า”
ข้อได้เปรียบด้านความปลอดภัยของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ จะเพิ่มขึ้นตามความต้องการพลังงานแบบพกพาที่เพิ่มขึ้น Harrop จาก IDTechEX กล่าว .. อย่างไรก็ตาม ตัวเก็บประจุเอง ก็ยังต้องคำนึงในเรื่องความปลอด ภัยด้วยอยู่ดี เนื่องจากเทคโนโลยีใด ๆ ที่เก็บพลังงานอาจเป็นอันตรายได้เสมอ แต่ผู้ผลิตกำลังเลิกใช้สารเคมีที่เป็นพิษ และไวไฟที่ใช้ใน Supercapacitors .. ทั้งนี้ อย่างไรเสีย Supercapacitors ก็มีบันทึกด้านความปลอดภัยที่ดีกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน Lithium Ion Battery แน่นอน เขากล่าว
ในขณะเดียวกันความปลอดภัยของแบตเตอรี่ จะกลายเป็นปัญหามากขึ้นเมื่อเซลล์มีขนาดใหญ่ขึ้น เช่น ในขณะนี้ ความต้องการสมรรถนะรถยนต์ไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ยิ่งแบตเตอรี่มีขนาดใหญ่เท่าไหร่ก็ยิ่งมีโอกาสเกิดข้อผิดพลาดมากขึ้นเท่านั้น Harrop กล่าวเสริม “การทำให้แบตเตอรี่ปลอดภัย สำหรับของบางอย่าง เช่น โทรศัพท์นั้น ง่ายกว่าการทำให้เกิดปลอดภัยสำหรับรถยนต์เป็นอย่างมาก”
อนาคตของ Supercapacitors กับ Supercapacitor Microgrid ..
การใช้งาน Supercapacitors ในระบบจัดเก็บพลังงาน Off – Grid and Energy Storage บนระบบ Micro Grid ขึ้นอยู่กับการออกแบบโมดูลาร์ สามารถกำหนดค่าให้ตรงกับข้อกำหนดด้านพลังงาน และความจุที่จำเป็นสำหรับแอปพลิเคชันของคุณ ระบบคอนเทนเนอร์จัดเก็บขึ้นอยู่กับตู้คอนเทนเนอร์มาตรฐานเริ่มตั้งแต่ kW/kWh ถึง MW/MWh
ข้อไขการจัดเก็บพลังงานรูปแบบ Modular ในตู้คอนเทนเนอร์ จะช่วยให้สามารถติดตั้งได้อย่างรวดเร็ว ใช้งานได้อย่างปลอดภัย และมีการควบคุมสภาพแวดล้อมได้ดี รวมทั้งสะดวกในการต่อเชื่อมกับระบบ Micro Grid ในท้องถิ่น และชุมชน ได้เป็นอย่างดีอีกด้วย
ปัจจุบันบริษัทเอกชนที่ผลิตและออกแบบใช้ Supercapacitors ในระบบจัดเก็บพลังงานรูปแบบ Modular ใส่ไว้ในตู้คอนเทนเนอร์เช่นเดียวกับระบบที่ใช้ชุดแบตเตอรี่ Lithium Ion Battery Packs มีอยู่หลายบริษัทแล้วในปัจจุบัน ตัวอย่างเช่น บริษัท Zoxcell Ltd. ในฮ่องกง หรือ บริษัท Maxwell Technologies Inc. ของสหรัฐฯ และอีกหลาย ๆ บริษัทในยุโรป อินเดีย และจีน เป็นต้น มันสามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้า 12V – 786V ด้วยสมรรถนะ Charge & Discharge ที่เร็วกว่า สูงกว่า รวมทั้งมีอายุการใช้งานมากกว่า 30 ปี ซึ่งชุดแบตเตอรี่ทั่วไปทำไม่ได้ ในราคาที่ลดลงมาอย่างมาก
สำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้านั้น ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ อาจกำลังกลายเป็นสิ่งสำคัญเช่นกัน .. ชิ้นส่วนสำหรับตลาดที่กำลังเติบโตของรถยนต์ Micro Hybrid และรถโดยสารไฟฟ้าขนาดใหญ่ .. ในการนี้ Supercapacitor สามารถให้พลังงานในระหว่างหยุด เบรก และยังให้พลังงานสำหรับการเริ่มออกตัว ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ จะถูกชาร์จใหม่ในขณะที่รถกำลังเดินทาง จึงเหมาะสมมากหากใช้งานร่วมกับแบตเตอรี่ความหนาแน่นพลังสูง ซึ่งมีตัวอย่างการใช้งานจริงแล้วในประเทศจีน
หากงานวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ Supercapacitor ประสบความสำเร็จไปได้ด้วยดี เราก็จะมีแบตเตอรี่ชนิดใหม่รูปแบบ Super Capacitor Batteries มาแทนที่ชนิดเดิม มันอาจเป็นแบตเตอรี่ที่เล็กกว่า เก็บประจุได้มากกว่า ปลอดภัยกว่า อายุการใช้งานมากกว่า และชาร์จได้เร็วกว่าหลายเท่า นอกจากผู้ใช้งานจะได้ประ โยชน์เต็ม ๆ แล้ว ผู้ผลิตสมาร์ทโฟน คอมพิวเตอร์ หรืออุปกรณ์อิเล็กโทรนิกส์ต่าง ๆ ก็จะสามารถพัฒนาอุป กรณให้บางยิ่งกว่าเดิม และมีพื้นที่เหลือสำหรับใส่ฮาร์ดแวร์อื่น ๆ ลงไปได้อีกด้วย
แม้ว่าแบตเตอรี่แห่งอนาคตนี้ จะยังอยู่ในขั้นทดสอบเท่านั้น แต่กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ และทีมวิจัย ก็เตรียมที่จะนำนวัตกรรมใหม่ ๆ เสนอบริษัทเอกชนที่สนใจเพื่อการผลิตมันเป็นผลิตภัณฑ์เชิงพานิชย์ในราคาที่แข่งขันได้ในตลาด จึงค่อนข้างจะแน่ใจได้ว่า เราจะได้เห็นแบตเตอรี่ชนิดใหม่นี้ ออกมาวางจำหน่ายกันในอนาคตอันใกล้นี้ ..
สรุปส่งท้าย ..
Elon Musk ได้ทุ่มเททรัพยากรจำนวนมาก ไม่ต้องพูดถึงการวางแผนใช้พื้นที่มากมาย ให้กับระบบการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ด้วยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน Lithium Ion Batteries .. แต่เชื่อหรือไม่ เขาเองก็คิดและเข้าใจอย่างดีเสมอว่า ในที่สุดแล้ว ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ Supercapacitors นั้น มันจะกลายเป็นอนาคตของเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานอย่างแน่นอน หากมันถูกใช้ร่วมกันกับแบตเตอรี่แบบผสมผสาน
ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ Supercapacitors เปรียบเสมือนแบตเตอรี่ ยกเว้นว่ามีขนาดใหญ่มาก เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียม Lithium Ion Batteries เป็นต้น และจะคายพลังงานจำนวนมากอย่างรวดเร็ว ซึ่งหมาย ความว่าปัจจุบันมีการใช้งานในลักษณะเฉพาะ แม้ว่าจะมีแนวคิดอื่น ๆ อีกมาก เช่น การใช้งานร่วมกับแบต เตอรี่รูปแบบผสมผสาน Hybrid ที่สร้างสมดุลระหว่าง Energy Density กับ Power Density ให้ตรงกับความต้องการการใช้งานเป็นกรณีๆ ไป
บางทีความก้าวหน้าในวัสดุนาโน เช่น กราฟีน Graphene เป็นต้น จะสร้างนวัตกรรมใหม่ ๆ ในระบบจัดเก็บ และบริหารพลังงาน .. ทั้งนี้ หากคุณรู้จัก Graphene คุณจะรู้ว่า มันแข็งแกร่งยิ่งกว่าเพชร มันบางกว่า เบากว่า แข็งกว่า และเหนียวกว่า ทุกวัสดุอื่นใด ๆ รวมทั้งมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่สุดยอด
ทั้งนี้เชื่อกันว่า มันจะอาจสร้างโอกาสให้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ Supercapacitors กลายเป็นระบบแบตเตอรี่รุ่นใหม่ในระบบจัดเก็บพลังงาน ซึ่งมันเป็นเรื่องน่าสนใจอย่างยิ่งในการประยุกต์ใช้ กราฟีน Graphene กับ Hybrid Supercapacitors ในฐานะวัสดุชั้นยอดที่อาจเปลี่ยนแปลงโลกอนาคตได้
อย่างไรก็ตาม ตัวเก็บประจุยิ่งยวดSupercapacitor มักถูกเข้าใจผิด มันมิใช่แบตเตอรี่ และมิได้มาแทนแบตเตอรี่เพื่อเก็บพลังงานในระยะยาว ตัวอย่างเช่น หากเวลาในการชาร์จและการคายประจุมากกว่า 60 วินาทีให้ใช้แบตเตอรี่จะเหมาะกว่า แต่ถ้าสั้นกว่านั้น การซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะประหยัดกว่า เหมาะสมกว่า
ตัวเก็บประจุยิ่งยวด หรือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ เหมาะอย่างยิ่งเมื่อจำเป็นต้องมีการชาร์จอย่างรวดเร็ว เพื่อเติมเต็มความต้องการพลังงานระยะสั้น ในขณะที่แบตเตอรี่ ถูกเลือกเพื่อให้พลังงานในระยะยาว การรวมทั้งสองอย่างเข้ากับแบตเตอรี่ไฮบริดจะตอบสนองความต้องการทั้งสอง และลดความเครียดของแบตเตอรี่ ซึ่งสะท้อนถึงอายุการใช้งานที่ยาวนาน ปัจจุบันแบตเตอรี่ดังกล่าวมีจำหน่ายในตระกูลกรดตะกั่ว ซึ่งกำลังถูกแทนที่ด้วยแบตเตอรี่ลิเธี่ยมได้เกือบทั้งหมดในอีกไม่นาน
ทั้งนี้ ตัวเก็บประจุยิ่งยวด หรือซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ มีประสิทธิภาพสูงสุดในการเชื่อมช่องว่างของพลังงานที่ยาวนานตั้งแต่ไม่กี่วินาทีถึงไม่กี่นาที และสามารถชาร์จใหม่ได้อย่างรวดเร็ว .. ระบบมู่เล่ Flywheel Energy Storage มีคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกัน และแอปพลิเคชันที่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ แข่งกับระบบมู่เล่ Flywheel Energy Storage คือการทดลองใช้งานกับระบบราง Long Island Rail Road : LIRR ในนิวยอร์ก สหรัฐฯ .. LIRR เป็นหนึ่งในทางรถไฟที่พลุกพล่านที่สุดในสหรัฐฯ ซึ่งประสบความสำเร็จอย่างดี
มันถูกใช้งาน เพื่อป้องกันแรงดันไฟฟ้าลดลงระหว่างการเร่งความเร็วของรถไฟ และเพื่อลดการใช้พลังงานสูงสุด ชุดของซูเปอร์คาปาซิเตอร์ Supercapacitors Bank ขนาด 2MW กำลังได้รับการทดสอบในนิว ยอร์ก กับระบบมู่เล่ Flywheel ที่ให้พลังงาน 2.5MW ทั้งสองระบบต้องจ่ายพลังงานอย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 30 วินาทีที่ความจุเมกะวัตต์ตามลำดับ และชาร์จไฟจนเต็มในเวลาเดียวกัน เป้าหมาย คือเพื่อให้บรรลุ 10 เปอร์เซ็นต์ของแรงดันไฟฟ้าตามมาตรฐานของระบบ และทั้งสองระบบต้องมีการบำรุงรักษาต่ำ และมีอายุการใช้งาน 20 ปี
ผู้เกี่ยวข้องเชื่อว่า ระบบมู่เล่ หรือ Flywheel มีความทนทาน และประหยัดพลังงานสำหรับแอปพลิเคชันนี้มากกว่าการใช้ชุดแบตเตอรี่ แต่เมื่อทดสอบใช้ชุดของซูเปอร์คาปาซิเตอร์ Supercapacitors Bank พบว่ามันไม่ต่างกัน แต่บำรุงรักษาได้ง่ายกว่า และประหยัดกว่า
นอกจากนี้ ยังมีตัวอย่างในประเทศญี่ปุ่น ซึ่งใช้งานซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ขนาดใหญ่ ระบบ 4MW ถูกติดตั้งในอาคารพาณิชย์ เพื่อลดการใช้พลังงานไฟฟ้าจากระบบสายส่งกริดในช่วงเวลาที่มีความต้องการสูงสุด และการลดโหลด .. รวมทั้งการประยุกต์ใช้งานอื่น ๆ เช่น การเริ่มต้นการเปิดระบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองในช่วงที่ไฟฟ้าดับ ซึ่งมันจะทำหน้าที่จ่ายพลังงานไฟฟ้าได้เสถียรอย่างต่อเนื่องเหมือนไม่มีอะไรเกิดขึ้น จนกว่าระบบไฟฟ้าสำรองจะทำงานได้สมบูรณ์ โดยไม่มีรอยต่อ
ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ Supercapacitors ได้ทำการรุกล้ำเข้าไปในระบบส่งกำลังไฟฟ้า ด้วยคุณสมบัติของมัน และอานิสงส์ของการชาร์จอย่างรวดเร็วเป็นพิเศษในระหว่างการเบรกแบบรีเจนเนอเรชั่น Regenerative Braking และการส่งกระแสไฟฟ้าที่สูงในการเร่งความเร็วนั้น ทำให้ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเพิ่มโหลดสูงสุดสำหรับรถยนต์ไฮบริด ในลักษณะเดียวกับการใช้งานรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง Fuel Cell Car ในช่วงอุณหภูมิที่กว้างกว่า และอายุการใช้งานยาวนานกว่า ทำให้ได้เปรียบแบตเตอรี่ Lithium Ion Batteries
ปัจจุบัน ตัวเก็บประจุยิ่งยวด หรือ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ยังมีพลังงานจำเพาะต่ำเกินไปสำหรับการใช้งานบางประเภท แม้จะมีกำลังกระชากสูง แต่มันยังมีราคาแพงมากในแง่ของต้นทุนต่อวัตต์ .. วิศวกรออกแบบบางคนยืนยันว่า ปัจจุบัน เงินสำหรับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ จะถูกใช้ไปกับแบตเตอรี่ขนาดใหญ่กว่า
แต่อย่างไรก็ตาม ในอนาคตนั้น ด้วยความก้าวหน้าด้านวัสดุนาโน เช่น กราฟีน Graphene รวมทั้งการวิจัยและพัฒนาเกี่ยวกับ ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบผสมผสาน Hybrid Supercapacitors จะสร้างโอกาสให้มัน กลายเป็นระบบแบตเตอรี่รูปแบบผสมผสานรุ่นใหม่ ๆ ในระบบ Grid – Scale Battery Storage และในระบบจัดเก็บพลังงานในอนาคต
ที่อุปกรณ์มีขนาดเล็กกว่า เก็บประจุและคายประจุได้มากกว่า รวดเร็วกว่า ปลอดภัยกว่า มีอายุการใช้งานมากกว่า และชาร์จพลังงานได้เร็วกว่าระบบที่ใช้งานอยู่ปัจจุบันหลายเท่า ซึ่งจะเกิดประโยชน์ต่อความมั่นคงทางพลังงานในกรอบเล็กที่สุดในสังคม ชีวิตประจำวัน ไปจนถึงกรอบกว้างระดับพื้นที่ ในเมือง ชุมชน และประเทศ ด้วยเทคโนโลยีที่เปลี่ยนอนาคตของโลกได้สำเร็จในที่สุด ..
………………………………………..
คอลัมน์…..Energy Key
โดย…..โลกสีฟ้า
สนับสนุนคอลัมน์ โดย E@ บริษัท พลังงานบริสุทธิ์ จำกัด (มหาชน)
ขอบคุณเอกสารอ้างอิง :-
Supercapacitors Amp Up as an Alternative to Batteries :-
Supercapacitors versus Batteries :-
Supercapacitor vs Battery – Comparison and Case Study
Supercapacitors – A Brief Overview for Investors
Could Ultracapacitors Replace Batteries in Future Electric Vehicles?
China takes the Lead in Adopting the All – Electric Bus Equipped with Supercapacitors
Supercapacitor – Super Capacitor
How do supercapacitors work? – Explain that Stuff
An Introduction to Supercapacitors – Circuit Digest
The Use of Supercapacitors for Energy Storage
Graphene Fiber Based Supercapacitors : Strategies and Perspective toward High Performances
Synthesis of Graphene Fibers for use in Supercapacitors
