المكثفات الفائقة وعجائب الطبقة المزدوجة

إن ظاهرة الطبقة المزدوجة وتطوير المكثفات الفائقة هي في طليعة الأبحاث الأكاديمية والصناعية في جميع أنحاء العالم. وفي هذا المجال أيضًا، تقود إسرائيل الأبحاث العالمية، وتعرض تطورات متقدمة وعملية في التعاون الأكاديمي الصناعي. يتم إجراء الكثير من الأبحاث في المركز الوطني للدفع الكهروكيميائي (INEP) بقيادة البروفيسور دورون أورباخ من جامعة بار إيلان.

وفيما يتعلق بالكيمياء، التي تتعامل مع الروابط بين الذرات، فإن الأجزاء الأصغر من الذرة هي التي لها التأثير الأكثر حسمًا. إن الإلكترونات، وهي جسيمات محمومة وسالبة في حد ذاتها، هي المسؤولة عن "السياسة الخارجية" للذرات. وبمساعدة هذه الجسيمات المشحونة، تشكل الذرات روابط مع بعضها البعض. يمكن للذرات أن ترتبط من خلال مشاركة الإلكترونات (الروابط التساهمية) أو نقل الإلكترونات من واحدة إلى أخرى (الرابطة الأيونية). عند تكوين الروابط الكيميائية، تغير الذرات حالة الأكسدة الخاصة بها، أي الشحنة الكهربائية التي تحملها. التفاعل الكيميائي بشكل عام، والكهروكيميائي بشكل خاص، يتناول تغيير حالات أكسدة الذرات المشاركة فيه (تفاعل الأكسدة والاختزال)، فعند إضافة إلكترون تجعل الشحنة النوعية للذرة سالبة، والتخلي عن إلكترون يجعل شحنتها موجبة. الطاقة الموجودة في مثل هذه الرابطة هي في حدود عدة مئات من الكيلوجول (kJ).

لكن الإلكترونات يمكنها تكوين روابط بين الجزيئات حتى دون الانتقال من ذرة إلى أخرى. تسمى هذه الروابط أحيانًا "الكهروستاتيكية" لأن الإلكترونات تبقى حول ذرتها، لذا من الأصح تسميتها تفاعلات وليس روابط. وتكون هذه التفاعلات أضعف بعدة مراتب من حيث الحجم، وتكون الطاقة المخزنة فيها صغيرة نسبيًا، في حدود بضعة كيلوجول.

الترابط الكهروستاتيكي هو القوة الكامنة وراء ظاهرة تسمى "سعة الطبقة الكهربائية المزدوجة" (EDLC). عندما يتم غمر سطح موصل في محلول يحتوي على أيونات، ويتم تطبيق شحنة كهربائية عليه من مصدر جهد خارجي، فإن الأيونات الموجودة في المحلول، والتي لها شحنة معاكسة، تنجذب وتلتصق بالسطح عن طريق جذب الشحنات المعاكسة. ويسمى هذا الارتباط الضعيف بالامتزاز الكهروستاتيكي، والطاقة الموجودة فيه منخفضة نسبيًا. لكن في بعض الأحيان تكون الحيلة هي معرفة كيفية تحويل العيب إلى ميزة. وبمساعدة القليل من الإبداع والكثير من التحسين، لم يتمكن العلم من التعرف على هذه الظاهرة فحسب، بل تمكن أيضًا من تسخيرها لصالح البشرية.

لكن يتعين على العلماء أن يضعوا كل فكرة في صيغ حتى يتمكنوا من التعامل بفعالية مع الظاهرة التي اكتشفوها. ولصياغة الأمر بشكل صحيح، يجب وضع سطحين موصلين في المحلول، ويطلق عليهما بهذه الطريقة أقطاب كهربائية. الآن، بدلًا من تطبيق جهد كهربائي على سطح واحد، سنقوم بتطبيق جهد كهربائي بين القطبين. لكي نفهم بشكل بديهي ما هو الجهد الكهربائي، فإننا نسميه باسمه الأكثر دقة "فرق الجهد"، أي فرق الشحن - حيث يتم تحميل أحد القطبين بشحنة موجبة والآخر بشحنة سالبة. مثل هذا النظام هو نظام معروف في الفيزياء ويسمى المكثف الإلكتروني. اتضح أن هناك حدًا لكمية الشحنة التي يمكن أن يحملها هذا المكثف ويعتمد ذلك على حجم الأقطاب الكهربائية والمسافة بينهما ويصر على التصرف وفقًا للمعادلة:
ج=Aε/د

أي أن السعة (C) تزداد كلما زادت مساحة الأقطاب (A) وتقل مع زيادة المسافة بينهما (d). (ε هو ثابت يعتمد على النظام، ومن باب التبسيط سنتجاهله في هذه المقالة). وتستخدم هذه المكثفات على نطاق واسع في العديد من الأنظمة الإلكترونية ودورها هو توفير التيار اللازم لهذه الأنظمة، مثل: الذواكر الإلكترونية، وأنظمة الكشف والتحكم، والميكروفونات، ومرافق تحويل الطاقة وغيرها. كان عالمنا الصناعي والماهر متعطشًا جدًا للأنظمة المحمولة القادرة على تخزين الطاقة وتوصيلها. ولماذا لا يتم الإعلان عن المكثفات للشخص العادي الذي لا يتعامل مع الإلكترونيات؟ الجواب هو أن قدرة الطاقة لهذه الأنظمة محدودة للغاية. في الواقع، لتوفير طاقة كهربائية تعادل طاقة بطارية الإصبع AA، كان لا بد من وضع قطبين كهربائيين في نفس الوقت في مساحة تبلغ حوالي عشرة ملاعب كرة قدم لكل منهما. إنه بالتأكيد غير مريح.

وهنا يأتي دور ظاهرة الطبقة المزدوجة. اتضح أن مكثف الطبقة المزدوجة من نفس الحجم قادر على الوصول إلى سعة أكبر بمليون مرة من المكثف الكلاسيكي (ما يصل إلى 200 فاراد لكل جرام). لا عجب أنه يسمى مكثف فائق.

كيف يفعل ذلك؟ تتضمن الإجابة تصميم أقطاب المكثف الفائق: فهي ليست أسطحًا ناعمة ولكنها مصنوعة من مادة مسامية للغاية مع مساحة سطحية كبيرة. عادة ما يتم استخدام الكربون المنشط، وهو غير مكلف وموصل جيد ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه يمكن ثقبه بسهولة مثل الإسفنج بحيث يصل إلى مساحة سطحية قريبة جدًا من الحد النظري - أكثر من 2,000 متر مربع لكل جرام. إذا عدنا وألقينا نظرة على معادلة السعة، فسنفهم على الفور التأثير الحاسم لمساحة السطح الضخمة (A) على زيادة سعة المكثفات الفائقة.

ولكن هذا ليس كل شيء. هناك معلمة أخرى في المنارة وهي المسافة بين الأقطاب الكهربائية (د). تواجه الشركات المصنعة للمكثفات الكلاسيكية قيودًا عند محاولة تقليل المسافة. تحت الحد الأدنى للمسافة، تقوم الأقطاب الكهربائية ببساطة "بصق" الكهرباء على بعضها البعض (تعتمد المسافة الدنيا على الجهد الكهربائي بينهما). تستفيد المكثفات الفائقة من ظاهرة الطبقة المزدوجة: يمكن وضع الأقطاب الكهربائية على مسافة كبيرة من بعضها البعض (عدة مئات من الميكرومترات) لأن مسافة تخزين الطاقة تقاس بين القطب والأيونات الملتصقة به من المحلول. دعونا نرسم نموذجًا مجردًا: الأيونات ذات الشحنة المعاكسة لتلك التي قمنا بشحن القطب بها، تلتصق بالقطب وتغطي السطح بالكامل وتخلق بشكل أساسي نوعًا من الطبقة المشحونة الثانية المقابلة لطبقة القطب (ومن هنا الاسم - طبقة مزدوجة). ما هي المسافة بين السطحين؟ هذه هي النقطة الأساسية: داخل المحلول، كل أيون محاط مثل البصلة بطبقات من جزيئات المذيب المعروفة بطبقة المذيبة، لأنه بهذه الطريقة، عندما يلتصق الأيون بالقطب، تقف طبقة المذيب بينه وبين القطب. موضوع جاذبيته ولا يسمح بالاتصال بينهما. إذا كان الأمر كذلك، فإن الجواب على سؤال ما هي المسافة بين السطحين المشحونين هو قطر جزيء المذيب، والذي يقدر عادة ببضعة أنجستروم (10-10 أمتار) فقط. إذا تذكرنا موضع الحرف d في مقام معادلة السعة، سنفهم أهمية تقليل المسافة بين الأقطاب الكهربائية. تتغلب ظاهرة الطبقة المزدوجة على الصعوبات التقنية المتمثلة في وضع قطبين كهربائيين قريبين جدًا من بعضهما البعض بطريقة متطورة وجميلة: "إنشاء" قطب كهربائي جديد من الأيونات والذي بحكم تعريفه مجاور للقطب القديم. وبهذه الطريقة يتم تحقيق مثل هذا التحسن الكبير في سعة المكثفات الفائقة.

تأخذ شركة Kabali Super مكانها في سوق تخزين الطاقة. تهيمن البطاريات على هذا المجال، حيث تشتمل آلية تخزين الطاقة الخاصة بها على تفاعلات كيميائية عالية الطاقة. على الرغم من وجود مزايا ملحوظة أيضًا للتفاعلات الضعيفة للمكثفات الفائقة.

التفاعلات الكهروستاتيكية أسرع بكثير من التفاعلات الكيميائية التي تنطوي على إنشاء مواد جديدة، لذلك بينما تقوم البطاريات بتفريغ الطاقة المخزنة فيها ببطء وبتيارات منخفضة، يمكن للمكثفات الفائقة توصيل الطاقة المخزنة فيها في بضع ثوانٍ. في الأنظمة التي تحتاج إلى نبضات قصيرة وعالية الطاقة، هناك تفضيل لاستخدام المكثفات الفائقة. ومن الأمثلة المهمة التي تتطلب الكثير من الطاقة في وقت قصير هو نظام الطوارئ الذي تم تركيبه في طائرات إيرباص. مجال الاستخدام الآخر الذي تم تطويره بشكل متسارع في السنوات الأخيرة هو السيارة الكهربائية. مصدر الطاقة الرئيسي لها هو بطارية عالية الطاقة، ولكن لتسريعها أو القفز عليها، يتطلب الأمر نبضًا سريعًا وعصبيًا للتيار الإلكتروني، ويمكن توفير ذلك بواسطة مكثف فائق متصل بالبطارية.

إن ظاهرة الطبقة المزدوجة وتطوير المكثفات الفائقة هي في طليعة الأبحاث الأكاديمية والصناعية في جميع أنحاء العالم. وفي هذا المجال أيضًا، تقود إسرائيل الأبحاث العالمية، وتعرض تطورات متقدمة وعملية في التعاون الأكاديمي الصناعي. يتم إجراء الكثير من الأبحاث في المركز الوطني للدفع الكهروكيميائي (INEP) بقيادة البروفيسور دورون أورباخ من جامعة بار إيلان.