ตัวเก็บประจุยิ่งยวด

ตัวเก็บประจุยิ่งยวด (อังกฤษ: Supercapacitor หรือ Ultracapacitor หรือ Electric Double Layer Capacitor (EDLC)) เป็นตัวเก็บประจุไฟฟ้าจำนวนมากๆ บางตัวทำงานโดยไม่ใช้ปฏิกิริยาทางเคมี คาดว่าจะถูกนำมาใช้แทน แบตเตอรีในอนาคต

ประวัติ

เนื่องจาก ตัวเก็บประจุ ในปัจจุบันสามารถเก็บประจุได้จำนวนเล็กน้อย พลังงานที่ปลดปล่อยออกมา จึงมีปริมาณเล็กน้อยมาก มีค่าเป็นระดับไมโครฟารัด เรานำมันมาใช้งานในวงจรเรียงกระแสหรือกรองความถี่เท่านั้น แต่แบตเตอรีเก็บประจุได้มากกว่าก็จริง แต่ก็ใช้เวลาในการชาร์จนาน เพราะเนื่องจากทำงานด้วยปฏิกิริยาเคมี ต้องชาร์จด้วยกำลังไฟน้อยๆ เพื่อยืดอายุการใช้งาน จำนวนครั้งทีชาร์จจะประมาณไม่เกิน 1000 ครั้ง แบตเตอรีจะไม่สามารถปล่อยประจุออกมาได้เต็มกำลังของมัน เพราะ ภายในตัวมันเองมี ความต้านทานเสมือนอยู่ ซึ่ง ถ้าใช้กระแสสูง จะทำให้เกิดความร้อน เป็นอันตรายต่อผู้ใช้งานได้ หลังจากหมดอายุการใช้งาน ต้องระวังในการกำจัด เพราะมีสารตะกั่วซึ่งเป็นอันตรายต่อสภาพแวดล้อม

การค้นพบ

กราฟีนประกอบด้วยธาตุคาร์บอน 6 ตัวจับกันเป็นรูปรวงผึ้ง

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดโดยไม่ใช้ปฏิกิริยาเคมี เกิดขึ้นโดยบังเอิญในขณะทดสอบคุณสมบัติของสาร แกรฟีน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ Andre Geim และชาวรัสเซีย Konstantin Novoselov ได้พัฒนา แกรฟีน (graphene) ขึ้นในปี 2004 ซึ่งเป็นระนาบของ แกรไฟต์(Graphite ใช้ทำใส้ดินสอทั่วไป) เพียงชั้นเดียว มีความหนาเพียงอะตอมเดียว จากการทดลองพบว่า แกรฟีน มีความนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองมากๆ แข็งและเหนียวกว่าเหล็ก 125 เท่า นับว่าเป็นสารที่แข็งแรงและแกร่งที่สุดในโลก พับและยีดหยุ่นได้ดี และคุณสมบัติอื่นๆ อีกมาก ซึ่งจะทำให้เกิดการปฏิวัติอุตสาหกรรมได้ในอนาคต การค้นพบนี้ทำให้เขาทั้งสองคนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ร่วมกัน ในปี 2010

เนื่องจาก แกรฟีนมีคุณสมบัติในการม้วนงอได้ มีขนาดเล็ก จึงสามารถสร้างให้มีความหนาแน่นของตัวมันเองต่อหน่วยพื้นที่ผิวภาชนะบรรจุสูงมาก ทำให้เก็บประจุต่อหน่วยพื้นที่ได้สูงมากเช่นกัน ตัวเก็บประจุทั่วไปมีค่าความจุอยู่ในระดับไมโครฟารัดเท่านั้น แต่ตัวเก็บประจุยิ่งยวด มีค่าความจุสูงเป็นหมื่นฟารัดได้ จากการค้นพบในห้องทดลองพบว่า สามารถเก็บประจุได้เร็วมากราว 5-10 วินาที เท่านั้น และสามารถเก็บประจุไว้ได้นานมาก มีการสูญเสียประจุเพียงประมาณ 5-10 mA ต่อ 12 ชั่วโมงเท่านั้น

การนำมาใช้งานแทนแบตเตอรี

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดด้วยแกรฟีน สามารถใช้แทนแบตเตอรีได้เลย เพราะทำงานได้เหมือนแบตเตอรีทุกอย่าง เหมาะสำหรับ งานที่ต้องใช้กระแสสูง และชาร์จไฟได้เร็ว และชาร์จบ่อยๆ ตัวประจุไฟฟ้ายิ่งยวด จะมีความต้านทานเสมือนต่ำมาก เพียงประมาณ 0.7 มิลลิโอห์มเท่านั้น เมื่อต้องปล่อยประจุ ออกมาครั้งละมากๆ เกิดความร้อนน้อย ไม่เป็นอันตรายต่อผู้ใช้ แต่แบตเตอรีทั่วไป มีดวามต้านทานเสมือนภายในสูง ถึง 120 มิลลิโอห์ม ถ้าต้องคายประจุมากๆในครั้งเดียว อาจเกิดความร้อนสูง เป็นอันตรายได้ ตัวเก็บประจุยิ่งยวด สามารถใช้ไฟชาร์จเท่ากับความสามารถในการเก็บประจุได้เลย เช่น ตัวอย่าง supercapacitor ขนาด 2600 F 2.5V ความจุ 4300W/kg น้ำหนัก 525 กรัม กระแสสามารถคำนวณได้ดังนี้

พลังงาน = 0.5*C*V^2 = 0.5x2600x2.5^2 = 8.125 KJ
3.6 KJ = 1 KW
8.125 KJ = 2.25 KW  
กระแส = W/V = 2.25x10^3/2.5 = 900A
safety factor 40%

ดังนั้น กระแสสูงสุดที่ supercapacitor ตัวนี้รับได้ เท่ากับ 600 แอมป์ ถ้าเรามี charger ขนาด 2.5 V 600 A ตามทฤษฎีแล้ว สามารถชาร์จเข้าไปได้เลย ไม่ต้องค่อยๆชาร์จทีละ 5-10% เข้าไป อายุการใช้งาน อาจได้ถึง 20,000 ครั้ง เนื่องจาก สารที่ใช้ทำตัวประจุยิ่งยวด มึความแข็งแกร่งที่สุดในโลก ตามที่ได้กล่าวมาแล้วข้างต้น จึงเหมาะกับนำไปใช้กับรถไฟฟ้า เพราะสามารถเติมไฟตามปั้มใช้เวลาเพียงไม่กี่นาทีก็เต็ม

ตัวประจุยิ่งยวด สามารถทำงานได้ในอุณหภูมิปกติ ไม่มีปัญหาเรื่องแบตเตอรีเอฟเฟค ไม่ต้องคอยเติมน้ำกลั่น เมื่อหมดอายุ สามารถนำไปเป็นปุ๋ยได้ ไม่มีปัญหากับสิ่งแวดล้อม

การทำงาน(ข้อมูลปี 2010)	ตัวเก็บประจุยิ่งยวด	ลิเทียม ไอออน แบตเตอรี
เวลาประจุเข้า	1-10 วินาที	10-60 นาที
จำนวนครั้งประจุเข้า	20,000	1,000
รอบการใช้งาน	30,000 ชม.	>500 ชม.
เซลล์โวลเทจ	2.3-2.75 V	3.6-3.7 V
พลังงาน(Wh/kg)	5	100-200
กำลังงาน(W/kg)	สูงถึง 10,000	1,000-3,000
ราคา/Wh	600 บาท	15-30 บาท
อายุการใช้งาน	10-15 ปี	5-10 ปี
อุณหภูมิที่ประจุไฟเข้า	-40-65° C	0-45° C
อุณหภูมิที่ปล่อยประจุไฟออก	-40-65° C	-20-60ยุด° C

การนำมาประยุกต์ใช้งาน

การใช้งานส่วนบุคคล

ใช้แทนแบตเตอรีของโทรศัพท์มือถือ จะทำให้สามารถประจุไฟให้เต็มภายใน 20 วินาที

ใช้เป็นแฟลชในกล้องถ่ายรูป เพราะต้องการไฟสูงในช่วงเวลาสั้น และต้องการให้ชาร์จไฟได้เร็ว

โตโยต้าพลีอุส ตัวอย่างรถไฟฟ้าที่เหมาะในการนำตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวดมาใช้

ใช้กับระบบที่มีโหลดขึ้นๆลงๆ เช่น แลพทอป พีดีเอ มือถือ ไฟฟ้าแสงอาทิตย์ ใช้เป็นตัวทำให้ระบบจ่ายไฟเสถียรขึ้น

ใช้กับไขควงไฟฟ้ามือถือ เพราะการชาร์จหนึ่งครั้ง จะใช้ขันสกรูได้เพียง 22 ตัว (แบตเตอรีได้ 37) แต่ต้องการความเร็วในการชาร์จ เพื่อทำงานต่อได้เร็วขึ้น

นำมาใช้กับรถยนต์ไฟฟ้า เพราะมันสามารถปล่อยพลังงานออกมาได้รวดเร็ว ทำให้ได้อัตราเร่งสูง และเมื่อมันมีความสามารถประจุไฟฟ้าได้เร็ว จึงทำให้ไม่มีปัญหาในการเสียเวลาในการเติมประจุในแต่ละครั้ง การใช้งานได้ยาวนานกว่าแบตเตอรีทั่วไป

การใช้งานสาธารณะ

ทำงานร่วมกับเซลล์แสงอาทิตย์ เพื่อจ่ายไฟให้สัญญาณจราจร เนื่องจาก ตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวด มีความทนทานต่อสภาวะอากาศกลางแจ้ง และมีอายุใช้งานนานนับ 10 ปี

ทางการแพทย์

ใช้กับเครื่องกระตุ้นหัวใจสำหรับคนไข้โรคหัวใจ หรือใช้กับตัวตรวจจับมะเร็งหัวใจแบบมือถือ มันใช้เวลาชาร์จ 150 วินาที และใช้งานได้ 60 วินาที

อุตสาหกรรม

ใช้เป็นไฟสำรองในกรณีฉุกเฉินให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงไฟต่ำ เช่น RAM และไมโครคอนโทรลเลอร์ หรือใช้เป็นตัวจ่ายพลังงานหลักให้กับอุปกรณ์อ่านมิเตอร์อัตโนมัติ หรืออุปกรณ์แจ้งเตือนในอุตสาหกรรมอิเลคโทรนิคส์

มีหลายกรณี ที่ตัวเก็บประจุยิ่งยวด ถูกนำมาใช้ควบคู่กับแบตเตอรี โดยเป็นตัวควบคุมการไหลเข้าและไหลออกของพลังงานจากแบตเตอรีในกรณืที่เกิดไฟฟ้าดับ หรือไฟฟ้าเกิน ถ้ามีปัญหาเป็นระยะเวลานานๆ จะใช้แบตเตอรี เป็นตัวจ่ายไฟแทน

ในอุปกรณ์ เครื่องจ่ายกำลังสำรอง หรือ UPS ตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวด จะถูกนำไปใช้แทนตัวเก็บประจุที่ใช้อิเลคโตรไลติคทั่ๆไป เพื่อประหยัดเนื้อที่ ประหยัดค่าบำรุงรักษา ไม่ต้องเปลี่ยนบ่อยๆ และยืดอายุแบตเตอรี

ตัวเก็บประจุยิ่งยวด ถูกใช้เป็นพลังงานสำรองเพื่อปรับระยะ pitch ของใบพัดกังหันลม ไม่ใช้แบตเตอรี เพราะทนทานกว่า

ในปี 2005 บริษัทเครื่องบินเยอรมันเลือกตัวเก็บประจุยิ่งยวด เพื่อจ่ายกำลังให้กับ ประตูอพยพฉุกเฉินสำหรับ เครื่องบินแอร์ไลเนอร์ และ แอร์บัส 380

ตัวทำให้พลังงานหมุนเวียนเสถียร

ในกรณีที่ โวลเทจจากพลังงานหมุนเวียนเกิดขึนๆลงๆ อาจเกิดจากพลังงานหมุนเวียนเองหรือจากโหลด ตัวเก็บประจุยิ่งยวด จะปล่อยพลังงานออกมาชดเชย ภายในเสี้ยวของวินาที ทำให้ลดความจำเป็นที่จะต้องปรับกำลังส่งหรือความถี่ ไม่ต้องปรับสมดุลของอุปสงค์อุปทาน และบริหารจัดการการผลิต

การทหาร

อุปกรณ์ทางทหารหลายอย่าง ที่ต้องใช้พลังงานอย่างรวดเร็ว จึงต้องใช้ตัวเก็บประจุยิ่งยวด เพราะเกิดความร้อนต่ำ อุปกรณ์ที่ต้องการกำลังสูงๆ ได้แก่รถถัง เรือดำน้ำ เรดาร์ เครื่องยิงแสงเลเซอร์ วิทยุสื่อสารทหาร จอแสดงการบินและอุปกรณ์การบิน เครื่องยิงขีปนาวุธควบคุมด้วยจีพีเอส

การขนส่งสาธารณะและการขนส่งขนาดใหญ่

สิ่งท้าทายก็คือต้องลดการบริโภคพลังงานและการปล่อยคาร์บอนไดอ๊อกไซด์ การนำพลังงานกลับคืนจากระบบเบรกสามารถตอบคำถามทั้งสองอย่าง ในการนี้ ต้องใช้ตัวเก็บและปล่อยพลังงานประสิทธิภาพสูงอย่างตัวเก็บประจุยิ่งยวด

Ultracapbus ใน Nuremberg, Germany

รถบรรทุกและรถราง

ในขณะรถกำลังหยุด พลังงานส่วนนั้นจะถูกเก็บเข้าไปตัวเก็บประจุยิ่งยวด พลังงานเดียวกันจะถูกปล่อยออกมาเพื่อสตาร์ทและเร่งเครื่องยนต์ ระบบนี้ต้องการอุปกรณ์ที่มีความทนทานและต้องการการบำรุงรักษาน้อย

รถเครนที่ยกคอนเทนเนอร์ ต้องใช้พลังงานเป็นจำนวนมากในการยกขึ้นและยกลง พลังงานในการหย่อนลงไปซ้อนกัน จะถูกเก็บไว้ใช้ในการทำงานในรอบต่อไป

เทอร์มินอลที่ใช้หัวลากใช้พลังจากตัวเก็บประจุยิ่งยวดประหยัดกว่า เงียบกว่า และไม่มีมลพิษ เหมือนเทอร์มินอลที่ใช้เชื้อเพลิงจากน้ำมันดีเซล

บางเหมืองถ่านหินในจีนใช้หัวลากแร่พลังงานจากตัวเก็บประจุยิ่งยวด ในการขนถ่านหินขึ้นมาบนผิวดิน แทนที่จะใช้หัวลากพลังดีเซลทั่วไป เพื่อไม่ให้เกิดประกายไฟ ตัวเก็บประจุยิ่งยวดจะถูกประจุพลังบนผิวดินใช้เวลาน้อยกว่า 30 วินาที

รถขนขยะกำลังพิจารณานำพลังจากตัวเก็บประจุยิ่งยวดมาใช้ เพราะลักษณะงานต้องวิ่งๆหยุดๆเป็นพันๆครั้งต่อวัน

รถไฟฟ้าขนส่งมวลชนขนาดเบา

ตั้งแต่ปี 2003 รถรางในเยอรมันติดตั้งระบบเก็บพลังงานจากเบรก พบว่า สามารถประหยัดพลังงานไปได้ถึง 30%

ในปี 2009 รถรางคันหนึ่งในปารีส ติดตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวดถึง 48 ตัว เพื่อเก็บพลังจากเบรก และกำหนดให้ในบางช่วงของเส้นทาง ใช้พลังจากที่เก็บไว้นี้เท่านั้น

รถรางในไฮเดลเบอก ใช้พลังจากตัวเก็บประจุยิ่งยวดเท่านั้น ค่าติดตั้งเป็นเงิน 270,000 ยูโร ต่อคัน คาดว่าจะคืนทุนใน 15 ปี

รถไฟฟ้าที่ใชบริการในงาน EXPO 2010 ที่ Shanghai (Capabus) กำลังชาร์จประจุที่ป้ายจอดรถ

เมื่อสิงหาคม 2011 บริษัทผู้ผลิตรถรางในจีนนำเสนอรถรางสองตอนติดตั้งตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวดเพื่อเก็บพลังจากเบรกและสามารถวิ่งให้บริการได้โดยไม่ต้องมีสายไฟจ่ายพลังงานเหนือหัวเลย

รถรางที่ฮ่องกง กำลังจะติดตัวเก็บประจุยิ่งยวดขนาด 2MW เพื่อลดการใช้พลังงานลง 10%

กระเช้าลอยฟ้า ในออสเตรเลีย ต้องใช้ไฟฟ้าตลอดทั้งวัน โอกาสที่จะชาร์จแบตเตอรีก็คือ ตอนหยุดรับส่งผู้โดยสอนเท่านั้น ซึ่งระยะเวลาสั้นเกินไป ตัวเก็บประจุยิ่งยวดจึงถูกนำมาใช้แทนแบตเตอรี เพราะชาร์ไฟได้เร็วกว่า

รถกระเช้าในออสเตรีย

การแข่งรถ 24 ชม.ของเลอมังในปี 2012 รถโตโยต้าไฮบริด TS030 ที่ใช้ตัวเก็บประจุยิ่งยวดเร็วกว่ารถออดี้ที่เร็วที่สุดที่ใช้ต้วเก็บประจุแบบฟลายวีลเพียง 1 วินาที TS030 ยังชนะในการแข่งขัน 3 ใน 8 ครั้ง ของ FIA ในปีเดียวกัน

รถไฟฟ้าไฮบริดนำตัวเก็บไฟฟ้ายิ่งยวดมาใช้ควบคู่กับแบตเตอรี การเก็บพลังงานจากเบรกทำให้ลดการใช้เชื้อเพลิงอ้างว่าได้เกือบ 60% เพราะความสามารถในการเก็บประจุได้เร็วมากของตัวเก็บประจุยิ่งยวด ปัจจุบัน ผู้ผลิตรถไฟฟ้าเกือบทุกราย มีรถต้นแบบที่ใช้ตัวเก็บประจุแทนแบตเตอรี

เนื่องจากตัวเก็บประจุยิ่งยวดเก็บพลังงานที่ได้น้อยกว่าแบตเตอรี การนำตัวเก็บประจุยิ่งยวดอย่างเดียวในรถไฟฟ้า จึงไม่เหมาะในการใช้รถระยะทางไกล และราคาของตัวเก็บประจุยิ่งยวดยังสูงกว่าแบตเตอรีไอออน-ลิเทียมอีกด้วย แต่ถ้าตัวเก็บประจุยิ่งยวดมีความสามารถเก็บประจุด้ถึง 80 Wh/kg (ปัจจุบัน 2013 อยู่ที่ 15 Wh/kg) รถไฟฟ้าที่ใช้ตัวเก็บประจุยิ่งยวดอย่างเดียว จะสามารถวิ่งได้ระยะทางถึง 100 กม

การพัฒนาใหม่

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่ใช้ขั้วไฟฟ้าเป็นคาร์บอนนาโนทูบ(ที่มีการจัดเรียงอะตอมในแนวตั้ง) ทำให้มีค่าความจุพลังงานสูงถึง 60 Wh/kg และกำลังพัฒนาให้สามารถประจุไฟฟ้าได้ถึง 300,000 ครั้ง

ตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่ใช้ขั้วไฟฟ้าเป็นแกรฟีน(ที่มีการเรียงอะตอมเป็นรูปโค้ง) มีความจุพลังงานได้ถึง 85.6 Wh/kg มาตั้งแต่ปี 2010 และทำได้ถึง 85 Wh/kg ในปี 2011 ด้วยขั้วไฟฟ้าแบบคาร์บอน ล่าสุด มีผู้ประกาศว่าทำขั้วไฟฟ้าด้วยแกรฟีนรูปร่างเหมือนฟองน้ำ สามารถเก็บพลังงานได้ถึง 48 KW/Kg หรือเท่ากับพลังงาน 7.1 Wh/Kg

การตลาด

มูลค่าของตัวเก็บประจุยิ่งยวดอยู่ที่ 400 ล้านเหรียญในปี 2010 เทียบกับมูลค่าของแบตเตอรีที่ 47.5 พันล้านเหรียญในปี 2009 และ 95 พันล้านเหรียญในปี 2013

มูลค่าของตัวเก็บประจุยิ่งยวดอาจสูงถึง 3.5 พันล้านเหรียญในปี 2020 ถ้าสามารถพัฒนาให้มีราคาต่อความสามารถได้ดีขึ้นมากได้อย่างรวดเร็วหรือแสดงให้เห็นถึงพลังงานสีเขียวจากการเก็บพลังงานจากเบรกได้เป็นผลสำเร็จ

ราคาตัวเก็บประจุยิ่งยวดในปี 2006 อยู่ที่ 3-4 บาทต่อฟารัดหรือ 95 เซ็นต์ต่อ KW คาดว่าราคาจะถูกลงอย่างมากในปี 2013 อันเนื่องมาจากการพัฒนาอย่างรวดเร็ว