קבל-על

תיאור סכמטי של קבל־על

קבל־על (באנגלית: Supercapacitor) הוא קבל בעל יכולת קיבול גבוהה משמעותית מקבל רגיל, אך עם הגבלת מתח נמוכה יותר. קבלי על יכולים להיחשב כהתקן ביניים בין קבל אלקטרוליטי וסוללה נטענת: קבל־על יכול לאגור עד פי 100 יותר אנרגיה חשמלית מקבל רגיל בגודל פיזי דומה, ובעל יכולת טעינה/פריקה מהירות יותר ומספר מחזורי טעינה גדול יותר מסוללה נטענת רגילה. קבלי־על נמצאים בשימוש במכשירים הדורשים פריקה/טעינה מהירה, כגון: מכוניות, אוטובוסים, מעליות, מנופים ורכבות.

סוגים

סוגי קבלי־על

קיימים מספר סוגים שונים של קבלי־על:

• קבל דו־שכבתי אלקטרוסטטי (EDLC)
• פסאודו־קבל אלקטרוכימי
• קבל־על היברידי

מאפיינים

קבל בהגדרתו בנוי משני לוחות מוליכים מקבילים עם מרחק קטן ביניהם, כאשר לוח אחד טעון במטען חיובי והאחר בשלילי כך שיש הפרש פוטנציאלים משמעותי ביניהם המאפשר מעבר של מטען ברגע שיש חיבור בין שני הלוחות. ההבדל בין קבל רגיל לקבל־על נעוץ בנוסחת הקיבול:

$C=\epsilon \left(\frac{A}{D}\right)$

C – קיבולת, "capacitance"

A – שטח פנים

ε – מקדם דיאלקטרי

D – מרחק בין הלוחות

מכאן, שכדי להשיג קיבול מקסימלי יש צורך להגדיל את שטח הפנים (A) ולהקטין את המרחק בין האלקטרודות (D). אפסילון הוא קבוע.

בקבל־על לא משתמשים במשטחים חלקים, אלא במשטח הבנוי מחומר נקבובי המגדיל בצורה משמעותית את שטח הפנים של האלקטרודות. בדרך כלל משתמשים בפחם פעיל המוליך טוב וניתן לנקב אותו בקלות, עד להגעה לגבול התאורטי של שטח פנים למסה (2000 מטר/גרם).

מבחינת המרחק, הקושי בהקטנת המרחק הוא פריקה ספונטנית בין האלקטרודות במרחק קרוב מאוד. בקבל־על מתגברים על הבעיה בעזרת שימוש בתופעת השכבה הכפולה המאפשרת בידוד על ידי שכבה של יונים מהממס הנצמדים לאלקטרודה הנגדית, ויוצרים עוד שכבה המכונה שכבת סולבציה. שכבה זו מאפשרת בידוד וקירוב האלקטרודות למרחק מינימלי, ובכך הגדלת הקיבול. השכבה הכפולה הזו יכולה להגיע לממדים של מולקולות בודדות, בניגוד לקבל רגיל בו המרחק הוא ננומטרים עד מילימטרים ספורים.

עקרון הפעולה

תמונה 1 – עקרון הפעולה של קבל רגיל

עיקרון הפעולה של קבל־העל גורם בסופו של דבר לקבל בעל שטח פנים גדול מאוד ומרחק זעיר עד מינימלי בין הלוחות.

עיקרון הפעולה של קבל רגיל: קבלים רגילים מאחסנים חשמל סטטי על ידי בניית מטענים מנוגדים המופרדים על ידי חומר מבודד (דיאלקטרי). השדה החשמלי בין הלוחות מקטב את המולקולות הנמצאות בין הלוחות וגורם להן להסתדר בכיוונים מנוגדים. הדבר מוריד את הכוח של השדה ומאפשר לקבל להכיל מטען יותר גדול עבור מתח נתון. מתואר בתמונה 1.

תמונה 2 – עקרון הפעולה של קבל־על

עיקרון הפעולה של קבל־על: קבלי־על מאחסנים יותר אנרגיה מקבל רגיל בעזר יצירת "שכבה כפולה" דקה מאוד של מטען בין הלוחות. לוחות אלו עשויים מחומר נקבובי, בדרך כלל על בסיס פחמן, הטבולים באלקטרוליט. על ידי כך יש להם שטח פנים גדול יותר המאפשר ללוחות להכיל הרבה יותר מטען עבור מתח נתון, ומכך יותר אנרגיה חשמלית. מתואר בתמונה 2.

שימושים

קבלי־העל תופסים מקום נרחב בשוק אחסון האנרגיה, ולפיכך נמצאים בשימוש במגוון תחומים.

• מוצרי אלקטרוניקה: מחשבים ניידים, מנורות פלאש במצלמות דיגיטליות.
• רפואה: דיפיברילטורים
• תחבורה: רכבים היברידיים, חשמליות,בוסטרים.
• צבא: טילים עם GPS, מכשירי קשר, מכשירי לייזר

שימוש נפוץ של קבלי־על הוא בטורבינות רוח, בהן נמצאים קבלי־על גדולים שעוזרים לווסת את זרימת החשמל הנוצרת מהרוח. בנוסף, ברכבים חשמליים או היברידיים משתמשים בקבל־על בתור מקור אנרגיה זמני המאפשר לאחסן אנרגיה שהייתה מתבזבזת בזמן עצירה ותחילת נסיעה.

דו"ח משנת 2020 העריך את שווי השוק של קבלי־על ב־3.27 מיליארד דולר ב־2019, והעריכו שיגיע עד 16.95 מיליארד דולר בשנת 2027.