ตัวเก็บประจุยิ่งยวด

ตัวเก็บประจุยิ่งยวด (อังกฤษ: Supercapacitor หรือ Ultracapacitor หรือ Electric Double Layer Capacitor (EDLC)) เป็นตัวเก็บประจุไฟฟ้าจำนวนมาก ๆ บางตัวทำงานโดยไม่ใช้ปฏิกิริยาทางเคมี คาดว่าจะถูกนำมาใช้แทนแบตเตอรีในอนาคต

ประวัติ

เนื่องจาก ตัวเก็บประจุ ในปัจจุบันสามารถเก็บประจุได้จำนวนเล็กน้อย พลังงานที่ปลดปล่อยออกมา จึงมีปริมาณเล็กน้อยมาก มีค่าเป็นระดับไมโครฟารัด เรานำมันมาใช้งานในวงจรเรียงกระแสหรือกรองความถี่เท่านั้น แต่แบตเตอรีเก็บประจุได้มากกว่าก็จริง แต่ก็ใช้เวลาในการชาร์จนาน เพราะเนื่องจากทำงานด้วยปฏิกิริยาเคมี ต้องชาร์จด้วยกำลังไฟน้อย ๆ เพื่อยืดอายุการใช้งาน จำนวนครั้งทีชาร์จจะประมาณไม่เกิน 1000 ครั้ง แบตเตอรีจะไม่สามารถปล่อยประจุออกมาได้เต็มกำลังของมัน เพราะ ภายในตัวมันเองมีความต้านทานเสมือนอยู่ ซึ่งถ้าใช้กระแสสูงจะทำให้เกิดความร้อนเป็นอันตรายต่อผู้ใช้งานได้ หลังจากหมดอายุการใช้งานต้องระวังในการกำจัด 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 มีความนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองมาก ๆ แข็งและเหนียวกว่าเหล็ก 125 เท่า นับว่าเป็นสารที่แข็งแรงและแกร่งที่สุดในโลก พับและยีดหยุ่นได้ดี และคุณสมบัติอื่น ๆ 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 และชาร์จบ่อย ๆ ตัวประจุไฟฟ้ายิ่งยวด จะมีความต้านทานเสมือนต่ำมาก เพียงประมาณ 0.7 มิลลิโอห์มเท่านั้น เมื่อต้องปล่อยประจุ ออกมาครั้งละมาก ๆ เกิดความร้อนน้อย ไม่เป็นอันตรายต่อผู้ใช้ แต่แบตเตอรีทั่วไป มีดวามต้านทานเสมือนภายในสูง ถึง 120 มิลลิโอห์ม ถ้าต้องคายประจุมาก ๆ ในครั้งเดียว อาจเกิดความร้อนสูงเป็นอันตรายได้ 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 ไม่ต้องค่อย ๆ ชาร์จทีละ 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

ใช้กับระบบที่มีโหลดขึ้น ๆ ลง ๆ 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 ถ้ามีปัญหาเป็นระยะเวลานาน ๆ จะใช้แบตเตอรี เป็นตัวจ่ายไฟแทน

ในอุปกรณ์ เครื่องจ่ายกำลังสำรอง หรือ UPS ตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวด จะถูกนำไปใช้แทนตัวเก็บประจุที่ใช้อิเลคโตรไลติคทั่ว ๆ ไป เพื่อประหยัดเนื้อที่ ประหยัดค่าบำรุงรักษา ไม่ต้องเปลี่ยนบ่อย ๆ และยืดอายุแบตเตอรี

ตัวเก็บประจุยิ่งยวด ถูกใช้เป็นพลังงานสำรองเพื่อปรับระยะ pitch ของใบพัดกังหันลม ไม่ใช้แบตเตอรี เพราะทนทานกว่า

ในปี 2005 บริษัทเครื่องบินเยอรมันเลือกตัวเก็บประจุยิ่งยวด เพื่อจ่ายกำลังให้กับ ประตูอพยพฉุกเฉินสำหรับ เครื่องบินแอร์ไลเนอร์ และ แอร์บัส 380

ตัวทำให้พลังงานหมุนเวียนเสถียร

ในกรณีที่ โวลเทจจากพลังงานหมุนเวียนเกิดขึ้น ๆ ลง ๆ อาจเกิดจากพลังงานหมุนเวียนเองหรือจากโหลด ตัวเก็บประจุยิ่งยวด จะปล่อยพลังงานออกมาชดเชย ภายในเสี้ยวของวินาที ทำให้ลดความจำเป็นที่จะต้องปรับกำลังส่งหรือความถี่ ไม่ต้องปรับสมดุลของอุปสงค์อุปทาน และบริหารจัดการการผลิต

การทหาร

อุปกรณ์ทางทหารหลายอย่าง ที่ต้องใช้พลังงานอย่างรวดเร็ว จึงต้องใช้ตัวเก็บประจุยิ่งยวด เพราะเกิดความร้อนต่ำ อุปกรณ์ที่ต้องการกำลังสูง ๆ 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 เพราะลักษณะงานต้องวิ่ง ๆ หยุด ๆ เป็นพัน ๆ ครั้งต่อวัน

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 บาทต่อฟารัด หรือ 95 เซ็นต์ต่อ KW คาดว่าราคาจะถูกลงอย่างมากในปี 2013 อันเนื่องมาจากการพัฒนาอย่างรวดเร็ว