קבל-על

קבל־על (באנגלית: Supercapacitor) הוא קבל בעל יכולת קיבול גבוהה משמעותית מקבל רגיל, אך עם הגבלת מתח נמוכה יותר. לקבל־על יש יכולת לאגור עד פי 100 יותר אנרגיה חשמלית מאשר קבל רגיל. בנוסף, הוא בעל יכולת טעינה/פריקה מהירות יותר ומספר מחזורי טעינה גדול יותר. קבלי־על נמצאים בשימוש במכשירים הדורשים פריקה/טעינה מהירה, כגון: מכוניות, אוטובוסים, מעליות, מנופים ורכבות. קיימים מספר סוגים שונים של קבלי־על: קבל דו־שכבתי אלקטרוסטטי (EDLC) פסאודו־קבל אלקטרוכימי קבל־על היברידי 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 = ε ( A D ) {\displaystyle C=\varepsilon \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. 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. 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. 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. מדיה וקבצים בנושא קבל-על בוויקישיתוף ד"ר אלה אוריון-לכמן, לטעון את הסוללה בטלפון במהירות שיא, באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי, ‏12 בינואר 2017 Electric double-layer capacitors | ELNA, www.elna.co.jp קבלי-על ונפלאות השכבה הכפולה, באתר הידען, ‏2014-02-04 Nitin Choudhary, Chao Li, Hee-Suk Chung, Julian Moore, High-Performance One-Body Core/Shell Nanowire Supercapacitor Enabled by Conformal Growth of Capacitive 2D WS2 Layers, ACS Nano 10, 2016-10-17, עמ' 10726–10735 doi: 10.1021/acsnano.6b06111 Wayback Machine, web.archive.org, ‏2014-01-10 How do supercapacitors work?, Explain that Stuff, ‏2009-10-25 Zhaoxiang Qi, Gary M. Koenig, Review Article: Flow battery systems with solid electroactive materials, Journal of Vacuum Science & Technology B 35, 2017-05-12, עמ' 040801 doi: 10.1116/1.4983210 Paulo R. Bueno, Nanoscale origins of super-capacitance phenomena, Journal of Power Sources 414, 2019-02-28, עמ' 420–434 doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.01.010 Z. Tehrani, D. J. Thomas, T. Korochkina, C. O. Phillips, Large-area printed supercapacitor technology for low-cost domestic green energy storage, Energy 118, 2017-01-01, עמ' 1313–1321 doi: 10.1016/j.energy.2016.11.019 Allied Market Research, Supercapacitor Market to Reach $16.95 Billion by 2027: at 23.3% CAGR, GlobeNewswire News Room, ‏2020-07-07