חידושים בפיתוח קבלים-העל: עבר, הווה ועתיד

תעשיית אלקטרוניקת הכח כבר על ספירלה כלפי מעלה מראה שום סימני דעיכה, כמו המגמה של חשמול חודר מגוון רחב יותר של תחומים תעשייתיים כרוך הדרישה של מכשירים אלקטרוניים כוח ההייטק. בשנים האחרונות חלה עלייה ניכרת בצורך בפתרונות אחסון חשמל מתקדמים, הנגרמים על ידי החיוניות של אחסון מהיר יותר, ניהול חשמל יעיל ואופטימיזציה של אנרגיה.

אופי מונחה יישומים של תעשיית האלקטרוניקה החשמלית מילא תפקיד חשוב בפיתוח פתרונות אחסון חשמל, כגון קבלים. יעילות זמן יחסית בטעינה של קבלים הביאה ליישומם במספר רב של התקני אחסון חשמל. עם זאת, עדיין קיים פוטנציאל לשיפור ביכולת אחסון החשמל של הקבלים, מה שבתורו הוביל לפיתוח קבלים-על - הידועים גם בשם קבלים אולטרה-קבלים או קבלים אלקטרוכימיים (EC).

התמקדות באחסון כוח יעיל הפעילה את הופעתם של קבלים-העל

כשהפיתוחים התעשייתיים החלו להסתובב סביב מגמת החשמול, חידושים בעיצוב קבלים-העל גברו את הקצב. ענקיות עולמיות, כולל ג'נרל אלקטריק, ערכו ניסויים המוקדשים לשיפור תכנון בקבלי-על, במטרה לנצל את הביקוש הגובר לקבלים-על בתעשיות כמאפשר חשמול. תאגיד NEC היה בין החברות הראשונות שהכניסו מסחרי קבלים-על בעולם; חברת הנפט הסטנדרטית מאוהיו (SOHIO) מיוחסת בעיקר להמצאה.

לאחר הופעתם של מוליכי העל כפתרון אחסון אנרגיה יעיל יותר, הפופולריות של טכנולוגיית ה- EC זינקה באופן מיידי. העיצובים של קבלים-על התקדמו במשך כמה דורות מאז השקתם המסחרית הראשונה. ארגוני מחקר וחברות מובילות בתעשיית האלקטרוניקה החשמלית עדיין מתמקדים בחדשנות סביב שיטות הייצור והחומרים כדי לשפר עוד יותר את היעילות והביצועים של קבלים-על.

מכוני מחקר גילו נהלי ייצור חדשניים עבור קבלים-על

למרות מאפיינים תפעוליים מצוינים של קבלים-על, היצרנים עדיין מתקשים לשלוט בעלויות ייצור גבוהות, ויכולת אחסון אנרגיה נמוכה יותר של קבלים-על בהשוואה לסוללות. כמו כן, חששות הקשורים לעמידות של קבלים-על מגבילים את אימוץו ביישומים תעשייתיים במידה מסוימת. בתגובה לדאגות אלו, חברות ייצור של קבלים-על השקיעו רבות במחקר ופיתוח (מו"פ) בכדי לעצב גרסה מעולה יותר של קבלים-על.

חלק מהחידושים מבוססי המחקר שעיצבו את שוק קבלים-העל בחמש השנים האחרונות הם,

• בפברואר 2013 חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס גילו שיטת ייצור פורצת דרך וחסכונית לייצור קבלים בקנה מידה מיקרו באמצעות צורב DVD לצרכן LightScribe. קבלים מיקרו-סופרים אלה מורכבים משכבה עבה של אטום אחד של פחמן גרפי וניתן לשלב אותם בקלות במכשירים אלקטרוניים ממוזערים. בעזרת שימוש בגיליון דו מימדי של גרפן בשילוב עם טכניקת הייצור החדשה, החוקרים יכולים להפחית את עלויות הייצור במידה רבה ולהרחיב את היקף היישומים עבור קבלים-על.
• ביולי 2013 חוקרים מהמכון הלאומי למדע וטכנולוגיה של אולסן (UNIST) פיתחו שיטה חדשנית לייצור המוני של ננו-כדור גרפן מזופורגי תלת מימדי (MGB), שניתן להשתמש בו בייצור של קבלים-על. החוקרים שיערו כי תכונותיו של גרפן מזופורוס ישפרו את יכולת ההרחבה, האיכות והחסכוניות של קבלים-על, וירחיבו את היקף היישומים שלהם ברכבים חשמליים.
• באוגוסט 2014 פיתחו מהנדסים מאוניברסיטת מונאש באוסטרליה שיטה חדשה לייצור הגרפן בתוך קבלים-על כדי לשפר את צפיפות האנרגיה שלהם פי 10 ממכשירים מסחריים. המהנדסים יצרו חומר גרפין מקרוסקופי באמצעות תהליך הדומה לשיטת ייצור הנייר המסורתית. בנוסף, הם אישרו עוד כי על ידי הפחתת החומר הכימי המבוסס על פתרונות - תחמוצת גרפיט בגרפן, המהנדסים יכלו לפתוח אפיקים חדשים למסחור של קבלים-קבלים סופר צפופים יותר באנרגיה.
• קבוצת חוקרים בדרום קוריאה גילתה חומר אלטרנטיבי חדשני אך מתאים מאוד לאלקטרודות של קבלים-על באוגוסט 2014. הם המציאו דרך להשתמש במסנני סיגריות בקבלים-על, שניתן להפוך לחומר מבוסס פחמן בעל ביצועים גבוהים עם הספק גבוה. צפיפויות. החוקרים יכלו להשתמש בהצלחה במסנני סיגריה משומשים כדי לאגור יותר אנרגיה חשמלית מאשר פחמן זמין מסחרית.

ההתמקדות בפיתוחים של חומרי-על-קבלים בכל מקום

המהלך לקראת פיתוח חומרים בעלי ביצועים גבוהים זכה למוחשות מוחלטת בקרב יצרני קבלים-העל, עם הביקוש ההולך וגובר לקבלי-על ביישומים תעשייתיים שונים, כמו אלקטרוניקה צרכנית לבישה ורכבים חשמליים. למרות שגרפן נותר אחד החומרים המתאימים עבור קבלים-על, פעילויות מחקר מתמשכות רומזות על תמורות משמעותיות בנוף שוק הסופר-קבלים.

קבוצת כימאים ממכון ון-הוף למדעים מולקולריים באוניברסיטת אמסטרדם המציאה חומר חדש עבור קבלים-על בזמן שערכה את הניסויים לפרויקט תאי הדלק שלהם. החוקרים מצאו כי חומר קולט-העל בעל נקבוביות גבוהה הוא בעלות נמוכה, קליל ולא רעיל, וניתן להשתמש בו ביישומים מסחריים פוטנציאליים של קבלים-על, כמו מכשירי תחבורה, אלקטרוניקה ואנרגיה.

קבוצה נוספת של מדענים ב- UC סנטה קרוז ולורנס ליברמור המעבדה הלאומית (LLNL) השתמשה בגרפן מודפס בתלת-ממד מהיר ביותר להפחתת עובי בסדר גודל של מילימטרים ולשיפור מאפייני הביצועים של קבלים-על כולל צפיפות הספק ושימור קיבול.

על מתקפל נעשה מתוך נייר רגיל על ידי מהנדסים מ Georgia Tech ואוניברסיטת קוריאה שיכול לאחסן יותר אנרגיה למשך זמן ארוך, במיוחד במוצרים אלקטרוניים לביש כפי שהוא גמיש. מדענים, מהנדסים וחוקרים ברחבי העולם מתמקדים בעיקר באיזון צפיפות ההספק וצפיפות האנרגיה של קבלים-העל בכדי למנוע אובדן כוח בבת אחת.

התפתחויות וחידושים אחרונים בחומרים המשמשים לייצור קבלים-על מתמקדים בעיקר בצמצום האפשרות לפריקה עצמית או לקצר. בעלי העניין בשוק קבלים-העל מכוונים לנצל מאפייני ביצועים שונים של קבלים פסאודו וקבלים היברידיים, שיכולים לשקף צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מכל סוג אחר של קבלים-על.

בעוד שהביקוש לקבלים שכבתיים כפולים חשמליים נותר הגבוה ביותר בשוק קבלים-העל, קבלים היברידיים עדים לעלייה בביקוש ביישומים תעשייתיים שונים.

תעשיית הרכב - אזור פוטנציאלי לצמיחה מפתח עבור יצרני Supercapacitors

תחום הרכב הוא כיום פוטנציאל הצמיחה הגבוה ביותר עבור יצרני מכשירי אחסון אנרגיה איכותיים, כגון קבלים-על. בשנת 2013, יישומי רכב של קבלי היוו פחות מ 1/5 ^ה של נתח ההכנסות של שוק העל. עם זאת, עם ההתפתחויות האחרונות בתעשיית הרכב, מכוניות הפכו לאחד היישומים החשובים ביותר של קבלים-על.

כאשר יצרני הרכב מתמקדים בהפחתת התלות בתעשיית הנפט, וגופים ממשלתיים שמטילים תקנות סביבתיות מחמירות, צפויות סיכויי הצמיחה של כלי הרכב החשמליים להיות מבטיחים. זה הביא את יצרני קבלים העל להתבונן בהזדמנויות רווחיות בענף הרכב המתפתח במהירות.

פיתוח קבלים-על המתאימים לרכבים חשמליים או לרכבים חשמליים היברידיים היא אחת האסטרטגיות העסקיות החשובות ביותר של חברות ייצור קבלים-על. מצד שני, יצרני הרכב גם במרוץ להפיץ כלי רכב חשמליים יעילים ביותר, מה שהצדיק את צידם אחר מערכות אחסון אנרגיה איכותיות. בסופו של דבר זה משקף את המרחב ההולך ומתרחב לחידושים בקבלי-על בתעשיית הרכב המתפתחת במהירות.

בפברואר 2019 הודיעה טסלה בע"מ - ענקית עולמית בענפי הרכב והאנרגיה כי רכשה את Maxwell Technologies Inc. - חברת טכנולוגיית סוללות מובילה - תמורת כ- 218 מיליון דולר. החברה שואפת לנצל הזדמנויות משתלמות לרכבים חשמליים, ועם הרכישה הזו היא מתכננת להוסיף מומחיות בתחום קבלים-העל שיכולים לזרז את יכולות טעינת הרכב.

במאי 2018, רולס רויס - יצרנית מכוניות היוקרה המובילה בעולם - התקשרה בהסכם שיתוף פעולה עם חברת Superdielectrics Ltd - חברת סטארט-אפ טכנולוגית בבריטניה, בחנה את הפוטנציאל של קבלים-על ויצרה אגירת אנרגיה גבוהה ומשוכללת. טֶכנוֹלוֹגִיָה. עם השותפות הזו, רול-רויס שואפת לשלב את המומחיות שלה במדע החומר עם הפולימרים ההידרופיליים של Superdielectrics לפיתוח יישומי סוללות סופר-קבלים ברמה עולמית.

למבורגיני היא יצרנית רכב מובילה נוספת המצטרפת לחבילת חברות הרכב המתכננות למנף את המאפיינים יוצאי הדופן של קבלים-העל במהלך החשמול בתעשיית הרכב. המנהל הטכני הראשי של החברה הכריז לאחרונה כי החברה השתמשה בעבר בקבלי-על במבורגיני אוונטדור לצורך סוללת המתנע. מומחים צופים כי יורשו של אוונטדור עשוי להשתמש בקבלים-העל זהים.

תעשיית הרכב המתפתחת כל הזמן יצרה סביבה תחרותית מלהיבה הרבה עבור יצרני קבלים. החיפוש אחר התקדמות מתמדת בביצועי קבלים-העל עשוי לעורר כמה חידושים פורצי דרך בשוק קבלים-העל בשנים הקרובות.

תפקיד קבלים-העל בסיכויים לתעשיית האלקטרוניקה והאנרגיה והחשמל

ענף הרכב והתחבורה צפוי להוות יותר משליש מנתח ההכנסות בשוק קבלים-העל בעשור הקרוב. למרות העתיד המהולל עבור קבלים-על בתעשיית הרכב החדשה-עידן, מוצרי אלקטרוניקה צרכנית ותעשיות אנרגיה וכוח עשויים להחזיק נתח אריה בפיתוח שוק קבלים-העל.

קבלים-על מתוארים כסוס העבודה של כל מוצר אלקטרוני שעובד על סוללות או מערכות אחסון אנרגיה. בשנים הקרובות, קבלים-על עשויים להיות עדים לקבלה בכל מקום בתעשייה השונה. העתיד של שוק קבלים-העל עשוי לחזות בהופעתם של רכישות EC שיניעו את עתידן של לבישים מודרניים ומוצרי אלקטרוניקה צרכניים. גם קבלים-על סולאריים הם דבר מהעתיד, שצפוי להיות בעל פוטנציאל מכירות עצום בנוף החיישנים הלבישים, במיוחד במכשירי בריאות לבישים.

פעילויות המחקר המתמשכות והתפתחויות בתעשיית האלקטרוניקה החשמלית ממשיכות לרמוז על קבלים-העל המחליפים סוללות בעתיד הקרוב. עם יישומים הולכים וגדלים של קבלים-על במגזרים תעשייתיים שונים, כגון אלקטרוניקה, אנרגיה וכוח, צבא וביטחון וחלל, השוק העולמי של קבלים-על צפוי לעלות על 5.5 מיליארד דולר עד שנת 2028. קצב הצמיחה האקספוננציאלי של שוק קבלים-העל הוא צפוי להגביר הזדמנויות משתלמות עבור חוקרים, יצרנים ובעלי עניין אחרים בנוף.

Aditi Yadwadkar היא כותבת מחקר שוק מנוסה וכתבה רבות על תעשיית האלקטרוניקה והמוליכים למחצה. ב- Future Market Insights (FMI), היא עובדת בשיתוף פעולה הדוק עם צוות המחקר אלקטרוניקה וסמיקונדקטור בכדי לשרת את צרכיהם של לקוחות מכל רחבי העולם. תובנות אלו מבוססות על דו"ח על שוק ה- Supercapacitors על ידי FMI.