Καινοτομίες στην ανάπτυξη του υπερκαταναλωτή: παρελθόν, παρόν και μέλλον

Η βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας βρίσκεται σε ανοδική πορεία και δεν παρουσιάζει σημάδια μείωσης, καθώς η τάση της ηλεκτροδότησης διεισδύει σε ένα ευρύτερο φάσμα βιομηχανικών τομέων και συνεπάγεται την απαίτηση ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής τεχνολογίας. Τα τελευταία χρόνια, σημειώθηκε σημαντική αύξηση της ανάγκης για προηγμένες λύσεις αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, που προκλήθηκαν από την αναγκαιότητα ταχύτερης αποθήκευσης, αποτελεσματικής διαχείρισης ισχύος και βελτιστοποίησης ενέργειας.

Η φύση που βασίζεται στις εφαρμογές της βιομηχανίας ηλεκτρονικών ισχύος έχει διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη λύσεων αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, όπως πυκνωτές. Η σχετική χρονική αποτελεσματικότητα στη φόρτιση των πυκνωτών οδήγησε στην εφαρμογή τους σε πολλές συσκευές αποθήκευσης ισχύος. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν δυνατότητες βελτίωσης της ικανότητας αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας των πυκνωτών, οι οποίοι με τη σειρά τους οδήγησαν στην ανάπτυξη υπερσυμπιεστών - επίσης γνωστών ως υπερσυμπιεστών ή ηλεκτροχημικών πυκνωτών (EC).

Επικεντρωθείτε στην Αποδοτική Αποθήκευση Ενέργειας που Προκάλεσε την εμφάνιση των Supercapacitors

Καθώς οι βιομηχανικές εξελίξεις άρχισαν να περιστρέφονται γύρω από την τάση της ηλεκτροδότησης, οι καινοτομίες στα σχέδια των υπερκατασκευαστών πήραν το ρυθμό. Οι παγκόσμιοι γίγαντες, συμπεριλαμβανομένης της General Electric, πραγματοποίησαν πειράματα αφιερωμένα στη βελτίωση του σχεδιασμού των υπερκαταναλωτών, σε μια προσπάθεια να αξιοποιήσουν την αυξανόμενη ζήτηση για υπερκαταναλωτές στις βιομηχανίες ως βασικό παράγοντα ηλεκτροδότησης. Η NEC Corporation ήταν από τις πρώτες λίγες εταιρείες που εισήγαγαν εμπορικά supercapacitors στον κόσμο. Η Standard Oil Company του Οχάιο (SOHIO) αποδίδεται κυρίως για την εφεύρεση.

Μετά την εμφάνιση των υπεραγωγών ως μια πιο αποτελεσματική λύση αποθήκευσης ενέργειας, η δημοτικότητα της τεχνολογίας ΕΚ αυξήθηκε αμέσως. Τα σχέδια των υπερσυμπιεστών έχουν προχωρήσει σε αρκετές γενιές από την πρώτη εμπορική τους κυκλοφορία. Ερευνητικοί οργανισμοί και κορυφαίες εταιρείες στη βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών εξακολουθούν να επικεντρώνονται στην καινοτομία γύρω από τις μεθόδους και τα υλικά κατασκευής για να βελτιώσουν περαιτέρω την αποδοτικότητα κόστους και την απόδοση των υπερκατασκευαστών.

Ερευνητικά Ινστιτούτα Ανακάλυψαν Καινοτόμες Διαδικασίες Παραγωγής για Supercapacitors

Παρά τα εξαιρετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά των υπερκατασκευαστών, οι κατασκευαστές εξακολουθούν να αγωνίζονται να ελέγξουν το υψηλό κόστος κατασκευής και τη χαμηλότερη ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας των υπερκαταναλωτών, σε σύγκριση με τις μπαταρίες. Επίσης, οι σχετικές με την ανθεκτικότητα ανησυχίες των υπερσυμπιεστών περιορίζουν την υιοθέτησή της σε βιομηχανικές εφαρμογές σε κάποιο βαθμό. Ανταποκρινόμενοι σε αυτές τις ανησυχίες, οι εταιρείες παραγωγής supercapacitor έχουν επενδύσει πολύ στην έρευνα και ανάπτυξη (R&D) για να σχεδιάσουν μια πιο ανώτερη έκδοση των supercapacitors.

Ορισμένες από τις καινοτομίες που βασίζονται στην έρευνα που διαμόρφωσαν την αγορά των υπεραισθητοποιητών τα τελευταία πέντε χρόνια είναι,

• Τον Φεβρουάριο του 2013, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Λος Άντζελες ανακάλυψαν μια πρωτοποριακή και οικονομικά αποδοτική μέθοδο κατασκευής για την κατασκευή υπερκατασκευαστών μικρο-κλίμακας χρησιμοποιώντας μια συσκευή εγγραφής DVD LightScribe για καταναλωτές. Αυτοί οι μικροϋπερπυκνωτές αποτελούνται από ένα στρώμα γραφίτη άνθρακα πάχους ενός ατόμου και μπορούν να ενσωματωθούν εύκολα σε μικροσκοπικές ηλεκτρονικές συσκευές. Με τη χρήση ενός δισδιάστατου φύλλου γραφενίου σε συνδυασμό με τη νέα τεχνική κατασκευής, οι ερευνητές θα μπορούσαν να μειώσουν το κόστος κατασκευής σε μεγάλο βαθμό και να επεκτείνουν το πεδίο εφαρμογής για υπερκατασκευαστές.
• Τον Ιούλιο του 2013, ερευνητές από το Εθνικό Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Ουλσάν (UNIST) ανέπτυξαν μια καινοτόμο μέθοδο για τη μαζική παραγωγή τρισδιάστατων μεσοπορώδους νανο-σφαιριδίου γραφενίου (MGB) που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή υπερπυκνωτών. Οι ερευνητές προέβλεπαν ότι οι ιδιότητες του μεσοπορώδους γραφενίου θα βελτιώσουν την επεκτασιμότητα, την ποιότητα και την αποδοτικότητα κόστους των υπερκαταναλωτών, επεκτείνοντας το πεδίο εφαρμογής τους σε ηλεκτρικά οχήματα.
• Τον Αύγουστο του 2014, οι μηχανικοί του Πανεπιστημίου Monash στην Αυστραλία ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο μεθόδου παραγωγής του γραφενίου εντός των υπερπυκνωτών για να βελτιώσουν την ενεργειακή τους πυκνότητα 10 φορές περισσότερο από τις εμπορικές συσκευές. Οι μηχανικοί δημιούργησαν ένα μακροσκοπικό υλικό γραφενίου μέσω μιας διαδικασίας παρόμοιας με την παραδοσιακή μέθοδο παραγωγής χαρτιού. Επιπλέον, επιβεβαίωσαν περαιτέρω ότι μειώνοντας το χημικό - οξείδιο γραφίτη με βάση το διάλυμα σε γραφένιο, οι μηχανικοί θα μπορούσαν να ανοίξουν νέους δρόμους για εμπορευματοποίηση γραφενίου και 10x πυκνότερων ενεργειακών πυκνωτών.
• Μια ομάδα ερευνητών στη Νότια Κορέα ανακάλυψαν ένα ασυνήθιστα καινοτόμο αλλά εξαιρετικά κατάλληλο εναλλακτικό υλικό για ηλεκτρόδια υπερκλειμένων πυκνωτών τον Αύγουστο του 2014. Επινόησαν έναν τρόπο χρήσης φίλτρων τσιγάρων σε υπερκατασκευαστές, τα οποία μπορούν να μετατραπούν σε υλικό με υψηλή απόδοση άνθρακα με υψηλή ισχύ πυκνότητες. Οι ερευνητές θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν με επιτυχία φίλτρα μεταχειρισμένων τσιγάρων για να αποθηκεύσουν περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια από τον άνθρακα που διατίθεται στο εμπόριο.

Το Focus on Supercapacitor Material Developments Ubiquitous

Η πορεία προς την ανάπτυξη υλικών υψηλών επιδόσεων έχει αποκτήσει απόλυτη ευκρίνεια μεταξύ των κατασκευαστών supercapacitor, με την συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση για supercapacitors σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές, όπως ηλεκτρονικά καταναλωτικά και ηλεκτρικά οχήματα. Παρόλο που το γραφένιο παραμένει ένα από τα κατάλληλα υλικά για τους υπεραισθητοποιητές, οι τρέχουσες ερευνητικές δραστηριότητες υπαινίσσονται σημαντικούς μετασχηματισμούς στο τοπίο της αγοράς των υπερκαταναλωτών.

Μια ομάδα χημικών από το Ινστιτούτο Μοναδικών Επιστημών Van't Hoff του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ εφευρέθηκε ένα νέο υλικό για τον υπερσυμπιεστή ενώ διεξήγαγε τα πειράματα για το έργο κυψελών καυσίμου. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το υλικό με πολύ πορώδη υπερκαταναλωτή είναι χαμηλού κόστους, ελαφρύ και μη τοξικό, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πιθανές εμπορικές εφαρμογές υπερκαταναλωτών, όπως συσκευές μεταφοράς, ηλεκτρονικές συσκευές και αποθήκευσης ενέργειας.

Μια άλλη ομάδα επιστημόνων στο UC Santa Cruz και στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore (LLNL) χρησιμοποίησαν εξαιρετικά γρήγορο τρισδιάστατο γραφένιο για να μειώσουν τα πάχη της τάξης των χιλιοστών και να βελτιώσουν τα χαρακτηριστικά απόδοσης των υπερκαταναλωτών, όπως πυκνότητα ισχύος και διατήρηση χωρητικότητας.

Ένας πτυσσόμενος υπερπυκνωτής κατασκευάστηκε από συνηθισμένο χαρτί από μηχανικούς από το Georgia Tech και το Πανεπιστήμιο της Κορέας που θα μπορούσαν να αποθηκεύσουν περισσότερη ενέργεια για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, ειδικά σε φορητά ηλεκτρονικά προϊόντα καθώς είναι ευέλικτο. Επιστήμονες, μηχανικοί και ερευνητές σε όλο τον κόσμο επικεντρώνονται κυρίως στην εξισορρόπηση της πυκνότητας ισχύος και της ενεργειακής πυκνότητας των υπερκαταναλωτών, προκειμένου να αποφευχθεί η ταυτόχρονη απώλεια ισχύος.

Οι πρόσφατες εξελίξεις και καινοτομίες στα υλικά που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή υπερκατασκευαστών επικεντρώνονται κυρίως στη μείωση της πιθανότητας αυτοεκφόρτισης ή βραχυκυκλώματος. Οι ενδιαφερόμενοι στην αγορά των υπερκαταναλωτών στοχεύουν να αξιοποιήσουν διάφορα χαρακτηριστικά απόδοσης ψευδο-πυκνωτών και υβριδικών πυκνωτών, τα οποία μπορούν να αντανακλούν υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από οποιονδήποτε άλλο τύπο υπερκαταναλωτή.

Ενώ η ζήτηση για ηλεκτρικούς πυκνωτές διπλού στρώματος παραμένει υψηλότερη σε ολόκληρη την αγορά των υπερσυμπιεστών, οι υβριδικοί πυκνωτές παρατηρούν αύξηση της ζήτησης σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές.

Αυτοκινητοβιομηχανία - Βασική δυναμική περιοχή ανάπτυξης για τους κατασκευαστές Supercapacitor

Ο τομέας της αυτοκινητοβιομηχανίας είναι ο δυναμικός τομέας υψηλής ανάπτυξης για κατασκευαστές συσκευών αποθήκευσης ενέργειας υψηλής ποιότητας, όπως οι υπερκατασκευαστές. Το 2013, εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία της supercapacitors αντιπροσώπευαν λιγότερο από το 1/5 ^ου του μεριδίου εσόδων της αγοράς υπερπυκνωτές. Ωστόσο, με τις πρόσφατες εξελίξεις στην αυτοκινητοβιομηχανία, τα αυτοκίνητα έχουν γίνει μια από τις σημαντικότερες εφαρμογές των υπερκατασκευαστών.

Με τους κατασκευαστές αυτοκινήτων να επικεντρώνονται στη μείωση της εξάρτησης από τη βιομηχανία πετρελαίου και τους κυβερνητικούς φορείς που επιβάλλουν αυστηρούς περιβαλλοντικούς κανονισμούς, οι προοπτικές ανάπτυξης των ηλεκτρικών οχημάτων έχουν προβλεφθεί να είναι ελπιδοφόρες. Αυτό οδήγησε τους κατασκευαστές supercapacitor να βλέπουν κερδοφόρες ευκαιρίες στην ταχέως εξελισσόμενη αυτοκινητοβιομηχανία.

Η ανάπτυξη υπερσυμπιεστών κατάλληλων για ηλεκτρικά οχήματα ή υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα είναι μια από τις πιο σημαντικές επιχειρηματικές στρατηγικές των εταιρειών παραγωγής υπεραισθητοποιητών. Από την άλλη πλευρά, οι αυτοκινητοβιομηχανίες αγωνίζονται επίσης για να κυκλοφορήσουν τα πιο αποδοτικά ηλεκτρικά οχήματα, τα οποία δικαιολογούσαν το κυνήγι τους για υψηλής ποιότητας συστήματα αποθήκευσης ενέργειας. Αυτό αντικατοπτρίζεται τελικά στο συνεχώς διευρυνόμενο πεδίο για καινοτομίες σε υπερκατασκευαστές στην ταχέως εξελισσόμενη αυτοκινητοβιομηχανία.

Τον Φεβρουάριο του 2019, η Tesla Inc. - παγκόσμιος γίγαντας στην αυτοκινητοβιομηχανία και την ενεργειακή βιομηχανία - ανακοίνωσε ότι εξαγόρασε τη Maxwell Technologies Inc. - μια κορυφαία εταιρεία τεχνολογίας μπαταριών - για περίπου 218 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ. Η εταιρεία στοχεύει να αξιοποιήσει προσοδοφόρες ευκαιρίες για ηλεκτρικά οχήματα, και με αυτήν την απόκτηση, σκοπεύει να προσθέσει εμπειρογνωμοσύνη στον τομέα των υπερσυμπιεστών που θα μπορούσαν να επιταχύνουν τις δυνατότητες φόρτισης αυτοκινήτων.

Τον Μάιο του 2018, η Rolls-Royce - η κορυφαία εταιρεία κατασκευής πολυτελών αυτοκινήτων στον κόσμο - συνήψε συμφωνία συνεργασίας με την Superdielectrics Ltd - μια νεοσύστατη τεχνολογία που βασίζεται στο Ηνωμένο Βασίλειο, διερευνήσει τις δυνατότητες των υπερκατασκευαστών και δημιουργήσει έναν υπερσύγχρονο χώρο αποθήκευσης υψηλής ενέργειας τεχνολογία. Με αυτήν τη συνεργασία, η Roll-Royce στοχεύει να συνδυάσει την τεχνογνωσία της στην επιστήμη των υλικών με τα υδρόφιλα πολυμερή της Superdielectrics για την ανάπτυξη εφαρμογών μπαταρίας υπερκαταναλωτών παγκόσμιας κλάσης.

Η Lamborghini είναι μια άλλη κορυφαία αυτοκινητοβιομηχανία που εντάσσεται στο πακέτο εταιρειών αυτοκινήτων που σχεδιάζουν να αξιοποιήσουν τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά των υπερκαταναλωτών κατά την ηλεκτροκίνηση της αυτοκινητοβιομηχανίας. Ο επικεφαλής τεχνικός διευθυντής της εταιρείας δήλωσε πρόσφατα ότι η εταιρεία είχε χρησιμοποιήσει προηγουμένως υπερκατασκευαστές στο Lamborghini Aventador για την αρχική μπαταρία. Οι ειδικοί προβλέπουν ότι ο διάδοχος της Aventador θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει τους ίδιους υπερπυκνωτές.

Η συνεχώς εξελισσόμενη αυτοκινητοβιομηχανία δημιούργησε ένα πολύ συναρπαστικό ανταγωνιστικό περιβάλλον για τους κατασκευαστές supercapacitor. Η αναζήτηση για συνεχείς εξελίξεις στην απόδοση του supercapacitors είναι πιθανό να πυροδοτήσει κάποιες πρωτοποριακές καινοτομίες στην αγορά supercapacitors τα επόμενα χρόνια.

Ο ρόλος των υπερσυμπιεστών στις προοπτικές των ηλεκτρονικών και της βιομηχανίας ενέργειας και ενέργειας

Η αυτοκινητοβιομηχανία και η βιομηχανία μεταφορών αναμένεται να αντιπροσωπεύουν περισσότερο από το ένα τρίτο του μεριδίου εσόδων της αγοράς των υπερκατασκευαστών την επόμενη δεκαετία. Παρά το μεγαλοπρεπές μέλλον για τους υπερσυμπιεστές στην αυτοκινητοβιομηχανία της νέας εποχής, οι καταναλωτικές ηλεκτρονικές συσκευές και οι βιομηχανίες ενέργειας και ηλεκτρικής ενέργειας είναι πιθανό να κατέχουν το μεγαλύτερο μέρος στην ανάπτυξη της αγοράς των υπερκατακτητών.

Οι υπερσυμπιεστές χαρακτηρίζονται ως το άλογο εργασίας οποιουδήποτε ηλεκτρονικού προϊόντος που λειτουργεί σε μπαταρίες ή συστήματα αποθήκευσης ενέργειας. Κατά τα επόμενα χρόνια, οι υπερπυκνωτές είναι πιθανό να παρακολουθήσουν παντού την αποδοχή σε διάφορους κλάδους της βιομηχανίας. Το μέλλον της αγοράς υπερκατασκευαστών είναι πιθανό να μαρτυρήσει την εμφάνιση EC που θα τροφοδοτήσουν το μέλλον των σύγχρονων φορητών και καταναλωτικών ηλεκτρονικών προϊόντων. Οι ηλιακοί υπερπυκνωτές είναι επίσης κάτι από το μέλλον, το οποίο αναμένεται να έχει τεράστιες δυνατότητες πώλησης στο τοπίο των φορητών αισθητήρων, ειδικά σε φορητές συσκευές υγείας.

Οι τρέχουσες ερευνητικές δραστηριότητες και οι εξελίξεις στη βιομηχανία ηλεκτρονικών ενέργειας εξακολουθούν να υπαινίσσονται τους υπερκατασκευαστές να αντικαθιστούν μπαταρίες στο εγγύς μέλλον. Με τις αυξανόμενες εφαρμογές των υπερπυκνωτών σε διάφορους βιομηχανικούς τομείς, όπως η ηλεκτρονική, η ενέργεια & η δύναμη, ο στρατός και η άμυνα, και η αεροδιαστημική, η παγκόσμια αγορά για υπερπυκνωτές αναμένεται να ξεπεράσει τα 5,5 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ έως το 2028. Ο εκθετικός ρυθμός ανάπτυξης της αγοράς των υπερκαταναλωτών είναι αναμένεται να ενισχύσει τις προσοδοφόρες ευκαιρίες για ερευνητές, κατασκευαστές και άλλους ενδιαφερόμενους στο τοπίο.

Ο Aditi Yadwadkar είναι ένας έμπειρος συγγραφέας έρευνας αγοράς και έχει γράψει εκτενώς τη βιομηχανία Ηλεκτρονικών και Ημιαγωγών. Στο Future Market Insights (FMI), συνεργάζεται στενά με την ερευνητική ομάδα Ηλεκτρονικών και Ημιαγωγών για την εξυπηρέτηση των αναγκών των πελατών από όλο τον κόσμο. Αυτές οι πληροφορίες βασίζονται σε μια αναφορά στο Supercapacitors Market της FMI.