सुपरकैपेसिटर बनाम बैटरी

एक लंबी बहस है कि सुपरकैपेसिटर भविष्य में बैटरी बाजार पर काबू पा लेंगे। कुछ साल पहले जब सुपरकैपेसिटर उपलब्ध कराए गए थे, तो इसके बारे में एक बहुत बड़ा प्रचार था और कई ने उम्मीद की कि यह वाणिज्यिक इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों और यहां तक ​​कि इलेक्ट्रिक वाहनों में बैटरी को बदल देगा। लेकिन, वास्तव में ऐसा कुछ नहीं हुआ, क्योंकि सुपरकैपेसिटर और बैटरियां दोनों एक-दूसरे से पूरी तरह से अलग हैं और उनके पास अपने स्वयं के अनुप्रयोग हैं।

मज़ा तथ्य: लगभग सभी आधुनिक एयरबैग नियंत्रकों को सुपरकैपेसिटर द्वारा संचालित किया जाता है, क्योंकि उनकी बैटरी पर तेजी से प्रतिक्रिया का समय होता है।

बैटरी की तुलना में, सुपरकैपेसिटर या अल्ट्राकैपसिटर एक उच्च घनत्व वाला ऊर्जा स्रोत है या थोड़े समय के लिए विशाल समाई के साथ भंडारण है। इस अनुच्छेद में, हम सुपरकैपेसिटर बनाम बैटरी (लिथियम / लीड एसिड) पर विभिन्न मापदंडों पर चर्चा करेंगे और एक इंजीनियर के लिए एक केस स्टडी के साथ निष्कर्ष निकालेंगे, जहां यह समझने के लिए कि कोई अपने अनुप्रयोगों के लिए बैटरी पर सुपरकैपेसिटर का चयन कैसे कर सकता है। यदि आप सुपरकैपेसिटर के लिए नौसिखिया हैं, तो इससे पहले कि आप आगे बढ़ें सुपरकैपेसिटर की मूल बातें सीखने की अत्यधिक अनुशंसा की जाती है।

शक्ति घनत्व

सुपरकैपेसिटर में एक ही रेटेड बैटरी की तुलना में एक उच्च शक्ति घनत्व होता है। हालांकि बाजार में विभिन्न प्रकार की बैटरी हैं, उदाहरण के लिए, लिथियम-आयन, बहुलक, सीसा-एसिड बैटरी में अलग-अलग शक्ति घनत्व है, 1000 प्रति किलोग्राम से 2000 तक प्रति किलोग्राम। विनिर्माण प्रक्रिया के आधार पर रेटिंग में भी बहुत अंतर हो सकता है। नीचे दिए गए तुलना चार्ट में सुपरकैपेसिटर बनाम बैटरी की शक्ति घनत्व दिखाया गया है ।

लेकिन, एक सुपरकैपेसिटर के लिए, बिजली घनत्व 2500 प्रति किलोग्राम से 45000 प्रति किलोग्राम तक भिन्न होता है। यह एक ही रेटेड बैटरी के शक्ति घनत्व से बहुत बड़ा है।

उच्च शक्ति घनत्व के कारण, एक सुपरकैपेसिटर एक उपयोगी शक्ति स्रोत है जहां बड़े शिखर वर्तमान की आवश्यकता होती है ।

सेल वोल्टेज

विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में, अक्सर इनपुट वोल्टेज एक बड़ा कारक होता है। जाहिर है, बाजार में विभिन्न प्रकार के वोल्टेज नियामक उपलब्ध हैं लेकिन फिर भी, एक नियामक में इनपुट वोल्टेज आवेदन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बन गया है। नीचे दी गई आकृति सुपरकैपेसिटर बनाम बैटरी के आउटपुट वोल्टेज को समान संख्या में कोशिकाओं के लिए दिखाती है ।

उदाहरण के लिए, 7812 जैसे एक रैखिक वोल्टेज नियामक के साथ एक आवेदन में कम से कम 15 वी इनपुट की आवश्यकता होती है। एक एकल-सेल लिथियम बैटरी सबसे कम चार्ज स्थिति में 3.2 वोल्ट और उच्चतम चार्ज स्थिति में 4.2 वोल्ट प्रदान करती है। इसलिए, इनपुट वोल्टेज विनिर्देश के साथ क्षतिपूर्ति करने के लिए, श्रृंखला कनेक्शन में कम से कम 5 बैटरी की आवश्यकता होती है, लेकिन सुपरकैपेसिटर 5.5-वोल्ट आउटपुट के लिए 2.5 वोल्ट प्रदान कर सकता है। सुपरकैपेसिटर में एक विशिष्ट लिथियम बैटरी के 3.7V की तुलना में 5.5V का उच्च सेल वोल्टेज है। इस प्रकार, एक सुपरकैपेसिटर की अन्य सीमाओं को अनदेखा करते हुए सर्किट डिज़ाइनर श्रृंखला में तीन 5.5 वोल्ट सुपरकैपेसिटर चुन सकता है। बैटरी पर, यह निस्संदेह अंतरिक्ष अवरोध स्थितियों में सुपरकैपेसिटर का प्लस पॉइंट या प्रयोजनों के लिए लागत अनुकूलन है।

दक्षता

दक्षता के संदर्भ में, सुपरकैपेसिटर बैटरी की तुलना में 95% अधिक कुशल हैं जो पूर्ण भार की शर्तों के तहत 60-80% कुशल हैं। उच्च भार में बैटरी गर्मी को कम करती है जो कम दक्षता में योगदान करती है। इसके अलावा, बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस) का उपयोग करते हुए चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान बैटरी तापमान और अन्य मापदंडों की निगरानी की जानी चाहिए, जबकि सुपरकैपेसिटर में ऐसे सख्त निगरानी प्रणालियों की आवश्यकता नहीं हो सकती है। अल्ट्राकैपिटर बनाम बैटरी की दक्षता नीचे दिए गए आंकड़े में दिखाई गई है। हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि सुपरकैपेसिटर ऑपरेशन के दौरान नाममात्र गर्मी भी उत्पन्न करता है।

पुन: प्रयोज्य और जीवन काल

बैटरी का जीवनकाल चार्जिंग और डिस्चार्जिंग साइकल पर अत्यधिक निर्भर है। लिथियम और लेड-एसिड बैटरी के मामले में, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग समय 300 से 500 चक्र तक सीमित हैं, कभी-कभी यह अधिकतम 1000 गुना हो सकता है। लिथियम बैटरी को चार्ज और डिस्चार्ज किए बिना जीवनकाल 7 साल तक चल सकता है।

एक सुपरकैपेसिटर में लगभग अनंत चार्ज चक्र होते हैं, इसे बड़ी संख्या में चार्ज और डिस्चार्ज किया जा सकता है; यह 1 लाख से 1 मिलियन समय तक हो सकता है। एक सुपरकैपेसिटर का जीवनकाल भी उच्च होता है। एक सुपरकैपेसिटर 10-18 साल तक रह सकता है, जबकि एक लीड-एसिड बैटरी लगभग 3-5 साल तक चल सकती है।

डिस्चार्ज वोल्टेज फैक्टर

बैटरी अपेक्षाकृत स्थिर आउटपुट वोल्टेज प्रदान करती है। लेकिन डिस्चार्जिंग की स्थिति के दौरान एक सुपरकैपेसिटर आउटपुट वोल्टेज कम हो जाता है । इसलिए, एक शक्ति स्रोत के रूप में बैटरी का उपयोग करते समय, व्यक्ति आवेदन आवश्यकताओं के आधार पर हिरन या बूस्ट रेगुलेटर का उपयोग कर सकता है, लेकिन सुपरकैपेसिटर का उपयोग करते समय, इनपुट वोल्टेज नुकसान की भरपाई के लिए एक विस्तृत श्रृंखला बूस्टर कनवर्टर का उपयोग करना एक लोकप्रिय विकल्प है।

समय चार्ज

विभिन्न बैटरी विभिन्न चार्जिंग एल्गोरिदम का उपयोग करती हैं। लिथियम आयन बैटरी को चार्ज करने के लिए निरंतर वोल्टेज और निरंतर वर्तमान चार्ज चार्जर का उपयोग किया जाता है। बैटरी की चार्ज स्थिति और साथ ही तापमान का पता लगाने के लिए चार्जर को विशेष रूप से कॉन्फ़िगर करने की आवश्यकता होती है। सीसा-एसिड बैटरी ट्रिकल चार्जिंग विधि के मामले में उपयोग किया जाता है।

कुल मिलाकर, लिथियम-आयन या लीड-एसिड के बावजूद बैटरी चार्ज करने के लिए, पूरी तरह से चार्ज होने में घंटों लगते हैं। Supercapacitor रात का खाना तेजी से समय चार्ज किया गया है; इसे पूर्ण शुल्क प्राप्त करने के लिए बहुत कम समय की आवश्यकता होती है। इसलिए, उन अनुप्रयोगों के लिए जहां चार्ज समय बहुत कम होना आवश्यक है, सुपरकैपेसिटर निश्चित रूप से बैटरी की एक ही क्षमता पर जीतते हैं।

लागत

उत्पाद डिजाइन से संबंधित मुद्दों के लिए लागत एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है। सुपरकैपेसिटर बैटरी के बजाय उपयोग किए जाने पर एक महंगा विकल्प है । बैटरी की समान क्षमता की तुलना में लागत कभी-कभी बहुत अधिक हो जाती है जैसे 10 गुना अधिक।

जोखिम

लिथियम या लीड-एसिड बैटरी को संचालन या चार्ज करने की स्थिति के दौरान विशेष देखभाल या ध्यान देने की आवश्यकता होती है। विशेष रूप से लिथियम-आयन बैटरी के लिए, चार्जिंग टोपोलॉजी को इस तरह से कॉन्फ़िगर करने की आवश्यकता है कि बैटरी को ओवरचार्ज नहीं किया जाना चाहिए या बैटरी की तुलना में वर्तमान की उच्च क्षमता के साथ चार्ज किया जाना चाहिए। जब भी बैटरी को ओवरचार्ज किया जाता है या उच्च धारा के साथ चार्ज किया जाता है तो इससे विस्फोट होने का खतरा बढ़ जाता है।

न केवल चार्ज करने की स्थिति में, बल्कि बैटरी को भी ध्यान से संचालित करने की स्थितियों के दौरान सावधानीपूर्वक संचालित करने की आवश्यकता होती है। गहरी निर्वहन स्थिति संभावित रूप से बैटरी जीवन को नुकसान पहुंचा सकती है। इसलिए, चार्जिंग स्थिति के एक निश्चित स्तर तक पहुंचने के बाद बैटरी को लोड से डिस्कनेक्ट करने की आवश्यकता होती है। साथ ही, बैटरी का शॉर्ट सर्किट एक खतरनाक स्थिति है।

उपरोक्त जोखिम वाले कारकों के संदर्भ में सुपरकैपेसिटर बैटरी से अधिक सुरक्षित हैं। हालांकि, सुपरकैपेसिटर को अपनी रेटिंग से अधिक वोल्टेज का उपयोग करके चार्ज करना सुपरकैपेसिटर के लिए हानिकारक है। लेकिन, जब एकल संधारित्र से अधिक चार्ज किया जाता है, तो यह एक जटिल काम बन सकता है।

मामले का अध्ययन

आइए ऐसी स्थिति पर विचार करें जहां हम 1 घंटे के लिए 10 समानांतर एलईडी को प्रकाश में लाना चाहते हैं। इस एप्लिकेशन के लिए, आइए जानें, एक इंजीनियर के रूप में हमें सुपरकैपेसिटर या लिथियम बैटरी का उपयोग करने पर विचार करना चाहिए?

मान लें कि एलइडी 2.5 वी पर 30 एमएटी की धारा खींचते हैं। इसलिए, समानांतर में 10 एलईडी का वाट क्षमता होगा

2.5 वी x 0.03 x 10 = 0.75 वाट

अब, 1 घंटे के उपयोग के लिए जो 3600 सेकंड है, आवश्यक ऊर्जा की गणना की जा सकती है

3600 x 0.75 = 2700 जूल।

अगर हम 10F 2.5V सुपरकैपेसिटर पर विचार करते हैं, तो यह E = 1 / 2CV ² को स्टोर कर सकता है

साढ़े x 10 x 2.5 ² = 31.25 जूल

इसलिए, एक ही रेटिंग के साथ समानांतर में कम से कम 85 सुपरकैपेसिटर की आवश्यकता होती है। स्पष्ट रूप से इस विशिष्ट एप्लिकेशन में बैटरी पहली पसंद होगी। लेकिन अगर यह एप्लिकेशन एक विशिष्ट एप्लिकेशन में बदल जाता है, जहां केवल 30 सेकंड के लिए बिजली की समान मात्रा की आवश्यकता होती है, तो सुपरकैपेसिटर एक विकल्प हो सकता है क्योंकि इसे बहुत तेजी से चार्ज किया जा सकता है और इसका उपयोग बहुत लंबे समय तक किया जा सकता है।

निष्कर्ष

उपरोक्त तुलना केवल सुपरकैपेसिटर के साथ विशिष्ट बैटरी (लिथियम या लीड एसिड) के बीच की जाती है। हालांकि, विभिन्न रासायनिक रचनाओं के साथ अलग-अलग बैटरी हैं। दूसरी ओर, विभिन्न रासायनिक रचनाओं के साथ अलग-अलग सुपरकैपेसिटर भी हैं जैसे कि एक जलीय इलेक्ट्रोलाइटिक सुपरकैपेसिटर या एक आयनिक तरल सुपरकैपेसिटर के साथ-साथ हाइब्रिड और कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइटिक सुपरकैपेसिटर भी बाजार में हैं। विभिन्न रचनाओं में अलग-अलग काम करने की विशेषताएं और विशिष्टताएं होती हैं।

सुपरकैपेसिटर के पास आवेदन के संदर्भ में बहुत अधिक सकारात्मक बिंदु हैं फिर बैटरी। लेकिन, बैटरी की तुलना में इसके नकारात्मक पक्ष भी हैं। इसलिए, सुपरकैपेसिटर के उपयोग आवेदन के प्रकार पर अत्यधिक निर्भर हैं।