شباهت و تفاوت خازن و باتری

آیا تا به حال به تفاوت خازن و باتری فکر کرده‌اید؟ باتری و خازن هر دو انرژی الکتریکی را ذخیره کرده و در مواقع لزوم در اختیار مدار الکتریکی قرار می‌دهند. از این حیث باتری و خازن بسیار شبیه به یکدیگر هستند. با این حال تفاوت‌هایی اساسی بین آن‌ها وجود داشته که کاربرد‌های هر یک از آن‌ها را محدود به شرایطی خاص می‌کند.

فرق اصلی بین خازن و باتری چیست؟

باتری و خازن در ذخیره و آزادسازی انرژی الکتریکی مشابه هم هستند و ظرفیت نامی آنها بر حسب آمپرساعت (Ah) گزارش می‌گردد. اما چند تفاوت اساسی بین آنها وجود دارد که در پست‌های بعدی بدان پرداخته می‌شود.

اصلی‌ترین تفاوت باتری و خازن در این است که باتری با تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی، انرژی الکتریکی لازم را فراهم می‌کند. این در حالی است که خازن، از طریق یک میدان الکترواستاتیک، با جمع شدن بارهای الکتریکی روی دو صفحه آن، انرژی الکتریکی را ذخیره می‌کند. در ادامه این مقاله با ما همراه باشید تا با زبانی ساده بیشتر به تفاوت باتری و خازن بپردازیم.

تعریف باتری

همان‌طور که می‌دانید، باتری وسیله‌ای است که به عنوان منبع انرژی در بسیاری از وسایل برقی استفاده می‌شود. از آنجایی که یک باتری سالم، ولتاژی ثابت دارد (اختلاف پتانسیل بین قطب مثبت و منفی آن ثابت است)، جریان تولید شده توسط آن نیز ثابت (DC) است.

باتری به عنوان منبع انرژی مورد استفاد قرار می‌گیرد و دارای سه بخش اصلی به نام‌های کاتد (ترمینال مثبت)، آند (ترمینال منفی) و یک جداکننده موسوم به الکترولیت است. باتری انرژی را به شکل شیمیایی ذخیره می‌کند و در مواقع نیاز آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌نماید. واکنش شیمیایی به نام اکسایش – کاهش بین کاتد و آند در حین شارژ و تخلیه (دشارژ) باتری از طریق جداکننده (الکترولیت) اتفاق می‌افتد.

در انواع باتری‌های شارژی، هم عملیات شارژ و هم عملیات دشارژ بصورت شیمیایی انجام می‌شود. بطور کلی واکنش‌های شیمیایی درون باتری باعث می‌شود الکترون‌های تولید شده از طریق مدار الکتریکی به سمت پایانه ی مثبت باتری حرکت کند و ولتاژ و جریان در مدار الکتریکی بوجود آید.

تعریف خازن

خازن وسیله‌ای با دو ترمینال و دارای دو یا چند صفحه موازی است که توسط یک واسط دی الکتریک به نام عایق از یکدیگر جدا شده‌اند. ساختار خازن‌های الکتریکی بصورت لایه‌ای است. بدین صورت که دو صفحه‌ی رسانا با فاصله‌ی مشخصی از یکدیگر قرار دارند و مابین آن‌ها یک لایه دی‌الکتریک یا هوا وجود دارد. در صورتی که خازن توسط یک منبع ولتاژ تغذیه شود، مادامی که ولتاژ دو سر خازن با ولتاژ منبع برابر شود، جریان از خازن عبور می‌کند.

در این حالت خازن شارژ می‌شود. اگر خازن شارژ شده را در یک مدار الکتریکی بدون منبع تغذیه قرار دهید، خازن دشارژ می‌شود و ولتاژ مدار را تا زمانی که ظرفیت خازن خالی شود، تغذیه می‌کند. در حالت دشارژ خازن به عنوان منبع تغذیه برای انواع مقاومت های الکتریکی و المان های دیگر مدار عمل می کند.

مقاله پیشنهادی: خازن خودرو چیست و چه کاربردی دارد؟

قبل از مطالعه ادامه مطلب، پیشنهاد میکنیم حتما ویدئوی زیر را جهت درک تفاوت بین باتری و خازن مشاهده نمایید:

مقایسه خازن و باتری

با توجه به توضیح بالا در مورد انواع باتری و انواع خازن، می‌توان مهم‌ترین تفاوت آن‌ها را در نحوه‌ی چگونگی شارژ شدن آن ها دانست. با این وجود تفاوت‌ها و شباهت‌های دیگر باتری و خازن را بصورت تخصصی مورد بررسی قرار می‌دهیم:

در جدول زیر تفاوت‌های اصلی بین باتری و خازن و همچنین مقایسه آنها گزارش شده است:

جدول مقایسه باتری و خازن

مشخصات	انواع باتری	انواع خازن
نماد خازن و باتری
تعریف خازن و باتری	باتری انرژی پتانسیل را به شکل انرژی شیمیایی ذخیره می کند که پس از آن به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.	خازن انرژی پتانسیل را به شکل میدان الکتریکی (میدان الکترواستاتیک) ذخیره می کند و آن را به صورت انرژی الکتریکی در مدار آزاد می کند.
تفاوت ساختار خازن و باتری	باتری دارای سه بخش به نام های کاتد (مثبت +ve)، آند (-ve) و جداکننده (الکترولیت) است.	ساختار خازن از 2 صفحه موازی رسانا تشکیل شده است که در فاصله‌ی مشخصی از یکدگیر قرار دارند و در میان این دو صفحه نیز یک ماده دی الکتریک وجود دارد.
تفاوت عملکرد باتری و خازن	باتری ها انرژی لازم برای وصل مدار را تامین می کنند، در واقع باتری تولیدکننده الکترون ها و بار است.	خازن ها انرژی را دریافت، ذخیره و آزاد می کنند، به عبارتی دیگر خازن تنها الکترون هلی شارژ شده را ذخیره می کند.
اصول کار	باتری بر اساس یک واکش شیمیایی به نام اکسایش – کاهش عمل می کند.	با اعمال ولتاژ به ترمینال های خازن، شروع به ذخیره سازی انرژی در خود می کند.
کارکرد	باتری الکترون ها را تولید می کند.	خازن الکترون ها را ذخیره می کند.
انواع	انواع باتری ها عبارتند از: قلیایی، سلول های لیتیوم، سلول های اکسید نقره، سلول های روی- هوا، روی – کربن، اسید سرب، یون لیتیوم، نیکل هیدرید فلز (Ni MH)، نیکل کادمیوم (Ni Cd) و غیره.	الکترولیت، الکترواستاتیک، الکتروشیمیایی، سوپرخازن، سوپرخازن های هیبریدی، خازن های سرامیکی، خازن های پوسته ای، تانتالی، خازن مجتمع.
نوع دستگاه	باتری یک جزء فعال است.	خازن یک عنصر پسیو (غیرفعال) است.
AC & DC کاربرد	از باتری برای تامین تغذیه DC استفاده می شود.	خازن ها مانع عبور تغذیه DC می شود و منبع AC را عبور می دهد.
رفتار ولتاژ	باتری در حالت دشارژ تقریبا ولتاژ ثابتی تولید می کند.	ولتاژ دشارژ خازن سریعا کاهش می یابد یعنی نرخ دشارژ بسیارسریع است.
اختلالف پتانسیل (P. d)	ثابت	بطور نمایی افزایش می یابد.
شارژ و دشارژ	زمان شارژ و دشارژ باتری کم است از ۱۰ تا ۶۰ دقیقه	زمان شارژ و دشارژ خازن بسیار سریع است یعنی از ۱ تا ۱۰ ثانیه
دمای شارژ	۰ – ۴۵ °C (32 – ۱۱۳°F)	-۴۰ to 65 °C (-40 – ۱۴۹°F)
سیکل کاری	۵۰۰ ساعت	۱M – ۳M ساعت
طول عمر کاری	۵-۱۰ سال	۱۰-۱۵ سال
ولتاژ در هر سلول	۳٫۶-۳٫۷ Volts	۲٫۳ – ۲٫۷۵ Volts.
نرخ توان	نرخ توان باتری حدود   ۱k – ۳k (W/kg). است	نرخ توان خازن حدود ۱M (W/kg). است.
پلاریته	پلاریته باتری به هنگام شارژ و دشارژ بر عکس می شود.	پلاریته خازن باید به هنگام شارژ و دشارژ یکسان باشد.
فرق اندازه خازن و باتری	به ازای ظرفیت شارژ یکسان، اندازه باتری باید در مقایسه با خازن کوچک باشد.	اندازه خازن به ازای ظرفیت شارژ یکسان در مقیسه با باتری بزرگ است.
تفاوت هزینه خازن و باتری	هزینه باتری بیشتر است.	هزینه خازن کمتر است.
مزایای خازن و باتری	قابلیت ذخیره سازی چگالی توان جریان نشتی بهتر نسبت به خازن ولتاژ ثابت	سیکل کاری بیشتر زمان شارژ کوتاه جریان بار بیشتر عملکرد دمایی خوب
معایب باتری و خازن	سیکل کاری محدود زمان شارژ طولانی محدودیت ولتاژ و جریان حساسیت دمایی بیشتر	انرژی ویژه کمتر تخلیه خودی بیشتر هزینه بر وات بیشتری در مقایسه با باتری ولتاژ خطی تخلیه در حین کار
کاربردهای خازن و باتری	الکترونبک قدرت کاربردهای خانگی ذخیره توان تجهیرزات پظزشکیIOT تجهیزرات مبتنی بر امور نظامی و زیردریایی  AI تجهیزات مبتنی بر استفاده در وسایل نقلیه استفاده به عنوان منبع توان پشتیبان	صاف نمودن توان خروجی منبع تغذیه اصلاح ضریب توان فیلترهای فرکانسی، فیلترهای بالاگذر و پایین گذر. کوپلینگ و دکوپلینگ سیگنال ها راه اندازی موتور اسنابر (جذب اضافه ولتاژ ناگهانی و فیلتر نویز)  نوسانساز

سوپر خازن یا ابر خازن چیست؟

ابر خازن ها همان خازن های معمولی هستند اما تفاوت آن در ظرفیت بالای آن ها نسبت به خازن های معمولی است. ابرخازن ها نوعی خازن قطبی ظرفیت بالاتر و از طرفی ولتاژ پایین تری را نسبت به خازن های دیگر دارند و از لحاظ عملکردی در میان خازن های الکترولیتی و باتری های قابل شارژ قرار گرفته میشود.

ظرفیت سوپرخازن‌ها از ۱۰۰ تا ۱۲۰۰ فاراد است در حالیکه ولتاژ مجاز آنها پایین و در محدوده ۲٫۵ تا ۲٫۷ ولت می‌باشد. فرض می‌شود سوپرخازن بین یک خازن و باتری باشد.

تفاوت باتری و ابر خازن

کدام یک برای ذخیره سازی مناسب تر است؟

این نوع خازنها خیلی سریعتر از باتری و در واحد حجم بیشتر از یک خازن الکترولیتی شارژ می‌شوند. به همین دلیل است که یک سوپرخازن از لحاظ ماهیت چیزی بین باتری و خازن الکترولیتی در نظر گرفته می‌شود. این بدان معنی است که :

1. خیلی سریع تر از باتری ها شارژ میشوند.
2. می تواند انرژی بسیار بیشتری نسبت به خازن های الکترولیتی ذخیره کند
3. طول عمر بیشتر (چرخه شارژ و دشارژ شدن) نسبت به باتری ها و کمتر نسبت به خازن های الکترولیتی دارد
4. برای مقایسه طول عمر ابرخازن ها، در نظر بگیرید که در حالی که خازن های الکترولیت دارای تعداد نامحدود چرخه شارژ هستند، باتری های لیتیوم یون را به طور متوسط بین 500 تا 10، 000 چرخه میتوان شارژ کرد. با این حال، ابر خازن ها دارای طول عمری معادل 100000 تا یک میلیون چرخه هستند.

مزایای ابرخازن ها نسبت به باتری

مزایای ابرخازن ها نسب به باتری ها شامل موارد زیر است:

1- تعادل در شارژ و دشارژ شدن. شما نمیتوانید به اندازه باتری های لیتیومی در ابرخازن ها انرژی ذخیره کنید (به طور میانگین هر ابرخازن میتوانید ظرفتی معادل یک چهارم وزنش را درون خود ذخیره کند. ) ولی در عوض با سرعتی معادل 1000 برابر باتری میتوان آن ها را شارژ کرد.

2- در برخی اسباب بازی ها برای شارژ سریع از ابرخازن ها استفاده میشود و شرکت هایی مانند Nawa به دنبال پیاده سازی ایده مشابه در اتومبیل های برقی واقعی هستند تصور کنید اتومبیل های برقی که توسط ابرخازن (به جای باتری های قابل شارژ) کار می کنند که می توانند در زمان بسیار کمتری نسبت به باتری ها شارژ شوند.

3- محدوده دمای کارکرد: ابرخازن های دارای تلورانس دمای بالاتری هستند و میتوانند در دمایی معادل -40 درجه فارنهایت تا 150 درجه فارنهایت کار کنند.

معایب سوپر خازن ها چیست؟

از طرف دیگر سرعت تبادل انرژی به نوعی اشکال و همچنین یک عیب است. در اینجا برخی از معایب ابرخازن ها ذکر شده است:

• تخلیه خودکار: ابرخازن ها برای نگهداری بلند مدت انرژی مناسب نیستند به طور میانگین یک ابرخازن بین 10 تا 20 درصد از انرژی خود را از دست میدهد.
• کاهش تدریجی ولتاژ: در حالی که باتری ها تقریبا تا انتها تقریبا با یک ولتاژ ثابتی ارائه میدند در ابرخازن ها ولتاژ به صورت خطی و موازی با بار آن کاهش میابد.

کاربرد های ابرخازن

در حال حاظر از Supercapacitor ها چه استفاده ای میتوان کرد:

ابر خازن ها تقریبا در تمامی شرایط به کار می آیند زیرا دارای تعداد دفعات شارژ بسیار زیاد و قابلیت کارکرد در دما های بالاتر و همچنین پایین تر را دارند، در این جا به چندتا از کاربرد های آن اشاره میکنم:

استفاده در حمل و نقل عمومی: اتوبوس های هیبریدی و سایر وسایل نقلیه کوچکتر زیرا میتوان به کارکرد آن ها در سردترین روز های سال و همچنین گرم ترین روز های سال مطمئن بود.

ابرخازن ها در دستگاه های پزشکی و یا نظامی، لیزر و مایکروویو، منابع تغذیه، سیستم های امنیتی و اطلاعاتی به عنوان ذخیره پشتیبان، مدارهای راه انداز ال ای دی های توان بالا، توربین های بادی و شبکه های برق رسانی جهت پایداری شبکه، درهای برقی در هنگام قطع شدن برق، باتری UPS کامپیوترهای حساس، سیستم های مولد برق از ترمز در ماشین های برقی جدید، تثبیت کننده ولتاژ و مدارهایی که نیاز به خازن هایی با زمان شارژ و دشارژ سریع دارند مورد استفاده قرار می گیرند.

کدام بهتر است باتری یا ابر خازن؟

به طور کلی میتوان نتیجه گرفت که از ابرخازن ها به عنوان یک ذخیره ساز مناسب با تعداد دفعات شارژ بسیار بالا نام برد که قابلیت های بسیار خوبی را نسبت به باتری ها دارند.

استفاده از ابر خازن بجای باتری

چگونه از ابر خازن ها در ماشین های الکتریکی استفاده می شود؟

ترمزهای مولد برق در ماشین های برقی جدید یا Regenerative Brakes در هنگام کاهش سرعت ماشین بجای تبدیل انرژی جنبشی به گرما و اتلاف آن در محیط، آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند و برای ذخیره و استفاده مجدد آن در موتور برقی خودرو آن را در یک بانک ابر خازنی متشکل از چند سوپر خازن گرافینی ذخیره می کنند.

شرکت های مختلفی مانند تسلا و ژنرال موتور از این سیستم برای بهره وری بیشتر خودروهای برقی و هیبرید خود استفاده می کنند. در اروپا هم شرکت Skeleton Tech در حال تبدیل ماشین های دیزلی به ماشین های هیبرید در ناوگان حمل و نقل بریتانیا است و در این خودرو های از سیستم Regenerative Brakes استفاده می شود.

نحوه ساخت باتری خازنی

در ویدئوی زیر  قابلیت استفاده از ابر خازن ها را به جای باتری های قابل شارژ  مانند باتری ماشین در لوازم الکترونیکی قابل حمل آزمایش می کند. شارژ خازن با باتری خازن های بزرگ خیلی سریعتر از باتری های سنتی شارژ می شوند و جریان شارژ را با سرعت بیشتری جذب می کنند، زیرا مقاومت داخلی آنها در مقایسه با یک باتری شیمیایی معمولی بسیار کم است.  

نکات پایانی در مورد مقایسه خازن و باتری

باتری و خازن هر دو وسیله الکترونیکی هستند که توانایی ذخیره بار الکتریکی را دارند و به نظر می رسد بسیار شبیه به هم هستند، زیرا انرژی الکتریکی را آزاد می کنند. با این حال، نحوه انجام آنها به طرز چشمگیری متفاوت است.

در حالی که یک باتری انرژی بالقوه را به شکل شیمیایی ذخیره می کند، یک خازن انرژی بالقوه خود را در یک میدان الکترواستاتیک ذخیره می کند. به عبارت ساده، باتری ها انرژی را به صورت خطی ذخیره می کنند و توزیع می کنند – مانند یک جریان الکتریکی ثابت.

از طرف دیگر خازن ها انرژی را در پشت سر هم کوتاه توزیع می کنند. یک خازن مستقیماً روی صفحات ذخیره می کند که باعث می شود کمی سریعتر از باتری ها شارژ / تخلیه شود. با این حال، باتری ها قادر به بازیابی انرژی ذخیره شده خود بسیار کارآمد و برای مدت زمان طولانی تر از خازن ها هستند.