بخشی از مقاله
چکیده:
ابرخازن ها از وسایل الکتریکی ای هستند که برای ذخیره ی انرژی بسیار امیدوار کننده هستند. ابرخازن ها به دلیل داشتن توان انرژی بالا نسبت یه باتری ها بسیار مناسب هستند اما چگالی انرژی پایین از معایب آنها محسوب میشود، در این پژوهش به منظور بالا بردن ظرفیت ابر خازنها اصلاحاتی روی الکترود گرافنی انجام شده است. الکترود آن با گروه OH عاملدار شد و پس از اطمینان از عاملدر شدن افزایش ظرفیت 35 درصدی مشاهده شد. این ظرفیت با محاسبه از روی نمودار ولتاموگرام چرخه ای گرافن دست نخورده و اصلاح شده بدست آمد. اصلاحات انجام شده با مواد ارزان قیمت بوده تا صرفه ی اقتصادی داشته باشد.
مقدمه:
با توجه به سرعت رشد اقتصاد جهانی و رو به اتمام بودن سوخت های فسیلی و افزایش آلودگی محیط زیست ما به شدت به یک منبع انرژی کارآمد، پاک و تمام نشدنی نیاز داریم، بدیهی است که ارتباط تکنولوژی با ذخیره و تبدیل انرژی بسیار تنگاتنگ است. در حوزه های کاربردی زیادی قسمت بیشتری از تکنولوژی های مؤثر و عملی برای تبدیل انرژی الکتروشیمیایی، باتری ها، پیل های سوختی و ابرخازن ها هستند. در سال های اخیر ابرخازن ها توجه چشمگیری را جلب کرده اند. که این به دلیل توان بالای انرژی، چرخه ی زندگی طولانی و پل زدن آنها بین شکاف قدرت/انرژی است، منظور از این شکاف اختلاف بین خازن های دی الکتریک مرسوم - که توان خروجی بالایی دارند - و باتری/پیل سوختی - که ذخیره ی انرژی بالایی دارند - است.
دولت های بسیاری زمان و وقت زیادی را صرف تحقیق و گسترش تکنولوژی ES کرده اند، اخیرا برنامه های زیادی در تحقیقات تئوری و تجربی گسترش ES را به همراه داشته است، که به روشنی در بسیاری از مقالات تحقیقاتی و گزارش های تکنیکی نشان داده شده است، در این تحقیقات معایب ES شامل چگالی انرژی کم و هزینه ی زیاد تولید به عنوان مشکلات بزرگی برای تکنولوژی پیشرفت ES معرفی شده اند.
برای غلبه بر موانع چگالی انرژی کم یکی از روش ها گسترش ماده ی جدید بر الکترود ES هاست، امروزه معروفترین آن مواد ذرات کربن است، این مواد به دلیل سطح تماس بالا برای ذخیره ی شارژ مناسب هستند، اما باوجود این سطوح بزرگ، شارژ فیزیکی ذخیره شده در لایه های این الکترودهای کربنی متخلخل متأسفانه محدود است، ESی که به این صورت باشد ابرخازن الکترواستاتیک یا دولایه ی الکتروشیمیایی نامیده می شود 1 - EDLS - و ظرفیت ویژه ی محدود دارد و چگالی کم انرژی نیز از معایب آن است.
روش های پیشرفته برای افزایش چگالی انرژی ES هیبرید کردن مواد الکترود با اضافه کردن مواد فعال شیمیایی به یک ساختارالکترودی ES است که پایه ی مواد کربن ذره ای دارد و یا کاملا جایگزین کردن مواد کربنی با مواد فعال الکتروشیمیایی است. ES با مواد الکتروشیمیایی فعال به عنوان الکترود، ابرخازن فارادیک نامیده می شود .2 - FS - در تحقیقات نشان داده شده است که ابرخازن فارادیک یا ابرخازن دولایه ظرفیت ویژه ی بیشتری در زمینه ی بازده داشته باشد و چگالی انرژی ES بیشتر از EDLS است.
راجع به مواد ES پیشرفته، متال اکسیدها مثل روتنیم اکسید و منگنز اکسید برای نسل های آینده ی ES موادی امید بخش به نظر میآیند. بنابراین در این تحقیق ما در ابتدا توجه ویژه ای به متال اکسید و کاربردهایشان در الکترودهای ES می کنیم، سپس به الکترود های گرافنی می پردازیم و توجهمان را به اصلاح این نوع الکترود ها برای افزایش ظرفیت متمرکز خواهیم کرد و در پایان راجع به جهت تحقیقات آینده بر روی ES ها که انتظار می رود انجام شود بحث خواهیم کرد.[1]
مفاهیم و کاربرد ها ی : ES
یک ES درواقع یک وسیله ی ذخیره ی شارژ مثل باتری است که در شکل 1 نشان داده شده. یک الکترود ES شامل دوالکترود یک الکترولیت و یک جداکننده است، که به صورت الکتریکی دو الکترود را جدا می کنند، مهمترین جزء در یک ES مواد الکترود است. به صورت کلی الکترود های ES از مواد در مقیاس نانو ساخته می شوند که سطح تماس و تخلخل بالایی دارند که در شکل 1 دیده می شود که شارژ می تواند در محل های تماس بین ذرات جامد رسانا - مثل ذرات کربن یا ذرات متال اکسید - و الکترولیت، این محل تماس می تواند به عنوان یک خازن با ظرفیت دولایه ی الکتریکی رفتار کند که با معادله ی زیر بیان می شود:A ناحیه ای از سطح الکترود است که برای ابرخازن باید سطح الکترود متخلخل فعال باشد.
یک ثابت متوسط دی الکتریک - الکترولیت - است که برای خلأ برابر با یک و برای بقیه ی مواد مثل گازها بزرگتر از یک است، و d ضخامت مؤثر دولایه ی الکتریکی است. دو نوع از ES ها وجود دارند: یکی EDLS است که برای آن در مواد الکترود در طول فرآیند شارژ و دشارژ واکنش الکتروشیمیایی اتفاق نمی افتد و انباشتگی فیزیکی خالص شارژ در سطح تماس الکترود/الکترولیت رخ می دهد. نوع دیگر FS است که مواد الکترود در آن به صورت شیمیایی فعال است، مثل متال اکسید که می تواند به صورت مستقیم بار را در طول فرآیند شارژ و دشارژ ذخیره کند.
ابرخازن های الکترواستاتیکی : - EDLS -
ظرفیت سطح تماس الکترود با الکترولیت در یک EDLS با پتانسیل وابسته به الکترود ارتباط دارد، مکانیسم عمل شارژ الکترود سطحی شامل انباشتگی الکترواستاتیک شارژ سطحی است، به طوری که در شکل1 نشان داده شده است، این دو لایه ی الکتریکی سطح تماس ذرات کربن و الکترولیت است، جاییکه یا ازدیاد یا کمبود شارژ الکتریکی در سطح الکترود انباشته می شود و یون های الکترولیت با موازنه شارژ روی سطح کناره ی الکترولیت با خنثی سازی الکترونی قرار می گیرند.
در طول زمان شارژ شدن، الکترون ها از الکترود منفی به الکترود مثبت مهاجرت می کنند. کاتیون ها نیز به سمت الکترود منفی حرکت می کنند و در عین حال آنیون ها به سمت الکترود مثبت حرکت می کنند، در طی دشارژ واکنش برعکس اتفاق می افتد، در این نوع از ES ها در طول الکترود انتقال شارژی انجام نمی گیرد، تبادل یون خالص بین الکترولیت و الکترود صورت می گیرد و این بر این دلالت دارد که غلظت الکترولیت در طول فرآیند شارژ ودشارژ ثابت می ماند، به این ترتیب انرژی در سطح دو لایه ذخیره می شود.
FS ها : وقتی که یک پتانسیل به یک FS اعمال می شود یک واکنش سریع برگشت پذیر کاهشی در مواد الکترود اتفاق می افتد و شامل عبور شارژ در عرض دو لایه می شود، شبیه شارژ و دشارژ باتری ها که از جریان عبوری سل ابر خازن نتیجه می شود، موادی که این واکنش کاهشی را انجام می دهند شامل پلیمر های هادی و چند نوع از متال اکسید ها مثل 2 و 2 و 3 4 هستند. سه نوع فرآیند فارادی در FS ها رخ می دهد:
-1 جذب سطحی برگشت پذیر - برای مثال جذب سطحی هیدروژن بر روی سطح پلاتین یا طلا -
-2 واکنش کاهش متال اکسید های فلزات واسطه
-3 و همچنین داپ کردن و dedop شدن الکتروشیمیایی برگشت پذیر الکترود های بر پایه ی پلیمرهای هادی. نشان داده می شود که این فرآیند الکتروشیمیایی فارادی ولتاژ کار را گسترش نمی دهد اما ظرفیت ویژه ی ابرخازن را افزایش می دهد، اگر چه فرآیند فعالیت الکتروشیمیایی هم در سطح و هم در بالک نزدیک سطح در الکترود جامد اتفاق می افتد. FS ظرفیت بسیار بیشتری از EDLS نشان می دهد، ظرفیت یک FS می تواند 10-100 برابر بیشتر از ظرفیت الکترو استاتیکی EDLS باشد، اگرچه یک FS معمولا چگالی انرژی پایین تری از EDLS دارد، به دلیل اینکه فرآیند های فارادی به صورت نرمال از فرآیند های غیر فارادی کند تر هستند، علاوه بر این به دلیل اینکه واکنش های کاهشی در الکترود ها رخ می دهند یک FS اغلب مثل باتری ها در طول چرخه ها فاقد پایداری است.
هیبرید ES با پیکربندی الکترود نامتقارن - یک الکترود شامل مواد کربنی الکترواستاتیک و دیگری مواد ظرفیت فارادی است - اخیرا بسیار مطالعه شده در این نوع از ابر خازن هیبریدی هر دو مکانسیم ظرفیت دولایه و ظرفیت فارادی به طور همزمان اتفاق می افتند، یکی از آنها نقش بیشتری را بازی می کند، در هر دو مکانیسم سطح تماس زیاد، توزیع مناسب اندازه ی روزنه ها و رسانایی بالا ویژگی های ضروری الکترود ها برای بدست آوردن ظرفیت بیشتر است .
ظرفیت ES به شدت به منطقه ی سطح ویژه ی مواد الکترود ها3 وابسته است، اگرچه وقتی که یک ماده با الکترولیت برخورد دارد همه ی سطح به صورت الکتروشیمیایی قابل دسترسی نیست، ظرفیت اندازه گیری شده از مواد مختلف با افزایش سطح ویژه ی مواد به صورت خطی افزایش پیدا نمی کند، بنابراین واژه ی سطح فعال شیمیایی تعریف دقیق تری است، اندازه ی روزنه ها نقش مهمی را در سطح فعال الکتروشیمیایی بازی می کنند. بر طبق largeot اندازه ی روزنه ی مواد الکترود ها که ظرفیت بیشینه ی دولایه را به همراه دارند خیلی نزدیک به اندازه ی یون الکترولیت هستند و هر دو روزنه های بزرگتر و کوچکتر کاهش چشمگیری را در ظرفیت باعث می شوند، اگرچه افزایش اندازه ی روزنه می تواند فاصله ی میانگین بین دیواره ی روزنه مرکز یون را افزایش دهد و سپس ظرفیت مواد با روزنه های بزرگتر را کاهش دهد.
ارتباط تخلخل با گسترش ظرفیت بیشتر خودش یک پارامتر ساده نیست، شامل هر دومورد اندازه ی روزنه و توزیع اندازه ی روزنه برای گرفتن یک سطح ویژه ی کل از مواد است، بنا براین ظرفیت ES به شدت به منطقه ی سطح در دسترس الکترولیت ارتباط دارد. به طور کلی مواد الکترود ES می توانند به سه نوع دسته بندی شوند: -1مواد کربنی با سطح ویژه ی بالا -2پلیمر های هادی -3 متال اکسید ها مثل 2, 3, 2, NiO, [3]. 2 3 , 2 , 2 5,MoO
مواد کربنی:
مواد کربنی به عنوان موادی مؤثر برای صنعتی کردن در نظر گرفته می شوند، مزایای مواد کربنی عبارت است از: فراوانی، قیمت پایین تر، فرآیند تولید آسان، غیر سمی بودن، سطح تماس بیشتر، هدایت الکترونی خوب، پایداری شیمیایی زیاد و بازه ی عملکرد دمایی گسترده است. خازن های الکتروشیمیایی شبیه به خازن های دولایه ی الکتروشیمیایی هستند، در شکل 2 نشان داده شده که منحنی های چرخه ای ولتامتری مواد کربنی حالت مستطیل شکل خوبی دارند و این نشان می دهد که آنها مواد مناسبی برای ES هستند، مشخصات شارژ و دشارژ گالوانواستاتیک آنها با یک توزیع سه گوش متقارن است بنا براین ویژگی های ظرفیتی خوبی را برای ES نشان می دهند.
