بخشی از مقاله
چکیده:
تعدادی ابرخازن مبتنی بر کربن فعال همراه با نانولوله های کربنی چند جداره - MWCNT - ، نانو ذرات اکسید مس - I - و - II - و مایع یونی -1اکتیل -3 متیل ایمیدازولیوم کلرید - [OMIM]Cl - ساخته و رفتار الکتروشیمیایی آنها در دماهای مختلف با استفاده از روش های آسایش DC و گسست جریان مطالعه شد. اثر عوامل مختلف مانند نانو ذرات و MWCNT بر ظرفیت خازنی، محدودهی ولتاژ، دمای عملکردی و مقاومت الکتریکی سری و موازی بررسی گردید.
نتایج نشان داد که ابرخازن حاوی نانوذره MWCNT+CuO کمترین مقاومت الکتریکی سری و بیشترین مقاومت الکتریکی موازی و بهترین عملکرد را دارد. ابرخازن حاوی نانوذره Cu2O دامنه ولتاژ بالاتری از نمونه حاوی نانوذره MWCNT+CuO دارد. مقایسه دیاگرام راگونه این ابرخازن ها با قطعات تجاری ذخیره سازی انرژی نشان می دهد که در دماهای بالا رفتاری شبیه ابرخازن های تجاری و در دماهای پایین رفتار شبیه باتری دارند.
1 مقدمه
امروزه علاقه زیادی برای توسعه ابزارهای موثر ذخیره کننده ی انرژی وجود دارد. یک نمونه از این ابزارها، ابرخازنها هستند که دارای رشد بسیار وسیعی در ده سال گذشته به دلیل مزایای زیادی در ذخیره ی انرژی بوده اند. در ابرخازن ها که خازن های الکتروشیمیایی نیز نامیده میشوند، از مواد الکترودی که دارای مساحت سطح بالاتر و دی الکتریک نازکتر به منظور دستیابی به ظرفیت خازنی به مراتب بزرگتر از خازنهای معمولی استفاده میشود. ابرخازن ها دانسیته انرژی بیشتری نسبت به خازن های معمولی و دانسیته توان بزرگ تری نسبت به باتری ها دارند. در نتیجه، ابرخازنها یک راه کار مناسب برای افزایش عملکرد و کارایی باتری ها هستند.
ابرخازن یک منبع انرژی بسیار جالبتر در مقایسه با باتریها می باشند. هزینه تعمیر و نگه داری آن ها نزدیک به صفر، طول عمر آن ها بسیار زیاد، فاقد هرگونه اثرات جانبی حافظه ای و... هستند [1]؟ در مقایسه با خازنهای لایه دوگانه الکتریکی که ذخیره ی بار در آن ها به صورت الکترواستاتیکی است، شبه خازنها بار الکتریکی را بهصورت فارادی ذخیره می کنند، بنابراین انتقال بار بین الکترود و الکترولیت از طریق واکنش های شیمیایی صورت میگیرد.
فرآیند فارادی موجب افزایش ظرفیت و دانسیته انرژی شبه خازن ها نسبت به خازنهای لایه دوگانه الکتریکی می شود. در شبه خازنها، دو نوع ماده الکترودی پلیمری و اکسید فلزات به منظور ذخیره ی بار الکتریکی استفاده می شود 2] و .[3 خازن های هیبریدی به دلیل داشتن مزایای بسیار زیاد و نداشتن معایب خازنهای لایه دوگانه الکتریکی و شبه خازنها، دارای کارایی بهتری میباشند. استفاده از هر دو فرآیند فارادی و غیر فارادی در ذخیره ی بار الکتریکی باعث شده است که خازنهای هیبریدی با توانایی دست یابی به دانسیته انرژی و توان بالاتری نسبت به خازنهای لایه دوگانه الکتریکی بدون از دست دادن پایداری چرخه ای و قیمت، میزان عمل شبه خازن ها را محدود سازند.
در حال حاضر تحقیقات بر روی انواع مختلف خازن های هیبریدی، متمایز سازی با پیکربندی الکترودهای آن ها نظیر کامپوزیت ها، خازن های غیرمتقارن و شبه باتریها متمرکز شده است 4] و .[5 بهینه سازی الکترولیت یک مرحله بحرانی در مسیر پیشرفت ابرخازن هاست. هدایت یونی غلظت یون و ولتاژ اعمالی به الکترولیت می توانند دانسیته توان ابرخازن ها را محدود سازد .[6] هدف نهایی تولید یک ابرخازن با دانسیته انرژی بالا است که بدین منظور باید الکترولیت پنجره ولتاژ وسیعی داشته باشد بنابراین عملکرد مطلوب یک ابرخازن به نوع الکترود و خواص الکترولیت بستگی دارد. پژوهشهای متعددی به منظور افزایش کارایی ابرخازنها از طریق الکترولیت انجام گرفته است؛ مشاهده گردیده است که استفاده از مایع یونی به عنوان الکترولیت باعث افزایش عملکرد ابرخازنها میشود.
کاربرد مایعات یونی باعث افزایش کارایی ابرخازنها میشود زیر از یک طرف مایعات یونی غیرقابل اشتغال هستند که این ویژگی سبب افزایش ایمنی استفاده از آنان در ابرخازنها میشود و از سوی دیگر مایعات یونی دارای پنجره پتانسیل الکتروشیمیایی وسیعی هستند در نتیجه میزان ولتاژ بالایی را دارا میباشند و از آنجا که دانسیته انرژی با مجذور ولتاژ متناسب است، دانسیته انرژی بالایی دارند بنابراین با به کار بردن مایعات یونی در ابرخازنها سبب افزایش دانسیته انرژی ابرخازنها میشود .[6] یک مثال بارزی از کاربرد مایعات یونی در ابرخازن ها، استفاده از مایعات یونی پروتون دار و غیر پروتون دار می باشد.
با بررسی ولتامتری چرخه ای، طیف سنجی امپدانس، شارژ- دشارژ جریان ثابت مشخص گردیده است که مایعات یونی غیر پروتوندار مناسب تر از مایعات یونی پروتون دار هستند و می توانند موجب افزایش کارایی ابرخازنها گردند .[7] استفاده از نانو مواد و مواد نانو ساختار به دلیل مساحت سطح زیاد و حفرات نزدیک به هم به عنوان مواد پوشش دهنده الکترود، به منظور ارتقا عملکرد ابرخازن های لایه دو گانه الکتروشیمیایی رواج یافته است .[6] از میان نانو مواد، ویژگی اساسی نانو ذرات این است که به دلیل اندازه بسیار کوچک خود دارای نسبت سطح به حجم بالایی دارا میباشد. افزایش دانسیته انرژی و سرعت فرآیند دشارژ ابرخازن ها سبب افزایش عملکرد آن ها و جایگزین سازی مناسب برای باتریها و خازنهای الکتریکی متداول میشود.
کربن متخلخل، نانولوله های کربنی تک و چند جداره، صفحات گرافن و... به عنوان نانو مواد تشکیل دهنده ی الکترود های ابرخازن ها مورد مطالعه قرارگرفته است ولی آنچه مشخص است، تحقیقات و پژوهشهای اندکی در زمینه نانو ذرات کروی کربن به عنوان الکترود، در ابرخازن ها انجام گرفته است .[8] در حال حاضر نیاز مبرم به گسترش سیستمهای انرژی با قابلیت کارکرد در دماهای خیلی بالا و خیلی پایین بدون محدودیت کنترل گرمایی در هوانوردی و هوافضا، هواپیماهای الکتریکی و وسایل هوایی بدون سرنشین و همان اندازه در وسایل هیبرید الکتریکی و الکتریکی است. عملکرد مناسب در دماهای خیلی بالا و خیلی پایین به ویژه مقدار ظرفیت و مقاومت سری معادل الکتریکی - - ESR امری ضروری برای استفاده از ابرخازنها در شرایط و کاربردهای موردنظر است.[10-8]
در سال های اخیر تلاش های زیادی برای افزایش ظرفیت مواد الکترودی وارتقا تعدادی از مدل های الکتریکی ابرخازنها صورت گرفته است. بااینوجود، محققان توانستهاند در زمینههای نوینی از ابرخازنها را مطالعه و پژوهش کنند. به ویژه، تحقیقات و تلاش های زیادی در مورد ابرخازن هیبریدی، کاهش ESR، بهینه سازی الکترولیت و کاهش فرآیند دشارژ خود به خودی برای افزایش عملکرد ابرخازنها انجام گرفته است. آیندهی درخشان این فناوری ترکیب خازنهای لایه دوگانه الکتریکی و شبه خازن ها با همدیگر برای دست یابی به ابرخازن های با عملکرد بالاست.
اگرچه بر روی خازنهای هیبریدی تحقیقات و مطالعه کمتری در مقایسه با خازنهای لایه دوگانه الکتریکی و شبه خازن ها انجام گرفته است، ولی محققان معتقدند که این خازن ها قابلیت و توانایی بهتری در مقایسه با خازنهای لایه دوگانه الکتریکی و شبه خازن ها به صورت منفرد دارند. درنتیجه، تحقیقاتی زیادی در ارتباط با ساخت خازن های هیبریدی پیشرفته و توسعه مدلهای خازنهای هیبریدی انجام گرفته است. در این میان افزایش جالب توجه چرخه ی عمر، ابرخازن های با انرژی بالاتر، انعطاف پذیری مکانیکی بسیار خوب و ارتقا طراحی و عملکرد خازنهای هیبریدی صورت گرفته است.
هدف پژوهش حاضر سنتز نانوذرات CuO و Cu2O به روش پیرولیز و ساخت تعدادی ابرخازن مبتنی بر مواد کربن فعال آمیخته با MWCNT، نانو ذرات CuO و Cu2O به همراه الکترولیت متشکل از چند مایع یونی بر پایه ایمیدازولیوم است. رفتار الکتروشیمیایی ابرخازنها در دماهای مختلف مطالعه شده و اثر عوامل مختلف مانند نوع نانو ذرات و مایعات یونی بر ظرفیت خازنی، محدودهی ولتاژ، دمای عملکردی و مقاومت الکتریکی سری و موازی ابرخازنها مورد بررسی قرار می گیرد.
