کاربرد گرافن در ابر خازن ها - ایران گرافن

در این بخش به کاربرد گرافن در ابر خازن ها خواهیم پرداخت:

در مواجه با آلودگی و فرسودگی تدریجی انرژی های سنتی، توسعه انرژی های جدید مکمل موثری برای کل سیستم تامین انرژی و اقدامی مهم برای کنترل و حفاظت از محیط زیست است. توسعه انرژی های نو به یک وظیفه مهم در جامعه امروزی تبدیل شده است. اخیراً، مردم به طور فعال به دنبال انرژی های تجدیدپذیر پاک و کارآمد هستند، آنها همچنین بر ذخیره انرژی، به ویژه ذخیره انرژی الکتریکی تمرکز دارند. تحقیقات ابرخازن موضوع داغی است که توجه زیادی را به خود جلب کرده است.

ابرخازن نوع جدیدی از دستگاه ذخیره انرژی بین خازن سنتی و باتری قابل شارژ است. ابرخازن ها دارای چرخه طولانی، مکانیسم ساده، انتشار بار دینامیکی قوی، انرژی ویژه بالا و توان ویژه بالا هستند. در مقایسه با خازن های سنتی، ابرخازن ها ظرفیت توان بالاتر و چگالی انرژی بالاتری دارند. در حال حاضر، ابرخازن ها به طور گسترده ای در لوازم الکترونیکی مصرفی، سیستم های ذخیره سازی و مدیریت برق و انرژی صنعتی استفاده می شود.

ابر خازن ها با توجه به مکانیسم ذخیره سازی الکتریسیته به دو دسته تقسیم می شوند: (1) خازن های الکتریکی دو لایه (EDLC) (2) شبه خازن ها

خازن های الکتریکی دو لایه (EDLC)

ابر خازن های EDLC دستگاه های ذخیره انرژی هستند که از دو الکترود جدا شده توسط یک الکترولیت استفاده می کنند. آنها انرژی را با ایجاد یک میدان الکترواستاتیک بین الکترودها ذخیره می کنند که به آن ها اجازه می دهد تا به سرعت شارژ و تخلیه شوند. ابر خازن های EDLC دارای چندین مزیت نسبت به باتری های سنتی هستند، از جمله چگالی توان بالا، قابلیت شارژ و دشارژ سریع، عمر چرخه طولانی و نیاز به تعمیر و نگهداری کم. آنها همچنین نسبت به باتری ها سازگارتر با محیط زیست هستند، زیرا حاوی مواد سمی نیستند یا نیاز به تعویض مکرر دارند.

شبه خازن ها

شبه خازن ها نوعی از دستگاه دخیره انرژی هستند که اصول خازن و باتری را با هم ترکیب می کند. آن ها انرژی را با استفاده از واکنش های ردوکس سریع و برگشت پذیر در رابط الکترود-الکترولیت ذخیره می کنند، که به آن ها اجازه می دهد به چگالی انرژی بالا دست یابند و در عین حال چگالی توان بالا را حفظ کنند.

شبه خازن ها دارای چندین مزیت نسبت به باتری های سنتی و ابر خازن های EDLC از جمله چگالی انرژی بالا، عمر چرخه طولانی و توانایی عملکرد در طیف وسیعی از دماها هستند. با این حال آن ها همچنین دارای محدویت هایی مانند چگالی توان کمتر و هزینه بالاتر هستند.

گرافن در ابر خازن ها یک ماده امیدوار کننده به دلیل خواص منحصر به فردی که دارد، است. نانومواد کربنی، مانند نانوپلاکت‌های گرافن، به دلیل مساحت سطح بالا (که حتی قابل توجه تر ار کربن است)، سمیت کم و توانایی تنظیم خواص برای کاربرد مورد نظر، به‌طور گسترده به عنوان مواد الکترود ابرخازن مورد بررسی قرار می‌گیرند. مساحت سطح یکی از محدودیت های ظرفیت خازنی است و مساحت سطح بالاتر به معنای ذخیره سازی بار الکترواستاتیک بهتر است. علاوه بر این، ابرخازن های مبتنی بر گرافن از ماهیت وزن سبک ، خواص الاستیک و استحکام مکانیکی آن استفاده می کنند.

گرافن را می توان به راحتی با گروه های شیمیایی مختلف عامل دار کرد که می تواند خواص الکتروشیمیایی آن را افزایش داده و آن را برای کاربردهای خاص مناسب تر کند. به عنوان مثال دوپینگ گرافن با نیتروژن می تواند ظرفیت آن را افزایش دهد و عملکرد آن را به عنوان یک ماده الکترود بهبود بخشد.

گرافن را می توان در ابرخازن ها به اشکال مختلف از جمله اکسید گرافن، اکسید گرافن احیا شده و نانو صفحات گرافن استفاده کرد. تحقیقات نشان داده است که ابر خازن های مبتنی بر گرافن می توانند ظرفیت خازنی بالا، نرخ شارژ و دشارژ سریع و پایداری عالی داشته باشند.

از کاربردهای گرافن در ابر خازن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

گرافن به دلیل مساحت سطح بالا، هدایت الکتریکی و استحکام مکانیکی در الکترود ابر خازن ها استفاده می شود. این ویژگی ها، گرافن را به ماده ای مناسب برای ذخیره و آزادسازی سریع مقادیر زیادی انرژی تبدیل می کند که برای عملکرد کارآمد ابر خازن ها ضروری است.

1. الکترودها: استفاده از گرافن در الکترود ابر خازن ها سبب می شود تا سطح بالای گرافن بار بیشتری را ذخیره کند، در حالی که رسانایی بالای آن امکان شارژ و سرعت تخلیه سریع را فراهم می کند. الکترودهای مبتنی بر گرافن همچنین می توانند چگالی انرژی و چگالی توان ابر خازن ها را بهبود بخشند و آن ها را در ذخیره سازی و تحویل انرژی موثرتر کنند. علاوه بر این، گرافن سبک و انعطاف پذیر است و به راحتی می توان آن را در طرح های مختلف دستگاه ادغام کرد. به طور کلی، استفاده از گرافن در الکترودهای ابر خازن می تواند منجر به بهبود ذخیره انرژی و زمان شارژ سریع تر شود.
2. الکترولیت ها: گرافن به دلیل داشتن استحکام مکانیکی بالا، ماده ای ویژه برای استفاده در الکترولیت ابر خازن ها است. استحکام مکانیکی گرافن تنضمین می کند که الکترولیت می تواند در برابر تنش ها و کرنش های مرتبط با چرخه های شارژ و تخلیه مکرر مقاومت کند. استفاده از گرافن در الکترولیت های ابر خازن می تواند منجر به بهبود ظرفیت ذخیره سازی انرژی، زمان شارژ سریع تر و طول عمر بیشتر شود. به عنوان مثال: اکسید گرافن را می توان به الکترولیت اضافه کرد تا رسانایی آن را افزایش داده و مقاومت آن را کاهش دهد و در نتیجه زمان شارژ و دشارژ سریع تر را افزایش دهد.
3. ابر خازن های انعطاف پذیر: ابر خازن های سنتی صلب و حجیم هستند و استفاده از آن ها را در برنامه هایی که نیاز به انعطاف دارند مانند لوازم الکترونیکی پوشیدنی و نمایشگرهای انعطاف پذیر محدود می کند. ابر خازن های مبتنی بر گرافن را می توان بر روی بستر های انعطاف پذیر ساخت که به آن ها اجازه می دهد تا با سطوح منحنی مطابقت داشته باشند و بدون شکستگی خم شوند. این انعطاف پذیری همچنین باعث دوام بیشتر آن ها می شود، زیرا می توانند در برابر خم شدن و کشش مکرر بدون از دست دادن عملکرد خود مقاومت کنند.
4. مواد کامپوزیتی: خصوصیات بیشمار گرافن آن را به یک کاندید ایده آل برا استفاده در مواد کامپوزیت ابر خازن ها تبدیل می کند. گرافن دارای مساحت سطح بالایی است که اجازه می دهد تا بار بیشتری در فضای کوچکتر ذخیره شود. دارای هدایت الکتریکی بالایی است که امکان شارژي و دشارژ سریع ابر خازن را فراهم می کند. علاوه بر این، از نظر مکانیکی قوی و انعطاف پذیر است که آن را برای استفاده در ابر خازن های انعطاف پذیر مناسب می کند. از این رو استفاده از گرافن در ابر خازن ها به عنوان کامپوزیت منجر به توسعه دستگاه های ذخیره سازی انرژی با عملکرد بالا با دوام و انعطاف پذیر بهتر می شود.

به طور کلی، استفاده از گرافن در ابر خازن ها می تواند منجر به توسعه دستگاه های ذخیره سازی انرژی انعطاف پذیر، سبک و با کارایی بالا شود که می توانند در طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار گیرند. همچنین تحقیقات در حال انجام بر روی توسعه مواد جدید مبتنی بر گرافن و بهینه سازی عملکرد آن ها برای کاربردهای خاص متمرکز هستند.

منبع:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202007311