Οι πυκνωτές είναι κυρίως συσκευές αποθήκευσης φόρτισης, αλλά σε σύγκριση με τις μπαταρίες, έχουν πολύ μικρότερη χωρητικότητα για αποθήκευση φορτίου. Ωστόσο, η διάρκεια ζωής τους είναι πολύ μεγαλύτερη από τις μπαταρίες, η βασική αρχή για τη λειτουργία των πυκνωτών είναι η ίδια, παρόλο που χωρίζονται σε διαφορετικές κατηγορίες με βάση την εσωτερική τους κατασκευή. Ο πυκνωτής γραφενίου είναι ένας τύπος υπερπυκνωτή που έχει στρώματα γραφενίου που παρέχουν πολύ πιο ελεύθερη κίνηση των ηλεκτρονίων και επιτρέπουν τη διάχυση της θερμότητας με αποτελεσματικό τρόπο.
Περίγραμμα:
- Τι είναι οι υπερπυκνωτές;
- Λειτουργία υπερπυκνωτών
- Υπερπυκνωτής γραφενίου
- Ηλεκτρόδια με βάση το γραφένιο σε υπερπυκνωτές
- Υπερπυκνωτές με βάση το γραφένιο Απόδοση
- συμπέρασμα
Τι είναι οι υπερπυκνωτές;
Για να κατανοήσουμε τον πυκνωτή γραφενίου, είναι απαραίτητο να έχουμε γνώση σχετικά με τους υπερπυκνωτές, καθώς ο πυκνωτής γραφενίου ανήκει επίσης στην κατηγορία των υπερπυκνωτών. Σε αντίθεση με τους γενικούς πυκνωτές, οι πυκνωτές δείπνου έχουν διαφορετική εσωτερική κατασκευή, η οποία επηρεάζει επίσης τις ιδιότητές τους. Ο υπερπυκνωτής έχει ηλεκτρολύτες που διαχωρίζονται από ένα μονωτικό μέσο και έχουν ηλεκτρόδια ενεργού άνθρακα που έρχονται σε επαφή με τον ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης είναι κυρίως θειικό οξύ ή οξείδιο του καλίου και ο διαχωριστής είναι συνήθως Kapton:
Λειτουργία υπερπυκνωτών
Όταν ένας υπερπυκνωτής δεν είναι συνδεδεμένος σε καμία πηγή ισχύος, τα φορτία ανεξάρτητα από την πολικότητά τους διασκορπίζονται στον ηλεκτρολύτη, όταν η πηγή ισχύος συνδέεται κατά μήκος του, το ρεύμα αρχίζει να ρέει από τον πυκνωτή και καθώς η άνοδος παίρνει το θετικό φορτίο όλα τα τα αρνητικά ιόντα στον ηλεκτρολύτη τείνουν να κινούνται προς το ηλεκτρόδιο της ανόδου. Ενώ η κάθοδος φορτίζεται αρνητικά και όλα τα θετικά ιόντα κινούνται προς την κάθοδο:
Αυτή η δύναμη έλξης μεταξύ του ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη είναι η ηλεκτροστατική δύναμη και αυτή η έλξη των ιόντων στα ηλεκτρόδια προκαλεί το σχηματισμό του ηλεκτρικού διπλού στρώματος. Αυτό το στρώμα είναι υπεύθυνο για την αποθήκευση φορτίων και λόγω του σχηματισμού αυτού του στρώματος οι υπερπυκνωτές ονομάζονται επίσης ηλεκτρικοί πυκνωτές διπλής στρώσης.
Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο φορτίζεται ο υπερπυκνωτής και όταν οποιοδήποτε φορτίο συνδέεται στους ακροδέκτες του υπερπυκνωτή, το φορτίο στα ηλεκτρόδια αρχίζει να ρέει από το φορτίο. Με αυτόν τον τρόπο και τα δύο ηλεκτρόδια αρχίζουν να χάνουν φορτίο επειδή δεν μπορούν να προσελκύσουν τα φορτία και ως αποτέλεσμα όταν όλα τα φορτία φύγουν από τα ηλεκτρόδια ο πυκνωτής αποφορτίζεται.
Έτσι τώρα τα ιόντα είναι και πάλι διάσπαρτα στους ηλεκτρολύτες, και έτσι λειτουργεί ένας απλός υπερπυκνωτής.
Υπερπυκνωτής γραφενίου
Το γραφένιο προέρχεται από γραφίτη που βρίσκεται κυρίως μέσα σε μολύβια και είναι ένα ηλεκτρόδιο άνθρακα που έχει τον ίδιο αριθμό ατόμων, αλλά αυτά είναι διατεταγμένα διαφορετικά. Σε αντίθεση με τον γραφίτη, το γραφένιο έχει ένα δισδιάστατο στρώμα ενός ατόμου διατεταγμένο σε εξαγωνικό σχήμα κηρήθρας. Αυτή η δομή επιτρέπει στα άτομα να δημιουργούν ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς που του προσδίδουν μεγαλύτερη αντοχή εφελκυσμού και υψηλή ευκαμψία. Λόγω αυτών των ιδιοτήτων, το γραφένιο επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να κινούνται ελεύθερα και να έχουν υψηλότερη ηλεκτρική αγωγιμότητα.
Δεδομένου ότι οι υπερπυκνωτές έχουν μικρότερες αποστάσεις μεταξύ των πλακών που τους επιτρέπει να αποθηκεύουν περισσότερο στατικό φορτίο, το γραφένιο έχει ένα πολύ λεπτό στρώμα που έχει το μέγεθος ενός ατόμου σε σύγκριση με το στρώμα αλουμινίου. Έτσι, ο πυκνωτής γραφενίου έχει σημαντικά μεγαλύτερη επιφάνεια, γεγονός που του επιτρέπει να αποθηκεύει περισσότερη ενέργεια σε σύγκριση με άλλους υπερπυκνωτές.
Ηλεκτρόδια με βάση το γραφένιο σε υπερπυκνωτές
Το γραφένιο όπως αναφέρθηκε παραπάνω παρέχει μεγαλύτερη επιφάνεια που ενισχύει την ικανότητα του πυκνωτή για αποθήκευση φορτίου. Διάφορες τεχνικές χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ηλεκτροδίων με χρήση γραφενίου και δύο από αυτές είναι:
Κατασκευή από αφρό γραφενίου
Το ηλεκτρόδιο γραφενίου που δημιουργείται χρησιμοποιώντας τον αφρό γραφενίου παρέχει υψηλότερη αγωγιμότητα, ελαφριά και εύκαμπτα ηλεκτρόδια των οποίων η περιοχή μπορεί να επεκταθεί έως και αρκετά cm 2 και το ύψος μέχρι αρκετά χιλιοστά. Ο αφρός γραφενίου δημιουργείται με την τεχνική της χημικής εναπόθεσης ατμού αναπτύσσοντάς τον σε αφρό νικελίου ή χαλκού. Όταν δημιουργείται ένας αφρός γραφενίου σε αφρό χαλκού, παράγει ένα στρώμα γραφενίου υψηλής ποιότητας, αλλά η δομή μπορεί να καταρρεύσει εύκολα όταν αφαιρεθεί το μεταλλικό στήριγμα. Ωστόσο, ένας αφρός νικελίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός στρώματος γραφενίου πολλαπλών στρώσεων το οποίο μπορεί να τραβηχτεί προσεκτικά από το μεταλλικό στήριγμα χωρίς καμία ζημιά. Επιπλέον, το ανηγμένο οξείδιο του γραφενίου μπορεί επίσης να σχηματιστεί μέσω αφρού νικελίου χρησιμοποιώντας αυτή τη χημική σύνθεση. Μερικά πρόσθετα χρησιμοποιούνται με το γραφένιο που βοηθούν στην επίτευξη υψηλής πυκνότητας ισχύος και παρέχουν μικρότερες διαδρομές για τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα αυξάνοντας έτσι την ταχύτητα των φορτίων. Αυτά τα πρόσθετα μπορεί να είναι οξείδια μετάλλων, αγώγιμα πολυμερή και υδροξείδια μετάλλων, τα οποία καθιστούν την κατασκευή ηλεκτροδίων με βάση το γραφένιο λιγότερο δαπανηρή.
Η παραπάνω εικόνα απεικονίζει τη διαδικασία σχηματισμού του στρώματος γραφενίου χρησιμοποιώντας τη μέθοδο χημικής εναπόθεσης ατμού.
Κατασκευή με Laser Writing
Η μέθοδος γραφής με λέιζερ είναι συγκριτικά λιγότερο δαπανηρή και παράγει τρισδιάστατο πορώδες γραφένιο σε ένα μόνο βήμα μειώνοντας την τεχνική μείωσης μεγάλης επιφάνειας. Σε αυτή τη μέθοδο, πρώτα, ένα λεπτό στρώμα γραφενίου εναποτίθεται πάνω στο πρότυπο και στη συνέχεια το εμπορικό λέιζερ ακτινοβολεί το στρώμα οξειδίου του γραφενίου. Όταν το φως λέιζερ προσπίπτει στο οξείδιο του γραφενίου, δημιουργεί πορώδες αγώγιμο υλικό στην περιοχή έκθεσης.
Ως αποτέλεσμα, η επιφάνεια για τα ιόντα ηλεκτρολύτη αυξάνεται και η περιεκτικότητα σε οξυγόνο μειώνεται σημαντικά. Όπως και στην προηγούμενη μέθοδο, ορισμένα πρόσθετα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε απευθείας γραφή με λέιζερ, δηλαδή το υπόστρωμα μπορεί να είναι ένα μείγμα οξειδίου γραφενίου και πολυμερούς ή το υπόστρωμα μπορεί να είναι μόνο πολυμερές επίσης. Ακολουθεί μια εικόνα που απεικονίζει τη διαδικασία της άμεσης γραφής με λέιζερ:
Υπερπυκνωτές με βάση το γραφένιο Απόδοση
Οι πυκνωτές γραφενίου έχουν αποτελεσματική μεταφορά ηλεκτρονίων και ιόντων, η οποία οδηγεί σε υψηλή βαρυμετρική και ογκομετρική ικανότητα. Επιπλέον, παρουσιάζουν υψηλότερη σταθερότητα ρυθμού κύκλου και υψηλότερη ενεργειακή ικανότητα.
Για τη μελέτη της απόδοσης και της συμπεριφοράς διαφόρων συσκευών αποθήκευσης ενέργειας χρησιμοποιείται ένα διάγραμμα Ragone στο οποίο η τιμή της ειδικής ενέργειας (Wh/Kg) απεικονίζεται σε σχέση με την ειδική ισχύ (W/Kg). Το γράφημα χρησιμοποιεί μια κλίμακα καταγραφής και για τους δύο άξονες. Ο άξονας y μετρά την ειδική ενέργεια, η οποία είναι η ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα μάζας. Ο άξονας x μετρά την πυκνότητα ισχύος, η οποία είναι ο ρυθμός παροχής ενέργειας ανά μονάδα μάζας.
Ένα σημείο στην γραφική παράσταση Ragone δίνει έτσι με άλλα λόγια το χρονικό διάστημα κατά το οποίο η ενέργεια (ανά μονάδα μάζας) στον άξονα y μπορεί να παραδοθεί σε ισχύ (ανά μονάδα μάζας) στον άξονα x, και αυτός ο χρόνος ( σε μια ώρα) δίνεται ως ο λόγος μεταξύ της ενέργειας και της πυκνότητας ισχύος. Στη συνέχεια, οι ισο-καμπύλες (σταθερός χρόνος παράδοσης) σε ένα οικόπεδο Ragone είναι ευθείες γραμμές με κλίση ενότητας. Το παρακάτω διάγραμμα Ragone δείχνει την ειδική ενέργεια (Wh/Kg) έναντι της ειδικής ισχύος (W/Kg) για διάφορες συσκευές αποθήκευσης ενέργειας:
συμπέρασμα
Ο πυκνωτής γραφενίου είναι ένας τύπος υπερπυκνωτή που έχει ηλεκτρόδια κατασκευασμένα από γραφένιο που προέρχεται από γραφίτη. Το γραφένιο παρέχει μια μεγάλη επιφάνεια στον ηλεκτρολύτη που οδηγεί σε αύξηση της χωρητικότητας και έχει επίσης μικρό χρόνο φόρτισης. Επιπλέον, υπάρχουν διάφορες τεχνικές για τη δημιουργία ηλεκτροδίων γραφενίου, δύο από αυτές είναι: ο αφρός γραφενίου και η άμεση γραφή με λέιζερ.