جهش ظرفیت ابرخازن ها با پلاسمای نیتروژن و آرگون
محققان اسکول تک (Skoltech) مؤسسه نانوفناوری و میکروالکترونیک آکادمی علوم روسیه (RAS) و چند مرکز تحقیقاتی دیگر نقش تیمار پلاسمایی الکترود های کربنی در بهبود ویژگی های کلیدی ابرخازن ها را مورد بررسی قرار داده اند. ابرخازن ها دستگاه های ذخیره سازی انرژی هستند که در کنار باتری ها در خودرو های برقی قطارها جرثقیل های بندری و بسیاری از کاربرد های دیگر مورد استفاده قرار می گیرند.
بر اساس یافته های این پژوهش که در نشریه Electrochimica Acta منتشر شده است شناخت بهتر تأثیر اصلاح الکترود ها بر ظرفیت خازنی می تواند به گسترش ابزار های بهینه سازی عملکرد ابرخازن ها منجر شود. این پیشرفت ها موجب افزایش ظرفیت ذخیره انرژی این دستگاه ها شده و زمینه را برای استفاده گسترده تر آنها فراهم می کند.
استادیار استانیسلاو اولاشین (Stanislav Evlashin) از مؤسسه مواد اسکول تک و پژوهشگر اصلی این مطالعه اظهار داشت: “تیم ما در حال بررسی راهکار هایی برای بهبود عملکرد ابرخازن ها از طریق تغییر در ساختار مواد کربنی مورد استفاده در الکترود های آنها است. در مجموع دو روش اصلی برای افزایش انرژی ذخیره شده در ابرخازن ها وجود دارد: نخست افزایش سطح مؤثر الکترود ها از طریق طراحی سطحی پیچیده و دوم افزودن اتم های خارجی به ساختار کربنی الکترودها. در این پژوهش ما پیشرفتی در درک اثر گنجاندن اتم های خارجی در ساختار کربن به دست آورده ایم. “
ابرخازن ها اغلب در کنار فناوری های مبتنی بر باتری های لیتیوم-یونی به کار می روند. برخلاف باتری های متداول این دستگاه ها می توانند انرژی را تقریباً به صورت آنی ذخیره یا آزاد کنند. این ویژگی باعث می شود که برای تأمین توان موردنیاز برای حرکت اولیه خودرو اعمال نیروی ترمز و سایر کاربرد های مشابه ایده آل باشند. علاوه بر این ابرخازن ها در بازه های دمایی گسترده تری قابل استفاده اند میزان استهلاک کمتری دارند طول عمر بالایی ارائه می دهند و می توانند دوام باتری های لیتیوم-یونی را به طور قابل توجهی افزایش دهند.
از دیگر مزایای ابرخازن ها ایمنی بالاتر آنها در مقایسه با فناوری های مبتنی بر یون های فلزی است چرا که در صورت خرابی خطر آتش سوزی ایجاد نمی کنند. همچنین مواد مورد استفاده در آنها نسبتاً دوستدار محیط زیست بوده و دفع آنها آسان تر است.
به گزارش فیزیکس اوآرجی این فناوری در تأمین برق اضطراری برای بیمارستان ها مراکز داده و تجهیزات مخابراتی نیز کاربرد دارد تا از قطع سرویس و از دست رفتن اطلاعات جلوگیری شود. همچنین ابرخازن ها برای تعدیل اوج مصرف در شبکه برق تأمین انرژی حسگر های اینترنت اشیا دستگاه های ارتباطی تجهیزات پزشکی پوشیدنی و الکترونیک قابل حمل مورد استفاده قرار می گیرند.
در خودرو های الکتریکی و هیبریدی ابرخازن ها در فرآیند روشن و خاموش شدن موتور تأمین توان فرمان برقی و افزایش سرعت شارژ باتری ها مؤثرند. همچنین قطار های برقی و سایر وسایل نقلیه الکتریکی می توانند از این فناوری برای بازیابی انرژی ترمزی و افزایش بهره وری کلی استفاده کنند.
با افزایش ظرفیت خازنی ابرخازن ها میزان انرژی ذخیره شده در آنها افزایش می یابد. به همین دلیل پژوهشگران اسکول تک در حال مطالعه نحوه تأثیرگذاری اتم های خارجی در ساختار الکترود های کربنی بر ظرفیت خازنی این دستگاه ها هستند.
در این مطالعه جدید تیم اسکول تک اثر تیمار پلاسمایی با شش ترکیب شیمیایی مختلف را بر روی دیوار های نانویی کربنی (carbon nanowalls) – که به عنوان ماده ای برای ساخت الکترود های ابرخازنی استفاده می شود – بررسی کرد. از میان این ترکیبات تنها پلاسما حاوی مخلوطی از نیتروژن و آرگون تأثیر مطلوبی داشت و توانست با تغییر ساختار ماده ظرفیت سطحی آن را دو برابر کند.
اگرچه این نتیجه رکورد جدیدی در زمینه اصلاح الکترود های کربنی محسوب نمی شود اما اطلاعات ارزشمندی درباره فرآیند های الکتروشیمیایی مرتبط ارائه می دهد.
اولاشین در توضیح یافته های این پژوهش گفت: “ابتدا کربن آمورف باقی مانده از رشد ساختار های دیوار های نانویی کربنی حذف می شود. سپس نقص های جدیدی در ساختار ماده ایجاد شده و اتم های نیتروژن به شبکه کربنی وارد می شوند. این کربن آمورف به همراه اتم های نیتروژن به وقوع پدیده ای به نام شبه ظرفیت (pseudocapacitance) کمک می کنند. “
انتهای پیام/