نانو ابر خازنهای بر پایه گرافن سه بعدی 3DGNs (تقسیم بندی و ساختار) بر پایه دکترای نانو _ میکرو الکترونیک (دکترای آموزشی _ پژوهشی)
پژوهشگر و نویسنده: دکتر ( افشین رشید)
نکته : گرافن به عنوان یکی از پرکاربردترین مواد کربنی در الکترود نانو ابر خازن ها میباشد گرافن از نظر تئوری دارای بیشترین ظرفیت الکتروشیمیایی دو لایه در حدود %7/21 و %0/93 میباشد .
مشکل اصلی کاهش مقدار ظرفیت نانو ابر خازن نسبت به، چسبیدن صفحات گرافن به همدیگر و متعاقباً کاهش میزان سطح و نفوذپذیری یونهای الکترولیت به درون الکترود میباشد برای رفع این چالش، شبکه سه بعدی گرافن (3DGNs ) با ساختار در هم تنیده به عنوان یک ماده ایده آل به عنوان ماده ابرخازنی مورد استفاده قرار میگیرد. خواص منحصر به فرد و ساختار بسیار متخلخل 3DGNs یا ساختار ۳ بعدی گرافن ،نه تنها با ارائه سطح بالایی در دسترس، نفوذ الکترولیت و ایجاد راه هایی برای انتقال الکترون، بلکه یک داربست فوق العاده ای برای قرارگیری مواد فعال را فراهم کرده است. 3D GNs با سطح فوق العاده زیاد، ظرفیت ویژه بالا، خواص مکانیکی عالی و رسانایی الکتریکی بالا کاربرد منحصر بفردی در مواد نانو ابر خازنی با قابلیت شارژ- دشارژ و طول عمر بالا را فراهم میکند.
یکی از روش های بهینه سازی خواص سیستم های ذخیره ساز انرژی، توسعه مواد جدید برای کاربرد به عنوان ماده الکترود در نانو ابرخازنها میباشد. مواد کربنی نظیر گرافن، نانو لوله های کربنی، گرافیت، کربن نانوفایبر و ... به دلیل هدایت الکتریکی خوب، ارزان و در دسترس بودن، زیست سازگاری و پایداری هدایت الکترونیکی خوب نقش مهمی در نانو ابرخازن ها ایفا میکنند که یکی از جدیدترین این ساختارهای کربنی گرافن سه بعدی میباشد که به دلیل ساختار منحصربفرد سه بعدی راه را برای نفوذ الکترولیت تسهیل کرده و مساحت سطح زیاد و هدایت الکتریکی بالایی دارد.
نانو ابرخازن های گرافنی از نظر ساختمان و ساز و کار شباهت زیادی به خازنها دارند، با این تفاوت که مساحت سطح نانو الکترودها به دلیل تخلخل-های فراوان در نانو ابر خازن های گرافنی بیشتر میباشد که منجر به افزایش ظرفیت ذخیره انرژی در نانو ابر خازنها نسبت به خازنهای معمولی میشود. چگالی انرژی نانو ابر خازنهای گرافنی از خازن های دی الکتریک معمول بسیار بیشتر است در این نوع نانو ابرخازن ها از ترکیبات کربنی با تخلخل بالا مانند کربن ، نانولولهای کربنی ،گرافیت فعال و کربن های نانومتری ، کربن نانو فایبر استفاده میشود. به دلایلی نظیر؛ در دسترس بودن، قیمت نسبتاً پایین، غیر سمی بودن، پایداری بالا وهدایت الکترنیکی بالا و پایداری حرارتی، کاربرد گسترده ای در ابر خازنها پیدا کرده اند. سازوکار ذخیره بارهای الکتریکی در این نوع نانو ابر خازن ها، تشکیل نانو لایه دو گانه الکتریکی است.
نتیجه گیری:
گرافن به عنوان یکی از پرکاربردترین مواد کربنی در الکترود نانو ابرخازن های گرافنی میباشد، به علت چسبیدن صفحات گرافن به همدیگر و متعاقباً کاهش میزان سطح و نفوذ پذیری یونهای الکترولیت به درون الکترود با کاهش ظرفیت هدایت و ذخیره الکترونیکی مواجه میشود که برای رفع این چالش، اخیراً شبکه سه بعدی گرافن (3DGNs)با ساختار در هم تنیده به عنوان یک ماده ایده-آل به عنوان ماده نانو ابرخازنی مورد بررسی قرار گرفته است. خواص منحصر به فرد و ساختار بسیار متخلخل 3DGNs ،نه تنها با ارائه سطح بالای در دسترس، نفوذ الکترولیت و ایجاد راه هایی برای انتقال الکترون به افزایش چگالی انرژی و ظرفیت ذخیره انرژی کمک شایانی میکند، بلکه یک داربست فوق العاده ای برای قرارگیری مواد فعال را فراهم کرده است. از جمله این مواد فعال میتوان به نانو لوله گرافنی و نانو لوله کربنی اشاره نمود. از آن جا که مقاومت داخلی ماده نانو ابر خازن گرافنی باید تا حد امکان بسیار پایین باشد، استفاده از نانو لوله کربنی منجر به افزایش رسانندگی ماده نانو ابر خازنی میشود، همچنین به عنوان جدا کننده صفحات گرافن سه بعدی، منجر به افزایش سطح فعال ویژه و افزایش ظرفیت ذخیره انرژی در نانو ابر خازن گرافنی خواهد شد.
پژوهشگر و نویسنده: دکتر ( افشین رشید)