10 اسفند 1392

کربن با بافت نانویی ویژه برای ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی (1)

مولف:   /  دسته: دسته بندی نشده   /  رتبه دهید:
5

ویژگی های عمومی کربن های مورد استفاده در ذخیره سازی انرژی

رشد نمایی بازار وسایل الکترونیکی قابل حمل و توسعه ی وسایل الکترونیکی باعث افزایش تقاضا برای منابع انرژی الکتریکی سبک و کوچکی شده است که دانسیته ی توان بالایی داشته باشند. در بین بررسی های زیاد که در آزمایشگاه های صنعتی و دانشگاهی انجام شده است، توسعه ی مواد جدید، یکی از مهم ترین این بخش ها می باشد. برای سال های زیادی، کربن با بافت نانویی، خواصی را از خود بروز داده است که از آن به عنوان یک ماده ی اصلی برای تولید منابع انرژی با کارایی بالا مانند ابر رساناها، اکومولاتورها و پیل های سوختی، استفاده می شود.
فاکتورهای کلیدی که موجب شده تا از این ماده برای این هدف استفاده کنیم، عبارتست از قابلیت در دسترس بودن این ماده، قیمت پایین، قابلیت فراوری آسان، توانایی ایجاد شکل های مختلف از این ماده( پودر، الیاف، فوم، پارچه های بافته شده و کامپوزیت ها)، تخلخل قابل تنظیم و عامل دار بودن سطح این ماده می باشد. الکترودهای کربنی در محلول های مختلف( اسیدی، بازی و بدون پروتون)، پایدار هستند. این الکترودها همچنین در گستره ی وسیعی از دماها نیز پایدار هستند. ویژگی آمفوتر بودن( یعنی هم دهنده ی الکترون است و هم گیرنده ی آن) مواد کربنی و حضور همزمان گروه های سطحی بازی/ اسیدی، موجب می شود تا خواص الکتروشیمیایی مواد بر پایه ی کربن متنوع باشند. یک تنوع گسترده از مواد کربنی مانند گرافیت ها، کک ها، میکروگوی های مزو متخلخل کربنی، کربن های فعال، ایروژل ها، ایکس ایروژل ها، کربن بلک ها، نانو تیوب های کربنی، تمپلیت های کربنی و ... به طور گسترده در تولید الکترودهای مورد استفاده در ذخیره سازی انرژی مورد استفاده قرار می گیرند.
ویژگی های بافت نانویی و شیمیایی این کربن ها میزان مؤثر بودن این مواد در کاربردهای الکتروشیمیایی( به عنوان الکترود) را تعیین می کند. یک کنترل کامل بر روی فرایند کربونیزاسیون( کنترل دما، زمان و جریان گاز)، نوع ماده ی اولیه مورد استفاده به عنوان ماده ی اولیه و شرایط رسوب دهی شیمیایی یا فیزیکی از فاز بخار، به ما اجازه می دهد تا کربن هایی با بافت نانویی و با سطح عامل دار ایجاد شود. اصلاح کربن بوسیله ی یک فرایند فعال سازی همچنین امکان اصلاح خواص این ماده را به ما می دهد. این مسئله مخصوصا موجب افزایش مساحت سطح ویژه ی این ماده می شود. گروه های سطحی اکسیژن دار شده می توانند با استفاده از عوامل اکسیداسیون مایع( مانند ، ، ) ایجاد شوند. همچنین عملیات حرارتی کربن تحت اتمسفر خنثی در دمای 700 تا ،‌ به طور قابل ملاحظه ای غلظت گروه های سطحی را کاهش می دهد. شکل های پیشرفته ای مختلفی از کربن را می توان طراحی و تولید نمود. این کار با استفاده از انتخاب تمپلیت های مناسب با ابعاد مختلف، قابل انجام می باشد. با استفاده از این روش، کربن های یک، دو و سه بعدی به سهولت، قابل تولید می باشند. با در نظر گرفتن سهولت تولید شکل های مختلف این ماده، علاقه ی زیادی در زمینه ی طراحی کربن برای استفاده در وسایل ذخیره سازی انرژی مختلف،‌ وجود دارد.
ویژگی های اصلی ترجیح داده شده ی کربن در تمام کاربردهای الکتروشیمیایی، رسانایی خوب و قابلیت تر شوندگی آن است. خاصیت تر شوندگی عموما بوسیله ی حضور عوامل سطحی غنی،‌ ایجاد می شود، در حالی که رسانایی الکتریکی عمدتا به شرایط عملیات حرارتی، بافت در مقیاس نانو،‌ هیبریداسیون کربن و مقدار هترواتم ها، وابسته اند. به هر حال، الکترولیت ممکن است همچنین با واکنش دادن با گروه های سطحی کربن، تجزیه شود که این موضوع موجب می شود تا کارایی آن در طی سیکل های اتفاق افتاده در سیستم ذخیره سازی انرژی، از بین برود. بنابراین، نوع عوامل سطحی باید به طور کامل با نوع وسیله ی تولید شده، سازگار باشد. علاوه بر این، هر کاربرد الکتروشیمیایی به طور کامل نیازمند ویژگی بافت متفاوتی از کربن می باشد. ویژگی مساحت سطح وی‍ژه، وجود تخلخل های میکرویی و نانویی،‌ نسبت تخلخل ها،‌ شکل آنها و خواصی دیگر،‌ در هر نوع از این کاربردها، متفاوت است. برای مثال، این به خوبی فهمیده شده است که مواد کربنی مورد استفاده در پیل های سوختی( به عنوان پایه ی کاتالیست)، باید دارای مساحت سطحی متوسطی باشند. در عوض،‌ یک میزان بالا از مساحت سطح برای استفاده از این ماده در کاربردهای ابر خازن ها،‌ مناسب است. همچنین اندازه ی تخلخل ها باید با اندازه ی یون ها مطابقت داشته باشد تا انتشار بار به سرعت انجام شود.
در نهایت،‌ علاوه بر استفاده از این ماده به عنوان پایه ی کاتالیست یا ماده الکترودی فعال،‌ کربن همچنین می تواند در منابع توان( به عنوان افزونی ایجاد کننده ی رسانایی) مورد استفاده قرار گیرد. کربن بلک متدول ترین ماده ی مورد استفاده می باشد زیرا این ماده دارای قیمتی ارزان بوده و در همه جا در دسترس است. اخیرا نشان داده شده است که نانو تیوب های کربنی دارای کارایی بهتری نسبت به کربن بلک هستند و استفاده از آنها اجازه ی تولید الکترودهای کامپوزیتی جدید را داده است.
استفاده از کربن به عنوان آند در باطری های لیتیوم- یونی به طور گسترده در مقالات مورد بررسی قرار گرفته است. بنابراین، در این مقاله، ما ترجیح داده ایم تا تنها رویه های جدید در زمینه ی استفاده از کربن در وسایل ذخیره سازی انرژی را مورد بحث قرار دهیم. بنابراین ما عمدتا بر روی کاربردهای مواد کربنی در ابر خازن ها و وسایل ذخیره کننده ی هیدروژن تمرکز کرده ایم. یک دلیل دیگر برای این انتخاب،‌ به مفاهیم الکتروشیمیایی بسیار نزدیک این دو کاربرد می باشد. در واقع در این دو کاربرد نیاز به تولید مواد کربنی با تخلخل بالا است.

ابر خازن ها

کارایی ابرخازن ها

خازن های الکتروشیمیایی( که اغلب ابر خازن ها یا الترا خازن ها نامیده می شوند)، یکی از منابع انرژی جذاب برای سیستم های قابل حمل و کاربردهای وسایل نقلیه می باشد. علت این مسئله توان ویژه ی بالای این مواد و دوام طولانی مدت آنها می باشد. برخلاف بیشتر موارد که ما به کاربردهای مرتبط با باطری توجه می کنیم، این ابرخازن ها عمدتا برای فراهم آوردن توان الکتریکی بالا در مدت زمان های کوتاه مدت،‌ مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از کاربردهای ابر خازن ها در منابع الکتریکی هیبریدی مورد استفاده در وسایل الکتریکی،‌کامپیوترها، UPS،‌ تکنیک های لیزری- پالسی، استارترهای مورد استفاده در موتورها و ... می باشد.
در یک خازن الکتریکی واقعی، بارها بر روی لایه ی دوتایی الکتریکی( سطح مشترک الکترود/ الکترود) انباشته می شوند. در عوض در انباشتگرها ( accumulators)، این فرایند بدون هیچ واکنش انتقال باری انجام می شود. همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است،‌ یک خازن الکتروشیمیایی از دو الکترود تشکیل شده است که این الکترودها در مواد یونی ثابت شده اند. الکترود مثبت دارای فقدان الکترون است و الکترود دیگر دارای الکترون اضافی است( منفی است). ظرفیت الکتریکی( ) یک الکترود با استفاده از معادله ی زیر بدست می آید:
کربن با بافت نانویی ویژه برای ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی(1)

که در اینجا ε نفوپذیری الکتریکی یا ثابت دی الکتریک محلول است،‌ S‌ مساحت سطح الکترودها یا سطح مشترک الکترودها می باشد. d ضخامت لایه ی دوگانه ی الکتریکی می باشد. با در نظر گرفتن اینکه d عمدتا کمتر از 1 نانومتر است،‌ معادله ی بالا نشان می دهد که ابر خازن ها نسبت به خازن های معمولی دارای مزیت هستند و ظرفیت خازنی آنها معمولا در حدود می باشد. علاوه براین،‌ اگر کربن های فعال و با ناحیه ی سطح وی‍ژه ی بالا به عنوان زیرلایه مورد استفاده قرار گیرد، سطوح بالایی از ظرفیت الکتریکی ایجاد می شود. برای مثال، با فرض طرفیت ویژه ی 0.1 F/m^2 و همچنین مساحت سطح ویژه ی ، مقادیر ظرفیت الکتریکی در حدود از کربن ایجاد می شود.
از شکل 1 فهمیده می شود که ظرفیت کل C‌ برای ترکیبی از دو خازن که در حالت سری به هم متصل شده اند،‌ برابر:

در اینجا C_1‌ و C_2 ظرفیت هر کدام از خازن های تشکیل دهنده ی خازن اصلی هستند. از این رو،‌ در مورد یک خازن ساخته شده از چندین خازن یا یک خازن ساخته شده از الکترودهای با سطوح مختلف، اجزای با کوچکترین ظرفیت ، بیشتر در مقدار C‌ کل اثر دارد زیرا همانگونه که در فرمول بالا دیده می شود،‌ این عوامل به صورت عکس با هم جمع می شوند.
ظرفیت با فاراد( F) بیان می شود. فاراد باری( بر واحد کولن) است که در یک گستره ی ولتاژ معین انباشته شده است( 1F= 1C/1V). بسته به نوع ماده ای که ولتاژ بر آن اعمال شده است، ظرفیت ویژه می تواند به جرم الکترودها( F/g)، به حجم( ) یا به مساحت سطح( ) ارتباط داده شود.
مقدار انرژی الکتریکی( W) که در یک خازن الکتروشیمیایی ذخیره می شود، با ظرفیت( C) و مجزور ولتاژ( U) در ارتباط است:

ظرفیت(C) ضرورتا به ماده ی مورد استفاده به عنوان الکترود، بستگی دارد، درحالی که ولتاژ اعمال شده بوسیله ی پنجره ی پایداری الکترولیت، تعیین می شود. خازن های که دارای الکترولیت های آلی هستند، به آسانی در گستره ی ولتاژ 2 تا 2.5 ولت کار می کنند و با استفاده از مایعات یونی، این نوع خازن های می توانند در گستره ی ولتاژ 3.5 تا 4 ولت نیز کار کنند؛ در حالی که در محلول آبی، این مقدار معمولا کمتر از 1 ولت می باشد. از این رو، حداقل برای سیستم های متقارن، با استفاده از الکترولیت های آلی و مایعات یونی، امکان تولید خازن هایی وجود دارد که ظرفیت آنها تقریبا 1 واحد بیشتر از خازن هایی است که به طور مشابه و با استفاده از محیط آبی تولید شده اند.
از آنجایی که الکترودهای مورد استفاده در انباشتگرها( accumulators) متحمل هیچ تغییر فازی نمی شوند، مزیت اصلی خازن های دو لایه ای الکتروشیمیایی( EDLC)، قابلیت انتشار بارهای دینامیک بالا می باشد. این بارها اجازه می دهد تا انباشتگی سریعی از انرژی( یعنی توان بالا) بوقوع اتفاق افتد. توان( P ) یک ابر خازن با فرمول زیر محاسبه می شود:

که در اینجا، مقاومت داخلی یعنی مقاومت معادل در حالت سری( ESR) می باشد. ESR‌ قطعه به طور کلی برابر است با مجموع مقاومت های تمام موادی که در میان دو اتصال داخلی واقع شده اند. این مواد عبارتند از زیرلایه، کربن، بایندر، مجزاکننده و الکترود. از آنجایی که وظیفه ی اصلی ابرخازن ها،‌ استفاده از آنها در بخش های توان بالا می باشد، این ضروری است که مقاومت سری(R_s) را با استفاده از افزودنی های با رسانایی بالا، کاهش دهیم.
خازن های الکتروشیمیایی که در آنها کربن مورد استفاده قرار می گیرد، دو نوع هستند. این تقسیم بندی بر اساس مکانیزم ذخیره ی بار انجام شده است. در EDLC ها، جذب الکترواستاتیک خالص در میان یون ها و سطح باردار الکترودها، رخ می دهد. این سطوح باردار عمدتا از جنس کربن فعال هستند. الکترون های ایجاد کننده ی بار در لایه ی دوگانه، الکترون های غیر مستقر باند رسانش الکترود کربنی هستند. ظرفیت کربن فعال، هم به خاطر ظرفیت ویژه ی سطحی و هم به خاطر مساحت سطح آن، محدود می شود. در نوع دوم از این خازن ها که خازن های کاذب نامیده می شوند، الکترون ها در واکنش های فارادی سریع شرکت می کنند و از حالت های والانس کاتد اکسایش- کاهش یا آند شاخص به حالتی دیگر انتقال می یابند؛ اگرچه این الکترون ها ممکن است از باند رسانش کربن آمده باشند و یا از منابع دیگر تأمین شده باشند. در این مورد، بر خلاف فرایند اکسایش- کاهش، بار انتقال یافته با ولتاژ قابل مقایسه می باشد( مانند خازن های حقیقی) و بنابراین، این خازن ها را خازن های کاذب نامیده می شوند. مواد الکترودی با ویژگی های خازن های کاذب، عموما اکسید فلزات( مانند ، و ... ) یا پلیمرهای رسانا می باشند. مثال هایی از واکنش های فارادی کاذب در زیر آورده شده است:


ظرفیت کاذب ممکن است همچنین از طریق دوپ کردن کربن در هترو اتم ها( مانند اکسیژن یا نیتروژن) ایجاد شود. مقادیر ظرفیت به طور قابل ملاحظه ای با طبیعت و سطح مشترک الکترود- الکترود در ارتباط است. این ظرفیت همچنین به مقدار افزودنی های ایجاد کننده ی ظرفیت کاذب نیز مربوط می شوند.
مفیدترین روش مورد استفاده برای بررسی کارایی ابر خازن ها، شارژ و دشارژ کردن گالوانو استاتیک و ولتامتری سیکلی است. در مورد اول، یک جریان ثابت که عموما در گستره ی 1 میلی تا 1 آمپر بر گرم کربن است، از میان قطعه عبور می کند و ولتاژ به عنوان تابعی از زمان اندازه گیری می شود. در مورد خازن های ایده آل، که در آنها Q=C×V می باشد، نمودار V=f(t)‌ برای کربن، باید به طور کامل مثلثی شکل باشد( مانند شکل 2) تا فعال سازی KOH‌ در مزوفازهای قیر ایجاد گردد. در مورد تکنیک ولتامتری باید گفت، یک متغیر خطی از ولتاژ در محدوده ی پنجره ی پایداری الکترولیت،‌ایجاد می شود که عموما سرعت اسکن آن، در حدود 1 تا 100 میلی ولت بر ثانیه می باشد. با این کار، جریان باردار شدن، اندازه گیری می شود. در مورد EDLC با مقادیر کم از ESR، نمودار I=f(V) برای کربن فعال شده( مشتق شده از مزوفازهای قیر) دارای شکلی جعبه ای شکل است( شکل 3). مقدار ظرفیت( C) به سادگی می تواند از شیب شاخص های گالوانو استاتیک و یا از جریان اندازه گیری شده بر روی نمودار ولتامتری اندازه گیری شود. فرمول زیر برای اندازه گیری این فاکتور است:
کربن با بافت نانویی ویژه برای ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی(1)
کربن با بافت نانویی ویژه برای ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی(1)

که در اینجا، ν سرعت اسکن ولتاژ را نشان می دهد. عموما مقادیر واقعی تر از اندازه گیری های تخلیه ی گالوانواستاتیک، حاصل می شود.

کربن مورد استفاده در خازن های دو لایه ای الکتروشیمیایی خالص

کربن فعال

کربن با مساحت سطح بالا یک ماده ی خوب برای به دام انداختن مقادیر بالایی از یون ها در سطح مشترک الکترود- الکترولیت است. عموما کربن با مساحت سطح ویژه ی بالا، موجب می شود تا پایداری تجمع بار افزایش یابد. به هر حال، این سطح باید به صورت الکتروشیمیایی قابل دسترس باشد. بنابراین، جدا از این مسئله که مقادیر بالای از مساحت سطح در این مواد وجود دارد، در جاهایی که یون ها جذب می شوند، یک لایه ی دوتایی الکتریکی تشکیل می شود. البته باید این مسئله را تذکر دهیم که وجود مزو تخلخل ها( تخلخل هایی با اندازه ای بین 2 تا 50 نانومتر) برای انتقال سریع یون ها در توده ی ماده ی الکترودی،‌ ضروری است. در دسترس بودن و قابلیت تر شوندگی تخلخل های با اندازه ای قابل مقایسه با اندازه ی آنیون ها و کاتیون ها، برای افزایش کارایی خازن ها ضروری است. علاوه بر مقدار ماکزیمم ظرفیت که می تواند در سطح مشترک کربن- الکترولیت ایجاد گردد، انتقال سریع بار می تواند پاسخ فرکانس را بوجود آورد. این بدین معناست که قابلیت استخراج انرژی در فرکانس های بالاتر فراهم می آید.
کربن های فعال شده از مواد اولیه ی مختلفی که با استفاده از فرایند های فعال سازی مختلف، تولید می شود، می تواند در ابرخازن ها مورد استفاده قرار گیرند. استفاده از مواد اولیه ی طبیعی مانند کک و مشتقات قیری بسیار مورد توجه است که علت این موضوع قیمت پایین و در دسترس بودن این مواد می باشد. در بین مواد اولیه ی شیمیایی و فیزیکی که برای فعال سازی مورد استفاده قرار می گیرند، KOH به نظر بهترین گزینه می باشد و می تواند تخلخل های مناسبی را در ماده ی کربنی ایجاد کنند. به هر حال، با در نظر گرفتن مقادیر اندک از ظرفیت سطح ویژه که در مقالات گزارش شده است، می توان فرض کرد که تمام تخلخل های ایجاد شده برای ایجاد تجمع بار مناسب نیست. به همین دلیل، این ساده است که بفهمیم چرا ظرفیت عموما با مساحت سطح ویژه قابل مقایسه نمی باشد. با در نظر گرفتن این موضوع که بیشتر کربن های فعال شده دارای توزیع اندازه تخلخل نسبتا گستره ای هستند، این مسئله واضح است که تخلخل های میکرونی نمی تواند به منظور انتقال یون مورد استفاده قرار گیرد. همچنین سرعت پر شدن این تخلخل ها نیز متفاوت است و از این رو این مسئله بر روی وابستگی فرکانس و توان،‌ اثرگذار است. کربن های با تخلخل های میکرونی همواره دارای برخی محدودیت های نفوذی هستند. این اثر می تواند در سرعت های اسکن سریع در طی فرایند ولتامتری یا آزمایشات طیف سنجی امپدانس، مشاهده شود. برای مثال، برای یک کربن فعال شده با مساحت سطح ویژه ی ( BET) ، با استفاده از طیف سنجی امپدانس در محیط KOH، این مشاهده شده است که تخلخل های با اندازه ی بزرگتر از 1.1 نانومتر در کمتر از 0.1 ثانیه بوسیله ی یون های الکترولیتی پر می شوند. این در حالی است که برای دستیابی به تخلخل های با اندازه ی 0.6 نانومتر، 5 ثانیه ضروری است. یک ماده ی بهینه برای EDLC ها، باید دارای تخلخل های میکرونی بالایی باشد تا بدین صورت اطمینان حاصل گردد که ظرفیت بالایی ایجاد شده است. این ماده همچنین باید دارای توزیع مناسبی از تخلخل های مزویی باشد تا بدین صورت دینامیک سریعی در سیستم ایجاد گردد و ثابت زمانی سیستم کاهش یابد. راهنما برای فراهم آوردن شرایط مناسب، طراحی مواد کربنی است که دارای میکرو تخلخل و مزوتخلخل هایی باشد که دارای اتصالات داخلی باشند. برای مثال، کربن با تخلخل های میکرو و مزویی با استفاده از تکنیک های تمپلیتی تولید می شوند. با وجود این، حتی اگر یک چنین وضعیتی به خاطر اندازه ی متفاوت کاتیون ها و آنیون های حل شده، ایجاد شود، این واضح است که بازده چنین مواد بهینه ای ممکن است برای هر دو الکترود، متفاوت باشد. بنابراین، خازن های متقارن با الکترودهای کربنی فعال شده که دارای تخلخل هایی با توزیع اندازه ی متفاوت می باشد، با اندازه ی یون ها سازگار است.
اگر چه این به خوبی نشان داده شده است که نانوبافت می تواند نقش کلیدی در تعیین ویژگی های EDLC ها داشته باشد، باردار شدن لایه ی دوگانه یک فرایند پیچیده می باشد که علاوه بر قابلیت دسترسی میکروتخلخل ها، همچنین به تعدادی از پارامترهای دیگر مانند وابستگی یون های الکترولیت به ماده ی تولید کننده ی الکترود، نقش آب دوستی – آب گریزی و رسانایی و اندازه ی ذرات بستگی دارد. در بین آنها، عامل دار بودن سطحی قطعا یک پارمتر مهم است که باید برای توضیح مشکلات ایجاد شده در هنگام ایجاد رابطه مستقیم میان ظرفیت و پارامترهای نانو بافتی مواد کربنی، مورد استفاده قرار گیرد.
این تصور وجود دارد که اکثر کارهای انجام شده بر روی EDLC های بر پایه ی کربن، بر روی تولید خازن های با ظرفیت بالا تمرکز دارد. عموما، مواد کربنی در سلول های سه الکترودی مورد بررسی قرار گرفته است، در حالی که در این آزمایشات، یک گستره ی محدود از پتانسیل مورد استفاده قرار می گیرد. وقتی مواد یکسان در سلول های واقعی دو الکترودی مورد استفاده قرار می گیرد، نتایج ممکن است به طور کامل متفاوت باشد. اولا، بسته به اندازه ی کاتیون ها و آنیون ها، بازده تخلخل ممکن است در هر الکترود متفاوت باشد. دوما، برخلاف سلول سه الکترودی، پتانسیل در هر الکترود در حال کار، قابل کنترل نمی باشد. این مسئله موجب پدید آمدن یک محدودیت در ولتاژ ماکزیمم سلول( از 0.6 تا 0.7 ولت) می شود( این محدودیت در شرایط استفاده از محیط آبی و به منظور جلوگیری از تجزیه می باشد). سوما، در محیط آلی، برخی فرایندهای تجزیه ی اکسایش- کاهش متفاوت ممکن است در هر الکترود رخ دهد( بسته به قطبش آنها). بنابراین، حتی اگر بررسی اولیه در مورد کربن فعال شده مقادیر ظرفیت بالایی از خود نشان دهد، سایر پارامترها باید مورد بررسی قرار گیرد تا بدین وسیله میزان کارایی یک سیستم معین، نشان داده شود. برای این که ماده کاربردی باشد، یک ابر خازن دو الکترودی باید در طی سیکل های کاری، افت پایینی در کارایی داشته باشد. همچنین این ابرخازن باید به سرعت و در بارگذاری های مختلف، شارژ شوند و به طور خود به خود، دشارژ نشوند. میکرو تخلخل ها به سهولت بوسیله ی الکترولیت تر نمی شوند و سطح موجود در میکرو تخلخل ها ممکن است درذخیره سازی شرکت نکنند. علاوه بر این، حتی در وضعیتی که در آن، میکروتخلخل ها بوسیله ی الکترولیت تر شوند، حرکت یون ها در چنین تخلخل های کوچکی، ممکن به حدی آهسته باشد که قابلیت سرعت بالا که یکی از مزیت های EDLC هاست، ایجاد نمی شود.

کربن های متخلخل تولید شده با روش تمپلیتی

همانگونه که در بالا بدان اشاره شد، اگر تخلخل ها به صورت رندوم به هم ارتباط داشته باشند، هم ذخیره سازی بار و هم قابلیت سرعت بالا می توانند محدود شوند. بنابراین، مواد کربنی با مساحت سطح بالا که دارای میکرو تخلخل ها و مزوتخلخل های با ارتباطات داخلی منظم هستند، برای تولید الکترودهای EDLC مناسب هستند. اخیرا بسیاری از گروه ها سیلس مزوتخلخل منظم تولدی کردند که از آنها می توان به عنوان تمپلیت برای تولید مواد کربنی با تخلخل های مناسب، استفاده نمود. مواد کربنی تولید شده با این روش، دارای می تواند ویژگی های مورد نیاز برای تولید خازن های اشاره شده در بالا را فراهم آورد. در این روش تولیدی، ماده ی کربن دار مورد استفاده معمولا محلول ساکاروز، پلی فورفوریل الکل، پروپیلن یا قیر می باشد. مراحل آماده سازی در شکل 4 نشان داده شده است. بعد از رسوب دهی این مواد در داخل تخلخ های تمپلیت، مواد کربن دار در دمایی نزدیک به 800℃‌ کربونیزه می شود. مرحله ی آخر از بین بردن تمپلیت سیلیسی با استفاده از حل نمودن آن در اسید هیدروفلئوریک می باشد.
کربن با بافت نانویی ویژه برای ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی(1)
در تلاش برای تصحیح کارایی الکتروشیمیایی کربن های تولیدی با این روش، یک رابطه ی خطی میان مقادیر ظرفیت در محیط آبی و آلی و حجم میکروتخلخل ها پیدا شده است. حجم تخلخل با استفاده از میزان جذب دی اکسید کربن در دمای 273 K تعیین می شود( شکل 5). این به طور واضح اثبات می شود که با استفاده از این نوع از مواد کربنی، یو ن ها ضرورتا در داخل میکروتخلخ های بسیار ریز( یعنی تخلخل هایی با اندازه ی کمتر از 0.7 نانومتر) به دام می افتند. مقایسه ی مقدار اندازه گیری شده ی ظرفیت در محلول آبی با مقدار حجم میکرو تخلخل های ریزموجود، نشا ن داده است که بیشتر آنها در به دام انداختن یون های محلول در لایه ی الکتریکی دوتایی، شرکت کرده اند. در این نوع از کربن ها، میکرو تخلخل ها و مزوتخلخل ها به طور کامل به هم متصل هستند. این تخلخل ها دقیقا شکل چاه های موجود در زمینه ی سیلیسی را به خود گرفته اند؛ در حالی که دیواره های کربنیزه شده نیز تخلخل هایی میکرونی دارند. تحت شرایطی که در آن از پلاریزاسیون الکتریکی استفاده می شود، یون های محلول به سهولت در مزوتخلخل ها نفوذ می کنند و در نهایت به صورت نامحلول در داخل میکروتخلخل های بسیار ریز به دام می افتند. در یک کربن فعال شده ی با تخلخل های میکرونی، وضعیت کاملا متفاوت است. مسیرهای عبور دهنده ی یون های حال شده که وظیفه ی انتقال این یون ها به سطوح فعال را دارند، بسیار طولانی و پیچ در پیچ هستند و تنگ و گشاد می شوند. بنابراین، محدود شدن اندازه ی تخلخل ها در این مورد، به احتمال زیاد نسبت به محدود شدن اندازه ی تخلخل ها در جایی که یون ها نهایتا تجمع می یابند، بیشتر است. کربن های تولید شده با این روش، علارغم داشتن مشکلات در زمینه ی تولید و هزینه های نسبتا بالا، به طور مناسبی می توانند اثراندازه ای بر روی باردار شدن لایه ی دوتایی الکتریکی را ایجاد کنند.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.

تعداد مشاهده (1233)       نظرات (0)

نظرات کاربران درباره خبر "کربن با بافت نانویی ویژه برای ذخیره سازی انرژی الکتروشیمیایی (1)"


نظرتان را بیان کنید

نام:
پست الکترونیکی:
نظر:
کد بالا را در محل مربوطه وارد نمایید