Kondensaattorit ovat ensisijaisesti latauksen tallennuslaitteita, mutta akkuihin verrattuna niillä on huomattavasti vähemmän varauksen tallennuskapasiteettia. Niiden käyttöikä on kuitenkin paljon pidempi kuin paristojen, perusperiaate kondensaattorien toiminnalle on sama, vaikka ne on jaettu eri luokkiin sisäisen rakenteensa perusteella. Grafeenikondensaattori on eräänlainen superkondensaattori, jossa on grafeenikerroksia, jotka tarjoavat paljon vapaamman elektronien liikkeen ja mahdollistavat lämmön poistuman tehokkaalla tavalla.
Pääpiirteet:
- Mitä ovat superkondensaattorit?
- Superkondensaattorien toiminta
- Grafeeni superkondensaattori
- Grafeenipohjaiset elektrodit superkondensaattoreissa
- Grafeenipohjaiset superkondensaattorit Suorituskyky
- Johtopäätös
Mitä ovat superkondensaattorit?
Grafeenikondensaattorin ymmärtämiseksi tarvitaan tietoa superkondensaattoreista, koska grafeenikondensaattori kuuluu myös superkondensaattorien luokkaan. Toisin kuin yleiskondensaattoreilla, supper-kondensaattorien sisäinen rakenne on erilainen, mikä vaikuttaa myös niiden ominaisuuksiin. Superkondensaattorissa on elektrolyyttejä, jotka on erotettu eristysväliaineella ja joissa on aktiivihiilielektrodit, jotka ovat kosketuksissa elektrolyytin kanssa. Elektrolyytti on pääasiassa rikkihappoa tai kaliumoksidia, ja erotin on yleensä Kapton:
Superkondensaattorien toiminta
Kun superkondensaattoria ei ole kytketty mihinkään virtalähteeseen, varaukset napaisuudesta riippumatta siroavat elektrolyytin poikki, kun virtalähde kytketään sen yli, virta alkaa virrata kondensaattorista, ja kun anodi saa positiivisen varauksen, kaikki elektrolyytissä olevat negatiiviset ionit pyrkivät liikkumaan kohti anodielektrodia. Katodi varautuu negatiivisesti ja kaikki positiiviset ionit liikkuvat katodia kohti:
Tämä elektrodin ja elektrolyytin välinen vetovoima on sähköstaattinen voima ja tämä ionien vetovoima elektrodeihin aiheuttaa sähköisen kaksoiskerroksen muodostumisen. Tämä kerros vastaa varausten varastoinnista ja tämän kerroksen muodostumisen vuoksi superkondensaattoreita kutsutaan myös sähköisiksi kaksikerroksisiksi kondensaattoreiksi.
Näin superkondensaattori latautuu ja kun mikä tahansa kuorma kytketään superkondensaattorin liittimiin, elektrodien varaus alkaa virrata kuormasta. Tällä tavalla molemmat elektrodit alkavat menettää varausta, koska ne eivät pysty houkuttelemaan varauksia ja tämän seurauksena kondensaattori purkautuu, kun kaikki varaukset poistuvat elektrodeilta.
Joten nyt ionit ovat jälleen hajallaan elektrolyyttien poikki, ja näin yksinkertainen superkondensaattori toimii.
Grafeeni superkondensaattori
Grafeeni tulee grafiitista, joka on enimmäkseen kynien sisällä ja on hiilen elektrodi, jossa on sama määrä atomeja, mutta ne on järjestetty eri tavalla. Toisin kuin grafiitilla, grafeenissa on kaksiulotteinen yksiatomikerros, joka on järjestetty kuusikulmainen hunajakenno. Tämän rakenteen ansiosta atomit voivat luoda vahvoja kovalenttisia sidoksia, mikä antaa sille suuremman vetolujuuden ja suuren joustavuuden. Näiden ominaisuuksien ansiosta grafeeni sallii elektronien liikkua vapaasti ja niillä on korkeampi sähkönjohtavuus.
Koska superkondensaattorien levyjen väliset etäisyydet ovat lyhyemmät, mikä mahdollistaa niiden varastoinnin enemmän staattista varausta, grafeenissa on erittäin ohut kerros, joka on atomin kokoinen alumiinikerrokseen verrattuna. Siten grafeenikondensaattorilla on huomattavasti enemmän pinta-alaa, mikä mahdollistaa sen varastoinnin enemmän energiaa verrattuna muihin superkondensaattoreihin.
Grafeenipohjaiset elektrodit superkondensaattoreissa
Grafeeni, kuten edellä mainittiin, tarjoaa suuremman pinta-alan, mikä parantaa kondensaattorin kapasiteettia varauksen varastoimiseksi. Grafeenia käyttävien elektrodien valmistukseen käytetään erilaisia tekniikoita, joista kaksi ovat:
Graphene Foam -valmistus
Grafeenivaahdolla luotu grafeenielektrodi tarjoaa paremman johtavuuden, kevyitä ja joustavia elektrodeja, joiden pinta-alaa voidaan pidentää useisiin cm 2 ja korkeus jopa useita millimetrejä. Grafeenivaahto luodaan kemiallisella höyrypinnoitustekniikalla kasvattamalla sitä nikkeli- tai kuparivaahdolla. Kun grafeenivaahto muodostetaan kuparivaahdolle, se tuottaa korkealaatuisen grafeenikerroksen, mutta rakenne voi romahtaa helposti, kun metallituki poistetaan. Nikkelivaahtoa voidaan kuitenkin käyttää luomaan monikerroksinen grafeenikerros, joka voidaan vetää varovasti pois metallituesta ilman vaurioita. Lisäksi pelkistetty grafeenioksidi voidaan muodostaa myös nikkelivaahdon avulla käyttämällä tätä kemiallista synteesiä. Grafeenin kanssa käytetään joitain lisäaineita, jotka auttavat saavuttamaan suuren tehotiheyden ja tarjoavat lyhyemmät reitit elektroneille ja ioneille, mikä lisää varausten nopeutta. Nämä lisäaineet voivat olla metallioksideja, johtavia polymeerejä ja metallihydroksideja, jotka tekevät grafeenipohjaisten elektrodien valmistuksen halvemmaksi.
Yllä oleva kuva havainnollistaa grafeenikerroksen muodostusprosessia kemiallisella höyrypinnoitusmenetelmällä.
Valmistus Laser Writingillä
Laserkirjoitusmenetelmä on suhteellisen halvempi ja tuottaa 3D-huokoista grafeenia yhdessä vaiheessa vähentämällä suuren alueen pienennystekniikkaa. Tässä menetelmässä ensin kerrostetaan ohut kerros grafeenia mallin päälle, ja sitten kaupallinen laser säteilyttää grafeenioksidikerroksen. Kun laservalo osuu grafeenioksidiin, se muodostaa huokoista johtavaa materiaalia valotusalueelle.
Tämän seurauksena elektrolyytti-ionien pinta-ala kasvaa ja happipitoisuus pienenee huomattavasti. Kuten edellisessä menetelmässä, joitain lisäaineita voidaan käyttää suorassa laserkirjoituksessa, eli substraatti voi olla grafeenioksidin ja polymeerin seos tai substraatti voi olla myös vain polymeeriä. Tässä on kuva, joka havainnollistaa suoran laserkirjoituksen prosessia:
Grafeenipohjaiset superkondensaattorit Suorituskyky
Grafeenikondensaattoreissa on tehokas elektronien ja ionien siirto, mikä johtaa korkeaan gravimetriseen ja tilavuuskapasiteettiin. Lisäksi niillä on korkeampi syklinopeuden vakaus ja suurempi energiakapasiteetti.
Erilaisten energiaa varastoivien laitteiden suorituskyvyn ja käyttäytymisen tutkimiseen käytetään Ragone-käyrää, jossa ominaisenergian arvo (Wh/Kg) piirretään ominaistehoa (W/Kg) vastaan. Kaavio käyttää logaritmia molemmille akseleille. Y-akseli mittaa ominaisenergiaa, joka on energian määrä massayksikköä kohti. X-akseli mittaa tehotiheyttä, joka on energian toimitusnopeus massayksikköä kohti.
Ragone-kaavion piste toisin sanoen antaa ajan, jonka aikana energia (massayksikköä kohti) y-akselilla voidaan toimittaa tehona (massayksikköä kohti) x-akselilla, ja tuo aika ( tunnissa) annetaan energian ja tehotiheyksien välisenä suhteena. Tämän jälkeen iso-käyrät (vakio toimitusaika) Ragone-kaaviossa ovat suoria viivoja, joilla on yhtenäinen kaltevuus. Alla oleva Ragone-kaavio näyttää ominaisenergian (Wh/Kg) suhteessa ominaistehoon (W/Kg) eri energiaa varastoiville laitteille:
Johtopäätös
Grafeenikondensaattori on eräänlainen superkondensaattori, jossa on grafiitista peräisin olevasta grafeenista valmistetut elektrodit. Grafeeni tarjoaa suuren pinta-alan elektrolyytille, mikä lisää kapasitanssia ja sillä on myös lyhyt latausaika. Lisäksi grafeenielektrodien luomiseen on olemassa erilaisia tekniikoita, joista kaksi on: grafeenivaahto ja suora laserkirjoitus.