Kondenzatori su prvenstveno uređaji za pohranjivanje naboja, ali u usporedbi s baterijama imaju znatno manji kapacitet za pohranjivanje naboja. Međutim, njihov životni vijek je puno duži nego kod baterija, osnovni princip rada kondenzatora je isti iako su podijeljeni u različite kategorije na temelju njihove unutarnje konstrukcije. Grafenski kondenzator je vrsta superkondenzatora koji ima slojeve grafena koji omogućuju mnogo slobodnije kretanje elektrona i omogućuju učinkovito rasipanje topline.
Struktura:
- Što su superkondenzatori?
- Rad superkondenzatora
- Grafenski superkondenzator
- Elektrode na bazi grafena u superkondenzatorima
- Performanse superkondenzatora na bazi grafena
- Zaključak
Što su superkondenzatori?
Da bismo razumjeli grafenski kondenzator, potrebno je imati znanje o superkondenzatorima jer grafenski kondenzator također spada u kategoriju superkondenzatora. Za razliku od uobičajenih kondenzatora, supper kondenzatori imaju drugačiju unutarnju konstrukciju, što također utječe na njihova svojstva. Superkondenzator ima elektrolite koji su odvojeni izolacijskim medijem i ima elektrode s aktivnim ugljenom koje su u kontaktu s elektrolitom. Elektrolit je uglavnom sumporna kiselina ili kalijev oksid, a separator je obično Kapton:
Rad superkondenzatora
Kada superkondenzator nije spojen ni na jedan izvor napajanja, naboji bez obzira na njihov polaritet raspršeni su po elektrolitu, kada je izvor napajanja spojen preko njega, struja počinje teći iz kondenzatora, a kako anoda dobiva pozitivan naboj, sve negativni ioni u elektrolitu nastoje se kretati prema anodnoj elektrodi. Dok se katoda negativno nabije i svi pozitivni ioni kreću se prema katodi:
Ova sila privlačenja između elektrode i elektrolita je elektrostatska sila i to privlačenje iona prema elektrodama uzrokuje stvaranje dvostrukog električnog sloja. Ovaj sloj je odgovoran za pohranjivanje naboja i zbog formiranja ovog sloja superkondenzatori se nazivaju i električni dvoslojni kondenzatori.
Ovo je način na koji se superkondenzator puni i kada se bilo koji teret spoji preko terminala superkondenzatora, naboj na elektrodama počinje teći iz opterećenja. Na taj način obje elektrode počinju gubiti naboj jer nisu u stanju privući naboje i kao rezultat toga, kada svi naboji napuste elektrode, kondenzator se isprazni.
Dakle, sada su ioni opet raspršeni po elektrolitima, i ovako radi jednostavan superkondenzator.
Grafenski superkondenzator
Grafen dolazi od grafita koji se uglavnom nalazi unutar olovaka i elektroda je ugljika koja ima isti broj atoma, ali su oni drugačije raspoređeni. Za razliku od grafita, grafen ima dvodimenzionalni sloj od jednog atoma raspoređen u obliku šesterokutnog saća. Ova struktura omogućuje atomima stvaranje jakih kovalentnih veza što mu daje veću vlačnu čvrstoću i visoku fleksibilnost. Zbog ovih svojstava grafen omogućuje slobodno kretanje elektrona i veću električnu vodljivost.
Budući da superkondenzatori imaju kraće udaljenosti između ploča što im omogućuje da pohrane više statičkog naboja, grafen ima vrlo tanak sloj koji je veličine atoma u usporedbi sa slojem aluminija. Dakle, grafenski kondenzator ima znatno veću površinu, što mu omogućuje pohranjivanje više energije u usporedbi s drugim superkondenzatorima.
Elektrode na bazi grafena u superkondenzatorima
Kao što je gore spomenuto, grafen daje veću površinu koja povećava kapacitet kondenzatora za pohranu naboja. Za izradu elektroda pomoću grafena koriste se različite tehnike, a dvije od njih su:
Izrada Graphene Foam
Grafenska elektroda izrađena od grafenske pjene daje veću vodljivost, lagane i fleksibilne elektrode čija se površina može proširiti do nekoliko cm 2 a visine do nekoliko milimetara. Grafenska pjena nastaje tehnikom kemijskog taloženja iz pare uzgojem na pjeni od nikla ili bakra. Kada se grafenska pjena stvori na bakrenoj pjeni, ona proizvodi visokokvalitetni sloj grafena, ali se struktura može lako urušiti kada se ukloni metalni nosač. Međutim, umjesto toga može se koristiti niklovana pjena za stvaranje višeslojnog sloja grafena koji se može pažljivo izvući iz metalne podloge bez ikakvih oštećenja. Štoviše, reducirani grafen oksid također se može formirati kroz niklovu pjenu pomoću ove kemijske sinteze. Uz grafen se koriste neki aditivi koji pomažu u postizanju velike gustoće snage i omogućuju kraće puteve za elektrone i ione čime se povećava brzina naboja. Ti aditivi mogu biti metalni oksidi, vodljivi polimeri i metalni hidroksidi, koji čine proizvodnju elektroda na bazi grafena jeftinijom.
Gornja slika ilustrira proces formiranja sloja grafena pomoću metode kemijskog taloženja iz pare.
Izrada laserskim pisanjem
Metoda laserskog pisanja je relativno jeftinija i proizvodi 3D porozni grafen u jednom koraku smanjenjem tehnike smanjenja velike površine. U ovoj metodi prvo se tanki sloj grafena nanosi na predložak, a zatim komercijalni laser ozračuje sloj grafen oksida. Kada lasersko svjetlo upadne na grafen oksid, ono stvara porozni vodljivi materijal u području izloženosti.
Kao rezultat toga, površina za ione elektrolita se povećava, a sadržaj kisika se znatno smanjuje. Kao i u prethodnoj metodi, neki dodaci se mogu koristiti u izravnom laserskom pisanju, odnosno supstrat može biti mješavina grafen oksida i polimera ili supstrat također može biti samo polimer. Ovdje je slika koja ilustrira proces izravnog pisanja laserom:
Performanse superkondenzatora na bazi grafena
Grafenski kondenzatori imaju učinkovit prijenos elektrona i iona, što rezultira visokim gravimetrijskim i volumetrijskim kapacitetom. Štoviše, pokazuju veću stabilnost brzine ciklusa i veću energetsku sposobnost.
Za proučavanje performansi i ponašanja različitih uređaja za pohranjivanje energije koristi se Ragone dijagram u kojem se vrijednost specifične energije (Wh/Kg) prikazuje u odnosu na specifičnu snagu (W/Kg). Grafikon koristi logaritamsko mjerilo za obje osi. Y-os mjeri specifičnu energiju, što je količina energije po jedinici mase. X-os mjeri gustoću snage, što je brzina isporuke energije po jedinici mase.
Točka na Ragoneovom dijagramu tako, drugim riječima, daje količinu vremena tijekom kojeg se energija (po jedinici mase) na y-osi može isporučiti u snazi (po jedinici mase) na x-osi, a to vrijeme ( u satu) daje se kao omjer između gustoće energije i snage. Nakon toga, izo-krivulje (konstantno vrijeme isporuke) u Ragone dijagramu su ravne linije s jediničnim nagibom. Donji Ragone dijagram prikazuje specifičnu energiju (Wh/Kg) u odnosu na specifičnu snagu (W/Kg) za različite uređaje za pohranu energije:
Zaključak
Grafenski kondenzator je vrsta superkondenzatora koji ima elektrode napravljene od grafena koji dolazi od grafita. Grafen daje veliku površinu elektrolitu što rezultira povećanjem kapaciteta i također ima malo vrijeme punjenja. Štoviše, postoje različite tehnike za izradu grafenskih elektroda, dvije od njih su: grafenska pjena i izravno lasersko pisanje.