افزایش ۳۰ درصدی ظرفیت ابرخازن‌ها با یک نانوماده کربنی

روشی ساده برای سنتز نوعی ماده کربنی متخلخل ارائه شده که استفاده از آنها در ابرخازن‌ها موجب افزایش ۳۰ درصدی ظرفیت می‌شود.

کد خبر: ۱۲۱۷۵۶۷

يکشنبه - ۳۰ دی ۱۴۰۳ / January 19, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو به نقل از ستاد نانو، ابرخازن‌ها در قلب ادوات ذخیره‌سازی انرژی مدرن قرار دارند و به سرعت شارژ و دشارژ می‌شوند تا انرژی همه چیز از اتوبوس‌های برقی گرفته تا تجهیزات صنعتی را تامین کنند. عملکرد ابرخازن‌ها به الکترود‌های آنها بستگی دارد که از مواد کربنی پر شده است، موادی که با منافذ میکروسکوپی می‌توانند میزبان بار‌های الکتریکی باشند و این بار‌ها در آن جمع شوند. ایجاد این منافذ دقیقاً در اندازه مناسب، کمتر از یک نانومتر، چالشی همیشگی در توسعه فناوری ادوات ذخیره‌سازی انرژی است.

دانشمندان در سال ۲۰۰۶ به کشف شگفت‌انگیزی دست یافتند؛ حفره‌های کوچک‌تر می‌توانند بار الکتریکی بیشتری نسبت به حفره‌های بزرگ‌تر ذخیره کنند. این یافته رویکرد مرسوم به حداکثر رساندن سطح از طریق حفره‌های بزرگتر را تغییر داد. وقتی حفره‌ها خیلی کوچک می‌شوند، کمتر از نیم نانومتر، حرکت ذرات باردار را مسدود می‌کنند. اندازه ایده‌آل نانوحفره‌ها چیزی بین نیم تا یک نانومتر است.

روش‌های تولید فعلی نمی‌توانند به طور قابل اعتماد حفره‌های با چنین اندازه‌های خاصی ایجاد کنند. فعال‌سازی شیمیایی باعث ایجاد حفره‌هایی با اندازه‌های مختلف می‌شود. استفاده از قالب‌های سخت مانند سیلیس نیاز به پردازش پیچیده و پرهزینه دارد. قالب‌های نرم ساخته شده از مولکول‌های آلی اغلب در طول تولید فرو می‌ریزند. در نتیجه، ابرخازن‌های تجاری از مواد کربنی با اندازه‌های منافذ ناسازگار استفاده می‌کنند که ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی و سرعت شارژ آنها را محدود می‌کند.

محققان دانشگاه فودان با استفاده از نقاط کربن به عنوان الگو، مواد کربنی با حفره‌های با اندازه دقیق ایجاد کردند. این یافته‌ها در Advanced Functional Materials منتشر شده است.

این تیم با حرارت دادن اسید سیتریک و دی‌اتیلن تریامین تا ۱۷۰ درجه سانتیگراد، نقاط کربنی را سنتز کردند. مخلوط کردن این نقاط در محلول پلیمری یک ژل ایجاد می‌کند. ترکیب این ژل با هیدروکسید پتاسیم باعث شکستن پیوند‌های شیمیایی خاص در نقاط کربنی می‌شود. حرارت دادن تا دمای ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد، منجر به تولید مواد کربنی با حفره‌های یکنواخت بین ۰٫۶۴ تا ۰٫۸۰ نانومتر می‌شود که ایده‌آل برای ذخیره بار الکتریکی است.

این ماده ۵۱۵٫۵ فاراد شارژ در هر گرم را ذخیره می‌کند و در عین حال چگالی ۰٫۸۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب را دارد که ۳۰ درصد ظرفیت ذخیره‌سازی بیشتر نسبت به مواد کربن فعال تجاری موجود در بازار است. این مزیت چگالی به این معنی است که وسایل نقلیه الکتریکی می‌توانند انرژی بیشتری را ذخیره کنند.

این ماده چندین مشکل اساسی فعلی را حل می‌کند که پذیرش ابرخازن را محدود کرده است. با الکترولیت‌های مبتنی بر آب کار می‌کند که ۵۰ تا ۷۰ درصد کمتر از جایگزین‌های آلی قیمت دارند و خطرات ایمنی کمتری دارند. ۹۹٫۹ درصد از ظرفیت خود را پس از ۱۰۰۰۰ چرخه شارژ-دشارژ حفظ می‌کنند که بیش از دوام بسیاری از دستگاه‌های تجاری است.