با تلاش محققان؛

دنیای ابرخازن‌ها با نانومواد هیبریدی متحول می‌شود

محققان آلمانی با طراحی یک نانوماده هیبریدی موفق شدند ابرخازنی بسازند که چگالی انرژی بسیار بالایی دارد و چرخه شارژ/تخلیه بالایی را با کمترین افت ارائه می‌کند.

کد خبر: ۹۰۳۸۹۲

شنبه - ۲۰ دی ۱۳۹۹ / January 09, 2021

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو، رولان فیشر، استاد شیمی معدنی و آلی در دانشگاه فنی مونیخ (TUM)، یک ابرخازن بسیار کارآمد را طراحی و تولید کرده که در ساخت این دستگاه ذخیره انرژی، از گرافن استفاده شده است.

برخلاف باتری‌ها، ابرخازن‌ها می‌توانند به سرعت، مقدار زیادی انرژی را ذخیره کرده و با همان سرعت سریع آن را آزاد کنند. با این حال، یکی از مشکلات کار با ابر خازن‌ها کمبود، چگالی انرژی است. در حالی که باتری‌های لیتیوم به چگالی انرژی تا ۲۶۵ کیلووات ساعت (کیلووات بر ساعت) می‌رسند، ابرخازن‌ها تاکنون فقط یک دهم این مقدار را فراهم می‌کنند.

تیم رولند فیشر اکنون یک ماده هیبریدی گرافنی پایدار را برای ابرخازن‌ها تولید کرده است. این ماده هیبریدی به‌عنوان الکترود مثبت در دستگاه ذخیره انرژی عمل می‌کند. محققان آن را با یک الکترود منفی بر پایه تیتان و کربن ترکیب کرده‌اند.

این دستگاه ذخیره‌سازی انرژی جدید، نه تنها چگالی انرژی تا ۷۳ وات بر کیلوگرم را ارائه کرده است که تقریباً معادل چگالی انرژی باتری هیدرید فلز نیکل است، بلکه عملکرد بسیار بهتر از اکثر خازن‌های دیگر با چگالی توان ۱۶ کیلووات بر کیلوگرم را دارد. راز موفقیت این ابرخازن جدید ترکیبی از مواد مختلف است؛ از این رو، شیمی‌دانان از این ابرخازن به‌عنوان «نامتقارن» یاد می‌کنند.

این هیبرید گرافنی از چارچوب‌های آلی فلزی (MOF) و اسید گرافنیک ساخته شده است که یک الکترود مثبت عالی برای خازن‌های بزرگ است، در نتیجه استفاده از این هیبرید گرافنی چگالی انرژی مشابه باتری‌های هیدرید فلز نیکل به‌دست می‌آید.

رولند فیشر می‌گوید: «طبیعت، پر از مواد ترکیبی کاملاً پیچیده و بهینه شده از نظر تکاملی است. استخوان‌ها و دندان‌ها نمونه‌هایی از این مواد هیبریدی هستند. خواص مکانیکی آن‌ها مانند سختی و خاصیت ارتجاعی از طریق ترکیب مواد مختلف توسط طبیعت بهینه‌سازی شده است.»

برای انجام این پروژه محققان نیز از طبیعت ایده گرفتند، آن‌ها گرافن اصلاح شده شیمیایی را با یک چارچوب آلی فلزی ساختاری نانو، MOF، ترکیب کردند.

وجود سطح وسیع در بدنه الکترود‌ها برای ابرخازن‌ها اهمیت زیادی دارد. مساحت سطحی بالا این امکان را برای جمع‌آوری تعداد زیادی حامل بار در داخل مواد فراهم می‌کند. محققان از طریق طراحی مواد، گرافن را با MOF پیوند زدند و به مساحت سطحی بسیار بالایی رسیدند. سطح داخلی هیبریدگرافن/MOF تا ۹۰۰ متر مربع در گرم است و برای استفاده به‌عنوان الکترود‌های مثبت در یک خازن بسیار کارآمد هستند.

اتصال پایدار بین اجزای نانوساختار این هیبرید دارای مزایای بزرگی است. هر چه پایداری پیوند‌ها بیشتر باشد، چرخه‌های شارژ و تخلیه بیشتر خواهد بود و اختلال در عملکرد ابرخازن به کمترین مقدار خود خواهد رسید.