جهش ظرفیت ابرخازن‌ها با پلاسمای نیتروژن و آرگون

محققان اسکول‌تک (Skoltech)، مؤسسه نانوفناوری و میکروالکترونیک آکادمی علوم روسیه (RAS) و چند مرکز تحقیقاتی دیگر، نقش تیمار پلاسمایی الکترود‌های کربنی در بهبود ویژگی‌های کلیدی ابرخازن‌ها را مورد بررسی قرار داده‌اند. ابرخازن‌ها دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی هستند که در کنار باتری‌ها در خودرو‌های برقی، قطارها، جرثقیل‌های بندری و بسیاری از کاربرد‌های دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بر اساس یافته‌های این پژوهش که در نشریه Electrochimica Acta منتشر شده است، شناخت بهتر تأثیر اصلاح الکترود‌ها بر ظرفیت خازنی می‌تواند به گسترش ابزار‌های بهینه‌سازی عملکرد ابرخازن‌ها منجر شود. این پیشرفت‌ها موجب افزایش ظرفیت ذخیره انرژی این دستگاه‌ها شده و زمینه را برای استفاده گسترده‌تر آنها فراهم می‌کند.

استادیار استانیسلاو اولاشین (Stanislav Evlashin) از مؤسسه مواد اسکول‌تک و پژوهشگر اصلی این مطالعه اظهار داشت: "تیم ما در حال بررسی راهکار‌هایی برای بهبود عملکرد ابرخازن‌ها از طریق تغییر در ساختار مواد کربنی مورد استفاده در الکترود‌های آنها است. در مجموع، دو روش اصلی برای افزایش انرژی ذخیره‌شده در ابرخازن‌ها وجود دارد: نخست، افزایش سطح مؤثر الکترود‌ها از طریق طراحی سطحی پیچیده و دوم، افزودن اتم‌های خارجی به ساختار کربنی الکترودها. در این پژوهش، ما پیشرفتی در درک اثر گنجاندن اتم‌های خارجی در ساختار کربن به دست آورده‌ایم. "

ابرخازن‌ها اغلب در کنار فناوری‌های مبتنی بر باتری‌های لیتیوم-یونی به کار می‌روند. برخلاف باتری‌های متداول، این دستگاه‌ها می‌توانند انرژی را تقریباً به‌صورت آنی ذخیره یا آزاد کنند. این ویژگی باعث می‌شود که برای تأمین توان موردنیاز برای حرکت اولیه خودرو، اعمال نیروی ترمز و سایر کاربرد‌های مشابه ایده‌آل باشند. علاوه بر این، ابرخازن‌ها در بازه‌های دمایی گسترده‌تری قابل استفاده‌اند، میزان استهلاک کمتری دارند، طول عمر بالایی ارائه می‌دهند و می‌توانند دوام باتری‌های لیتیوم-یونی را به‌طور قابل‌توجهی افزایش دهند.

از دیگر مزایای ابرخازن‌ها، ایمنی بالاتر آنها در مقایسه با فناوری‌های مبتنی بر یون‌های فلزی است، چرا که در صورت خرابی، خطر آتش‌سوزی ایجاد نمی‌کنند. همچنین، مواد مورد استفاده در آنها نسبتاً دوستدار محیط زیست بوده و دفع آنها آسان‌تر است.

به گزارش فیزیکس اوآرجی، این فناوری در تأمین برق اضطراری برای بیمارستان‌ها، مراکز داده و تجهیزات مخابراتی نیز کاربرد دارد تا از قطع سرویس و از دست رفتن اطلاعات جلوگیری شود. همچنین، ابرخازن‌ها برای تعدیل اوج مصرف در شبکه برق، تأمین انرژی حسگر‌های اینترنت اشیا، دستگاه‌های ارتباطی، تجهیزات پزشکی پوشیدنی و الکترونیک قابل‌حمل مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در خودرو‌های الکتریکی و هیبریدی، ابرخازن‌ها در فرآیند روشن و خاموش شدن موتور، تأمین توان فرمان برقی و افزایش سرعت شارژ باتری‌ها مؤثرند. همچنین، قطار‌های برقی و سایر وسایل نقلیه الکتریکی می‌توانند از این فناوری برای بازیابی انرژی ترمزی و افزایش بهره‌وری کلی استفاده کنند.

با افزایش ظرفیت خازنی ابرخازن‌ها، میزان انرژی ذخیره‌شده در آنها افزایش می‌یابد. به همین دلیل، پژوهشگران اسکول‌تک در حال مطالعه نحوه تأثیرگذاری اتم‌های خارجی در ساختار الکترود‌های کربنی بر ظرفیت خازنی این دستگاه‌ها هستند.

در این مطالعه جدید، تیم اسکول‌تک اثر تیمار پلاسمایی با شش ترکیب شیمیایی مختلف را بر روی دیوار‌های نانویی کربنی (carbon nanowalls) - که به‌عنوان ماده‌ای برای ساخت الکترود‌های ابرخازنی استفاده می‌شود - بررسی کرد. از میان این ترکیبات، تنها پلاسما حاوی مخلوطی از نیتروژن و آرگون تأثیر مطلوبی داشت و توانست با تغییر ساختار ماده، ظرفیت سطحی آن را دو برابر کند.

اگرچه این نتیجه رکورد جدیدی در زمینه اصلاح الکترود‌های کربنی محسوب نمی‌شود، اما اطلاعات ارزشمندی درباره فرآیند‌های الکتروشیمیایی مرتبط ارائه می‌دهد.

اولاشین در توضیح یافته‌های این پژوهش گفت: "ابتدا، کربن آمورف باقی‌مانده از رشد ساختار‌های دیوار‌های نانویی کربنی حذف می‌شود. سپس نقص‌های جدیدی در ساختار ماده ایجاد شده و اتم‌های نیتروژن به شبکه کربنی وارد می‌شوند. این کربن آمورف به همراه اتم‌های نیتروژن به وقوع پدیده‌ای به نام شبه‌ظرفیت (pseudocapacitance) کمک می‌کنند. "

انتهای پیام/