Kondensaatorid on peamiselt laadimissalvestusseadmed, kuid võrreldes akudega on neil laengu salvestamiseks palju vähem mahtu. Kuid nende eluiga on palju pikem kui patareidel, kondensaatorite tööpõhimõte on sama, hoolimata sellest, et need on sisemise konstruktsiooni alusel jagatud erinevatesse kategooriatesse. Grafeenkondensaator on teatud tüüpi superkondensaatorid, millel on grafeenikihid, mis tagavad elektronide palju vabama liikumise ja võimaldavad soojuse tõhusat hajumist.
Ülevaade:
- Mis on superkondensaatorid?
- Superkondensaatorite töö
- Grafeeni superkondensaator
- Grafeenil põhinevad elektroodid superkondensaatorites
- Grafeenil põhinevate superkondensaatorite jõudlus
- Järeldus
Mis on superkondensaatorid?
Grafeenkondensaatori mõistmiseks on vaja teadmisi superkondensaatorite kohta, kuna grafeenkondensaatorid kuuluvad samuti superkondensaatorite kategooriasse. Erinevalt üldkondensaatoritest on supper kondensaatoritel erinev sisemine konstruktsioon, mis mõjutab ka nende omadusi. Superkondensaatoris on elektrolüüdid, mis on eraldatud isolatsioonikeskkonnaga ja millel on elektrolüüdiga kontaktis olevad aktiivsöe elektroodid. Elektrolüüt on peamiselt väävelhape või kaaliumoksiid ja separaatoriks on tavaliselt Kapton:
Superkondensaatorite töö
Kui superkondensaatorit pole ühendatud ühegi toiteallikaga, hajuvad laengud, olenemata nende polaarsusest, mööda elektrolüüdi, kui toiteallikas on sellega ühendatud, hakkab kondensaatorist voolama vool ja kui anood saab positiivse laengu negatiivsed ioonid elektrolüüdis kipuvad liikuma anoodelektroodi poole. Katood laetakse negatiivselt ja kõik positiivsed ioonid liiguvad katoodi poole:
See elektroodi ja elektrolüüdi vaheline tõmbejõud on elektrostaatiline jõud ja see ioonide tõmbamine elektroodidele põhjustab elektrilise topeltkihi moodustumise. See kiht vastutab laengute salvestamise eest ja selle kihi moodustumise tõttu nimetatakse superkondensaatoreid ka elektrilisteks kahekihilisteks kondensaatoriteks.
Nii laetakse superkondensaatorit ja kui mis tahes koormus on ühendatud üle superkondensaatori klemmide, hakkab koormusest voolama elektroodide laeng. Nii hakkavad mõlemad elektroodid laengut kaotama, kuna nad ei suuda laenguid ligi tõmmata ja selle tulemusena tühjeneb kondensaator kui kõik laengud elektroodidelt lahkuvad.
Nüüd on ioonid jälle elektrolüütide vahel laiali ja nii töötab lihtne superkondensaator.
Grafeeni superkondensaator
Grafeen pärineb grafiidist, mis on enamasti pliiatsite sees ja on süsiniku elektrood, millel on sama arv aatomeid, kuid need on paigutatud erinevalt. Erinevalt grafiidist on grafeenil kahemõõtmeline üheaatomiline kiht, mis on paigutatud kuusnurkse kärgstruktuuri kujul. See struktuur võimaldab aatomitel luua tugevaid kovalentseid sidemeid, mis annab sellele suurema tõmbetugevuse ja suure paindlikkuse. Nende omaduste tõttu võimaldab grafeen elektronidel vabalt liikuda ja neil on suurem elektrijuhtivus.
Kuna superkondensaatoritel on plaatide vahel lühem vahemaa, mis võimaldab neil salvestada rohkem staatilist laengut, on grafeenil alumiiniumkihiga võrreldes väga õhuke kiht, mis on aatomi suurune. Seega on grafeenkondensaatoril oluliselt suurem pindala, mis võimaldab tal salvestada rohkem energiat võrreldes teiste superkondensaatoritega.
Grafeenil põhinevad elektroodid superkondensaatorites
Grafeen, nagu eespool mainitud, annab suurema pindala, mis suurendab kondensaatori mahtuvust laengu salvestamiseks. Grafeeni kasutavate elektroodide valmistamiseks kasutatakse erinevaid tehnikaid ja kaks neist on:
Grafeenvahu valmistamine
Grafeenvahu abil loodud grafeenelektrood tagab suurema juhtivuse, kerged ja painduvad elektroodid, mille pindala saab pikendada kuni mitu cm 2 ja kõrgus kuni mitu millimeetrit. Grafeenvaht luuakse keemilise aurustamise-sadestamise tehnikaga, kasvatades seda nikli- või vasevahul. Kui vaskvahule luuakse grafeenivaht, tekib see kvaliteetse grafeenikihina, kuid metalltoe eemaldamisel võib struktuur kergesti kokku kukkuda. Selle asemel saab aga niklivahtu kasutada mitmekihilise grafeenikihi loomiseks, mida saab ettevaatlikult ilma vigastusteta metalltoest lahti tõmmata. Lisaks saab redutseeritud grafeenoksiidi moodustada ka nikli vahu abil, kasutades seda keemilist sünteesi. Koos grafeeniga kasutatakse mõningaid lisandeid, mis aitavad saavutada suurt võimsustihedust ja tagavad elektronide ja ioonide jaoks lühema tee, suurendades seega laengute kiirust. Need lisandid võivad olla metallioksiidid, juhtivad polümeerid ja metallhüdroksiidid, mis muudavad grafeenipõhiste elektroodide valmistamise odavamaks.
Ülaltoodud pilt illustreerib grafeenikihi moodustamise protsessi keemilise aurustamise-sadestamise meetodil.
Valmistamine Laser Writingiga
Laserkirjutusmeetod on suhteliselt odavam ja toodab 3D poorset grafeeni ühes etapis, vähendades suure ala vähendamise tehnikat. Selle meetodi puhul kantakse mallile kõigepealt õhuke grafeenikiht ja seejärel kiiritab kaubanduslik laser grafeenoksiidi kihti. Kui laservalgus langeb grafeenoksiidile, tekitab see kokkupuutealas poorset juhtivat materjali.
Selle tulemusena suureneb elektrolüütide ioonide pindala ja hapnikusisaldus väheneb oluliselt. Nagu eelmises meetodis, saab otseses laserkirjutamises kasutada mõningaid lisandeid, milleks võib olla grafeenoksiidi ja polümeeri segu või substraat võib olla ka ainult polümeer. Siin on pilt, mis illustreerib otse laserkirjutamise protsessi:
Grafeenil põhinevate superkondensaatorite jõudlus
Grafeenkondensaatoritel on efektiivne elektronide ja ioonide ülekanne, mille tulemuseks on suur gravimeetriline ja mahuline võimsus. Lisaks on neil suurem tsüklikiiruse stabiilsus ja suurem energiavõimsus.
Erinevate energiasalvestavate seadmete jõudluse ja käitumise uurimiseks kasutatakse Ragone graafikut, kus erienergia väärtus (Wh/Kg) esitatakse erivõimsuse (W/Kg) suhtes. Graafik kasutab mõlema telje logiskaalat. Y-telg mõõdab erienergiat, mis on energia hulk massiühiku kohta. X-telg mõõdab võimsustihedust, mis on energia edastamise kiirus massiühiku kohta.
Punkt Ragone'i graafikul annab seega aja, mille jooksul energiat (massiühiku kohta) y-teljel saab edastada võimsuses (massiühiku kohta) x-teljel, ja see aeg ( tunnis) on antud energia ja võimsustiheduse suhtena. Seejärel on Ragone krundi isokõverad (konstantne tarneaeg) ühtse kaldega sirged. Allolev Ragone'i graafik näitab erinevate energiasalvestavate seadmete erienergiat (Wh/Kg) võrreldes erivõimsusega (W/Kg):
Järeldus
Grafeenkondensaator on teatud tüüpi superkondensaator, millel on grafiidist pärinevast grafeenist valmistatud elektroodid. Grafeen annab elektrolüüdile suure pindala, mille tulemusena suureneb mahtuvus ja sellel on ka väike laadimisaeg. Lisaks on grafeenelektroodide loomiseks erinevaid tehnikaid, millest kaks on: grafeenvaht ja otsene laserkirjutamine.