Kondensatoriai pirmiausia yra įkrovimo įtaisai, tačiau, palyginti su baterijomis, jie turi mažiau talpos įkrovimui laikyti. Tačiau jų tarnavimo laikas yra daug ilgesnis nei baterijų, pagrindinis kondensatorių veikimo principas yra tas pats, nepaisant to, kad jie yra suskirstyti į skirtingas kategorijas pagal savo vidinę konstrukciją. Grafeno kondensatorius yra superkondensatoriaus tipas, turintis grafeno sluoksnius, kurie užtikrina daug laisvesnį elektronų judėjimą ir leidžia efektyviai išsklaidyti šilumą.
Kontūras:
- Kas yra superkondensatoriai?
- Superkondensatorių darbas
- Grafeno superkondensatorius
- Grafeno pagrindu pagaminti elektrodai superkondensatoriuose
- Grafeno pagrindu pagamintų superkondensatorių našumas
- Išvada
Kas yra superkondensatoriai?
Norint suprasti grafeno kondensatorių, būtina turėti žinių apie superkondensatorius, nes grafeno kondensatorius taip pat patenka į superkondensatorių kategoriją. Skirtingai nuo bendrųjų kondensatorių, vakarienės kondensatoriai turi skirtingą vidinę konstrukciją, kuri taip pat turi įtakos jų savybėms. Superkondensatorius turi elektrolitus, atskirtus izoliacine terpe ir turinčius aktyvuotos anglies elektrodus, kurie liečiasi su elektrolitu. Elektrolitas daugiausia yra sieros rūgštis arba kalio oksidas, o separatorius paprastai yra Kaptonas:
Superkondensatorių darbas
Kai superkondensatorius nėra prijungtas prie jokio maitinimo šaltinio, krūviai, nepriklausomai nuo jų poliškumo, yra pasklidę per elektrolitą, kai maitinimo šaltinis yra prijungtas per jį, srovė pradeda tekėti iš kondensatoriaus, o anodas gauna teigiamą krūvį. neigiami jonai elektrolite linkę judėti link anodo elektrodo. Tuo tarpu katodas įgyja neigiamą krūvį ir visi teigiami jonai juda link katodo:
Ši elektrodo ir elektrolito traukos jėga yra elektrostatinė jėga, o šis jonų pritraukimas prie elektrodų sukelia elektrinio dvigubo sluoksnio susidarymą. Šis sluoksnis yra atsakingas už krūvių saugojimą ir dėl šio sluoksnio susidarymo superkondensatoriai taip pat vadinami elektriniais dvisluoksniais kondensatoriais.
Taip įkraunamas superkondensatorius ir per superkondensatoriaus gnybtus prijungus bet kokią apkrovą, nuo apkrovos pradeda tekėti įkrova ant elektrodų. Taip abu elektrodai pradeda prarasti krūvį, nes negali pritraukti krūvių ir dėl to, kai visi krūviai palieka elektrodus, kondensatorius išsikrauna.
Taigi dabar jonai vėl yra išsibarstę po elektrolitus, ir taip veikia paprastas superkondensatorius.
Grafeno superkondensatorius
Grafenas gaunamas iš grafito, kuris dažniausiai yra pieštukų viduje ir yra anglies elektrodas, turintis tą patį atomų skaičių, tačiau jie yra išdėstyti skirtingai. Skirtingai nuo grafito, grafenas turi dvimatį vieno atomo sluoksnį, išdėstytą šešiakampio korio pavidalu. Ši struktūra leidžia atomams sukurti stiprius kovalentinius ryšius, kurie suteikia didesnį atsparumą tempimui ir didelį lankstumą. Dėl šių savybių grafenas leidžia elektronams laisvai judėti ir turi didesnį elektros laidumą.
Kadangi superkondensatorių atstumai tarp plokščių yra mažesni, todėl jie gali išlaikyti daugiau statinio krūvio, grafenas turi labai ploną sluoksnį, kuris yra atomo dydžio, palyginti su aliuminio sluoksniu. Taigi, grafeno kondensatorius turi žymiai didesnį paviršiaus plotą, o tai leidžia sukaupti daugiau energijos, palyginti su kitais superkondensatoriais.
Grafeno pagrindo elektrodai superkondensatoriuose
Grafenas, kaip minėta aukščiau, suteikia didesnį paviršiaus plotą, o tai padidina kondensatoriaus talpą kaupti įkrovą. Elektrodams gaminti naudojant grafeną naudojami įvairūs metodai, iš kurių du yra šie:
Gamyba iš grafeno putų
Grafeno elektrodas, sukurtas naudojant grafeno putas, užtikrina didesnį laidumą, lengvus ir lanksčius elektrodus, kurių plotą galima pailginti iki kelių cm 2 o aukštis iki kelių milimetrų. Grafeno putos sukuriamos cheminio garų nusodinimo metodu, auginant jas ant nikelio arba vario putplasčio. Kai ant vario putų sukuriamos grafeno putos, susidaro aukštos kokybės grafeno sluoksnis, tačiau nuėmus metalinę atramą konstrukcija gali lengvai sugriūti. Tačiau vietoj to galima naudoti nikelio putas, kad būtų sukurtas daugiasluoksnis grafeno sluoksnis, kurį galima atsargiai ištraukti iš metalinės atramos nepažeidžiant. Be to, naudojant šią cheminę sintezę per nikelio putas taip pat gali susidaryti redukuotas grafeno oksidas. Kai kurie priedai naudojami kartu su grafenu, kurie padeda pasiekti didelį galios tankį ir suteikia trumpesnius elektronų ir jonų kelius, taip padidindami krūvių greitį. Šie priedai gali būti metalų oksidai, laidūs polimerai ir metalų hidroksidai, todėl grafeno elektrodų gamyba yra pigesnė.
Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodytas grafeno sluoksnio formavimo procesas naudojant cheminio nusodinimo garais metodą.
Gamyba rašant lazeriu
Lazerinio rašymo metodas yra palyginti pigesnis ir vienu žingsniu sukuria 3D porėtą grafeną, sumažinant didelio ploto mažinimo techniką. Taikant šį metodą, pirmiausia ant šablono nusodinamas plonas grafeno sluoksnis, o tada komercinis lazeris apšvitina grafeno oksido sluoksnį. Kai lazerio šviesa patenka į grafeno oksidą, poveikio zonoje susidaro akytos laidžios medžiagos.
Dėl to padidėja elektrolitų jonų paviršiaus plotas ir žymiai sumažėja deguonies kiekis. Kaip ir ankstesniame metode, kai kurie priedai gali būti naudojami tiesioginiam rašymui lazeriu, ty substratas gali būti grafeno oksido ir polimero mišinys arba substratas taip pat gali būti tik polimeras. Čia yra paveikslėlis, iliustruojantis tiesioginio rašymo lazeriu procesą:
Grafeno pagrindu pagamintų superkondensatorių našumas
Grafeno kondensatoriai turi efektyvų elektronų ir jonų perdavimą, o tai lemia didelę gravimetrinę ir tūrinę talpą. Be to, jie pasižymi didesniu ciklo greičio stabilumu ir didesne energijos galia.
Įvairių energijos kaupimo prietaisų veikimui ir elgsenai tirti naudojamas Ragone grafikas, kuriame savitosios energijos vertė (Wh/Kg) vaizduojama pagal specifinę galią (W/Kg). Grafike naudojama abiejų ašių log skalė. Y ašis matuoja specifinę energiją, tai yra energijos kiekis masės vienetui. X ašis matuoja galios tankį, kuris yra energijos tiekimo greitis masės vienetui.
Taigi taškas Ragone diagramoje, kitaip tariant, nurodo laiką, per kurį energija (masės vienetui) y ašyje gali būti tiekiama galia (masės vienetui) x ašyje, ir tą laiką ( per valandą) pateikiamas kaip energijos ir galios tankių santykis. Vėliau Ragone sklype esančios izo-kreivės (pastovus pristatymo laikas) yra tiesios linijos, kurių nuolydis yra vienodas. Toliau pateiktame Ragone diagramoje parodyta įvairių energijos kaupimo įrenginių savitoji energija (Wh/Kg) ir savitoji galia (W/Kg):
Išvada
Grafeno kondensatorius yra superkondensatoriaus tipas, kurio elektrodai pagaminti iš grafeno, gaunamo iš grafito. Grafenas suteikia elektrolitui didelį paviršiaus plotą, dėl kurio padidėja talpa ir trumpas įkrovimo laikas. Be to, yra įvairių grafeno elektrodų kūrimo būdų, du iš jų yra: grafeno putos ir tiesioginis lazerinis rašymas.