Kondensatori galvenokārt ir uzlādes glabāšanas ierīces, taču, salīdzinot ar akumulatoriem, tiem ir mazāka jauda lādiņa uzglabāšanai. Tomēr to kalpošanas laiks ir daudz ilgāks nekā akumulatoriem, kondensatoru darbības pamatprincips ir vienāds, neskatoties uz to, ka tie ir sadalīti dažādās kategorijās, pamatojoties uz to iekšējo uzbūvi. Grafēna kondensators ir superkondensatora veids, kuram ir grafēna slāņi, kas nodrošina daudz brīvāku elektronu kustību un ļauj efektīvi izkliedēt siltumu.
Kontūra:
- Kas ir superkondensatori?
- Superkondensatoru darbība
- Grafēna superkondensators
- Uz grafēna bāzes izgatavoti elektrodi superkondensatoros
- Grafēna bāzes superkondensatori Veiktspēja
- Secinājums
Kas ir superkondensatori?
Lai saprastu grafēna kondensatoru, ir jābūt zināšanām par superkondensatoriem, jo grafēna kondensators ietilpst arī superkondensatoru kategorijā. Atšķirībā no vispārējiem kondensatoriem supper kondensatoriem ir atšķirīga iekšējā konstrukcija, kas ietekmē arī to īpašības. Superkondensatorā ir elektrolīti, kas ir atdalīti ar izolācijas vidi, un tiem ir aktīvās ogles elektrodi, kas saskaras ar elektrolītu. Elektrolīts galvenokārt ir sērskābe vai kālija oksīds, un separators parasti ir Kapton:
Superkondensatoru darbība
Ja superkondensators nav pieslēgts nevienam strāvas avotam, lādiņi neatkarīgi no to polaritātes tiek izkliedēti pa elektrolītu, kad pāri tam ir pievienots strāvas avots, no kondensatora sāk plūst strāva, un, anodam iegūstot pozitīvo lādiņu, visi negatīvajiem joniem elektrolītā ir tendence virzīties uz anoda elektrodu. Tā kā katods tiek negatīvi uzlādēts un visi pozitīvie joni virzās uz katodu:
Šis pievilkšanās spēks starp elektrodu un elektrolītu ir elektrostatiskais spēks, un šī jonu piesaiste elektrodiem izraisa elektriskā dubultā slāņa veidošanos. Šis slānis ir atbildīgs par lādiņu uzglabāšanu, un šī slāņa veidošanās dēļ superkondensatori tiek saukti arī par elektriskiem divslāņu kondensatoriem.
Tādā veidā tiek uzlādēts superkondensators un, kad pāri superkondensatora spailēm ir pievienota jebkura slodze, no slodzes sāk plūst lādiņš uz elektrodiem. Tādā veidā abi elektrodi sāk zaudēt lādiņu, jo nespēj piesaistīt lādiņus un rezultātā, visiem lādiņiem atstājot elektrodus, kondensators izlādējas.
Tātad tagad joni atkal tiek izkaisīti pa elektrolītiem, un šādi darbojas vienkāršs superkondensators.
Grafēna superkondensators
Grafēns nāk no grafīta, kas galvenokārt atrodas zīmuļos un ir oglekļa elektrods ar vienādu atomu skaitu, taču tie ir sakārtoti atšķirīgi. Atšķirībā no grafīta, grafēnam ir divdimensiju viena atoma slānis, kas sakārtots sešstūra šūnveida formā. Šī struktūra ļauj atomiem izveidot spēcīgas kovalentās saites, kas nodrošina lielāku stiepes izturību un augstu elastību. Pateicoties šīm īpašībām, grafēns ļauj elektroniem brīvi pārvietoties un tiem ir augstāka elektrovadītspēja.
Tā kā superkondensatoriem ir mazāki attālumi starp plāksnēm, kas ļauj tiem uzglabāt lielāku statisko lādiņu, grafēnam ir ļoti plāns slānis, kas ir atoma lielumā salīdzinājumā ar alumīnija slāni. Tādējādi grafēna kondensatoram ir ievērojami lielāks virsmas laukums, kas ļauj tam uzglabāt vairāk enerģijas, salīdzinot ar citiem superkondensatoriem.
Uz grafēna bāzes izgatavoti elektrodi superkondensatoros
Grafēns, kā minēts iepriekš, nodrošina lielāku virsmas laukumu, kas palielina kondensatora kapacitāti lādiņa uzglabāšanai. Elektrodu izgatavošanai, izmantojot grafēnu, tiek izmantotas dažādas metodes, un divas no tām ir:
Izgatavošana no grafēna putām
Grafēna elektrods, kas izveidots, izmantojot grafēna putas, nodrošina augstāku vadītspēju, vieglus un elastīgus elektrodus, kuru laukumu var pagarināt līdz vairākiem cm 2 un augstums līdz vairākiem milimetriem. Grafēna putas tiek radītas ar ķīmisko tvaiku pārklāšanas metodi, audzējot tās uz niķeļa vai vara putām. Kad uz vara putām tiek izveidotas grafēna putas, tās rada augstas kvalitātes grafēna slāni, taču struktūra var viegli sabrukt, ja tiek noņemts metāla balsts. Tomēr tā vietā var izmantot niķeļa putas, lai izveidotu daudzslāņu grafēna slāni, ko var uzmanīgi novilkt no metāla balsta, nesabojājot. Turklāt, izmantojot šo ķīmisko sintēzi, ar niķeļa putām var izveidot arī reducētu grafēna oksīdu. Dažas piedevas tiek izmantotas kopā ar grafēnu, kas palīdz sasniegt lielu jaudas blīvumu un nodrošina īsākus ceļus elektroniem un joniem, tādējādi palielinot lādiņu ātrumu. Šīs piedevas var būt metālu oksīdi, vadoši polimēri un metālu hidroksīdi, kas padara grafēna elektrodu izgatavošanu lētāku.
Iepriekš redzamais attēls ilustrē grafēna slāņa veidošanas procesu, izmantojot ķīmisko tvaiku pārklāšanas metodi.
Izgatavošana ar lāzera rakstīšanu
Lāzerrakstīšanas metode ir salīdzinoši lētāka un vienā solī ražo 3D porainu grafēnu, samazinot liela laukuma samazināšanas paņēmienu. Šajā metodē vispirms uz veidnes tiek uzklāts plāns grafēna slānis, un pēc tam komerciālais lāzers apstaro grafēna oksīda slāni. Kad lāzera gaisma krīt uz grafēna oksīdu, tā ekspozīcijas zonā rada porainu vadošu materiālu.
Tā rezultātā palielinās elektrolītu jonu virsmas laukums un ievērojami samazinās skābekļa saturs. Tāpat kā iepriekšējā metodē, tiešā lāzera rakstīšanā var izmantot dažas piedevas, proti, substrāts var būt grafēna oksīda un polimēra maisījums vai arī substrāts var būt tikai polimērs. Šeit ir attēls, kas ilustrē tiešās lāzera rakstīšanas procesu:
Grafēna bāzes superkondensatori Veiktspēja
Grafēna kondensatoriem ir efektīva elektronu un jonu pārnese, kas rada augstu gravimetrisko un tilpuma kapacitāti. Turklāt tiem ir augstāka cikla ātruma stabilitāte un lielāka enerģijas jauda.
Lai pētītu dažādu enerģijas uzkrāšanas ierīču veiktspēju un uzvedību, tiek izmantots Ragones diagrammas, kurā īpatnējās enerģijas vērtība (Wh/Kg) tiek attēlota pret īpatnējo jaudu (W/Kg). Grafikā abām asīm tiek izmantota log skala. Y ass mēra īpatnējo enerģiju, kas ir enerģijas daudzums uz masas vienību. X ass mēra jaudas blīvumu, kas ir enerģijas piegādes ātrums uz masas vienību.
Punkts Ragones diagrammā tādējādi, citiem vārdiem sakot, norāda laika daudzumu, kurā enerģiju (uz masas vienību) uz y ass var piegādāt jaudā (uz masas vienību) uz x ass, un šis laiks ( stundā) tiek dota kā attiecība starp enerģijas un jaudas blīvumu. Pēc tam Ragones diagrammā izolīknes (nemainīgs piegādes laiks) ir taisnas līnijas ar vienotu slīpumu. Tālāk redzamajā Ragones diagrammā ir parādīta īpatnējā enerģija (Wh/Kg) pret īpatnējo jaudu (W/Kg) dažādām enerģijas uzkrāšanas ierīcēm:
Secinājums
Grafēna kondensators ir superkondensatora veids, kuram ir elektrodi, kas izgatavoti no grafēna, kas iegūts no grafīta. Grafēns nodrošina elektrolītam lielu virsmas laukumu, kā rezultātā palielinās kapacitāte, un tam ir arī mazs uzlādes laiks. Turklāt ir dažādas grafēna elektrodu izveides metodes, divas no tām ir: grafēna putas un tiešā lāzera rakstīšana.