Кондензатори су првенствено уређаји за складиштење пуњења, али у поређењу са батеријама, они имају доста мањи капацитет за складиштење пуњења. Међутим, њихов животни век је много дужи од батерија, основни принцип рада кондензатора је исти иако су подељени у различите категорије на основу унутрашње конструкције. Графенски кондензатор је тип суперкондензатора који има слојеве графена који обезбеђују много слободније кретање електрона и омогућавају расипање топлоте на ефикасан начин.
Оутлине:
- Шта су суперкондензатори?
- Рад суперкондензатора
- Графенски суперкондензатор
- Електроде на бази графена у суперкондензаторима
- Перформансе суперкондензатора на бази графена
- Закључак
Шта су суперкондензатори?
Да бисте разумели графенски кондензатор, неопходно је имати знање о суперкондензаторима јер графен кондензатор такође спада у категорију супер кондензатора. За разлику од општих кондензатора, суппер кондензатори имају другачију унутрашњу конструкцију, што такође утиче на њихова својства. Суперкондензатор има електролите који су одвојени изолационим медијумом и имају електроде са активним угљем које су у контакту са електролитом. Електролит је углавном сумпорна киселина или калијум оксид, а сепаратор је обично Каптон:
Рад суперкондензатора
Када суперкондензатор није повезан ни са једним извором напајања, наелектрисања без обзира на њихов поларитет се распршују по електролиту, када се извор напајања повеже преко њега струја почиње да тече из кондензатора, а како анода добије позитивно наелектрисање, све негативни јони у електролиту теже да се померају ка анодној електроди. Док катода постаје негативно наелектрисана и сви позитивни јони се крећу према катоди:
Ова сила привлачења између електроде и електролита је електростатичка сила и ово привлачење јона на електроде изазива формирање електричног двоструког слоја. Овај слој је одговоран за складиштење наелектрисања и због формирања овог слоја суперкондензатори се називају и електрични двослојни кондензатори.
Овако се суперкондензатор пуни и када се било које оптерећење повеже преко терминала суперкондензатора, наелектрисање на електродама почиње да тече из оптерећења. На овај начин обе електроде почињу да губе наелектрисање јер нису у стању да привуку наелектрисања и као резултат тога када сва наелектрисања напусте електроде, кондензатор се празни.
Дакле, сада су јони поново расути по електролитима, а овако функционише једноставан суперкондензатор.
Графенски суперкондензатор
Графен потиче од графита који се углавном налази унутар оловака и представља електроду од угљеника која има исти број атома, али су они другачије распоређени. За разлику од графита, графен има дводимензионални слој са једним атомом распоређен у облику хексагоналног саћа. Ова структура омогућава атомима да створе јаке ковалентне везе што им даје већу затезну чврстоћу и високу флексибилност. Због ових својстава, графен омогућава електронима да се слободно крећу и имају већу електричну проводљивост.
Пошто суперкондензатори имају краћа растојања између плоча што им омогућава да складиште више статичког набоја, графен има веома танак слој који је величине атома у поређењу са слојем алуминијума. Дакле, графенски кондензатор има знатно већу површину, што му омогућава да складишти више енергије у поређењу са другим суперкондензаторима.
Електроде на бази графена у суперкондензаторима
Графен као што је горе поменуто обезбеђује већу површину која повећава капацитет кондензатора за складиштење наелектрисања. За израду електрода коришћењем графена користе се различите технике, а две од њих су:
Израда од графенске пене
Графенска електрода направљена коришћењем графенске пене обезбеђује већу проводљивост, лагане и флексибилне електроде чија се површина може проширити до неколико цм. 2 а висина до неколико милиметара. Графенска пена се ствара техником хемијског таложења паре тако што се узгаја на пени од никла или бакра. Када се графенска пена створи на бакарној пени, она производи висококвалитетни слој графена, али структура може лако да се сруши када се метални носач уклони. Међутим, никлова пена се уместо тога може користити за стварање вишеслојног графенског слоја који се може пажљиво извући из металног носача без икаквих оштећења. Штавише, редуковани графен оксид се такође може формирати кроз пену никла користећи ову хемијску синтезу. Неки адитиви се користе са графеном који помажу у постизању велике густине снаге и обезбеђују краће путање за електроне и јоне чиме се повећава брзина наелектрисања. Ови адитиви могу бити метални оксиди, проводљиви полимери и метални хидроксиди, који чине производњу електрода на бази графена јефтинијом.
Горња слика илуструје процес формирања слоја графена методом хемијског таложења паре.
Израда ласерским писањем
Метода ласерског писања је релативно јефтинија и производи 3Д порозни графен у једном кораку смањујући технику смањења велике површине. У овој методи прво се танак слој графена наноси на шаблон, а затим комерцијални ласер зрачи слој графенског оксида. Када ласерско светло пада на графен оксид, ствара порозни проводни материјал у области изложености.
Као резултат, површина за јоне електролита се повећава и садржај кисеоника је значајно смањен. Као иу претходној методи, неки адитиви се могу користити у директном ласерском писању, односно супстрат може бити мешавина графен оксида и полимера или супстрат може бити и само полимер. Ево слике која илуструје процес директног ласерског писања:
Перформансе суперкондензатора на бази графена
Графенски кондензатори имају ефикасан пренос електрона и јона, што резултира високим гравиметријским и волуметријским капацитетом. Штавише, они показују већу стабилност циклуса и већу енергетску способност.
За проучавање перформанси и понашања различитих уређаја за складиштење енергије користи се Рагоне дијаграм у коме се вредност специфичне енергије (Вх/Кг) приказује у односу на специфичну снагу (В/Кг). Графикон користи лог скалу за обе осе. И-оса мери специфичну енергију, која је количина енергије по јединици масе. Кс-оса мери густину снаге, која је стопа испоруке енергије по јединици масе.
Тачка у Рагоне дијаграму, дакле, другим речима даје количину времена током којег енергија (по јединици масе) на и-оси може бити испоручена у снази (по јединици масе) на к-оси, и то време ( у сату) је дат као однос између густине енергије и снаге. Након тога, изо-криве (константно време испоруке) у Рагоне дијаграму су праве линије са јединичним нагибом. Рагоне дијаграм испод показује специфичну енергију (Вх/Кг) у односу на специфичну снагу (В/Кг) за различите уређаје за складиштење енергије:
Закључак
Графенски кондензатор је врста суперкапцајатора који има електроде направљене од графена који долази од графита. Графен обезбеђује велику површину електролита што резултира повећањем капацитивности и такође има мало време пуњења. Штавише, постоје различите технике за прављење графенских електрода, две од њих су: графен пена и директно ласерско писање.