A kondenzátorok elsősorban töltéstároló eszközök, de az akkumulátorokhoz képest jóval kisebb kapacitásuk van a töltés tárolására. Élettartamuk azonban jóval magasabb, mint az akkumulátoroké, a kondenzátorok működésének alapelve ugyanaz, annak ellenére, hogy belső felépítésük alapján különböző kategóriákba sorolják őket. A grafén kondenzátor egy olyan szuperkondenzátor, amely grafénrétegekkel rendelkezik, amelyek sokkal szabadabb elektronmozgást biztosítanak, és hatékony módon teszik lehetővé a hőelvezetést.
Vázlat:
- Mik azok a szuperkondenzátorok?
- Szuperkondenzátorok működése
- Grafén szuperkondenzátor
- Grafén alapú elektródák szuperkondenzátorokban
- Grafén alapú szuperkondenzátorok Teljesítmény
- Következtetés
Mik azok a szuperkondenzátorok?
A grafén kondenzátor megértéséhez ismeretek szükségesek a szuperkondenzátorokról, mivel a grafén kondenzátor is a szuperkondenzátorok kategóriájába tartozik. Az általános kondenzátoroktól eltérően a supper kondenzátorok eltérő belső felépítésűek, ami szintén befolyásolja tulajdonságaikat. A szuperkondenzátor elektrolitokat tartalmaz, amelyeket szigetelő közeg választ el, és aktív szén elektródák vannak, amelyek érintkeznek az elektrolittal. Az elektrolit főként kénsav vagy kálium-oxid, a szeparátor általában Kapton:
Szuperkondenzátorok működése
Ha a szuperkondenzátor nincs csatlakoztatva semmilyen áramforráshoz, a töltések polaritásuktól függetlenül szétszóródnak az elektroliton, amikor az áramforrást rákapcsolják, a kondenzátorból áram kezd folyni, és ahogy az anód pozitív töltést kap, az összes az elektrolitban lévő negatív ionok hajlamosak az anódelektróda felé mozogni. Míg a katód negatív töltésű lesz, és az összes pozitív ion a katód felé mozog:
Ez az elektróda és az elektrolit közötti vonzóerő az elektrosztatikus erő, és az ionoknak az elektródákhoz való vonzódása az elektromos kettős réteg kialakulását okozza. Ez a réteg felelős a töltések tárolásáért, és ennek a rétegnek a kialakulása miatt a szuperkondenzátorokat elektromos kétrétegű kondenzátoroknak is nevezik.
Így töltődik fel a szuperkondenzátor, és amikor a szuperkondenzátor kapcsaira bármilyen terhelést csatlakoztatunk, az elektródák töltése elkezd folyni a terhelésből. Ezáltal mindkét elektróda kezd elveszíteni a töltést, mert nem tudják vonzani a töltéseket, és ennek eredményeként, amikor az összes töltés elhagyja az elektródákat, a kondenzátor lemerül.
Így most az ionok ismét szétszóródnak az elektrolitokon, és így működik egy egyszerű szuperkondenzátor.
Grafén szuperkondenzátor
A grafén grafitból származik, amely többnyire ceruzák belsejében található, és egy szénelektróda, amelynek azonos számú atomja van, de ezek eltérően vannak elrendezve. A grafittal ellentétben a grafén kétdimenziós egyatomos réteggel rendelkezik, amely hatszögletű méhsejt alakban van elrendezve. Ez a szerkezet lehetővé teszi, hogy az atomok erős kovalens kötéseket hozzanak létre, ami nagyobb szakítószilárdságot és nagy rugalmasságot biztosít. Ezeknek a tulajdonságoknak köszönhetően a grafén lehetővé teszi az elektronok szabad mozgását és nagyobb elektromos vezetőképességét.
Mivel a szuperkondenzátorok lemezei között rövidebb a távolság, ami lehetővé teszi több statikus töltés tárolását, a grafén nagyon vékony réteggel rendelkezik, amely akkora, mint egy atom az alumíniumréteghez képest. Így a grafén kondenzátor lényegesen nagyobb felülettel rendelkezik, ami lehetővé teszi több energia tárolását a többi szuperkondenzátorhoz képest.
Grafén alapú elektródák szuperkondenzátorokban
A fent említett grafén nagyobb felületet biztosít, ami növeli a kondenzátor kapacitását a töltés tárolására. Különféle technikákat használnak az elektródák grafén felhasználásával történő előállításához, ezek közül kettő:
Gyártás grafén habbal
A grafénhab felhasználásával létrehozott grafén elektróda nagyobb vezetőképességű, könnyű és rugalmas elektródákat biztosít, amelyek területe akár több cm-re is meghosszabbítható 2 magassága pedig akár több milliméter is lehet. A grafénhabot kémiai gőzleválasztásos technikával hozzuk létre, nikkel- vagy rézhabon növesztve. Ha grafénhabot hoznak létre rézhabon, az kiváló minőségű grafénréteget hoz létre, de a szerkezet könnyen összeomolhat, ha a fémtartót eltávolítják. Ehelyett azonban nikkelhab használható többrétegű grafénréteg létrehozására, amely gondosan, sérülés nélkül lehúzható a fémtartóról. Ezen túlmenően redukált grafén-oxid is előállítható nikkelhab segítségével ezzel a kémiai szintézissel. Egyes adalékanyagokat használnak a grafénhez, amelyek elősegítik a nagy teljesítménysűrűség elérését, és rövidebb utat biztosítanak az elektronok és ionok számára, ezáltal növelve a töltések sebességét. Ezek az adalékok lehetnek fémoxidok, vezetőképes polimerek és fém-hidroxidok, amelyek kevésbé költségessé teszik a grafén alapú elektródák előállítását.
A fenti kép a grafénréteg kialakításának folyamatát szemlélteti kémiai gőzleválasztásos módszerrel.
Előállítás lézeres írással
A lézeres írási módszer viszonylag olcsóbb, és egyetlen lépésben 3D-s porózus grafént állít elő a nagy területcsökkentési technika csökkentésével. Ennél a módszernél először egy vékony grafénréteget visznek fel a sablonra, majd a kereskedelmi forgalomban kapható lézer besugározza a grafén-oxid réteget. Amikor lézerfény éri a grafén-oxidot, porózus vezető anyagot hoz létre az expozíciós területen.
Ennek eredményeként megnő az elektrolit ionok felülete, és jelentősen csökken az oxigéntartalom. Az előző módszerhez hasonlóan a közvetlen lézeres írásban is használhatók bizonyos adalékanyagok, azaz a szubsztrátum lehet grafén-oxid és polimer keveréke, vagy a szubsztrát lehet csak polimer is. Íme egy kép, amely a közvetlen lézeres írás folyamatát illusztrálja:
Grafén alapú szuperkondenzátorok Teljesítmény
A grafén kondenzátorok hatékony elektron- és iontranszferrel rendelkeznek, ami nagy gravimetriai és térfogati kapacitást eredményez. Ezenkívül nagyobb ciklussebesség-stabilitást és nagyobb energiakapacitást mutatnak.
A különféle energiatároló eszközök teljesítményének és viselkedésének tanulmányozására egy Ragone-diagramot használnak, amelyen a fajlagos energia értékét (Wh/Kg) ábrázolják a fajlagos teljesítmény (W/Kg) függvényében. A grafikon mindkét tengelyhez log skálát használ. Az y tengely a fajlagos energiát méri, ami az egységnyi tömegre jutó energia mennyisége. Az x tengely a teljesítménysűrűséget méri, ami az egységnyi tömegre jutó energiaszállítás sebessége.
A Ragone-görbe egy pontja tehát azt az időtartamot adja meg, amely alatt az y tengelyen lévő energia (tömegegységenként) leadható az x tengelyen lévő teljesítményben (tömegegységenként), és ez az idő ( egy óra alatt) az energia és a teljesítménysűrűség arányaként adjuk meg. Ezt követően az izo-görbék (állandó szállítási idő) egy Ragone-parcellában egységes meredekségű egyenesek. Az alábbi Ragone diagram a fajlagos energiát (Wh/Kg) és a fajlagos teljesítményt (W/Kg) mutatja különböző energiatároló eszközökhöz:
Következtetés
A grafén kondenzátor egy olyan szuperkondenzátor, amely grafitból származó grafénből készült elektródákkal rendelkezik. A grafén nagy felületet biztosít az elektrolitnak, ami növeli a kapacitást, és rövid a töltési ideje is. Sőt, különféle technikák léteznek grafénelektródák létrehozására, ezek közül kettő: grafénhab és közvetlen lézeres írás.