קבל-על של גרפן

קבלים הם בעיקר התקני אחסון טעונים, אך בהשוואה לסוללות, יש להם די פחות קיבולת לאחסון טעינה. עם זאת, אורך החיים שלהם גבוה בהרבה מהסוללות, העיקרון הבסיסי לעבודה של קבלים זהה למרות שהם מחולקים לקטגוריות שונות על סמך המבנה הפנימי שלהם. קבל הגרפן הוא סוג של קבלי על שיש לו שכבות של גרפן המספקות תנועה הרבה יותר חופשית של האלקטרונים ומאפשרות פיזור חום בצורה יעילה.

מתווה:

• מהם קבלי-על?
• עבודה של קבלי-על
• קבל סופר גרפן
• אלקטרודות מבוססות גרפן בקבלי-על
• ייצור בכתיבת לייזר
• ייצור על ידי קצף גרפן
• קבלי-על מבוססי גרפן ביצועים
• סיכום

מהם קבלי-על?

כדי להבין את קבלי הגרפן, יש צורך בידע על קבלי העל שכן קבלי הגרפן גם הם תחת הקטגוריה של קבלי על. שלא כמו הקבלים הכלליים, קבלי הערב הם בעלי מבנה פנימי שונה, המשפיע גם על תכונותיהם. לקבל העל יש אלקטרוליטים המופרדים על ידי תווך בידוד ויש להם אלקטרודות פחמן פעיל שנמצאות במגע עם האלקטרוליט. האלקטרוליט הוא בעיקר חומצה גופרתית או תחמוצת אשלגן, והמפריד הוא בדרך כלל קפטון:

עבודה של קבלי-על

כאשר קבל-על אינו מחובר לשום מקור כוח, המטענים ללא קשר לקוטביות שלהם מפוזרים על פני האלקטרוליט, כאשר מקור הכוח מחובר לעברו הזרם מתחיל לזרום מהקבל, וכשהאנודה מקבלת את המטען החיובי כל היונים השליליים באלקטרוליט נוטים לנוע לעבר אלקטרודת האנודה. ואילו הקתודה נעשית מטען שלילי וכל היונים החיוביים נעים לעבר הקתודה:

כוח המשיכה הזה בין האלקטרודה לאלקטרוליט הוא הכוח האלקטרוסטטי ומשיכה זו של יונים לאלקטרודות גורמת להיווצרות השכבה הכפולה החשמלית. שכבה זו אחראית על אחסון מטענים ובשל היווצרותה של שכבה זו נקראים קבלי-על גם קבלים דו-שכבתיים חשמליים.

כך נטען קבל העל וכאשר כל עומס מחובר על פני הטרמינלים של קבל העל המטען על האלקטרודות מתחיל לזרום מהעומס. כך שתי האלקטרודות מתחילות לאבד מטען כי הן אינן מסוגלות למשוך את המטענים וכתוצאה מכך כאשר כל המטענים עוזבים את האלקטרודות הקבל נפרק.

אז עכשיו היונים שוב מפוזרים על פני האלקטרוליטים, וכך עובד קבל-על פשוט.

קבל סופר גרפן

הגרפן מגיע מגרפיט שנמצא בעיקר בתוך עפרונות והוא אלקטרודה של פחמן בעלת אותו מספר אטומים, אך אלה מסודרים אחרת. בניגוד לגרפיט, לגרפן שכבה דו מימדית בעלת אטום בודד המסודרת בצורת חלת דבש משושה. מבנה זה מאפשר לאטומים ליצור קשרים קוולנטיים חזקים המעניקים לו חוזק מתיחה גבוה יותר וגמישות גבוהה. בשל תכונות אלו, הגרפן מאפשר לאלקטרונים לנוע בחופשיות ובעל מוליכות חשמלית גבוהה יותר.

מכיוון שלקבלי העל יש מרחקים קצרים יותר בין הלוחות המאפשרים להם לאחסן יותר מטען סטטי, לגרפן יש שכבה דקה מאוד בגודל אטום בהשוואה לשכבת האלומיניום. לפיכך, לקבל הגרפן יש הרבה יותר שטח פנים, מה שמאפשר לו לאגור יותר אנרגיה בהשוואה לקבלי-על אחרים.

אלקטרודות מבוססות גרפן בקבלי-על

גרפן כפי שהוזכר לעיל מספק שטח פנים גדול יותר אשר משפר את קיבולת הקבל לאחסון מטען. טכניקות שונות משמשות לייצור אלקטרודות באמצעות גרפן ושתיים מהן הן:

• ייצור על ידי קצף גרפן
• ייצור בכתיבת לייזר

ייצור על ידי Graphene Foam

אלקטרודת הגרפן שנוצרה באמצעות קצף הגרפן מספקת מוליכות גבוהה יותר, אלקטרודות קלות משקל וגמישות אשר ניתן להאריך את שטחן עד כמה ס'מ ² והגובה עד כמה מילימטרים. קצף הגרפן נוצר על ידי טכניקת שקיעת אדים כימית על ידי גידולו על קצף ניקל או נחושת. כאשר קצף גרפן נוצר על קצף נחושת הוא מייצר שכבת גרפן איכותית, אך המבנה יכול לקרוס בקלות כאשר תומך המתכת מוסר. עם זאת, ניתן להשתמש בקצף ניקל במקום זאת ליצירת שכבת גרפן רב-שכבתית שניתן למשוך אותה בזהירות מתמיכת המתכת ללא כל נזק. יתרה מכך, תחמוצת גרפן מופחתת יכולה להיווצר גם באמצעות קצף ניקל באמצעות סינתזה כימית זו. תוספים מסוימים משמשים עם גרפן המסייעים בהשגת צפיפות הספק גבוהה ומספקים נתיבים קצרים יותר לאלקטרונים ויונים ובכך מגבירים את מהירות המטענים. תוספים אלו יכולים להיות תחמוצות מתכת, פולימרים מוליכים והידרוקסידי מתכת, אשר הופכים את ייצור האלקטרודות המבוססות על גרפן ליוקר פחות.

התמונה לעיל ממחישה את תהליך יצירת שכבת הגרפן בשיטת השקיעה הכימית.

ייצור על ידי כתיבה בלייזר

שיטת כתיבת הלייזר היא זולה יחסית ומייצרת גרפן נקבובי בתלת מימד בצעד אחד על ידי הפחתת טכניקת הפחתת השטח הגדול. בשיטה זו תחילה מונחת שכבה דקה של גרפן על התבנית, ולאחר מכן הלייזר המסחרי מקרין את שכבת תחמוצת הגרפן. כאשר אור לייזר נופל על תחמוצת הגרפן הוא יוצר חומר מוליך נקבובי באזור החשיפה.

כתוצאה מכך, שטח הפנים של יוני האלקטרוליט גדל ותכולת החמצן מופחתת במידה ניכרת. כמו בשיטה הקודמת, ניתן להשתמש בתוספים מסוימים בכתיבה ישירה בלייזר, כלומר המצע יכול להיות תערובת של תחמוצת גרפן ופולימר או שהמצע יכול להיות רק פולימר. הנה תמונה הממחישה את תהליך הכתיבה בלייזר ישירה:

קבלי-על מבוססי גרפן ביצועים

קבלי הגרפן הם בעלי העברת אלקטרונים ויונים יעילה, מה שמביא לקיבולת גרבימטרית ונפחית גבוהה. יתר על כן, הם מציגים יציבות קצב מחזור גבוהה יותר ויכולת אנרגיה גבוהה יותר.

כדי לחקור את הביצועים וההתנהגות של מכשירים שונים לאגירת אנרגיה, נעשה שימוש בחלקת Ragone שבה הערך של אנרגיה ספציפית (Wh/Kg) מסומן כנגד הספק ספציפי (W/Kg). הגרף משתמש בסולם יומן עבור שני הצירים. ציר ה-y מודד את האנרגיה הספציפית, שהיא כמות האנרגיה ליחידת מסה. ציר ה-x מודד את צפיפות ההספק, שהיא קצב אספקת האנרגיה ליחידת מסה.

נקודה בתרשים רגון, אם כן, במילים אחרות נותנת את משך הזמן שבמהלכו ניתן לספק את האנרגיה (ליחידת מסה) על ציר ה-y בהספק (ליחידת מסה) על ציר ה-x, והזמן הזה ( בשעה) ניתן כיחס בין האנרגיה לצפיפות ההספק. לאחר מכן, עקומות האיזו (זמן אספקה ​​קבוע) בעלילת Ragone הם קווים ישרים עם שיפוע אחדות. עלילת Ragone להלן מציגה את האנרגיה הספציפית (Wh/Kg) לעומת הספק ספציפי (W/Kg) עבור מכשירים שונים לאגירת אנרגיה:

סיכום

קבל הגרפן הוא סוג של קבל-על שיש לו אלקטרודות העשויות מגרפן שמקורו בגרפיט. גרפן מספק שטח פנים גדול לאלקטרוליט מה שגורם להגדלת הקיבול וגם בעל זמן טעינה קטן. יתרה מכך, קיימות טכניקות שונות ליצירת אלקטרודות גרפן, שתיים מהן הן: קצף גרפן וכתיבת לייזר ישירה.