Kondensatorer är i första hand laddningslagringsenheter, men jämfört med batterierna har de ganska mindre kapacitet för lagring av laddning. Deras livslängd är dock mycket längre än batterierna, grundprincipen för funktion av kondensatorer är densamma trots att de är indelade i olika kategorier baserat på deras inre konstruktion. Grafenkondensatorn är en typ av superkondensator som har lager av grafen som ger en mycket friare rörelse av elektronerna och tillåter värmeavledning på ett effektivt sätt.
Skissera:
- Vad är superkondensatorer?
- Drift av superkondensatorer
- Grafen SuperCapacitor
- Grafenbaserade elektroder i superkondensatorer
- Grafenbaserade superkondensatorer Prestanda
- Slutsats
Vad är superkondensatorer?
För att förstå grafenkondensatorn är det nödvändigt att ha kunskap om superkondensatorerna då grafenkondensatorer också faller under kategorin superkondensatorer. Till skillnad från de allmänna kondensatorerna har kvällskondensatorerna en annan inre konstruktion, vilket också påverkar deras egenskaper. Superkondensatorn har elektrolyter som separeras av ett isoleringsmedium och har aktiverade kolelektroder som är i kontakt med elektrolyten. Elektrolyten är huvudsakligen svavelsyra eller kaliumoxid, och separatorn är vanligtvis Kapton:
Drift av superkondensatorer
När en superkondensator inte är ansluten till någon strömkälla, sprids laddningarna oavsett polaritet över elektrolyten, när strömkällan är ansluten över den börjar strömmen flyta från kondensatorn, och när anoden får den positiva laddningen hela tiden. de negativa jonerna i elektrolyten tenderar att röra sig mot anodelektroden. Medan katoden blir negativt laddad och alla positiva joner rör sig mot katoden:
Denna attraktionskraft mellan elektroden och elektrolyten är den elektrostatiska kraften och denna attraktion av joner till elektroderna orsakar bildandet av det elektriska dubbelskiktet. Detta skikt är ansvarigt för att lagra laddningar och på grund av bildandet av detta skikt kallas superkondensatorer även för elektriska dubbelskiktskondensatorer.
Så här laddas superkondensatorn och när någon belastning är ansluten över superkondensatorns terminaler börjar laddningen på elektroderna att flöda från belastningen. På detta sätt börjar båda elektroderna att tappa laddning eftersom de inte kan attrahera laddningarna och som ett resultat när alla laddningar lämnar elektroderna laddas kondensatorn ur.
Så nu är jonerna återigen utspridda över elektrolyterna, och det är så här en enkel superkondensator fungerar.
Grafen SuperCapacitor
Grafen kommer från grafit som mestadels finns inuti pennor och är en elektrod av kol med samma antal atomer, men dessa är ordnade på olika sätt. Till skillnad från grafit har grafen ett tvådimensionellt enatomslager arrangerat i en hexagonal bikakeform. Denna struktur gör att atomerna kan skapa starka kovalenta bindningar vilket ger den högre draghållfasthet och hög flexibilitet. På grund av dessa egenskaper tillåter grafen elektronerna att röra sig fritt och har högre elektrisk ledningsförmåga.
Eftersom superkondensatorerna har kortare avstånd mellan plattorna vilket gör att de kan lagra mer statisk laddning, har grafenen ett mycket tunt lager som är lika stort som en atom jämfört med aluminiumlagret. Sålunda har grafenkondensatorn betydligt större yta, vilket gör att den kan lagra mer energi jämfört med andra superkondensatorer.
Grafenbaserade elektroder i superkondensatorer
Grafen som nämnts ovan ger en större yta vilket förbättrar kapaciteten hos kondensatorn för att lagra laddning. Olika tekniker används för tillverkning av elektroder med grafen och två av dem är:
Tillverkning av Graphene Foam
Grafenelektroden skapad med grafenskummet ger högre ledningsförmåga, lätta och flexibla elektroder vars yta kan förlängas upp till flera cm 2 och höjden upp till flera millimeter. Grafenskummet skapas med kemisk ångavsättningsteknik genom att odla det på ett nickel- eller kopparskum. När ett grafenskum skapas på kopparskum produceras ett grafenskikt av hög kvalitet, men strukturen kan lätt kollapsa när metallstödet tas bort. Däremot kan ett nickelskum istället användas för att skapa ett flerlagers grafenlager som försiktigt kan dras från metallstödet utan några skador. Dessutom kan reducerad grafenoxid också bildas genom nickelskum med denna kemiska syntes. Vissa tillsatser används med grafen som hjälper till att uppnå hög effekttäthet och ger kortare vägar för elektronerna och jonerna, vilket ökar laddningshastigheten. Dessa tillsatser kan vara metalloxider, ledande polymerer och metallhydroxider, vilket gör tillverkningen av grafenbaserade elektroder billigare.
Bilden ovan illustrerar processen att bilda grafenskiktet med den kemiska ångavsättningsmetoden.
Tillverkning genom laserskrivning
Laserskrivmetoden är jämförelsevis billigare och producerar 3D-porös grafen i ett enda steg genom att reducera tekniken för reduktion av stora ytor. I denna metod avsätts först ett tunt lager grafen på mallen, och sedan bestrålar den kommersiella lasern grafenoxidlagret. När laserljus faller in på grafenoxiden skapar det poröst ledande material i exponeringsområdet.
Som ett resultat ökar ytan för elektrolytjonerna och syrehalten reduceras avsevärt. Som i den tidigare metoden kan vissa tillsatser användas i direkt laserskrivning, dvs substratet kan vara en blandning av grafenoxid och polymer eller så kan substratet bara vara polymer också. Här är en bild som illustrerar processen för direkt laserskrivning:
Grafenbaserade superkondensatorer Prestanda
Grafenkondensatorerna har en effektiv elektron- och jonöverföring, vilket resulterar i hög gravimetrisk och volymetrisk kapacitet. Dessutom uppvisar de en högre cykelhastighetsstabilitet och högre energikapacitet.
För att studera prestanda och beteende hos olika energilagringsenheter används en Ragone-plot där värdet av specifik energi (Wh/Kg) plottas mot specifik effekt (W/Kg). Grafen använder en loggskala för båda axlarna. Y-axeln mäter den specifika energin, vilket är mängden energi per massenhet. X-axeln mäter effekttätheten, vilket är hastigheten för energileverans per massenhet.
En punkt i Ragone-diagrammet ger alltså med andra ord den tid under vilken energin (per massenhet) på y-axeln kan levereras i kraften (per massenhet) på x-axeln, och den tiden ( på en timme) ges som förhållandet mellan energin och effekttätheterna. Därefter är iso-kurvorna (konstant leveranstid) i en Ragone-plot raka linjer med en enhetslutning. Ragone-diagrammet nedan visar den specifika energin (Wh/Kg) kontra specifik effekt (W/Kg) för olika energilagrande enheter:
Slutsats
Grafenkondensatorn är en typ av supercapcaitor som har elektroder gjorda av grafen som kommer från grafit. Grafen ger en stor yta till elektrolyten vilket resulterar i en ökning av kapacitansen och har även en liten laddningstid. Dessutom finns det olika tekniker för att skapa grafenelektroder, två av dem är: grafenskum och direkt laserskrivning.