امروزه، گوشی های هوشمند و ابزارهای قابل حمل دیگر به جزئی از زندگی انسان ها تبدیل شده اند. عموم جامعه به سرعت پیشرفت در تکنولوژی موبایل از چند دهه ی اخیر عادت کرده اند. برای مثال، کارهایی که شما امروز می توانید با گوشی موبایلی که در جیبتان می گذارید انجام دهید، چند دهه ی پیش با کامپیوترهای حجیم نمی توانستند انجام دهند.
این پیشرفت ها به دلیل افزایش قدرت پردازش کامپیوترها حاصل شده است،تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه با مساحت ثابت هر دوسال، به طور تقریبی دوبرابر می شود. این الگو به قانون مور معروف است و بعد از گردن مور،موسس اینتل به این نام خوانده شد. در چند دهه ی اخیر، سازندگان چیپ ها می توانستند سرعت ریزپردازنده هایشان را با کاهش اندازه ی ترانزیستورها و قرار دادن تعداد بیشتری از آنها در یک چیپ افزایش دهند. این تعداد از 1000 ترانزیستور در اوایل 1970 به تقریبا 4 بیلیون ترانزیستور در همان مساحت رسیده است(شکل 1). این روند نشان می دهد که چرا ما رفته رفته وسائل الکترونیکی کوچکتر و به صرفه تری در اختیار داریم. اما یک زمینه از این روند کوچک سازی عقب مانده که آن واحد ذخیره سازی انرژی مانند باتری و ابرخازن است.
باتری ها قریب به 200 سال است که تعداد زیادی از وسایل الکترونیکی مصرفی مانند تلفن همراه و وسایل حمل ونقل را تامین انرژی می کنند. به هر حال، سرعت کند رشد این تکنولوژی پیشرفت های دیگر تکنولوژی ها را به عقب می راند. شکل 1 روند مینیاتوری شدن پرکاربردترین باتری های قابل شارژ را نشان می دهد. دانسیته ی انرژی Ni-Cd و Ni-MH در چند سال اخیر اشباع شده است، بدین معنی که آنها به ظرفیت تئوری خود رسیده اند. دانسیته ی انرژی باتری های لیتیمی که برای موبایل ها ترجیح داده شده است، در طی 10 سال اخیر دوبرابر شده است و به زودی به ظرفیت تئوری خواهند رسید. درواقع؛ اگر باتری ها با همان سرعتی که ترانزیستورها بهبود یافتند،ارتقا می یافتند، یک باتری ماشین سنگین می بایست اندازه ی یک سلول خون می شد( شکل 1). اما متاسفانه قانون مور برای باتری ها صادق نیست. در حقیقت، با توجه کردن به ابزارهای الکترونیکی می توان فهمید که واحدهای ذخیره ی انرژی حجیم ترین اجزای آنها هستند، به عنوان مثال خازن های مادربورد کامپیوتر را در اواسط 2000 با باتری گوشی آیفون در شکل 1 مشاهده کنید.
در سالهای اخیر، پیشرفت های بزرگی در سیستم های پزشکی قابل کاشت صورت گرفته مانند دستگاه تنظیم کننده ی ضربان قلب. با این وجود، استفاده از این ابزارها محدود ماند چون شامل یک منبع تغذیه ی حجیم بود. علاوه بر این، سرعت رشد زیاد ابزارهای الکترونیکی کوچک مانند حافظه ی پاک نشدنی، میکرو سنسورها و عملگرها، سمعک ها،سیستم شناسایی با فرکانس رادیویی(RFID tag) و سیستم های میکرو-الکتروشیمیایی نیاز به منابع تغذیه ی قابل شارژ با اندازه ی مناسب را واجب تر کرده اند. کاهش اندازه و بهبود توانایی میکروسیستم ها توسط خواص ویژه و وزنی،و اندازه ی واقعی منابع تغذیه محدود شده است. منابع تغذیه اغلب نسبت به اجزای دیگر سیستم 10برابر سنگین تر هستند.
ابرخازنهای انعطاف پذیر
به منظور پاسخگویی به تقاضای رو به رشد برای ادوات الکترونیکی قابل حمل از جمله تلفن های همراه، پوشاک الکترونیکی و صفحات نمایشگر قابل جمع شدن و خم شدن و کاغذهای الکترونیک قابل حمل، توسعه منابع انرژی قابل اعتماد با عملکرد بالا، انعطاف پذیری عالی، وزن کم و ایمن ضروری است. هر چند، مطالعات گذشته در ابتدا بر ابرخازن های حالت مایع با محلول آبی، محلول آلی یا مایعات یونی به عنوان الکترولیت متمرکز شدند، اما این ابرخازن ها دو ایراد دارند که کاربرد آن ها را برای ادوات الکترونیکی قابل حمل محدود می کند.
مشکل اول: ساخت این ادوات برای جلوگیری از نشت احتمالی الکترولیت ها، نیاز به مواد و تکنیک های بسته بندی گرانقیمتی دارند زیرا اکثر الکترولیت ها بسیار سمی و خورنده هستند. مشکل دوم: به دلیل مسئله بسته بندی، مشکل بودن ساخت ابرخازن های انعطاف پذیر و کوچک با استفاده از الکترولیت های مایع می باشد. ابرخازن های حالت جامد انعطاف پذیر به عنوان دسته جدیدی از ادوات ذخیره انرژی ظهور پیدا کردند و توجهات فراوانی را در سال های اخیر جلب کرده اند. در مقایسه با ابرخازن های متداول، ابرخازن های حالت جامد انعطاف پذیر، چندین مزیت مهم دارند، شامل اندازه کوچک، سهولت حمل و نقل، قابلیت اعتماد بالا و محدوده وسیعتری از دماهای عملکردی. آن ها در ادوات ذخیره انرژی برای لوازم انعطاف پذیر و پوشیدنی های الکترونیکی بسیار نوید بخش هستند.
در شکل 2 ابرخازن های حالت جامد انعطاف پذیر بر پایه نانو مواد کربنی که اخیرا توسعه یافته اند، مشاهده می شود.
پیکر بندی ابرخازن های حالت جامد با ساختار مسطح انعطاف پذیر
ابرخازن های حالت جامد انعطاف پذیر، بطور کلی شامل الکترودهای انعطاف پذیر، الکترولیت حالت جامد، یک جداکننده و مواد بسته بندی قابل انعطاف هستند (شکل 3). تفاوت بزرگ بین ابرخازن های حالت جامد و ابرخازن های متداول اینست که در ابرخازن های حالت جامد انعطاف پذیر، الکترولیت و الکترود نیاز به انعطاف پذیری معینی دارند و الکترولیت باید حالت جامد باشد. تلاش های چندی به ساخت الکترودهای انعطاف پذیر اختصاص داده شد. برای مثال، مواد بر پایه کربن، به دلیل رسانایی الکتریکی خوب، پایداری چرخه عالی، دانسیته توان بالا و خواص مکانیکی چشمگیر، بطور گسترده ای برای الکترودهای انعطاف پذیر بررسی شدند.
الکترولیت حالت جامد یک جزء اساسی دیگر است که می تواند بطور قابل توجهی سرعت پذیری و پایداری ابرخازن ها را تحت تاثیر قرار دهد. در میان انواع مختلف الکترولیت های حالت جامد، الکترولیت های ژل پلیمری به دلیل رسانایی یونی نسبتا بالایی که دارند، بطور گسترده ای در ابرخازن های حالت جامد به کار رفته اند. . برخلاف ابرخازن های متداول با الکترولیت های مایع، ژل الکترولیتهای حالت جامد به کار رفته در ابرخازن های انعطاف پذیر، هم به عنوان الکترولیت و هم به عنوان جداکننده برای جلوگیری از جریان کوتاه و نشت شیمیایی عمل میکنند.پلاستیک های نرم و قابل خم شدن از جمله پلی اتیلن ترفتالات (PET) ، پلی دای متیل صفحات فلزی، کاغذها، پارچه کربنی، پارچه نخی و زیرلایه های ، (EVA) و فیلم اتیلن/ وینیل استات کوپلیمر (PDMS) سیلوکسان از جنس پارچه معمولا به عنوان زیر لایه به کار می روند.
ابرخازن های حالت جامد با ساختار مسطح انعطاف پذیر بر اساس زیر لایه به کار رفته به چهار دسته تقسیم بندی می شوند: 1) زیرلایه های پلاستیکی، 2) زیر لایه های کاغذی، 3) زیر لایه های بافت کربن، 4) زیر لایه های پارچه ای، که در ادامه هر یک از زیرلایه ها توضیح داده خواهند شد.
ابرخازن های انعطاف پذیر با استفاده از زیرلایه های پلاستیکی
هر چند زیرلایه های فلزی، رساناهای الکتریکی ایده الی هستند، آن ها از وزن بالا و انعطاف پذیری محدودی برخوردارند. وقتی ابرخازن ها برای سیستم های ذخیره انرژی کاربردی طراحی می شوند، ویژگی های دیگر ماده زیرلایه از جمله سبک بودن و نازک بودن به افزایش نهایی وزنی (حجمی) عملکرد کمک می کند. در این خصوص، پلاستیک های نازک، نرم و سبک بطور گسترده ای برای تهیه ابرخازن های انعطاف پذیر پذیرفته شدند. هرچند زیرلایه های پلاستیک عایق در اصل توسط مواد رسانا برای جمع آوری موثر الکترون اصلاح می شوند. برای مثال، لایه فلزی نشانده شده روی زیرلایه های پلی استر از جمله پلی اتیلن ترفتالات (PET) و پلی اتیلن نفتالات (PEN) در ابرخازن های انعطاف پذیر انتخاب شده اند.
ابرخازن های بر پایه کاغذ
زیرلایه های به شکل کاغذ توجه بسیاری را جلب نموده اند، زیرا آنها بسیار نازک، انعطاف پذیر و سبک هستند و این خصوصیات برای ادوات الکترونیکی قابل پوشیدن، تا شدن و انعطاف پذیر گرانبها هستند. بنابراین انواع مختلف کاغذها، کاغذهای کربنی، کاغذهای گرافنی و کاغذهای سلولزی می توانند در خازن ها به عنوان جمع کننده های جریان، جزء فعال یا جداکننده های نازک، سبک و ارزان نقش داشته باشند. بطور کلی، زیرلایه های به شکل کاغذ می توانند بر طبق منشاء رسانایی به دو نوع مختلف تقسیم شوند: 1) کاغذهای رسانا بر پایه کربن، 2) کاغذ بر پایه سلولز. اولی می تواند به عنوان جمع کننده جریان و یا جزء فعال به دلیل خواص ذاتی اش از جمله رسانایی خوب، سطح بزرگ و فعالیت الکتروشیمیایی، به کار رود. دومی می تواند به منظور بهبود رسانایی الکتریکی اصلاح شود یا تنها به عنوان جداکننده به کار رود. کاغذهای رسانا بر پایه کربن از جمله کاغذ کربن، کاغذ کربن فایبر (CF) ، کاغذ CNT و کاغذ گرافن خواص مطلوبی از جمله ساخت آسان، انعطاف پذیری عالی و وزن کم دارند.
ابرخازن های بر پایه بافت کربن
انعطاف پذیری ذاتی، پایداری شیمیایی و یک ساختار سه بعدی با تخلخل بالای بافت کربنی (یا پارچه)، آن را برای کاربرد در ابرخازنهای انعطاف پذیر مناسب ساخته است. بافت کربن فعال شده (ACFs) می توانند بطور مستقیم به عنوان الکترودها در ابرخازن ها به کار روند. برای بهبود ظرفیت، پوشش با مواد کربنی، اکسیدهای فلزی یا پلیمرهای رسانا یک راه موثر است. در سال 2001 از آغشته کردن پارچه کربنی با فرمالدهید رزورسینول برای ساخت سل زیرین ابرخازن به کار رفت. هرچند ظرفیت بالا نبود، این یک مطالعه قدیمی از کاربرد بافت کربنی در ابرخازن ها است. در سال 2009 ، مشاهده شد ابرخازن های بر پایه ACF می توانند دامنه وسیعی از دما را تحمل کنند (C° 100-40) و محدوده پنجره ولتاژ 2- تا 2+ ولت با استفاده از سیستم الکترولیت آلی بدست آمد. یکی از بهترین رویکردها برای اپتیمم کردن الکترود بافت کربن اصلاح سطح با فیلم های کربنی نانوساختار از جمله گرافن، CNT ها و GO ، به دلیل داشتن سطح بالا است.
ابرخازن از نوع پارچه ای
پارچه نخی یکی از فراگیرترین مواد در صنعت پارچه است و از الیاف طبیعی ساخته شده است. این الیاف ساختار پیچیده ای دارند با تخلخل بالا، مساحت سطح زیاد و گروه های عاملدار آبدوست. بنابراین، پارچه یک ماده ایده آل برای ابرخازن های انعطاف پذیر سبک و قابل پوشیدن است که باید برای استفاده در ابرخازن ها با مواد شبه ظرفیتی فعال یا مواد کربنی رسانا فرایند دهی شود.CNT ، کربن فعال متخلخل و GO مواد کربنی هستند که اغلب در ابرخازن ها پذیرفته شده اند. پارچه آغشته به جوهر SWCNT رسانایی بالا و مساحت سطح بالایی نشان داد. ظرفیت ویژه به 80-70 فاراد بر گرم رسید و افت ناچیزی پس از 35000 چرخه مشاهده شد. با تکنیک screen printing ابرخازن پارچه ای انعطاف پذیر با پوشش کربنی توسط نفوذ کربن متخلخل به داخل پارچه بافته شده ساخته شد. ساختار پیچیده پارچه می تواند توزیع ذرات کربنی را بهبود دهد و فاصله نفوذ یون ها می تواند کوتاهتر باشد. الکترودها به ظرفیت ویژه 85 فاراد بر گرم رسیدند و این وسیله % 8 کاهش در ظرفیت در 1000 چرخه نشان داد. ابرخازن انعطاف پذیر و قابل کشش از طریق پوشش SWCNT روی پارچه ی معمولی ساخته شد. پارچه رسانایی بالایی نشان داد و ظرفیت به بیش از 48/0 فاراد بر سانتی متر مربع رسید. جوهر GO با فرچه روی یک پارچه معمولی کشیده شد و پس از خشک شدن به عنوان ابرخازن به کار رفت. کامپوزیت پارچه- GO ساختار شبکه سه بعدی نشان داد که نفوذ سریع یون را تسریع می کند. ظرفیت ویژه برای کل سل به 7/81 فاراد بر گرم رسید. پارچه نخی عمدتا از الیاف سلولز تشکیل شده است و می تواند با عملیات حرارتی ساده بطور مستقیم به پارچه کربنیزه تبدیل شود. پارچه کربنیزه رسانایی بالایی دارد. دو تکه پارچه کربنیزه به عنوان الکترود ابرخازن به کار رفتند هرچند ظرفیت ویژه خیلی بالا نبود اما سرعت پذیری ابرخازن حتی پس از کامل تا شدن و رول شدن حفظ شد.
ابرخازن های فایبر
پیشرفت های سریع اخیر در کوچک کردن لوازم مصرف کننده الکتریکی از جمله پوست های هوشمند، سنسورهای ایمپلانت و ادوات قابل ارتجاع، نیاز به توسعه ادوات ذخیره انرژی قابل انعطاف با اندازه کوچک دارند. بنابراین خانواده جدیدی از ابرخازن ها، فایبر ابرخازن ها با فایبرهای یک بعدی (1D) به عنوان الکترود ظهور پیدا کرده اند. ابرخازن های فایبر به صورت سیم های 1D با قطر چند میکرومتر تا میلی متر می باشند و اندازه کوچک و وزن کمی دارند. به دلیل ساختار سیمی شکل بسیار انعطاف پذیر هستند و می توانند بصورت پارچه با قابلیت پوشیدن بافته شوند و یا به شکل نخ گره زده شوند.
سه نوع پیکربندی برای ابرخازن های فایبر بررسی شده است (شکل 4)، شامل دو فایبر موازی، دو فایبر تاب خورده و یک فایبر هم محور. همه ی این سه نوع پیکربندی از ساختار ساندویچ شده الکترود/جداکننده/الکترود به کار رفته در ابرخازن های متداول دو دو بعدی (2D) (شکل 4) مشتق شدهاند. شکل 4 نشان می دهد که این وسیله از دو فایبر موازی روی یک زیرلایه مسطح تشکیل شده است، در مقابل آرایش های تاب خورده و هم محور نیاز به زیرلایه مسطح ندارند.
ابرخازن های فایبر تاب خورده می توانند از تاب خوردن دو الکترود فایبر همراه با یک جداکننده یا الکترولیت حالت جامد بین آن ها تولید شوند، در دو مسئله مشترک در ابرخازن های متداول و ابرخازن های فایبر وجود دارد: اول اینکه آیا به جمع کننده جریان فلزی نیاز هست؟ سیم های فلزی با رسانایی بالا می توانند در ابرخازن های فایبر استفاده شوند و جایگزین صفحات فلزی در ابرخازن های متداول شوند. سیمهای فلزی سنگین هستند و بطور مستقیم در ذخیره انرژی شرکت نمی کنند و ممکن است دانسیته انرژی/ توان وزنی ابرخازن های فایبر را پایین تر بیاورند. از طرفی سیم های از جنس کربن با وزن کم، انعطاف پذیر و رسانا از جمله فایبرهای گرافن و فایبرهای کربن نانوتیوب (CNT) می توانند به عنوان جمع کننده جریان به جای سیم های فلزی به کار روند. به علاوه سیم های برپایه کربن می توانند همچنین به عنوان مواد فعال به کار روند و در EDLC شرکت کنند. مسئله دوم این است که آیا مواد شبه ظرفیتی از جمله اکسیدهای فلزی، هیدروکسیدهای فلزی و پلیمرهای رسانا به منظور افزایش ظرفیت و دانسیته انرژی می توانند در ابرخازن های فایبر استفاده شوند؟ افزایش در دانسیته انرژی با استفاده از مواد شبه ظرفیتی اغلب به خرج دانسیته توان پایین تر، سرعت پذیری پایین تر چرخه عمر کوتاهتر تمام می شود، بنابراین مهندسی نانومقیاس مواد شبه ظرفیت یک روش اصلی برای طراحی الکترودهای فایبر شده است. در این بخش ابتدا الکترودهای فایبر با سیم فلزی به عنوان جمع کننده جریان سپس الکترودهای فایبر بدون سیم فلزی توضیح داده می شوند.
