بسترهای مورد استفاده در ابرخازن های انعطاف پذیر

در طول چند سال گذشته، ما شاهد یک تحول اساسی در دستگاه‌های الکترونیکی بوده‌ایم که در آن یکی از رویکردهای اصلی افزایش قابلیت حمل و نقل این نجهیزات بوده است. با توجه به رواج ابزارهای الکترونیکی قابل حمل تجاری، مانند لوازم الکترونیکی پوشیدنی یا تاشو، کاغذ الکترونیکی، دستگاه های الکترونیکی سیار، و محصولات هوشمند، دنیای مدرن به شدت نیازمند دستگاه های ذخیره انرژی انعطاف پذیر، ارزان، سبک وزن و سازگار با محیط زیست است.

به طور معمول، در ابرخازن های انعطاف پذیر الکترودها باید رسانایی بالایی داشته باشند و علاوه بر انعطاف پذیری مورد نیاز، مساحت سطح بالایی نیز داشته باشند.

امروزه، استراتژی‌های مختلفی به‌ویژه برای طراحی الکترودهای انعطاف‌پذیر برای ابرخازن های انعطاف پذیر توسعه یافته‌اند، مانند (1) ساخت فیلم‌های Free-Standing قابل انعطاف از مواد فعال. (2) بارگذاری مواد فعال بر روی بسترهای انعطاف پذیر. در میان این استراتژی ها، استفاده از بسترهای انعطاف پذیر به عنوان پشتیبان برای مواد فعال به دلیل هزینه کم، انعطاف پذیری بالا و سطوح صاف، توجه زیادی را به خود جلب می کند. بنابراین، بسترهای جدید برای بارگذاری مواد شبه خازنی انتظار می‌رود که ظرفیت و انعطاف‌پذیری بالایی داشته باشند و در عین حال ارزان و سازگار با محیط زیست باشند.

شرکت های تولید کننده اصلی ابرخازن در دنیا شرکت های AVX، SPEL Technologies ، Tesla، Nippon Chemi-Con، Skeleton Technologies، CAP-XX، LS Mtron، Ioxus Inc، Evans Capacitor، KORCHIP Corporation و پاناسونیک هستند.

اکثر این شرکت ها ابرخازن هایی بر اساس الکترودهای کربنی با الکترولیت های آلی و بسترهای آلومینیومی تولید می کنند. مطالعات تحقیقاتی قبلی روی ابرخازن‌هایی با چنین پیکربندی نشان داده‌اند که پس از تعداد معینی از چرخه‌های شارژ-دشارژ، لایه کربن اغلب از بسترهای فلزی صاف جدا می‌شود و در نتیجه عملکرد الکتروشیمیایی ضعیفی دارد. به منظور جلوگیری از اثر لایه برداری لایه کربن از بسترهای آلومینیومی، اخیراً تولید کنندگان شروع به استفاده از بسترهای اصلاح شده مانند فویل آلومینیومی اچ شده و فویل آلومینیوم با پوشش کربن به جای فویل های صاف کرده اند.

بسترها (Substrates) یا جمع کننده های جریان (Current Collectors) نقش بسیار مهمی در عملکرد یک دستگاه ذخیره انرژی دارند. نوع ابرخازن‌، طراحی مواد و نوع و ویژگی‌های سطح بسترها می‌تواند منجر به تغییرات قابل‌توجهی در چگالی انرژی، توان خروجی، رفتار شارژ-دشارژ چرخه‌ای و سایر پارامترهای کلیدی عملکرد شود.

بستر ایده آل باید دارای رسانایی الکتریکی بالا، مقاومت الکتریکی اتصال پایین بین بستر و مواد الکتروفعال، پیوند پایدار و قوی با مواد الکترود فعال، سطح ویژه بالا، استحکام مکانیکی بالا، وزن کم، پایداری حرارتی بالا، الکتروشیمیایی بالا باشد. علاوه بر این جنبه های زیست محیطی و هزینه باید در نظر گرفته شود. تا به امروز بسترهای فلزی (فویل، فوم) و بسترهای بر اساس مواد کربنی به طور گسترده در ابرخازن ها استفاده شده است.

معیارهای کلی برای انتخاب بستر، صرف نظر از خواص ابرخازن، برای اطمینان از راندمان بالا و عملکرد پایدار آن به صورت زیر است:

• هدایت الکتریکی بالا: بسترها انتقال موثر الکترون ها به مدارهای خارجی را فراهم می کنند که به رسانایی الکتریکی آنها بستگی دارد. علاوه بر این، فرآیند شارژ/دشارژ ممکن است با تولید گرما در بستر دارای مقاومت الکتریکی همراه باشد. برای عملکرد یک ابرخازن، نه تنها رسانایی بستر مهم است، بلکه مقاومت الکتریکی در مرز بین بستر و لایه ماده الکتروفعال نیز مهم است. مقاومت الکتریکی به ویژه برای بسترهای فلزی ناچیز است. اصلاح فیزیکی و شیمیایی بستر و رسوب یک لایه میانی اضافی بین لایه الکتروفعال و بستر، راه حل های ممکن برای کاهش مقاومت الکتریکی در فصل مشترک بین بستر و لایه الکتروفعال است.
• پایداری الکتروشیمیایی: مقاومت ناکافی بستر در برابر واکنش هایی که در طی فرآیندهای شارژ و دشارژ رخ می دهد می تواند منجر به کاهش نامطلوب ویژگی های ابرخازن و کاهش عمر مفید ابرخازن ها شود. انتخاب بسترها و تغییرات آنها عمدتاً بسته به نوع الکترولیت و مواد الکترودی (و روش ادغام آن با بستر) انجام می شود.
• استحکام مکانیکی: یکی دیگر از پارامترهای مهم، استحکام مکانیکی است، زیرا پایداری اتصال بین مواد الکترودی و یکپارچگی آنها در هنگام شارژ و دشارژ حفظ می کند. بسترها نه تنها یک کانال انتقال بار بین لایه الکتروفعال و مدار خارجی هستند، بلکه یک بستر حامل نگهدارنده نیز هستند که خواص مکانیکی آن در تولید سل های ابرخازن و عملکرد سل در شرایط سخت بسیار مهم است.
• چگالی بهینه: یک عامل مهم در انتخاب بستر، نسبت جرم بهینه مواد الکتروفعال بارگذاری شده بر روی بستر به جرم خود بستر است، زیرا بسترها عمدتا یک جزء غیرفعال هستند و ظرفیت خازنی ندارند. با این حال، بسترها حدود 15-20٪ از وزن کل ابرخازن را تشکیل می دهند. افزایش نسبت جرم ماده الکتروفعال به جرم بستر منجر به کاهش جرم کل ابرخازن و در نتیجه افزایش چگالی انرژی ابرخازن می شود.
• قابلیت بازیابی و هزینه: انتخاب بستر به هزینه، در دسترس بودن و بازیافت احتمالی آن بستگی دارد. این عوامل نه تنها از نظر منافع تجاری بلکه به عنوان یک بازیافت سازگار با محیط زیست و خود ابرخازن ها اهمیت تعیین کننده ای دارند.

شکل 1 انواع بسترهای مورد استفاده در ابرخازن ها را نشان می دهد.

1- بسترهای کربنی: بسترهای فلزی به طور گسترده برای ساخت ابرخازن ها استفاده می شود. با این حال، آنها دارای تعدادی معایب قابل توجه همچون خوردگی، مقاومت سطحی بالا بین بستر فلزی و مواد الکتروفعال، چگالی انرژی وزنی کم کل سل و عدم امکان ایجاد ابرخازن های انعطاف پذیر هستند. از طرف دیگر، بر خلاف بسترهای فلزی استفاده از مواد کربنی به عنوان بستر، نه تنها به دست آوردن ابرخازن های انعطاف پذیر بلکه کاهش مقاومت سطحی بین ماده الکتروفعال و بستر را نیز ممکن می سازد.

بسترهای کربنی مخصوصا در ابرخازن های با الکترولیت اسیدی بهترین گزینه هستند. علاوه بر این برخی از بسترهای کربنی به دلیل مساحت سطحی مناسب توانایی ذخیره بار الکتریکی را دارند که در نهایت به افزایش ظرفیت خازنی سل کمک می کنند.

از بسترهای کربنی پرکاربرد می توان به نمد کربنی (Carbon Felt)، پارچه کربنی (Carbon Cloth)، کربن پیپر، صفحه گرافیت، فیبر کربنی (Carbon Fiber)، گرافن ائروژل، نانو لوله کربنی و … اشاره کرد. در جدول زیر برخی از کاربردهای بسترهای کربنی لیست شده است.

2- بسترهای فلزی: بسترهای فلزی بر خلاف مواد کربنی و پلیمری به دلیل رسانایی بالا و هزینه کم توجه خاصی را به خود جلب می کنند. در عین حال، استحکام مکانیکی و انعطاف پذیری مناسبی را فراهم می کنند. با این حال، همانطور که در بالا ذکر شد، یکی از عوامل اصلی محدود کننده استفاده از آنها، خوردگی بسترهای فلزی در یک الکترولیت بر پایه آب است. در عین حال، پیشرفت‌های اخیر در زمینه ابرخازن‌ها عمدتاً با الکترولیت‌های آبی مرتبط است که در مقایسه با انواع دیگر (الکترولیت‌های آلی، مایعات یونی و الکترولیت‌های آب در نمک) امکان دستیابی به مقادیر بالای چگالی توان تا 10 کیلو وات بر کیلوگرم را فراهم می کنند.

منابع علمی موجود برای حل این مشکل، روش هایی مبتنی بر استفاده از فلزات گران قیمت مقاوم در برابر خوردگی (پلاتین، تیتانیوم، فولاد ضد زنگ)، کامپوزیت های رسانا بر اساس فلزات و مواد کربنی و اصلاح بستر فلزی با عملیات فیزیکی و شیمیایی (تابش لیزر، رسوب شیمیایی و الکتروشیمیایی) را پیشنهاد می دهند.

برای مثال فویل آلومینیومی با پوشش کربن می تواند پایداری الکتروشیمیایی طولانی مدت را روی یک پلت فرم با ولتاژ بالاتر از آلومینیوم خالص حفظ کند، می تواند در برابر غوطه ور شدن طولانی مدت در الکترولیت مقاومت کند، می تواند رسانایی عالی را ارائه دهد، می تواند استرس ایجاد شده در طول چرخه های طولانی مدت شارژ-دشارژ را تحمل کند. در جدول زیر برخی از کاربردهای بسترهای فلزی لیست شده است.

فوم های فلزی همچون فوم نیکل و فوم مس بهترین گزینه برای ابرخازن های بر پایه الکترولیت های غیر اسیدی به دلایل هدایت الکتریکی بالا، استحکام مکانیکی مناسب، مساحت سطحی بالا و همچنین تثبیت عالی مواد الکتروفعال روی این بسترها، هستند. علاوه بر این به دلیل انعطاف پذیری عالی این بسترها، گزینه مناسب برای استفاده در ابرخازن های انعطاف پذیر هستند.

برای ابرخازن های بر پایه الکترولیت های اسیدی بسترهای کربنی همچون نمد کربنی (Carbon Felt)، پارچه کربنی (Carbon Cloth)، کربن پیپر، صفحه گرافیت، فیبر کربنی (Carbon Fiber) و بسترهای فلزی مقاوم در محیط اسیدی همچون پلاتین، تیتانیوم، فویل استیل ضد زنگ و توری استیل بهترین گزینه هستند.

برای ابرخازن های بر پایه الکترولیت های آلی و مایع یونی بستر های فویل آلومینیومی اچ شده و فویل آلومینیومی با پوشش کربن بهترین گزینه هستند.