راه های افزایش ظرفیت ابرخازن ها

ظرفیت یک ابرخازن یعنی قابلیت بهتر ذخیره سازی بار الکتریکی. به منظور افزایش مقدار ظرفیت ویژه (یا میزان ذخیره بار) در ابرخازن، مواد فعال الکترودی نقش بسزایی دارند و باید رفتار الکتروشیمیایی خوبی از خود نشان دهند. ذخیره بار و انرژی در ابرخازن­ ها می­ تواند شامل دو مکانیسم باشد: تشکیل لایه دوگانه از یون ­های جذب سطحی­ شده روی سطوح الکترودی با بار مخالف و دیگری مکانیسم شبه­ خازنی است که در آن واکنش­ های سریع الکتروشیمیایی در سطح ماده فعال الکتروشیمیایی مانند اکسیدهای منگنز رخ می ­دهد. به خاطر این­که رفتار خازنی و شبه خازنی در سطح ماده فعال رخ می ­دهد این پدیده با مکانیسم لایه دوگانه همراه می­ شود. در واقع مکانیسم ذخیر ه ­ی بار در ابرخازن­ ها، بار ذخیره شده تنها روی سطوح می باشد و برخلاف باتری­ ها، این امکان در سطح بودن واکنش ­ها توسط فرایند نفوذ زیاد محدود نمی­ شود و این باعث افزایش توان قابل دسترس برای ابرخازن­ ها می­ شود. به خاطر اینکه شارژ و دشارژ شدن ابرخازن­ ها با تغییر فاز ماده فعال و نفوذ همراه نیستند توان بالا، برگشت پذیری بالا و عمر چرخه­ ای بالاتری را برای ابرخازن­ ها به ارمغان می­ آورد.

از آنجایی که پدیده ­های ذخیره انرژی در ابرخازن­ ها پدیده ­های مهم سطحی هستند پس یکی از عوامل مهمی که بر میزان ظرفیت تاثیر دارند افزایش مساحت سطح می­ باشد. بنابراین مواد ابرخازنی باید مساحت سطح بالایی داشته باشند تا قابلیت ذخیره بار آنها افزایش یابد. از جمله راهکارهای افزایش مساحت سطح مواد فعال الکترودی می­ توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کاهش اندازه ذرات.
• ایجاد و افزایش تخلخل مواد.
• کامپوزیت کردن با موادِ با مساحت سطح بالا.

اثر کاهش اندازه ذرات روی ظرفیت

ويژگي‌هاي يک ماده مي‌تواند بطور معني داري با اندازه ذرات تغيير پيدا کند. اين قضيه در مورد موادي که داراي اندازه‌اي در حد 1 تا 100 نانومتر مي‌باشند، صادق است. عبارت” مواد نانوساختار” يا “نانو مواد” به آن دسته از مواد اطلاق مي‌گردد که داراي حداقل يک بعد نانومتري بوده، به گونه‌اي که بر روي خواص فيزيکي يا شيميايي آنها مؤثر باشند.

کاهش در ابعاد ذرات و يا محدود نمودن ذرات در يک راستاي بلورشناسی خاص، عموماً منجر به تغيير در ويژگي‌هاي فيزيکي سيستم در آن جهت خاص مي‌گردد. از اين ­رو يک طبقه‌بندي مواد و سيستم‌هاي نانو ساختار بر اساس تعداد ابعادي است که در محدوده‌ي نانومتري قرار مي‌گيرند:

(الف) سيستم‌هايي که محدود به 3 بعد مي‌گردند.

(ب) سيستم‌هايي که محدود به 2 بعد مي‌گردند

(ج) سيستم‌هايي که محدود به 1 بعد مي‌گردند.

(د) سيستم‏ هاي صفر بعدي.

سيستم‌هاي محدود به 2 بعد (يا شبه 1 بعدي) شامل نانوسيم‌ها، نانوميله‌ها، نانورشته‌ها و نانولوله‌ها مي‌باشند که مي‌توانند بی­شکل، تک بلوري و يا چند بلوري باشند.

سيستم‌هاي محدود به يک بعد (يا شبه 2 بعدي)، شامل صفحات، فيلم‌هاي نازک تشکيل شده بر روي يک سطح و مواد چند لايه‌اي مي‌باشند که مي‌توانند بی­ شکل و بلوری باشند.

وقتي اندازه ذرات کاهش پيدا مي‌کند، باندهاي انرژي مجاز تا حدودي نسبت به مواد جامد توده‌اي باريک‌تر مي‌گردد. تغيير در ساختار الکتروني منجر به تغيير در انرژي کلي سيستم مي‌شود (با چشم پوشي از آنتروپي سيستم)، که اين امر منجر به پايداري ترموديناميکي سيستم با اندازه کاهش يافته نسبت به بلور‌هاي مواد توده‌اي مي‌گردد. اين امر ممکن است منجر به تغيير پايدارترين شکل يک ماده‌ي خاص گردد. نانوذرات يا نانولايه‌ها ممکن است يک شکل بلوري متفاوت از مواد توده‌اي نرمال بپذيرند.

کاهش در اندازه ذرات ممکن است سبب تغيير در واکنش ­پذيري شيميايي گردد که خود تابعي از ساختار و پرشدن سطوح الکتروني بيروني مي‌باشد. به همين ترتيب، ويژگي‌هاي فيزيکي مانند خواص الکتروني، گرمايي، نوري و مغناطيسي که به آرايش الکتروني لايه‌ي بيروني وابسته است، ممکن است دستخوش تغيير گردد. براي مثال، سيستم‌هاي فلزي ممکن است در نتيجه‌ي کاهش اندازه ذرات، دچار انتقالات فلز- عايق گردند که اين ناشي از تشکيل يک اختلاف باند انرژي ممنوعه مي‌باشد.

براي فهم تغييرات مشاهده شده در سيستم، در نتيجه‌ي کاهش اندازه ذرات مي‌بايست سهم اتم‌هايي که در تماس با يک سطح آزاد، به عنوان مثال براي يک نانوذره‌ي مجزا، ويا حدفاصل دروني، مانند مرز دانه در يک جامد نانوبلوري، مي‌باشند را در نظر گرفت.

هم نسبت مساحت سطح به حجم (S/V) و هم مساحت سطح ويژه (m²g^-1) يک سيستم به صورت عکس با اندازه ذره متناسب هستند و هردو به صورت قابل ملاحظه‌اي براي ذره‌ي با اندازه‌ي کمتر از 100 نانومتر افزايش مي‌يابد.

عبارت مساحت سطح زیاد، الزام‌هايي را براي انرژي کل سيستم به همراه دارد. اين امر ممکن است منجر به پايداري ساختار‌هاي شبه پايدار در سيستم‌هاي با ابعاد نانومتري گردد که متفاوت از ساختار توده‌اي نرمال هستند و يا ممکن است سبب ايجاد يک آرايش ساده (بعد از انقباض و انبساط) شبکه بلوري نرمال گردد که اين خود سبب تغيير در ديگر خواص مکانيکي سيستم مي‌گردد.

واضح است که اگر يک اتم در سطح قرار داشته باشد، تعداد نزديک‌ترين همسايگان آن کاهش مي‌يابد، که منجر به اختلاف در ساختار پيوندي (که منجر به پديده‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ي کشش سطحي يا انرژي سطحي مي‌گردد) و الکتروني مي‌گردد.

در نتیجه، کاهش اندازه ذرات که امروزه با سنتز های در حد نانو توجه زیادی به خود جلب کرده است، می­ تواند این اثرات را داشته باشد:

• افزایش مساحت سطح.
• کاهش مسیر انتقال الکترون­ ها در الکترود.
• کاهش مسیر نفوذ و انتقال یون­ ها در سطح مشترک الکترود و الکترولیت.

که افزایش مساحت سطح باعث افزایش ظرفیت الکترود می­ شود. از طرفی کاهش مسیر انتقال الکترون و یون باعث افزایش توان کاری ابرخازن ساخته شده از این مواد می­ شود زیرا سرعت انتقال بار ( شامل انتقال الکترون و انتقال یون) را افزایش می ­دهد.

اثر تخلخل مواد فعال الکترودی

ایجاد تخلخل و افزایش آن برای الکترودها می ­تواند عملکرد ابرخازن ­ها را افزایش دهد زیرا دراین حالت از یک طرف مساحت سطح افزایش یافته و از طرفی الکترولیت می ­تواند راحت ­تر به داخل الکترود متخلخل نفوذ کند و با مساحت سطح بیشتری از ماده فعال الکترودی رابطه داشته باشد. ایجاد تخلخل در مواد می­ تواند به شکل­ های مختلفی انجام شود. از جمله:

• سنتز مواد سه­ بعدی متخلخل.
• متخلخل کردن مواد دوبعدی.
• ….

سنتز مواد سه بعدی متخلخل با روش­ های مختلفی از جمله: استفاده از قالب­ های سه بعدی متخلخل و حذف متعاقب قالب، سنتز شیمیایی، الکتروشیمیایی یا هیدروترمال مواد سه بعدی، و…. صورت می­ گیرد.

برای سنتز متخلخل مواد دو بعدی به بیانی متخلخل کردن مواد دوبعدی می­ توان به روش ساده فریز درایینگ اشاره کرد که در این روش، برای مثال بعد از سنتز موادی لایه ­ای مانند گرافن یا LDH ها اگر این مواد بعد از سنتز در محلول خود اجازه ته­ نشین شدن داده شود و خشک شوند، لایه های ماده سنتز شده روی هم قرار گرفته و اصطلاحا بازنشینی می شوند ولی با روش فریز درایینگ، با فریز شدن حلال ( که معمولا آب می ­باشد) در میان لایه ­های ماده سنتز شده و سپس تبخیر شدن مولکول­های حلال مواد لایه ­ای به حالت متخلخل (لایه­ های جدا از هم) خشک می ­شوند.

تصویر گرافن ائروژل با تخلخل زیاد

کامپوزیت کردن با مواد مساحت سطحی بالا

از دیگر روش­ های افزایش مساحت سطح مواد، کامپوزیت کردن با موادی هادی با مساحت سطح بالا می ­باشد و از جمله مواد پرکاربرد برای این کار، مواد کربنی و مواد مکسین هستند. از میان مواد کربنی می ­توان به گرافن اشاره کرد که امروزه توجه و کاربرد زیادی پیدا کرده است. گرافن يکي پرکاربردترين آلوتروپ­ هاي کربن بوده که با دارا بودن خواص منحصر به فردي چون هدايت الکتريکي زياد، انعطاف­ پذيري عالي، مساحت سطح فوق ­العاده و پايداري فيزيکي و شيميايي بسيار خوب توجه ويژه ­اي را در تحقيقات گوناگون به خود جلب کرده است. امروزه به دليل ويژگي­ هاي منحصر به فرد گرافن، يکی از ماد­ه ­های تشکیل دهنده مواد فعال کامپوزيتي گرافن بوده و اجزای دیگر آن اکسيدهاي فلزي مي­ باشد. در واقع  با کامپوزيت کردن گرافن و اکسيدهاي فلزي مي­ توان از يک طرف شاهد هم­ افزايي نقاط قوت اجزا بوده و از طرف ديگر نقاط ضعف آنها را پوشش داد. همچنين با توجه به هدايت الکتريکي بالاي گرافن مشکل هدايت پايين اکسيدهاي فلزي مرتفع مي ­گردد. از طرف ديگر نيز، اکسيدهاي فلزي گيرافتاده و يا پخش شده بر سطح گرافن نه تنها خود از آگلومره شدن شديد رهانيده مي­ شوند بلکه از آگلومره شدن و دوباره انباشته شدن لايه ­هاي گرافن نيز جلوگيري کرده و موجبات افزايش مساحت سطح کامپوزيت را فراهم مي ­آورند.

علاوه بر موارد ذکر شده یکی از مواردی که در مقدار ظرفیت الکترودها تاثیر مستقیم دارد هدایت الکتریکی الکترود است. هدایت الکتریکی الکترودها به نوع بستر و مواد الکترودی بستگی دارد. بستر مورد استفاده باید از هدایت الکتریکی بالایی برخوردار باشد و معمولا به این منظور در محیط های قلیایی از بسترهایی همچون فوم نیکل و فوم مس استفاده می شود و در محیط اسیدی از فوم استیل یا توری استیل استفاده می شود. البته بستر هایی همچون پارچه کربنی و گرافیتی قابل کاربرد در هر دو محیط اسیدی و بازی را دارند. همچین در ساخت الکترود برای جبران اثر کاهشی بایندرهای همچون PTFE و PVDF در هدایت الکتریکی از کربن بلک هدایت بالا استفاده می شود. در کنار موارد ذکر شده سپراتور استفاده شده باید نازک باشد و توانایی بالایی در هدایت یونی را داشته باشد.