کربن اکتیو برای ابرخازن های الکترولیت آبی

کربن‌ اکتیو یا کربن فعال (Activated Carbon) تنها ماده الکترود ابرخازنی هست که به دلیل مساحت سطح بالا، توزیع اندازه منافذ قابل کنترل و ارزان بودن در مقایسه با سایر مواد کربنی موفق به تجاری‌سازی شدند.

طیف گسترده ای از مواد خام برای تولید کربن فعال استفاده می شود. اینها را می توان به عنوان لیگنوسلولزی (چوب، ضایعات کشاورزی، دانه های میوه)، فسیلی (زغال سنگ، زغال سنگ، ذغال سنگ نارس، کک نفتی) و مواد پلیمری طبقه بندی کرد.

تولید کربن فعال با روش های فعال سازی فیزیکی و شیمیایی انجام می شود. روش فعال‌سازی شیمیایی ارجح‌ترین روش است زیرا منجر به ایجاد حجم منافذ و سطح بالاتر می‌شود. مواد شیمیایی فعال کننده خاصی برای این منظور استفاده می شود مانند KOH، H3PO4، K2CO3 و NaOH . نوع ماده اولیه و عامل فعال کننده به طور مستقیم بر خواص سطحی محصول نهایی تأثیر می گذارد.

در استفاده از کربن فعال در کاربردهای ذخیره انرژی، مساحت سطح، ساختار منافذ (اندازه، حجم و شکل)، و رفتار مقاومت/رسانایی مواد کربن متخلخل مهمترین خصوصیاتی هستند که بر عملکرد الکتروشیمیایی تأثیر می‌گذارند. با افزایش مساحت سطح، ظرفیت خازن به دلیل مقدار بار بیشتر انباشته شده روی سطح الکترود افزایش می یابد.

با این حال، سطح بالا به تنهایی برای خازن بالا کافی نیست. ساختار منافذ الکترود کربن نیز اهمیت زیادی دارد. همچنین بسیار مهم است که منافذ و همچنین اندازه آنها “باز” باشند. همه منافذ روی سطح از نظر الکتروشیمیایی قابل دسترسی نیستند. اگر الکترولیت نتواند وارد منافذ بسته شود و تماس الکترود و الکترولیت به اندازه کافی حفظ نشود، از تشکیل دو لایه الکتریکی جلوگیری می شود. در کاربردهای خازن، نسبت میکرو/مزوپور الکترود متخلخل نیز ضروری است.

یکی کاربردهای بالقوه کربن اکتیو در ابرخازن و کارهای تحقیقاتی مربوط به این حوزه، استفاده از آن به عنوان ماده آندی در قطب منفی است. معمولا بسیاری از موادی که جدیدا به عنوان مواد الکترودی ابرخازن مورد بررسی قرار می گیرند همچون اکسیدهای فلزی، هیدروکسیدهای فلزی، سولفیدها، فسفات ها، MOF و … دارای ظرفیت بیش از 1000 فاراد بر گرم در سیستم سه الکترودی هستند. این مواد دارای محدوده پتانسیل محدودی هستند و معمولا رفتار شبه باتری از خود نشان می دهند و از رفتار ابرخازنی تا حدودی فاصله دارند. بنابراین ساخت سیستم دو الکترودی متقارن (Symmetric) برای این مواد منطقی نیست و ولتاژ پایین تر از یک ولت ارزش تجاری شدن ندارد.

یکی از راهکارهای مناسب برای افزایش پنجره پتانسیل و افزودن رفتار خازنی بهره بردن از سیستم نامتقارن (Asymmetric) برای ساخت ابرخازن دو الکترودی است. برای این منظور نیاز به ماده کربنی که در سمت پتانسیل منفی دارای رفتار خازنی و ظرفیت خازنی مناسب باشد که باعث شود پنجره پتانسیل نهایی سل دو الکترودی افزایش پیدا کند.

نکته بسیار مهمی که در سیستم دو الکترودی متقارن بایستی حتما مورد توجه قرار گیرد این است که هر قطبی که دارای ظرفیت پایین باشد محدود کننده خواهد بود و ظرفیت نهایی سیستم دو الکترودی به ظرفیت قطب محدود کننده، محدود می شود. برای مثال اگر ظرفیت یکی از قطب ها در سیستم سه الکترودی 2000 فاراد بر گرم و قطب دیگر 100 فاراد بر گرم باشد، ظرفیت نهایی الکترود در صورت موازنه مناسب بار هر دو الکترود در سیستم دو الکترودی از 100 فاراد بر گرم تجاوز نخواهد کرد. بنابراین در انتخاب قطب منفی باید توجه بیشتری انجام داد.

مواد کربنی همچون کربن فعال، گرافن، کربن نانو تیوپ، کربن فایبر و … به دلیل رفتار خازنی مناسب و پنجره ولتاژ کاری گسترده حتی در پتانسیل های منفی و همچنین پایداری بالا در محیط های قلیایی و اسیدی گزینه مناسبی برای استفاده در سل های نامتقارن هستند. در بین مواد کربنی کربن اکتیو به دلیل ظرفیت مناسب و همچنین به جهت استفاده در ابرخازن های تجاری و مقایسه منطقی تر سل ساخته شده با سل های تجاری بهترین گزینه است.

شکل زیر استفاده از کربن اکتیو برای افزایش پنجره پتانسیل به عنوان قطبی منفی در سل نامتقارن را نشان می دهد:

شرکت ردوکس کالا آخرین نسل از کربن اکتیو تولید شده جهت استفاده در سیستم های ذخیره انرژی الکتروشیمیای با ظرفیت نزدیک 300 فاراد بر گرم در الکترولیت آبی و مساحت سطحی نزدیک 2500 متر مربع بر گرم را عرضه می کند.

همچنین در باتری های فلز-هوا از کربن اکتیو در سمت کاتد که به لایه نفوذ اکسیژن معروف است استفاده می شود. کربن اکتیو به علت مساحت بالا و خاصیت کاتالیستی مطلوب یکی از اصلی ترین اجزا باتری های فلز-هوا می باشد.

جدول زیر مشخصات کربن اکتیو برای ابرخازن های الکترولیت آبی را نمایش می دهد: