ابرخازن

در قرن حاضر یکی از مهم‌ترین موضوعات پیش روی بشر موضوع انرژی است. با توجه به کاهش سریع منابع سوخت فسیلی و معضلات زیست‌محیطی ناشی از سوختن آن‌ها، نظیر آلودگی هوا و آب، که به شدت بر انقراض گونه‌های گیاهی و جانوری تأثیرگذار است، جایگزینی این منابع سوخت، با منابعی تجدید پذیر و پاک امری ضروری به نظر می‌رسد. تلاش‌های زیادی در سال‌های اخیر بر تحقیق، توسعه و گسترش چنین منابعی در سراسر جهان انجام گرفته است.

توسعه منابع ذخیره انرژی کوچک، ارزان و قابل‌حمل به دلیل گستردگی استفاده از ابزارهای الکترونیکی سیار و قابل‌حمل که دغدغه بخش‌های تحقیق و توسعه مراکز تحقیقاتی است، به واسطه پیشرفت‌های علمی ممکن شده است. منابع ذخیره انرژی مختلفی تا کنون توسعه‌یافته‌اند که باتری‌ها و ابرخازن‌ها در این میان از اهمیت بیشتری برخوردارند که یکی از علل آن کوچک بودن و قابل‌حمل بودن آن‌هاست. اما از میان این دو منبع ذخیره انرژی، ابرخازن ها اخیراً توجه بیشتری به خود جلب کرده اند، چرا که نسبت به باتری‌ها توان بالاتری دارند، یعنی سرعت شارژ و دشارژ آن‌ها بالاتر است و این همان مشکلی است که کاربرد باتری‌ها را در ابزارهایی که به توان بالا نیاز دارند محدود کرده است.

 

ابرخازن‌ها مزایای دیگری نیز نسبت به باتری‌ها دارند که از میان آن‌ها می‌توان به برگشت‌پذیری و عمر چرخه‌ای بالاتر، سرعت پذیری بهتر، هزینه نگهداری کمتر و مواد الکترودی امن تر اشاره کرد. نقطه ضعف اصلی ابرخازن‌ها در برابر باتری‌ها چگالی انرژی پایین آن‌ها است. اگرچه چگالی انرژی ابرخازن‌ها هنوز هم بسیار بیشتر از خازن‌ها بوده، اما نسبت به باتری‌ها فاصله قابل‌توجهی دارد. تصویری از چند ابرخازن تجاری را در تصویر پایین مشاهده می کنید.

 

ابرخازن ­ها برای اولین بار در سال 1987توسط شرکت NEC به بازار عرضه شدند که بیشتر به عنوان منبع تغذیه­ ی پشتیبان برای چیپ ساعت پاک شدنی و حافظه­ ی مکمل کامپیوترها استفاده شد. امروزه، ابرخازن­ ها به طور گسترده در منبع تغذیه­ های اضطراری (UPS)که به منظور حفاظت از سخت افزار­هایی مانند کامپیوترها، مراکز اطلاعات، ابزارهای ارتباطی و ابرازهای دیگر الکتریکی که قطع ناگهانی برق می ­تواند موجب صدمات و از دست رفتن اطلاعات گردد، استفاده می­ شود. علاوه بر این ابرخازن­ ها در بین امیدوارکننده­ ترین ابزارهای ذخیره­ ی انرژی هستند که در حال حاضر در ماشین­ های هیبریدی سنگین استفاده­ می­ شوند یا انتظار می­ رود که استفاده گردند. آنها برای اتوبوس­ های شهری بهترین گزینه می ­باشند. چون در ایستگاه­ های مختلف توقف می­کنند؛ در کامیون­ های زباله که در طول یک روز نزدیک به هزار بار چرخه ­ی استارت/توقف را انجام می­ دهند. در کامیون­ های زباله که در طول یک روز نزدیک به هزار بار چرخه­ ی استارت/توقف را انجام می­دهند. اخیرا چین اتوبوس ­های را آزمایش کرده که فقط بر پایه ابرخازن­ های کربنی عمل می­ کنند. برعکس اتوبوس­ های برقی قبلی که می­ بایست به طور مداوم به کابل­ های برق بالای سرش متصل می­ شد، اتوبوس ­های ابرخازنی مقدار بسیار زیادی از الکتریسیته را در هر سه تا پنج مایل در ایستگاه ­های طراحی شده در خود ذخیره می­ کنند. بنابراین در حالی که مردم در حال سوار شدن یا پیاده شدن از اتوبوس هستند ابرخازن­ ها می­ توانند در عرض چند دقیقه کاملا شارژ شوند. در سال 2005، شرکت Diehl Luftfahrt Elektronik GmbH، یک پیشتاز در زمینه ­ی تولید سیستم­ های هوا فضا و کنترل، از ابرخازن­ ها به عنوان تغذیه­ ی سیستم­ های اضطراری درها و پله­ ی تخلیه در هواپیمای مسافربری از جمله در ایرباس 380 Jumbo jet استفاده کرد. در حوزه درمانی ابرخازن­ ها در احیاکننده ­های قلب، جایی که می­ توانند انرژی مرگبار 500 ژول را تولید کنند تا شوک الکتریکی به قلب وارد شود استفاده شده­ اند. اخیرا، ابرخازن­ ها مسیرشان را برای ورود به زمینه­ ی اسباب بازی­ ها نیز یافته ­اند. با استفاده از ابرخازن به جای باتری، یک ماشین اسباب بازی می ­تواند به قدری شتاب گیرد که به سرعت ­های بالایی برسد. یکی از محدودیت­ های عمده تجاری سازی گسترده ابرخازن ­ها چگالی انرژی پایین آنهاست که کاربرد وسیع تر آنها را محدود کرده است.

تصاویر برخی از کاربردهای تجاری ابرخازن ها

به منظور افزایش چگالی انرژی در ابرخازن‌ها و رفع این نقطه‌ضعف، تحقیقات زیادی انجام‌شده است. با توجه به اینکه ابرخازن‌ها به طور کلی شامل 3 جزء الکترود، الکترولیت و بستر هستند،می‌توان نتیجه گرفت که به منظور افزایش چگالی انرژی باید هر کدام از این بخش‌ها را ارتقا بخشید و به طور خلاصه بر روی یکی از موارد زیر تحقیق کرد:

• نوع ماده الکترودی
• ساختار و مورفولوژی ماده الکترودی
• بستر
• الکترولیت
• آرایش الکترودها

1-نوع ماده الکترودی

مواد فعال الکترودی در ابرخازن ها بر اساس مکانیسم ذخیره انرژی به سه دسته زیر طبقه‌بندی می‌شوند: مواد الکترودی خازن‌های لایه دوگانه (EDLC)، مواد الکترودی شبه خازنی و مواد الکترودی هیبریدی.

1-1- مواد الکترودی EDLC

مواد کربنی نظیر کربن فعال، الیاف‌های کربنی، گرافیت و گرافن به خاطر مزایایی از قبیل رسانایی بالا، مساحت سطح بالا، مقاومت در برابر خوردگی، پایداری دمایی بالا، قیمت نسبتاً ارزان در مواد کامپوزیتی به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد سال‌هاست در ابرخازن‏ های تجاري به کار گرفته مي ‏شوند. در حال حاضر کربن فعال، ماده‏ اي است که بيش از ساير آلوتروپ‌های کربنی در مصارف تجاري به کار گرفته مي‏ شود. مکانیسم ذخیره بار در مواد کربنی از طریق جذب/واجذب الکترواستاتیکی معروف به خازن‌های لایه دوگانه الکتریکی می‌باشد. در این مکانیسم تجمع بار الکترواستاتيکي در فصل مشترک الکترود-الکترولیت رُخ داده که به تشکیل يک لايه دوگانه الکتريکي مي ‏انجامد. از آنجایی که فرايند انتقال بار بين الکترود و الکتروليت در این لایه دوگانه، غيرفارادايی است، پس هيچ تغيير شيميايي در ترکيب مواد الکترودی یا الکترولیت نيز رخ نمي‏ دهد. به همین دلیل این الکترودها بسیار برگشت‌پذیر بوده و در نتیجه دارای عمر چرخه‌ای طولانی هستند.

2-1- مواد الکترودی شبه خازنی

پلیمرهای هادی و اکسیدها و هیدروکسیدهای فلزی در این دسته قرار می‌گیرند. انرژی و ظرفیت این مواد بسیار بالاتر از مواد الکترودی EDLC می‌باشد چرا که ذخیره بار در این مواد به واسطه واکنش‌های ردوکس الکتروشیمیایی انجام‌شده در فصل مشترک الکترود-الکترولیت صورت می‌پذیرد. پليمرهاي هادي گروهي از پليمرهاي آلي مي‌باشند که داراي خواص الکتريکي، مغناطيسي و نوري فلزات مي‌باشند درحالی‌که خواص عمومي (فرايند پذيري، مکانيکي و غيره) پليمرها را از دست نمي‌دهند.

3-1-مواد الکترودی هیبریدی

در خازن­های هیبریدی برای بهبود عملکرد و کارایی از مزایای هردو سیستم EDLC و شبه خازنی بهره گرفته می­ شود. در حقیقت خازن­ های هیبریدی از واکنش­های فارادائی و غیر فارادائی به صورت همزمان برای ذخیره بار بهره می­ گیرند و بدین ترتیب دارای چگالی انرژی و توان به مراتب بالاتری از EDLCها هستند. اکثرا مواد الکترودی هیبریدی بر پایه کامپوزیت مواد کربنی با اکسیدها و هیدروکسیدهای فلزی و همچنین پلیمرهای هادی هستند. بخش کربنی ایجاد لایه دوگانه الکتریکی را تسهیل می­ کند و نیز به علت مساحت سطحی زیاد، سطح تماس مواد شبه خازنی کامپوزیت را با الکترولیت افزایش می­ دهد. مواد شبه خازنی موجود در کامپوزیت نیز از طریق انجام واکنش ­های فارادائی منجر به افزایش ظرفیت الکترود می ­شوند.

مواد الکترودی متداول مورد استفاده در ساخت ابرخازن ها

2- ساختار و مورفولوژی ماده الکترودی

علاوه بر نوع ماده الکترودی، ساختار و مورفولوژی آن نیز بر خواص ابرخازنی موثر هستند، چرا که مکانیسم‌های EDLC و شبه خازنی پدیده‌هایی سطحی بوده و ریزساختارهای الکترودهای مورد استفاده کارایی الکتروشیمیایی آن‌ها را تعیین می‌کنند. جایگاه‌های فعال برای انجام واکنش الکتروشیمیایی، مسیرهای انتقال/نفوذ، دسترسی به الکترولیت و سینتیک مهم‌ترین عواملی هستند که بر عملکرد الکتروشیمیایی ابرخازن‌ها تأثیر می‌گذارند. این عوامل به شدت به مساحت سطح، مورفولوژی و ضخامت دیواره مواد الکترودی بستگی دارند.

با در نظر گرفتن این نکته که ظرفیت به ازای مساحت برای مکانیسم لایه دوگانه برابر µF/cm² 20-50 بوده و برای مکانیسم شبه خازنی برابر µF/cm² 200-2000 می‌باشد، بیشتر می‌توان به اهمیت مساحت سطح در کارایی ابرخازن‌ها پی برد. از این رو باید گفت، یکی از موثرترین راه‌های افزایش کارایی مواد الکترودی در سیستم‌های ذخیره انرژی افزایش مساحت سطح آن‌ها می‌باشد. یک راه برای افزایش مساحت سطح یک ماده، مهندسی مورفولوژی آن و طراحی ساختار سه بعدی است.

3- بستر الکترود

بستر الکترود در ابرخازن ها عمدتا نقش جمع کننده جریان دارد. بنابراین باید دارای هدایت الکتریکی بالایی باشد. بسترهای بر پایه فلزات هادی و کربنی بیشتر برای این منظور استفاده می شود. علاوه بر این بستر های مورد استفاده باید دارای سطح موثر خوبی باشند تا ماده الکترودی به مقدار مناسب و با استحکام خوب روی سطح بستر قرار گیرد تا ماده طی تست های شارژ-دشارژ از سطح بستر جدا نشود. بسترهای فلزی به شکل توری و فوم برای این منظور مناسب هستند، زیرا علاوه بر خصوصیت هدایت بالا و مساحت سطحی مناسب، انعطاف پذیری خوبی را دارند. بستر های فلزی فوم نیکل، فوم مس، فوم استیل، فوم کبالت و توری استیل، توری مس و … بیشتر کاربرد را در ساخت ابرخازن ها دارند. همچنین بسترهای کربنی همچون پارچه کربنی، کربن فایبر و ورق گرافیتی نیز در ابرخازن ها کاربرد دارند.

بسترهای مورد استفاده در ابرخازن های انعطاف پذیر

4- الکترولیت

علاوه بر الکترود، الکترولیت هم نقش بسیار مهمی در خواص الکتروشیمیای ابرخازن خواهد داشت. شرایط لازم الکترولیت برای استفاده در ابرخازن ­ها شامل موارد مقابل است: پنجره پتانسیل پهن، پایداری الکتروشیمیایی بالا، چگالی یونی بالا، شعاع یونی حلال پوشیده شده پایین، مقاومت پایین، چسبندگی  پایین، فراریت پایین، سمیت پایین، هزینه پایین و البته با خلوص بسیار خوب و در دسترس بودن. الکترولیت های استفاده شده در صنعت ابرخازن به پنج دسته مختلف می توانند تقسیم شوند (1) الکترولیت های آبی؛ (2) الکترولیت های آلی؛ (3) مایع های یونی (4) الکترولیت­ های حالت جامد و (5) الکترولیت ­های ردوکس.در اين ميان اگرچه الکتروليت­ هايي چون الکترولي­ هاي آلي و مايعات يوني داراي پنجره پتانسيل بسيار بيشتري نسبت به الکتروليت­ هاي آبي مي­ باشند، اما معايبي چون گراني، سميت، آماده سازي نه چندان ساده، شرايط نگهداري خاص و توان اندک ابرخازن نهايي کاربرد آنها را محدود کرده است. الکتروليت­ هاي آبي اما به دليل ارزاني، آماده سازي و شرايط نگهداري ساده، شعاع يوني و ويسکوزيته اندک، هدايت الکتريکي بالا و در نتيجه ظرفيت و توان بالاتر ابرخازن نهايي بيشتر مورد استفاده قرار گرفته ­اند. یک مسئله خیلی مهم دیگر این است که اکثر مواد الکترودی شبه خازنی که واکنش ردوکس انجام می ­دهند، در الکترولیت­های با بازه pH خاصی الکترواکتیو هستند و در الکترولیت­های غیر آبی به شدت الکترواکتیویته خود را از دست می ­دهند. بنابراین برای برخی مواد ردوکس مجبوریم از الکترولیت آبی مناسب استفاده کنیم. برای مثال پلیمرهای هادی در الکترولیت آبی اسیدی و هیدروکسیدهای لایه ­ای دوگانه در الکترولیت آبی قلیایی الکترواکتیو هستند.  پرکاربردترين الکتروليت­ هاي آبي به ترتيب قليايي، خنثي و اسيدي هستند؛ که اکثرا از KOH، Na₂SO₄ و H₂SO₄ استفاده می­ شود. اما با وجود همه محاسن ذکر شده، بزرگترين عيب الکتروليت­ هاي آبي، پنجره پتانسیل پایین آنها به دلیل تجزیه الکتروشیمیایی آب می ­باشد که در پتانسیل­ های آندی فرآیند OER و در پتانسیل های کاتدی فرآیند HER باعث محدود شدن پنجره پتانسیل می­ گردند. اخیراً در برخی نشریات به استفاده از الکترولیت های ردوکس در سیستم های ذخیره انرژی پرداخته شده است. بدین شکل که موادی که قادر به انجام واکنش الکتروشیمیایی فارادایی هستند به الکترولیت افزوده می‌شوند تا به فرایند ذخیره انرژی در ابرخازن کمک کند. این واکنش ردوکس اضافی در فصل مشترک الکترود الکترولیت، می‌تواند به تنهایی بار را در خود ذخیره کند و یا به انجام واکنش فارادایی روی سطح الکترود کمک کند. این کار از طریق اکسایش و کاهش برگشت‌پذیر الکترولیت ردوکس در الکترولیت انجام می‌شود، به گونه‌ای که با انجام واکنش زوج شده با واکنش فارادایی روی سطح الکترود، به بازتولید ماده فعال سطحی کمک کند. بدین ترتیب واکنش به کرات انجام‌شده بدون اینکه به منبع انرژی خارجی نیازی باشد. متاسفانه ابرخازن های مرسوم بر اساس این مواد از از خود دشارژی سریع رنج می ­برند که کاربرد آن‌ها را در سیستم های مدرن محدود می‌کند.

5- آرایش الکترودها

دو نوع آرایش متقارن و نامتقارن برای پیکربندی ابرخازن‌ها وجود دارد. در آرایش متقارن، هر دو الکترود استفاده ‌شده دارای ماده الکترودی یکسانی بوده و پنجره پتانسیل سل برابر پنجره الکترودها می‌باشد. بر خلاف آرایش متقارن، در آرایش نامتقارن ماده الکترودی استفاده ‌شده در دو الکترود باهم متفاوت بوده و از این رو با انتخابی صحیح به راحتی می‌توان پنجره پتانسیل سل را در الکترولیت های آبی به بالاتر از 1/2 ولت رساند. با توجه به وابستگی چگالی انرژی به توان دوم پنجره پتانسیل، بیشتر می‌توان به اهمیت این آرایش در افزایش انرژی ابرخازن نهایی پی برد. همچنین با استفاده از الکترودهای کربنی به عنوان الکترود منفی می‌توان از مزیت هیبرید مکانیسم‌های EDLC و شبه خازنی استفاده نموده و چگالی توان و عمر چرخه‌ای سیستم را نیزبهبود بخشید.

پنجره پتانسیل مواد الکترودی مختلف در الکترولیت های آبی با پی اچ متفاوت