محققان ایرانی موفق به ساخت الکترودهای نانویی برای ابرخازن‌ها شدند
محققان دانشگاه تربیت مدرس با همکاری گروه تحقیقاتی ریچارد کینر از دانشگاه کالیفرنیا و لس‌آنجلس، ابزار ذخیره انرژی طراحی کردند که در تمامی گستره pH کار می‌کند و کارکرد ممتازی از خود نشان می‌دهد.
به گزارش ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، یک گروه تحقیقاتی از دانشگاه تربیت‌مدرس با استفاده از ایروژل‌های گرافن عامل‌دار شده موفق به ساخت الکترودهایی با کارایی بالا به منظور استفاده در ابرخازن‌ها شدند، این نانوکامپوزیت می‌تواند در گستره وسیعی از pH فعالیت داشته باشد.
استفاده از منابع پاک و تجدیدپذیر انرژی همچون خورشید، باد، جزر و مد دریا و غیره با اقبال زیادی در جهان روبه‌رو است. ماهیت فقدان دسترسی پیوسته به این منابع تجدیدپذیر، توسعه روش‌ها و ابزارهای ذخیره کننده انرژی به ویژه باتری‌ها و ابرخازن‌ها را اجتناب‌ناپذیر کرده است، همچنین توسعه لوازم الکتریکی قابل‌حمل از قبیل موبایل، لپ‌تاپ، تبلت و همچنین خودروهای الکتریکی یا هیبریدی لزوم توسعه ابزارهای ذخیره انرژی الکتریکی کارآمد را دوچندان کرده است.
از مهم‌ترین وسایلی که قادر به ذخیره انرژی الکتریکی هستند، می‌توان به باتری‌ها و ابرخازن‌ها اشاره کرد که هر کدام دارای مکانیسم ذخیره بار منحصربه‌فردی هستند.
در باتری‌ها ذخیره انرژی در نتیجه واکنش‌های الکتروشیمیایی صورت می‌پذیرد و با توجه به مکانیسم ذخیره بار، انرژی باتری‌ها زیاد است اما سرعت شارژ و دشارژ آن‌ها پایین است، اما در ابرخازن‌ها ذخیره انرژی می‌تواند هم در نتیجه فرآیندهای الکترواستاتیک و هم واکنش‌های الکتروشیمیایی باشد، در نتیجه از هر دو مزیت خازن و باتری بهره می‌برند اگرچه انرژی آن‌ها از باتری‌ها کمتر است.
در حال حاضر، پژوهش‌هایی که بر روی ابرخازن‌ها صورت می‌گیرد، با هدف افزایش انرژی ابرخازن‌ها انجام شده که در بعضی موارد به دلیل استفاده از مواد کاملا شبیه باتری، سرعت شارژ و دشارژ پایین می‌آید. انرژی باتری‌ها و ابرخازن‌ها با استفاده از افزایش ظرفیت ذخیره بار مواد الکترودی و ولتاژ قابل ارتقا است.
اصل مهمی که باید به آن اشاره کرد این است که افزایش ظرفیت کلی ابرخازن با افزایش ظرفیت ذخیره بار هر دو الکترود مثبت و منفی میسر می‌شود، بیشتر تحقیقاتی که در زمینه ابرخازن صورت می‌گیرد روی افزایش ظرفیت قطب مثبت است چون گزینه‌های متعددی برای مطالعه وجود دارد و ظرفیت‌های بسیار بالایی در منابع برای قطب مثبت گزارش شده است. اما به دلیل ظرفیت کم قطب منفی مقدار ظرفیت وانرژی کل ابرخازن نسبتا پایین است،بنابراین مطالعات دقیق و کارآمد روی ارتقا مواد الکترودی قطب منفی برای آینده ابرخازن‌ها بسیار حیاتی است.
یک روش برای غلبه بر این مشکلات استفاده از مواد پایه کربن و عامل‌دار کردن آن‌ها با موادی است که علاوه بر قابلیت ذخیره بار در قطب منفی، دارای سرعت شارژ و دشارژ بالایی باشند تا سرعت شارژ و دشارژ قربانی افزایش انرژی نشود.
در پژوهشی که توسط دکتر میرفضل‌الله موسوی از دانشگاه تربیت‌مدرس و همکارانش در دانشگاه UCLA انجام گرفته است، گرافن سه‌بعدی عامل‌دار شده با مولکول‌های نایل بلو (NB-GA) برای این منظور توسعه داده شده است.
مطالعات اولیه الکتروشیمیایی در سلول سه الکترودی مشخص کرد که نانوکامپوزیت NB-GA از خود یک ظرفیت بسیار مناسب در تمام بازه pH را نشان می‌دهد، سهم ذخیره بار از طریق مکانیسم خازنی، ۹۳٫۴درصد از کل بار ذخیره شده را به خود اختصاص داده که از اکثر مواد دارای رفتار شبه‌خازنی بالاتر است. علاوه بر این در ابرخازن‌های ساخته شده در سه محیط اسیدی، خنثی و قلیایی بر پایه الکترود منفی NB-GA از خود انرژی و سرعت شارژ و دشارژ بالایی را نشان دادند و از پایداری چرخه‌ای بالایی با بیش از ۵۰۰۰ چرخه پی‌درپی برخوردار بودند، این طراحی می‌تواند برای ساخت دیگر نانوکامپوزیت‌ها با عملکرد ظرفیتی بسیار بالا مورداستفاده قرار گیرد.
نویسندگان این مقاله که در مجله ACS Nano به چاپ رسیده است، امیدوارند که این مقاله به مثابه یک رویکرد جامع، مسیر پیش‌روی محققان عرصه توسعه ابزارهای ذخیره‌کننده انرژی الکتریکی با توان و انرژی بالا را به خوبی روشن سازد.
استفاده از منابع پاک و تجدیدپذیر انرژی همچون خورشید، باد، جزر و مد دریا و غیره با اقبال زیادی در جهان روبه‌رو است. ماهیت فقدان دسترسی پیوسته به این منابع تجدیدپذیر، توسعه روش‌ها و ابزارهای ذخیره کننده انرژی به ویژه باتری‌ها و ابرخازن‌ها را اجتناب‌ناپذیر کرده است، همچنین توسعه لوازم الکتریکی قابل‌حمل از قبیل موبایل، لپ‌تاپ، تبلت و همچنین خودروهای الکتریکی یا هیبریدی لزوم توسعه ابزارهای ذخیره انرژی الکتریکی کارآمد را دوچندان کرده است.
از مهم‌ترین وسایلی که قادر به ذخیره انرژی الکتریکی هستند، می‌توان به باتری‌ها و ابرخازن‌ها اشاره کرد که هر کدام دارای مکانیسم ذخیره بار منحصربه‌فردی هستند.
در باتری‌ها ذخیره انرژی در نتیجه واکنش‌های الکتروشیمیایی صورت می‌پذیرد و با توجه به مکانیسم ذخیره بار، انرژی باتری‌ها زیاد است اما سرعت شارژ و دشارژ آن‌ها پایین است، اما در ابرخازن‌ها ذخیره انرژی می‌تواند هم در نتیجه فرآیندهای الکترواستاتیک و هم واکنش‌های الکتروشیمیایی باشد، در نتیجه از هر دو مزیت خازن و باتری بهره می‌برند اگرچه انرژی آن‌ها از باتری‌ها کمتر است.
در حال حاضر، پژوهش‌هایی که بر روی ابرخازن‌ها صورت می‌گیرد، با هدف افزایش انرژی ابرخازن‌ها انجام شده که در بعضی موارد به دلیل استفاده از مواد کاملا شبیه باتری، سرعت شارژ و دشارژ پایین می‌آید. انرژی باتری‌ها و ابرخازن‌ها با استفاده از افزایش ظرفیت ذخیره بار مواد الکترودی و ولتاژ قابل ارتقا است.
اصل مهمی که باید به آن اشاره کرد این است که افزایش ظرفیت کلی ابرخازن با افزایش ظرفیت ذخیره بار هر دو الکترود مثبت و منفی میسر می‌شود، بیشتر تحقیقاتی که در زمینه ابرخازن صورت می‌گیرد روی افزایش ظرفیت قطب مثبت است چون گزینه‌های متعددی برای مطالعه وجود دارد و ظرفیت‌های بسیار بالایی در منابع برای قطب مثبت گزارش شده است. اما به دلیل ظرفیت کم قطب منفی مقدار ظرفیت وانرژی کل ابرخازن نسبتا پایین است،بنابراین مطالعات دقیق و کارآمد روی ارتقا مواد الکترودی قطب منفی برای آینده ابرخازن‌ها بسیار حیاتی است.
یک روش برای غلبه بر این مشکلات استفاده از مواد پایه کربن و عامل‌دار کردن آن‌ها با موادی است که علاوه بر قابلیت ذخیره بار در قطب منفی، دارای سرعت شارژ و دشارژ بالایی باشند تا سرعت شارژ و دشارژ قربانی افزایش انرژی نشود.
در پژوهشی که توسط دکتر میرفضل‌الله موسوی از دانشگاه تربیت‌مدرس و همکارانش در دانشگاه UCLA انجام گرفته است، گرافن سه‌بعدی عامل‌دار شده با مولکول‌های نایل بلو (NB-GA) برای این منظور توسعه داده شده است.
مطالعات اولیه الکتروشیمیایی در سلول سه الکترودی مشخص کرد که نانوکامپوزیت NB-GA از خود یک ظرفیت بسیار مناسب در تمام بازه pH را نشان می‌دهد، سهم ذخیره بار از طریق مکانیسم خازنی، ۹۳٫۴درصد از کل بار ذخیره شده را به خود اختصاص داده که از اکثر مواد دارای رفتار شبه‌خازنی بالاتر است. علاوه بر این در ابرخازن‌های ساخته شده در سه محیط اسیدی، خنثی و قلیایی بر پایه الکترود منفی NB-GA از خود انرژی و سرعت شارژ و دشارژ بالایی را نشان دادند و از پایداری چرخه‌ای بالایی با بیش از ۵۰۰۰ چرخه پی‌درپی برخوردار بودند، این طراحی می‌تواند برای ساخت دیگر نانوکامپوزیت‌ها با عملکرد ظرفیتی بسیار بالا مورداستفاده قرار گیرد.
نویسندگان این مقاله که در مجله ACS Nano به چاپ رسیده است، امیدوارند که این مقاله به مثابه یک رویکرد جامع، مسیر پیش‌روی محققان عرصه توسعه ابزارهای ذخیره‌کننده انرژی الکتریکی با توان و انرژی بالا را به خوبی روشن سازد.