Pangunahing sinisingil ng mga capacitor ang mga storage device, ngunit kung ihahambing sa mga baterya, mas mababa ang kapasidad ng mga ito para sa pag-iimbak ng singil. Gayunpaman, ang haba ng kanilang buhay ay mas mataas kaysa sa mga baterya, ang pangunahing prinsipyo para sa pagtatrabaho ng mga capacitor ay pareho sa kabila ng nahahati sila sa iba't ibang kategorya batay sa kanilang panloob na konstruksyon. Ang graphene capacitor ay isang uri ng supercapacitor na may mga layer ng graphene na nagbibigay ng mas malayang paggalaw ng mga electron at nagbibigay-daan sa pag-alis ng init sa epektibong paraan.
Balangkas:
- Ano ang mga supercapacitor?
- Paggawa ng supercapacitors
- Graphene SuperCapacitor
- Graphene-based na mga electrodes sa Supercapacitors
- Pagganap ng supercapacitors na nakabatay sa graphene
- Konklusyon
Ano ang mga supercapacitor?
Upang maunawaan ang graphene capacitor, kinakailangan na magkaroon ng kaalaman tungkol sa mga supercapacitor dahil ang graphene capacitor ay nasa ilalim din ng kategorya ng mga super capacitor. Hindi tulad ng mga pangkalahatang capacitor, ang mga capacitor ng hapunan ay may ibang panloob na konstruksyon, na nakakaapekto rin sa kanilang mga katangian. Ang supercapacitor ay may mga electrolyte na pinaghihiwalay ng isang insulation medium at may activated carbon electrodes na nakikipag-ugnayan sa electrolyte. Ang electrolyte ay pangunahing sulfuric acid o potassium oxide, at ang separator ay karaniwang Kapton:
Paggawa ng Supercapacitors
Kapag ang isang supercapacitor ay hindi konektado sa anumang pinagmumulan ng kuryente, ang mga singil anuman ang kanilang polarity ay nakakalat sa electrolyte, kapag ang pinagmumulan ng kuryente ay konektado sa kabuuan nito ang kasalukuyang ay nagsisimulang dumaloy mula sa kapasitor, at habang ang anode ay nakakuha ng positibong singil sa lahat ng ang mga negatibong ion sa electrolyte ay may posibilidad na lumipat patungo sa anode electrode. Samantalang ang katod ay negatibong sisingilin at ang lahat ng mga positibong ion ay lumilipat patungo sa katod:
Ang puwersa ng pagkahumaling sa pagitan ng elektrod at electrolyte ay ang electrostatic na puwersa at ang pagkahumaling na ito ng mga ion sa mga electrodes ay nagiging sanhi ng pagbuo ng electric double layer. Ang layer na ito ay responsable para sa pag-iimbak ng mga singil at dahil sa pagbuo ng layer na ito, ang mga supercapacitor ay pinangalanan din na mga electrical double-layer capacitor.
Ito ay kung paano sinisingil ang supercapacitor at kapag ang anumang load ay konektado sa mga terminal ng supercapacitor ang singil sa mga electrodes ay nagsisimulang dumaloy mula sa load. Sa ganitong paraan ang parehong mga electrodes ay nagsisimulang mawalan ng singil dahil hindi nila magawang maakit ang mga singil at bilang isang resulta kapag ang lahat ng mga singil ay umalis sa mga electrodes ang kapasitor ay pinalabas.
Kaya ngayon ang mga ions ay muling nakakalat sa mga electrolytes, at ito ay kung paano gumagana ang isang simpleng supercapacitor.
Graphene SuperCapacitor
Ang graphene ay nagmula sa graphite na karamihan ay nasa loob ng mga lapis at isang electrode ng carbon na may parehong bilang ng mga atomo, ngunit ang mga ito ay nakaayos nang iba. Hindi tulad ng graphite, ang graphene ay may dalawang-dimensional na single-atom na layer na nakaayos sa isang hexagonal na honeycomb na hugis. Ang istrukturang ito ay nagpapahintulot sa mga atomo na lumikha ng malakas na covalent bond na nagbibigay dito ng mas mataas na tensile strength at mataas na flexibility. Dahil sa mga katangiang ito, pinapayagan ng graphene ang mga electron na malayang gumalaw at magkaroon ng mas mataas na conductivity ng kuryente.
Dahil ang mga supercapacitor ay may mas maiikling distansya sa pagitan ng mga plato na nagpapahintulot sa kanila na mag-imbak ng mas maraming static na singil, ang graphene ay may napakanipis na layer na kasing laki ng isang atom kumpara sa aluminum layer. Kaya, ang kapasitor ng graphene ay may higit na mas maraming lugar sa ibabaw, na nagpapahintulot dito na mag-imbak ng mas maraming enerhiya kumpara sa iba pang mga supercapacitor.
Graphene-based Electrodes sa Supercapacitors
Ang graphene tulad ng nabanggit sa itaas ay nagbibigay ng isang mas malaking lugar sa ibabaw na pinahuhusay ang kapasidad ng kapasitor para sa pag-iimbak ng singil. Iba't ibang pamamaraan ang ginagamit para sa paggawa ng mga electrodes gamit ang graphene at dalawa sa mga ito ay:
Paggawa ng Graphene Foam
Ang graphene electrode na nilikha gamit ang graphene foam ay nagbibigay ng mas mataas na conductivity, magaan at nababaluktot na mga electrodes na ang lugar ay maaaring pahabain ng hanggang ilang cm. 2 at ang taas hanggang ilang millimeters. Ang graphene foam ay nilikha ng chemical vapor deposition technique sa pamamagitan ng pagpapalaki nito sa nickel o copper foam. Kapag ang isang graphene foam ay ginawa sa tansong foam, ito ay gumagawa ng isang mataas na kalidad na graphene layer, ngunit ang istraktura ay madaling gumuho kapag ang metal na suporta ay tinanggal. Gayunpaman, ang isang Nickel foam sa halip ay maaaring gamitin upang lumikha ng isang multilayer graphene layer na maaaring maingat na hilahin mula sa metal na suporta nang walang anumang pinsala. Bukod dito, ang pinababang graphene oxide ay maaari ding mabuo sa pamamagitan ng Nickel foam gamit ang chemical synthesis na ito. Ang ilang mga additives ay ginagamit kasama ng graphene na tumutulong sa pagkamit ng mataas na densidad ng kapangyarihan at nagbibigay ng mas maiikling mga landas para sa mga electron at ion kaya tumataas ang bilis ng mga singil. Ang mga additives na ito ay maaaring mga metal oxide, conductive polymers, at metal hydroxides, na ginagawang mas mura ang paggawa ng mga electrodes na nakabatay sa graphene.
Ang larawan sa itaas ay naglalarawan ng proseso ng pagbuo ng graphene layer gamit ang chemical vapor deposition method.
Paggawa sa pamamagitan ng Laser Writing
Ang pamamaraan ng pagsusulat ng laser ay medyo mas mura at gumagawa ng 3D porous na graphene sa isang hakbang sa pamamagitan ng pagbabawas ng diskarte sa pagbawas ng malaking lugar. Sa pamamaraang ito muna, ang isang manipis na layer ng graphene ay idineposito sa template, at pagkatapos ay ang komersyal na laser ay nag-iilaw sa layer ng graphene oxide. Kapag ang ilaw ng laser ay naganap sa graphene oxide, lumilikha ito ng porous conductive material sa lugar ng pagkakalantad.
Bilang resulta, ang ibabaw na lugar para sa mga electrolyte ions ay nadagdagan at ang nilalaman ng oxygen ay nabawasan nang malaki. Tulad ng sa nakaraang pamamaraan, ang ilang mga additives ay maaaring gamitin sa direktang pagsulat ng laser na ang substrate ay maaaring isang pinaghalong graphene oxide at polimer o ang substrate ay maaari lamang polymer din. Narito ang isang imahe na naglalarawan sa proseso ng direktang pagsulat ng laser:
Pagganap ng supercapacitors na nakabatay sa graphene
Ang mga graphene capacitor ay may epektibong paglilipat ng elektron at ion, na nagreresulta sa mataas na kapasidad ng gravimetric at volumetric. Bukod dito, nagpapakita sila ng mas mataas na katatagan ng cycle rate at mas mataas na kakayahan sa enerhiya.
Upang pag-aralan ang pagganap at pag-uugali ng iba't ibang mga kagamitan sa pag-iimbak ng enerhiya, isang Ragone plot ang ginagamit kung saan ang halaga ng tiyak na enerhiya (Wh/Kg) ay naka-plot laban sa tiyak na kapangyarihan (W/Kg). Gumagamit ang graph ng log scale para sa parehong mga palakol. Ang y-axis ay sumusukat sa tiyak na enerhiya, na kung saan ay ang dami ng enerhiya sa bawat yunit ng masa. Ang x-axis ay sumusukat sa densidad ng kapangyarihan, na siyang rate ng paghahatid ng enerhiya sa bawat yunit ng masa.
Ang isang punto sa plot ng Ragone kaya sa madaling salita ay nagbibigay ng dami ng oras kung saan ang enerhiya (bawat unit mass) sa y-axis ay maaaring maihatid sa kapangyarihan (bawat unit mass) sa x-axis, at sa oras na iyon ( sa isang oras) ay ibinibigay bilang ratio sa pagitan ng enerhiya at mga density ng kapangyarihan. Kasunod nito, ang mga iso-curves (pare-parehong oras ng paghahatid) sa isang Ragone plot ay mga tuwid na linya na may unity slope. Ang Ragone plot sa ibaba ay nagpapakita ng partikular na enerhiya (Wh/Kg) Versus Specific power (W/Kg) para sa iba't ibang device na nag-iimbak ng enerhiya:
Konklusyon
Ang graphene capacitor ay isang uri ng supercapcaitor na may mga electrodes na gawa sa graphene na nagmumula sa graphite. Nagbibigay ang Graphene ng malaking surface area sa electrolyte na nagreresulta sa pagtaas ng capacitance at mayroon ding maliit na oras ng pagsingil. Bukod dito, mayroong iba't ibang mga diskarte para sa paglikha ng mga graphene electrodes, dalawa sa kanila ay: graphene foam at direktang pagsulat ng laser.