Kondenzátory jsou primárně zařízení pro ukládání náboje, ale ve srovnání s bateriemi mají poměrně menší kapacitu pro ukládání náboje. Jejich životnost je však mnohem vyšší než u baterií, základní princip fungování kondenzátorů je stejný, přestože jsou rozděleny do různých kategorií podle vnitřní konstrukce. Grafenový kondenzátor je typ superkondenzátoru, který má vrstvy grafenu, které poskytují mnohem volnější pohyb elektronů a umožňují efektivní odvod tepla.
Obrys:
- Co jsou to superkondenzátory?
- Práce superkondenzátorů
- Grafenový superkondenzátor
- Elektrody na bázi grafenu v superkondenzátorech
- Výkon superkondenzátorů na bázi grafenu
- Závěr
Co jsou to superkondenzátory?
Pro pochopení grafenového kondenzátoru je nutné mít znalosti o superkondenzátorech, protože grafenový kondenzátor také spadá do kategorie superkondenzátorů. Na rozdíl od obecných kondenzátorů mají vrchní kondenzátory jinou vnitřní konstrukci, což také ovlivňuje jejich vlastnosti. Superkondenzátor má elektrolyty, které jsou odděleny izolačním médiem a mají elektrody z aktivního uhlí, které jsou v kontaktu s elektrolytem. Elektrolytem je hlavně kyselina sírová nebo oxid draselný a separátorem je obvykle Kapton:
Práce superkondenzátorů
Když není superkondenzátor připojen k žádnému zdroji energie, náboje bez ohledu na jejich polaritu jsou rozptýleny po elektrolytu, když je přes něj připojen zdroj energie, proud začne téct z kondenzátoru a když anoda získá kladný náboj, všechny záporné ionty v elektrolytu mají tendenci se pohybovat směrem k anodové elektrodě. Zatímco katoda je záporně nabitá a všechny kladné ionty se pohybují směrem ke katodě:
Tato přitažlivá síla mezi elektrodou a elektrolytem je elektrostatická síla a tato přitažlivost iontů k elektrodám způsobuje tvorbu elektrické dvojvrstvy. Tato vrstva je zodpovědná za ukládání nábojů a díky vytvoření této vrstvy se superkondenzátory nazývají také elektrické dvouvrstvé kondenzátory.
Takto se nabíjí superkondenzátor a když se na svorky superkondenzátoru připojí jakákoli zátěž, náboj na elektrodách začne proudit ze zátěže. Tímto způsobem začnou obě elektrody ztrácet náboj, protože nejsou schopny přitáhnout náboje a v důsledku toho, když všechny náboje opustí elektrody, kondenzátor se vybije.
Nyní jsou tedy ionty opět rozptýleny po elektrolytech a takto funguje jednoduchý superkondenzátor.
Grafenový superkondenzátor
Grafen pochází z grafitu, který je většinou uvnitř tužek a je to uhlíková elektroda se stejným počtem atomů, ale ty jsou uspořádány jinak. Na rozdíl od grafitu má grafen dvourozměrnou jednoatomovou vrstvu uspořádanou do šestiúhelníkového tvaru plástve. Tato struktura umožňuje atomům vytvářet silné kovalentní vazby, což jim dává vyšší pevnost v tahu a vysokou flexibilitu. Díky těmto vlastnostem umožňuje grafen elektronům volný pohyb a vyšší elektrickou vodivost.
Vzhledem k tomu, že superkondenzátory mají kratší vzdálenosti mezi deskami, což jim umožňuje uložit více statického náboje, má grafen velmi tenkou vrstvu o velikosti atomu ve srovnání s hliníkovou vrstvou. Grafenový kondenzátor má tedy podstatně větší povrch, což mu umožňuje uložit více energie ve srovnání s jinými superkondenzátory.
Elektrody na bázi grafenu v superkondenzátorech
Grafen, jak je zmíněno výše, poskytuje větší povrchovou plochu, která zvyšuje kapacitu kondenzátoru pro ukládání náboje. Pro výrobu elektrod pomocí grafenu se používají různé techniky a dvě z nich jsou:
Výroba grafenovou pěnou
Grafenová elektroda vytvořená pomocí grafenové pěny poskytuje vyšší vodivost, lehké a flexibilní elektrody, jejichž plochu lze rozšířit až na několik cm 2 a výška do několika milimetrů. Grafenová pěna je vytvořena technikou chemického napařování jejím pěstováním na niklové nebo měděné pěně. Když je grafenová pěna vytvořena na měděné pěně, vytváří vysoce kvalitní grafenovou vrstvu, ale struktura se může snadno zhroutit, když je kovový nosič odstraněn. Nicméně niklovou pěnu lze místo toho použít k vytvoření vícevrstvé grafenové vrstvy, kterou lze opatrně stáhnout z kovového nosiče bez jakéhokoli poškození. Kromě toho lze pomocí této chemické syntézy vytvořit redukovaný oxid grafenu prostřednictvím niklové pěny. S grafenem se používají některá aditiva, která pomáhají dosáhnout vysoké hustoty výkonu a poskytují kratší cesty pro elektrony a ionty, čímž se zvyšuje rychlost nabíjení. Těmito přísadami mohou být oxidy kovů, vodivé polymery a hydroxidy kovů, díky nimž je výroba elektrod na bázi grafenu méně nákladná.
Výše uvedený obrázek ilustruje proces tvorby grafenové vrstvy pomocí metody chemické depozice z plynné fáze.
Výroba laserovým psaním
Metoda laserového psaní je poměrně méně nákladná a produkuje 3D porézní grafen v jediném kroku snížením techniky zmenšení velké plochy. Při této metodě se nejprve na šablonu nanese tenká vrstva grafenu a poté komerční laser ozařuje vrstvu oxidu grafenu. Když laserové světlo dopadá na oxid grafenu, vytváří v oblasti expozice porézní vodivý materiál.
V důsledku toho se povrch pro ionty elektrolytu zvětší a obsah kyslíku se značně sníží. Stejně jako v předchozí metodě lze při přímém laserovém zápisu použít některá aditiva, tedy substrát může být směs oxidu grafenu a polymeru nebo substrát může být také pouze polymer. Zde je obrázek, který ilustruje proces přímého laserového psaní:
Výkon superkondenzátorů na bázi grafenu
Grafenové kondenzátory mají efektivní přenos elektronů a iontů, což má za následek vysokou gravimetrickou a objemovou kapacitu. Navíc vykazují vyšší stabilitu rychlosti cyklu a vyšší energetickou kapacitu.
Ke studiu výkonu a chování různých zařízení pro uchovávání energie se používá Ragonův graf, ve kterém je vynesena hodnota specifické energie (Wh/kg) proti specifickému výkonu (W/kg). Graf používá logaritmickou stupnici pro obě osy. Osa y měří měrnou energii, což je množství energie na jednotku hmotnosti. Osa x měří hustotu výkonu, což je rychlost dodávky energie na jednotku hmotnosti.
Bod v Ragonově grafu tedy jinými slovy udává množství času, během kterého může být energie (na jednotku hmotnosti) na ose y dodána ve výkonu (na jednotku hmotnosti) na ose x, a tento čas ( za hodinu) se udává jako poměr mezi hustotou energie a hustotou výkonu. Následně jsou izokřivky (konstantní dodací lhůta) v Ragonově grafu rovné čáry s jednotným sklonem. Níže uvedený Ragonův graf ukazuje specifickou energii (Wh/kg) versus specifický výkon (W/kg) pro různá zařízení pro ukládání energie:
Závěr
Grafenový kondenzátor je typ supercapcaitoru, který má elektrody vyrobené z grafenu, který pochází z grafitu. Grafen poskytuje elektrolytu velký povrch, což má za následek zvýšení kapacity a také má malou dobu nabíjení. Kromě toho existují různé techniky pro vytváření grafenových elektrod, dvě z nich jsou: grafenová pěna a přímé laserové psaní.