Kondensatorer er primært ladeopbevaringsenheder, men sammenlignet med batterierne har de ret mindre kapacitet til at opbevare ladning. Men deres levetid er langt længere end batterierne, det grundlæggende princip for drift af kondensatorer er det samme, selvom de er opdelt i forskellige kategorier baseret på deres indre konstruktion. Grafenkondensatoren er en type superkondensator, der har lag af grafen, der giver en meget mere fri bevægelse af elektronerne og tillader varmeafledning på en effektiv måde.
Omrids:
- Hvad er superkondensatorer?
- Drift af superkondensatorer
- Grafen superkondensator
- Grafenbaserede elektroder i superkondensatorer
- Grafenbaserede superkondensatorer Ydelse
- Konklusion
Hvad er superkondensatorer?
For at forstå grafenkondensatoren er det nødvendigt at have viden om superkondensatorerne, da grafenkondensatorer også falder ind under kategorien superkondensatorer. I modsætning til de generelle kondensatorer har aftensmadskondensatorerne en anden indvendig konstruktion, hvilket også påvirker deres egenskaber. Superkondensatoren har elektrolytter, der er adskilt af et isoleringsmedium og har aktiverede kulelektroder, der er i kontakt med elektrolytten. Elektrolytten er hovedsageligt svovlsyre eller kaliumoxid, og separatoren er normalt Kapton:
Drift af superkondensatorer
Når en superkondensator ikke er forbundet til nogen strømkilde, spredes ladningerne uanset deres polaritet over elektrolytten, når strømkilden er tilsluttet over den, begynder strømmen at strømme fra kondensatoren, og da anoden får den positive ladning hele de negative ioner i elektrolytten har en tendens til at bevæge sig mod anodeelektroden. Hvorimod katoden bliver negativt ladet, og alle de positive ioner bevæger sig mod katoden:
Denne tiltrækningskraft mellem elektroden og elektrolytten er den elektrostatiske kraft, og denne tiltrækning af ioner til elektroderne forårsager dannelsen af det elektriske dobbeltlag. Dette lag er ansvarlig for at lagre ladninger og på grund af dannelsen af dette lag kaldes superkondensatorer også elektriske dobbeltlagskondensatorer.
Sådan oplades superkondensatoren, og når enhver belastning er forbundet på tværs af superkondensatorens terminaler, begynder ladningen på elektroderne at strømme fra belastningen. På denne måde begynder begge elektroder at miste ladning, fordi de ikke er i stand til at tiltrække ladningerne, og som et resultat, når alle ladninger forlader elektroderne, er kondensatoren afladet.
Så nu er ionerne igen spredt ud over elektrolytterne, og sådan fungerer en simpel superkondensator.
Grafen superkondensator
Grafen kommer fra grafit, som for det meste er inde i blyanter og er en elektrode af kulstof med det samme antal atomer, men disse er arrangeret forskelligt. I modsætning til grafit har grafen et todimensionalt enkeltatomlag arrangeret i en sekskantet honeycomb-form. Denne struktur gør det muligt for atomerne at skabe stærke kovalente bindinger, hvilket giver det en højere trækstyrke og høj fleksibilitet. På grund af disse egenskaber tillader grafen elektronerne at bevæge sig frit og har højere elektrisk ledningsevne.
Da superkondensatorerne har kortere afstande mellem pladerne, hvilket giver dem mulighed for at lagre mere statisk ladning, har grafen et meget tyndt lag, der er på størrelse med et atom sammenlignet med aluminiumlaget. Grafenkondensatoren har således væsentligt mere overfladeareal, hvilket gør det muligt for den at lagre mere energi sammenlignet med andre superkondensatorer.
Grafenbaserede elektroder i superkondensatorer
Grafen som nævnt ovenfor giver et større overfladeareal, hvilket forbedrer kondensatorens kapacitet til at lagre ladning. Forskellige teknikker bruges til fremstilling af elektroder ved hjælp af grafen, og to af dem er:
Fremstilling af Graphene Foam
Grafenelektroden skabt ved hjælp af grafenskum giver højere ledningsevne, lette og fleksible elektroder, hvis areal kan udvides op til flere cm 2 og højden op til flere millimeter. Grafenskummet er skabt ved den kemiske dampaflejringsteknik ved at dyrke det på et nikkel- eller kobberskum. Når et grafenskum dannes på kobberskum, producerer det et grafenlag af høj kvalitet, men strukturen kan let kollapse, når metalstøtten fjernes. Imidlertid kan et nikkelskum i stedet bruges til at skabe et flerlags grafenlag, som forsigtigt kan trækkes fra metalstøtten uden skader. Desuden kan reduceret grafenoxid også dannes gennem nikkelskum ved hjælp af denne kemiske syntese. Nogle tilsætningsstoffer bruges sammen med grafen, som hjælper med at opnå høj effekttæthed og giver kortere veje for elektronerne og ionerne, hvilket øger ladningshastigheden. Disse additiver kan være metaloxider, ledende polymerer og metalhydroxider, som gør fremstillingen af grafenbaserede elektroder billigere.
Ovenstående billede illustrerer processen med at danne grafenlaget ved hjælp af den kemiske dampaflejringsmetode.
Fremstilling ved laserskrivning
Laserskrivningsmetoden er forholdsvis billigere og producerer 3D porøs grafen i et enkelt trin ved at reducere teknikken til reduktion af stort område. I denne metode afsættes først et tyndt lag grafen på skabelonen, og derefter bestråler den kommercielle laser grafenoxidlaget. Når laserlys falder ind på grafenoxidet, danner det porøst ledende materiale i eksponeringsområdet.
Som følge heraf øges overfladearealet for elektrolytionerne og iltindholdet reduceres betydeligt. Som i den foregående metode kan nogle tilsætningsstoffer bruges i direkte laserskrivning, dvs. at substratet kan være en blanding af grafenoxid og polymer, eller at substratet også kun kan være polymer. Her er et billede, der illustrerer processen med direkte laserskrivning:
Grafenbaserede superkondensatorer Ydelse
Grafenkondensatorerne har en effektiv elektron- og ionoverførsel, hvilket resulterer i høj gravimetrisk og volumetrisk kapacitet. Desuden udviser de en højere cyklushastighedsstabilitet og højere energikapacitet.
For at studere ydeevnen og adfærden af forskellige energilagringsenheder bruges et Ragone-plot, hvor værdien af specifik energi (Wh/Kg) plottes mod specifik effekt (W/Kg). Grafen bruger en log-skala for begge akser. Y-aksen måler den specifikke energi, som er mængden af energi pr. masseenhed. X-aksen måler effekttætheden, som er hastigheden af energitilførsel pr. masseenhed.
Et punkt i Ragone-plottet giver således med andre ord den tid, hvor energien (pr. masseenhed) på y-aksen kan leveres i kraften (pr. masseenhed) på x-aksen, og den tid ( på en time) er angivet som forholdet mellem energi- og effekttæthederne. Efterfølgende er iso-kurverne (konstant leveringstid) i et Ragone plot lige linjer med en enhedshældning. Nedenstående Ragone-plot viser den specifikke energi (Wh/Kg) Versus Specifik effekt (W/Kg) for forskellige energilagringsenheder:
Konklusion
Grafenkondensatoren er en type superkapaitor, der har elektroder lavet af grafen, der kommer fra grafit. Grafen giver et stort overfladeareal til elektrolytten, hvilket resulterer i en forøgelse af kapacitansen og har også en lille opladningstid. Desuden er der forskellige teknikker til at skabe grafenelektroder, to af dem er: grafenskum og direkte laserskrivning.