پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف و دانشگاه صنعتی کوئینزلند (QUT) در دستاوردی تازه، نسل جدیدی از ابرخازنها را توسعه دادهاند که با بهرهگیری از الکترولیتهای ردوکس اسیدی و طراحی نانوساختاری الکترودها، به چگالی انرژی چشمگیر ۶۰.۳۷ واتساعتبرکیلوگرم دست یافته است؛ مقداری که عملکردی همسطح یا حتی بهتر از برخی باتریهای سرباسید را نشان میدهد. در این مطالعه، کرههای کربنی نیتروژندار با تخلخل بالا روی صفحات گرافیتی رشد داده شدند و پس از فعالسازی شیمیایی، بهعنوان بستر اصلی برای ساخت الکترودهای بدون بایندر به کار رفتند. افزوده شدن هیدروکینون سولفونیک اسید (HQSA) بهعنوان افزودنی ردوکس کاتدی و رنگ آلیزاریـن سرخ S (ARS) بهعنوان افزودنی ردوکس آندی، امکان گسترش پنجره ولتاژی و افزایش ظرفیت ویژه را فراهم کرد. ترکیب این ویژگیها، مسیر توسعه نسل جدیدی از سامانههای ذخیرهسازی انرژی را هموار میسازد که میتوانند در کاربردهای صنعتی با توان بالا و طول عمر زیاد مورد استفاده قرار گیرند.
طراحی ابرخازن نانویی با چگالی انرژی نزدیک به باتری اسید سرب
در سالهای اخیر، یکی از چالشهای اصلی فناوری ذخیرهسازی انرژی، یافتن راهکاری برای افزایش چگالی انرژی ابرخازنها بدون تضعیف توان و چرخهپذیری آنها بوده است. ابرخازنها به دلیل سرعت شارژ بالا، طول عمر بسیار زیاد و پایداری مناسب، جایگاهی کلیدی در سامانههای الکترونیکی و صنعتی دارند، اما چگالی انرژی آنها معمولاً بسیار کمتر از باتریها است. دستیابی به مقادیری نزدیک به باتری سرباسید، مدتها یک هدف فناورانه مهم تلقی میشد. در همین راستا، پژوهشی مشترک میان دانشگاه صنعتی شریف و دانشگاه کوئینزلند توانسته است یک ابرخازن نوین با چگالی انرژی بیسابقه ۶۰.۳۷ واتساعتبرکیلوگرم ایجاد کند و مسیر حرکت بهسوی نسل جدید سامانههای ذخیرهسازی انرژی را هموار سازد.
این دستاورد حاصل توسعه مجموعهای از الکترودهای مبتکرانه بر پایه کرههای کربنی نیتروژندار متخلخل (NPCS) و الکترولیتهای ردوکس دوسویه است. در مرحله نخست، پژوهشگران صفحات گرافیتی (GS) را با استفاده از امواج فراصوت بهطور جزئی لایهبرداری کرده و سطح آنها را زبر و فعالسازی کردند. همین سطوح زبرشده بهعنوان کلکتور جریان مورد استفاده قرار گرفتند. سپس نانوکرههای کربنی نیتروژندار با روش هیدروترمال روی این صفحات رشد داده شد تا بستری یکنواخت، چسبنده و بدون نیاز به بایندر برای ساخت الکترودهای کربنی فراهم شود.
گام بعدی استفاده از فعالسازی شیمیایی خلاقانه با ZnCl₂ بود. این فرایند موجب ایجاد شبکهای با تخلخل بالا و سطح ویژه قابلتوجه در NPCS شد که برای جذب گونههای ردوکس و انتقال یونها اهمیت بنیادی دارد. با این روش، الکترودهایی با ساختار سبک، پایدار و دارای رسانایی بهبودیافته حاصل شد که توانایی پذیرش گونههای فعال ردوکس را به شکل چشمگیری افزایش میدهند.
افزوده شدن هیدروکینون سولفونیک اسید (HQSA) همزمان چند نقش کلیدی در طراحی الکترود مثبت ایفا کرد. HQSA نهتنها بهعنوان افزودنی ردوکس کاتدی در الکترولیت به کار رفت، بلکه هنگام پوششدهی الکترود با پلیپیرول (PPY)، بهعنوان دوپانت در ساختار پلیمر رسانا نیز عمل کرد. این ترکیب هوشمندانه، منجر به تولید الکترودی شد که هم ظرفیت خازنی بالاتری دارد و هم تبادل بار سریعتری را تجربه میکند. پلیپیرول دوپشده با HQSA (PPY(HQSA)) بهصورت پوشش نانوساختاری روی NPCS رسوب داده شد تا الکترود مثبت دستگاه نهایی تشکیل شود.
برای الکترود منفی، پژوهشگران از همان NPCS-GS بدون پوشش پلیپیرول بهره بردند، اما این بار به کمک رنگ آلی آلیزارین سرخ S (ARS) بهعنوان افزودنی ردوکس آندی. ARS در الکترولیت نقش گونه فعال ردوکس را ایفا میکند و با افزودن مسیرهای تبادل الکترونی اضافی، ظرفیت ویژه الکترود منفی را بهبود میبخشد. این ترکیب دوسویه HQSA در سمت مثبت و ARS در سمت منفی، یک الکترولیت ردوکس دوگانه ایجاد کرده که باعث گسترش چشمگیر پنجره ولتاژی دستگاه تا حدود ۱.۸ ولت شده است؛ عددی که بهطور معمول در ابرخازنهای آبی بهسختی قابل دستیابی است.
پس از ساخت الکترودهای مثبت و منفی، دستگاه نهایی بهصورت یک ابرخازن نامتقارن PPY(HQSA)@NPCS-GS//NPCS-GS مونتاژ شد. این سامانه که با الکترولیت ردوکس دوگانه HQSA (کاتدی) و ARS (آندی) کار میکند، توانست ظرفیت ویژهای در حدود ۱۳۴.۱۶ فاراد بر گرم ثبت کند. حاصل کار چگالی انرژی ۶۰.۳۷ واتساعتبرکیلوگرم بود که آن را در محدوده عملکرد برخی باتریهای سرباسید قرار میدهد. در کنار این چگالی انرژی بالا، چگالی توان ۶۳۰ واتبرکیلوگرم نیز ثبت شد که نشان میدهد سرعت شارژ و تخلیه همچنان مناسب است و مسئله کاهش توان که در بسیاری از ابرخازنهای ردوکسافزوده دیده میشود، در این طراحی با موفقیت کنترل شده است.
پژوهشگران افزون بر شاخصهای الکتروشیمیایی، آزمون کاربردی دستگاه را نیز انجام دادند. ابرخازن ساختهشده توانست چندین LED قرمز و آبی را برای چند دقیقه روشن نگه دارد و نشان دهد که این سامانه تنها یک ساختار آزمایشگاهی نیست، بلکه قابلیت عملی برای کاربردهای واقعی دارد. این رفتار، بهویژه برای کاربردهایی مانند میکروساختارهای قابلحمل، حسگرهای مستقل انرژی و سامانههای ذخیرهسازی مقیاس متوسط اهمیت دارد.
نتایج این پژوهش ثابت میکند که استفاده از الکترولیتهای فعال ردوکس یک مسیر جدی برای افزایش ظرفیت ویژه و انرژی ابرخازنها است، به شرط آنکه چالشهایی مانند پایداری گونه ردوکس، انحلال، انتقال آهسته یون و کاهش توان با طراحی نانوساختاری مناسب و تنظیم دقیق مواد پلیمری و کربنی برطرف شود. این کار نشان داد که ترکیب الکترودهای بدون بایندر، ساختارهای متخلخل با سطح ویژه بالا، پلیمرهای رسانای دوپشده و الکترولیتهای مهندسیشده، امکان رقابت ابرخازنها با باتریهای سنتی را فراهم میکند.
این پژوهش مشترک دانشگاه صنعتی شریف و QUT با ارائه یک مسیر چندمرحلهای خلاقانه، تصویری روشن از نسل آینده سامانههای ذخیرهسازی انرژی ارائه میدهد؛ سامانههایی که علاوه بر پایداری چرخهای بالا و توان مناسب، چگالی انرژی رقابتی در حد باتریها خواهند داشت. این کار میتواند نقطه آغاز توسعه ابرخازنهایی باشد که در مقیاس صنعتی، جایگزینی مؤثر در کاربردهای حملونقلی، الکترونیکهای قابلحمل، و سامانههای توان پشتیبان به شمار آیند.
نتایج این پروژه در قالب مقالهای با عنوان Revealing Energy Density in Porous Carbon Supercapacitors Using Hydroquinone Sulfonic Acid as Cathodic and Alizarin Red S as Anodic Redox Electrolytes در نشریه nano micro Small به چاپ رسیده است.
