محققان دانشگاه Drexel آمریکا و Paul Sabatier فرانسه دریافتند، ظرفیت ابرخازن‌های کربنی با کاهش اندازه حفره‌های آن به کمتر از یک نانومتر، افزایش می‌یابد. این کشف می‌تواند در تهیه خازن‌های ظرفیت بالا مورد استفاده قرار گیرد.
افزایش ظرفیت خازن با کاهش در اندازه حفره‌های آنها
محققان دانشگاه Drexel آمریکا و Paul Sabatier فرانسه دریافتند، ظرفیت ابرخازن‌های کربنی با کاهش اندازه حفره‌های آن به کمتر از یک نانومتر، افزایش می‌یابد. این کشف می‌تواند در تهیه خازن‌های ظرفیت بالا مورد استفاده قرار گیرد.
Yury gogotsi از دانشگاه Drexel درباره یافته‌های گروه مطالعاتی خود معتقد است که، کاهش اندازه حفره‌ها به کمتر از ۱ نانومتر منجر به کاهش وزن، کوچکتر شدن و افزایش قدرت خازن می‌شود. این ویژگی ممکن است در درک عمیق‌تر حرکت یونی در کانال‌های کم عرض در برخی سیستم‌ها مانند سلول‌های بدن انسان به کار رود. در ابرخازن‌ها (یا خازن‌های الکتریکی دولایه) بار الکتریکی با جذب یون در سراسر سطح مواد با تخلخل بالا ذخیره می‌گردد. این ابرخازن‌ها ظرفیتی برابر با ده‌ها فاراد برای هر گرم ماده دارد در صورتی که در خازن‌های دی‌الکتریک معمولی این ظرفیت در حد چند میکرو فاراد است.
ظرفیت ذخیره‌سازی بالای این ابرخازن‌ها ناشی از یک دیواره جداکننده یک نانومتری میان یون‌های باردار و سطح کربن است. تاکنون، دانشمندان معتقد بوده‌اند که حفره‌های ابرخازن‌ها باید بزرگتر از یون الکترولیت باشند، تا بتواند ظرفیت بالایی را فراهم کند و همچنین زمان شارژ انرژی کاهش یابد.
از دانشگاه Paul Sabatier این تفکر را تغییر دادند آنها ظرفیت کربن‌های مختلف را که دارای حفره‌هایی با قطر بین صفر تا ۲۵/۲ نانومتر بودند، مورد آزمایش قرار دادند. کربن مشتق شده از کاربید تیتانیوم با حفره‌ای کمتر از یک نانومتر نشان داد که کاهش اندازه حفره‌ها موجب افزایش ظرفیت می‌شود. مطابق تئوری موجود با افزایش اندازه حفره‌ها از یک نانومتر به بالا به ازای هر افزایشی در اندازه حفره‌ها افزایشی را در ظرفیت شاهد خواهیم بود.
Gogotsi گفت: کار اولیه ما در ادامه کارهای انجام شده قبلی جهت افزایش اندازه حفره‌های مواد کربنی و تشخیص بهبود اثر آن بر ابرخازن‌ها بود. بر خلاف مطالعات قبلی استفاده از کربن مشتق شده از کاربید ویژگی مثبتی را برای ما به همراه داشت، به طوریکه ما توانستیم کاهش اندازه حفره‌های کربن را در محدوده وسیع و مناسبی تغییر دهیم.
محققین معتقدند که کاهش اندازه حفره‌ها به دو برابر اندازه یون‌های حل شده موجب کاهش ظرفیت معمول می‌گردد، زیرا لایه‌های یون‌های به هم فشرده از دیواره‌های حفره‌های مجاور پیوند خورده باعث کاهش فضای قابل دسترسی برای تشکیل لایه دوتایی می‌گردد.
اما اگر اندازه حفره به اندازه قطر یون برسد ظرفیت نرمال شده خازن صددرصد افزایش می‌یابد. دانشمندان یقین دارند که هنگام فشرده شدن یون به درون حفره لایه خارجی آن تغییر شکل می‌یابد، به طوری که فاصله بین مرکز یون و سطح آن کاهش می‌یابد و همین موجب افزایش ظرفیت می‌شود. به کارگیری حفره‌های کوچکتر از یک نانومتر موجب افزایش ظرفیت‌دهی از۵۵ F/cm3 تا ۸۰ F/cm3 می‌گردد.
محققان معتقدند امکان استفاده از این ابرخازن‌ها در کاربردهای مختلف وجود دارد. برای مثال کاهش عرض حفره‌ها موجب افزایش دانسیته انرژی شده ولی زمان تخلیه افزایش می‌یابد. این ویژگی برای وسایل نقلیه الکتریکی هیبریدی مناسب می‌باشد و استفاده از حفره‌های بزرگتر در موارد نیاز به قدرت پالسی مناسب است. به کارگیری مواد کربنی با حجم بالایی از حفره‌های باریک ممکن است هر دو ویژگی انرژی و قدرت را بهبود بخشد.
Gogotsi گفت: هم‌اکنون در حال کار روی پروژه‌ای جهت افزایش حجم حفره‌هایی با قطر کمتر از یک نانومتر هستیم این پروژه پیشرفت‌های کارکردی قابل توجهی را نشان می‌دهد. مرحله بعدی کار آزمایش این پدیده در سیستم‌های الکترولیتی می‌باشد که به ما اجازه اعمال ولتاژهای بالاتری را می‌دهد. با ترکیب نتایج این یافته‌ها ما احساس می‌کنیم که ابرخازن‌های تولیدی آینده بسیار کاراتر از نمونه‌های کنونی باشند.
این تیم تحقیقاتی نتایج کار خود را در نشریه Sciencexpress منتشر کردند.
