استفاده از نانوچمنزارهای میکروسکوپی برای بهبود عملکرد ابرخازن‌ها

شارژ کردن باتری‌ها نیاز به زمان زیادی دارد، زیرا انرژی را به صورت شیمیایی ذخیره می‌کنند. در مقابل، خازن‌ها که معمولاً در الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرند، به سرعت شارژ شده و انرژی را به صورت الکتریکی ذخیره می‌کنند، اما زمان نگهداری انرژی آنها پایین بوده و انرژی کمی را در خود ذخیره می‌کنند.

در سال‌های اخیر نوع جدیدی از خازن‌ها به نام ابرخازن‌ها توسعه یافته‌اند که می‌توانند هزاران بار بیشتر از خازن‌های استاندارد، انرژی را در خود ذخیره کنند. این امر باعث شده است دانشمندان پیشنهاد استفاده از این ابرخازن‌ها را در ابزارهای الکتریکی و حتی خودروهای برقی مطرح نمایند.

با این حال ابتدا باید ظرفیت ذخیره‌سازی آنها افزایش بیشری یابد. اخیراً محققان چینی راهکار جدیدی برای این امر پیشنهاد داده‌اند.

اسفنج یونی

ابرخازن‌ها ابزارهای ساده‌ای هستند. این ابزارها از طریق اعمال اختلاف پتانسیل به دو الکترود که در یک محلول معلق هستند، شارژ می‌شوند.بدنی ترتیب یون‌های مثبت به سمت یک الکترود و یون‌های منفی به سمت الکترود دیگر جذب می‌شوند.

انرژی به این دلیل در این ابزارها ذخیره می‌شود که الکترودها از مواد اسفنج مانندی ساخته شده‌اند که یون‌ها به خود جذب می‌کنند (همانند کربن فعال). تاکنون بهبود ظرفیت این ابرخازن‌ها در اثر بهبود حفرات این ماده کربنی حاصل شده است.

حال هائو ژانگ در موسسه تحقیقات دفاع شیمیایی در بیجینگ چین و همکارانش در دانشگاه پکینگ راهکار دیگری ارائه نموده‌اند. آنها یون‌ها را در اکسید منگنز ذخیره می‌کنند که نسبت به کربن فعال، ظرفیت ذخیره یون بسیار بالاتری دارد. با این حال و با وجودی که ظرفیت ذخیره‌سازی اکسید منگنز بسیار بالاست، اما رسانایی الکتریکی آن پایین بوده و این امر شارژ آن را توسط اعمال اختلاف پتانسیل با دشواری مواجه می‌کند.

شارژ دوگانه

این محققان مشکل مقاومت بالای اکسید منگنز را از طریق ایجاد یک «نانوچمنزار» متشکل از ساختارهای میکروسکوپی حل نمودند. این نانوچمنزار از گل‌های پرزدار اکسید منگنز هریک به قطر حدود ۱۰۰ نانومتر تشکیل شده است که روی زمینی از علف نانولوله‌ای کربنی نامنظم که روی فویل فلز تانتالیوم رشد داده شده است، قرار گرفته‌اند.

ژانگ می‌گوید هر یک از این گلها حداقل به دو تیغه علف متصل شده‌اند که این تیغه‌ها نقش بزرگراه الکترون را ایفا نموده و اتصال الکتریکی قوی برای گلها ایجاد می‌کنند. بدین ترتیب اکسید منگنز مقاوم الکتریکی می‌تواند شارژ شده و یون‌ها به خوبی در خود ذخیره کند.

در نتیجه، نانوچمنزار تولیدشده ده برابر بهتر از اکسید منگنز خالی عمل کرده و می‌تواند به میزان دو برابر ابرخازن‌های متشکل از الکترودهای کربنی، بار ذخیره کند.