افزایش ظرفیت ابرخازن‌ها با کاهش اندازه حفره‌های کربنی

محققان دریافته‌اند که با کاهش اندازه حفره‌ها در ابرخازن‌های حاوی الکترولیت، میزان ظرفیت ذخیره انرژی درآن به مقدار قابل توجهی افزایش می‌یابد. آنها دلیل این افزایش را با شبیه سازی کشف کردند.

محققان دریافته‌اند که با کاهش اندازه حفره‌ها در ابرخازن‌های حاوی
الکترولیت، میزان ظرفیت ذخیره انرژی درآن به مقدار قابل توجهی افزایش می‌یابد.
آنها دلیل این افزایش را با شبیه سازی کشف کردند.

وقتی شما از نانومواد صحبت می‌کنید، حوزه‌ای را مد نظر دارید که چشم غیر
مسلح در دیدن آن بی‌فایده است. در واقع ممکن است سطح دارای پستی و بلندی‌هایی
باشد اما شما آنها را نبینید. همین مورفولوژی‌های کوچک می‌تواند ویژگی‌های
منحصر به‌فردی را به ماده اعطا کند که محققان در جستجوی استفاده از این
مزایا هستند.

یوری گوگوتسی و همکارانش از دانشگاه درکسل درصدد مشاهده یک ماده بودند که
احتمالا از آن در تولید ابرخازن‌ها استفاده کنند. این کار توسط آزمایشگاه
ملی اوک ریج انجام شد اما نتایج آن کاملا عجیب و دور از انتظار بود.

تیم یوری گوگوتسی دریافتند که اگر حفره‌های موجود در این ماده چروکیده شوند،
میزان ظرفیت ذخیره انرژی در ابرخازن ساخته شده از آن افزایش می‌یابد.
اندازه این حفره‌ها باید از حلال حاوی بارهای الکتریکی کوچک‌تر باشد.

 
خازن‌های دولایه الکتریکی، ابر خازن‌ها،
دارای مزایای نسبت به خازن‌های معمولی هستند. در این خازن‌ها به‌جای دو
صفحه فلزی و دی الکتریکی موجود در میان آنها، از یک الکترولیت استفاده می‌شود
که تشکیل دو لایه روی الکترودها می‌دهد. این الکترودها دارای مساحت سطحی
بالایی هستند.

می‌توان از یک ماده برای ساخت ابرخازن‌ها استفاده کرد به‌نحوی که یک مرز
نارسانا روی آن ایجاد شده و به این ترتیب این ماده به دو بخش تقسیم شود.اگر
در این سیستم از کربن دارای حفره‌های بسیار کوچک استفاده شود، ظرفیت ذخیره
انرژی آن به‌طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد.

تیم تحقیقاتی یوری گوگوتسی موفق به بهبود این سیستم شد. انرژی به شکل یون
در الکترولیت ذخیره می‌شود، کل یون‌ها با استفاده از مولکول‌های حلال
محاصره شده و روی نانوحفره‌های کربنی جای می‌گیرند. پژوهشگران قادر بودند
تا اندازه این حفره‌ها را کنترل کنند و آنها را تا ابعاد ۰٫۷ تا ۲٫۷
نانومتر کوچک کنند. چیزی که آنها یافتند این بود، با کاهش اندازه حفره‌ها
مقدار انرژی ذخیره شده افزایش می‌یابد، حتی اگر یون‌های موجود در حلال
نتواند درون فضای کوچک حفره قرار گیرد. اما چرا این پدیده عجیب اتفاق می‌افتد.

محققان با شبیه سازی کامپیوتری به بررسی این مسئله پرداختند. آنها برهمکنش
میان یون‌ها و سطح کربن را بررسی کردند، نتایج نشان داد که در این سیستم
پدیده‌ای اتفاق می‌افتد که در آن یون‌ها از پوسته خود بیرون جهیده و داخل
حفره ها می‌روند. دو نیروی الکترواستاتیکی و واندروالسی عامل این بیرون
جهیدن است.

پستی بلندی‌های روی کربن عامل افزایش مقدار انرژی جذب شده در این سیستم
است.

نتایج این تحقیق در نشریه Science به چاپ رسیده است.