تولید ابرخازن‌های مبتنی بر گرافن

پژوهشگران موفق به ساخت خازن‌هایی با ظرفیت بالا شدند. این خازن‌ها که با استفاده
از گرافن تولید شده‌ است را می‌توان در خودروهای هیبریدی مورد استفاده قرار داد.

جی تانگ، رهبر گروه تحقیقاتی نانومواد یک بعدی در موسسه ملی علم مواد و کیان چنگ
دانشجوی دکترا در همین گروه موفق شدند دانسیته انرژی ابرخازن‌ها را به مقدار قابل
توجهی افزایش دهند. از این ابرخازن‌ها می‌توان در ذخیره انرژی الکتریکی استفاده کرد.

برای نیل به این هدف، محققان یک الکترود جدید تولید کرده‌اند که در آن از نانوورقه‌های
گرافنی استفاده شده بود. در این الکترود لایه‌های گرافن در میان نانولوله‌های کربنی
قرار گرفته‌اند به‌صورتی که نانولوله‌ها به حالت ساندویچی این لایه‌ها را در بر
گرفته‌اند.

بسیاری از باتری‌های جدید مانند باتری‌های هیبریدی فلز نیکل، به‌منظور رسیدن به
کارایی بالاتر و ظرفیت ذخیره انرژی بیشتر طراحی می‌شوند. در مقام قیاس با باتری‌ها،
خازن‌ها دارای دانسیته انرژی خروجی بیشتری بوده و قادرند خیلی سریع شارژ شوند.
همچنین آنها دوام بیشتری داشته و می‌توان از آنها در جاهایی که دمای بسیار بالا یا
پایین است استفاده کرد. خازن‌ها می‌توانند به کرات شارژ شده و مورد استفاده قرار
گیرند و در عین حال بسیار ایمن هستند. با تمام این مزایا، چالش بزرگی بر سر راه
استفاده از خازن‌ها وجود دارد. این چالش ظرفیت ذخیره‌سازی پایین خازن‌ها است.

برای افزایش قابل توجه دانسیته ذخیره انرژی، تیم تحقیقاتی تانگ با همکاری لو چانگ
کیو از دانشگاه کارولینای شمالی موفق شدند ساختار نانوکامپوزیتی مبتنی بر گرافن
تولید کنند. آنها از این ساختار به‌عنوان ماده اصلی سازنده الکترود استفاده کردند.
این گروه تحقیقاتی لایه‌های گرافن را در میان نانولوله‌های کربنی قرار دادند. نتایج
نشان داد که در این ساختار گرافنی مساحت سطحی ویژه (۲۶۳۰ مترمربع بر گرم) بسیار
بیشتر از مواد معمولی است. علاوه‌براین، نتایج نشان می‌دهد که نانولوله‌های کربنی
به‌عنوان متصل کننده در میان ورقه‌های گرافنی قرار گرفته است. این نانولوله‌ها نقش
مسیر هدایت کننده جهت جذب مقادیر انبوهی از یون‌های الکترولیت را سطح گرافن ایفا می‌کنند.
تانگ با استفاده از کامپوزیت نانولوله‌های کربنی به‌عنوان الکترود، موفق شد دانسیته
انرژی ۶۲٫۸ Wh/kg و دانسیته توان ۵۸٫۵ Kh/kg را با الکترولیت آلی به‌دست آورد. آنها
با استفاده از یک اسید یونی به عنوان الکترولیت موفق به تولید دانسیته انرژی ۱۵۵٫۶
Wh/kg شدند که این رقم قابل مقایسه با باتری‌های هیبریدی فلز نیکل است.

از میان کاربردهای صنعتی خازن‌ها می‌توان به استفاده از آنها در خودروهای هیبریدی و
الکتریکی اشاره کرد. از آنجایی که این روش تولید خازن‌ها ارزان قیمت بوده و قابل
تجاری سازی است، می‌توان از آنها برای این منظور استفاده کرد.