محققان کشورمان با بهره‌گیری از فناوری نانو موفق شدند خواص مهم ابرخازن‌ها از جمله توان، انرژی و عمر مفید آن‌ها را افزایش دهند. نتایج این تحقیقات در حوزه‌ی پزشکی، اطلاعات و انرژی قابل کاربرد خواهد بود.
باشگاه پژوهشگران جوان: فناوری نانو در بهبود توان و انرژی ابرخازن‌ها
امروزه با افزایش روزافزون مصرف انرژی و کاهش منابع سوخت‌های فسیلی، تحقیقات بر روی منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر مثل باتری‌ها، پیل‌های سوختی و ابرخازن‌ها بسیار گسترش یافته است. در این میان، ابرخازن‌ها به دلیل زمان شارژ کم، توان بالا و عمر چرخه‌ای طولانی، توجه ویژه‌ای را به خود جلب کرده‌اند. از این‌رو، در این کار تحقیقاتی تلاش محققان در راستای بهبود خواصی چون ظرفیت، انرژی، توان و عمر چرخه‌ای ابرخازنی از جنس نیکل مولیبدات، با بهره‌گیری از ساختارهای بسیار منظم نانومتخلخل بوده است.
به گفته‌ی سید ابراهیم موسوی فرد، یکی از مشکلات عمده بر سر راه توسعه‌ی ابرخازن‌ها، انرژی پایین آن‌هاست. در این تحقیق با استفاده از ساختارهای نانومتخلخل نیکل مولیبدات انرژی ابرخازن به مقدار بسیار بالایی (۱۱۷ وات ساعت بر کیلوگرم) افزایش یافته است. توان و عمر چرخه‌ای این ابرخازن نیز به دلیل ساختار نانومتخلخل به کار رفته بهبود قابل توجهی داشته است. در نتیجه، ساختارهای بسیار منظم نانومتخلخل نیکل مولیبدات به عنوان یک ماده‌ی فعال با کارایی بسیار بالا برای استفاده در ابرخازن‌ها قابل استفاده است.
وی در ادامه افزود: «انرژی بالا باعث افزایش مدت زمان تخلیه شارژ ابرخازن خواهد شد. مثلاً فرض کنید تخلیه‌ی شارژ گوشی موبایل به‌جای ۲ روز، یک هفته طول بکشد. توان بالا باعث کوتاه‌تر شدن زمان شارژ خواهد شد؛ با این خاصیت امکان شارژ موبایل به جای ۳ ساعت، در ۵ دقیقه نیز وجود خواهد داشت. عمر چرخه‌ای طولانی نیز به معنای طولانی‌تر شدن عمر مفید ابرخازن بعد از هزاران بار شارژ شدن و تخلیه شارژ است.»
از جمله کاربردهای ابرخازن‌ها می‌توان به ساخت تجهیزات پزشکی، خودروهای الکتریکی، مایکروویو، توربین‌های بادی و به صورت کلی هر صنعتی که نیازمند جریان بالای الکتریکی در مقاطع زمانی کوتاه باشند، اشاره کرد.
در این تحقیق برای سنتز ساختارهای بسیار منظم نانومتخلخل از مزوپروس سیلیکاتی SBA-15 به عنوان قالب استفاده شده است. در بخش شناسایی از آزمون‌های مختلفی چون XRD، TEM، BET و BJH برای اثبات سنتز ماده با مشخصات مورد نظر بهره گرفته شده است. همچنین در بخش ارزیابی خواص ابرخازنی نیز آزمون‌های الکتروشیمیایی شامل CV، CD، Rate capability و Cyclic lifeانجام شده است.
به گفته‌ی سید ابراهیم موسوی فرد، یکی از مشکلات عمده بر سر راه توسعه‌ی ابرخازن‌ها، انرژی پایین آن‌هاست. در این تحقیق با استفاده از ساختارهای نانومتخلخل نیکل مولیبدات انرژی ابرخازن به مقدار بسیار بالایی (۱۱۷ وات ساعت بر کیلوگرم) افزایش یافته است. توان و عمر چرخه‌ای این ابرخازن نیز به دلیل ساختار نانومتخلخل به کار رفته بهبود قابل توجهی داشته است. در نتیجه، ساختارهای بسیار منظم نانومتخلخل نیکل مولیبدات به عنوان یک ماده‌ی فعال با کارایی بسیار بالا برای استفاده در ابرخازن‌ها قابل استفاده است.
وی در ادامه افزود: «انرژی بالا باعث افزایش مدت زمان تخلیه شارژ ابرخازن خواهد شد. مثلاً فرض کنید تخلیه‌ی شارژ گوشی موبایل به‌جای ۲ روز، یک هفته طول بکشد. توان بالا باعث کوتاه‌تر شدن زمان شارژ خواهد شد؛ با این خاصیت امکان شارژ موبایل به جای ۳ ساعت، در ۵ دقیقه نیز وجود خواهد داشت. عمر چرخه‌ای طولانی نیز به معنای طولانی‌تر شدن عمر مفید ابرخازن بعد از هزاران بار شارژ شدن و تخلیه شارژ است.»
از جمله کاربردهای ابرخازن‌ها می‌توان به ساخت تجهیزات پزشکی، خودروهای الکتریکی، مایکروویو، توربین‌های بادی و به صورت کلی هر صنعتی که نیازمند جریان بالای الکتریکی در مقاطع زمانی کوتاه باشند، اشاره کرد.
در این تحقیق برای سنتز ساختارهای بسیار منظم نانومتخلخل از مزوپروس سیلیکاتی SBA-15 به عنوان قالب استفاده شده است. در بخش شناسایی از آزمون‌های مختلفی چون XRD، TEM، BET و BJH برای اثبات سنتز ماده با مشخصات مورد نظر بهره گرفته شده است. همچنین در بخش ارزیابی خواص ابرخازنی نیز آزمون‌های الکتروشیمیایی شامل CV، CD، Rate capability و Cyclic lifeانجام شده است.
مراحل ساخت نانوساختار نیکل مولیبدات
با توجه به نتایج ارزیابی خواص ابرخازنی، این ساختار نانومتخلخل کارایی بسیار بالاتری نسبت به نمونه‌ی بدون تخلخل از خود نشان می‌دهد. موسوی فرد در توضیح این ویژگی افزود: «هر چه مساحت سطح در ابرخازن‌ها افزایش یابد، مقدار ماده‌ی بیشتری در معرض الکترولیت قرار گرفته و در نتیجه کارایی آن افزایش خواهد یافت. مطالعات متعدد نشان داده که کارایی ساختارهای منظم بسیار بالاتر از ساختارهای نامنظم است. از این‌رو موادی مانند نیکل مولیبدات با ساختارهای بسیار منظم نانومتخلخل را می‌توان به عنوان گزینه‌ی بسیار مناسب جهت استفاده در ابرخازن‌ها به شمار آورد.»
نتایج این تحقیقات در مجله‌ی Ceramics International (جلد ۴۱، شماره ۱، قسمت B، سال ۲۰۱۵، صفحات ۱۸۳۱ تا ۱۸۳۷) به چاپ رسیده و حاصل همکاری سید ابراهیم موسوی فرد، عضو باشگاه پژوهشگران جوان و دانشجوی دکترای شیمی دانشگاه تربیت مدرس، جواد شمسی، دانش‌آموخته‌ی دانشگاه تهران، و مجتبی عیاض پور، دانش‌آموخته‌ی دانشگاه علم و صنعت ایران، است.
