محققان دانشگاه صنعت نفت آبادان (شهید تندگویان) در راستای افزایش طول عمر ابرخازن‌ها به بررسی تأثیر نانوذرات و چگونگی چیدمان آن‌ها در ساختار الکترود خازنی پرداختند. روش به کار رفته در ساخت این ابرخازن بسیار ساده و سریع است.
آبادان: تلاش برای افزایش طول عمر ابرخازن‌ها به کمک نانوذرات
خازن‌های الکتروشیمیایی یا همان ابرخازن‌ها، سیستم‌های ذخیره‌‌ی انرژی هستند که در مقابل باتری‌ها توان آزادسازی انرژی بالاتری داشته و نسبت به خازن‌ها در ذخیره‌‌ی انرژی عملکرد بهتری دارند. با وجود تقاضای زیاد برای ساخت ابرخازن‌ها به کمک نانوساختارها، رسوب یون‌های الکترولیت در منافذ نانومتری و کاهش کارایی ابرخازن، یک معضل بحث برانگیز است.
در این پژوهش تلاش شده دلایل کاهش عملکرد ابر خازن بررسی شود. همچنین از نانوذرات اکسید زیرکونیوم در کنار گرافن و کربن سیاه نانو متخلخل، جهت بهبود عملکرد تیغه‌های الکترود ابرخازن استفاده شده است.
به گفته‌ی مهندس مهدی رباط سرپوشی، در راستای این هدف، تأثیر حضور نانوذرات و چیدمان آن‌ها و اثر یون الکترولیت بر عملکرد الکترود مورد مطالعه قرار گرفته است. با نتایج بدست آمده می‌توان جهت افزایش عمر چرخه‌های ابرخازن‌ها گام برداشت. لازم به ذکر است که در ساخت این الکترود، از فرایند پرس مکانیکی، به عنوان روشی سریع و آسان، بهره گرفته شده است.
ابرخازن‌ها در صنایع مختلفی که نیازمند توان بالای برق هستند، کاربرد دارد. از این‌رو، نتایج این طرح در ساخت لیزرهای توان بالا، منبع نیروی خودروهای هیبریدی و الکتریکی، حدف نواسانات خطوط فشار قوی توزیع نیرو الکتریکی در صنایع برق قدرت و همچنین ذخیره‌سازی انرژی‌های نو همچون انرژی خورشید، باد و موج کاربردی خواهد بود.
رباط سرپوشی عنوان کرد: «بهینه‌سازی تخلخل مواد به کار رفته در تیغه‌های ابرخازن، پس از چندین بار شارژ و تخلیه‌ی شارژ می‌تواند منجر به نزول آهنگ کاهشی سطح فعال و توان ابرخازن گردد.»
وی در ادامه افزود: «همانگونه که اشاره شد، به منظور افزایش سطح مخصوص الکترود از ترکیب نانو ذرات اکسید زیرکونیوم در کنار گرافن و کربن سیاه نانو متخلخل استفاده شده است. ابرخازن طراحی شده به کمک روش‌های ولتامتری چرخه‌ای، طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی و میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد ارزیابی قرار گرفته است.»
در آزمون‌های انجام شده مشخص گردید که اکسید زیرکونیوم پس از چندین دوره شارژ و تخلیه‌ی شارژ، بر سطح الکترود رسوب نموده و همین امر به کاهش سطح مخصوص الکترود و در نتیجه کاهش انرژی قابل ذخیره منجر خواهد شد. با محاسبات انجام گرفته، اگر سطوح الکترود تولیدی به دو قسمت داخلی (داخل حفرات) و خارجی (سطوح بیرون از حفرات) تقسیم شود، سطوح داخلی با افزایش تعداد دوره‌‌های شارژ و تخلیه‌ی شارژ خازن، توسط رسوب‌گذاری زیرکونیوم مسدود شده و عملاً میزان ذخیره سازی انرژی و نسبت انرژی ذخیره شده در سطح داخلی به کل انرژی ذخیره شده را کاهش می‌دهد.
علاوه بر این، ساختار نانو متخلخل کربن سیاه در حالی که با افزایش سطح مخصوص ماده به افزایش انرژی ذخیره شده کمک می‌کند، اما به دلیل مساعد بودن برای جوانه زنی رسوب گذاری الکترولیت در نواحی متخلخل، پس از چندین سیکل به کم کردن سطح فعال و کاهش توان الکترود منجر خواهد شد.
نتایج این کار در مجله‌ی Materials Science in Semiconductor Processing (جلد ۳۰، شماره ۱، سال ۲۰۱۵، صفحات ۶۲۵ تا ۶۳۰) به چاپ رسیده است. دکتر محمد رضا شیشه ساز، عضو هیأت علمی دانشگاه صنعت نفت، مهندس مهدی نصیبی، کارشناس ارشد مهندسی بازرسی فنی، مهندس مهدی رباط سرپوشی، کارشناس ارشد بازرسی فنی از همین دانشگاه، مهندس محمد رضا برهانی، کارشناس ارشد مهندسی مواد از دانشگاه مالک اشتر، و پروفسور زکی احمد ، عضو هیأت علمی دانشگاه COMSATS پاکستان، در این طرح همکاری داشته‌اند.
در این پژوهش تلاش شده دلایل کاهش عملکرد ابر خازن بررسی شود. همچنین از نانوذرات اکسید زیرکونیوم در کنار گرافن و کربن سیاه نانو متخلخل، جهت بهبود عملکرد تیغه‌های الکترود ابرخازن استفاده شده است.
به گفته‌ی مهندس مهدی رباط سرپوشی، در راستای این هدف، تأثیر حضور نانوذرات و چیدمان آن‌ها و اثر یون الکترولیت بر عملکرد الکترود مورد مطالعه قرار گرفته است. با نتایج بدست آمده می‌توان جهت افزایش عمر چرخه‌های ابرخازن‌ها گام برداشت. لازم به ذکر است که در ساخت این الکترود، از فرایند پرس مکانیکی، به عنوان روشی سریع و آسان، بهره گرفته شده است.
ابرخازن‌ها در صنایع مختلفی که نیازمند توان بالای برق هستند، کاربرد دارد. از این‌رو، نتایج این طرح در ساخت لیزرهای توان بالا، منبع نیروی خودروهای هیبریدی و الکتریکی، حدف نواسانات خطوط فشار قوی توزیع نیرو الکتریکی در صنایع برق قدرت و همچنین ذخیره‌سازی انرژی‌های نو همچون انرژی خورشید، باد و موج کاربردی خواهد بود.
رباط سرپوشی عنوان کرد: «بهینه‌سازی تخلخل مواد به کار رفته در تیغه‌های ابرخازن، پس از چندین بار شارژ و تخلیه‌ی شارژ می‌تواند منجر به نزول آهنگ کاهشی سطح فعال و توان ابرخازن گردد.»
وی در ادامه افزود: «همانگونه که اشاره شد، به منظور افزایش سطح مخصوص الکترود از ترکیب نانو ذرات اکسید زیرکونیوم در کنار گرافن و کربن سیاه نانو متخلخل استفاده شده است. ابرخازن طراحی شده به کمک روش‌های ولتامتری چرخه‌ای، طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی و میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد ارزیابی قرار گرفته است.»
در آزمون‌های انجام شده مشخص گردید که اکسید زیرکونیوم پس از چندین دوره شارژ و تخلیه‌ی شارژ، بر سطح الکترود رسوب نموده و همین امر به کاهش سطح مخصوص الکترود و در نتیجه کاهش انرژی قابل ذخیره منجر خواهد شد. با محاسبات انجام گرفته، اگر سطوح الکترود تولیدی به دو قسمت داخلی (داخل حفرات) و خارجی (سطوح بیرون از حفرات) تقسیم شود، سطوح داخلی با افزایش تعداد دوره‌‌های شارژ و تخلیه‌ی شارژ خازن، توسط رسوب‌گذاری زیرکونیوم مسدود شده و عملاً میزان ذخیره سازی انرژی و نسبت انرژی ذخیره شده در سطح داخلی به کل انرژی ذخیره شده را کاهش می‌دهد.
علاوه بر این، ساختار نانو متخلخل کربن سیاه در حالی که با افزایش سطح مخصوص ماده به افزایش انرژی ذخیره شده کمک می‌کند، اما به دلیل مساعد بودن برای جوانه زنی رسوب گذاری الکترولیت در نواحی متخلخل، پس از چندین سیکل به کم کردن سطح فعال و کاهش توان الکترود منجر خواهد شد.
نتایج این کار در مجله‌ی Materials Science in Semiconductor Processing (جلد ۳۰، شماره ۱، سال ۲۰۱۵، صفحات ۶۲۵ تا ۶۳۰) به چاپ رسیده است. دکتر محمد رضا شیشه ساز، عضو هیأت علمی دانشگاه صنعت نفت، مهندس مهدی نصیبی، کارشناس ارشد مهندسی بازرسی فنی، مهندس مهدی رباط سرپوشی، کارشناس ارشد بازرسی فنی از همین دانشگاه، مهندس محمد رضا برهانی، کارشناس ارشد مهندسی مواد از دانشگاه مالک اشتر، و پروفسور زکی احمد ، عضو هیأت علمی دانشگاه COMSATS پاکستان، در این طرح همکاری داشته‌اند.
