محققان دانشگاه شهید بهشتی تهران توانستند با استفاده از فناوری نانو و ساخت مواد الکترودی مناسب، ابرخازن‌هایی با ظرفیت ویژه بالا تولید کنند. این ابزار ذخیره انرژی در قطعات کامپیوتری، دستگاه‌های پزشکی و درب‌های برقی در زمان قطعی برق کمک شایانی به کاربرها خواهد کرد.
با استفاده از فناوری نانو درب‌های برقی در مواقع قطعی برق کار می‌کنند
سید سعید سیدحسینی‌داورانی محقق این طرح درباره دستاوردهای این پژوهش گفت: «یکی از روش‌های پیشنهادی برای ذخیره‌سازی انرژی، استفاده از ابزارهایی موسوم به ابرخازن‌ها می‌باشد. مواد الکترودی نقش مهمی در ساخت ابرخازن‌های با ظرفیت ویژه بالا دارند. به ویژه، مواد الکترودی سولفیدی و فسفیدی با ساختار متخلخل برای ساخت ابرخازن‌ها مناسب‌تر هستند. در این کار از سولفید فلزی ZnGa2S4 با ساختار چند پوسته کروی متخلخل به عنوان قطب مثبت و فسفید فلزی FeP با ساختار کره توخالی متخلخل استفاده شده است. به دلیل انتخاب مواد الکترودی مثبت و منفی مناسب در این کار، ظرفیت خازن و انرژی به‌دست آمده حاصل از ساخت دستگاه دو الکترودی نامتقارن، بالا می‌باشد. هدف اصلی در این کار، افزایش چگالی انرژی ابرخازن نامتقارن است، که در این کار نسبت به کارهای دیگر انجام شده در دنیا، چگالی انرژی ابرخازن ساخته‌شده، بیشتر است.»
از این ابرخازن‌ها می‌توان در قطعات کامپیوتری، دستگاه‌های پزشکی، صنایع نظامی، ماشین‌ها و لوکوموتیوهای برقی، هواپیماهای برقی، مدارهای ال ای دی پرتوان، درب‌های برقی برای مواقع قطعی برق و مدارهایی که نیاز به خازن‌های با زمان شارژ و دشارژ سریع دارند استفاده کرد.
داورانی با اشاره به قابلیت صنعتی‌شدن این طرح گفت: «برای ساخت مواد الکترودی مثبت و منفی با چنین مورفولوژی منحصر به فردی، به دستگاه‌ها و اتوکلاوهای بسیار بزرگ و سیستم‌های پیشرفته‌تر نیاز است و برای حصول آن نیاز به همکاری بین صنعت و دانشگاه است.»
وی درباره ضرورت انجام طرح می‌گوید: «اخیراً یکی از بزرگترین نگرانی‌ها برای جوامع بشری، تولید انرژی با بازدهی بالا و همچنین استفاده از وسایل ذخیره انرژی با ویژگی‌های منحصربه‌فرد می‌باشد. این ویژگی‌ها شامل سبک‌وزن‌بودن و قابلیت حمل آسان و بی‌دردسر بوده که می‌توانند فاکتورهای مهمی در انتخاب وسایل ذخیره انرژی به حساب آیند. در حقیقت عامل مهم در انتخاب ابزاری با این مشخصات، استفاده از مواد با قابلیت ذخیره انرژی بالا و مقرون به صرفه بودن این مواد در ساخت ابزارهای ذخیره انرژی می‌باشد. اگر چه تحقیقاتی در مورد طراحی وسایل ذخیره انرژی و ابرخازن‌ها وجود دارد اما آن‌ها دارای مشکلاتی از قبیل پیچیدگی مراحل ساخت مواد، دانسیته انرژی نسبتاً پایین و استفاده از مواد نسبتاً گران‌قیمت هستند. باید توجه داشت که یک ابزار ذخیره انرژی مناسب باید مقرون به صرفه بوده، قابلیت بالا در ذخیره انرژی داشته باشد و حمل‌ونقل آسان داشته باشد و در نهایت بر روی محیط زیست اثر مخرب نداشته باشد. در نتیجه ساخت ابرخازنی به روش مناسب که دارای ویژگی‌های مقرون به صرفه بودن، چگالی انرژی قابل قبول و قابل حمل آسان باشد بسیار حائز اهمیت است.»
امروزه در کارهای انجام‌شده بر روی ابرخازن‌ها، قطب منفی معمولاً ترکیبات کربنی مثل کربن فعال و یا گرافن است که دارای ظرفیت ویژه خازنی کمی هستند و در نتیجه چگالی انرژی به‌دست آمده در دستگاه نامتقارن ساخته‌شده بالا نیست. به گفته پژوهشگر این طرح، در این کار از قطب منفی فسفیدی FeP استفاده شد که نسبت به ترکیبات کربنی، ظرفیت خازنی بیشتری دارد و در نتیجه چگالی انرژی دستگاه ساخته شده (۷۲٫۷۸ وات ساعت بر کیلوگرم)، بیشتر است.
پژوهشگر دانشگاه شهید بهشتی تهران درباره سازوکار اثر استفاده از فناوری نانو در این طرح گفت: «با استفاده از ویژگی نانو بودن ذرات، انتقال بار در دستگاه ساخته‌شده بیشتر و در نتیجه با افزایش انرژی تولیدی نتایج بهتری به‌دست آمد.»
این مقاله حاصل یک پروژه دانشگاهی و با همکاری اکبر محمدی زردخشویی، سید سعید سیدحسینی‌داورانی، مونا ملکی آشتیانی و مرتضی سرپرست در دانشگاه شهید بهشتی تهران بوده است که با عنوان Enhanced the energy density of supercapacitors via rose-like nanoporous ZnGa2S4 hollow spheres cathode and yolk-shell FeP hollow spheres anode در مجله Journal of power sources و با ضریب تأثیر ۹٫۱۲۷ در سال ۲۰۲۰ پذیرفته شده است.
