Конденсаторы — это прежде всего устройства хранения заряда, но по сравнению с батареями они имеют гораздо меньшую емкость для хранения заряда. Однако срок их службы намного выше, чем у батарей, основной принцип работы конденсаторов один и тот же, несмотря на то, что они делятся на разные категории в зависимости от их внутренней конструкции. Графеновый конденсатор — это тип суперконденсатора, который имеет слои графена, которые обеспечивают гораздо более свободное движение электронов и позволяют эффективно рассеивать тепло.
Контур:
- Что такое суперконденсаторы?
- Работа суперконденсаторов
- Графеновый суперконденсатор
- Электроды на основе графена в суперконденсаторах
- Суперконденсаторы на основе графена Производительность
- Заключение
Что такое суперконденсаторы?
Чтобы понять, что такое графеновый конденсатор, необходимо иметь знания о суперконденсаторах, поскольку графеновый конденсатор также подпадает под категорию суперконденсаторов. В отличие от обычных конденсаторов, ужинные имеют другую внутреннюю конструкцию, что также влияет на их свойства. Суперконденсатор имеет электролиты, разделенные изолирующей средой, и электроды из активированного угля, контактирующие с электролитом. Электролитом в основном служит серная кислота или оксид калия, а сепаратором обычно служит каптон:
Работа суперконденсаторов
Когда суперконденсатор не подключен к какому-либо источнику питания, заряды независимо от их полярности рассеиваются по электролиту, когда источник питания подключен поперек него, из конденсатора начинает течь ток, и по мере того, как анод получает положительный заряд, весь отрицательные ионы в электролите имеют тенденцию двигаться к анодному электроду. В то время как катод заряжается отрицательно, и все положительные ионы движутся к катоду:
Эта сила притяжения между электродом и электролитом является электростатической силой, и это притяжение ионов к электродам вызывает образование двойного электрического слоя. Этот слой отвечает за хранение зарядов, и из-за образования этого слоя суперконденсаторы также называют электрическими двухслойными конденсаторами.
Именно так заряжается суперконденсатор, и когда к клеммам суперконденсатора подключается какая-либо нагрузка, заряд на электродах начинает течь из нагрузки. Таким образом, оба электрода начинают терять заряд, поскольку они не могут притягивать заряды, и в результате, когда все заряды покидают электроды, конденсатор разряжается.
Итак, теперь ионы снова рассеиваются по электролитам, и именно так работает простой суперконденсатор.
Графеновый суперконденсатор
Графен получается из графита, который в основном содержится внутри карандашей и представляет собой углеродный электрод с таким же количеством атомов, но они устроены по-разному. В отличие от графита, графен имеет двумерный одноатомный слой, расположенный в форме шестиугольных сот. Эта структура позволяет атомам создавать прочные ковалентные связи, что придает им более высокую прочность на разрыв и высокую гибкость. Благодаря этим свойствам графен позволяет электронам свободно перемещаться и обладает более высокой электропроводностью.
Поскольку суперконденсаторы имеют более короткие расстояния между пластинами, что позволяет им хранить больше статического заряда, графен имеет очень тонкий слой размером с атом по сравнению со слоем алюминия. Таким образом, графеновый конденсатор имеет существенно большую площадь поверхности, что позволяет ему хранить больше энергии по сравнению с другими суперконденсаторами.
Электроды на основе графена в суперконденсаторах
Графен, как упоминалось выше, обеспечивает большую площадь поверхности, что увеличивает способность конденсатора хранить заряд. Для изготовления электродов с использованием графена используются различные технологии, две из них:
Изготовление из графеновой пены
Графеновый электрод, созданный с использованием вспененного графена, обеспечивает более высокую проводимость, легкий и гибкий электрод, площадь которого можно увеличить до нескольких см. 2 и высотой до нескольких миллиметров. Пенопласт графена создается методом химического осаждения из паровой фазы путем выращивания его на пенопласте никеля или меди. Когда пенопласт графена создается на пенопласте меди, образуется высококачественный слой графена, но структура может легко разрушиться при удалении металлической опоры. Однако вместо этого можно использовать пену никеля для создания многослойного графенового слоя, который можно осторожно снять с металлической опоры без каких-либо повреждений. Кроме того, восстановленный оксид графена также можно получить из пены никеля с помощью этого химического синтеза. С графеном используются некоторые добавки, которые помогают достичь высокой плотности мощности и обеспечивают более короткие пути для электронов и ионов, тем самым увеличивая скорость зарядов. Этими добавками могут быть оксиды металлов, проводящие полимеры и гидроксиды металлов, что делает изготовление электродов на основе графена менее дорогостоящим.
Изображение выше иллюстрирует процесс формирования слоя графена с использованием метода химического осаждения из паровой фазы.
Изготовление методом лазерной записи
Метод лазерной записи сравнительно менее затратен и позволяет производить трехмерный пористый графен за один этап за счет сокращения технологии уменьшения большой площади. В этом методе сначала на шаблон наносится тонкий слой графена, а затем коммерческий лазер облучает слой оксида графена. Когда лазерный свет падает на оксид графена, он создает пористый проводящий материал в зоне воздействия.
В результате площадь поверхности ионов электролита увеличивается, а содержание кислорода значительно снижается. Как и в предыдущем методе, при прямой лазерной записи можно использовать некоторые добавки, то есть подложка может представлять собой смесь оксида графена и полимера или подложка может быть также только полимерной. Вот изображение, иллюстрирующее процесс прямой лазерной записи:
Суперконденсаторы на основе графена Производительность
Графеновые конденсаторы обладают эффективным переносом электронов и ионов, что приводит к высокой весовой и объемной емкости. Кроме того, они демонстрируют более высокую стабильность скорости цикла и более высокую энергетическую способность.
Для изучения производительности и поведения различных устройств хранения энергии используется график Рагона, на котором значение удельной энергии (Втч/кг) отображается в зависимости от удельной мощности (Вт/кг). На графике используется логарифмическая шкала для обеих осей. Ось Y измеряет удельную энергию, которая представляет собой количество энергии на единицу массы. Ось X измеряет плотность мощности, которая представляет собой скорость передачи энергии на единицу массы.
Другими словами, точка на графике Рагона дает количество времени, в течение которого энергия (на единицу массы) по оси Y может быть передана в мощности (на единицу массы) по оси X, и это время ( в час) определяется как соотношение энергии и плотностей мощности. Впоследствии изокривые (постоянное время доставки) на графике Рагона представляют собой прямые линии с единичным наклоном. На графике Рагона ниже показана зависимость удельной энергии (Втч/кг) от удельной мощности (Вт/кг) для различных устройств накопления энергии:
Заключение
Графеновый конденсатор — это тип суперконденсатора, электроды которого изготовлены из графена, полученного из графита. Графен обеспечивает большую площадь поверхности электролита, что приводит к увеличению емкости, а также имеет небольшое время зарядки. Более того, существуют различные технологии создания графеновых электродов, две из них: вспененный графен и прямая лазерная запись.