المكثفات هي في المقام الأول أجهزة تخزين الشحن، ولكن بالمقارنة مع البطاريات، لديها قدرة أقل بكثير لتخزين الشحن. ومع ذلك، فإن عمرها الافتراضي أعلى بكثير من البطاريات، والمبدأ الأساسي لعمل المكثفات هو نفسه على الرغم من تقسيمها إلى فئات مختلفة بناءً على بنيتها الداخلية. مكثف الجرافين هو نوع من المكثفات الفائقة التي تحتوي على طبقات من الجرافين التي توفر حركة أكثر حرية للإلكترونات وتسمح بتبديد الحرارة بطريقة فعالة.
الخطوط العريضة:
- ما هي المكثفات الفائقة؟
- عمل المكثفات الفائقة
- مكثف الجرافين الفائق
- الأقطاب الكهربائية القائمة على الجرافين في المكثفات الفائقة
- أداء المكثفات الفائقة القائمة على الجرافين
- خاتمة
ما هي المكثفات الفائقة؟
لفهم مكثف الجرافين، من الضروري أن يكون لديك معرفة حول المكثفات الفائقة حيث أن مكثف الجرافين يندرج أيضًا ضمن فئة المكثفات الفائقة. على عكس المكثفات العامة، تتمتع المكثفات الفائقة ببنية داخلية مختلفة، مما يؤثر أيضًا على خصائصها. يحتوي المكثف الفائق على إلكتروليتات مفصولة بوسيط عازل ولها أقطاب كربون منشطة تتلامس مع الإلكتروليت. يتكون الإلكتروليت بشكل رئيسي من حمض الكبريتيك أو أكسيد البوتاسيوم، ويكون الفاصل عادةً هو الكابتون:
عمل المكثفات الفائقة
عندما لا يكون المكثف الفائق متصلاً بأي مصدر طاقة، فإن الشحنات بغض النظر عن قطبيتها تتناثر عبر الإلكتروليت، وعندما يتم توصيل مصدر الطاقة عبره، يبدأ التيار بالتدفق من المكثف، وعندما يحصل الأنود على الشحنة الموجبة جميعها. تميل الأيونات السالبة في المنحل بالكهرباء إلى التحرك نحو القطب الموجب. حيث أن الكاثود يكتسب شحنة سالبة وتتحرك جميع الأيونات الموجبة نحو الكاثود:
قوة الجذب هذه بين القطب والكهارل هي القوة الكهروستاتيكية وهذا الجذب للأيونات إلى الأقطاب الكهربائية يؤدي إلى تكوين الطبقة الكهربائية المزدوجة. هذه الطبقة مسؤولة عن تخزين الشحنات وبسبب تكوين هذه الطبقة، تُسمى المكثفات الفائقة أيضًا المكثفات الكهربائية مزدوجة الطبقة.
هذه هي الطريقة التي يتم بها شحن المكثف الفائق، وعندما يتم توصيل أي حمل عبر أطراف المكثف الفائق، تبدأ الشحنة الموجودة على الأقطاب الكهربائية بالتدفق من الحمل. بهذه الطريقة يبدأ كلا القطبين في فقدان الشحن لأنهما غير قادرين على جذب الشحنات ونتيجة لذلك عندما تترك جميع الشحنات الأقطاب الكهربائية يتم تفريغ المكثف.
والآن تتناثر الأيونات مرة أخرى عبر الإلكتروليتات، وهذه هي الطريقة التي يعمل بها المكثف الفائق البسيط.
مكثف الجرافين الفائق
يأتي الجرافين من الجرافيت الذي يوجد معظمه داخل أقلام الرصاص وهو عبارة عن قطب كهربائي من الكربون يحتوي على نفس عدد الذرات، ولكن يتم ترتيبها بشكل مختلف. على عكس الجرافيت، يحتوي الجرافين على طبقة أحادية الذرة ثنائية الأبعاد مرتبة على شكل قرص العسل السداسي. يسمح هذا الهيكل للذرات بإنشاء روابط تساهمية قوية مما يمنحها قوة شد أعلى ومرونة عالية. وبسبب هذه الخصائص، يسمح الجرافين للإلكترونات بالتحرك بحرية والحصول على موصلية كهربائية أعلى.
نظرًا لأن المكثفات الفائقة لها مسافات أقصر بين الألواح مما يسمح لها بتخزين المزيد من الشحنات الساكنة، فإن الجرافين يحتوي على طبقة رقيقة جدًا بحجم الذرة مقارنة بطبقة الألومنيوم. وبالتالي، فإن مكثف الجرافين لديه مساحة سطح أكبر بكثير، مما يسمح له بتخزين المزيد من الطاقة مقارنة بالمكثفات الفائقة الأخرى.
الأقطاب الكهربائية القائمة على الجرافين في المكثفات الفائقة
يوفر الجرافين كما هو مذكور أعلاه مساحة سطح أكبر مما يعزز قدرة المكثف على تخزين الشحنة. يتم استخدام تقنيات مختلفة لتصنيع الأقطاب الكهربائية باستخدام الجرافين واثنتين منها:
تصنيع بواسطة رغوة الجرافين
يوفر قطب الجرافين الذي تم إنشاؤه باستخدام رغوة الجرافين موصلية أعلى وأقطاب كهربائية خفيفة الوزن ومرنة يمكن تمديد مساحتها حتى عدة سم 2 والارتفاع يصل إلى عدة ملليمترات. يتم إنشاء رغوة الجرافين بواسطة تقنية ترسيب البخار الكيميائي عن طريق زراعتها على رغوة النيكل أو النحاس. عندما يتم إنشاء رغوة الجرافين على رغوة النحاس، فإنها تنتج طبقة جرافين عالية الجودة، ولكن الهيكل يمكن أن ينهار بسهولة عند إزالة الدعامة المعدنية. ومع ذلك، يمكن استخدام رغوة النيكل بدلاً من ذلك لإنشاء طبقة جرافين متعددة الطبقات يمكن سحبها بعناية من الدعامة المعدنية دون أي ضرر. علاوة على ذلك، يمكن أيضًا تكوين أكسيد الجرافين المخفض من خلال رغوة النيكل باستخدام هذا التركيب الكيميائي. يتم استخدام بعض الإضافات مع الجرافين مما يساعد في تحقيق كثافة طاقة عالية وتوفير مسارات أقصر للإلكترونات والأيونات وبالتالي زيادة سرعة الشحنات. يمكن أن تكون هذه الإضافات عبارة عن أكاسيد معدنية، وبوليمرات موصلة، وهيدروكسيدات معدنية، مما يجعل تصنيع الأقطاب الكهربائية القائمة على الجرافين أقل تكلفة.
الصورة أعلاه توضح عملية تشكيل طبقة الجرافين باستخدام طريقة الترسيب بالبخار الكيميائي.
التصنيع عن طريق الكتابة بالليزر
تعد طريقة الكتابة بالليزر أقل تكلفة نسبيًا وتنتج جرافين مسامي ثلاثي الأبعاد في خطوة واحدة عن طريق تقليل تقنية تقليل المساحة الكبيرة. في هذه الطريقة، يتم أولاً وضع طبقة رقيقة من الجرافين على القالب، ثم يقوم الليزر التجاري بإشعاع طبقة أكسيد الجرافين. عندما يسقط ضوء الليزر على أكسيد الجرافين فإنه يخلق مادة موصلة مسامية في منطقة التعرض.
ونتيجة لذلك، تزداد مساحة سطح أيونات الإلكتروليت وينخفض محتوى الأكسجين بشكل كبير. كما في الطريقة السابقة، يمكن استخدام بعض الإضافات في الكتابة بالليزر المباشرة حيث يمكن أن تكون الركيزة عبارة عن خليط من أكسيد الجرافين والبوليمر أو يمكن أن تكون الركيزة بوليمر فقط أيضًا. وهذه صورة توضح عملية الكتابة بالليزر المباشرة:
أداء المكثفات الفائقة القائمة على الجرافين
تتميز مكثفات الجرافين بنقل فعال للإلكترون والأيونات، مما يؤدي إلى قدرة وزنية وحجمية عالية. علاوة على ذلك، فإنها تظهر استقرارًا أعلى لمعدل الدورة وقدرة طاقة أعلى.
لدراسة أداء وسلوك أجهزة تخزين الطاقة المختلفة، تم استخدام مخطط Ragone حيث يتم رسم قيمة الطاقة المحددة (Wh/Kg) مقابل قدرة محددة (W/Kg). يستخدم الرسم البياني مقياس سجل لكلا المحورين. يقيس المحور y الطاقة المحددة، وهي كمية الطاقة لكل وحدة كتلة. يقيس المحور السيني كثافة الطاقة، وهي معدل توصيل الطاقة لكل وحدة كتلة.
وبعبارة أخرى، فإن النقطة في مخطط راغون تعطي مقدار الوقت الذي يمكن خلاله تسليم الطاقة (لكل وحدة كتلة) على المحور الصادي في القدرة (لكل وحدة كتلة) على المحور السيني، وذلك الوقت ( في ساعة) تعطى كنسبة بين الطاقة وكثافة الطاقة. بعد ذلك، تكون المنحنيات المتساوية (وقت التسليم الثابت) في مخطط راغون عبارة عن خطوط مستقيمة ذات منحدر وحدة. يوضح مخطط Ragone أدناه الطاقة المحددة (Wh/Kg) مقابل الطاقة المحددة (W/Kg) لمختلف أجهزة تخزين الطاقة:
خاتمة
مكثف الجرافين هو نوع من المكثفات الفائقة التي تحتوي على أقطاب كهربائية مصنوعة من الجرافين الذي يأتي من الجرافيت. يوفر الجرافين مساحة سطحية كبيرة للإلكتروليت مما يؤدي إلى زيادة السعة ووقت شحن قصير أيضًا. علاوة على ذلك، هناك تقنيات مختلفة لإنشاء أقطاب الجرافين، اثنان منها هما: رغوة الجرافين والكتابة المباشرة بالليزر.