Kapasitor terutamanya peranti storan mengecas, tetapi berbanding dengan bateri, ia mempunyai kapasiti yang agak kurang untuk menyimpan cas. Walau bagaimanapun, jangka hayat mereka jauh lebih tinggi daripada bateri, prinsip asas untuk kerja kapasitor adalah sama walaupun ia dibahagikan kepada kategori yang berbeza berdasarkan pembinaan dalaman mereka. Kapasitor graphene ialah sejenis kapasitor super yang mempunyai lapisan graphene yang memberikan pergerakan elektron yang lebih bebas dan membenarkan pelesapan haba dengan cara yang berkesan.
Garis besar:
- Apakah supercapacitors?
- Kerja superkapasitor
- Graphene SuperCapacitor
- Elektrod berasaskan graphene dalam Supercapacitors
- Prestasi supercapacitors berasaskan graphene
- Kesimpulan
Apakah supercapacitors?
Untuk memahami kapasitor graphene, adalah perlu untuk mempunyai pengetahuan tentang supercapacitor kerana kapasitor graphene juga termasuk dalam kategori super kapasitor. Tidak seperti kapasitor am, kapasitor makan malam mempunyai pembinaan dalaman yang berbeza, yang juga mempengaruhi sifatnya. Superkapasitor mempunyai elektrolit yang dipisahkan oleh medium penebat dan mempunyai elektrod karbon aktif yang bersentuhan dengan elektrolit. Elektrolit terutamanya asid sulfurik atau kalium oksida, dan pemisah biasanya Kapton:
Kerja Supercapacitors
Apabila superkapasitor tidak disambungkan kepada mana-mana punca kuasa, cas tanpa mengira kekutubannya bertaburan merentasi elektrolit, apabila punca kuasa disambungkan merentasinya arus mula mengalir dari kapasitor, dan apabila anod mendapat cas positif semua ion negatif dalam elektrolit cenderung bergerak ke arah elektrod anod. Manakala katod mendapat cas negatif dan semua ion positif bergerak ke arah katod:
Daya tarikan antara elektrod dan elektrolit ini ialah daya elektrostatik dan tarikan ion kepada elektrod ini menyebabkan pembentukan lapisan dua elektrik. Lapisan ini bertanggungjawab untuk menyimpan cas dan disebabkan pembentukan lapisan ini superkapasitor juga dinamakan kapasitor dua lapisan elektrik.
Ini adalah bagaimana supercapacitor dicas dan apabila sebarang beban disambungkan merentasi terminal supercapacitor, cas pada elektrod mula mengalir dari beban. Dengan cara ini kedua-dua elektrod mula kehilangan cas kerana ia tidak dapat menarik cas dan akibatnya apabila semua cas meninggalkan elektrod, kapasitor dinyahcas.
Jadi sekarang ion-ion sekali lagi bertaburan merentasi elektrolit, dan ini adalah bagaimana supercapacitor mudah berfungsi.
Graphene SuperCapacitor
Graphene berasal daripada grafit yang kebanyakannya berada di dalam pensel dan merupakan elektrod karbon yang mempunyai bilangan atom yang sama, tetapi ini disusun secara berbeza. Tidak seperti grafit, graphene mempunyai lapisan atom tunggal dua dimensi yang disusun dalam bentuk sarang lebah heksagon. Struktur ini membolehkan atom mencipta ikatan kovalen yang kuat yang memberikan kekuatan tegangan yang lebih tinggi dan fleksibiliti yang tinggi. Disebabkan sifat-sifat ini, graphene membolehkan elektron bergerak bebas dan mempunyai kekonduksian elektrik yang lebih tinggi.
Oleh kerana superkapasitor mempunyai jarak yang lebih pendek antara plat yang membolehkan mereka menyimpan lebih banyak cas statik, graphene mempunyai lapisan yang sangat nipis iaitu sebesar atom berbanding dengan lapisan aluminium. Oleh itu, kapasitor graphene mempunyai lebih banyak luas permukaan, yang membolehkannya menyimpan lebih banyak tenaga berbanding dengan superkapasitor lain.
Elektrod berasaskan graphene dalam Supercapacitors
Graphene seperti yang dinyatakan di atas menyediakan kawasan permukaan yang lebih besar yang meningkatkan kapasiti kapasitor untuk menyimpan cas. Pelbagai teknik digunakan untuk fabrikasi elektrod menggunakan graphene dan dua daripadanya ialah:
Fabrikasi oleh Graphene Foam
Elektrod graphene yang dicipta menggunakan buih graphene memberikan kekonduksian yang lebih tinggi, elektrod ringan dan fleksibel yang luasnya boleh dipanjangkan sehingga beberapa cm 2 dan ketinggian sehingga beberapa milimeter. Buih graphene dicipta oleh teknik pemendapan wap kimia dengan mengembangkannya pada buih nikel atau tembaga. Apabila buih graphene dicipta pada buih kuprum ia menghasilkan lapisan graphene berkualiti tinggi, tetapi struktur boleh runtuh dengan mudah apabila sokongan logam ditanggalkan. Walau bagaimanapun, buih Nikel sebaliknya boleh digunakan untuk mencipta lapisan graphene berbilang lapisan yang boleh ditarik dengan berhati-hati daripada sokongan logam tanpa sebarang kerosakan. Selain itu, pengurangan graphene oksida juga boleh dibentuk melalui buih Nikel menggunakan sintesis kimia ini. Sesetengah bahan tambahan digunakan dengan graphene yang membantu dalam mencapai ketumpatan kuasa tinggi dan menyediakan laluan yang lebih pendek untuk elektron dan ion sekali gus meningkatkan kelajuan cas. Bahan tambahan ini boleh menjadi oksida logam, polimer konduktif, dan hidroksida logam, yang menjadikan pembuatan elektrod berasaskan graphene lebih murah.
Imej di atas menggambarkan proses pembentukan lapisan graphene menggunakan kaedah pemendapan wap kimia.
Fabrikasi dengan Penulisan Laser
Kaedah penulisan laser secara perbandingan lebih murah dan menghasilkan graphene berliang 3D dalam satu langkah dengan mengurangkan teknik pengurangan kawasan besar. Dalam kaedah ini mula-mula, lapisan nipis graphene didepositkan pada templat, dan kemudian laser komersial menyinari lapisan graphene oksida. Apabila cahaya laser berlaku pada graphene oxide ia menghasilkan bahan konduktif berliang di kawasan pendedahan.
Akibatnya, luas permukaan untuk ion elektrolit meningkat dan kandungan oksigen berkurangan dengan ketara. Seperti dalam kaedah sebelumnya, beberapa bahan tambahan boleh digunakan dalam penulisan laser langsung iaitu substrat boleh menjadi campuran graphene oksida dan polimer atau substrat boleh hanya polimer juga. Berikut ialah imej yang menggambarkan proses penulisan laser langsung:
Prestasi supercapacitors berasaskan graphene
Kapasitor graphene mempunyai pemindahan elektron dan ion yang berkesan, yang menghasilkan kapasiti gravimetrik dan isipadu yang tinggi. Selain itu, ia mempamerkan kestabilan kadar kitaran yang lebih tinggi dan keupayaan tenaga yang lebih tinggi.
Untuk mengkaji prestasi dan tingkah laku pelbagai peranti menyimpan tenaga plot Ragone digunakan di mana nilai tenaga tertentu (Wh/Kg) diplotkan terhadap kuasa tertentu (W/Kg). Graf menggunakan skala log untuk kedua-dua paksi. Paksi-y mengukur tenaga tentu, iaitu jumlah tenaga per unit jisim. Paksi-x mengukur ketumpatan kuasa, iaitu kadar penghantaran tenaga per unit jisim.
Satu titik dalam plot Ragone dengan itu dalam erti kata lain memberikan jumlah masa di mana tenaga (seunit jisim) pada paksi-y boleh dihantar dalam kuasa (seunit jisim) pada paksi-x, dan masa itu ( dalam sejam) diberikan sebagai nisbah antara tenaga dan ketumpatan kuasa. Selepas itu, lengkung iso (masa penghantaran berterusan) dalam plot Ragone ialah garis lurus dengan cerun perpaduan. Plot Ragone di bawah menunjukkan tenaga tertentu (Wh/Kg) Berbanding kuasa Spesifik (W/Kg) untuk pelbagai peranti penyimpan tenaga:
Kesimpulan
Kapasitor graphene adalah sejenis supercapcaitor yang mempunyai elektrod yang diperbuat daripada graphene yang berasal dari grafit. Graphene menyediakan kawasan permukaan yang besar kepada elektrolit yang mengakibatkan peningkatan dalam kapasiti dan juga mempunyai masa pengecasan yang kecil. Selain itu, terdapat pelbagai teknik untuk mencipta elektrod graphene, dua daripadanya ialah: buih graphene dan tulisan laser langsung.