Condensatoren zijn in de eerste plaats apparaten voor het opslaan van lading, maar vergeleken met batterijen hebben ze veel minder capaciteit voor het opslaan van lading. Hun levensduur is echter veel langer dan die van batterijen, het basisprincipe voor de werking van condensatoren is hetzelfde, ondanks dat ze op basis van hun innerlijke constructie in verschillende categorieën zijn verdeeld. De grafeencondensator is een soort supercondensator met grafeenlagen die zorgen voor een veel vrijere beweging van de elektronen en een effectieve warmteafvoer mogelijk maken.
Overzicht:
- Wat zijn supercondensatoren?
- Werking van supercondensatoren
- Grafeen supercondensator
- Op grafeen gebaseerde elektroden in supercondensatoren
- Op grafeen gebaseerde supercondensatoren Prestaties
- Conclusie
Wat zijn supercondensatoren?
Om de grafeencondensator te begrijpen, is het noodzakelijk om kennis te hebben over de supercondensatoren, aangezien grafeencondensator ook onder de categorie supercondensatoren valt. In tegenstelling tot de algemene condensatoren hebben de avondcondensatoren een andere interne constructie, wat ook hun eigenschappen beïnvloedt. De supercondensator heeft elektrolyten die worden gescheiden door een isolatiemedium en heeft actieve koolelektroden die in contact staan met de elektrolyt. De elektrolyt bestaat voornamelijk uit zwavelzuur of kaliumoxide, en de scheider is meestal Kapton:
Werking van supercondensatoren
Wanneer een supercondensator op geen enkele stroombron is aangesloten, worden de ladingen, ongeacht hun polariteit, verspreid over de elektrolyt. Wanneer de stroombron erop is aangesloten, begint de stroom uit de condensator te stromen, en naarmate de anode de positieve lading krijgt, gaat de hele elektrolyt omhoog. de negatieve ionen in de elektrolyt hebben de neiging naar de anode-elektrode te bewegen. Terwijl de kathode negatief geladen wordt en alle positieve ionen naar de kathode bewegen:
Deze aantrekkingskracht tussen de elektrode en de elektrolyt is de elektrostatische kracht en deze aantrekking van ionen naar de elektroden veroorzaakt de vorming van de elektrische dubbellaag. Deze laag is verantwoordelijk voor het opslaan van ladingen en door de vorming van deze laag worden supercondensatoren ook wel elektrische dubbellaagscondensatoren genoemd.
Dit is hoe de supercondensator wordt opgeladen en wanneer er een belasting op de klemmen van de supercondensator wordt aangesloten, begint de lading op de elektroden uit de belasting te stromen. Op deze manier beginnen beide elektroden lading te verliezen omdat ze de ladingen niet kunnen aantrekken en als gevolg daarvan wordt de condensator ontladen wanneer alle ladingen de elektroden verlaten.
Dus nu zijn de ionen weer verspreid over de elektrolyten, en zo werkt een eenvoudige supercondensator.
Grafeen supercondensator
Grafeen is afkomstig van grafiet dat zich meestal in potloden bevindt en is een koolstofelektrode met hetzelfde aantal atomen, maar deze zijn anders gerangschikt. In tegenstelling tot grafiet heeft grafeen een tweedimensionale laag van één atoom, gerangschikt in een zeshoekige honingraatvorm. Door deze structuur kunnen de atomen sterke covalente bindingen creëren, waardoor het een hogere treksterkte en hoge flexibiliteit krijgt. Vanwege deze eigenschappen zorgt grafeen ervoor dat de elektronen vrij kunnen bewegen en een hogere elektrische geleidbaarheid hebben.
Omdat de supercondensatoren kortere afstanden tussen de platen hebben, waardoor ze meer statische lading kunnen opslaan, heeft het grafeen een zeer dunne laag ter grootte van een atoom in vergelijking met de aluminiumlaag. De grafeencondensator heeft dus aanzienlijk meer oppervlakte, waardoor hij meer energie kan opslaan in vergelijking met andere supercondensatoren.
Op grafeen gebaseerde elektroden in supercondensatoren
Grafeen, zoals hierboven vermeld, biedt een groter oppervlak dat de capaciteit van de condensator voor het opslaan van lading vergroot. Er worden verschillende technieken gebruikt voor de vervaardiging van elektroden met behulp van grafeen, en twee daarvan zijn:
Fabricage door grafeenschuim
De grafeenelektrode gemaakt met behulp van het grafeenschuim zorgt voor een hogere geleidbaarheid, lichtgewicht en flexibele elektroden waarvan het oppervlak tot enkele cm kan worden uitgebreid 2 en de hoogte tot enkele millimeters. Het grafeenschuim wordt gemaakt door middel van chemische dampafzettingstechniek door het op nikkel- of koperschuim te laten groeien. Wanneer een grafeenschuim op koperschuim wordt gemaakt, ontstaat er een hoogwaardige grafeenlaag, maar de structuur kan gemakkelijk instorten als de metalen steun wordt verwijderd. In plaats daarvan kan echter een nikkelschuim worden gebruikt om een meerlaagse grafeenlaag te creëren die voorzichtig en zonder enige schade van de metalen steun kan worden getrokken. Bovendien kan met behulp van deze chemische synthese ook gereduceerd grafeenoxide worden gevormd door middel van nikkelschuim. Bij grafeen worden enkele additieven gebruikt die helpen bij het bereiken van een hoge vermogensdichtheid en die zorgen voor kortere paden voor de elektronen en ionen, waardoor de laadsnelheid toeneemt. Deze additieven kunnen metaaloxiden, geleidende polymeren en metaalhydroxiden zijn, waardoor de fabricage van op grafeen gebaseerde elektroden minder duur wordt.
De bovenstaande afbeelding illustreert het proces van het vormen van de grafeenlaag met behulp van de chemische dampafzettingsmethode.
Fabricage door laserschrijven
De laserschrijfmethode is relatief goedkoper en produceert in één stap 3D-poreus grafeen door de techniek voor het verkleinen van grote oppervlakken te verminderen. Bij deze methode wordt eerst een dunne laag grafeen op de sjabloon afgezet en vervolgens bestraalt de commerciële laser de grafeenoxidelaag. Wanneer laserlicht op het grafeenoxide valt, ontstaat er poreus geleidend materiaal in het belichtingsgebied.
Hierdoor wordt het oppervlak voor de elektrolytionen vergroot en het zuurstofgehalte aanzienlijk verlaagd. Net als bij de vorige methode kunnen sommige additieven worden gebruikt bij direct laserschrijven, dat wil zeggen dat het substraat een mengsel kan zijn van grafeenoxide en polymeer of dat het substraat ook alleen uit polymeer kan bestaan. Hier is een afbeelding die het proces van direct laserschrijven illustreert:
Op grafeen gebaseerde supercondensatoren Prestaties
De grafeencondensatoren hebben een effectieve elektronen- en ionenoverdracht, wat resulteert in een hoge gravimetrische en volumetrische capaciteit. Bovendien vertonen ze een hogere cyclussnelheidsstabiliteit en een hoger energievermogen.
Om de prestaties en het gedrag van verschillende energieopslagapparaten te bestuderen, wordt een Ragone-grafiek gebruikt waarin de waarde van specifieke energie (Wh/Kg) wordt uitgezet tegen specifiek vermogen (W/Kg). De grafiek gebruikt een logaritmische schaal voor beide assen. De y-as meet de specifieke energie, de hoeveelheid energie per massa-eenheid. De x-as meet de vermogensdichtheid, wat de snelheid is van de energieafgifte per massa-eenheid.
Een punt in de Ragone-grafiek geeft dus met andere woorden de hoeveelheid tijd aan waarin de energie (per massa-eenheid) op de y-as kan worden geleverd in het vermogen (per massa-eenheid) op de x-as, en die tijd ( in een uur) wordt gegeven als de verhouding tussen de energie- en vermogensdichtheid. Vervolgens zijn de iso-curven (constante levertijd) in een Ragone-plot rechte lijnen met een eenheidshelling. De onderstaande Ragone-grafiek toont de specifieke energie (Wh/Kg) versus het specifieke vermogen (W/Kg) voor verschillende energieopslagapparaten:
Conclusie
De grafeencondensator is een type supercapcaitor met elektroden gemaakt van grafeen dat afkomstig is van grafiet. Grafeen geeft een groot oppervlak aan de elektrolyt, wat resulteert in een toename van de capaciteit en ook een korte oplaadtijd heeft. Bovendien zijn er verschillende technieken voor het maken van grafeenelektroden, twee daarvan zijn: grafeenschuim en direct laserschrijven.