خازن ها بیشتر از باتری ها انرژی را ذخیره می کنند
اگر مقیاس ماده را بتوان از نمونه‌های آزمایشگاهی افزایش داد در آنصورت دستگاه‌های ساخته شده از این ماده می‌توانند از خازن‌های الکترولیتی سنتی مورد استفاده در کاربردهای نیروی محرکه الکترومغناطیسی، وسایل نقلیه الکتریکی و الکتروشوک (قلبی) پیشی بگیرند. در چنین مواردی خازن نقش مکمل باترا ایفا می‌کند زیرا می‌تواند مقدار جریان زیادی را به صورت آنی فراهم کند.
ماده جدید از یک فیلم نازک سل-ژل سیلیکا حاوی گروه‌های قطبی متصل به اتم‌های سیلیکون و تک لایه خود مونتاژ از اسید اکتیل‌فسفونیک در مقیاس نانو ساخته شده است. در واقع تک لایه خود مونتاژ از اسید اکتیل‌فسفونیک در مقیاس نانو ویژگی‌های یک عایق را فراهم می‌کند و ساختار دو لایه‌ای از تزریق الکترون‌ها به ماده سل-ژل جلوگیری می‌کند و به این ترتیب باعث کاهش جریان نشتی، افزایش قدرت شکست و بهبود راندمان استخراج انرژی می‌شود.
فرایند سل-ژل یا رسوب‌دهی محلول شیمیایی ، یک روش شیمی تر است که در مهندسی و علم مواد و مهندسی سرامیک به طور گسترده استفاده می‌شود. این روش معمولا برای تولید مواد (به عنوان مثال اکسید فلزات) با شروع از یک محلول کلوئیدی(سل) که به عنوان پیش‌ماده برای یک شبکه به‌هم‌پیوسته (ژل) از ذرات گسسته یا پلیمرهای شبکه‌ای است، به کار می‌رود. پیش‌ماده‌های معمول شامل آلکوکسید و نمک فلزات (از قبیل کلریدها، نیتریدها و استات ها)هستند که تحت واکنش‌های مختلف هیدرولیز و بسپارش مرحله‌ای قرار می‌گیرند.
جوزف پری، استاد دانشکده شیمی و بیوشیمی موسسه فناوری گرجستان می‌گوید: «سل-ژل با گروه‌های آلی و اسیدهای چرب مانند اسیدهای فسفونیک به خوبی شناخته شده هستند اما این اولین بار است که این دو نوع ماده برای ساخت دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی با چگالی بالا ترکیب می‌شوند.»
نیاز به مواد کارآمد، با عملکرد بالا برای ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی همراه با تقاضای روزافزون برای انرژی الکتریکی در کاربردهای موبایل رو به افزایش است. مواد دی الکتریک می‌توانند پاسخ شارژ و دشارژ سریع، ذخیره‌سازی بالای انرژی و بهینه‌سازی توان برای صنایع دفاع، پزشکی و کاربردهای تجاری ارائه کنند. اما پیدا کردن یک ماده دی‌الکتریک که قادر به حداکثر رساندن گذردهی، قدرت شکست، چگالی انرژی و بازده استخراج انرژی خود چالش بزرگی است.
پری و همکارانش در مرکز فناوری الکترونیک و فتونیک آلی گرجستان، روی مواد خازنی دیگری که بتوانند این نیازها را برطرف کنند کار می‌کردند اما از پیشرفت حاصل چندان راضی نبودند. تا اینکه آنها پی بردند مواد سل-ژل هیبریدی هنگام قرار گرفتن تحت میدان الکتریکی به دلیل پلاریزاسیون وابسته به جهت، قابلیت ویژه‌ای برای ذخیره‌سازی انرژی از خود نشان میدهند، در نتیجه تصمیم گرفتند از این مواد در کاربردهای خازنی استفاده کنند.
در آزمایشگاه پری، پژوهشگران در حال ساخت آرایه‌ای از خازن‌های سل-ژل کوچک روی بسترهایی با مساحت یک اینچ مربع هستند تا اطلاعاتی در مورد عملکرد این ماده جمع‌آوری کنند.
پری در این باره می‌گوید: «وقتی که میدان الکتریکی را به این نمونه‌ها اعمال می‌کنیم شاهد پاسخ کاملا خطی قطبش هستیم و این همان چیزی است که از یک ماده دی‌الکتریک خازنی می‌توان انتظار داشت. در واقع منظور از پاسخ قطبش این است که تا چه اندازه گروه‌های قطبی نسبت به میدان به صورت پایدار منظم می‌شوند.»
گام بعدی در این پروژه افزایش مقیاس مواد است تا بتوان به این سوال پاسخ داد که آیا این مواد ویژگی‌های مطلوب خود را در ادوات بزرگترنیز نشان میدهند یا خیر. پری در نظر دارد که در صورت مثبت بودن این نتیجه تجاری‌سازی ماده را آغاز کند.
اگر مقیاس ماده را بتوان از نمونه‌های آزمایشگاهی افزایش داد در آنصورت دستگاه‌های ساخته شده از این ماده می‌توانند از خازن‌های الکترولیتی سنتی مورد استفاده در کاربردهای نیروی محرکه الکترومغناطیسی، وسایل نقلیه الکتریکی و الکتروشوک (قلبی) پیشی بگیرند. در چنین مواردی خازن نقش مکمل باترا ایفا می‌کند زیرا می‌تواند مقدار جریان زیادی را به صورت آنی فراهم کند.
ماده جدید از یک فیلم نازک سل-ژل سیلیکا حاوی گروه‌های قطبی متصل به اتم‌های سیلیکون و تک لایه خود مونتاژ از اسید اکتیل‌فسفونیک در مقیاس نانو ساخته شده است. در واقع تک لایه خود مونتاژ از اسید اکتیل‌فسفونیک در مقیاس نانو ویژگی‌های یک عایق را فراهم می‌کند و ساختار دو لایه‌ای از تزریق الکترون‌ها به ماده سل-ژل جلوگیری می‌کند و به این ترتیب باعث کاهش جریان نشتی، افزایش قدرت شکست و بهبود راندمان استخراج انرژی می‌شود.
فرایند سل-ژل یا رسوب‌دهی محلول شیمیایی ، یک روش شیمی تر است که در مهندسی و علم مواد و مهندسی سرامیک به طور گسترده استفاده می‌شود. این روش معمولا برای تولید مواد (به عنوان مثال اکسید فلزات) با شروع از یک محلول کلوئیدی(سل) که به عنوان پیش‌ماده برای یک شبکه به‌هم‌پیوسته (ژل) از ذرات گسسته یا پلیمرهای شبکه‌ای است، به کار می‌رود. پیش‌ماده‌های معمول شامل آلکوکسید و نمک فلزات (از قبیل کلریدها، نیتریدها و استات ها)هستند که تحت واکنش‌های مختلف هیدرولیز و بسپارش مرحله‌ای قرار می‌گیرند.
جوزف پری، استاد دانشکده شیمی و بیوشیمی موسسه فناوری گرجستان می‌گوید: «سل-ژل با گروه‌های آلی و اسیدهای چرب مانند اسیدهای فسفونیک به خوبی شناخته شده هستند اما این اولین بار است که این دو نوع ماده برای ساخت دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی با چگالی بالا ترکیب می‌شوند.»
نیاز به مواد کارآمد، با عملکرد بالا برای ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی همراه با تقاضای روزافزون برای انرژی الکتریکی در کاربردهای موبایل رو به افزایش است. مواد دی الکتریک می‌توانند پاسخ شارژ و دشارژ سریع، ذخیره‌سازی بالای انرژی و بهینه‌سازی توان برای صنایع دفاع، پزشکی و کاربردهای تجاری ارائه کنند. اما پیدا کردن یک ماده دی‌الکتریک که قادر به حداکثر رساندن گذردهی، قدرت شکست، چگالی انرژی و بازده استخراج انرژی خود چالش بزرگی است.
پری و همکارانش در مرکز فناوری الکترونیک و فتونیک آلی گرجستان، روی مواد خازنی دیگری که بتوانند این نیازها را برطرف کنند کار می‌کردند اما از پیشرفت حاصل چندان راضی نبودند. تا اینکه آنها پی بردند مواد سل-ژل هیبریدی هنگام قرار گرفتن تحت میدان الکتریکی به دلیل پلاریزاسیون وابسته به جهت، قابلیت ویژه‌ای برای ذخیره‌سازی انرژی از خود نشان میدهند، در نتیجه تصمیم گرفتند از این مواد در کاربردهای خازنی استفاده کنند.
در آزمایشگاه پری، پژوهشگران در حال ساخت آرایه‌ای از خازن‌های سل-ژل کوچک روی بسترهایی با مساحت یک اینچ مربع هستند تا اطلاعاتی در مورد عملکرد این ماده جمع‌آوری کنند.
پری در این باره می‌گوید: «وقتی که میدان الکتریکی را به این نمونه‌ها اعمال می‌کنیم شاهد پاسخ کاملا خطی قطبش هستیم و این همان چیزی است که از یک ماده دی‌الکتریک خازنی می‌توان انتظار داشت. در واقع منظور از پاسخ قطبش این است که تا چه اندازه گروه‌های قطبی نسبت به میدان به صورت پایدار منظم می‌شوند.»
گام بعدی در این پروژه افزایش مقیاس مواد است تا بتوان به این سوال پاسخ داد که آیا این مواد ویژگی‌های مطلوب خود را در ادوات بزرگترنیز نشان میدهند یا خیر. پری در نظر دارد که در صورت مثبت بودن این نتیجه تجاری‌سازی ماده را آغاز کند.
No tags for this post.
