ابرخازن هیبریدی با قدرت شارژ فوق سریع ساخته شد
افزایش چشمگیر استفاده از گوشی‌های هوشمند، تبلت، لپ‌تاپ و دیگر لوازم الکترونیکی شخصی و قابل حمل، فناوری باتری‌های قابل شارژ را به اولویت اصلی تحقیقات الکترونیک تبدیل کرده است. حتی هنگامی که این نوع ادوات با فراز و نشیب‌های بسیاری به سمت توسعه پیش می‌روند، روند کند توسعه باتری مانع از سرعت گرفتن پیشرفت‌های فناوری می‌شود.
به تازگی پژوهشگران موسسه نانوسیستمز کالیفرنیا از دانشگاه یو.سی.ال.اِی موفق شدند با ترکیب دو نانوماده وسیله جدیدی برای ذخیره‌سازی انرژی ابداع کنند که بهترین ویژگی‌های باتری و ابرخازن‌ها را تلفیق می‌کند.
ابرخازن‌ها اجزای الکتروشیمیایی هستند که می‌توانند ظرف مدت چند ثانیه به جای چند ساعت شارژ شوند و برای یک میلیون چرخه شارژ استفاده شوند. با این حال آنها بر خلاف باتری‌ها، توان کافی برای اجرای رایانه‌ها و گوشی‌های هوشمند را در خود ذخیره نمی‌کنند.
ذخایر ابرخازن‌های هیبریدی جدید مقادیر زیادی از انرژی را در خود ذخیره می‌کنند، به سرعت شارژ می‌شوند و می‌توانند برای بیش از 10،000 چرخه شارژ دوام بیاورند. دانشمندان موسسه نانوسیستمز کالیفرنیا همچنین میکروابرخازنی ایجاد کرده‌اند که به اندازه کافی برای جای گرفتن در ادوات الکترونیکی پوشیدنی و قابل کاشت در بدن کوچک است. این نوع ابرخازن میکرونی به اندازه یک پنجم ضخامت ورق کاغذ است که آن را قادر می‌کند شارژی بیش از دو برابر یک باتری لیتیومی معمولی را در خود نگه دارد.
این تحقیق به سرپرستی ریچارد کِینر، استاد برجسته شیمی، بیوشیمی، علوم مواد و مهندسی، و همچنین ماهر ال-کِیدی، پژوهشگر فوق دکترا انجام شده است و نتایج آن در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شده است.
ال-کِیدی می‌گوید: « ابرخازن میکرونی یک پیکربندی در حال تحول جدید است که یک منبع توان قابل شارژ بسیار کوچک با ظرفیت بسیار بالاتر از میکروباتری‌های لیتیومی فیلم نازک قبلی به حساب می‌آید.»
پژوهشگران برای ساخت مولفه جدید، LSG یا گرافنی که توسط لیزر حکاکی شده است، (ماده‌ای که می‌تواند بار الکتریکی را در خود نگه دارد، بسیار رسانا است و می‌تواند بسیار سریع شارژ و دشارژ شود.) را با دی اکسید منگنز (ماده‌ای که می‌تواند بار الکتریکی فراوانی را در خود نگه دارد، ارزان است و به وفور یافت می‌شود) که در حال حاضر در باتری‌های قلیایی استفاده می‌شود ترکیب کردند. ترکیب حاصل می‌تواند بدون نیاز به درجه حرارت بسیار بالا و یا «اتاق‌های خشک» گران‌قیمتی که برای تولید ابرخازن‌های امروزی مورد نیاز هستند ساخته شود.
گرافن ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی است که به علت داشتن خواص فوق‌العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل‌های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده‌ای منحصربفرد تبدیل شده است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان در نسل بعدی قطعه‌های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده است.
کینر می‌گوید: « فرض کنید که می‌خواهید مقدار کمی از جریان الکتریکی را در یک باند چسبی هوشمند برای آزادسازی دارو و یا فناوری معالجه کننده قرار دهید. ابرخازن میکرونی آنقدر نازک است که شما می‌توانید آن را در داخل باند قرار دهید تا منبع جریان لازم را تامین کنید. شما همچنین می‌توانید آن را به سرعت شارژ کنید و برای مدت بسیار طولانی استفاده کنید.»
پژوهشگران دریافتند که این ابرخازن می‌تواند به سرعت بار الکتریکی تولید شده توسط سلول‌های خورشیدی در طول روز را ذخیره کند، تمام مدت عصر این بار الکتریکی را نگه دارد و سپس در طول شب یک چراغ ال.ای.دی را روشن نگه دارد. این یافته وعده‌ای برای تامین روشنایی معابر خارج از شبکه برق خواهد بود.
کینر می‌گوید: «خازن LSG-منگنزدی اکسید می‌تواند بار الکتریکی به اندازه یک باتری سرب-اسیدی را ذخیره کند و در عین حال ظرف مدت چند ثانیه شارژ شود و بار الکتریکی را شش برابر بیشتر از ابرخازن‌های تجاری موجود در خود نگه دارد. این رویکرد مقیاس‌پذیر برای ساخت ابرخازن‌های فشرده، قابل اعتماد و پرتوان، برنامه‌های کاربردی بسیاری را در دنیای واقعی وعده می‌دهد و ما در مورد توسعه روزافزون فناوری الکترونیک شخصی در آینده‌ای نزدیک بسیار هیجان‌زده هستیم.»
خازن‌ها را می‌توان به سه دسته الکترواستاتیک، الکترولیتی و ابرخازن تقسیم کرد. متداول‌ترین خازن‌ها، خازن الکتروستاتیک با جدا کننده خشک است. این نوع خازن‌ها دارای ظرفیت بسیار کمی هستند که برای پالایش سیگنال‌ها و تنظیم فرکانس رادیو به کار می‌روند. دامنه تغییر ظرفیت این نوع خازن از چند پیکوفاراد تا چند میکروفاراد است.
خازن از نوع الکترولیتی برای پالایش انرژی و حافظه موقت استفاده می‌شوند. دامنه ظرفیت این خازن‌ها در حد چند میکروفاراد است. این خازن‌ها توانایی ذخیره چند هزار برابری خازن‌های الکتروستاتیکی را دارند و از دی الکتریک مایع استفاده می‌کنند.
ابر خازن که به آن خازن دولایه نیز گفته می‌شود از لحاظ مقدار ظرفیت در ذخیره بار الکتریکی با خازن‌های معمولی تفاوت دارد. ابرخازن ظرفیت بسیار زیادی نسبت به خازن معمولی دارد به طوری که ظرفیت آنها معمولا بیش از ۱۰ میلی فاراد است و البته قیمت آن در مقایسه با دیگر انواع خازن بیشتر است. این نوع از خازن‌ها برای ذخیره انرژی ایده آل هستند زیرا جریان بالا و زمان تخلیه کوتاه دارند. از جمله کاربردهای آنها می توان به تجهیزات و لیزرهای نظامی، تجهیزات پزشکی، بک آپ یا پشتیبان منابع تغذیه، سیستم‌های امنیتی، درایور ال‌ای‌دی های بزرگ، مایکروویو و توربین های بادی اشاره کرد.
باتری‌ها عمل ذخیره انرژی را از طريق واكنش‌های شيميايی بين الكترودهای فلزی و مايع الكتروليت انجام می‌دهند. از آنجا كه اين مواد شيميايی برای واكنش به زمان احتياج دارند، عمليات ذخيره سازی و آزادسازی انرژی به نسبت كند انجام می‌پذيرد. در نتيجه باتری‌ها انرژی زيادی ذخيره می‌كنند و آن را با مصرف مدت زمان نسبتا طولانی آزاد می‌كنند.
از سوی ديگر ابرخازن، بارها را به شكلی شبيه به الكتريسيته ساكن به صورت يون‌هايی در سطح الكترودها ذخيره می‌كنند. به اين ترتيب بار الكتريكی در سطح بين دو الكترود و الكتروليت ذخيره می‌شود. منافذ روی الكترودها مساحت سطح تماس الكتروليت را افزايش داده و به اين ترتيب ميزان انرژی بيشتری در خازن ذخيره می‌شود.
اما به اين دليل كه تا قبل از ابداع اخیر بيشتر خازن‌ها نمی‌توانستند به اندازه باتری‌ها انرژی ذخيره كنند، استفاده از آنها تاكنون به كاربردهايی كه ميزان كمی از انرژی مورد نياز است، مانند دستگاه‌های الكترونيک متحرک محدود شده بود.
ثمین موتمن فر / کارشناس ارشد الکترونیک نوری
No tags for this post.
