กราฟีนซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

ตัวเก็บประจุเป็นอุปกรณ์จัดเก็บประจุไฟฟ้าเป็นหลัก แต่เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่แล้ว ตัวเก็บประจุจะมีความจุในการจัดเก็บประจุค่อนข้างน้อย อย่างไรก็ตาม อายุการใช้งานของตัวเก็บประจุนั้นสูงกว่าแบตเตอรี่มาก หลักการพื้นฐานในการทำงานของตัวเก็บประจุก็เหมือนกัน แม้ว่าจะถูกแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ตามโครงสร้างภายในก็ตาม ตัวเก็บประจุแบบกราฟีนเป็นซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ประเภทหนึ่งที่มีชั้นของกราฟีนที่ให้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอย่างอิสระมากขึ้นและช่วยให้สามารถกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

โครงร่าง:

• ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์คืออะไร?
• การทำงานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์
• กราฟีน ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์
• อิเล็กโทรดที่ใช้กราฟีนในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์
• การประดิษฐ์ด้วยการเขียนด้วยเลเซอร์
• การผลิตด้วยโฟมกราฟีน
• ประสิทธิภาพของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้กราฟีน
• บทสรุป

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์คืออะไร?

เพื่อให้เข้าใจถึงตัวเก็บประจุแบบกราฟีน จำเป็นต้องมีความรู้เกี่ยวกับตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์ เนื่องจากตัวเก็บประจุแบบกราฟีนก็จัดอยู่ในประเภทของตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์ด้วย ตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์มีโครงสร้างภายในที่แตกต่างกันซึ่งต่างจากตัวเก็บประจุทั่วไป ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติของตัวเก็บประจุด้วย ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีอิเล็กโทรไลต์ที่แยกจากกันด้วยตัวกลางที่เป็นฉนวนและมีอิเล็กโทรดคาร์บอนกัมมันต์ที่สัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลต์ส่วนใหญ่เป็นกรดซัลฟิวริกหรือโพแทสเซียมออกไซด์ และโดยปกติแล้วตัวแยกจะเป็นแคปตัน:

การทำงานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

เมื่อซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ไม่ได้เชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานใดๆ ประจุโดยไม่คำนึงถึงขั้วของพวกมันจะกระจายไปทั่วอิเล็กโทรไลต์ เมื่อแหล่งพลังงานเชื่อมต่อข้ามแหล่งพลังงานนั้น กระแสจะเริ่มไหลจากตัวเก็บประจุ และเมื่อแอโนดได้รับประจุบวกทั้งหมด ไอออนลบในอิเล็กโทรไลต์มีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่ไปทางอิเล็กโทรดแอโนด ในขณะที่แคโทดมีประจุลบและไอออนบวกทั้งหมดเคลื่อนไปทางแคโทด:

แรงดึงดูดระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์นี้คือแรงไฟฟ้าสถิต และการดึงดูดของไอออนไปยังอิเล็กโทรดทำให้เกิดการก่อตัวของชั้นไฟฟ้าสองชั้น ชั้นนี้มีหน้าที่จัดเก็บประจุและเนื่องจากการก่อตัวของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ในชั้นนี้จึงมีชื่อว่าตัวเก็บประจุไฟฟ้าสองชั้น

นี่คือวิธีการชาร์จซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ และเมื่อมีโหลดใดๆ เชื่อมต่อผ่านขั้วของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ประจุบนอิเล็กโทรดจะเริ่มไหลจากโหลด วิธีนี้ทำให้อิเล็กโทรดทั้งสองเริ่มสูญเสียประจุเนื่องจากไม่สามารถดึงดูดประจุได้ และเป็นผลให้เมื่อประจุทั้งหมดออกจากอิเล็กโทรด ตัวเก็บประจุจะถูกคายประจุ

ตอนนี้ไอออนก็กระจัดกระจายไปทั่วอิเล็กโทรไลต์อีกครั้ง และนี่คือการทำงานของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ธรรมดา

กราฟีน ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

กราฟีนมาจากกราไฟท์ซึ่งส่วนใหญ่อยู่ภายในดินสอและเป็นอิเล็กโทรดของคาร์บอนที่มีจำนวนอะตอมเท่ากัน แต่มีการจัดเรียงต่างกัน กราฟีนมีชั้นอะตอมเดี่ยวสองมิติซึ่งต่างจากกราไฟต์ โดยจัดเรียงเป็นรูปรวงผึ้งหกเหลี่ยม โครงสร้างนี้ช่วยให้อะตอมสร้างพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งซึ่งทำให้มีความต้านทานแรงดึงสูงและมีความยืดหยุ่นสูง เนื่องจากคุณสมบัติเหล่านี้ กราฟีนจึงช่วยให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระและมีค่าการนำไฟฟ้าสูงขึ้น

เนื่องจากซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มีระยะห่างระหว่างแผ่นที่สั้นกว่าซึ่งช่วยให้สามารถเก็บประจุไฟฟ้าสถิตได้มากขึ้น กราฟีนจึงมีชั้นที่บางมากซึ่งมีขนาดเท่ากับอะตอมเมื่อเปรียบเทียบกับชั้นอลูมิเนียม ดังนั้นตัวเก็บประจุแบบกราฟีนจึงมีพื้นที่ผิวมากขึ้นอย่างมาก ซึ่งช่วยให้สามารถกักเก็บพลังงานได้มากขึ้นเมื่อเทียบกับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์อื่นๆ

อิเล็กโทรดที่ใช้กราฟีนในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์

กราฟีนตามที่กล่าวไว้ข้างต้นให้พื้นที่ผิวที่ใหญ่ขึ้นซึ่งช่วยเพิ่มความจุของตัวเก็บประจุในการเก็บประจุ มีการใช้เทคนิคต่างๆ ในการผลิตอิเล็กโทรดโดยใช้กราฟีน โดยมี 2 เทคนิคดังนี้:

• การผลิตด้วยโฟมกราฟีน
• การประดิษฐ์ด้วยการเขียนด้วยเลเซอร์

ผลิตโดยกราฟีนโฟม

อิเล็กโทรดกราฟีนที่สร้างขึ้นโดยใช้โฟมกราฟีนให้ค่าการนำไฟฟ้าที่สูงขึ้น น้ำหนักเบา และอิเล็กโทรดยืดหยุ่น โดยสามารถขยายพื้นที่ได้หลายซม. ² และมีความสูงถึงหลายมิลลิเมตร โฟมกราฟีนถูกสร้างขึ้นโดยเทคนิคการสะสมไอสารเคมีโดยการปลูกไว้บนโฟมนิกเกิลหรือทองแดง เมื่อโฟมกราฟีนถูกสร้างขึ้นบนโฟมทองแดง จะทำให้เกิดชั้นกราฟีนคุณภาพสูง แต่โครงสร้างอาจพังได้ง่ายเมื่อถอดส่วนรองรับโลหะออก อย่างไรก็ตาม สามารถใช้โฟมนิกเกิลแทนเพื่อสร้างชั้นกราฟีนหลายชั้น ซึ่งสามารถดึงออกจากส่วนรองรับโลหะอย่างระมัดระวังโดยไม่มีความเสียหายใดๆ นอกจากนี้ กราฟีนออกไซด์รีดิวซ์ยังสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านโฟมนิกเกิลโดยใช้การสังเคราะห์ทางเคมีนี้ สารเติมแต่งบางชนิดใช้ร่วมกับกราฟีนซึ่งช่วยให้ได้รับความหนาแน่นของพลังงานสูงและให้เส้นทางที่สั้นกว่าสำหรับอิเล็กตรอนและไอออน ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความเร็วของประจุ สารเติมแต่งเหล่านี้อาจเป็นโลหะออกไซด์ โพลีเมอร์นำไฟฟ้า และไฮดรอกไซด์ของโลหะ ซึ่งทำให้การผลิตอิเล็กโทรดที่ใช้กราฟีนมีต้นทุนน้อยลง

ภาพด้านบนแสดงกระบวนการสร้างชั้นกราฟีนโดยใช้วิธีการสะสมไอสารเคมี

การประดิษฐ์ด้วยการเขียนด้วยเลเซอร์

วิธีการเขียนด้วยเลเซอร์มีค่าใช้จ่ายค่อนข้างถูกกว่าและสร้างกราฟีนที่มีรูพรุนแบบ 3 มิติในขั้นตอนเดียวโดยการลดเทคนิคการลดพื้นที่ขนาดใหญ่ ในวิธีนี้ขั้นแรก ชั้นบางๆ ของกราฟีนจะถูกวางลงบนแม่แบบ จากนั้นเลเซอร์เชิงพาณิชย์จะฉายรังสีชั้นกราฟีนออกไซด์ เมื่อแสงเลเซอร์ตกกระทบกับกราฟีนออกไซด์ จะทำให้เกิดวัสดุนำไฟฟ้าที่มีรูพรุนในบริเวณที่รับแสง

เป็นผลให้พื้นที่ผิวของอิเล็กโทรไลต์ไอออนเพิ่มขึ้นและปริมาณออกซิเจนลดลงอย่างมาก เช่นเดียวกับวิธีการก่อนหน้านี้ สารเติมแต่งบางชนิดสามารถใช้ในการเขียนด้วยเลเซอร์โดยตรง ซึ่งเป็นสารตั้งต้นที่สามารถเป็นส่วนผสมของกราฟีนออกไซด์และโพลีเมอร์ได้ หรือสารตั้งต้นสามารถเป็นได้เพียงโพลีเมอร์เท่านั้นเช่นกัน นี่คือภาพที่แสดงให้เห็นกระบวนการเขียนด้วยเลเซอร์โดยตรง:

ประสิทธิภาพของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ใช้กราฟีน

ตัวเก็บประจุแบบกราฟีนมีการถ่ายโอนอิเล็กตรอนและไอออนอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งส่งผลให้ความจุแบบกราวิเมตริกและปริมาตรสูง นอกจากนี้ ยังแสดงความเสถียรของอัตราวงจรที่สูงขึ้นและความสามารถด้านพลังงานที่สูงขึ้น

เพื่อศึกษาประสิทธิภาพและพฤติกรรมของอุปกรณ์กักเก็บพลังงานต่างๆ จะใช้พล็อต Ragone โดยค่าของพลังงานจำเพาะ (Wh/Kg) ถูกพล็อตเทียบกับพลังงานจำเพาะ (W/Kg) กราฟใช้มาตราส่วนบันทึกสำหรับทั้งสองแกน แกน y วัดพลังงานจำเพาะ ซึ่งก็คือปริมาณพลังงานต่อหน่วยมวล แกน x วัดความหนาแน่นของพลังงาน ซึ่งเป็นอัตราการส่งพลังงานต่อหน่วยมวล

จุดหนึ่งในแผนภาพ Ragone หรืออีกนัยหนึ่งคือให้ระยะเวลาในระหว่างที่พลังงาน (ต่อหน่วยมวล) บนแกน y สามารถส่งไปในกำลัง (ต่อหน่วยมวล) บนแกน x และเวลานั้น ( ในหนึ่งชั่วโมง) ให้เป็นอัตราส่วนระหว่างพลังงานและความหนาแน่นของพลังงาน ต่อมา เส้นโค้ง ISO (เวลาส่งมอบคงที่) ในพล็อต Ragone จะเป็นเส้นตรงที่มีความชันแบบเอกภาพ แผนภาพราโกนด้านล่างนี้แสดงพลังงานจำเพาะ (Wh/Kg) กับพลังงานจำเพาะ (W/Kg) สำหรับอุปกรณ์กักเก็บพลังงานต่างๆ:

บทสรุป

ตัวเก็บประจุกราฟีนเป็นซุปเปอร์แคปไคเตอร์ชนิดหนึ่งที่มีอิเล็กโทรดที่ทำจากกราฟีนที่มาจากกราไฟท์ กราฟีนให้พื้นที่ผิวขนาดใหญ่แก่อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งส่งผลให้ความจุเพิ่มขึ้นและยังมีเวลาในการชาร์จเพียงเล็กน้อยอีกด้วย นอกจากนี้ยังมีเทคนิคต่างๆ มากมายในการสร้างอิเล็กโทรดกราฟีน สองในนั้นคือ: โฟมกราฟีน และการเขียนด้วยเลเซอร์โดยตรง