ساخت سوپرکپسیتور با عملکرد عالی با استفاده از نانوساختار 2-بعدی گرافن/سیلوکسن برای کاربرد در ذخیره سازی انرژی ترمزی بازگشتی خودروهای الکتریکی
Two-Dimensional Siloxene–Graphene Heterostructure-Based High-Performance Supercapacitor for Capturing Regenerative Braking Energy in Electric Vehicles
سیستم های ذخیره سازی انرژی الکتروشیمی (EES) (مانند باطری های لیتیوم-یونی، سوپرکپسیتور ها (ابرخازن ها)) در پژوهش های فراوانی مورد توجه قرار داشته اند و در صنعت نیز با سرمایه گذاری چشمگیری همراه بوده اند. نرخ سریع شارژ/دشارژ، تراکم توان بالا، و طول چرخه عمر بالا در سوپرکپسیتورها (نسبت به باطری های لیتیومی) موجب شده است برای کاربردهای مختلفی از اهمیت بالایی برخوردار شوند، مانند فیلترینگ خط AC، تامین توان بدون اختلال، و ذخیره سازی انرژی بازگشتی ترمزی (PRBE) در خودروهای الکتریکی. توسعه سوپرکپسیتورها با تراکم انرژی خوب و تراکم توان بالا در فرایند ذخیره سازی انرژی ترمز خودروهای الکتریکی مورد نیاز است. در نتیجه، در حال حاضر این چالش وجود دارد که تراکم انرژی سوپرکپسیتورها باید افزایش یابد (بدون کاهش تراکم توان) تا این که به سطح تراکم انرژی باطری های لیتیوم یونی دست یابند و مقاومت دمایی بالایی نیز بدست آورند؛ این خواص برای عملی شدن این ادواات در ذخیره سازی انرژی ترمز، ضروری هستند. یک استراتژی مفید برای افزایش تراکم انرژی سوپرکپسیتور، استفاده از الکترولیت های دارای پنجره ولتاژ عملیاتی (OVW) گسترده والکترود با ظرفیت بالا، عنوان شده است. برای افزایش محدوده OVW یک سوپرکپسیتور، الکترولیت های یونی/آلی به الکترولیت های آبی ترجیح داده می شوند. الکترودهای دارای ظرفیت بالا عامل مهم دیگری در افزایش تراکم انرژی هستند که به این منظور، معمولا مواد نانو ساختار با ابعاد پایین، عملکرد بهتری دارند.
در پژوهشی که در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است، محققین از نانوساختارهای 2-بعدی به عنوان الکترود سوپرکپسیتورها استفاده کرده اند، به این دلیل که دارای برتری های ساختاری چشمگیری هستند که شامل 1) کانال های انتقال یون 2-بعدی؛ 2) در دسترس بودن راحت یون در سراسر سطح صفحه ها؛ و 3) رسانایی الکتریکی بالا در صفحه ها؛ می شود. نانوساختارهای 2-بعدی، به دلیل دارا بودن این خواص یکتا، همواره گزینه های غالبی برای ساخت الکترودهای سوپرکپسیتورها بوده اند؛ مانند صفحات گرافنی، کالکوژنید فلزات انتقالی، مکسین ها، متالن ها، سیلوکسن، و چارچوب های آلی-فلزی 2 بعدی؛ چالش اصلی در استفاده از مواد 2 بعدی به عنوان الکترود سوپرکپسیتورها، رسانایی الکتریکی ضعیف در بیرون صفحه است و همچنین تمایل آن ها به تجمع و ماهیت روی هم قرار گرفتن، که کاربرد آن ها را محدود می کند. برای غلبه این چالش ها، روش های مختلفی پیشنهاد شده است، مانند طراحی الکترودهای بدون چسب، قرار دادن نانوکریستال ها بر روی صفحات، و دوپ کردن عناصر مختلف، تا از انباشت نانوساختارهای 2-بعدی بر روی یکدیگر جلوگیری کنند. در این راستا، سنتز هترواستراکچر (قرارگیری نانوصفحات غیرمشابه بر روی یکدیگر) 2-بعدی/2-بعدی از نانوصفحات غیرمشابه با مکانیزم های متفاوت ذخیره سازی بار، می توانند عملکردی عالی را ایجاد کنند.
در این پژوهش، با استفاده از طریق هیبرید کردن مواد 2 لایه ای، شامل 1) صفحات گرافنی یا اکسید گرافن احیا شده (rGO) با ظرفیت 2-لایه-ای و 2) صفحات سیلوکسن با ماهیت شبه-خازنی. سوپرکپسیتور ساخته شده از سیلوکسن-rGO همراه با الکترولیت 1 مولار تترااتیل آمونیوم تترافلوئوروبرات (TESBF4)، عملکرد فوق العاده ای را نشان دادند که می توان به ماهیت هترواستراکچری (آرایش صفحات غیرمشابه بر روی یکدیگر) نسبت داد. این نانوساختار نوین، به تراکم انرژی 55.79 وات-ساعت در هر کیلوگرم و حداکثر تراکم توان 15000 وات در هر کیلوگرم دست یافته است و علاوه بر آن، می تواند در محدوده دمایی بین 15- تا 80 درجه سانتیگراد کار کند؛ در نتیجه، برای کاربرد در خودروهای الکتریکی و ذخیره سازی انرژی بازگشتی ترمزی، بسیار مناسب است.
