I condensatori sono principalmente dispositivi di accumulo della carica, ma rispetto alle batterie hanno una capacità di accumulo della carica molto inferiore. La loro durata però è decisamente superiore a quella delle batterie, il principio base di funzionamento dei condensatori è lo stesso nonostante siano divisi in diverse categorie in base alla loro costruzione interna. Il condensatore al grafene è un tipo di supercondensatore che ha strati di grafene che forniscono un movimento molto più libero degli elettroni e consentono la dissipazione del calore in modo efficace.
Contorno:
- Cosa sono i supercondensatori?
- Funzionamento dei supercondensatori
- Supercondensatore al grafene
- Elettrodi a base di grafene nei supercondensatori
- Prestazioni dei supercondensatori a base di grafene
- Conclusione
Cosa sono i supercondensatori?
Per comprendere il condensatore al grafene, è necessario avere conoscenza dei supercondensatori poiché anche il condensatore al grafene rientra nella categoria dei supercondensatori. A differenza dei condensatori generali, i condensatori supper hanno una struttura interna diversa, che influisce anche sulle loro proprietà. Il supercondensatore ha elettroliti separati da un mezzo isolante e hanno elettrodi di carbone attivo che sono in contatto con l'elettrolita. L'elettrolita è principalmente acido solforico o ossido di potassio e il separatore è solitamente Kapton:
Funzionamento dei supercondensatori
Quando un supercondensatore non è collegato ad alcuna fonte di alimentazione, le cariche, indipendentemente dalla loro polarità, vengono disperse nell'elettrolita, quando la fonte di alimentazione è collegata ad esso, la corrente inizia a fluire dal condensatore e quando l'anodo riceve la carica positiva tutta gli ioni negativi nell'elettrolita tendono a spostarsi verso l'elettrodo dell'anodo. Mentre il catodo si carica negativamente e tutti gli ioni positivi si muovono verso il catodo:
Questa forza di attrazione tra l'elettrodo e l'elettrolita è la forza elettrostatica e questa attrazione degli ioni sugli elettrodi provoca la formazione del doppio strato elettrico. Questo strato è responsabile dell'immagazzinamento delle cariche e, a causa della formazione di questo strato, i supercondensatori sono anche chiamati condensatori elettrici a doppio strato.
Questo è il modo in cui viene caricato il supercondensatore e quando un carico qualsiasi è collegato ai terminali del supercondensatore, la carica sugli elettrodi inizia a fluire dal carico. In questo modo entrambi gli elettrodi iniziano a perdere carica perché non sono in grado di attirare le cariche e di conseguenza quando tutte le cariche lasciano gli elettrodi il condensatore si scarica.
Quindi ora gli ioni vengono nuovamente dispersi negli elettroliti, ed è così che funziona un semplice supercondensatore.
Supercondensatore al grafene
Il grafene deriva dalla grafite che si trova principalmente all'interno delle matite ed è un elettrodo di carbonio avente lo stesso numero di atomi, ma questi sono disposti diversamente. A differenza della grafite, il grafene ha uno strato bidimensionale a singolo atomo disposto a forma esagonale a nido d'ape. Questa struttura consente agli atomi di creare forti legami covalenti che conferiscono una maggiore resistenza alla trazione e un'elevata flessibilità. Grazie a queste proprietà, il grafene consente agli elettroni di muoversi liberamente e avere una maggiore conduttività elettrica.
Poiché i supercondensatori hanno distanze più brevi tra le piastre che consentono loro di immagazzinare più carica statica, il grafene ha uno strato molto sottile che ha le dimensioni di un atomo rispetto allo strato di alluminio. Pertanto, il condensatore al grafene ha un'area superficiale sostanzialmente maggiore, che gli consente di immagazzinare più energia rispetto ad altri supercondensatori.
Elettrodi a base di grafene nei supercondensatori
Il grafene, come menzionato sopra, fornisce un'area superficiale più ampia che migliora la capacità del condensatore di immagazzinare carica. Varie tecniche vengono utilizzate per la fabbricazione di elettrodi utilizzando il grafene e due di queste sono:
Fabbricazione tramite schiuma di grafene
L'elettrodo di grafene creato utilizzando la schiuma di grafene fornisce elettrodi con conduttività più elevata, leggeri e flessibili la cui area può essere estesa fino a diversi cm 2 e l'altezza fino a diversi millimetri. La schiuma di grafene viene creata mediante la tecnica di deposizione chimica da vapore facendola crescere su una schiuma di nichel o rame. Quando una schiuma di grafene viene creata su schiuma di rame produce uno strato di grafene di alta qualità, ma la struttura può collassare facilmente quando il supporto metallico viene rimosso. Tuttavia, è possibile utilizzare invece una schiuma di nichel per creare uno strato di grafene multistrato che può essere estratto con cautela dal supporto metallico senza alcun danno. Inoltre, utilizzando questa sintesi chimica, è possibile formare ossido di grafene ridotto anche attraverso la schiuma di nichel. Alcuni additivi vengono utilizzati con il grafene che aiutano a raggiungere un'elevata densità di potenza e forniscono percorsi più brevi per gli elettroni e gli ioni, aumentando così la velocità delle cariche. Questi additivi possono essere ossidi metallici, polimeri conduttivi e idrossidi metallici, che rendono meno costosa la fabbricazione di elettrodi a base di grafene.
L'immagine sopra illustra il processo di formazione dello strato di grafene utilizzando il metodo di deposizione chimica da vapore.
Fabbricazione mediante scrittura laser
Il metodo di scrittura laser è relativamente meno costoso e produce grafene poroso 3D in un unico passaggio riducendo la tecnica di riduzione di grandi aree. In questo metodo prima viene depositato un sottile strato di grafene sul modello, quindi il laser commerciale irradia lo strato di ossido di grafene. Quando la luce laser incide sull'ossido di grafene crea materiale conduttivo poroso nell'area di esposizione.
Di conseguenza, la superficie degli ioni elettrolitici aumenta e il contenuto di ossigeno viene notevolmente ridotto. Come nel metodo precedente, alcuni additivi possono essere utilizzati nella scrittura laser diretta, ovvero il substrato può essere una miscela di ossido di grafene e polimero oppure anche il substrato può essere solo polimero. Ecco un'immagine che illustra il processo di scrittura laser diretta:
Prestazioni dei supercondensatori a base di grafene
I condensatori al grafene hanno un efficace trasferimento di elettroni e ioni, che si traduce in un'elevata capacità gravimetrica e volumetrica. Inoltre, mostrano una maggiore stabilità della velocità di ciclo e una maggiore capacità energetica.
Per studiare le prestazioni e il comportamento di vari dispositivi di accumulo di energia viene utilizzato un diagramma di Ragone in cui viene tracciato il valore dell'energia specifica (Wh/Kg) rispetto alla potenza specifica (W/Kg). Il grafico utilizza una scala logaritmica per entrambi gli assi. L'asse y misura l'energia specifica, che è la quantità di energia per unità di massa. L'asse x misura la densità di potenza, che è la velocità di erogazione di energia per unità di massa.
Un punto nel diagramma di Ragone quindi, in altre parole, fornisce la quantità di tempo durante il quale l'energia (per unità di massa) sull'asse y può essere erogata in potenza (per unità di massa) sull'asse x, e quel tempo ( in un'ora) è dato dal rapporto tra l'energia e le densità di potenza. Successivamente, le isocurve (tempo di consegna costante) in un diagramma di Ragone sono linee rette con pendenza unitaria. Il grafico di Ragone sottostante mostra l'energia specifica (Wh/Kg) rispetto alla potenza specifica (W/Kg) per vari dispositivi di accumulo di energia:
Conclusione
Il condensatore al grafene è un tipo di supercondensatore che ha elettrodi realizzati in grafene proveniente dalla grafite. Il grafene fornisce un'ampia superficie all'elettrolita che si traduce in un aumento della capacità e ha anche un tempo di ricarica ridotto. Inoltre, esistono varie tecniche per creare elettrodi di grafene, due di queste sono: schiuma di grafene e scrittura laser diretta.