تولید ابرخازن‌هایی با ظرفیت بالا با استفاده از نانوکامپوزیت‌های پلیمری- سرامیکی

به گزارش گروه علم و فناوری آنا به نقل از ستاد ویژه توسعه نانو، رشد روز افزون فناوری‌های نوین و صنعتی شدن زندگی مردم لزوم استفاده از سیستم‌های ذخیره انرژی با ظرفیت بالاتر، وزن سبک‌تر و قیمت مناسب را ضروری ساخته است، به‌گونه‌ای که امکان استفاده از تجهیزات الکترونیکی در هر مکان و زمان میسر شود. از این ‌رو، طراحی ابرخازن‌هایی با ویژگی‌های مذکور از اهمیت بالایی برخوردار است. امروزه تحقیقات گسترده‌ای به‌منظور تولید ترکیباتی جدید جهت جایگزینی با مواد گران‌قیمتی همچون روتینیم اکسید به‌عنوان ابرخازن رایج در سرتاسر جهان صورت گرفته است.

به گفته دکتر علی احسانی، در این کار تحقیقاتی سعی شده است با ساخت مقرون ‌به‌صرفه نانوذرات سرامیکی، نانوکامپوزیت‌هایی پلیمری- سرامیکی مناسب جهت استفاده در ابرخازن‌هایی با کارایی بهتر تهیه شود.

وی در خصوص اهمیت اجرای این طرح گفت: «تولید نانوذرات پایدار سرامیکی با درجه خلوص بالا و با روش‌های نوین و اقتصادی به دلیل کاربردهای ویژه در ساخت لیزرهای جامد و تولید نانوکامپوزیت‌های پلیمری- سرامیکی مورد استفاده در ابرخازن‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است».

احسانی افزود: «با سنتز نانوذرات پودر ایتریم آلومینیوم گارنت خالص به روش الکتروشیمیایی به‌عنوان یک ماده سرامیکی پیشرفته دوستدار محیط‌زیست، ساخت این ابرخازن‌ها به روشی ساده و کم‌هزینه صورت گرفته است. افزایش پایداری مکانیکی و ظرفیت ذخیره انرژی، وزن کم و انعطاف‌پذیری بالای ابرخازن‌های تولید شده از دیگر مزیت‌های استفاده از نانوذرات در طراحی آنهاست».

لازم به ذکر است مزیت مهم روش الکتروشیمیایی به کار رفته، استفاده از شرایط دما و فشار معمولی است که سنتز نانوکامپوزیت را در مقیاس‌های صنعتی مقرون ‌به‌صرفه می‌سازد. همچنین سنتز الکتروشیمیایی برخلاف سنتز شیمیایی به علت عدم استفاده از واکنشگرهای شیمیایی در فرایند اکسایش بر طبق استانداردهای جهانی، روشی سبز است. کاربرد این نانوکامپوزیت با توجه به بحران انرژی، در راستای گسترش استفاده از سیستم‌های انرژی غیر فسیلی و پاک می‌تواند بسیار مهم باشد.

احسانی با اشاره به نحوه ساخت و عملکرد ویژه نانوذرات در طراحی ابرخازن‌های مذکور افزود: «ابتدا نانوذرات ایتریم آلومینیوم گارنت به روش پالس الکتروشیمیایی در دما و فشار معمولی سنتز شد و در مرحله بعد نانوذرات سرامیکی سنتز شده به کمک امواج التراسونیک در محلول پیرول پخش شد. سپس با روش ساده الکتروشیمیایی، پلیمر دارای نانوذرات سرامیکی به‌صورت فیلم نازک در سطح الکترود کار تشکیل می‌شود. به دلیل نسبت سطح به حجم بالای نانوذرات و پخش یکنواخت آنها بر تمامی سطح فیلم، فیلم تشکیل شده بر سطح الکترود هم‌سطح فعال بالایی دارد و به هم علت شرکت در فرآیند اکسایش-احیا از دو طریق فارادیک و غیر فارادیک بار را ذخیره می‌کند. همچنین پخش نانوساختارهای اکسید فلزی در بستر پلیمر، اتصالات فیلم را افزایش داده و استحکام مکانیکی قابل‌ملاحظه ای در طی چرخه‌های شارژ و تخلیه متوالی ایجاد می‌کند. آزمون‌های الکتروشیمیایی از قبیل ولتامتری چرخه‌ای، شارژ - تخلیه متوالی، امپدانس الکتروشیمیایی و آزمون پایداری، قابلیت بالای نانوکامپوزیت تولیدی در استفاده به‌عنوان ابرخازن در سیستم‌های ذخیره کننده انرژی را تأیید می‌کند».

دکتر علی احسانی، عضو هیئت علمی دانشگاه قم، حمید محمد شیری، عضو هیئت علمی دانشگاه پیام نور کرمان و دکتر جواد شعبانی، پژوهشگر مرکز تحقیقات پروتئین دانشگاه شهید بهشتی در انجام این طرح همکاری داشته‌اند.