Süper kapasitörler yükü elektrot-elektrolit arayüzünde depolar, dolayısıyla performansları erişilebilir yüzey alanı, gözenek yapısı ve elektronik iletkenlik tarafından yönetilir. Grafit çekicidir çünkü iletkendir, kimyasal olarak stabildir ve ucuzdur, ancak doğal grafit pulları kabaca 10-30 m2/g kadar sınırlı bir spesifik yüzey alanı sunar ve bazal düzlemleri elektrokimyasal olarak oldukça atıldır. Süper kapasitörler için grafit elektrotlar üzerinde yapılan son gelişmeler tam olarak bu sınırlara hitap ediyor.
Grafen ve Genişletilmiş Grafit
Grafitin grafen veya birkaç-katman tabakasına eksfoliye edilmesi, içsel iletkenliği korurken erişilebilir alanı büyüklük sıralarına göre artırır. Pratik zorluk yeniden istiflemedir: Yeniden-birleşen tabakalar kazanılan alanı kaybeder ve iyon aktarımını engeller. Geliştirilmekte olan yollar, tabakaları ara parçalarla ayrılmış halde tutuyor veya elektrotun sürekli bir akım yolu olarak kalması için bunları doğrudan iletken bir alt tabaka üzerinde büyütüyor. Doğal pulların araya eklenmesi ve termal olarak şoklanmasıyla üretilen genişletilmiş grafit, birim alan başına daha düşük maliyetli bir orta yol sunuyor.
Heteroatom Dopingi
Karbon kafesine nitrojen veya borun eklenmesi elektronik yapıyı değiştirir ve yüzey işlevselliğini artırır. Azot katkısı, özellikle Fermi seviyesine yakın elektron yoğunluğunu arttırır ve ortak elektrolitlere karşı ıslanabilirliği arttırır, bu da kullanılabilir kapasitansı yükseltir ve eşdeğer seri direnci azaltır. Katkılama normalde sentez sırasında veya reaktif bir atmosferde-işlem sonrasında gerçekleştirilir ve fayda, toplam konsantrasyonundan ziyade katkı maddesinin nasıl bağlandığına bağlıdır.
Test ve Karakterizasyon
Elektrokimyasal performans, malzeme taraması için üç-elektrotlu hücre ve cihazla ilgili sonuçlar için iki-elektrotlu simetrik hücre- kullanılarak döngüsel voltammetri, galvanostatik yük-deşarj ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi ile değerlendirilir. Yapısal karakterizasyon, yüzey alanı ve gözenek dağılımı için nitrojen adsorpsiyonuna, katmanlar arası aralık için X-ışını kırınımına ve kusur yoğunluğu için Raman spektroskopisine dayanır. Genel olarak grafit malzemeler için yoğunluk ve gözeneklilik ölçümleri ASTM C559 ve ASTM C1039 gibi yöntemleri takip eder ve üretilen karbon ve grafit eşyaların elektriksel direnci ASTM C611 ile ölçülür.
Sıkça Sorulan Sorular
Q:Süper kapasitör elektrotlarında neden grafit kullanılır?
C: Elektriksel olarak iletkendir, geniş bir potansiyel pencerede elektrokimyasal olarak stabildir ve maliyeti düşüktür ve bazı tasarımlarda polimer bağlayıcılar olmadan tabakalar, folyolar veya kaplanmış elektrotlar halinde işlenebilmektedir.
Q:Düz grafitin kapasitansını ne sınırlar?
C: Yaklaşık 10-30 m2/g'lık düşük erişilebilir yüzey alanı ve iyon erişimini kısıtlayan ve verimli çift katman oluşumunu engelleyen dar katmanlar arası boşluk.
Q:Nitrojen dopingi nasıl yardımcı olur?
C: Elektronik yapıyı ve yüzey kimyasını değiştirerek elektrolit ıslatmayı ve yük transferini iyileştirerek kullanılabilir kapasitansı artırır ve eşdeğer seri direnci azaltır.
Q:Grafen elektrotlarla ilgili temel sorun nedir?
C: Yeniden istifleme. Levhalar-kurutma ve döngü sırasında yeniden bir araya gelerek grafeni çekici kılan yüzey alanını kaybeder ve katmanlar arasında iyon aktarımını engeller.
Q:Hangi ölçüm bir yüzeyin gerçekten erişilebilir olup olmadığını ortaya çıkarır?
C: Nitrojen adsorpsiyonu gözenek boyutu dağılımını verirken, empedans spektroskopisi ve hız testi o alanın hangi kısmının gerçekte amaçlanan çalışma akımında çalıştığını gösterir.