Els condensadors són principalment dispositius d'emmagatzematge de càrrega, però en comparació amb les bateries, tenen força menys capacitat per emmagatzemar càrrega. Tanmateix, la seva vida útil és molt superior a la de les bateries, el principi bàsic per al funcionament dels condensadors és el mateix tot i que es divideixen en diferents categories segons la seva construcció interna. El condensador de grafè és un tipus de supercondensador que té capes de grafè que proporcionen un moviment molt més lliure dels electrons i permeten la dissipació de la calor d'una manera eficaç.
Esquema:
- Què són els supercondensadors?
- Funcionament de supercondensadors
- Supercondensador de grafè
- Elèctrodes basats en grafè en supercondensadors
- Rendiment de supercondensadors basats en grafè
- Conclusió
Què són els supercondensadors?
Per entendre el condensador de grafè, cal tenir coneixements sobre els supercondensadors, ja que el condensador de grafè també entra dins de la categoria de supercondensadors. A diferència dels condensadors generals, els condensadors de sopar tenen una construcció interna diferent, que també afecta les seves propietats. El supercondensador té electròlits que estan separats per un medi aïllant i tenen elèctrodes de carbó actiu que estan en contacte amb l'electròlit. L'electròlit és principalment àcid sulfúric o òxid de potassi, i el separador sol ser Kapton:
Funcionament de supercondensadors
Quan un supercondensador no està connectat a cap font d'alimentació, les càrregues, independentment de la seva polaritat, es dispersen per l'electròlit, quan la font d'alimentació està connectada a través d'ell, el corrent comença a fluir del condensador i, a mesura que l'ànode obté la càrrega positiva, tots els els ions negatius de l'electròlit tendeixen a moure's cap a l'elèctrode de l'ànode. Mentre que el càtode es carrega negativament i tots els ions positius es mouen cap al càtode:
Aquesta força d'atracció entre l'elèctrode i l'electròlit és la força electrostàtica i aquesta atracció dels ions als elèctrodes provoca la formació de la doble capa elèctrica. Aquesta capa s'encarrega d'emmagatzemar les càrregues i a causa de la formació d'aquesta capa els supercondensadors també s'anomenen condensadors elèctrics de doble capa.
Així és com es carrega el supercondensador i quan qualsevol càrrega es connecta a través dels terminals del supercondensador, la càrrega dels elèctrodes comença a fluir de la càrrega. D'aquesta manera ambdós elèctrodes comencen a perdre càrrega perquè no són capaços d'atreure les càrregues i com a resultat quan totes les càrregues surten dels elèctrodes el condensador es descarrega.
Així que ara els ions es tornen a dispersar pels electròlits, i així és com funciona un simple supercondensador.
Supercondensador de grafè
El grafè prové del grafit que es troba principalment dins dels llapis i és un elèctrode de carboni que té el mateix nombre d'àtoms, però aquests estan disposats de manera diferent. A diferència del grafit, el grafè té una capa bidimensional d'un sol àtom disposada en forma de bresca hexagonal. Aquesta estructura permet que els àtoms creïn forts enllaços covalents que li confereixen una major resistència a la tracció i una gran flexibilitat. A causa d'aquestes propietats, el grafè permet que els electrons es moguin lliurement i tinguin una conductivitat elèctrica més alta.
Com que els supercondensadors tenen distàncies més curtes entre les plaques, cosa que els permet emmagatzemar més càrrega estàtica, el grafè té una capa molt prima de la mida d'un àtom en comparació amb la capa d'alumini. Així, el condensador de grafè té una superfície substancialment més gran, cosa que li permet emmagatzemar més energia en comparació amb altres supercondensadors.
Elèctrodes basats en grafè en supercondensadors
El grafè, com s'ha esmentat anteriorment, proporciona una superfície més gran que millora la capacitat del condensador per emmagatzemar càrrega. S'utilitzen diverses tècniques per a la fabricació d'elèctrodes amb grafè i dues d'elles són:
Fabricació mitjançant escuma de grafè
L'elèctrode de grafè creat amb l'escuma de grafè proporciona uns elèctrodes de major conductivitat, lleugers i flexibles, l'àrea dels quals es pot estendre fins a diversos cm. 2 i l'alçada fins a diversos mil·límetres. L'escuma de grafè es crea mitjançant la tècnica de deposició química de vapor fent-la créixer sobre una escuma de níquel o coure. Quan es crea una escuma de grafè sobre escuma de coure, produeix una capa de grafè d'alta qualitat, però l'estructura es pot col·lapsar fàcilment quan s'elimina el suport metàl·lic. Tanmateix, es pot utilitzar una escuma de níquel per crear una capa de grafè multicapa que es pot treure amb cura del suport metàl·lic sense cap dany. A més, l'òxid de grafè reduït també es pot formar mitjançant l'escuma de níquel mitjançant aquesta síntesi química. S'utilitzen alguns additius amb el grafè que ajuden a aconseguir una alta densitat de potència i proporcionen camins més curts per als electrons i ions, augmentant així la velocitat de les càrregues. Aquests additius poden ser òxids metàl·lics, polímers conductors i hidròxids metàl·lics, que fan que la fabricació d'elèctrodes a base de grafè sigui menys costosa.
La imatge anterior il·lustra el procés de formació de la capa de grafè mitjançant el mètode de deposició química de vapor.
Fabricació mitjançant escriptura làser
El mètode d'escriptura làser és comparativament menys costós i produeix grafè porós 3D en un sol pas reduint la tècnica de reducció d'àrea gran. En aquest mètode primer, es diposita una fina capa de grafè a la plantilla i després el làser comercial irradia la capa d'òxid de grafè. Quan la llum làser incideix sobre l'òxid de grafè, crea material conductor porós a la zona d'exposició.
Com a resultat, la superfície dels ions electròlits augmenta i el contingut d'oxigen es redueix considerablement. Com en el mètode anterior, alguns additius es poden utilitzar en l'escriptura làser directa, és a dir, el substrat pot ser una barreja d'òxid de grafè i polímer o el substrat també pot ser només polímer. Aquí teniu una imatge que il·lustra el procés d'escriptura directa amb làser:
Rendiment de supercondensadors basats en grafè
Els condensadors de grafè tenen una transferència eficaç d'electrons i ions, la qual cosa resulta en una gran capacitat gravimètrica i volumètrica. A més, presenten una estabilitat de velocitat de cicle més alta i una capacitat energètica més alta.
Per estudiar el rendiment i el comportament de diversos dispositius d'emmagatzematge d'energia s'utilitza un gràfic Ragone en el qual es representa el valor de l'energia específica (Wh/Kg) en funció de la potència específica (W/Kg). El gràfic utilitza una escala logarítmica per als dos eixos. L'eix y mesura l'energia específica, que és la quantitat d'energia per unitat de massa. L'eix X mesura la densitat de potència, que és la taxa de lliurament d'energia per unitat de massa.
Un punt de la gràfica de Ragone, en altres paraules, dóna la quantitat de temps durant la qual l'energia (per unitat de massa) a l'eix y es pot lliurar en la potència (per unitat de massa) a l'eix x, i aquest temps ( en una hora) es dóna com a relació entre l'energia i les densitats de potència. Posteriorment, les isocorbes (temps de lliurament constant) en una parcel·la de Ragone són rectes amb un pendent unitari. El següent gràfic de Ragone mostra l'energia específica (Wh/Kg) versus la potència específica (W/Kg) per a diversos dispositius d'emmagatzematge d'energia:
Conclusió
El condensador de grafè és un tipus de supercapcaitor que té elèctrodes fets de grafè que prové del grafit. El grafè proporciona una gran superfície a l'electròlit que provoca un augment de la capacitat i també té un petit temps de càrrega. A més, hi ha diverses tècniques per crear elèctrodes de grafè, dues d'elles: l'escuma de grafè i l'escriptura directa amb làser.