محققان دانشگاه توهوکوی ژاپن، با استفاده از زئولیت‌هایی با قالب کربنی و نانوحفره‌های منظم، توانستند ابرخازن‌هایی با سرعت شارژ بالا و طول عمری بیشتر از خازن‌ها و باطری‌های قابل شارژ امروزی بسازند.
به گزارش سرویس فناوری ایسنا، به منظور گسترش وسایل نقلیه‌ی نسل آینده، سامانه‌های انرژی خورشیدی و سایر فناوری‌های انرژی پاک، پژوهشگران به یک روش موثر برای ذخیره‌ی انرژی نیاز دارند. یکی از ابزارهای کلیدی ذخیره‌ی انرژی برای این کاربرد، ابرخازن است.
در مطالعه‌ی اخیر، دانشمندان دریافته‌اند که می‌توان از موادی که زئولیت با قالب کربنی نامیده می‌شوند، به عنوان الکترود در این‌گونه از خازن‌ها استفاده کرد و موادی را با ساختار متخلخل منحصربه‌فرد، برای اصلاح عملکرد کلی خازن یافته‌اند. دانشمندان، آنها را خازن دولایه‌ی الکتریکی نام‌گذاری کرده‌اند.
هیرویوکی آی‌توی، هیروتوما نی‌شی‌هارا، تای‌چی کوگور و تاکاشی کیوتانی از دانشگاه توهوکوی سن‌دای در ژاپن، نتایج بررسی‌های خود روی خازن دولایه‌ی الکتریکی با عملکرد بالا را در مجله‌ی American Chemical Society منتشر کرده‌اند.
برای ذخیره‌ی انرژی، خازن دولایه‌ی الکتریکی با یون‌هایی که از محلول به الکترود منتقل می‌شوند و جذب سطح می‌گردند، شارژ می‌شود. قبل از رسیدن به سطح الکترود، یون‌ها باید تا حد امکان سریع و موثر از میان نانوحفرات کم عرض عبور کنند. به‌طور اساسی، با حرکت سریع یون‌ها تا انتهای مسیر، خازن سریع‌تر شارژ شده، عملکرد آن افزایش می‌یابد. همچنین، با بیشتر شدن چگالی یون جذب شده در الکترود، شارژی که خازن می‌تواند ذخیره کند، بیشتر می‌شود و ظرفیت حجمی آن بالا می‌رود.
به‌تازگی، دانشمندان مواد متخلخلی با ساختارها و اندازه‌های مختلف را برای دستیابی به انتقال سریع یونی و چگالی جذب سطحی یونی بالا، بررسی کرده‌اند. اما این دو شرط لازم تا حدی در تناقض با یکدیگر هستند، چون یون‌ها می‌توانند به سرعت از میان نانوحفره‌های بزرگ‌تر منتقل شوند، اما نانوحفره‌های بزرگ، موجب کاهش چگالی الکترود می‌شوند و بنابراین چگالی جذب سطحی یونی را کاهش می‌دهند.
نی‌شی‌هارا می‌گوید: «در این کار تحقیقاتی، اثبات شد که این امکان وجود دارد تا چگالی بالا و توان و ظرفیت حجمی بالا در خازن (دو شرط ظاهرا متناقض)، با زئولیت با قالب کربنی، به صورت موفقیت آمیزی با هم ترکیب شود».
زئولیت با قالب کربنی، از نانوحفره‌هایی با قطر 1.2 نانومتر تشکیل شده‌است (کوچکتر از مواد الکترود رایج) و دارای ساختاری منظم است. اندازه‌ی کوچک نانوحفره‌ها، موجب بالا رفتن میزان چگالی جذب سطحی یونی می‌شود، درصورتی‌که ساختار منظم آن (که ساختاری شبه الماس دارد)، اجازه می‌دهد که یون‌ها به سرعت از آنها عبور کنند. در مطالعات قبلی، پژوهشگران نشان داده بودند که زئولیت با قالب کربنی با نانوحفره‌های کوچکتر از 1.2نانومتر، قادر به انتقال سریع یون نیستند، و پیشنهاد دادند که این اندازه، توازن بهینه‌ای را بین کارایی سرعت بالا و ظرفیت حجمی خازن فراهم می‌کند.
در آزمایش‌ها، خواص زئولیت با قالب کربنی، توانایی آن را برای استفاده به عنوان الکترود برای خازن‌های دولایه‌ی الکتریکی با کارایی بالا، نشان داده شده‌است.
نی‌شی‌هارا می‌گوید: «ما تلاش می‌کنیم که چگالی انرژی زئولیت با قالب کربنی را برای استفاده در باتری‌های ثانویه، افزایش دهیم. اگر خازن دولایه‌ی الکتریکی گسترش یابد و در تجهیزات تلفن‌های همراه استفاده شود، زمان شارژ آنها تا چند دقیقه کوتاه خواهد شد. یکی دیگر از کاربردهای مهم این خازن، استفاده در باتری‌های ثانویه در وسایل نقلیه‌ی الکتریکی برای افزایش عمر باتری اصلی است. همچنین برای این هدف رسیدن به چگالی انرژی بالا، یکی از مسائل کلیدی است»
به گزارش سرویس فناوری ایسنا، به منظور گسترش وسایل نقلیه‌ی نسل آینده، سامانه‌های انرژی خورشیدی و سایر فناوری‌های انرژی پاک، پژوهشگران به یک روش موثر برای ذخیره‌ی انرژی نیاز دارند. یکی از ابزارهای کلیدی ذخیره‌ی انرژی برای این کاربرد، ابرخازن است.
در مطالعه‌ی اخیر، دانشمندان دریافته‌اند که می‌توان از موادی که زئولیت با قالب کربنی نامیده می‌شوند، به عنوان الکترود در این‌گونه از خازن‌ها استفاده کرد و موادی را با ساختار متخلخل منحصربه‌فرد، برای اصلاح عملکرد کلی خازن یافته‌اند. دانشمندان، آنها را خازن دولایه‌ی الکتریکی نام‌گذاری کرده‌اند.
هیرویوکی آی‌توی، هیروتوما نی‌شی‌هارا، تای‌چی کوگور و تاکاشی کیوتانی از دانشگاه توهوکوی سن‌دای در ژاپن، نتایج بررسی‌های خود روی خازن دولایه‌ی الکتریکی با عملکرد بالا را در مجله‌ی American Chemical Society منتشر کرده‌اند.
برای ذخیره‌ی انرژی، خازن دولایه‌ی الکتریکی با یون‌هایی که از محلول به الکترود منتقل می‌شوند و جذب سطح می‌گردند، شارژ می‌شود. قبل از رسیدن به سطح الکترود، یون‌ها باید تا حد امکان سریع و موثر از میان نانوحفرات کم عرض عبور کنند. به‌طور اساسی، با حرکت سریع یون‌ها تا انتهای مسیر، خازن سریع‌تر شارژ شده، عملکرد آن افزایش می‌یابد. همچنین، با بیشتر شدن چگالی یون جذب شده در الکترود، شارژی که خازن می‌تواند ذخیره کند، بیشتر می‌شود و ظرفیت حجمی آن بالا می‌رود.
به‌تازگی، دانشمندان مواد متخلخلی با ساختارها و اندازه‌های مختلف را برای دستیابی به انتقال سریع یونی و چگالی جذب سطحی یونی بالا، بررسی کرده‌اند. اما این دو شرط لازم تا حدی در تناقض با یکدیگر هستند، چون یون‌ها می‌توانند به سرعت از میان نانوحفره‌های بزرگ‌تر منتقل شوند، اما نانوحفره‌های بزرگ، موجب کاهش چگالی الکترود می‌شوند و بنابراین چگالی جذب سطحی یونی را کاهش می‌دهند.
نی‌شی‌هارا می‌گوید: «در این کار تحقیقاتی، اثبات شد که این امکان وجود دارد تا چگالی بالا و توان و ظرفیت حجمی بالا در خازن (دو شرط ظاهرا متناقض)، با زئولیت با قالب کربنی، به صورت موفقیت آمیزی با هم ترکیب شود».
زئولیت با قالب کربنی، از نانوحفره‌هایی با قطر 1.2 نانومتر تشکیل شده‌است (کوچکتر از مواد الکترود رایج) و دارای ساختاری منظم است. اندازه‌ی کوچک نانوحفره‌ها، موجب بالا رفتن میزان چگالی جذب سطحی یونی می‌شود، درصورتی‌که ساختار منظم آن (که ساختاری شبه الماس دارد)، اجازه می‌دهد که یون‌ها به سرعت از آنها عبور کنند. در مطالعات قبلی، پژوهشگران نشان داده بودند که زئولیت با قالب کربنی با نانوحفره‌های کوچکتر از 1.2نانومتر، قادر به انتقال سریع یون نیستند، و پیشنهاد دادند که این اندازه، توازن بهینه‌ای را بین کارایی سرعت بالا و ظرفیت حجمی خازن فراهم می‌کند.
در آزمایش‌ها، خواص زئولیت با قالب کربنی، توانایی آن را برای استفاده به عنوان الکترود برای خازن‌های دولایه‌ی الکتریکی با کارایی بالا، نشان داده شده‌است.
نی‌شی‌هارا می‌گوید: «ما تلاش می‌کنیم که چگالی انرژی زئولیت با قالب کربنی را برای استفاده در باتری‌های ثانویه، افزایش دهیم. اگر خازن دولایه‌ی الکتریکی گسترش یابد و در تجهیزات تلفن‌های همراه استفاده شود، زمان شارژ آنها تا چند دقیقه کوتاه خواهد شد. یکی دیگر از کاربردهای مهم این خازن، استفاده در باتری‌های ثانویه در وسایل نقلیه‌ی الکتریکی برای افزایش عمر باتری اصلی است. همچنین برای این هدف رسیدن به چگالی انرژی بالا، یکی از مسائل کلیدی است»