خازن های با چگالی انرژی بالا با نانومواد دو بعدی می توانند ذخیره انرژی را به میزان قابل توجهی افزایش دهند.

در جستجوی راه حل های انرژی کارآمدتر و پایدار، یک تیم تحقیقاتی چند دانشگاهی به نقطه عطف قابل توجهی در فناوری خازن دست یافته است... محققان دانشگاه هیوستون، دانشگاه ایالتی جکسون و دانشگاه هاوارد نوع جدیدی از خازن های انعطاف پذیر با چگالی انرژی بالا را توسعه داده اند که دستگاهی است که انرژی را ذخیره می کند.

اگرچه نمونه اولیه دستگاه فقط 1 اینچ در 1 اینچ است، نسخه های بزرگ شده این نوآوری به طور بالقوه می تواند سیستم های ذخیره انرژی را در صنایع مختلف از جمله پزشکی، هوانوردی، خودرو (EV)، لوازم الکترونیکی مصرفی و دفاع متحول کند.

محققان جزئیات مطالعه را در مقاله‌ای با عنوان چگالی انرژی خازنی فوق‌العاده در فیلم‌های دی الکتریک پلیمری مبتنی بر نانوپرکننده دوبعدی طبقه‌بندی شده، که در مجله ACS Nano منتشر شده است، به اشتراک گذاشتند.

خازن‌های دی‌الکتریک، اجزای حیاتی دستگاه‌های الکترونیکی و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی، به دلیل توانایی‌شان در تخلیه سریع مقادیر زیاد انرژی، شناخته شده‌اند که آن‌ها را برای کاربردهای پرقدرت حیاتی می‌سازد.

خازن های پرانرژی و پرقدرت برای یک منبع تغذیه قابل اعتماد ضروری هستند، به خصوص که ما به سمت استفاده بیشتر از منابع انرژی تجدید پذیر تغییر می کنیم، با این حال خازن های دی الکتریک فعلی به اندازه سایر انواع دستگاه های ذخیره انرژی مانند باتری ها انرژی ذخیره نمی کنند.

عالمگیر کریم (Alamgir Karim) استاد مهندسی شیمی در دانشگاه UH و مربی هیئت علمی در این تیم، گفت: چگالی توان بالاتر خازن‌ها، آنها را برای کاربردهای متعدد در مقایسه با باتری‌ها جذاب‌تر می‌کند.

مقدار انرژی که یک خازن می تواند ذخیره کند به گذردهی (ε) و قدرت شکست دی الکتریک (EBD) آن بستگی دارد. وی افزود: برای افزایش ذخیره انرژی یک خازن، باید هر دو را بهبود دهیم.

در این مطالعه، محققان نوع جدیدی از خازن را با استفاده از پلیمرهای لایه‌ای با نانوپرکننده‌های دوبعدی طراحی کردند، آنها از تکه های مکانیکی لایه برداری شده از مواد دو بعدی به عنوان پرکننده های نانو استفاده کردند.

محققان با چیدمان این مواد در لایه های خاص، ذخیره انرژی را به حداکثر رساندند و ساختاری ساندویچ مانند برای بهبود عملکرد خازن ایجاد کردند.

ساندویچ به دست آمده بسیار نازک و نازک تر از موی انسان است و این طراحی جدید عملکرد بهتری با چگالی انرژی و کارایی بالاتر نسبت به خازن‌های با نانوپرکننده‌های ترکیب شده تصادفی نشان داد.

Maninderjeet Singh، که مدرک دکترا گرفت، گفت: کار ما توسعه خازن‌های انرژی بالا و چگالی توان بالا را با مسدود کردن مسیرهای شکست الکتریکی در مواد پلیمری با استفاده از نانوپرکننده‌های دوبعدی نشان می‌دهد، در مهندسی شیمی در UH سال گذشته و اولین نویسنده این مقاله به همراه پریانکا داس از دانشگاه ایالتی جکسون است.

ما به چگالی انرژی فوق‌العاده‌ای در حدود 75 J/cm³ دست یافتیم که بالاترین میزان گزارش شده برای یک خازن دی‌الکتریک پلیمری تا به امروز است.

تیم تحقیقاتی از موادی مانند میکا و نیترید بور شش ضلعی (hBN) برای نشان دادن اثربخشی کنترل جهت گیری نانوصفحه دو بعدی در مسدود کردن مسیرهای شکست الکتریکی استفاده کردند و به طور شگفت انگیزی، پیشرفت های قابل توجهی در گذردهی دی الکتریک حتی با حداقل کسر حجمی (1٪) از نانوپرکننده ها مشاهده شد.

کریم گفت: با کمک تکنیک‌های لایه‌برداری و انتقال مکانیکی، ما با موفقیت به جهت‌گیری مطلوب دست یافتیم، و افزود که محققان ایالت جکسون برای این بخش از فرآیند بسیار مهم هستند. (هم کریم و هم نیهار پرادان از ایالت جکسون نویسندگان متناظر این مقاله هستند)

با توجه به اینکه محققان اولین استفاده در نوع خود از نانوکامپوزیت های چند لایه طبقه بندی شده را برای طراحی دستگاه های ذخیره انرژی پلیمری نشان دادند، کریم و پروفسور دارمارج راغوان از دانشگاه هوارد، یک متخصص نانوکامپوزیت انتظار دارند که این خازن های ترکیبی در طیف وسیعی مورد استفاده قرار گیرند.

برنامه های کاربردی در آینده و برنامه ریزی برای ادامه کار برای گسترش قابلیت های ذخیره سازی انرژی با توسعه رابط های پیوسته آلی- معدنی در چنین نانوکامپوزیت هایی.

کاربردهای بالقوه این خازن های با چگالی انرژی بالا بسیار زیاد است، محققان تصور می کنند که خازن ها در نهایت در دستگاه های پزشکی مانند ضربان سازها و دفیبریلاتورها و همچنین کاربردهایی در الکترونیک، وسایل نقلیه الکتریکی، سیستم های قدرت و غیره مورد استفاده قرار می گیرند.

سینگ که اکنون یک دانشمند تحقیقاتی فوق دکترا در دانشگاه کلمبیا است، گفت: «این تحقیق بینش‌های ارزشمندی در مورد پدیده‌های شکست دی‌الکتریک و پلاریزاسیون بار در نانوکامپوزیت‌های پلیمری دوبعدی ارائه می‌کند.

علاوه بر این پیشرفت، این تیم در حال تحقیق در مورد سیستم‌های پلیمری دیگر، از جمله دستکاری توپولوژی پلیمری، نانوذرات پیوندی پلیمری، و کوپلیمرهای بلوک لایه‌ای در تلاش برای توسعه خازن‌های با چگالی انرژی بالا برای آینده‌ای پاک بوده است.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است. سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد. ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست، و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.